植物錳轉運蛋白研究進展

趙秋芳 馬海洋 賈利強 陳曙 金輝

摘 ?要 ?錳是植物必需的微量元素，參與植物的多種生命活動過程，包括光合作用、呼吸作用、蛋白質合成和激素活化等。錳缺乏和過量均能影響植物生長和產量。但是目前對錳在植物中吸收、轉運過程的分子機制仍了解有限，少數金屬轉運蛋白家族被報道參與錳在植物體中的吸收、轉運和分配，如NRAMP （natural resistance associated macrophage protein）， YSL （yellow stripe-like），ZIP （zinc regulated transporter/iron-regulated transporter [ZRT/IRT1]-related protein），CDF/MTP （cation diffusion facilitator/metal toleranceprotein），CAX （cation exchanger），CCX （calcium cation exchangers），P-type ATPases和VIT （vacuolar iron transporter）。本文主要綜述模式植物擬南芥和水稻中錳轉運蛋白對錳吸收、分配和維持植物體內錳平衡方面的研究進展，并對相關研究進行展望。

關鍵詞 ?錳;轉運蛋白;擬南芥;水稻

中圖分類號 ?Q945 ?????文獻標識碼 ?A

Abstract ?Mn is an essential nutrient which is needed for a variety of life processes in plants， including photosynthesis， respiration， protein synthesis and hormone activation. Mn deficiency or Mn toxicity could affect plant growth and yield. However， relatively little is known about manganese uptake and mobilization in plants. Several transporter protein families have been implicated in Mn uptake and mobilization in plants. These transporter families include NRAMP （natural resistance associated macrophage protein）， YSL （yellow stripe-like）， ZIP （zinc regulated transporter/iron- regulated transporter [ZRT/IRT1]-related protein）， CDF/MTP （cation diffusion facilitator/metal toleranceprotein）， CAX （cation exchanger）， CCX （calcium cation exchangers）， P-type ATPases and VIT （vacuolar iron transporter）. This mini review summarized the recent progresses in researchers on these proteins and their roles in the uptake， mobilization， homeostasis of Mn in plants， particularly in the model plants of Arabidopsis thaliana and rice. Prospects on the researches were also discussed.

Keywords ?manganese; transporters; Arabidopsis thaliana; rice

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.06.029

錳是植物生長發育所必需的微量元素，是植物葉綠體的組成部分，直接參與植物的光合作用，在光合作用系統II（PSII）中參與催化水分解反應產生氧的過程，并為光合電子傳遞鏈提供電子[1-2]。同時錳是植物體內重要的氧化還原劑，參與植物體內的氧化還原反應。另外錳作為多種酶的活化劑參與植物的生命活動，包括DNA合成，糖類代謝和蛋白修飾等[3]。錳作為植物必需的微量元素，錳缺乏會導致植物出現低溫敏感、易于感病、植株偏黃等癥狀，長期缺乏會導致植株長勢變弱及產量降低[4-6]。錳過量產生的毒害同樣會影響植物生長，植物錳中毒通常表現為葉片變黃，成熟葉片出現褐色斑點，嚴重時出現壞死，最終導致植物產量降低[7]。事實上，錳毒僅次于鋁毒，是對酸性土壤生長的植物毒害最大的金屬毒性（pH 5.5或更低）。世界上大約30%的土地是酸性土壤，而近50%潛在的可耕地是酸性土壤[8]。相對于Fe、Zn來說，目前人們對植物應對錳缺乏和脅迫的分子機制的了解較少，僅知道少數金屬轉運蛋白家族成員可以調節植物對錳吸收、轉運和分配，如NRAMP、YSL、ZIP、CAX、CCX、CDF/MTP、P-type ATPases和VIT家族。本文主要綜述擬南芥和水稻兩種模式植物中的錳轉運蛋白對錳的吸收、轉運以及分配功能的研究進展。

