臧 輝，畢曉靜，何君毅，藺 超，張 琪，張?zhí)N薇

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193）

近年來，隨著土壤污染越來越嚴(yán)重，植物的生長(zhǎng)發(fā)育受到土壤中多種重金屬脅迫，主要包括鎘、銅、鋅、錳、鐵、鉛等。土壤中的重金屬通過從土壤到根系的轉(zhuǎn)移被植物吸收，造成植物生長(zhǎng)發(fā)育受限甚至死亡，直接導(dǎo)致作物減產(chǎn)等諸多不良影響[1-2]。植物受到重金屬脅迫后，會(huì)啟動(dòng)自身防御機(jī)制抵御逆境脅迫帶來的毒害作用。植物中存在的一些特殊蛋白，如金屬伴侶蛋白等，能夠通過與重金屬離子結(jié)合，緩解植物受到的重金屬毒害影響，在植物響應(yīng)重金屬脅迫中發(fā)揮重要作用。金屬伴侶蛋白具有特殊結(jié)構(gòu)域，其中釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、抗氧化劑蛋白1 (Antioxidant protein 1, ATX1)和腸球菌(Enterococcus hirae)銅伴侶蛋白CopZ 的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有重金屬相關(guān)結(jié)構(gòu)域(heavy-metal-associated domain, HMA)金屬結(jié)合基序-Cys-XX-Cys，在重金屬離子運(yùn)輸和維持重金屬離子動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮重要作用[3-5]。

植物中同樣具有HMA 結(jié)構(gòu)域的金屬伴侶蛋白，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同主要分為重金屬相關(guān)植物蛋白(heavy-metal-associated plant proteins, HPPs)和重金屬相關(guān)異戊二烯化植物蛋白(heavy metal-associated isoprenylated plant proteins, HIPPs) 兩類[6]。重金屬相關(guān)異戊二烯化植物蛋白HIPPs 因其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中包含兩種保守結(jié)構(gòu)，即重金屬相關(guān)結(jié)構(gòu)域HMA 和蛋白質(zhì)C 端異戊二烯化位點(diǎn)(CaaX 基序)，被認(rèn)為是一類金屬伴侶蛋白或異戊二烯化蛋白[7-8]。HIPPs 蛋白質(zhì)種類繁多且功能復(fù)雜，在植物響應(yīng)重金屬脅迫中發(fā)揮著重要作用，而目前暫未發(fā)現(xiàn)關(guān)于HIPPs 研究進(jìn)展的系統(tǒng)性總結(jié)。本文通過分析不同植物中HIPPs 遺傳進(jìn)化關(guān)系、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及其分類特征，進(jìn)一步對(duì)HIPPs 響應(yīng)植物重金屬脅迫的功能及其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行綜述，以期為植物的重金屬抗逆脅迫研究提供參考。

1 HIPPs 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征

植物受到重金屬脅迫時(shí)，體內(nèi)的金屬伴侶蛋白能夠與重金屬離子結(jié)合，阻止重金屬離子與重要細(xì)胞元件結(jié)合，從而緩解重金屬對(duì)植物產(chǎn)生的毒害作用[9]。重金屬相關(guān)植物蛋白HPPs 的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中包含重金屬相關(guān)結(jié)構(gòu)域HMA，此類蛋白質(zhì)的氨基酸序列包含HMA 結(jié)構(gòu)域金屬結(jié)合基序CXXC，其中兩個(gè)半胱氨酸能夠通過形成半胱氨酰硫配體與重金屬離子結(jié)合，從而調(diào)節(jié)重金屬離子運(yùn)輸并維持其離子穩(wěn)態(tài)[10-12]。重金屬相關(guān)異戊二烯化植物蛋白HIPPs 是維管植物特征性蛋白，其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中除了包含HMA 結(jié)構(gòu)域外，還包含C 端的異戊二烯化位點(diǎn)，即蛋白質(zhì)羧基端含有CaaX 保守基序，其中，“C”指保守的半胱氨酸，“a”是脂肪族氨基酸，“X”指甲硫氨酸、谷氨酰胺、半胱氨酸、絲氨酸和丙氨酸等[7-8]。蛋白質(zhì)的異戊二烯化是一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾作用，能夠增強(qiáng)蛋白質(zhì)的特異性，還能促進(jìn)蛋白質(zhì)之間互作或者蛋白質(zhì)與膜的互作，在蛋白質(zhì)定位、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)以及植物與病原菌互作信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程中發(fā)揮重要作用[8,13-15]。HIPPs 家族成員的蛋白質(zhì)序列長(zhǎng)短不一，部分HIPPs 蛋白質(zhì)含有核定位信號(hào)(nuclear localization signal, NLS)，使蛋白質(zhì)定位于細(xì)胞核中， 如擬南芥(Arabidopsis thaliana)AtHIPP26[16]和菠菜(Spinacia oleracea) SpoHIPP39[17]等。此外，一些HIPPs 蛋白質(zhì)的HMA 結(jié)構(gòu)域和CaaX 保守基序之間還存在脯氨酸富集區(qū)[18]或甘氨酸富集區(qū)[19]，其中脯氨酸富集序列缺失使得水稻抗稻瘟病(Pyricularia oryzae)能力增強(qiáng)[20]。

