吳遠(yuǎn)雙 宋毅豪 吳寶堯 李昆志

摘 要：植物在生長及適應(yīng)環(huán)境的過程中會吸收很多有益或有害的物質(zhì)，自身也會產(chǎn)生大量代謝物，植物對這些物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)是植物生長發(fā)育及適應(yīng)環(huán)境的重要環(huán)節(jié)，有多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族參與其中。多藥和有毒化合物排出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MATEs）是生物體中重要的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族之一，而植物中MATE基因的豐富程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他生物。根據(jù)植物MATEs的蛋白結(jié)構(gòu)，這些基因被分為4個主要的亞家族，即MATE I，MATE Ⅱ，MATE Ⅲ和MATE IV。同一亞家族或同一MATE基因簇的基因還具有相同或相似的功能。植物MATEs定位于細(xì)胞的各種生物膜上，如細(xì)胞質(zhì)膜、液泡膜、高爾基膜及囊泡膜等。此外，一些MATEs的表達(dá)還具有組織特異性，它們轉(zhuǎn)運(yùn)的底物也具有多樣性和特異性，使得MATEs呈現(xiàn)出多種生物學(xué)功能。它們在外源性物質(zhì)的排出、次生代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和累積、鐵轉(zhuǎn)運(yùn)、鋁脫毒和植物激素信號傳遞及植物的抗病性等方面都起著重要作用。該文對MATEs的發(fā)現(xiàn)、基因分類、亞細(xì)胞定位及生理功能等方面進(jìn)行了概述，對深入研究該基因家族提供了思路，對該基因家族的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：植物MATEs，基因結(jié)構(gòu)和分類，亞細(xì)胞定位，外源物質(zhì)的排出，次生代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和累積，金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，植物激素信號傳遞

中圖分類號：Q945

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3142（2018）11-1534-11

Abstract：Plants absorb many beneficial or harmful substances from outside， and produce a vast number of secondary metabolites， during the proceedings of their growth， development and adaptation to the environment. To exert their optimal functions， these substance or metabolites are required to be in the appropriate location at the appropriate time， so the transportation of foreign substances and secondary metabolites in plants is a very important part of physiological processes in plants. The family of multidrug and toxic compound extrusion proteins （MATEs） is one of the most important transporter families， and is present widely almost in all organisms and MATEs in plants are much more abundant than that in other organisms. According to their protein structures， these genes are divided into four subfamilies：MATE I，MATE Ⅱ，MATE Ⅲ and MATE IV. The genes belong to the same subfamily or the same gene cluster have same or similar functions. MATEs in plants locate on various membranes in cells， such as cytoplasmic membrane， vacuolar membrane， golgi membrane and vesicular membrane， etc. Plant MATEs also have a wide variety of substrate with specificity， such as oganic acids， secondary metabolites and plant hormones， which may result in the diversity of their functions. MATEs play important roles in extrusion of exogenous substances， transportation and accumulation of secondary metabolites， translocation of iron ions， detoxication of aluminum， plant hormone signal transduction， disease resistance， and so on. In this review， the discovery and classification of MATE genes， subcellular localization of MATE proteins， and physiological function of MATEs in plants were summarized， their cooperation with other transporter families and some of their applications were also introduced. Furthermore， some ideas for the further study of the gene family were provided， and the applications of the gene family were also prospected.

Key words：plant MATEs， gene structure and classification， subcellular localization，extrusion of exogenous substances， transportation and accumulation of secondary metabolites， translocation of metal ion，plant hormone signal transduction

植物在生長及適應(yīng)環(huán)境的過程中會吸收有益或有害的物質(zhì)，自身也會產(chǎn)生代謝物。這些物質(zhì)有些是生物生長發(fā)育所必需的，有些在其生長和發(fā)育過程中不起作用，但在生殖和環(huán)境適應(yīng)過程中卻有很重要的作用，還有些物質(zhì)對植物體是有毒害作用的。植物在漫長的進(jìn)化過程中，發(fā)展出相應(yīng)的機(jī)制對這些物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如氧化降解、固定化、水解反應(yīng)、轉(zhuǎn)化作用及代謝排出體外等。其中，植物對各種外來物質(zhì)或者代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)是非常重要的機(jī)制。

