孫琳琳， 辛士超， 強(qiáng)曉晶， 程憲國*

(1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院， 遼寧沈陽 110866；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081)

非生物脅迫下植物水通道蛋白的應(yīng)答與調(diào)控

孫琳琳1, 2， 辛士超2， 強(qiáng)曉晶2， 程憲國2*

(1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院， 遼寧沈陽 110866；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081)

【目的】水分不僅是細(xì)胞中各類生命物質(zhì)合成的必需底物，而且也參與植物體內(nèi)的養(yǎng)分代謝和滲透平衡的調(diào)節(jié)。植物中水分的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)主要是由水通道蛋白(AQPs)所介導(dǎo)的，因此，無論是在植物整體水平還是細(xì)胞水平上，水分的吸收以及跨細(xì)胞膜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)對于植物的生長發(fā)育都是至關(guān)重要的。近年來，水通道蛋白作為調(diào)節(jié)水分的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵，已成為植物營養(yǎng)與分子生物學(xué)特別關(guān)注和研究的熱點(diǎn)之一。本文從水通道蛋白的種類結(jié)構(gòu)，底物特異性，基因表達(dá)特征和調(diào)控機(jī)制四個(gè)方面對水通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)水分的機(jī)理和轉(zhuǎn)運(yùn)水分過程中對脅迫的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)闡述；從水通道蛋白的水分運(yùn)輸和滲透調(diào)節(jié)功能及其養(yǎng)分運(yùn)輸功能兩方面說明了水通道蛋白在植物生長過程中的生理作用；闡述了光照、干旱和低溫與水通道蛋白功能之間的關(guān)系，明確了水通道蛋白通過表達(dá)量的增加或者降低來響應(yīng)相應(yīng)環(huán)境條件的變化?！局饕獧C(jī)理】 水通道蛋白通過保持一定結(jié)構(gòu)及對底物運(yùn)輸?shù)奶禺愋詠韺?shí)現(xiàn)對水分的高效運(yùn)輸，通過調(diào)整基因的表達(dá)量和翻譯后修飾等過程實(shí)現(xiàn)對水分的高效轉(zhuǎn)運(yùn)；同時(shí)，水通道蛋白可以通過水分的運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)植物滲透平衡的調(diào)節(jié)，對部分小分子養(yǎng)分的吸收等功能更是實(shí)現(xiàn)了對植物生理和養(yǎng)分吸收的調(diào)節(jié)；另外，水通道蛋白不僅可以提高植物的抗旱、抗鹽能力，對低溫脅迫也有一定的響應(yīng)，還可以與多類逆境脅迫蛋白發(fā)生相互作用，共同調(diào)節(jié)植物的水分和滲透平衡，提高植物應(yīng)對逆境脅迫的能力，表明植物水通道蛋白對非生物脅迫下的應(yīng)答機(jī)制有待于進(jìn)一步探索，為植物水通道蛋白的應(yīng)用研究提供科學(xué)的理論支持與材料支撐。

非生物脅迫； 水通道蛋白； 生理功能； 脅迫響應(yīng)

1 植物水通道蛋白的種類與分布

1992年CHIP28 的水通道功能通過爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)得到了證實(shí)，并于1997年由基因組命名委員會命名為Aquaporin。 1993年Maurel等[9]從擬南芥中分離鑒定了第一個(gè)植物水通道蛋白基因γ-TIP，這是一種液泡膜內(nèi)在蛋白(TIPs)，它的水分轉(zhuǎn)運(yùn)功能同樣通過爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)得到了驗(yàn)證, 為水通道蛋白在植物中水分轉(zhuǎn)運(yùn)以及滲透勢調(diào)節(jié)的機(jī)理研究提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