1 ?植物錳吸收轉運蛋白家族研究

1.1 ?NRAMP家族

NRAMP（natural resistance-associated macro phage protein）參與多種二價金屬離子的吸收和轉運，其家族基因已經在多種植物中被鑒定出來，包括番茄[9]、大豆[10]、蘋果[11]、天藍遏藍菜[12]等。擬南芥包含6個NRAMP家族基因，分別命名為Atnramp1～Atnramp 6。AtNRAMP1被認為是錳高親和轉運蛋白，可以促進根系對錳的高效吸收。研究表明AtNRAMP1定位于細胞質膜上，主要在根系表達，且在錳缺乏時上調表達。在錳缺乏條件下，擬南芥突變體nramp1-1的地上部生物量和根系生長速率明顯低于野生型，而高錳條件下，二者沒有差異，且錳含量遠低于野生型。超表達nramp1基因可以恢復突變體表型并增加對錳毒害的耐受性[3]。AtNRAMP6與AtNRAMP1同源性很高，但并沒有轉運錳的功能[13]。AtNRAMP3和AtNRAMP4也被證明具有錳和鐵的轉運功能。在鐵缺乏條件Atnramp3-1突變體可以增加植物根系對錳的吸收，而過表達Atnramp3時，錳的吸收減少[14]。Lanquar等[15]研究發現，AtNRAMP3和AtNRAMP4負責將成熟葉片液泡中的錳運輸至葉肉細胞的葉綠體中，且二者功能存在冗余。在缺錳條件下，擬南芥生物量的減少僅發生在nramp3nramp4雙突變體中，而nramp3或nramp4單突變體均沒有出現生物量減少現象。

水稻中包含7個NRAMP家族基因，目前僅報道OsNRAMP3和OsNRAMP5具有吸收轉運錳的功能。OsNRAMP3定位在木質部轉移細胞和韌皮部維管束，在水稻節中表達量最高，具有轉運錳的功能，可以調節錳在新老組織間的分配。在低錳條件下，OsNRAMP3優先轉運錳至新葉和花序等新生組織，但在高錳毒害下，錳被轉運至成熟組織[16-17]。Ishimaru等研究發現OsNRAMP5 RNAi株系的根系、地上部以及木質部汁液中的錳含量均顯著低于野生型，證實OsNRAMP5是一個等離子體膜蛋白，可以調控水稻對錳的吸收，同時參與錳在花和籽粒中的運輸[18-19]。楊猛等[20-21]研究發現OsNRAMP5除在水稻根中表達較高外，還在穎殼、葉片等組織表達，但其表達量隨著葉齡的增加而降低。進一步研究發現OsNRAMP5在根和地上部維管束系統表達遠高于其他部位，且主要集中在木質部附近的薄壁細胞中。Osnramph5突變體在低Mn條件下生長嚴重受阻，體內Mn含量遠低于野生型。Osnramph5突變體即便根中Mn濃度遠高于野生型，也不能轉移至地上部，說明Osnramph5的突變阻斷了根向地上部的運輸。

1.2 ?YSL家族

YSL（Yellow Stripe-Like）蛋白屬于寡聚肽轉運蛋白家族，部分成員可以運輸金屬-NA的復合體，參與Fe、Zn、Mn、Cu等金屬離子在植物組織內的運輸。擬南芥中有8個YSL基因[22]，其中Atysl1、Atysl2、Atysl3基因均定位于質膜，在葉片木質部表達量高，具備吸收轉運Fe-NA復合體的功能，且在Fe缺乏時表達量下調[23-25]。Conte等[26]研究發現在1 mmol/L Mn2+條件下生長21 d后，無論是單突變體ysl4-2、ysl6-4、ysl6-5還是雙突變體ysl4ysl6的地上部生物量均減少，單突變體和雙突變體對高錳環境均較為敏感，因AtYSL4和AtYSL6定位于水稻的液泡或內膜，可以推測AtYSL4和AtYSL6具有隔離金屬錳在液泡和內膜系統中的作用。Divol等[27]研究發現AtYSL4和AtYSL6作為葉綠體中的鐵轉運蛋白，通過清除葉綠體中的鐵來適應鐵毒害。