在植物中代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制可分為三種類型：轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白依賴的捕獲、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸和囊泡運(yùn)輸（Shitan et al， 2013）。其中，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸在分子水平上得到了很好的研究，已鑒定出多個轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族，包括ATP結(jié)合盒（ABC）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、主要協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族（MFS）及多藥和有毒化合物排出（MATE）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Shoji et al， 2009; Shoji， 2014）。人們對MATE家族了解較晚，直到1998年，Morita et al （1998）在Escherichia coli中鑒定到一個新的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈推渌D(zhuǎn)運(yùn)蛋白同源的序列而被命名為MATE。隨后，這個新的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族在生物體中被廣泛地發(fā)現(xiàn)，包括高等植物（Omote et al， 2006）。該蛋白家族基因在植物中得到了顯著的發(fā)展，每個植物種類中的MATE基因數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于細(xì)菌和動物。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了56個MATE基因，水稻中則至少有53個，而大豆中則達(dá)到了117個（Yazaki， 2005; Tiwari et al， 2014; Liu et al， 2016）。此外，植物MATEs的轉(zhuǎn)運(yùn)底物也具多樣性，這可能和植物適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境及其自身代謝產(chǎn)物的種類多樣性相關(guān)，這些發(fā)現(xiàn)也說明MATE基因在植物王國中的重要性。為進(jìn)一步探討這些MATEs的生理功能及其與結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，利用它們轉(zhuǎn)運(yùn)底物的差異來充分發(fā)揮它們在植物中的不同作用提供理論依據(jù)，本文結(jié)合MATEs的最新研究進(jìn)展，對植物MATEs的發(fā)現(xiàn)、亞細(xì)胞定位及生理功能等方面進(jìn)行了概述。

1 植物MATEs基因的結(jié)構(gòu)和分類

Wang et al（2016）對水稻和擬南芥中的MATE基因進(jìn)行了預(yù)測，并根據(jù)蛋白序列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自引導(dǎo)值將MATE基因家族分為4個主要的亞家族：MATE I，MATE Ⅱ，MATE Ⅲ和MATE IV。這4個亞家族在水稻和擬南芥中都有分布。不同亞家族基因之間內(nèi)含子的數(shù)量差異很大，MATE Ⅱ亞家族大多數(shù)含有6～8個內(nèi)含子，MATE I則多數(shù)含有5～7個內(nèi)含子，MATE IV缺乏內(nèi)含子或者僅有一個內(nèi)含子，而MATE Ⅲ則含有11～13個內(nèi)含子。在水稻和擬南芥中，同一亞家族的MATEs基因結(jié)構(gòu)相對保守，具有相似的內(nèi)含子數(shù)量。郭新磊（2016）通過系統(tǒng)發(fā)育分析將從雷蒙德氏棉中鑒定出的隨機(jī)分布在13條染色體上的70個MATE基因分為3個亞家族即MATE I，MATE Ⅱ和MATE Ⅲ。與擬南芥相比，棉屬中MATE I組基因數(shù)目沒有明顯變化，但MATE Ⅱ和MATE Ⅲ組基因數(shù)發(fā)生了倍增，這兩組基因可能在棉屬植物適應(yīng)環(huán)境的進(jìn)化上發(fā)揮了重要作用。此外其他植物中也鑒定到一些MATE基因，通過系統(tǒng)發(fā)育樹分析均可歸類到4大亞家族中，說明這四個亞家族在植物進(jìn)化史的較早期就已經(jīng)形成。

同一亞家族的MATE基因具有相同或相似的功能，不同亞家族基因則具有完全不同的功能（Wang et al， 2016）。例如，MATE Ⅲ亞家族基因中，一些基因如GMFRDa、HvAACT1、SbMATE、ScFRDL1等形成一個簇，其蛋白都具有轉(zhuǎn)運(yùn)檸檬酸的功能，在鋁脫毒和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)中起著重要作用，而在MATE Ⅱ亞家族基因中一些已知功能的蛋白則以黃酮類物質(zhì)為轉(zhuǎn)運(yùn)底物。MATE基因家族的分類對發(fā)現(xiàn)其功能具有指導(dǎo)意義，對大豆的MATE基因家族的分類及對鋁脫毒相關(guān)基因（如GmMATE75、GmMATE79等）的表達(dá)分析中也支持了該結(jié)論（Liu et al， 2016）。盡管如此，還是有很多MATE基因未被分離鑒定到或者生理功能尚不明確，有待進(jìn)一步的研究來闡明它們的結(jié)構(gòu)和功能。

