植物ABC转运蛋白功能研究进展_唐桃霞.pdf

书书书西 北 农 业 学 报 ，（）：植物 转运蛋白功能研究进展收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）；甘肃省青年科技基金计划（）。第一作者：唐桃霞，女，助理研究员，主要从事西甜瓜遗传育种工作。：通信作者：程鸿，男，研究员，主要从事西甜瓜遗传育种工作。：唐桃霞，孔维萍，任凯丽，程鸿（甘肃省农业科学院 蔬菜研究所，兰州 ）摘要植物 转运蛋白家族通过转运各种底物而参与植物一系列生命活动，其拥有众多家族成员，分类众多、结构复杂、功能多样。本文详细梳理了植物 转运蛋白的结构、分类及功能后发现，植物类转运蛋白共有大亚族（和 ），其中 属于功能最多的一类亚族，主要参与代谢产物和激素转运、器官形成和物质合成，在重金属逆境胁迫、以及次级代谢产物分泌等方面发挥着重要作用；主要参与生长素及重金属转运，刺激细胞生长，加强非生物胁迫的耐受能力；除参与次生代谢产物的转运外，还具有重金属解毒功能；类很可能与动植物的脂质代谢关系密切。对于目前功能未知的其他亚族建议开展蛋白互作研究，注重实践应用及多学科联合，更加准确具体解析其功能。全面深入研究植物 转运蛋白家族将为其他类转运蛋白的研究提供借鉴方法，同时为植物源库的高效调控提供基础理论。关键词 转运蛋白；功能；代谢产物 转运蛋白，又名 结 合 盒 式 蛋白（，），得名于含有一个腺苷三磷酸（）结合盒，且依赖于 水解产生的能量而实现底物在细胞内外的跨膜转运，是目前已知数量和功能最多的一类蛋白。据报道，转运蛋白家族在所有生物中广泛存在，已在人类、酵母和大肠杆菌中发现了数量不等的 转运蛋白及其基因，而在陆生植物中鉴定到的 转运蛋白数量远高于其他生物，其中，模式作物拟南芥和水稻基因组中分别存在 个和 个 转运蛋白，此外，玉米（）、小麦（）、甘蓝型油菜（）、百脉根（）、菠 萝（）以及番茄（）中均有报道，而研究最多的拟南芥仅有一小部分 转运蛋白被鉴定出来，还有大部分成员的转运底物及其功能尚不清楚，而有关其他作物 转运蛋白及其功能还未见报道。因此，本文通过对已鉴定的植物 转运蛋白成员及功能进行归类总结，旨在为研究其他作物 转运蛋白及功能提供思路和依据。转运蛋白的结构及分类典型的 转运蛋白由亲水核苷酸结合结构域（，）和疏水跨膜结构域（，）组成，其中亲水性的 包含个保守的特征基序：，和 标签序列（又称 ），因此，其结构和序列在 转运蛋白家族中高度保守，而疏水的 是由数个跨膜螺旋构成，形成跨膜运输通道，转运时 负责结合并水解 使其构象发生改变，从而激活转运过程，而 则形成通道使得底物通过脂质双分子层，二者共同参与实现物质转运。转运蛋白家族的转运分为向外和向内两种转运方式，大多数的 向内转运蛋白还包括一个可溶性的位于细胞外或是锚定在膜上的胞外区结合蛋白（，），可以结合不同种类的底物并把底物传递到相应的 中。图展示了 转运蛋白转运过程中依靠构象改变的转运机制。向内转运机制；向外转运机制 ；图 转运蛋白转运机制示意图 由于 蛋白包含的 和数量以及排列方式存在差异，其又被分为全分子 蛋白、半分子 蛋白和可溶性 蛋白，全分子 蛋白由个 和个构成，个结构域结合在一起才可执行转运功能，而半分子 蛋白仅由个 和个构成，从而排列形成 或 ，任一的 或 是没有功能的，它们必须形成同源或者异源二聚体才能发挥功能。通常，研究者们按照国际命名系统将植物 分为个亚族（和 ），植物中未发现 亚族成员，但存在一类特殊的细菌类型 转运蛋白，被命名为 亚族。目前，研 究 较 多 的 为 、和 。转运蛋白参与植物体中多种重要的转运过程，其转运功能需要 和 的共同参与。由于 的高度保守性和每个亚族结构的相似性，导致其转运功能具有专一性，也具有相似性。转运蛋白功能 亚族迄今为止，在人类基因组中已鉴定出 个 亚族成员，主要与身体各部位的脂质转运有关，而拟南芥中的 与人类 具有高度的序列同源性，推测植物 也可能具有脂质运输功能。