植物水孔蛋白的研究进展_石朝印_3.29

植物水孔蛋白的研究进展

草业科学基地班 石朝印

摘要：水孔蛋白，又名“水通道蛋白（aquaporin ）”，它是一种位于细胞膜上的由多基因编码的内在膜蛋白，能够控制水在细胞的进出。对于植物来说，水孔蛋白在种子萌发、气孔的运动、受精作用中起着调节水分快速跨膜运输的重要作用。近年来，随着科技水平的提高，人们对水孔蛋白的研究也逐步深入，对水分在植物体内的快速跨膜运输有了一个全新的认识。因此，本文主要对水孔蛋白的分类、结构以及功能方面的研究做一个概述。

关键词：水孔蛋白、MIP 家族、基因。

人们对水孔蛋白的认识最早是20世纪90年代初，Wayne 等指出在植物的质膜上存在着水分运输通道开始的，在此之前，普遍认为水分是以自由扩散的方式进出细胞的。1992年，Preston 等第一次分离出有水分运输特性的蛋白CHIP28，它是红细胞质膜内在蛋白，在质膜上形成水分选择性运输通道(Preston et al,1992 )。1997年被基因组命名委员会重命名为AQP1。值得一提的是，在1993年，Maurel 等人首次从拟南芥中分离出了第一个植物性的水孔蛋白α-TIP 。此后，掀起了人们从植物中分离、研究水孔蛋白的高潮。一般来说，水孔蛋白在有水分大量流动的组织和器官中分布较多，拿拟南芥来说，拟南芥α-TIP 在种子贮藏囊泡中特异表达(Ludevid D, et al, 1992)。

1. 水孔蛋白的分类

植物中的水孔蛋白多种多样，依据不同的标准，植物水孔蛋白可以有不同的分类。根据其序列的同源性，可以将水孔蛋白分为三类：质膜内在蛋白(PIPs)、液泡膜内在蛋白(TIPs)和NLMs 蛋白(Nodulin 26 like MIPs，NLMs)( Santoni V et al ,2000 )。显而易见，质膜内在蛋白主要分布在细胞的质膜上，液泡膜内在蛋白主要集中在细胞的液泡膜上。不过，对于NLMs 蛋白，目前只知道NOD26(Nodulin26)分布在细菌与植物的共生膜上，而NLMs 蛋白的其他成员在细胞的定位还有待进一步研究。不过，对于NLPs 蛋白中的NOD26，它除了能够运输水分外，对甘油、甲酰胺等不带电的溶质分子也具有较高的通透性。除此之外，PIPs 又可再细分为PIP1、PIP2和PIP3三类，TIPs 可再分为α、β、γ、δ-TIP 4类, 它们的cDNA 在爪蟾卵细胞中异源表达时，未发现它们运输水分以外的小分子（于秋菊 et al, 2002）。就这三类的分子质量来看，液泡内在蛋白的分子质量是这三类中最小的，NLMs 的分子质量与质膜内在蛋白的相似。而从等电点进行分析，液泡膜内在蛋白的酸性比另外两个都要大，这主要是由于液泡膜内在蛋白和NLMs 的C 端区域的碱性较强造成的。PIPs 和TIPs 之间的氨基酸同源性较低（约50%左右）(Barkla B et al, 1999)，同时，PIPs 的N 端也比TIPs 的N 端长。

2. 水孔蛋白的结构

序列亲水性分析表明，水孔蛋白具有由5个短环(1oop)相连的6个跨膜α—螺旋及伸入细胞质的N 端和C 端组成，水孔蛋白具有MIP 家族结构的典型特征。而且，水孔蛋白的一 级结构呈现出内部同源性，也就是说它的N 端蛋白与c 端蛋白具有同源性，这被推测为是基因内部扩增而成。蛋白的每半部分均包含一个由3个氨基酸组成的结构域—NPA 盒 (asp—pro —ala box)( Reizer J, et al, 1993;Pao G M, et al,1991;Agre P, et al, 1998)。NPA 盒是一个高度保守的结构，它直接参与了水通道的形成，据了解，在已经测序的160多个MIP 基因中，几乎所有的基因都具有该结构域，其保守性由此可见。不过，不同类型的水孔蛋白，其保守序列是不同的。而且，需要指出的是：在C 端和N 端，水孔蛋白的氨基酸序列变化是比较大

的。水孔蛋白具有运输水分的功能是显而易见的，但是也有报道指出水孔蛋白单体即具有运输水分的功能，不过，即便是这样，对水孔蛋白进行三维结构分析表明，在活体生物膜中水孔蛋白绝大多数还是以四聚体的形式存在，只有少数是以二聚体或单体存在(Mariaux J B, et al, 1998)。而且，AQPI 和MIP 均以四聚体的形式存在于活体膜中，推测四聚体的组装可能对于蛋白质的折叠稳定性和其在膜上的定位很重要。

3. 水孔蛋白的功能

随着人们对水孔蛋白研究的不断深入，发现水孔蛋白的生理作用远不止运输水分这么简单。大量的水孔蛋白分离和鉴定表明：AQP 不仅是水选择性通道蛋白，它同时还具有许多生理生化功能，可以说，水孔蛋白是一类多功能的蛋白。(Tyerman, et al, 2002)