2 植物MATEs的亞細(xì)胞定位及生理功能

大多數(shù)植物MATE家族蛋白由440～550個氨基酸組成，少數(shù)由400～700個氨基酸殘基組成。一般包含12個跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，少數(shù)含有8～13個跨膜區(qū)（Wang et al， 2016）。來源于所有生物的MATEs約具有40%的序列相似性，根據(jù)其序列相似性及親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近，已經(jīng)鑒定到的約有900個MATE家族蛋白被分為三個亞類，即NorM亞類、DinF亞類和真核亞類。其中，NorM、DinF亞類為H+/Na+勢驅(qū)動，真核亞類則全部為H+勢驅(qū)動，目前已知的植物MATE家族成員大部分屬于真核亞類。對MATE基因亞家族蛋白的亞細(xì)胞定位預(yù)測的研究中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)MATE I和MATE Ⅱ基因亞家族的蛋白主要定位于細(xì)胞質(zhì)膜上，MATE Ⅲ 和MATE IV亞家族基因蛋白則分別定位于葉綠體膜和質(zhì)膜上（Wang et al，2016）。此外研究發(fā)現(xiàn)少部分MATE Ⅲ 和MATE IV亞家族基因蛋白定位于液泡膜或者細(xì)胞膜上。這些植物MATEs定位廣泛，生理功能多樣，后文將對它們的亞細(xì)胞定位及生理功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 植物MATEs的亞細(xì)胞定位

植物MATEs的亞細(xì)胞定位及其組織特異性表達(dá)往往和它們的功能相關(guān)。例如，煙草將生物堿分泌到胞外和儲存在液泡中，是其廣泛而保守的機(jī)制（Shitan et al， 2014），參與該過程的煙草MATE蛋白往往定位在細(xì)胞質(zhì)膜或者液泡膜上。在高粱和大麥中分離到的參與鋁脫毒的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SbMATE和HvAAC T1都能排出檸檬酸，兩者都被發(fā)現(xiàn)定位于根尖的質(zhì)膜上（Furukawa et al， 2007; Magalhaes et al， 2007）。研究發(fā)現(xiàn)葡萄中兩種與花色素轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白VvAM1和VvAM3定位在小囊泡上，而花色素不僅累積在液泡中，也累積在活躍于液泡膜周圍的小囊泡中。在葡萄中分離到的另兩個原花色素MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，Vitis vinifera MATE1和MATE2，它們雖然序列相似（Perez-Diaz et al， 2014），但VvMATE1定位在液泡膜上，而VvMATE2定位在高爾基體上，說明這些MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過不同途徑參與到原花色素的累積上。這些研究表明植物MATEs定位在細(xì)胞的各種生物膜上，這和它們的功能多樣性是一致的。

植物MATEs不僅亞細(xì)胞定位不同，大多數(shù)還顯示出明確的組織特異性表達(dá)模式。例如，Nt-JAT1在葉、莖和根中表達(dá)（Morita et al， 2009），而NtMATE1和NtMATE2僅在根中表達(dá)（Shoji et al， 2009）。擬南芥中和多種表型相關(guān)的兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsMATE1和OsMATE2均定位于莖尖和生殖器官的質(zhì)膜上（Tiwari et al， 2014）。兩種參與了鐵轉(zhuǎn)運(yùn)的水稻MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPEZ1和 OsPEZ2被發(fā)現(xiàn)在中柱中特異性表達(dá)，可能控制著原兒茶酸和咖啡酸的排出，OsPEZ2還被發(fā)現(xiàn)在根伸長區(qū)有表達(dá)（Bashir et al， 2011; Ishimaru et al， 2011）。擬南芥AtFRD3蛋白定位于擬南芥中柱鞘和維管組織的細(xì)胞膜上，在frd3突變體中檢測到鐵異常，意味著AtFRD3在將檸檬酸運(yùn)輸至根木質(zhì)部的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)上起作用（Green & Rogers， 2004）。擬南芥AtFFT（花黃酮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）幾乎在所有組織都有表達(dá)，包括花和種子（Thompson et al， 2010）。

2.2 植物MATEs的生理功能

已有的研究發(fā)現(xiàn)植物MATEs可以轉(zhuǎn)運(yùn)不同的底物，底物特異性也是MATE最重要的特性之一。盡管目前還沒有發(fā)現(xiàn)與其底物特異性相關(guān)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但是從其組織特異性表達(dá)和亞細(xì)胞定位及其底物的多樣性來看，它們行使的功能是多種多樣的。

2.2.1 外源性物質(zhì)的排出 從植物中最先分離到的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是參與外來化合物的解毒。用Escherichia coli進(jìn)行功能篩選時發(fā)現(xiàn)，擬南芥AtDTX1基因具有抗諾氟沙星的作用（Li et al， 2002）。用AtDTX1轉(zhuǎn)化的大腸桿菌進(jìn)行細(xì)胞功能分析，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)運(yùn)體能使有毒物質(zhì)如抗生素和鎘以及兩種植物生物堿（小檗堿和非洲防己堿）外排。擬南芥中缺乏這些生物堿，AtDTX1可能將這些分子作為外源性物質(zhì)從植物細(xì)胞中排出（Kuroda & Tsuchiya， 2009）。擬南芥中鑒定到的另一個MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtALF5的基因突變能導(dǎo)致側(cè)根形成的缺陷，增加根系對多種化合物的敏感性。在生理上，AtALF5和AtDTX1一樣，被認(rèn)為能使外源性物質(zhì)排出，但是AtALF5的轉(zhuǎn)運(yùn)底物還沒有得到很好的鑒定（Diener et al， 2001）。

