何勇清，方 佳，余敏芬，方仲相，江 波，潘寅輝，鄭炳松

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安311300；2.浙江省龍游縣林業(yè)局，浙江 龍游324400)

水分對于植物的生長、發(fā)育和繁殖是非常重要的。植物不斷地從根部吸收水分，又不斷地由氣孔蒸騰水分。水分在植物體內(nèi)運輸有3種途徑[1]:質(zhì)外體途徑、共質(zhì)體途徑和跨細胞途徑。后2種統(tǒng)稱為細胞到細胞途徑[2]。水分的跨膜運輸有3種方式:通過脂雙層(胞膜)的自由擴散運輸[3]、通過膜轉(zhuǎn)運蛋白的運輸[4]和通過水通道蛋白(也稱水孔蛋白，aquaporin，簡稱AQP)的被動運輸[5]。不同的植物或不同的生理狀態(tài)，其運輸途徑和運輸方式可能存在差別。作為主要內(nèi)在蛋白(membrane intrinsic protein，MIP)大家族的成員之一，水通道蛋白有利于水分和其他小分子物質(zhì)如過氧化氫[6]等的跨膜運輸，參與了植物水分的長距離運輸、細胞滲透平衡的調(diào)控以及氣孔運動，種子萌發(fā)等生長發(fā)育過程[7]。根據(jù)AQP的定位及序列同源性和結(jié)構(gòu)特征，目前通常將植物AQPs分為5類:位于質(zhì)膜上的質(zhì)膜內(nèi)在蛋白 (plasma membrane intrinsic proteins，PIPs)，又可分為PIP1和PIP2亞類；位于液泡膜上的液泡膜內(nèi)在蛋白(tonoplast intrinsic proteins,TIPs)，又分為α-TIP，β-TIP，γ-TIP，δ-TIP和ε-TIP等5個亞類；存在于共生根瘤類菌體周圍膜上的類Nod26膜內(nèi)在蛋白(nodulin 26-like intrinsic proteins，NIPs)；小分子堿性膜內(nèi)在蛋白(small and basic intrinsic proteins，SIPs)，分為 SIP1 和 SIP2 亞類； 類 GlpF(glycerol facilitator)膜內(nèi)在蛋白(GlpF-like intrinsic proteins，GIPs)[8－10]。球蒴蘚 Sphaerotheciella sphaerocarpa 基因組中除具有 PIPs，TIPs，NIPs，SIPs和 GIPs等 5類 AQP外，還具有 HIP (hybrid intrinsic proteins)和 XIPs (X intrinsic proteins)2個新類別。目前，HIP僅發(fā)現(xiàn)于球蒴蘚中，而XIPs還存在于多種雙子葉植物中。本文主要對植物質(zhì)膜內(nèi)在蛋白PIPs的結(jié)構(gòu)特征、生理功能和調(diào)控機制等方面的研究進展進行介紹。

1 質(zhì)膜內(nèi)在蛋白PIPs的結(jié)構(gòu)特征

PIPs定位于原生質(zhì)膜上，所有的PIPs均高度保守，與植物種類無關(guān)[11]?？椎廓M窄，為典型的高水分選擇性通道蛋白。在所有已知的高等植物PIPs中，存在2個高度保守的區(qū)域:GGGANXXXXGY和TGI/TNPARSL/FGAAI/VI/VFWF/YN，分別位于C環(huán)和E環(huán)，可能與PIPs功能的特異性有關(guān)。PIPs分為PIP1和PIP2亞類[12－14]，兩者的區(qū)別在N-端和C-端的不同[12]。PIP1比PIP2具較長的N-端和較短的C-端，而且在序列當(dāng)中各有相應(yīng)的保守氨基酸。

2 質(zhì)膜內(nèi)在蛋白PIPs的功能

PTPs不僅是水和中性小分子選擇性通道蛋白，同時還具有許多生理功能，是一類多功能蛋白(表1)。

表1 質(zhì)膜內(nèi)在蛋白的結(jié)構(gòu)特性及其功能Table 1 Structural characters and function of the plasma membrance intrinsic proteins