2 HIPPs 蛋白質(zhì)進(jìn)化與分類

Dykema 等[11]首次鑒定了擬南芥、煙草(Nicotiana tabacum)和大豆(Glycine max)中的HIPPs 蛋白，并證明HIPPs 家族蛋白的成員較多。對(duì)HIPPs 的分類方式研究存在一定差異。Barth 等[21]將44 個(gè)擬南芥AtHIPPs 蛋白劃分為6 個(gè)不同分支，而Tehseen 等[6]發(fā)現(xiàn)了1 個(gè)額外的AtHIPP，并依據(jù)保守HMA 結(jié)構(gòu)域，將45 個(gè)AtHIPPs 和22 個(gè)AtHPPs蛋白整體分成7 個(gè)分支。de Abreu-Neto 等[22]將擬南芥45 個(gè)、水稻59 個(gè)、 粟 米 (Setaria italica) 51 個(gè)、 江 南 卷 柏(Selaginella moellendorffii) 5 個(gè) 和 毛 果 楊(Populus trichocarpa) 74 個(gè)，共計(jì)234 個(gè)HIPPs基因編碼的氨基酸序列聚類分成5 個(gè)不同分支。通過對(duì)不同植物中HIPPs基因數(shù)量及其編碼HIPPs 蛋白質(zhì)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同植物中HIPPs 家族成員數(shù)量不同，根據(jù)HIPPs 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征主要分成5 個(gè)類別[22-23](表1)。

表1 不同植物中HIPPs 蛋白質(zhì)分類及特征Table 1 Classification and characteristics of HIPPs in different plants

擬南芥AtHIPPs 和水稻OsHIPPs 蛋白的單獨(dú)進(jìn)化分析分別呈5 個(gè)不同分支，且二者HIPPs 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有保守性，擬南芥和水稻的分支Ⅰ中蛋白質(zhì)全部有兩個(gè)HMA 結(jié)構(gòu)域，其余分支只有1 個(gè)，分支Ⅱ和Ⅴ中蛋白質(zhì)較小，分支Ⅲ中包含大量甘氨酸重復(fù)序列的大蛋白質(zhì)，而在擬南芥分支Ⅳ中蛋白質(zhì)數(shù)量最少，在水稻5 個(gè)不同分支中大部分蛋白質(zhì)包含脯氨酸富集基序，尤其在分支Ⅳ中[22](表1)。水稻和擬南芥HIPPs 和HPPs 蛋白的整體聚類也被分成5 個(gè)組，表明這兩種蛋白質(zhì)在水稻和擬南芥中都是高度保守的[24]。大多數(shù)植物HIPPs 蛋白結(jié)構(gòu)與擬南芥和水稻高度保守，HIPPs 蛋白分類也主要分成5 個(gè)分支。小麥(Triticum aestivum)、野生二粒小麥(T.dicoccoides)、烏拉爾圖小麥(T.urartu)、節(jié)節(jié)麥(Aegilops tauschii)、大麥(Hordeum vulgare)以及簇毛麥(Haynaldia villosa)、擬南芥、水稻、二穗短柄草(Brachypodium distachyon)中共計(jì)435 個(gè)HIPPs基因編碼的氨基酸序列的聚類結(jié)果也分成5 個(gè)分支，且不同分支間HIPPs 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，分支Ⅰ中蛋白質(zhì)有兩個(gè)HMA 結(jié)構(gòu)域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中只有1 個(gè)，且分支Ⅱ是最大分支，蛋白質(zhì)數(shù)量最多，分支Ⅳ是最小分支，分支Ⅴ中蛋白質(zhì)的大小和功能域更加多樣化，而在同一分支中不同物種間HIPPs 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有保守性[23](表1)。已有研究推測(cè)HIPPs 蛋白質(zhì)在植物進(jìn)化早期就發(fā)生了維管植物祖先的多樣性分化，且這種分化與其在植物中的重要功能存在一定聯(lián)系[22]。