2.2.2 次生代謝產(chǎn)物的排出和累積 植物生長過程中產(chǎn)生了大量的次級代謝產(chǎn)物，如生物堿、萜類化合物和酚類化合物等，植物則根據(jù)需要對這些產(chǎn)物的外排、運(yùn)輸及體內(nèi)累積進(jìn)行精細(xì)的調(diào)控。

生物堿是次級代謝產(chǎn)物的一個主要種類，不同生物堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)各不相同，它們具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性，可能對植物細(xì)胞產(chǎn)生毒性。因此，植物細(xì)胞也發(fā)展出了多種生物堿脫毒機(jī)制（Sirikantaramas et al， 2008）。其中，將生物堿分泌到胞外和轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中是非常廣泛而保守的機(jī)制，這對生物堿脫毒非常重要（Shitan et al， 2003）。此外，能積累內(nèi)源性生物堿的三種MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Nt-JAT1（Nicotiana tabacum jasmonate-inducible alkaloid transporter 1）、NtMATE1和NtMATE2（Nicotiana tabacum MATE1和MATE2）的編碼基因從煙草中分離出來（Morita et al， 2009; Shoji et al， 2009）。研究發(fā)現(xiàn)Nt-JAT1具有轉(zhuǎn)運(yùn)尼古丁和其它生物堿的活性，如新煙堿和東莨菪堿，但不轉(zhuǎn)運(yùn)黃酮。而兩種NtMATEs則具有將根中尼古丁轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中的脫毒功能。煙草葉片中另一個MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Nt-JAT2也作為尼古丁轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被分離出來（Shitan et al， 2014），表明煙草中多種MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了尼古丁轉(zhuǎn)運(yùn)，它們可能在植物對不同條件的應(yīng)答中起作用，也可能通過相互協(xié)作來對尼古丁進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。對這些尼古丁轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可能有助于找到一個識別尼古丁的保守結(jié)構(gòu)域。

植物MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與黃連素的轉(zhuǎn)運(yùn)。黃連中黃連素通過一種H+/黃連素反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸通道進(jìn)入液泡膜（Otani et al， 2005）。同樣，長春花中兩種單萜吲哚生物堿（MIAs），文多靈和長春花堿，在葉肉細(xì)胞液泡中也是通過H+/ MIAs反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)（Carqueijeiro et al， 2013）。最近Takanashi et al（2017）在Coptis japonica中分離到了一種MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，也具有黃連素轉(zhuǎn)運(yùn)活性，在液泡黃連素的累積上起作用。

這些MATEs并非獨(dú)立在生物堿的轉(zhuǎn)運(yùn)和累積上起作用，除了不同MATEs之間的協(xié)調(diào)配合外，還有其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族和這些MATEs相互協(xié)作來完成這一系列的生理活動。比如ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（CjABCB1和CjABCB2）能調(diào)節(jié)黃連細(xì)胞膜上的黃連素進(jìn)入，以及Catharanthus roseus細(xì)胞膜上的長春花堿外排（Shitan et al， 2003; Yu & DeLuca， 2013）。另一種類型的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，煙草NUP1（nicotine uptake permease 1），作為煙草根細(xì)胞膜上的質(zhì)子共運(yùn)輸體攝取尼古?。℉ildreth et al， 2011）。這些發(fā)現(xiàn)表明在植物細(xì)胞或植物體中，有不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族相互協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)某一種生物堿。其它新的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分離和鑒定將進(jìn)一步闡明植物中生物堿轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制。

植物的另一種重要次生代謝產(chǎn)物是黃酮類化合物，許多植物以一種種族特異性的模式合成和累積黃酮（Ferreyra et al， 2012）。到目前為止，人們主要提出了4種黃酮轉(zhuǎn)運(yùn)途徑：液泡介導(dǎo)的、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）介導(dǎo)的、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的和MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的運(yùn)輸。這些途徑在同一個細(xì)胞內(nèi)共存，有多個研究結(jié)果提出他們的功能是相互合作、相互協(xié)調(diào)的。例如，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能運(yùn)輸GST-黃酮結(jié)合體，而MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)黃酮轉(zhuǎn)運(yùn)到小囊泡的過程（Zhao & Dixon， 2010）。系統(tǒng)進(jìn)化分析法顯示參與黃酮累積的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白形成了兩個獨(dú)特分支，這可以從它們的轉(zhuǎn)運(yùn)底物原花青素前體和?；幕ㄉ盏牟町惿戏从吵鰜?。