水稻中有18個YSL家族基因[28]。研究表明OsYSL2參與錳和鐵在植物體內的長距離運輸和分配，可以運輸Mn-NA和Fe-NA復合體[28-29]。OsYSL2主要在葉片、花和發育的種子中表達，在水稻根系中不表達，其表達量不受錳濃度調控，但在缺鐵條件下，表達量增加。超表達OsYSL2增加水稻籽粒中的錳含量[29]，因其被定位于韌皮部中，推測OsYSL2主要負責韌皮部中錳的裝載，但具體作用機制仍需要進一步研究[30]。

OsYSL6在根系和苗中表達，且其表達受不同錳濃度影響，敲除OsYSL6的突變體僅在高錳條件下抑制根系和苗的生長，且總錳含量與野生型間無差異，但是OsYSL6突變體葉肉細胞非原生質體錳含量高于野生型而共質體錳含量低于野生型，酵母中異源表達OsYSL6的研究發現OsYSL6僅轉運Mn-NA復合體而對Mn-MA復合體沒有運輸活性。這一研究結果說明OsYSL6負責Mn-NA復合體在葉肉細胞非原生質體至共質體間的運輸[31]。

1.3 ?ZIP家族

鋅鐵轉運蛋白ZIP （zinc regulated transporter/

iron-regulated transporter [ZRT/IRT1]-rela ted protein）是Zn轉運蛋白（ZRT）和Fe轉運蛋白（IRT）的合稱，目前，已有較多研究ZIP家族轉運蛋白在Fe、Mn、Cu、Zn金屬轉運方面發揮重要作用[32-40]。擬南芥中有15個ZIP家族成員，包括3個AtIRTs和12個AtZIPs[41]。IRT1是Fe高親和轉運蛋白，同時低親和的轉運其他金屬[40-41]。AtIRT3是定位于質膜的Zn和Fe轉運蛋白[36]。Milner等[42]對擬南芥中12個ZIPs家族成員在轉運Fe、Mn、Cu、Zn 4種金屬的作用做了初步研究，研究發現ZIP1、ZIP2、ZIP5、ZIP6、ZIP7、ZIP9共6個基因可以全部或者部分補充突變體smf1對錳的吸收。文中對ZIP1和ZIP2進行深入研究發現，AtZIP1和AtZIP2均發揮將錳從根系轉運至地上部的作用。AtZIP1被定位于液泡，且在根系中柱組織高度表達，負責將Mn從根細胞液泡中運送到細胞質，AtZIP2在根系中柱高表達，由于AtZIP2被定位于細胞質膜，可能負責將Mn從根系中柱運送至木質部薄壁組織，用于隨后轉運錳在木質部的裝載和運輸。水稻ZIP家族成員OsZIP1[43]、OsZIP3[44]、OsZIP4[45]、OsZIP5[46]、OsZIP6[47]、OsZIP7[48]、OsZIP8[49]均被報道作為Zn轉運蛋白，參與水稻中Zn的吸收和轉運。目前，尚未有報道水稻ZIP家族成員具備錳吸收和轉運功能。

1.4 ?CDF/MTP家族

植物中CDFs（cation diffusion facilitator）家族按照系統進化關系可以分為Zn-CDFs、Fe/Zn- CDFs、Mn-CDFs共3類[50]。首個被鑒定出的Mn- CDF轉運子為ShMTP8（ShMTP1），其在擬南芥和酵母中表達可以增加擬南芥和酵母對錳毒害的耐受性[51]。擬南芥共有12個CDFs家族基因被鑒定出來，其中有4個屬于Mn-CDFs家族基因，包括AtMTP8、AtMTP9、AtMTP10、AtMTP11[52]。AtMTP11是擬南芥中首個被鑒定出具有錳轉運作用的蛋白，AtMTP11在酵母中表達增加了酵母對錳毒害的耐受性。mtp11突變體表現出對高錳超敏，而過表達AtMTP11則增加了擬南芥對高錳的耐受能力，相反mtp11突變體對錳缺乏的耐受能力增加，而過表達植株對錳缺乏的敏感性增加[53]。另外Peiter等[54]研究也表明在基礎營養液中atmtp11突變體錳積累高于野生型，表現出對高錳敏感，而對錳缺乏的耐受能力增加的表型。GUS定位顯示AtMTP11主要在根尖，莖緣和葉片排水器表達。AtMTP11被定位在液泡前室和高爾基體隔間，因此推測AtMTP11通過調節錳在液泡前室的濃度來適應錳毒害和調節植物體內錳平衡。最新研究表明AtMTP8調控錳和鐵在種子中的分布，mtp8功能喪失突變體對高錳敏感，而過表達MTP8株系對高錳的耐受能力增加[55]。