3 HIPPs 蛋白質(zhì)響應(yīng)重金屬脅迫的功能

HIPPs 家族蛋白在植物響應(yīng)重金屬脅迫[25]、干旱脅迫[16]、鹽脅迫和低溫脅迫[26]等非生物脅迫，以及響應(yīng)甜菜孢囊線蟲(Heterodera schachtii)[27]和稻瘟病[20]等生物脅迫中都發(fā)揮作用，還參與調(diào)節(jié)植物細(xì)胞分裂素響應(yīng)[28]及植物開花過程[29]，即其在植物響應(yīng)逆境脅迫及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)等方面均具有重要的作用[30]。本文著重對(duì)不同植物中HIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫的主要功能進(jìn)行綜述，分析發(fā)現(xiàn)，不同HIPPs 的蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位及其響應(yīng)重金屬的種類不同，不同HIPPs 家族蛋白響應(yīng)重金屬脅迫的功能也存在差異。

3.1 HIPPs 在擬南芥重金屬脅迫響應(yīng)中的功能

HIPPs 最早發(fā)現(xiàn)于模式植物擬南芥中，其在擬南芥中的功能研究也最多。根據(jù)對(duì)擬南芥AtHIPPs響 應(yīng) 重 金 屬 的 功 能 研 究[11,19, 22, 29, 31-33]繪 制 了 擬 南 芥根細(xì)胞中AtHIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫的功能圖(圖1)。分析鎘處理后擬南芥根中差異表達(dá)基因發(fā)現(xiàn)，上調(diào)基因包括AtHIPP05、AtHIPP13、AtHIPP14、AtHIPP39、AtHIPP43，下調(diào)基因AtHIPP32，提示這些基因可能參與擬南芥響應(yīng)重金屬鎘脅迫[22]。擬南芥AtHIPP20和AtHIPP22基因可以恢復(fù)酵母鎘敏感突變體Δycf1耐鎘能力，而擬南芥突變體植株Athipp20/21/22對(duì)鎘脅迫敏感且鎘含量降低[6]。擬南芥葉和根中AtHIPP44基因啟動(dòng)子受鎘誘導(dǎo)表達(dá)，AtHIPP44基因過表達(dá)擬南芥中鎘含量增加，且AtHIPP22及AtHIPP44基因表達(dá)全部受到R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子MYB49 的正向調(diào)節(jié)[32]。表明重金屬鎘脅迫能夠誘導(dǎo)擬南芥AtHIPPs基因表達(dá)，且過表達(dá)或敲除擬南芥AtHIPPs直接影響植株對(duì)重金屬鎘脅迫的耐受性。擬南芥植物防御素AtPDF1.5 (A.thalianaPLANT DEFENSIN 1)屬于小分子蛋白質(zhì)，過表達(dá)AtPDF1.5植株的耐鎘能力增強(qiáng)，擬南芥突變體Atpdf1.5則相反，在過表達(dá)AtPDF1.5 植株受到鎘脅迫后，植株中AtHIPP3基因上調(diào)表達(dá)，表明AtPDF1.5 可以調(diào)控AtHIPP3基因表達(dá)，并可能通過螯合細(xì)胞壁中Cd2+增強(qiáng)植株耐鎘能力[34](表2)。推測(cè)擬南芥AtHIPPs可能通過結(jié)合Cd2+并將其存儲(chǔ)至細(xì)胞壁，減少Cd2+對(duì)細(xì)胞的毒害作用，增強(qiáng)植株耐鎘能力。

圖1 擬南芥根細(xì)胞中AtHIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫的功能示意圖Figure 1 Functional diagram of AtHIPPs in response to heavy metal stress in Arabidopsis thaliana root cells

表2 不同植物中HIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫的功能Table 2 Functions of HIPPs in response to heavy metal stress in different plants

