水孔蛋白[课堂参照]

1、 植物水孔蛋白研究进展摘 要 : 孔蛋白(Aquaporins,AQP)是 新近发现的一组 与水通 透 有关的细胞 膜转运蛋白, 广泛存在于动物、植物及微生物细胞膜上.植物水孔蛋白在植物体内形成水选择性运输通道,在植物种子萌发、细胞伸长、气孔运动、受精等过程中调节水分的快速跨膜运输。有些水孔蛋白还在植物逆境应答中起着重要作用,因此研究水孔蛋白与植物抗旱性的关系引起了广泛关注。关键词:植物水孔蛋白;水分运输;逆境应答；磷酸化植物的生存、生长发育有赖于水分的供给，但在植物水孔蛋白发现以前，人们并不十分了解植物水分跨膜运输的机制。水孔蛋白( aquaporin，AQP) 是一种功能性的跨膜输水蛋白，

2、属跨膜通道的膜内在蛋白( membrane intrinsic protein，MIP) 家族，实现水分的跨膜运输。MIP 是一类同源性很高的家族蛋白，具有转运水、甘油、小分子溶质的功能。当植物体处于干旱、盐碱等胁迫状态时，体内各组织间的水分平衡被打破，水孔蛋白在水分运输和胞内渗透压的调控等方面发挥着重要作用。1 水孔蛋白的概述1988年，Agre研究小组从人的红细胞膜上分离得到CHIP28蛋白，随后他们用爪蟾卵母细胞表达系统证实CHIP28具有水通道功能，第1次从分子水平上证实蛋白质介导水分的跨膜转运(Denker等1988;Preston等1992)。1997年基因组命名委员会正式将CHI

3、P28命名为AQPI。现在已经知道，水孔蛋白(aquaporin，AQP)是一类介导水分快速跨膜转运的膜内在蛋白，属于MIP(majorin-rinsicprotein)家族，分子量在2634切a(Fr妙sse等2005)。水孔蛋白几乎存在于所有的生物体内，包括人、动植物、酵母和细菌等，是一类古老的膜蛋白(Borstlap2002;Gustavsson等2005)。AQP 在植物中分布广泛，具有丰富的多样性到目前为止，在拟南芥、烟草、菠菜、马铃薯、胡萝卜、玉米、水稻等许多植物中都发现了AQPAQP 是由多基因家族编码的在拟南芥中已发现有 35 个基因编码 AQP，而玉米和水稻中也存在 33 个

4、 AQP 基因最近在非维管束植物球蒴藓(Physcomitrella patens)中发现有 23 个 AQP 基因根据氨基酸序列的同源性及结构特征，通常将植物 AQP 分为 5 类：质膜内在蛋白 (plasmamembrane intrinsic proteins， PIPs) 位于质膜上，分为 PIP1、2、3 三个亚类；液泡膜内在蛋白(tonoplast intrinsic proteins， TIPs) 处于液泡膜上，分为、和 -TIP五个亚类；类 Nod26 膜内在蛋白(nodulin 26-like intrinsic proteins，NIPs)存在于根瘤菌和豆科植物的共生膜上；

5、小分子碱性膜内在蛋白(small and basic intrinsic proteins，SIPs)，分为 SIP1 和 SIP2 二个亚类；以及类 GlpF(glycerolfacilitator)膜内在蛋白(GlpF-like intrinsic proteins，GIPs)2水孔蛋白的结构水孔蛋白与膜内在蛋白(membrane intrinsicprotein, MIP)具有很高的序列同源性和结构相似性,于是将其归类为 MIP 家族。水孔蛋白的分子量大多在2533 kDa之间, 其结构具有MIP家族的典型特征, 由 5 个亲水的短环(AE)连接 6 个跨膜 - 螺旋(H1H6)、N末端

6、以及C末端组成。其中, B环、D 环以及 N末端、C 末端始终位于细胞质中, 而A环、C 环及 E 环则位于生物膜另一侧(T rnroth-Horsefield 等 2006)。绝大多数水孔蛋白的B 环和E环上都存在一个高度保守的氨基酸序列: 天冬酰胺 - 脯氨酸 - 丙氨酸(aspargine-proline-alanine), 被称之为 NPA 基序。但最近研究发现拟南芥的 SIP 家族中, AtSIP1;1、AtSIP1;2 以及 AtSIP2;1 这 3 个蛋白 B 环上保守的基序不是 NPA, 而分别是 NPT(aspargine-proline-threonine)、NPC (as

7、pargine-pro-line-cysteine)和 NPL (aspargine-proline-leucine)(Maeshima 和 Ishikawa 2008)。B 环和 E 环各自形成半个跨膜螺旋(HB, HE), 分别从膜的两侧折向膜内, 形成第 7 个跨膜螺旋(T rnroth-Horsefield 等2006), 2 个 NPA基序位于该螺旋的中心, 形成一个可双向运输水分的孔道。在NPA基序外侧0.8 nm处存在一个收缩的芳香族化合物/精氨酸(aromatic/arginine, ar/R)模体结构, 由4个氨基酸残基组成, 其中包括 1 个芳香族氨基酸残基和 1 个精氨酸