至今已在一系列物種中發(fā)現(xiàn)了越來越多的水通道蛋白。例如，在玉米[10]、擬南芥[11]、水稻[12]和棉花[13]中分別發(fā)現(xiàn)了36、35、33、71種水通道蛋白。根據(jù)序列的同源性又可將植物中的水通道蛋白分成四類，其中質(zhì)膜內(nèi)在蛋白(plasma membrane intrinsic protein，PIP)和液泡膜內(nèi)在蛋白(tonoplast intrinsic protein，TIP)在植物中的分布最為廣泛[11]。此外，在大豆的固氮共生根瘤的類囊體膜上存在大量的結(jié)瘤素26(GmNOD26)內(nèi)在蛋白，因此該類水通道蛋白被命名為類NOD26內(nèi)在蛋白(NIPs)。NIPs同樣存在于非豆科類植物中，如擬南芥中存在9種NIPs[14]。第四類是小分子堿性內(nèi)在蛋白(SIPs)。在植物中，這四類AQPs是高度保守的，不同物種之間的同源水通道蛋白也很難區(qū)分[12]。此外，在某些植物中又發(fā)現(xiàn)了一些新的水通道蛋白類型，苔蘚(Physcomitrellapatens)通過水平基因轉(zhuǎn)移能夠表達(dá)一種細(xì)菌甘油轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GlpF的同系物[15]，這樣苔蘚和一些其他植物(如白楊)就能夠編碼第五類水通道蛋白，這種新的AQPs與PIPs相近但又明顯不同[16]。

2 植物水通道蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理與調(diào)控

2.1 植物水通道蛋白結(jié)構(gòu)

水通道蛋白整體維持在一個(gè)封閉的構(gòu)象，實(shí)現(xiàn)水分的跨膜運(yùn)輸，任何導(dǎo)致水通道蛋白整體構(gòu)象改變的行為都會影響其水分轉(zhuǎn)運(yùn)的活性，但是如何增加其水分轉(zhuǎn)運(yùn)活性的相關(guān)調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步的深入研究。

2.2 植物水通道蛋白跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的底物特異性

圖1 典型水通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)(a)與選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理(b)[7]Fig.1 Molecular structure(a) and selective transport mechanism(b) of typical aquaporins[7]

2.3 植物水通道蛋白基因表達(dá)特征

植物的絕大部分組織中都存在水通道蛋白，并且不同類型的水通道蛋白在植物發(fā)育中的不同階段具有其各自獨(dú)特的功能，因此，不同的水通道蛋白基因的表達(dá)在不同生長發(fā)育階段都受到了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)控。通過調(diào)節(jié)水通道蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄，或者改變AQPs蛋白合成的速度可以調(diào)控水通道蛋白在植物細(xì)胞中的含量。植物的生長發(fā)育階段、植物激素水平和各種生長環(huán)境變化等都會影響AQPs基因的轉(zhuǎn)錄水平，與共翻譯及翻譯后調(diào)控相比，這種調(diào)節(jié)方式響應(yīng)速度較慢。有研究表明，細(xì)胞的動態(tài)分區(qū)和膜的循環(huán)可能也參與了水分滲透的調(diào)節(jié)[23]。

植物激素如脫落酸(ABA)、赤霉素(GA3)、油菜素內(nèi)酯(BR)和乙烯(C2H4)等都能夠調(diào)控植物AQPs基因的表達(dá)[24]。在植物中，ABA是一種非常重要的調(diào)控信號分子，主要參與響應(yīng)干旱和鹽脅迫[25]。植物在缺水的情況下會大量積累ABA，同時(shí)激活多種ABA應(yīng)答基因的表達(dá)，ABA的刺激會增加植物根系細(xì)胞和組織水平上的水導(dǎo)度，影響氣孔的開閉，如擬南芥的PIP1b基因表達(dá)受到ABA和GA3的誘導(dǎo)，γ-TIP的表達(dá)受到GA3的誘導(dǎo)，這表明植物中ABA誘導(dǎo)AQPs基因的表達(dá)，改變了植物膜的透水性。

環(huán)境脅迫同樣會影響AQPs基因的表達(dá)，水通道蛋白家族基因的表達(dá)調(diào)控在植物適應(yīng)不同環(huán)境條件過程中也非常重要。豌豆的7a基因是第一個(gè)被確認(rèn)的受到水脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的AQPs基因，它屬于PIP1亞家族[26]。研究發(fā)現(xiàn)在高濃度鹽脅迫時(shí)會造成短時(shí)間內(nèi)多個(gè)水通道蛋白基因的表達(dá)水平顯著降低，然而隨著細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，AQPs基因的表達(dá)能夠逐漸恢復(fù)到脅迫前的水平甚至更高，這表明AQPs基因的表達(dá)受到動態(tài)的調(diào)控以適應(yīng)不同的環(huán)境變化[22]。