擬南芥AtHIPPs 蛋白質(zhì)的金屬結(jié)合基序CXXC能夠結(jié)合多種重金屬離子。擬南芥AtHIPP3 定位于細(xì)胞核，其HMA 結(jié)構(gòu)域的中央半胱氨酸，即金屬結(jié)合基序CXXC 能夠與Zn2+結(jié)合[29]。擬南芥法尼基化蛋 白3 (A.thalianafarnesylated protein 3, ATFP3,AtHIPP07)其金屬結(jié)合基序CXXC 與Cu2+、 Ni2+和Zn2+結(jié)合，維持植物中的金屬離子穩(wěn)態(tài)[11,22]。擬南芥AtHIPPs 金屬結(jié)合基序CXXC 通過與重金屬離子結(jié)合，在植物響應(yīng)重金屬脅迫中發(fā)揮重要作用。擬南芥法尼基化蛋白CdI19 (Cd-Induced 19)也稱AtHIPP06，CdI19 蛋白質(zhì)C 端CaaX 基序使其定位于細(xì)胞質(zhì)膜，CdI19基因過表達(dá)增加酵母細(xì)胞和擬南芥 植 株 耐鎘能力[19,22,35]。擬南芥幼苗全株 中CdI19基因受到鎘、汞、鐵和銅誘導(dǎo)表達(dá)，且CdI19 的金屬結(jié)合基序CXXC 能夠與Cd2+、Cu2+和Hg2+結(jié)合，推測(cè)擬南芥CdI19 通過與重金屬離子結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)重金屬的耐受能力[19]。擬南芥泛素特異性蛋 白 酶16 (ubiquitin-specific proteases 16, UBP16)突變植株ubp16對(duì)鎘敏感，UBP16 與AtHIPP27 互作，而AtHIPP27 能夠恢復(fù)酵母耐鎘能力，進(jìn)而推測(cè)AtHIPP27 是UBP16 的靶點(diǎn)，二者互作能夠調(diào)控?cái)M南芥的耐鎘能力[6,31]。擬南芥法尼基化蛋白AtFP6(A.thalianafarnesylated protein 6)也稱AtHIPP26，擬南芥根和莖中AtHIPP26基因受鎘和鋅誘導(dǎo)表達(dá)，AtHIPP26基因可以恢復(fù)酵母耐鎘能力，AtHIPP26過表達(dá)擬南芥植株耐鎘能力也增強(qiáng)[6,21,33]。進(jìn)一步研究證明，AtFP6 蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)膜，其金屬結(jié)合基序CXXC 能夠結(jié)合Pb2+、Cd2+和Cu2+，AtFP6 的互作蛋白?；o酶A 結(jié)合蛋白2 (acyl-CoA-binding protein 2, ACBP2)也能結(jié)合Pb2+、Cd2+和Cu2+，推測(cè)二者共同介導(dǎo)擬南芥根中Pb2+、Cd2+和Cu2+結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)，減輕植株受到重金屬毒害作用[33](表2)。以上結(jié)果表明，擬南芥AtHIPPs 蛋白質(zhì)的金屬結(jié)合基序CXXC能夠結(jié)合多種重金屬離子，并可能通過與其他蛋白質(zhì)互作，共同調(diào)節(jié)植物對(duì)重金屬脅迫的耐受性。

3.2 HIPPs 在水稻重金屬脅迫響應(yīng)中的功能

重金屬脅迫不僅影響植物本身的生長(zhǎng)，還通過籽粒間接導(dǎo)致動(dòng)物和人類體內(nèi)重金屬的積累，嚴(yán)重危害畜禽及人類健康。依據(jù)水稻OsHIPPs 參與響應(yīng)重金屬脅迫研究[22,24, 36-39]繪制了水稻葉和根細(xì)胞中OsHIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫的功能圖(圖2)，分析發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫誘導(dǎo)水稻根中OsHIPP14和OsHIPP44基因表達(dá)上調(diào)，OsHIPP18、OsHIPP23和OsHIPP38表達(dá)下調(diào)，水稻地上部分OsHIPP21、OsHIPP41和OsHIPP28基因表達(dá)也上調(diào)，研究推測(cè)OsHIPPs 參與維持水稻Cd2+穩(wěn)態(tài)[22]。錳、鎘和銅誘導(dǎo)水稻地上部和根中OsHIPP16、OsHIPP28以及根中OsHIPP34基因表達(dá)，且OsHIPP16、OsHIPP34 和OsHIPP60 分別提高酵母細(xì)胞對(duì)鎘鋅、銅、鋅的耐受性[24](表2)。受重金屬脅迫后，水稻OsHIPPs基因表達(dá)水平發(fā)生變化，且部分OsHIPPs 可以提高酵母細(xì)胞對(duì)重金屬的耐受性，表明OsHIPPs 能夠參與水稻對(duì)重金屬脅迫響應(yīng)，并可能在其抵御重金屬脅迫中發(fā)揮重要作用。

圖2 水稻葉和根細(xì)胞中OsHIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫的功能示意圖Figure 2 Functional diagram of OsHIPPs in response to heavy metal stress in Oryza sativa leaf and root cells