目前，在拟南芥中也发现 个 成员，且只有 的功能被鉴定出来，并发现其过量表达可促进种子三酰甘油（，）的生物合成，表明 可能是增加油籽脂质产量的有力工具，随后李健春 在大豆中发现 转运蛋白，并将其定位于过氧化物酶体，表明其在拟南芥中的过量表达影响脂肪酸的氧化并促进种子萌发；此外，拟南芥根的转录组分析表明 和 表达对盐胁迫有反应，也有报道 与花粉萌发、种子萌发和种子成熟有关，但具体功能未做解析。包 括 全 分 子 的和 半 分 子 的 两种类型。在蔬菜作物番茄中发现，是唯一全分子 和最大的 蛋白，由 个氨基酸残基组成，另一主要特征是 亚族在双子叶植物中存在一个全分子的 （），包 括 番 茄、拟 南 芥、百 脉根和葡萄，截至目前还未在水稻、玉米等单子叶植物中发现，这表明这种全分子 可能特定于双子叶植物；据番茄 的基因表达谱显示 和 优先在根中表达，它们可能参与根的分泌活动，在花中特异性表达，表明在花器官中具有特定功能。此外，吴鹏等 在黄瓜中克隆到控制 转运蛋白的基因，通过功能分析发现黄瓜果实中的 对霜霉威胁迫的响应比较迅速。以上研究西北农业学报 卷表植物 转运蛋白功能 转运蛋白 植物种类 亚细胞定位 功能 功能 文献 拟南芥 质膜 在功能上呈现强大的冗余作用，均可转运生长素 过表达促使下胚轴细胞伸长 未知 质膜 调节细胞生长素水平的因子 、未知 、未知 未知 均为 转运蛋白，与 的积累和转运有关 ，质膜 百香果 液泡膜 在果实 发 育 期 参 与 生 长 素 分 布 的 调 控 苹果 未知 通过调控生长素转运参与砧木苗矮化性状的调控 水稻 质膜 输入生长素 维持铁平衡 拟南芥 线粒体 有助于提高 抗性 拟南芥 液泡膜 提高植物重金属耐性 水稻 液泡膜 减缓植株铝毒害 苦荞 质膜 与重金属铅胁迫耐性有关 、粳稻 .质膜 将小檗碱从根组织（源器官）运输到根茎（库器官）（）（）水稻 线粒体 通过调控细胞质 簇物质的集装从而维持植株的铁稳态 只是对 成员做了初步表达，其转运底物可能比较多样，具体功能还需进一步解析验证。亚族 是仅次于 的第二大亚族，拟南芥中发现 个 成员。据表可知，已鉴定的大多数 成员主要与激素类物质（生长素）的运输及调控有关，且部分成员功能冗余，均能转运生长素；其次，还参与离子及重金属转运，如在番茄中研究发现大多数 在根中高度表达，这可能表明这些 参与根中的离子和重金属运输。除上述功能外，还具有转运生物碱和维持铁稳态的作用。综上可知，还需加大对 功能的研究，以期为阐释植物对激素和非生物胁迫响应的生理机制奠定基础。亚族根据国内外研究报道发现，亚族目前已鉴定的功能之一是转运代谢产物（花青素、植酸、叶酸等物质），有研究表明，玉米 和葡萄 均 具 有 运 输 液 泡 中 花 青 素 的 功能 ；拟南芥的 可能与其他的 转运蛋白共同介导营养组织中花青素和其他类黄酮的液泡运输；还有研究表明，部分 转运 蛋 白 具 有 多 种 功 能，如 拟 南 芥 和水稻 参与种子植酸的转运和含磷产物的积累，其中 还是保卫细胞脱落酸和 信号转导过程中保卫细胞离子通道的中央调节器；而拟南芥 不仅参与叶酸转运，期唐桃霞等：植物 转运蛋白功能研究进展还介导气孔孔径的复杂调节。二 是 具 有 解 毒 功 能，拟 南 芥 、和 均定位于液泡膜，其中 和 被证明赋予对砷、镉和汞的耐受性 ，是因为植物螯合素（）与 需要以 复合物的形式运输到液泡中起到解毒作用，而 是一种 复合物的转运 蛋 白，其 活 性 受 调 节 并 与 的活性协调；此外，在重金属 胁 迫 下表 达 上 调，也 参 与 重 金 属 解 毒 作用；苦荞 在重金属 胁迫下表达上调，说明此蛋白也响应重金属胁迫。这些转运蛋白为植物基因工程提供了有用的工具，可使植物增强对金属耐受性和积累，这是植物修复的理想特征。亚族在 转运蛋白家族中，是其中最大的一个亚族，其功能广泛，有全分子的 和半分子的 两种类型。