2.4 水通道蛋白的調(diào)控機(jī)制

近年來蛋白組學(xué)和質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展使得人們可以更為全面的了解水通道蛋白的共翻譯和翻譯后的修飾。例如，PIP1類水通道蛋白只有在其N-末端N-α-乙?；蟛啪哂谢钚?，然而PIP2s則需要切掉部分氨基酸殘基[27]。雖然大部分的AQPs不會受到糖基化的調(diào)控，但是Miao等[29]和Vera-Estrella等[30]分別發(fā)現(xiàn)了大豆GmNOD26和冰葉日中花McTIP的糖基化現(xiàn)象，同時(shí)Vera-Estrella等人也證明了糖基化是環(huán)境脅迫所造成的水通道蛋白移位所必需的。水通道蛋白還是植物膜上第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)能被甲基化的蛋白質(zhì)[27]，例如，擬南芥的AtPIP2;1的Lys3殘基能夠攜帶1個(gè)甲基化基團(tuán)，Glu6殘基能夠攜帶2個(gè)甲基化基團(tuán)。這些結(jié)果表明，除了種類的多樣性，植物水通道蛋白還會通過多種多樣的修飾對其活性進(jìn)行復(fù)雜的共翻譯和翻譯后調(diào)控。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞中水通道蛋白在不同細(xì)胞器間的轉(zhuǎn)移對于其正常的表達(dá)和行使生理功能都至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)PIP1類質(zhì)膜內(nèi)在蛋白在爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中并不具有通道活性，這是因?yàn)樵谧嘎涯讣?xì)胞中單獨(dú)表達(dá)的PIP1s并不能正確的轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜上，然而玉米的PIP1s與少量PIP2在爪蟾卵母細(xì)胞中共表達(dá)的時(shí)候就能夠表現(xiàn)出正常的水通道蛋白的功能，進(jìn)一步的親和共純化、免疫共純化以及在共表達(dá)PIP1s和PIP2s的玉米原生質(zhì)體中進(jìn)行的熒光共振能量轉(zhuǎn)移成像(FRET)研究表明，在植物細(xì)胞和爪蟾卵母細(xì)胞中，兩類質(zhì)膜內(nèi)在蛋白PIP1s和PIP2s能夠直接互作形成異源四聚體，促進(jìn)PIP1s在植物細(xì)胞中從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)移[30-31]。Temmei 等[32]發(fā)現(xiàn)PIP1類水通道蛋白的磷酸化也與其向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移的過程有關(guān)，含羞草PIP1環(huán)B的磷酸化在與其他水通道蛋白的互作中并不是必需的，但是在爪蟾卵母細(xì)胞中環(huán)B的磷酸化能夠整體的提高PIP1-PIP2復(fù)合物的水分轉(zhuǎn)運(yùn)效率。PIP1和PIP2的這種互作依賴的轉(zhuǎn)移過程就包含了廣泛的不同水通道蛋白間互相組合調(diào)控的可能性，這種異源四聚體與PIP1s和PIP2s各自形成的同源四聚體在功能方面的差異目前仍不明確。同其他的膜蛋白相似，PIP2類水通道蛋白在質(zhì)膜上也是不停循環(huán)的，網(wǎng)格蛋白能夠誘導(dǎo)質(zhì)膜PIP2通過內(nèi)陷進(jìn)入胞內(nèi)[33]，而生長素能夠抑制這一過程[34]。