受到重金屬脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的水稻OsHIPPs基因，在酵母細(xì)胞或植物中的異源表達(dá)能夠增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)重金屬脅迫的耐受性。水稻根中OsHIPP42基因受鎘、鋅、錳和銅誘導(dǎo)表達(dá)，OsHIPP42能夠增加酵母細(xì)胞耐鎘能力和鎘積累能力，并緩解鎘脅迫對(duì)煙草葉片的損傷，OsHIPP42過表達(dá)同時(shí)增加水稻耐鎘能力和水稻根中鎘積累。相反，突變植株對(duì)銅、錳、鋅和鎘脅迫敏感且秸稈和籽粒中鎘含量降低，推測(cè)水稻OsHIPP42 能夠捕獲細(xì)胞中更多游離Cd2+，進(jìn)而緩解水稻受到的鎘毒害作用[24,37,40]。水稻地上部分和根中OsHIPP33基因受到過量鋅和鐵誘導(dǎo)表達(dá)，OsHIPP33能夠恢復(fù)酵母耐鋅能力，而水稻OsHIPP33突變后植株生長(zhǎng)受到過量鋅和鐵脅迫且植株中鋅和鐵含量降低[38]。上述結(jié)果表明，水稻OsHIPPs 能夠增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)重金屬脅迫的耐受性，同時(shí)促進(jìn)植株中重金屬含量積累。與擬南芥類似，推測(cè)水稻部分OsHIPPs 通過結(jié)合重金屬離子，減少游離重金屬離子對(duì)細(xì)胞的毒害作用，進(jìn)而增強(qiáng)植株對(duì)重金屬脅迫耐受能力。然而，水稻不同OsHIPPs對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)機(jī)制并不相同。水稻根中OsHIPP29[36]和OsHIPP56[39]基因均受鎘脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，且基因過表達(dá)后能夠增強(qiáng)植株耐鎘能力而植株中的鎘含量降低，突變體植株則表現(xiàn)相反，表明水稻部分OsHIPPs 通過減少鎘積累，緩解鎘對(duì)植株的毒害作用(表2)。推測(cè)這類OsHIPPs 可能通過與其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合，將重金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外或者限制重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，從而減少細(xì)胞內(nèi)重金屬含量，增強(qiáng)植株對(duì)重金屬脅迫耐受能力。綜上表明，水稻OsHIPPs 能夠響應(yīng)不同重金屬脅迫并發(fā)揮重要功能，而不同OsHIPPs 對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)機(jī)制存在一定差異。

3.3 HIPPs 在其他植物重金屬脅迫響應(yīng)中的功能

除模式植物外，HIPPs 在其他植物響應(yīng)重金屬脅迫中也發(fā)揮重要作用，且不同植物HIPPs基因響應(yīng)的重金屬種類存在差異。鎘脅迫后玉米(Zea mays)根 中ZmHIPP27、ZmHIPP35和ZmHIPP36基因差異表達(dá)，其中ZmHIPP27 與擬南芥AtHIPP26[33]和水稻OsHIPP42[37]蛋白同源，推測(cè)ZmHIPP27可能是玉米耐鎘脅迫的新基因[41]。大麥HvFPl 亦屬于HvHIPPs 蛋白，重金屬銅和鎘誘導(dǎo)大麥葉片HvFP1基因表達(dá)[42]。此外，鎘脅迫能夠誘導(dǎo)菠菜根和葉中SpoHIPP39基因表達(dá)[17]和野蕉(Musa balbisiana)MabHIPP基因啟動(dòng)子表達(dá)[43]。向日葵(Helianthus annuus)中39 個(gè)和7 個(gè)HaHIPPs基因分別受到鋅[44]和鎘[45]誘導(dǎo)差異表達(dá)。甘藍(lán)型油菜(Brassica napus)耐鎘基因型中BnHIPP27基因受鎘脅迫誘導(dǎo)表達(dá)[46]，耐鉛基因型中BnHIPP01基因受鉛脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，敏鉛基因型中BnHIPP01基因下調(diào)表達(dá)[47]。小黑楊(P.simonii×P.nigra)不同組織中8 個(gè)PnHIPPs基因受到過量銅和銅缺乏等脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，推測(cè)楊樹HIPPs 蛋白在維持細(xì)胞Cu2+穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[48]?！澳敛葜酢弊匣ㄜ俎?Medicago sativa)受鉛脅迫后，根中5 個(gè)MsHIPPs基因差異表達(dá)，推測(cè)這些基因可能參與紫花苜蓿的鉛脅迫響應(yīng)過程[49]。為區(qū)分4 個(gè)MsHIPPs基因編碼的MsHIPP35 蛋白，我們將其分別標(biāo)注為MsHIPP35.1、MsHIPP35.2，MsHIPP35.3 和MsHIPP35.4 (表2)。綜上所述，植物受不同重金屬脅迫后，誘導(dǎo)表達(dá)的HIPPs基因既有相似性，也存在差異，提示不同植物HIPPs 家族成員對(duì)重金屬種類識(shí)別存在非特異性和特異性，進(jìn)而影響植物對(duì)多種重金屬或特定重金屬脅迫的響應(yīng)。