2.1 PIP1

在擬南芥Arabidopsis thaliana中，各PIP1之間的氨基酸序列具有90%相似性[32]。盡管PIP1在選擇透性功能區(qū)域的氨基酸殘基與PIP2類似[33]，但它們的滲透性和在細胞中的生物學(xué)功能不盡相同。作為質(zhì)膜PIP1家族成員之一，煙草Nicotiana tabacum NtAQP1表達下降引起根系水分通透性下降，并降低煙草的抗旱性[15]。這些結(jié)果在擬南芥PIP1/PIP2反義突變體的研究中也得到了證實[34]。在豌豆Pisum sativum種子吸脹過程中，PIP1在吸收水分方面起到了非常重要的作用[18]。但是PIP1在爪蟾Xenopus oocytes卵母細胞或其他表達系統(tǒng)的異源表達中則顯示沒有或非常低的水通道蛋白活性[22－23，27,35-36]，PIP2轉(zhuǎn)運水分的能力比PIP1大得多[12，22]。PIP1的低水分運輸能力，不知是植物本身的一種調(diào)控水分運輸?shù)臋C制，還是由于爪蟾卵母細胞異源表達系統(tǒng)不能對它進行正確的翻譯、折疊、定位或調(diào)控所致[37]。與此相反，在某些情況下其運輸小分子物質(zhì)如甘油、二氧化碳(CO2)的滲透性增加了[16，35]。實驗研究證明煙草NtAQP1在爪蟾卵母細胞表達中具有運輸二氧化碳的功能[16]。該卵母細胞注射了NtAQP1的cRNA和碳酸酐酶(碳酸酐酶的功能是加速二氧化碳轉(zhuǎn)化為HCO3－)，因此，加快了二氧化碳從胞外跨膜運輸?shù)桨麅?nèi)，從而導(dǎo)致了細胞內(nèi)pH值降低[38]。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)煙草NtAQP1的爪蟾卵母細胞二氧化碳吸收量比對照高了45%。二氧化碳運輸功能最早是在人的AQP1中發(fā)現(xiàn)[39]，并且證明與水通道蛋白的通氣功能有關(guān)，而不是膜脂組成成分或膜內(nèi)在其他基因的表達對爪蟾卵母細胞二氧化碳滲透吸收的影響[40]。

隨著AQP在動物中介導(dǎo)二氧化碳運輸?shù)纳頇C理不斷地得到驗證，有關(guān)AQP在植物中介導(dǎo)二氧化碳運輸?shù)纳頇C制也越來越清楚。在超表達AQP轉(zhuǎn)基因煙草或反義表達AQP轉(zhuǎn)基因煙草的研究中都證明了它對水分運輸和依賴二氧化碳的光合代謝影響[15-16]。當(dāng)用低濃度的氯化汞(HgCl2)處理蠶豆Vicia faba或菜豆Phaseolous vulgaris的離體葉片圓盤時，其質(zhì)膜水分滲透性下降了70%～80%，同時光合作用固定二氧化碳能力和二氧化碳從細胞間隙轉(zhuǎn)運到葉綠體基質(zhì)的導(dǎo)度也都下降了。這表明植物是通過葉肉細胞質(zhì)膜由汞敏感的水通道蛋白來吸收二氧化碳[41]。在生長良好條件下，過表達擬南芥AtPIP1；2基因的煙草可以顯著提高蒸騰速率，增加氣孔密度和光合效率[19]。近期研究表明，在擬南芥水分運輸中AtPIP1；2是關(guān)鍵組成部分[42]。因此PIP1水通道蛋白不僅具有水分運輸?shù)墓δ?，而且具有運輸小分子物質(zhì)或氣體的功能，如 HvPIP1；3 和 HvPIP1；4 能運輸硼[43]。

2.2 PIP2

水通道蛋白PIP2亞家族似乎比PIP1運輸水分的效率更高。在各種利用爪蟾卵母細胞或酵母膜囊泡作為異源表達系統(tǒng)的研究表明，水通道蛋白PIP2的水分滲透性比對照增加5～20倍[14,44]。一般情況下，水通道蛋白PIP2具有較短的氨基末端和較長的羧基末端。迄今為止，PIP2亞家族的各個蛋白在不同的物種中具有不同的生物學(xué)功能，并已證明它們對植物不同的生理進程起到非常重要的作用。這些水通道蛋白可在根系、 葉片[24，34]、 生殖器官[45－46]和種子萌發(fā)等[18]生長發(fā)育過程中參與水的運輸。

Chaumont等[22]從玉米Zea mays中克隆到一個水通道蛋白ZmPIP2，研究發(fā)現(xiàn)在爪蟾卵母細胞中瞬時表達ZmPIP2，其水分膜透性可增加8倍以上。氯化汞可以可逆抑制水通道蛋白ZmPIP2的功能。Moshelion等[27]從豆科Leguminosae雨豆樹Samanea saman葉枕細胞膜上克隆到一個PIP2蛋白SsAQP2，研究表明，SsAQP2的表達可提高水分膜透性20倍以上。同時SsAQP2的功能不僅能被氯化汞所抑制，而且也能被另一種水分運輸抑制劑根皮素(phloretin)所抑制。