水通道蛋白的門控機(jī)制即孔道的打開和關(guān)閉受到多種因素的調(diào)節(jié)。在爪蟾卵母細(xì)胞功能性表達(dá)野生型、磷酸化位點(diǎn)發(fā)生突變的PvTIP3;1、GmNOD26和SoPIP2;1以及外源性蛋白激酶和磷酸酶所導(dǎo)致的水通道蛋白的通道活性變化均表明，AQPs的磷酸化對于其門控機(jī)制是非常重要的[35]。在純化的類菌體周膜上所進(jìn)行的停流檢測發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶導(dǎo)致GmNOD26去磷酸化而顯著地降低其對水的通透性，說明了磷酸化在GmNOD26門控調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用[35]。Gerbeau等[36]和Alleva等[37]分別通過在擬南芥懸浮培養(yǎng)細(xì)胞和甜菜的根中純化得到的質(zhì)膜囊泡進(jìn)行水分轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明胞質(zhì)側(cè)的質(zhì)子和二價(jià)陽離子同樣會調(diào)節(jié)PIPs的通透性。爪蟾卵母細(xì)胞中的水通道蛋白結(jié)構(gòu)功能分析及所得到的菠菜SoPIP2;1呈現(xiàn)打開和閉合構(gòu)象時(shí)的原子結(jié)構(gòu)特征闡明了水通道蛋白門控的分子機(jī)理[18, 38]。PIPs環(huán)D上高度保守的組氨酸殘基都能夠結(jié)合胞質(zhì)側(cè)的質(zhì)子，質(zhì)子化或是結(jié)合二價(jià)陽離子的His殘基能夠引起環(huán)D的構(gòu)象發(fā)生改變從而關(guān)閉水通道蛋白的孔道[18]。菠菜SoPIP2;1的原子結(jié)構(gòu)模型表明了環(huán)B的磷酸化能夠開啟環(huán)D，使AQPs孔道打開，同時(shí)C-末端的磷酸化反而會阻止相鄰AQPs單體的環(huán)D變?yōu)榭椎狸P(guān)閉的構(gòu)象[18]。Ye等[39]通過對輪藻細(xì)胞進(jìn)行壓力檢測發(fā)現(xiàn)當(dāng)在膜的兩側(cè)同時(shí)存在某些溶質(zhì)時(shí)，就會影響水通道蛋白的門控調(diào)節(jié)過程，使細(xì)胞膜對水的通透性受到抑制，并且這種抑制作用與溶質(zhì)的分子大小是密切相關(guān)的，因此，Ye等[39]提出了水通道蛋白的緊張/松弛模型：有些溶質(zhì)會阻塞在孔道的一端，AQPs排斥這些溶質(zhì)的時(shí)候會產(chǎn)生滲透壓力而轉(zhuǎn)變?yōu)榫o張狀態(tài)，這會進(jìn)一步造成孔道的關(guān)閉。羥基自由基同樣會顯著并且可逆地(90% 以上)抑制輪藻細(xì)胞的水分轉(zhuǎn)運(yùn)，這是由水通道蛋白的氧化所造成的，然而，由活性氧所造成的擬南芥根中水通道蛋白的抑制作用卻與細(xì)胞中信號傳導(dǎo)相關(guān)的[40]。

3 植物水通道蛋白的生理功能

3.1 AQP參與了植物體內(nèi)的水分運(yùn)輸與滲透調(diào)節(jié)

水分跨細(xì)胞途徑運(yùn)輸主要通過三種方式穿過膜：自由擴(kuò)散通過脂雙層、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的水分轉(zhuǎn)運(yùn)以及被動運(yùn)輸通過水通道蛋白。在某些生理過程中，需要進(jìn)行大量而且迅速的水分轉(zhuǎn)運(yùn)，僅靠前兩種方式是不能夠滿足需求的，通過水通道蛋白可以實(shí)現(xiàn)水分快速的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，其動力來自于靜水壓和滲透水壓。植物通過維管系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)水分在體內(nèi)長距離大量的運(yùn)輸，水分由根吸收之后經(jīng)凱氏帶進(jìn)入導(dǎo)管，莖和葉便可以從導(dǎo)管中獲取水分，植物中這些轉(zhuǎn)運(yùn)水分的生理過程需要水通道蛋白的參與。在許多植物的維管束以及附近組織中均能觀察到水通道蛋白的高水平表達(dá)，如玉米的γ-TIP[41]、菠菜的δ-TIP[42]、擬南芥的δ-TIP和PIP1b[43]。

AQPs會影響植物的開花生理，Azad等[44]發(fā)現(xiàn)郁金香花瓣中的PM-AQP受到磷酸化和去磷酸化的調(diào)控，分別使花瓣在低溫時(shí)閉合，高溫時(shí)打開。煙草的NtPIP2;1能夠促進(jìn)水分在細(xì)胞間和組織間的轉(zhuǎn)移，這對于花粉粒通過水合作用附著到子房上非常重要[45]。Bots等[46]發(fā)現(xiàn)煙草NtPIP2;1基因的表達(dá)在花粉囊發(fā)育的過程中受得嚴(yán)格的調(diào)控，RNA干擾NtPIP2;1基因會造成煙草的花粉脫水作用更慢，開裂延遲，所以煙草中PIP2類水通道蛋白是有性生殖所必需的。Fleurat-Lessard等[47]發(fā)現(xiàn)豆類根瘤內(nèi)皮層細(xì)胞(IC-cells)可以通過快速的膨脹機(jī)制來調(diào)節(jié)胞內(nèi)間隙和液相阻塞的體積從而調(diào)控根瘤中氧的擴(kuò)散速率，γ-TIP參與IC-cells的膨脹調(diào)控，因此根瘤內(nèi)皮層細(xì)胞中γ-TIP基因的表達(dá)與氧擴(kuò)散調(diào)控機(jī)制是密切相關(guān)的。含羞草的震感運(yùn)動主要是由葉枕的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)leurat-Lessard等[48]通過免疫共沉淀分析發(fā)現(xiàn)含羞草TIPs水通道蛋白通過介導(dǎo)水分跨細(xì)胞膜的快速轉(zhuǎn)運(yùn)參與了葉枕的彎曲運(yùn)動。

