植物水通道蛋白調控及其基因功能研究進展

鄧曉旭，陳黃曌，王 琦

（1.河南牧業經濟學院生物工程學院，鄭州 450046；2.河南工業大學，鄭州 450001）

植物水通道蛋白調控及其基因功能研究進展

鄧曉旭1，陳黃曌1，王 琦2

（1.河南牧業經濟學院生物工程學院，鄭州 450046；2.河南工業大學，鄭州 450001）

水通道蛋白在維持植物中水和離子平衡、細胞完整性、生長和生存等方面起著至關重要的作用。文章綜述了水通道蛋白的結構與亞細胞定位，蛋白功能與調控，基因表達與分析，并初步對水通道蛋白后續的研究進行了展望，以供參考。

植物 水通道蛋白 亞細胞定位 調控 基因表達

植物的生長和發育依賴于細胞膜和組織對水吸收和運輸的嚴格控制。自從20多年前在植物中發現了第一個水通道蛋白以來，許多發現均認為它是水通過細胞膜的重要途徑。目前水通道蛋白基因在煙草、擬南芥、玉米、水稻等多種植物被發現并克隆，且已被證實是一個超基因家族。擬南芥中存在35個水通道蛋白同源物，玉米中存在35個水通道蛋白基因，而水稻中也存在33個。植物中的水通道蛋白基因不僅具有多樣性，而且擁有極高的豐度。

1 水通道蛋白結構和亞細胞定位

水通道蛋白由6個跨膜α-螺旋形成5個環狀結構（A-E環），它的A、C、E環朝向液泡或者細胞質，它的N端、C端以及B、D環朝向細胞質。B、D環各有一段高度保守的NPA序列形成一個窄孔，為水分子跨膜運輸提供通道。

水通道蛋白屬于古老的通道蛋白MIP家族（Major Intrinsic Proteins），基于序列的相似性和亞細胞定位，被分為 PIPs（Plasma membrane Intrinsic Proteins）、TIPs（Tonoplast Intrinsic Proteins）、NIPs（Nodulin-26-like Intrinsic Proteins）、SIPs（Small Intrinsic Proteins）。 采用GFP融合蛋白表達和免疫化學技術對MIP家族進行亞細胞定位。PIPs定位于原生質膜上，且孔道狹窄，高度保守，是典型的高選擇性水分子通道[1]。PIPs分為PIP1、PIP2和PIP3 3個亞類，PIP1具有較長的N端和C端。TIPs定位于液泡膜或囊膜上，有α、β、γ、δ和ε 5個亞類，水運輸力是PIPs的近100倍。NIPs定位于細菌和植物的共生體膜上，具有多種孔道構象。SIPs定位于質膜內陷形成的質體膜上，分為SIP1和SIP22個亞類，是植物水通道蛋白最小的家族，且具有非常罕見的孔道構象。

2 水通道蛋白功能與調控

已有研究發現，植物水通道蛋白的作用遠遠超出了水分子跨膜運輸，還能運輸其它的小分子或具有重要生理功能的氣體。由于水通道蛋白與植物中水分子跨膜運輸以及植株生長發育中的作用聯系緊密，所以水通道蛋白的精密調節對植物滲透系數的改變至關重要。

水通道蛋白基因的表達可以隨著不同的環境條件、細胞、組織類型和植物發育階段而發生變化[2]。除了這些基因表達的最初調控步驟外，翻譯和定向的水通道蛋白活性還可以被進一步調控，如甲基化、糖基化、磷酸化，也可以通過pH、二價離子和膜張力的改變來調節。據報道，諸如缺氧脅迫、鹽脅迫和水脅迫等各種壓力條件也會影響植物體內水通道蛋白的活性。

最早被發現的是磷酸化對水通道蛋白的影響，糖基化也是水通道蛋白定向轉運和靶向膜插入的關鍵。加壓素（antidiuretic hormone，ADH）可以使細胞內的cAMP水平升高，激活蛋白酶K，從而使水通道蛋白磷酸化，促進囊泡和質膜的融合，最終增加細胞膜的通透性。松葉菊的McTIP1；2基因在受到低滲脅迫后重新定位，該變化與通道蛋白的糖基化有關。現有報道，在哺乳動物中AQP0，AQP3，AQP6和植物的PIPs基因受到Ca2+離子濃度的調節。擬南芥懸浮細胞與根的通透性受Ca2+和低pH的影響。在非洲爪蟾卵母細胞中，擬南芥 AtPIP2；1，AtPIP2；2，At PIP2；3 和At PIP1；2在pH從7變化為6時水通道關閉。有文獻報道，植物根系水通道蛋白也受到鹽脅迫的誘導，此外，還受到多種激素包括ABA，GA及環境因素藍光，水分脅迫等的誘導。