Arabidopsis TT12，是第一個被發(fā)現(xiàn)的運(yùn)輸黃酮的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，從種皮顏色變化的突變體中篩選到（Debeaujon et al， 2001）。它可以轉(zhuǎn)運(yùn)兩種黃酮、花青素-3-O-葡糖苷（cyanidin-3-O-glucoside， Cy3G）和表兒茶酸-3′-O-葡糖苷（epicatechin-3′-O-glucoside， E3′G），E3′G相對Cy3G以更高親和性和速度通過AtTT12外排，因此E3′G被認(rèn)為是AtTT12的天然轉(zhuǎn)運(yùn)底物（Marinova et al， 2007）。AtTT12的同源蛋白MtMATE1從蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）的豆莢中分離到。與AtTT12相似的是，MtMATE1定位于液泡膜上，也轉(zhuǎn)運(yùn)E3′G和Cy3G，該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對E3′G具有更強(qiáng)的選擇性。Arabidopsis tt12突變體的tt表現(xiàn)型能被MtMATE1恢復(fù)，在Medicago truncatula中的MtMATE1敲除突變體也顯示tt表現(xiàn)型，說明MtMATE1與AtTT12功能同源（Zhao & Dixon， 2010）。

Yang et al（2016）從柿子的一種PCNA突變型中分離出了一種Dkmate1基因，其表達(dá)模式和柿子發(fā)育過程中原花色素的累積呈正相關(guān)，擬南芥tt12突變體中表達(dá)Dkmate1可以補(bǔ)償其轉(zhuǎn)運(yùn)E3′G的生物學(xué)功能。根據(jù)與AtTT12的序列相似性還分離到了兩個蘋果MATEs（Malus×domestic MATE1和2（Frank et al， 2011），能恢復(fù)Arabidopsis tt12 突變體的種子表型。Gao et al（2016）從棕色棉花（Gossypium hirsutum）纖維中分離到了一個TT12同源 cDNA全長序列，并將之命名為GhTT12，其在棕色棉中的表達(dá)量是白色棉中的1～5倍，可能在將原花色素從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中起作用。

苜蓿屬的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MtMATE2，也作為AtTT12的同源物被分離出來，但它與番茄（Solanum lycopersicum）MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SlMTP77具有更高的序列同源性，其對黃酮甙類具有一個較為廣泛的底物特異性（Zhao et al， 2011）。VvAM1和VvAM3（葡萄Vitis vinifera anthoMATE1和 3）也是作為SlMTP77的同源物被分離出來（Gomez et al， 2009）。這些MATEs在漿果果皮細(xì)胞中的表達(dá)也具有特異性，其對乙?；ㄇ嗨鼗旌衔锞哂修D(zhuǎn)運(yùn)活性，但對非?；ㄉ?zé)o轉(zhuǎn)運(yùn)活性，如Cy3G。葡萄GST也是一個花色素轉(zhuǎn)運(yùn)的候選蛋白（Conn et al， 2008），并且它是VvMYBA1在毛狀根中過表達(dá)時上調(diào)最多的基因（Cutanda-Perez et al， 2009），但研究發(fā)現(xiàn)MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和GST在調(diào)節(jié)葡萄中花色素的累積上是不相關(guān)的（Gomez et al， 2011）。SlMTP77的另一個同源物，擬南芥FFT（花黃酮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）也被鑒定出來（Thompson et al， 2010），研究表明AtFFT在種子發(fā)育中的作用可能和它對黃酮水平的調(diào)控相關(guān)。藍(lán)莓果實(shí)中也鑒定到了33種MATEs，系統(tǒng)發(fā)育分析表明其中有6種可能參與了黃酮的轉(zhuǎn)運(yùn)，還有2種可能參與了次級代謝產(chǎn)物的運(yùn)輸（Chen et al， 2015）。

從高粱（Sorghum bicolor）中分離到的一個MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，SbMATE2，被證明能轉(zhuǎn)運(yùn)蜀黍苷及非內(nèi)源性的氰苷，但是不能轉(zhuǎn)運(yùn)花青素Cy3G或吲哚-3-甲基硫代葡萄糖甙（indol-3-yl-methyl glucosinolate）（Darbani et al， 2016）。一個H+-反向運(yùn)輸體可能也參與了囊泡介導(dǎo)的酚葡萄糖苷轉(zhuǎn)運(yùn)至質(zhì)外體的過程（Tsuyama et al， 2013）。利用雜交楊樹（Populus sieboldii×Populus grandidentata）微粒體囊泡運(yùn)輸法發(fā)現(xiàn)，松柏苷（木質(zhì)素的主要組分）是以一種質(zhì)子依賴的方式運(yùn)輸，也有研究發(fā)現(xiàn)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也參與木質(zhì)素單體運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)外體的過程（Kaneda et al， 2008; Miao & Liu，2010; Alejandro et al， 2012），說明木質(zhì)素單體運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)外體也是存在MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)調(diào)運(yùn)輸機(jī)制。