8、, 由于存在位阻效应以及精氨酸残基的静电排斥作用, 并且ar/R区是通道最窄的区域, ar/R模体对所运输的小分子具有选择性(Fujiyoshi 等 2002)。Bansal 和Sankararamakrishnan (2007)比较拟南芥、水稻以及玉米的水孔蛋白ar/R区的空间结构和氨基酸序列时发现, 水稻和玉米的NIP亚类水孔蛋白ar/R区的4个氨基酸中有3个是小氨基酸残基, 其ar/R区孔径大些, 于是这些水孔蛋白可以转运大一些的中3植物水孔蛋白的生理作用水孔蛋白的主要功能是促进水分的跨膜转运、调节细胞的渗透势;另外,水孔蛋白在气孔运动、逆境应答、种子成熟、萌发、开花等方面都发挥着重要的

9、作用。3.1促进水分在植物体内的长距离运输水分在植物体内的大量运输是通过维管系统长距离运输实现的,根吸收的水分经凯氏带进入根的导管、茎的导管、叶脉导管及叶肉细胞,都有水孔蛋白的参与2。如烟草和拟南芥的水孔蛋白优先在维管束中表达,便于水分的长距离运输。3.2促进水分的跨膜运输水孔蛋白通过减小水分在跨膜运输时的阻力而使细胞间的水分顺水势梯度迁移的速率加快,促进细胞内外的水分跨膜运输,调节细胞内外的水分平衡,如流经根中的水有70% 90%是通过细胞膜上的水孔蛋白来传输的,这是水分进出细胞的主要途径3。当然,水孔蛋白在细胞内各区域间的水分跨膜转移中也起着同样的作用。3.3调节细胞的渗透压及细胞的胀缩大

10、多数成熟植物细胞都有一个体积较大的液泡,细胞质被挤压在质膜与液泡膜之间,在整个细胞中只占很小的体积,这种结构很容易使细胞质处于急剧的渗透变化之中。但液泡膜上TIP的存在,其导水性是质膜上PIP的上千倍,利于水分的快速转移,可以使植物细胞利用巨大的液泡空间来缓冲细胞质内的渗透波动及细胞质的稳态,对于调节细胞的渗透压具有关键的作用4。当然,液泡膜上的TIP使水分快速出入液泡,也保证了细胞能迅速膨胀和紧缩。3.4运输其他小分子物质水孔蛋白对水具有高度选择性,一般不允许其他物质通过,如拟南芥-TIP对水分运输具有高度的专一性。但目前发现少量的水孔蛋白可同时运输其他小分子物质,如烟草的NtAQP1和Nt

11、TIPa都能运输甘油和尿素;南瓜的CpNIP1、拟南芥的-TIP和-TIP都能运输尿素4。此外,科学家还发现爪蟾卵母细胞表达的南瓜PIP1能提高植物对硼酸的吸收能力;大豆与细菌共生膜上的NIP可能有运输氨的作用。另外,还有许多研究认为水孔蛋白能促进CO2的跨膜转运3.5参与气孔运动在拟南芥中发现的AthH2基因主要存在于分化细胞及幼嫩组织或器官中,而它在子叶及幼叶气孔的保卫细胞及其表皮细胞中有很高的表达活性,说明AthH2蛋白可能参与气孔运动。水孔蛋白BBAQ1在蚕豆保卫细胞中专一表达,而在其他表皮细胞中几乎没有表达,证实保卫细胞中存在水孔蛋白5。研究发现,水孔蛋白抑制剂HgCl2能显著抑制光

12、下关闭气孔的张开和暗中张开气孔的关闭,而-巯基乙醇则几乎可以完全解除这种抑制作用,表明保卫细胞膜上的水孔蛋白参与了气孔的开闭运动5。另外,水孔蛋白受抑制则极大地减弱甚至消除气孔振荡的发生,说明水孔蛋白在气孔振荡中也发挥了重要作用。3.6在植物逆境应答中的作用3逆境条件下植物细胞的水孔蛋白活性会有较大的变化,如在干旱时,根系细胞的水孔蛋白活性消失,以限制水分流失到土壤中,增强植物对干旱的耐受能力;冷害时,大米叶片水孔蛋白的表达受到了抑制,说明水孔蛋白基因表达的变化对耐冷反应很重要;冻害处理时,耐冷玉米Z7的水孔蛋白对根系的水导贡献率很大,维持了体内的水分运输,使得植物不至于结冻;植物受盐胁迫时,

13、光合碳同化途径从卡尔文循环(Calvin Cycle)转变为CAM途径(crassulacean acidmetabolism),此时叶细胞膜中水孔蛋白的含量下降,而根中基本保持不变,这一差异反映了逆境下叶中水孔蛋白含量的变化与光合作用类型的变化相关。生产实践中,可通过研究和筛选具有特异性水孔蛋白基因的作物,了解它们在不同的逆境中的适应性,以达到使作物在逆境中实现稳产高产的目的;也可对作物喷施能调节水孔蛋白活性的药物,加强水孔蛋白运动的能力,改善作物的抗逆性。3.7 在种子成熟、萌发及开花中的作用研究表明,在种子萌发及幼苗初期,-TIP消失,与幼苗初期细胞伸长生长有关的-TIP却大量积累;而种