水稻Mn-CDFs家族包括5個基因，其中OsMTP8.1和OsMTP8.2屬于亞家族8，OsMTP9、OsMTP11和OsMTP11.1屬于亞家族9[56]。目前僅報道OsMTP8.1、OsMTP8.2、OsMTP9的錳吸收和轉運機制。2013年OsMTP8.1被分離出來，研究發現OsMTP8.1的表達可以增加酵母中錳的吸收和對錳毒害的耐受能力。在植物中，OsMTP8.1及其他轉錄本被定位于液泡膜，主要在水稻苗中表達，高錳和低錳供應時會相應的增加和減少OsMTP8.1的表達量。在高錳條件下，OsMTP8.1缺失導致葉綠素含量下降，生長受限，根和苗中錳含量均降低，而其他親屬Zn、Cu、Fe、Mg、Ca和K的積累量并沒有變化，證明OsMTP8.1是錳特異性轉運蛋白，可以將過量的錳隔離在根系液泡中，以減少高錳對水稻苗的毒害作用[57]。最新發現一個水稻Mn-CDFs家族蛋白OsMTP8.2，它與OsMTP8.1的氨基酸相似度達68%。OsMTP8.2被定位于液泡膜中，主要在水稻根和苗中表達，但表達水平低于OsMTP8.1。OsMTP8.2在酵母中表達可以增強酵母的耐錳毒害能力，但是對Fe、Zn、Co、Ni和Cd等金屬均沒有作用。進一步研究發現mtp8.1的突變體中同時敲除OsMTP8.2，其在高錳環境中的生長進一步受到限制，且該突變體根系錳含量以及根系與總錳吸收量之比均低于野生型和mtp8.1突變體，說明OsMTP8.2可以與OsMTP8.1共同作用將錳隔離在苗和根的液泡中，以減輕高錳對水稻的毒害[58]。Ueno等[59]則證實OsMTP9負責根系內外皮層間的轉運和根系對錳的吸收。OsMTP9主要在根系表達，被定位于外皮層和內皮層的細胞膜上，同時證實OsMTP9在酵母和蛋白脂質體中具有錳轉運能力，且OsMTP9敲除后降低了水稻對錳的吸收及其在地上部的運輸。

1.5 ?CAX家族和CCX家族

在許多植物組織中，將過量Mn固定在液泡中是提高對Mn耐受性的關鍵機制之一[60-61]。CAX轉運家族成員就發揮著該作用。CAX（cation exchanger）家族在擬南芥中存在6個家族成員，被分為兩個亞家族，AtCAX1、AtCAX3和AtCAX4屬于ⅠA亞家族，AtCAX2、AtCAX5和AtCAX6屬于ⅠB亞家族。研究發現CAX2參與Mn在液泡中的固定，GUS研究表明AtCAX2在植物組織中均有表達，且在花，維管，頂端分生組織表達較高，cax2突變體可以減少Mn2+/H+在液泡中的反向運輸能力[62]，且在酵母中表達CAX2可以提高對Mn脅迫的耐受性[63]。在煙草中表達擬南芥CAX2和CAX4，可以有效地將Mn2+隔離在液泡中，進而提高煙草對Mn脅迫的耐受能力[64-65]。另外CAX5也被報道具有Mn固定在液泡的功能[66]。與CAX1和CAX5不同，CAX4是通過調節植物根系發育來適應金屬脅迫的。Mei等[67]研究表明CAX4主要在根系中表達，在高錳脅迫下，cax4突變株的主根和側根均減少，因此CAX4可以通過對根系生長調節進而適應高錳環境。水稻中有5個CAX家族成員，被命名為OsCAX1a、OsCAX1b、OsCAX1c、OsCAX2和OsCAX3，其中OsCAX1a、OsCAX1b、OsCAX1c屬于ⅠA亞家族，OsCAX2、OsCAX3屬于ⅠB亞家族。其中OsCAX1a和OsCAX3可以增加酵母的錳耐受能力，因此被認為是植物中的錳的轉運蛋白[68-69]。