對(duì)受重金屬誘導(dǎo)表達(dá)的HIPPs基因進(jìn)行蛋白功能研究，發(fā)現(xiàn)HIPPs基因在酵母細(xì)胞或植物中異源表達(dá)，能夠增強(qiáng)酵母細(xì)胞或植物對(duì)重金屬脅迫的耐受性。小麥TaHIPPl 與大麥HvFPl 高度同源，均定位于細(xì)胞核，TaHIPP1基因在裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)中表達(dá)能增強(qiáng)酵母細(xì)胞耐銅能力[50-51]。甜菜(Beta vulgaris)BvHIPP24基因能夠增強(qiáng)大腸桿菌(Escherichia coli)和酵母細(xì)胞的耐鎘能力[52-53]。鉛誘導(dǎo)表達(dá)的玉米ZmHIPP基因在酵母和擬南芥中[9]的表達(dá)、鎘誘導(dǎo)表達(dá)的簇毛麥HvHIPP1-V基因在小麥中[23]的異源表達(dá)，分別增強(qiáng)了受體材料的耐鉛、耐鎘能力。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，HIPPs 可能通過調(diào)節(jié)植物中重金屬離子含量，進(jìn)而增強(qiáng)植物對(duì)重金屬脅迫的耐受能力。例如，ZmHIPP通過增加玉米細(xì)胞壁中Pb2+沉積，抑制Pb2+向其他細(xì)胞器滲透，進(jìn)而緩解玉米受到鉛毒害作用[9]。硅鎘復(fù)合處理誘導(dǎo)甜菜根中BvHIPP32基因表達(dá)，促進(jìn)BvHIPP32 與甜菜根細(xì)胞壁中Cd2+結(jié)合，降低莖中鎘含量，從而減少鎘對(duì)植株光合作用影響及對(duì)細(xì)胞功能的損害[54]。在擬南芥中異源表達(dá)與番茄(Solanum lycopersicum) SlHIPP26 互作的番茄金屬羧肽酶抑制劑SlTCMP-1 后，導(dǎo)致SlHIPP26同源基因AtHIPP26表達(dá)量增加且植株地上部分鎘含量減少，推測(cè)植物中TCMP-1 通過與HIPP26 的互作，進(jìn)一步響應(yīng)鎘脅迫[55]。GmHIPP26基因在大豆根和葉中受鎘和銅誘導(dǎo)表達(dá)，其突變后植株耐鎘性降低且根中鎘含量增加[56]，推測(cè)GmHIPP26 可能通過與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白互作，間接促進(jìn)細(xì)胞中鎘外流或減少根細(xì)胞對(duì)鎘的吸收，進(jìn)而降低鎘對(duì)植株的毒害作用。伴礦景天(Sedum plumbizincicola)葉中SpHIPP45基因受鎘誘導(dǎo)表達(dá)，SpHIPP45能增強(qiáng)酵母細(xì)胞耐鎘能力，同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞中參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)靶基因的上調(diào)表達(dá)，而細(xì)胞中鎘含量無明顯變化，推測(cè)SpHIPP45通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)調(diào)控酵母細(xì)胞的耐鎘性[57](表2)。上述HIPPs 都表現(xiàn)出增強(qiáng)植物對(duì)重金屬脅迫的耐受能力，然而部分HIPPs基因降低酵母細(xì)胞或植物對(duì)重金屬脅迫的耐受性。例如，小白菜(B.chinensis)根中BcHIPP16基因受鎘和銅誘導(dǎo)表達(dá)，而BcHIPP16卻增加酵母細(xì)胞對(duì)鎘和銅的敏感性，并促進(jìn)酵母細(xì)胞和擬南芥幼苗中鎘和銅的積累[25]。上述研究表明，不同HIPPs 在植物響應(yīng)重金屬脅迫中的功能并不相同，其參與的調(diào)控機(jī)制也是十分復(fù)雜的。