植物種子在成熟過程中能夠合成大量的貯藏蛋白保存在大量的蛋白貯藏囊泡(PSVs)中[49]。在種子開始萌發(fā)的過程中需要大量吸收水分，液泡膜的流動性增強(qiáng)，會出現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)溶質(zhì)總量的迅速變化，導(dǎo)致暫時(shí)的滲透紊亂，因此需要通過一些生理過程來迅速地調(diào)節(jié)滲透平衡。種子成熟后期，α-TIP水通道蛋白大量積累，主要參與維持細(xì)胞中滲透平衡[50]。質(zhì)膜和液泡膜上的AQPs則能夠通過介導(dǎo)一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的快速轉(zhuǎn)運(yùn)從而維持細(xì)胞質(zhì)的滲透平衡。通常狀況下，AQPs主要參與水分子快速的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，具有高度的底物特異性，但是在植物細(xì)胞中也有些水通道蛋白除了調(diào)控水分轉(zhuǎn)運(yùn)之外還能參與某些離子、甘油和尿素等有機(jī)小分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。利用爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)研究煙草NtTIPa時(shí)發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)運(yùn)尿素的能力是對照的3.9倍左右。Prudent等[51]在釀酒酵母滲透敏感突變體fpls1Δ中功能性表達(dá)花椰菜液泡膜水通道蛋白BobTIP1;1時(shí)發(fā)現(xiàn)其定位于酵母液泡膜上，表達(dá)BobTIP1;1的酵母細(xì)胞液泡中的甘油含量高于細(xì)胞質(zhì)，并且能夠在進(jìn)行低滲震蕩時(shí)存活。

3.2 AQP參與了植物對養(yǎng)分的吸收

4 植物水通道蛋白與環(huán)境之間的作用

植物水通道蛋白在應(yīng)對各類環(huán)境脅迫的過程中具有非常重要的功能[55]。當(dāng)受到干旱、高鹽和低溫等非生物脅迫時(shí)，水通道蛋白的表達(dá)量都會發(fā)生明顯的變化[56]。同時(shí)，水通道蛋白的表達(dá)也是存在多種情況。面對同樣的脅迫，不同水通道蛋白的表達(dá)可能存在上調(diào)表達(dá)或者降低表達(dá)的情況，即使是在同一亞族中的水通道蛋白也會出現(xiàn)在完全不同的環(huán)境脅迫下表現(xiàn)一致表達(dá)量的情況[57]。所以對于水通道蛋白的表達(dá)特征還要從多方面去考慮，在不同脅迫環(huán)境下選擇合適的目標(biāo)基因來研究轉(zhuǎn)基因植物的水通道蛋白的調(diào)控和表達(dá)模式反而顯得更加重要。