已知的拟南芥、亚麻、水稻、玉米、铁皮石斛、毛果杨、二穗短柄草、葡萄、番茄、菠萝及蜜柚中分别有、和 个 转运蛋白（表），分别占 蛋白的 、和，平均数量占 家族的 以上，说明 是 家族最为重要的成员。从已报道的研究来看，已鉴定 成员的功能多样，具体类别见表。表部分植物中 转运蛋白数量 亚族 拟南芥 亚麻 水稻 玉米 铁皮石斛 毛果杨 二穗短柄草 葡萄 番茄 菠萝 蜜柚 总计 参考文献 由表可知，是植物体生命活动的重要参与者。首先，可转运植物体内的代谢物，包括脂类、烯类，生物碱类等，还调节花散发挥发性化合物的功能，除转运内源代谢物外，还可转运外源物质百草枯等除草剂。其次，介导激素类物质的运输（），如 、均 具有转运脱落酸（）的作用。此外，参与重金属胁迫逆境胁迫响应，可提高植物对非生物胁迫的抗逆性。植物角质层不仅减少水分流失，还具有化学防御功能，研究发现 和 均 参 与 角 质 层 的 形 成 ，和 通过促进甾醇在花粉表面的积累而支持花粉外壳的成熟，从而增强花粉的适应性；木质素作为植物细胞壁的重要组成部分，其转运机制还未可知，等 研究发现 参与拟南芥中木质素合成，填补了人们对木质素生物合成理解的关键空白，这可能为木质素工程开辟新的方向。此外，还具有抗菌方面的作用，如白花丹叶烟草（）中 通过参与次级代谢物的分泌，在防御真菌病原体中起作用 ；烟草 通过介导抗真菌二萜的外排，在植物的化学防御中发挥作用，这为植物抗菌方面的进一步研究奠定了基础。其余亚族除亚族、研究较多外，其他亚家族的报道相对较少，它们是否具有与其他亚族相似的功能未有明确的报道。根据模式作物拟南芥的研究，推测蔬菜作物番茄 可能参与长链脂肪酸的过氧化物酶体输入，可能在核糖体生物发生、翻译控制和基因沉默调节中发挥作用，西北农业学报 卷表植物 转运蛋白功能 转运蛋白 植物种类 亚细胞定位 功能 具体功能 参考文献 甘蓝型油菜 未知 转运代谢物 极有可能参与脂质的运输，调控植物的生长发育 蒺藜状苜蓿 质膜 香豆酸和甘草素的转运体 螺旋藻 质膜 香紫苏醇的运输 青蒿 质膜 转运倍半萜烯石竹烯 矮牵牛 质膜 调节花散发挥发性化合物 长春花 质膜 介导长春碱向叶片表面分泌 拟南芥 质膜 转运除草剂 转运百草枯 拟南芥 未知 激素类物质的运输 的输出者，并参与细胞间 信号通路 拟南芥 未知 将 输入到胚胎 拟南芥 质膜 转运脱落酸（）并赋予对香紫苏醇的抗性 拟南芥 质膜 参与器官形成和 物质合成 参与角质层的形成 、拟南芥 质膜 有助于甾醇在花粉表面的积累 拟南芥 质膜 参与木质素合成 拟南芥 叶绿体 参与植物种子脂质合成 地毯草 未知 参与重金属逆境胁迫响应 参与地毯草铝毒害响应 拟南芥 质膜 镉解毒作用且调节生长素动态平衡 蜜柚 细胞膜 基因表达与红肉蜜柚耐 草 甘 膦有关 紫花苜蓿 质膜 通过调节生理指标提高植物抗旱性 白花丹叶烟草 质膜 抗菌 参与次级代谢物的分泌，并在防御几种真菌病原体中起作用 烟草 质膜 介导抗真菌二萜的外排，在植物化学防御中发挥作用 拟南芥 质膜 平衡营养 响应铁缺乏而上调，改善植物铁营养 在果实发育期表达，表明其可能在果实发育中有特定功能，拟南芥 亚家族成员 参与根系生长发育；水稻 可能涉及到多种叶绿体发育调控网络，具体功期唐桃霞等：植物 转运蛋白功能研究进展能还有待验证。总结与展望综上发现，植物 蛋白家族体系庞大，成员众多，这些 蛋白存在于各类细胞器中，大多定位于质膜和液泡膜、还有些定位于线粒体、叶绿体、内质网等细胞器上，其转运底物形式多样，有激素、离子、重金属、代谢产物等，通过介导底物的转运及平衡，随时调控植物的生理状态。就目前研究可知，参与生长素及重金属转运，参与转运代谢产物（花青素、植酸、叶酸等物质）、还具有重金属解毒功能，功能较多，参与代谢产物和激素转运、植物器官形成和细胞发育、逆境胁迫、化学防御等过程，报道较少，初步表明其与脂质代谢有关，其余亚族功能还有待进一步研究。总而言之，是一类值得深入研究的转运蛋白，研究其可解析生理机制，研究其可辅助植物育种。通过总结上述进展的同时，也发现以下不足。研究作物种类单一：目前研究主要集中在模