擬南芥的CCX（cation calcium exchanger）家族由5個成員組成（CCX1-5），曾被命名為CAX7-11。野生酵母表達AtCCX3后，Mn含量是野生型的兩倍，而在煙草中表達后，成熟葉片的錳含量顯著增加，導致葉片壞死，證明AtCCX3具有錳轉運功能[70]，而其他AtCCXs成員尚未有報道具有錳轉運功能。

1.6 ?P-type ATPases家族

ECAs屬于P-type ATPases中的Ca2+-ATPase亞家族，被報道具有錳轉運功能。植物中的Ca2+- ATPase被分為P2A-type ATPases和P2B-type ATPases，均被認為是Ca離子泵。擬南芥中包含4個P2A-type ATPases（AtECA1-4），水稻中包含3個（OsECA1-3）。研究表明AtECA1和AtECA3可以作為Mn2+泵，將Mn2+從細胞質中移除并將其輸送到各自的內膜室的功能。AtECA1定位于內質網，且在花和根系的表達量較高，Wu等[71]研究發現在50 μmol/L Mn2+的標準營養介質中，Ateca1突變體與野生型的生長表現差異不大，而在高Mn2+（0.5 mmol/L）環境下，生物量嚴重減少，植株發黃萎蔫，突變體的根毛伸長和根尖組織生長嚴重受阻，在野生型中表達（CAMV35S：： ECA1） 基因恢復了野生型的表型，因此AtECA1在植物細胞適應錳脅迫中發揮重要作用。AtECA3定位于高爾基體，在根尖，排水器，保衛細胞，維管組織中有很高表達[72]。2個Ateca3突變體表現出相反的表型。Ateca3-2對錳缺乏較為敏感[73]，無錳條件下，Ateca3-2突變體生長受阻，葉片發黃，而在添加微量Mn后，植物恢復正常。Ateca3-4等位突變體對Mn毒害更敏感[73]，因此AtECA3等位基因間的變異造成的AtECA3的Mn2+轉運功能的差異的原因仍需進一步研究。AtECA2和AtECA4并未發現具有錳運輸功能。

1.7 ?VIT家族

目前，AtVIT1是功能較為清楚的轉運蛋白，負責錳在液泡中的吸收。研究發現AtVIT1在發育中的種子中高量表達，可將Fe2+和Mn2+隔離在液泡中[74]。OsVIT1和OsVIT2是AtVIT1的同源基因，研究表明OsVIT1和OsVIT2在水稻旗葉和葉鞘中高量表達。在酵母中，OsVIT1和OsVIT2可以轉運Fe2+、Zn2+和Mn2+至液泡中，而在水稻中，OsVIT1和OsVIT2僅被證實具有轉運Fe和Zn的功能，負責Fe和Zn在旗葉和種子之間的運輸[74]。

2 ?問題與展望

本文綜述了近年來在模式植物擬南芥和水稻中有關錳轉運蛋白及其吸收、轉運錳，調節植物體內錳平衡方面的研究，這些研究加深了我們對錳轉運體以及植物響應環境中錳濃度變化機制的認識。但仍有大量問題有待解決：比如大多數錳轉運蛋白IRT、CAX等并非錳特異性轉運蛋白，可以同時轉運鐵或鈣等金屬，運轉何種金屬離子

是如何決策的以及有沒有錳專一轉運蛋白等？另外，錳轉運體如何控制植物體內錳穩態的分子機制，例如擬南芥和水稻細胞中的錳運輸途徑（圖1）[77]，仍然知之甚少，需要進一步探索。如何利用已知的與錳吸收、轉運、分配相關的基因，培育出適應錳缺乏土壤或者高錳土壤生長的作物新品種，對提高作物產量、保證糧食安全有重要意義，更應該是未來的研究方向。

圖片引自文獻[75]，并做部分修改。

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