4.1 光照對水通道蛋白活性的影響

水通道蛋白在植物的各組織中均有廣泛的分布，對植物最直接的影響來自它對水分的轉(zhuǎn)運(yùn)功能。水通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)水分受光照的影響，對細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)可以改變細(xì)胞形態(tài)。例如，向日葵保衛(wèi)細(xì)胞中的TIP類水通道蛋白SunTIP7在一天之中的不同階段的表達(dá)量在不停地變化，在傍晚的時(shí)候表達(dá)水平最高，氣孔閉合，說明SunTIP7能夠介導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中的水分向外轉(zhuǎn)運(yùn)[58]。大量數(shù)據(jù)表明，光照在很大程度上影響著植物葉的導(dǎo)水率[59]。在許多植物中，光照能夠增強(qiáng)葉片的導(dǎo)水率，例如Lo Gullo等[60]研究表明常綠喬木和落葉喬木的葉電導(dǎo)率與光合有效輻射(PAR)呈正相關(guān)。Cochard等[61]對核桃樹樹中兩種主要的PIP2表達(dá)強(qiáng)度的研究進(jìn)一步證明了這一結(jié)果，從黑暗環(huán)境轉(zhuǎn)移到高強(qiáng)度光照下的過程中，核桃葉片的導(dǎo)水率與這兩種水通道蛋白的表達(dá)密切相關(guān)。葉片日常的活動能夠使對于光照的吸收最大化，這一過程離不開水通道蛋白的參與。Kim等研究表明完整玉米葉子的細(xì)胞液壓會隨著光密度的變化而做出響應(yīng)，從而影響著植物的蒸騰作用[62]。進(jìn)一步的研究數(shù)據(jù)表明不同的光強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)細(xì)胞水平的水流量，當(dāng)光密度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，胞內(nèi)水流量達(dá)到最大值，然后又降低[63]。在百脈根和玉米中，根的導(dǎo)水率在中午左右最強(qiáng)，這與PIP1和PIP2基因的表達(dá)水平基本一致。玉米的ZmPIP1;5基因在所有類型的根系中全天都有表達(dá)，但晚上只在根的表皮中表達(dá)[64]，這其中除了轉(zhuǎn)錄調(diào)控之外，玉米根中的的PIP水通道蛋白應(yīng)該還存在更為復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控模式。因此，水通道蛋白對作物感光應(yīng)答以及在根中的遠(yuǎn)距離調(diào)控機(jī)理研究還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.2 鹽、干旱和低溫脅迫下水通道蛋白的應(yīng)答

水分的跨膜運(yùn)動主要是由水通道蛋白家族實(shí)現(xiàn)的，鹽、干旱和低溫脅迫對植物細(xì)胞水分的影響類似，都會導(dǎo)致植物一個(gè)缺水的狀態(tài)，進(jìn)而影響了植物的生長和作物產(chǎn)量。由此，植物本身對鹽、干旱和低溫等非生物脅迫的響應(yīng)也就在很大程度上依賴自身的調(diào)控能力，而水通道蛋白對水分的運(yùn)輸在這其中起著關(guān)鍵作用。

面對低溫脅迫，植物一般會通過增加根的吸水量來響應(yīng)脅迫[65]。在特定氣孔阻力下，地上部水分的可利用程度是由根部供水情況決定的，并由根的抗脅迫能力決定。因此根部水分的調(diào)控在植物水分平衡的過程中也起著決定性的作用，同時(shí)影響著CO2的積累和作物產(chǎn)量[66]。Lee等[67]研究發(fā)現(xiàn)在低溫處理情況下，對低溫敏感的黃瓜株系中的內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量大大減少，但是對低溫有抗性的南瓜株系內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量沒有發(fā)生很大變化，進(jìn)一步的研究也發(fā)現(xiàn)，質(zhì)外體屏障和內(nèi)皮層細(xì)胞可以幫助調(diào)節(jié)根部滲透系數(shù)和水通道蛋白的活性。由此，來實(shí)現(xiàn)植物對低溫的脅迫響應(yīng)。Azad等[68]發(fā)現(xiàn)溫度的改變會誘導(dǎo)水通道蛋白的磷酸化和去磷酸化，進(jìn)而影響水分的運(yùn)輸。但是關(guān)于低溫 門控水通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)水分的具體機(jī)制還需要更多的信息去闡明。冷凍處理時(shí)，耐低溫玉米品種Z7通過大量表達(dá)水通道蛋白來維持根系導(dǎo)水率以及體內(nèi)的水分運(yùn)輸，減少植株所受凍害[69]。在擬南芥和煙草中超表達(dá)PIP1;4 和PIP2;5基因，正常生長狀況下的轉(zhuǎn)基因株系的生長速度和水分運(yùn)輸與野生型相比并沒有差異。在干旱脅迫的條件下，轉(zhuǎn)基因株系較易失水，造成植株萌發(fā)延遲，幼苗生長緩慢。然而在低溫脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的導(dǎo)水率提高，水分轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng)，萌發(fā)率增加[70]。同時(shí)Jang等[70]也發(fā)現(xiàn)PIP1;4 和PIP2;5基因的過表達(dá)還會影響其他多個(gè)內(nèi)源水通道蛋白基因在干旱脅迫條件下的表達(dá)模式，進(jìn)而影響種子萌發(fā)、幼苗的生長以及植物的抗脅迫能力。