14、子成熟晚期则有大量-TIP积累,说明-TIP与-TIP在种子萌发、成熟过程中协同调控细胞的渗透势3。分布于雌蕊、花药等生殖器官中的水孔蛋白与植物的生殖有关,如从郁金香花瓣中分离出的水孔蛋白受磷酸化的调节,使花瓣在5低温时关闭, 20高温时开放,起着调节植物开花生理的功效。与生殖有关的矿质元素硼的吸收与运输与水孔蛋白介导的水分跨膜转运也有密切的关系,水孔蛋白的开张有利于硼吸收,利于花粉的形成、花粉粒的萌发、花粉管的伸长及受精过程的进行。4植物水孔蛋白的活性调控水孔蛋白在生物膜上的存在,不仅使水分跨膜运输成为可能,而其更大的生物学意义在于它能使植物快速灵敏地调节细胞内与细胞间的水分流动,有些水孔蛋

15、白是组成型表达的,而多数水孔蛋白是受环境因子,如干旱、盐害、激素、光质等诱导表达的,这些就涉及到水孔蛋白的表达调控。调控机制大致可以分两类:转录后水平的调控和转录水平的调控。前者主要通过磷酸化/去磷酸化作用实现的,而后者则主要通过控制水孔蛋白的合成速度来实现。4.1激素对水孔蛋白活性的调节如油菜素内酯在拟南芥中通过调控下胚轴细胞质的渗透势来调节水孔蛋白的活性;赤霉素和脱落酸可使水孔蛋白基因表达受到激活。4.2磷酸化对水孔蛋白活性的调节磷酸化是调节水孔蛋白活性的重要手段,如大豆NOD26的Ser262磷酸化后,无论是在活体中还是在爪蟾卵母细胞中表达都能促进水分的运输。4.3Ca2+对水孔蛋白活性

16、的调节水孔蛋白的种类不同,水分运输的方向也不同,有些水孔蛋白负责向胞外运输水分,而另一些则负责向胞内运输,但两者均可为细胞质中高浓度的Ca2+激活。4.4pH对水孔蛋白活性的调节一般来说,水孔蛋白的水分通透性在pH 6.5时大大增加,中性时允许水分、甘油通过, pH6时关闭, pH5. 5时可选择性地透过水分与Cl-。对拟南芥离体根系的研究发现,胞内水分流动的减少常伴随着胞质中pH的降低,说明胞质中pH的降低可能降低了水孔蛋白的活性,降低了水分运输。4.5重金属对水孔蛋白活性的调节HgCl2能抑制水孔蛋白的活性,降低导水率,原因是Hg2+与水孔蛋白的半胱氨酸结合导致水孔蛋白的构象发生改变,所以

17、,HgCl2常被作为水孔蛋白的抑制剂4。如用0. 5mmol/LHgCl2处理离体西红柿根系,导水性下降了57%,而K+的运输则没有任何改变。另外,金和银的化合物也具有抑制水孔蛋白活性的作用,并且比HgCl2具有更强的抑制效果,银是迄今为止最强的水孔蛋白活性抑制剂,且抑制作用十分快速,但它的抑制作用是不可逆的。金和银对水孔蛋白的抑制可能是由于它们与蛋白质的巯基相互作用的结果。5结语与展望近年有关植物 AQP 的大量研究，使人们对其在植物水分运输及其他生理过程中的作用与分子机制有了更深入的认识植物 AQP 既可运输水分也可运输许多其他小分子物质，并在光合作用、矿质营养、气孔调节、种子萌发、开花生

18、理、果实发育以及环境应答等过程中都具有十分重要的意义值得指出的是，AQP 种类繁多，且在不同细胞、组织及器官中的表达也存在差异，功能也不尽相同为此，有必要进一步研究 AQP 更多的生理功能，并将 AQP 的表达定位与其生理功能联系起来另外，把细胞水平和分子水平上获知的 AQP 运输选择性及其活性调控机制尽可能整合到植物生理过程的整体水平研究中，同时通过探求 AQP 与膜上其他转运蛋白的密切关系以及 AQP 活性调节的信号转导通路等，进而更深入、系统地研究和阐明AQP 在植物生长发育过程中的作用机制参考文献侯彩霞，黄昊，汤章城(1997).植物细胞的水孔蛋白.植物生理学通讯，33(2):151一156李登弟，黄耿青，谭新，王杰，王秀兰，许文亮，吴雅洁，汪虹，李学宝(2006).棉花GhAQ尸I基因克隆及其在胚珠发育中的特异表达.植物生理与分子生物学学报，32(5):543一550吴安慧，张岁岐，邓西平，山仑，刘小芳(2006).水分亏缺下玉米根系zm尸Ipl亚族基因的表达.植物生理与分子生物学学报，32(5):557562于秋菊，吴绮，林忠平，李景富(2002).植物水孔蛋白研究进展.北京大学学报(自然科学版)，35(6):555一866