2.2.3 金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn) 除了對外源性物質(zhì)的排出和一些次生代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)之外，還發(fā)現(xiàn)植物MATEs在金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)上也起作用，研究比較多的是其在鐵離子的轉(zhuǎn)運(yùn)和鋁脫毒中的作用。

因?yàn)殍F是植物生長必需的礦物元素，植物已經(jīng)發(fā)展出高度復(fù)雜的系統(tǒng)來攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)鐵。一些MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也參與了鐵轉(zhuǎn)運(yùn)，通過排出檸檬酸或原兒茶酸鰲合鐵來增加它的可溶性。外排檸檬酸的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之間比較相似，和其它MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白差異很大，因此在系統(tǒng)發(fā)育分析中形成了一個獨(dú)特的分化枝。除了擬南芥MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtFRD3（Arabidopsis thaliana ferric reductase defective 3）顯示出檸檬酸外排活性對鐵轉(zhuǎn)運(yùn)起作用外，在水稻中AtFRD3的同源物OsFRDL1（Oryza sativa frd-like 1）也具有一個相似的作用機(jī)制，表明該機(jī)制在被子植物是廣泛存在的保守機(jī)制（Yokosho et al， 2011）。從土壤中攝取鐵的機(jī)制則被發(fā)現(xiàn)是不同的，禾本科植物利用麥根酸螯合鐵，其它植物則利用鐵還原酶還原三價鐵離子來增加鐵的溶解度（Kobayashi & Nishizawa， 2012）。

研究還發(fā)現(xiàn)AtFRD3對鐵在花粉粒和胚胎中運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控對花粉發(fā)育和發(fā)芽是必需的（Roschzttardtz et al， 2011）。類似地，一種豆科植物的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，LjMATE1（Lotus japonicus MATE1），也參與了將鐵從根轉(zhuǎn)運(yùn)至根瘤的過程（Takanashi et al， 2013）。大豆根木質(zhì)部中檸檬酸和MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)GmFRD3a和 GmFRD3b（Glycine max FRD3a 和 3b）及黑麥ScFRDL1 （Secale cereal FRDL1）中也行使著同樣的功能（Rogers et al， 2009; Yokosho et al， 2010）。在研究Al3+脫毒機(jī)制中還發(fā)現(xiàn)大麥HvAAC T1 （Hordeum vulgare aluminum-activated citrate transporter1）和小麥TaMATE1b（Triticum aestivum MATE1b）也起著同樣的作用（Fujii et al， 2012; Tovkach et al， 2013）。

在擬南芥中分離到的一個突變體els1-D（early leaf senescence 1-Dominaint），由一個異常的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因ELS1突變引起，該基因和先前報(bào)道的ADP1，BCD1和DTX50同源性高，其過表達(dá)能降低els1-D中的鐵含量，els1-D葉片的加速衰老能通過補(bǔ)充外源性鐵恢復(fù)，該基因和擬南芥中的鐵內(nèi)穩(wěn)態(tài)相關(guān)（Wang et al， 2016）。從參與鎘累積的基因中分離到的兩種水稻MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPEZ1和 OsPEZ2（Oryza sativa phenolix efflux zero 1和2）則被發(fā)現(xiàn)通過外排一種酚類化合物原兒茶酸參與了鐵轉(zhuǎn)運(yùn)，這些酸能螯合質(zhì)外體中的鐵從而增加它在中柱中的溶解度（Bashir et al， 2011）。增強(qiáng)子誘捕突變法還篩選到一個擬南芥MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZRZ（Burko et al， 2011），通過另一個過表達(dá)突變篩選也鑒定到ZRZ基因，但作為BCD1（bushand chorotic-dwarf 1） 篩選到（Seo et al， 2012）。除了在Atzrz過表達(dá)突變體中觀察到的表型外，bcd1突變體還展現(xiàn)出灰綠色葉片，伴隨著葉綠素和鐵含量的減少。這種表型能通過施加鐵得到改善，過量的鐵會誘導(dǎo)AtBCD1的表達(dá)，意味著AtBCD1通過分泌過量的鐵來維持細(xì)胞內(nèi)鐵平衡。

