邱穎勝，劉燕敏，魏超，董舒樂，劉骕骦*

（1.湖州學(xué)院 生命科學(xué)與健康系，浙江湖州 313000；2.肇慶學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，廣東肇慶 526061）

金屬硫蛋白（Metallothioneins，MTs）是一類低分子量（60～80 個(gè)氨基酸）、含有大量半胱氨酸的蛋白質(zhì)，能與大量金屬離子（如Cd2+、Zn2+和Cu2+）相結(jié)合，在金屬代謝調(diào)控中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用[1]。近年來，對(duì)于植物MTs 基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如晶體結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)子、內(nèi)含子等方面的研究已經(jīng)有了比較深入的了解，同時(shí)針對(duì)植物MTs 的時(shí)空表達(dá)特異性以及受各種脅迫的誘導(dǎo)表達(dá)特性方面也開展了大量的研究，然而對(duì)其功能的研究則較為滯后。本文對(duì)植物MTs 的結(jié)構(gòu)及分類、基因的表達(dá)調(diào)控、植物MTs 的功能等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為進(jìn)一步闡明植物金屬硫蛋白的功能特征以及新種質(zhì)的創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

1 植物MTs 的結(jié)構(gòu)與分類

MTs 具有分子量低（通常少于10 kD），能與二價(jià)金屬離子相結(jié)合，富含半胱氨酸即含有大量的Cys-X-Cys 序列結(jié)構(gòu)域（Cys 代表半胱氨酸，X 代表其他氨基酸），芳香族氨基酸缺乏，組氨酸含量極少等特性[2]。Cobbett 等[3]按照金屬硫蛋白中的半胱氨酸位置及其排列方式，將植物金屬硫蛋白分為Type 1 MTs、Type 2 MTs、Type 3 MTs、Type 4 MTs 共4 種類型。

2 植物MTs 的表達(dá)調(diào)控

因類型、物種、組織和器官、生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期和環(huán)境因子的不同，植物MTs 基因呈現(xiàn)出不同的表達(dá)模式[4]。Guo 等[5]利用Northern 印記技術(shù)分析了擬南芥中4 種類型MTs 的組織表達(dá)特性，結(jié)果表明：AtMT1a 在植株根部表達(dá)量最高，AtMT2a 和AtMT3在葉片中表達(dá)量最高，AtMT4 則在種子中表達(dá)最高，其他組織幾乎不表達(dá)。在水稻中，OsMT2c 在根、葉鞘和葉片中表達(dá)，而在種子中微量表達(dá)[6]。Yuan等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，OsMT2b 與水稻根的發(fā)育及種子的萌發(fā)有關(guān)。番茄中，SlMT1 在根中高表達(dá)，SlMT2在葉片中高表達(dá)，SlMT3 在根、葉片和果實(shí)中高表達(dá)，SlMT4 主要在果實(shí)中高表達(dá)[8]。瓜爾豆中，CtMT1 在根中高表達(dá)，CtMT2 和CtMT3 在葉片中高表達(dá)，而CtMT4 則在種子中高表達(dá)[9]。

3 植物MTs 的功能

3.1 解除重金屬離子毒害作用

OsMT1b 和OsMT2c 可通過清除活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）和激活金屬螯合作用提高水稻對(duì)Cr 的解毒效果[10]。甘蔗的ScMT2-1-3 基因受Cu2+脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，并且轉(zhuǎn)大腸桿菌結(jié)果表明其可能參與了Cu2+的解毒過程[11]。棗中，ZjMT 基因過表達(dá)能增強(qiáng)大腸桿菌對(duì)Cu2+、Zn2+和Cd2+等重金屬離子的耐受性[12]。PaMT3-1 能提高美洲商陸對(duì)Cd2+脅迫的耐受性[13]。蕹菜中，IaMT1、IaMT2 和IaMT3 都受到Cd 的誘導(dǎo)表達(dá)，其中IaMT2 提高了大腸桿菌對(duì)Cd 的耐受性[14]。

3.2 清除自由基

在野生西瓜中，ClMT2 具有很強(qiáng)的清除HO·的能力[15]。Mir 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，栓皮櫟中的QsMT 蛋白可能具有清除ROS 的活性。研究表明，棉花GhMT3a的表達(dá)受多種逆境脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)。海蓬子中SbMT-2 基因能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)基因煙草的ROS 清除能力。大豆GmMTs 對(duì)自由基（HO·及H·）脅迫具有良好的耐受性[17]。MT 具有極強(qiáng)的自由基清除能力，其清除HO·的能力是超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）的10 000 倍，清除O2·-的能力是谷胱甘肽（Glutathione，GSH）的幾十倍。

3.3 參與響應(yīng)干旱、高鹽和低溫等非生物脅迫過程

許多研究表明，植物MT 可能在響應(yīng)干旱、高鹽、低溫、激素、熱激和紫外照射等脅迫過程中發(fā)揮重要作用。Dubey 等[18]對(duì)鷹嘴豆MT 基因參與干旱脅迫響應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫處理后，轉(zhuǎn)CarMT 基因擬南芥植株中脯氨酸以及半胱氨酸含量也顯著高于野生型，說明MT 基因在緩解干旱脅迫方面起著積極的作用。Liu 等利用酵母雙雜交和雙分子熒光互補(bǔ)（BiFC）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大豆基質(zhì)金屬蛋白酶Gm1-MMP 與GmMT4 存在互作關(guān)系，并推測(cè)Gm1-MMP 與GmMT4 可能通過互作共同調(diào)控大豆參與響應(yīng)高溫高濕脅迫[6]。

4 結(jié)語

本文概述了植物MTs 的結(jié)構(gòu)及分類、基因的表達(dá)調(diào)控、在重金屬離子的運(yùn)輸和解毒及清除氧自由基、參與多種抗脅迫等方等方面的研究進(jìn)展。在40多年的研究中，學(xué)者們對(duì)MTs 在不同發(fā)育階段的表達(dá)特性以及響應(yīng)各種非生物脅迫進(jìn)行了研究，然而在分子機(jī)制等方面的研究尚處于推測(cè)階段。因此，今后植物MTs 功能的研究可以從以下幾個(gè)方面開展：（1）深入研究植物MTs 基因的基因組結(jié)構(gòu)，分析其順式作用元件，利用酵母單雜交以及凝膠遷移實(shí)驗(yàn)（EMSA）等技術(shù)手段，找到調(diào)控MTs 表達(dá)的上游反式作用因子；（2）通過篩選酵母雙雜交文庫或利用生物信息學(xué)找到能與MTs 相互作用的蛋白，研究其相互作用的機(jī)理；（3）分離純化更多的植物MTs，研究其結(jié)構(gòu)、結(jié)合金屬離子以及清除自由基的機(jī)制；（4）通過轉(zhuǎn)基因或基因沉默技術(shù)調(diào)控植MTs 的表達(dá)、分離篩選突變體等。