3.1介导水分的快速跨膜运输

水孔蛋白的基因表达通常与植物对水孔蛋白发挥快速转运水分子进出细胞功能的需求存在同步性，而且，这种现象还具有组织特异性。据报道，在种子成熟的晚期，拟南芥α-TIP 在蛋白贮藏囊泡上特异性表达:在种子萌发及幼苗初期, 伴随蛋白贮藏囊泡内物质的分解和 吸收，α-TIP 逐渐消失，而γ-TIP 积累增多(于秋菊, et al. 2002) 。棉花(Gossypium hirsutum)GhAQP1在胚珠中特异性表达，开花后9 d 表达量达到最高，随后逐渐下降；胚珠发育到20-30 d时，GhAQP1表达活性丧失，这表明GhAQPI 的表达模式与胚珠的发育相协调，对促进胚珠细胞的迅速分裂和膨大有意义。所以，总的来说，尽管水孔蛋白对水分运输的贡献率存在争议，水孔蛋白在细胞—细胞水分运输途径的决定性是显而易见的。

3.2与碳酸酐酶(CA)共同影响着植物的光合作用

研究表明：在光合作用过程中，CO 2扩散到羧化位点遇到重重阻力，羧化位点的CO 2浓度对光合速率的影响很大。CA 催化CO 2与 HCO 3-之间的相互转化，加速了溶解于溶液中的 CO2的水化作用 , 从而加快了无机 碳在溶液中相互转化的速率，也参与了无机碳向光合作用位点转动。CA 和水孔蛋白均影响CO 2扩散作用，进而影响了光合作用（张秀娟 et al. 2006）。由此可见，水孔蛋白对植物的光合作用起着重要的调节作用。不过，水孔蛋白的活动对植物叶片光合作用中PS Ⅱ进程并没有显著影响。

3.3参与植物气孔的运动

气孔(stomata)是叶、茎及其他植物器官上皮上许多小的开孔之一，是高等陆地植物表皮所特有的结构，气孔的开关与保卫细胞的水势有关, 保卫细胞水势下降而吸水膨胀，气孔就张开，水势上升而失水缩小，使气孔关闭。同其他细胞一样，保卫细胞细胞膜上也存在着水孔蛋白，不过，不同的是：保卫细胞膜上的水孔蛋白可能作为渗透压感受器，而与某些离子通道(如K +、Cl -) 相耦联(MacRobbie 2006)。而在低渗条件下，内向水流通过液泡膜上的水通道，促使水孔蛋白构象发生改变并激活与之耦联的离子通道，导致保卫细胞液泡内大量离子外流，使得细胞收缩进而引发气孔关闭。

3.4调节植物对中性分子和营养元素的吸收

许多中性分子如甘油、尿素、NH 3等对植物起着重要的调节作用。拿甘油来说，它对植物的渗透调节起着重要的作用，有研究表明：杜氏盐藻在适应外界盐浓度变化的过程中，甘油是其主要的渗透调节物质（李红萍 et al, 1994）。低渗情况下，胞内甘油转化为淀粉；高渗情况下，淀粉则降解为甘油。在豌豆中，PsNIP-1是水—甘油通道，而PsPIP1-1可能运输甘油和甘氨酸。在大豆根瘤中，类菌体外周膜对NH 3的通透性能够被HgCl 2部分抑制，由此可推测出Nod26能够运输NH 3。在一次实验中，将拟南芥从仅含硝酸盐的培养基上转移到同时含硝酸盐和氨的培养基上后，AtTIP2;1与AtTIP2;3的表达迅速上调，且AtTIP2;1的表达量与液泡内氨的浓度变化相一致，说明AtTIP2;1与AtTIP2;3能够对外界氨的积累迅速作出响应，并介导氨从细胞质向液泡的转运（梅杨, et al. 2007）。

3.5促进种子的萌发

种子萌发是指种子从吸胀作用开始的一系列有序的生理过程和形态发生过程。种子的萌发需要适宜的温度，一定的水分，充足的空气。种子萌发时，首先是吸水，而水孔蛋白表达量高则会在一定程度上维持种子在萌发过程中对水分的吸收。研究表发现，OsPIP1;1和OsPIP1;3基因的部分沉默降低了种子的萌发能力, 而OsPIP1;3基因的超表达则促进种子在干旱胁迫环境下的萌发。不过，水孔蛋白在种子的吸涨作用并没有太大作用，它主要作用于胚胎生长的早期阶段，即种子的渗透性吸水阶段。由于水孔蛋白对HgCl 2比较敏感，所以在种子进行渗透性吸水时，低浓度的HgCl 2也会抑制AQP 的活性，使得种子萌发速率降低。而有研究发现，外源 N0处理可以解除HgCl 2对AQP 的抑制作用，从而解除了对小麦种子萌发的抑制，类似于DTF 的作用结果，但作用机制可能不同（田又升, et al. 2013）。

4. 总结

目前，随着越来越多的植物水孔蛋白的发现，水孔蛋白的类型、结构以及功能也研究的越来越透彻，但是，仍然有许多问题存在，比如在研究有关水孔蛋白水分运输的特性时，人们主要是利用动物而不是植物的水孔蛋白作为实验材料的，对于动物的水孔蛋白表达方式是否与植物的是否相同或在哪里存在差异以及如何找出一套有效的方法进行检测是迫切需要解决的问题。除此之外，尽管现在我们对水孔蛋白的研究已经进入分子水平，但在基因方面与水孔蛋白有关的研究仍需要进一步深入。目前在基因方面的研究多是利用生物信息学的手段进行克隆分析，由此可见，现在我们仍需要寻找更多更有效的途径进行水孔蛋白的基因研究。

5. 参考文献

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