5 結(jié)語與展望

植物中水分的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)主要是由水通道蛋白(AQPs)所介導(dǎo)的。因此，無論是在植物整體水平還是細(xì)胞水平上，水分的吸收以及跨細(xì)胞膜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)對于植物的生長發(fā)育都是至關(guān)重要的。水通道蛋白也叫做主體內(nèi)在蛋白(MIPs)，在調(diào)節(jié)植物水分關(guān)系的過程中發(fā)揮核心作用，除水分之外，有些水通道蛋白還能夠轉(zhuǎn)運(yùn)中性小分子溶質(zhì)(尿素、硼酸、硅酸)和氣體(NH3和CO2)。在不同的環(huán)境條件下，植物可通過多種模式對水通道蛋白進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯后調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞中多種生物膜通道活性的調(diào)節(jié)。

本實(shí)驗(yàn)室研究也發(fā)現(xiàn)水通道蛋白作為水分轉(zhuǎn)運(yùn)因子，不僅可以提高植物的抗旱、抗鹽能力，對低溫脅迫也有一定的響應(yīng)[79]。本研究小組利用從番茄以及小鹽芥中獲得的不同類型的水通道蛋白作為誘餌蛋白進(jìn)行酵母雙雜實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也表明水通道蛋白可以與多類逆境脅迫蛋白互作，共同調(diào)節(jié)植物的水分和滲透平衡，提高植物的抗逆性和適應(yīng)性，這可能也是未來植物水通道蛋白研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，為培育抗非生物脅迫作物品種提供分子材料與有價(jià)值的基因資源提供理論支持。

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Responsive regulation of aquaporins in the plants exposed to abiotic stresses

SUN Lin-lin1,2， XIN Shi-chao2， QIANG Xiao-jing2， CHENG Xian-guo2*

(1CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China;2AgriculturalResourcesandRegionalPlanningInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)

Water is not only a necessary substrate synthesizing living matter in organisms, but also involves in the nutrient metabolism and the osmotic adjustment in the plant. Transmembrane transport of water in plants is mainly carried out by the water channel protein (AQPs) mediation. Therefore, based the overall level of plants or cell level, the moisture absorption and transport across the membrane system are essential guarantee for plant growth and development. In recent years, aquaporin, as a key factor regulating the water absorption and translation, has been widely focused in the research fields of plant nutrition and stress physiology at molecular level. This review described the mechanism of water transport involved by AQPs and the response mechanism of the AQPs to abiotic stresses based on the kinds of structure, substrate specificity, gene expression and regulation mechanism of aquaporin in plants, and the physiological effects of water channel protein during plant growth process were better described, and functionally characterized the transport mechanism of water and osmotic adjustment as well as nutrient transport models regulated by channel protein. The responses of aquaporin proteins to the changes of environment factors such as the strength of light, drought and low temperature, were discussed accordingly. Study showed that the water channel protein obviously responded to the environmental changes by increasing or reducing the accumulation amounts ofAQSexpression, and aquaporin could realize an efficient transport of water in plants by maintaining certain specific structures and the transport of substrate specificity as well as adjusting the expression of target genes and post-translational modification processes. Importantly, aquaporin plays a positive role in maintianing an equilibrium of osmotic potentials by transport regulation of water and absorption of small molecule chemicals, which are involved in the physiological regulation and nutrient uptake in the plants. Aquaporin can not only enhance the tolerance of plant to drought and salt stress, but also to cold stress. Moreover, aquaporin could interact with proteins that responds to abiotic stresses, and regulate osmotic equilibrium in the plant cells to improve the adaptation ability of plant exposed to abiotic stresses. Responsive mechanism of water channel protein in the plants exposing to abiotic stresses should be further investigated in the coming exploration to provide scientific supports and molecular materials for application of aquaporin in molecular breeding.

abiotic stress; aquaporin; physiological function; stress response

2014-07-15 接受日期： 2014-10-20 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2015-05-20

國家轉(zhuǎn)基因生物重大專項(xiàng)“鉀養(yǎng)分高效利用小麥新品種培育”(2013/2014ZX08002-005)；科研院所公益基金項(xiàng)目(IARRP-2014-403-15)資助。

孫琳琳(1989—)，女，山東濱州人，碩士，主要從事植物營養(yǎng)生理研究。E-mail：kernim@163.com * 通信作者 Tel：010-82105031，E-mail: chengxianguo@caas.cn

S945.17+1

A

1008-505X(2015)04-1040-09