研究發(fā)現(xiàn)鋁耐受植物根尖能排出大量有機(jī)酸，通過螯合鋁阻礙鋁的吸收從而對根產(chǎn)生保護(hù)作用（Ma et al， 2001）。蘋果酸和檸檬酸是根尖鋁脫毒的主要貢獻(xiàn)者，它們的釋放主要由MATE和ALMT來調(diào)節(jié)（Ryan et al， 2010）。在鐵轉(zhuǎn)運(yùn)中起作用的大麥HvAAC T1也通過排出檸檬酸參與了鋁脫毒，高粱SbMATE也具有相似的作用（Sivaguru et al， 2013）。從玉米中分離到的鋁脫毒基因ZmMATE1和ZmMATE2都定位在質(zhì)膜上（Maron et al， 2010），僅ZmMATE1顯示出檸檬酸外排活性。ZmMATE2則與OsPEZ1 和OsPEZ2具有高度序列同源性，表明ZmMATE2可能在鋁毒性中外排酚類化合物，說明鐵和鋁的轉(zhuǎn)運(yùn)可能存在相同的機(jī)制。通過反向遺傳學(xué)手段從其它植物中還分離到一些同源基因包括擬南芥AtMATE、水稻OsFRDL4、黑麥ScFRDL2、赤小豆VuMATE1、小麥TaMATE1b、卷心菜BoMATE、桉樹EcMATE1和EcMATE3等，繡球花中也有多種MATEs參與抗鋁毒。這些發(fā)現(xiàn)表明，類似于鐵轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，MATE介導(dǎo)的Al3+解毒系統(tǒng)在被子植物中也是廣泛保守存在的（Liu et al， 2009; Yokosho et al， 2010，2011; Yang et al， 2011; Sawaki et al， 2013; Wu et al， 2014）。

MATEs除了和金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)外，還與陰離子的轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)，如Cl-（Zhang et al， 2014）。兩個液泡MATEs轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，DTX33和DTX35，在擬南芥中作為氯離子轉(zhuǎn)運(yùn)的重要通道調(diào)節(jié)膨壓。煙草葉肉細(xì)胞中異位表達(dá)DTX33和DTX35引起液泡膜上電壓依賴性內(nèi)向氯離子電流，其高表達(dá)在毛狀根快速伸長和氣孔運(yùn)動中引起根毛和保衛(wèi)細(xì)胞膨壓的變化。這兩個基因的突變則會導(dǎo)致根毛變短和氣孔變小。此外，dtx35單突變體還會導(dǎo)致花粉管的生長缺陷，從而表現(xiàn)出較低的生育率。獨(dú)立的液泡膜片鉗結(jié)果表明，在雙突變體中內(nèi)向的氯離子通道活性受損。由于MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是眾所周知的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，發(fā)現(xiàn)該蛋白家族成員作為氯離子通道，擴(kuò)大了這一大轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的功能定義。

2.2.4 植物激素合成及信號傳遞 研究還顯示MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了植物激素的信號傳遞過程。擬南芥突變體adp1-D（altered development program 1-Dominant），過表達(dá)了一個MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AtADP1，表現(xiàn)出多種性狀，包括蓮座葉的加速生長，早花和側(cè)根數(shù)量的增加（Li et al， 2014）。這個表型是由于分生組織中植物激素生物合成基因的抑制導(dǎo)致IAA水平的下降引起的，而在這個區(qū)域AtADP1存在過表達(dá)。

一個被命名為AtADS1（activated disease susceptibility1- Dominant）的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在ads1-D突變體中被發(fā)現(xiàn)和植物疾病抗性相關(guān)（Sun et al， 2011）。過表達(dá)該基因能使植株的水楊酸水平下降。相反，ads1/adp1的缺失則導(dǎo)致植株的抗病能力增加。擬南芥促進(jìn)疾病易感性5（eds5）突變體也顯示出水楊酸累積受損，降低了擬南芥的抗病能力（Nawrath et al， 2002）。相反，擬南芥中AtEDS5的過表達(dá)促進(jìn)水楊酸的累積及對病毒的抗性（Ishihara et al， 2008）。遺傳學(xué)和生物化學(xué)分析顯示該MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在表皮細(xì)胞中有將水楊酸從葉綠體的生物合成位點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中的功能（Serrano et al， 2013; Yamasaki et al， 2013）。