煙草NtPIP2；1是與有性生殖有關(guān)的基因，它對花粉粒附著在子房上的水合作用很重要，它促進了水分在細胞間或組織間的運動[45]。Marc等[46]利用煙草PIP2的RNAi植株和免疫定位技術(shù)分析PIP2的定位模式。在花粉囊發(fā)育過程中PIP2的表達受到調(diào)控；與對照相比，煙草PIP2的RNAi植株的花粉脫水作用更慢，開裂更遲。PIP2亞家族的成員在煙草的花粉囊有效開裂中是必需的。

PIP2s的表達也具有發(fā)育階段的特異性。野生馬鈴薯Solanum chacoense的ScPIP2A由受精誘導(dǎo)，在花瓣近成熟時減少，但在伸長的花柱、雄蕊、受精后的子房中強烈表達?；ㄖ写罅勘磉_與花柱伸長及表皮組織的形成有關(guān)。ScPIP2A在生長的果實中也強烈表達，它在發(fā)育成熟細胞的膨脹中起功能作用[47]。

Johansson等[31]從菠菜Spinacia oleracea中克隆到一個PIP2類蛋白SoPIP2；1，它定位于葉片質(zhì)膜。Tornnroth等[30]進一步研究表明，蛋白SoPIP2；1多聚體化構(gòu)成的通道的開閉是由于2個絲氨酸殘基的磷酸化和去磷酸化而引起的。2個絲氨酸殘基分別是胞質(zhì)環(huán)B中的Ser115和C末端的Ser274。Ser115去磷酸化后，D環(huán)的Arg190和Asp191通過帶3個水分子的氫鍵網(wǎng)格與側(cè)鏈的Arg118(在PIPs中嚴格保守)和Gly30相連，通過二價陽離子互作把D環(huán)錨定與N末端的短α-螺旋上。Ser115的磷酸化使把D環(huán)錨定與N末端的氫鍵網(wǎng)絡(luò)瓦解。Ser274與鄰近單體的Pro199和Leu200主鏈上的氮發(fā)生互作。當(dāng)這些互作喪失時，C末端絮亂，且原先Ser274側(cè)鏈所占的位置被Leu197主鏈羰基上的氧取代。因此消除了空間排列的沖撞，螺旋5的N末端能額外反方向轉(zhuǎn)180°伸向細胞質(zhì)，于是取代Leu197并打開了水通道。

除了運輸水分之外，水通道蛋白PIP2也能運輸二氧化碳。通過大麥Hordeum vulgare水通道蛋白HvPIP2；1在水稻Oryza sativa中過量表達證明PIP2有助于促進二氧化碳運輸[28]。葉肉細胞氣孔導(dǎo)度是由葉片的氣體交換和碳同位素的比值來決定的。研究發(fā)現(xiàn):HvPIP2；1與氣孔導(dǎo)度密切相關(guān)，表明水稻葉片HvPIP2；1具有促進二氧化碳運輸?shù)淖饔谩５ǖ赖鞍椎谋磉_和二氧化碳通透性的增加是否僅僅與HvPIP2；1的功能有關(guān)還有待于進一步研究。

3 質(zhì)膜內(nèi)在蛋白PIPs的調(diào)控機制

3.1 PIP1s

到目前為止，研究發(fā)現(xiàn)TIPS和NIPS具有磷酸化調(diào)控機制，但PIP1卻沒有這個功能。因為當(dāng)玉米Zea mays PIP1；2在卵母細胞中表達時，增加蛋白激酶A激活劑或磷酸酶抑制劑都未能增加其水分滲透性[22]。但PIP1具有翻譯后修飾的功能，Western雜交結(jié)果表明PIP1在根系和葉片中表達不同。大于28 kDa的水通道蛋白多肽可以在根系細胞中表達，但在葉片細胞中卻沒有表達，因此可能是由于PIP1存在翻譯后調(diào)控如磷酸化或糖基化的作用。最近，通過水通道蛋白異聚化作用對水分滲透率的影響的研究表明，與單個玉米PIP1蛋白表達相比，2個玉米PIP1亞型共表達可以增加其質(zhì)膜透水性[23]。這些結(jié)果進一步證明了PIP1異聚化對它發(fā)揮運輸水分功能是必需的。