綜上，植物HIPPs 在響應(yīng)重金屬脅迫中發(fā)揮重要作用。受到重金屬誘導(dǎo)表達(dá)的HIPPs基因，可能在植物響應(yīng)重金屬脅迫中發(fā)揮重要功能，而不同植物HIPPs基因的過表達(dá)或者敲除，能夠直接影響植物的重金屬脅迫耐受性。植物中部分HIPPs 蛋白質(zhì)的金屬結(jié)合基序CXXC 可以結(jié)合多種金屬離子，并可能通過HIPPs 與其他蛋白質(zhì)互作來維持植物中的金屬離子穩(wěn)態(tài)。HIPPs 蛋白質(zhì)金屬結(jié)合基序CXXC與重金屬離子的結(jié)合，能夠減少細(xì)胞中游離的重金屬離子，緩解重金屬對(duì)細(xì)胞的毒害作用，從而調(diào)控植物對(duì)重金屬脅迫的耐受能力。

4 HIPPs 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類與功能機(jī)制的聯(lián)系

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠決定蛋白質(zhì)功能，不同結(jié)構(gòu)類型的HIPPs 蛋白質(zhì)在植物響應(yīng)重金屬脅迫中發(fā)揮不同功能。對(duì)表2 中大部分HIPPs 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行分析，繪制了不同HIPPs 蛋白質(zhì)的系統(tǒng)進(jìn)化樹、結(jié)構(gòu)特征及其響應(yīng)重金屬脅迫功能的示意圖(圖3)。系統(tǒng)進(jìn)化樹將響應(yīng)重金屬脅迫的HIPPs 蛋白質(zhì)分成4 個(gè)類別，分別對(duì)應(yīng)擬南芥和水稻HIPPs蛋白質(zhì)分類中的類別Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ[22]。分支Ⅴ中多數(shù)HIPPs 蛋白沒有HMA 結(jié)構(gòu)域，分支Ⅰ中AtHIPP05和BnHIPP01 只有1 個(gè)HMA 結(jié)構(gòu)域，然而保守基序分析結(jié)果表明在相應(yīng)位置上存在保守基序，推測(cè)這些保守的基序在其重金屬脅迫響應(yīng)中起關(guān)鍵作用(圖3)。同一個(gè)類別中不同植物HIPPs 蛋白質(zhì)基序與結(jié)構(gòu)域分布高度相似，表明不同植物相同類別的HIPPs 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有保守性。

圖3 不同HIPPs 蛋白質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)化樹、結(jié)構(gòu)特征及響應(yīng)重金屬脅迫功能示意圖Figure 3 Phylogenetic tree, structural characteristics, and functions of different HIPPs in response to heavy metal stress

對(duì)不同植物HIPPs 蛋白質(zhì)響應(yīng)重金屬脅迫的功能進(jìn)行分析，響應(yīng)重金屬脅迫的HIPPs 蛋白質(zhì)主要分布在第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類，根據(jù)這些HIPPs 蛋白質(zhì)保守基序和HMA 結(jié)構(gòu)域分布及其在響應(yīng)重金屬脅迫中的功能，推測(cè)這些HIPPs 蛋白質(zhì)響應(yīng)重金屬脅迫的可能調(diào)控機(jī)制如下：分類Ⅰ中HIPPs 蛋白質(zhì)含有2 個(gè)HMA 結(jié)構(gòu)域，能夠結(jié)合更多金屬離子，在促進(jìn)金屬離子吸收及維持金屬離子穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，如擬南芥AtHIPP07[11]和水稻OsHIPP33[38]；分類Ⅱ中大部分HIPPs 蛋白質(zhì)能夠增加植物重金屬脅迫耐受性及細(xì)胞中重金屬含量，如擬南芥AtHIPP26[6,33]和水稻OsHIPP42[24,37,40]，推測(cè)這類HIPPs 蛋白通過結(jié)合重金屬離子或通過與其他蛋白互作螯合重金屬離子，減少游離重金屬離子，增加植物重金屬脅迫耐受性；分類Ⅲ中HIPPs 蛋白質(zhì)相對(duì)較大，能夠通過金屬結(jié)合基序結(jié)合重金屬離子并將其存儲(chǔ)至細(xì)胞壁中，減少游離重金屬離子對(duì)細(xì)胞的毒害作用，如玉米ZmHIPP[9]和甜菜BvHIPP32[54]。分支中其他成員可能在進(jìn)化中發(fā)生了功能的改變，例如分類Ⅰ中水稻OsHIPP29[36]、分類Ⅱ中大豆GmHIPP26[56]和分類Ⅲ中水稻OsHIPP56[39]，能夠增強(qiáng)植物重金屬脅迫耐受性，而植株中重金屬含量卻降低，推測(cè)這些HIPPs 蛋白質(zhì)可能通過與其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白互作，在細(xì)胞抵御重金屬離子吸收或促進(jìn)重金屬離子外排中發(fā)揮作用[58]。此外，一些特殊HIPPs 蛋白質(zhì)如小白菜BcHIPP16[25]，能夠增加細(xì)胞對(duì)重金屬敏感性及細(xì)胞中重金屬含量，推測(cè)這類HIPPs 蛋白質(zhì)能夠促進(jìn)重金屬離子吸收而無法進(jìn)行解毒，甚至通過其他機(jī)制促進(jìn)重金屬毒害作用。不同HIPPs 蛋白響應(yīng)重金屬脅迫的功能存在差異且具體調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，有待后續(xù)深入研究。