對擬南芥MATEs成員的一個綜合突變分析發(fā)現(xiàn)AtDTX50作為脫落酸外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白起作用（Zhang et al， 2014）。在atdtx50突變體中可以觀察到葉片中ABA大量累積，具有更高的干旱耐受性，伴隨較低的氣孔導(dǎo)度。一個ABA的結(jié)合物，脫落酸葡萄糖酯，在擬南芥的液泡中累積，其中有質(zhì)子反向運(yùn)輸?shù)鞍椎膮⑴c，可能是MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Burla et al， 2013）。

2.2.5 其它生理功能 植物MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白還在其它的一些生理過程中起作用，包括植物發(fā)育和磷攝取及分泌抗菌化合物等。MATE基因突變或者M(jìn)ATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的過表達(dá)導(dǎo)致的形態(tài)學(xué)變化在轉(zhuǎn)基因擬南芥中也觀察到。OsMATE1和OsMATE2是砷處理后上調(diào)的兩個基因（Tiwari et al， 2014）。擬南芥中OsMATE1或OsMATE2的過表達(dá)會導(dǎo)致多效表型，如葉長、早花，以及對PstDC3000的易感性增強(qiáng)，參與發(fā)育、生物鐘和防御反應(yīng)的各種擬南芥基因也被調(diào)節(jié)等。在玉米中還分離到一個MATE基因的突變體Big embryo 1（Bige1），其表型和cyp78a突變表型相似，在Bige1突變的胚中，CYP78A基因的表達(dá)上調(diào)。BIGE1定位于高爾基體，意味著它可能在分泌信號分子上起作用，從而調(diào)節(jié)側(cè)生器官的發(fā)生時間（Suzuki et al， 2015）。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中ABS3和相關(guān)MATE家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)調(diào)節(jié)胚軸細(xì)胞的伸長（Wang et al， 2015）。擬南芥的一種MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白RHC1（RESISTANT TO HIGH CO2），還能和其它蛋白一起調(diào)節(jié)CO2誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉過程（Tian et al， 2015）。在P缺乏的條件下，白羽扇豆（Lupinus albus）能長出簇狀根，其中LaMATE高表達(dá)（Uhde-Stone et al， 2005）。研究顯示，P脅迫下Lupinus根釋放大量的蘋果酸和檸檬酸（Cheng et al， 2011），而LaMATE顯示出與檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)MATEs高度相似的序列同源性，表明LaMATE在簇狀根中可能作為一個檸檬酸外排的載體存在。然而，LaMATE不能補(bǔ)充一個具有天然LaMATE啟動子的atfrd3突變體的功能，因此其功能還有待進(jìn)一步研究。

3 展望

以上大量研究證明了MATEs轉(zhuǎn)運(yùn)底物和生物功能的多樣性。一方面，這些研究成果可以為相關(guān)應(yīng)用提供重要的理論指導(dǎo)。目前通過基因工程手段在多種植物中表達(dá)一些耐鋁基因，獲得了一些相關(guān)轉(zhuǎn)基因耐鋁植物（Magalhaes et al， 2007; Zhou et al， 2014; Wu et al， 2014），有望在鋁污染的酸性土壤中進(jìn)行植被修復(fù)。如果在植物中過表達(dá)具有外排外源性物質(zhì)作用的MATE基因，能增強(qiáng)植物對一些有毒物質(zhì)的外排能力的話，將減少這些物質(zhì)對植物的損傷，對有相應(yīng)污染土壤上的植被修復(fù)也會具有重要意義。此外，還可以考慮通過過表達(dá)能累積植物體內(nèi)某些生物活性物質(zhì)的MATE基因，使得在植物中增加其累積量成為可能，為更容易得到植物源的生物活性物質(zhì)提供幫助。另一方面，從這些研究中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)分類的同一亞家族的MATEs可能具有相同或相似的作用，說明它們的結(jié)構(gòu)和功能具有相關(guān)性。目前很多植物MATEs蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)特性還沒有闡明，也還沒有研究發(fā)現(xiàn)與植物MATEs底物特異性相關(guān)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，這可能是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與功能相關(guān)性研究比較少的緣故。不過基于細(xì)菌NorM結(jié)構(gòu)的一些研究已經(jīng)表明了其結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)運(yùn)底物的關(guān)系（Tamanna & Ramana， 2015; Lu et al， 2016; Radchenko et al， 2015）。相信隨著對植物MATEs研究的深入，通過計(jì)算機(jī)模擬對其結(jié)構(gòu)不斷地進(jìn)行解析，將加快預(yù)測植物中的MATE基因，解析其蛋白結(jié)構(gòu)和推測其可能的底物，找到其結(jié)構(gòu)與功能的相關(guān)性，甚至可以通過基因突變來對蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，進(jìn)一步通過遺傳育種的手段改良植物性狀，配合對環(huán)境條件的調(diào)節(jié)來更好的運(yùn)用植物MATEs資源。