3.2 PIP2s

二價陽離子和pH值也能夠影響質(zhì)膜透性[48]。細胞液導(dǎo)度是通過在擬南芥的懸浮細胞使用細胞壓力傳感器和添加不同的溶質(zhì)來測定的。添加鈣離子可以降低細胞液導(dǎo)度4倍以上。這個結(jié)果也在純化的質(zhì)膜囊泡和停流分光光度計的測量(stopped flow spectrophotometer measurements)中得到證實。在擬南芥細胞內(nèi)由于缺氧而酸化導(dǎo)致了根細胞膜水分滲透下降[20]。在爪蟾卵母細胞內(nèi)異源表達擬南芥水通道蛋白時pH值下降導(dǎo)致水分滲透性降低的研究表明，水通道蛋白的關(guān)閉受H+的影響。后來的研究證明:在AtPIP2；2組氨酸殘基D環(huán)197位氨基酸被確定為主要的pH感應(yīng)點[20,49]。在AtPIP2；2的結(jié)構(gòu)模型中有質(zhì)子化His197，導(dǎo)致D環(huán)在孔隙折疊，引起蛋白質(zhì)的關(guān)閉。Tornroth等[30]研究揭示，在淹水條件下由于缺氧而使細胞質(zhì)的pH值下降，PoPIP2；1的His193殘基(在PIPs中嚴格保守)會發(fā)生質(zhì)子化。當(dāng)His193殘基被質(zhì)子化時，組氨酸殘基側(cè)鏈的單一旋轉(zhuǎn)能使它與Asp28殘基(在PIPs中Asp或Glu殘基保守)之間形成鹽橋。在這一模式下，由于Ser115殘基的磷酸化而喪失的、由氫鍵所調(diào)控的把D環(huán)錨定于N末端的作用得以恢復(fù)，水通道蛋白的胞質(zhì)一側(cè)被D環(huán)加帽，由Leu197，Pro195和Val194殘基有效地阻塞了水通道。

除了上述調(diào)控機制外，膜蛋白多聚化也能調(diào)控水通道蛋白的運輸功能[50]。為了研究多聚化對水通道蛋白PIPS功能的影響，不同的PIP1s和PIP2s在爪蟾卵母細胞中共表達[23，36]。研究表明:注入玉米水通道蛋白3 ng PIP2的cRNA，同時加3～12 ng的PIP1 cRNA能夠提高水的通透性。通過構(gòu)建PIP1-GFP載體，轉(zhuǎn)基因研究也發(fā)現(xiàn)PIP1蛋白表達明顯增強。最新研究發(fā)現(xiàn)，大麥HvPIP2不僅在爪蟾卵母細胞中單獨表達時顯示出水通道活性，而且在HvPIP1和HvPIP2共表達時活性顯著增強[51]。水分通透性的增強可能是由于形成PIP1和PIP2的異源多聚體。通過鎳柱層析技術(shù)也直接證明了它們的相互作用。通過PIP1和PIP2的有效折疊，增強了蛋白之間的穩(wěn)定性，從而增加了水的通透性。

ZmPIP1；2和不同的ZmPIP2在爪蟾卵母細胞中共表達，不同組合在水通道蛋白活性上均表現(xiàn)陽性協(xié)同作用，這可能是質(zhì)膜靶向作用提高的結(jié)果[23]。利用親和層析證實了ZmPIP1；2和ZmPIP2間的物理互作導(dǎo)致質(zhì)膜上異源四聚體中ZmPIP1；2的高表達[23]。盡管ZmPIP1；1和ZmPIP1；2在分別表達時活性較低，但當(dāng)它們共表達時活性提高。ZmPIP1；2和ZmPIP2；5共表達也提高水通道蛋白活性，但ZmPIP1；1和ZmPIP2；5之間未見互作。在這些共表達實驗中，ZmPIP1；1LE突變體發(fā)揮的作用與ZmPIP1；2相同。因此推斷，ZmPIP1在這些異源四聚體行使水通道功能時是必不可少的。

PIP1和PIP2亞型幾乎存在于所有植物組織器官中如根系和葉片。這些植物組織器官具有完全不同的形態(tài)和生理功能，如:關(guān)于水或二氧化碳的運輸。因此，不同的植物細胞具有不同的水分或氣體滲透性，水通道蛋白的功能是根據(jù)各個植物組織或細胞需要而不同。在一些葉片細胞膜PIP可能充當(dāng)小分子物質(zhì)或氣體的運輸通道，而在根系中這些PIP可以通過修飾或與其他水通道蛋白的互作而起到運輸水分的功能。由于試驗研究證明高透水性PIP亞類可能是共質(zhì)體和質(zhì)外體水分運輸?shù)闹饕緩?，因此通過不同的調(diào)控機制，水通道蛋白能夠通過各種細胞到細胞的運輸途徑的調(diào)控來響應(yīng)生物脅迫和非生物脅迫。

4 展望

目前，人們對PIP的研究正逐步深入，但究竟有多少種水通道蛋白參與水分和小分子物質(zhì)的運輸，它們之間的相互關(guān)系以及它們對運輸水分和小分子物質(zhì)的調(diào)控機制還有待進一步探討。因此，明確水通道蛋白的種類及其基因表達調(diào)控，并聯(lián)系它們在植物生長發(fā)育過程中的生物學(xué)功能是揭示水通道蛋白的必然途徑。

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