分類Ⅴ中HIPPs 蛋白質(zhì)相應(yīng)的編碼基因全部受到重金屬脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，但其響應(yīng)重金屬脅迫功能的研究較少，而在響應(yīng)其他非生物脅迫，如低溫、干旱和鹽脅迫[22]以及高溫和堿脅迫[17]中發(fā)揮作用(圖3)。由于分類Ⅳ中的HIPPs 蛋白質(zhì)數(shù)量較少(表1)，在響應(yīng)重金屬脅迫中的研究更少，因此缺少分類Ⅳ中的HIPPs 蛋白質(zhì)(圖3)，而其在響應(yīng)生物脅迫中[20]發(fā)揮著重要作用。HIPPs 蛋白結(jié)構(gòu)中的HMA 結(jié)構(gòu)域使其在植物響應(yīng)重金屬脅迫及調(diào)節(jié)金屬離子穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要功能，而蛋白質(zhì)C 端的異戊二烯化位點(diǎn)，在一定程度上決定了HIPPs 的蛋白質(zhì)定位及其與不同蛋白質(zhì)之間的互作[8,13-14]。由于植物與外界環(huán)境緊密聯(lián)系，植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中極易受環(huán)境因素影響，因此植物中某一個(gè)蛋白質(zhì)的功能不單取決于該蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，還需要結(jié)合植物本身生長(zhǎng)狀態(tài)，以及植物周圍環(huán)境等諸多因素進(jìn)行全面分析和鑒定。

5 問題與展望

本文重點(diǎn)綜述了不同植物HIPPs 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征及其在響應(yīng)重金屬脅迫中的調(diào)控機(jī)制。HIPPs蛋白質(zhì)的HMA 結(jié)構(gòu)域和C 端異戊二烯化位點(diǎn)2 種結(jié)構(gòu)高度保守，但由于HIPPs 家族蛋白成員較多，其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)還存在一些特征性差異，如HMA 結(jié)構(gòu)域數(shù)量差異及蛋白質(zhì)大小差異等。不同HIPPs 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征差異、亞細(xì)胞定位差異、相應(yīng)基因在植物中表達(dá)部位差異與HIPPs 蛋白響應(yīng)重金屬脅迫的調(diào)控機(jī)制，它們之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)仍存在諸多未知。因此，不同植物HIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫功能不同且調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，有待進(jìn)一步驗(yàn)證和解析，以完善不同植物HIPPs 響應(yīng)重金屬脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

目前對(duì)于HIPPs 的功能研究主要集中在模式植物和少數(shù)作物中，尚未鑒定HIPPs 蛋白功能的植物還很多。草類植物的抗逆研究對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義，目前在紫花苜蓿中發(fā)現(xiàn)MsHIPPs 蛋白質(zhì)可能參與響應(yīng)重金屬鉛脅迫，而具體功能及調(diào)控機(jī)制尚不清晰。大部分草類植物HIPPs 蛋白質(zhì)的功能研究及調(diào)控機(jī)制尚存在空白，有待深入研究。此外，HIPPs 在響應(yīng)其他非生物脅迫和生物脅迫中也發(fā)揮重要作用，還參與植物激素調(diào)節(jié)及開花調(diào)節(jié)，表明HIPPs 蛋白質(zhì)功能多樣且機(jī)制復(fù)雜。作為維管植物特征性蛋白之一，HIPPs 是否參與植物維管束形成、物質(zhì)能量交換和營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸?shù)冗^程仍未知，后續(xù)仍需從多個(gè)方面解析HIPPs 功能作用，拓展不同植物中HIPPs 蛋白的功能領(lǐng)域。HIPPs 在植物響應(yīng)多種逆境脅迫中具有重要功能且關(guān)系網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，挖掘并鑒定不同植物中HIPPs 蛋白功能，對(duì)于解析植物逆境脅迫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及揭示植物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律具有重要意義。