NOD26是植物中被發現的首個MIP家族成員，由271個氨基酸殘基構成，參與植物細胞和細菌之間的小分子物質運輸。Roberts等發現爪蟾卵母細胞中表達的NOD26具有對汞敏感的水通道活性，對甲酰胺，甘油等不帶電的溶質分子具有較高的通透性，且受汞的抑制作用。

水通道蛋白在調節植物體內水分流動的同時也在胞質與液泡，胞質與質外體間的滲透中參與重要功能。TIPs編碼的水通道蛋白介導液泡與細胞質之間的水分交換。通過對擬南芥的TIP1進行基因功能分析發現，TIP1；1基因定位于細胞中多液泡的連接處，與液泡間的融合過程密切相關，敲除該基因后對擬南芥的生長基本無影響，但提高了植株對環境中滲透脅迫的耐受程度。

3 水通道蛋白基因表達和分析

眾多學者對水通道蛋白在逆境下的作用進行了大量的研究。BnPIP1在煙草中的超表達使植株水分的傳導能力提高，且抗旱性增強；NtPIP1基因能夠提高煙草在鹽脅迫下的水分利用率和生物產量；TdPIP1在煙草中的過表達加快煙草根系的生長并增大葉片面積，因此提高了煙草的抗逆能力；OsPIP2；6的過表達能夠提高水稻抗亞砷酸鹽的能力；在擬南芥中表達黑籽南瓜的CfPIP2；1基因后，可以提高植株在干旱環境下的成活率，在黑籽西瓜中表達黃瓜CsPIP1；1基因或CsPIP2；1后可以提高種子在高鹽脅迫下的發芽率。有研究發現PIPs的mRNA及蛋白表達水平基本不受水脅迫的影響。

有報道稱，水通道蛋白促進CO2在細胞膜中的運動。在煙草中對水通道蛋白基因AtAQP1進行過表達分析，反義表達植株中CO2在細胞膜中的通透性降低。在水稻中，對HvPIP2；1基因進行過表達，試驗發現細胞內的CO2的傳導性和CO2的同化作用增加。用赤霉素誘導水稻OsPIP2；6后，基因表達量增加；赤霉素處理6 d和9 d苗齡月季后，其基因RhPIP1表達量升高24%和19%，在經脫落酸處理后，表達量下降50%和70%。

有研究表明，水通道蛋白在植物體內微量元素硼的跨膜運輸中發揮著重要作用。擬南芥中的AtNIP5基因被認為可以將硼元素轉運至植物的根系，AtNIP6可以將硼元素優先轉運至嫩芽生長的組織部位。大麥的HvPIP1；3和HvPIP1；4基因在酵母細胞中過表達之后可增強細胞對環境中硼元素的耐受度，同時OsPIP2；4和OsPIP2；7基因可以提高水稻植株對環境中硼脅迫耐受性。

對葡萄的多個水通道蛋白序列分析后得出結論，這些蛋白具有轉運氨、尿素、硼等的特征序列。通過一系列的酵母生長表型的變化分析，認為該蛋白可提高酵母細胞對噴施硼和過氧化氫的敏感性，可能在類似小分子物質的轉運中發揮重要功能。

4 展望

長久以來都存在一種觀點，認為水通道蛋白可以通過調節質膜的滲透壓來增加細胞膜的透水性。這一簡單的滲透假說已經被廣泛應用于動物上皮液體輸送、植物的水分吸收和蒸騰以及微生物的細胞膜滲透性調節。但是該假說并不能合理地解釋在一些細胞、亞細胞和組織水平通過基因消除或者突變等途徑得到的研究結果。直到2004年Hill等提出了不同的觀點[3]。通過建立水通道蛋白的機械模型進行探討提出假設，水通道蛋白在細胞膜的滲透性和膨壓中擔任的是跨膜傳感器的角色；但水通道蛋白在分子層面的作用機理仍需要開展深入研究。

[1] Marty F．Plant vacuoles．Plant Cell，1999，11（4）：587

[2] Chaumont F，Moshelion M，Daniels M J．Regulation of plant aquaporin activity．Biology of the Cell，2005，97（10）：749～764

[3] Hill A S B，Shachar-Hill Y．What are aquaporins for? [Review]．Journal of Membrane Biology，2004，197（1）：1～32