5.13郑洁 植物水孔蛋白

所在院系： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师：
本科生毕业论文(设计)
题目：植物水孔蛋白
生物科学与化学学院 生物科学
郑洁
1810910015
徐 国 华
论文完成日期： 2011年 5 月
目录
摘要 (1)
关键词 (1)
一．水孔蛋白的发现 (1)
二. 植物水孔蛋白的基本结构及生化特征 (1)
三. 植物水孔蛋白的类型和分布 (2)
四. 植物水孔蛋白的功能 (2)
1．增强生物膜对水的通透 (2)
2.运输小分子物质 (2)
3.参与光合作用 (2)
4.参与氮代谢 (2)
5.参与硅与硼的代谢 (2)
6.参与开花生理 (2)
7.参与果实的发育与成熟、种子的成熟与萌发 (3)
8.参与气孔运动 (3)
9.水孔蛋白在逆境调节中的功能 (3)
五. 水孔蛋白的调节与调节物质 (4)
1. 水孔蛋白的调节 (4)
2. 水孔蛋白的调节物质 (4)
六．结语与展望 (4)
参考文献 (4)
致谢 (5)
植物水孔蛋白
摘要：水孔蛋白是水专一性通道蛋白，属于膜内在蛋白的一类，普遍存在于动、植物及微生物中，其种类繁多、分布广泛，与植物体内水分的快速、高效运输密切相关。

就水孔蛋白的发现、类型和分布、分子结构和生化特性、调节及其生理功能进行简单综述。

关键词：水孔蛋白；结构；生理功能。

一水孔蛋白的发现
长期以来，人们普遍认为水仅以弥散的方式通过脂质双分子层，但难以解释某些细胞对水的通透特别高的现象。

1988 年Agre 研究小组从人的红细胞膜上分离到一种分子量为28kDa 的未知蛋白, 即为细胞膜水通道。

随后他们在爪蟾卵母细胞表达系统中对得到的蛋白进行了功能鉴定, 证明其参与了膜上的水分运。

1997年基因组命名委员会正式将其命名为AQP1.现在已经知道，水孔蛋白（aquaporin,AQP）是一类介导水分快速跨膜转运的膜内在蛋白，属于MIP(major
intrinsic protein)家族，分子量在25-33kDa[1, 2]。

水孔蛋白几乎存在于所有的生物体内,
包括人，动植物、酵母和细菌等, 是一类古老的膜蛋白。

迄今，已在真细菌、古细菌、动物和植物等几乎所有生物中发现AQP。

AQP在植物中的分布广泛，具有丰富的多样性。

到目前为止，在拟南芥、烟草、菠菜、马铃薯、胡萝卜、玉米、水稻等许多植物中均有发现。

二植物水孔蛋白的基本结构及生化特征
水孔蛋白与膜内在蛋白(membrane intrinsicprotein, MIP)具有很高的序列同源性和结构相似性,于是将其归类为MIP 家族,其结构具有MIP家族的典型特征:其单体的一级结构由6个跨膜结构域（通过五个亲水环A、B、C、D、E相连）和两端短的N、C端组成。

其中B、D环位于膜细胞质一侧，A、C、E环位于膜另一侧。

其一级结构内部同源性，即它的N端蛋白与C端蛋白具有同源性，以一种对称形式存在。

另外，B环和E环具有高度的同源性，并且都存在有天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸NPA的重复串联序列。

因此，NPA是水通道家族成员共有的特征性结构，它直接参与了水通道的形成。

同时，B环和E环各自形成半个跨膜螺旋，参与水孔蛋白活性的调控。

E环NPA盒前的半胱氨酸是水孔蛋白的汞抑制部位；汞离子和有机汞可以通过与半胱氨酸结合而封闭水通道[2]。

虽然研究表明水孔蛋白单体即有水通道的活性，但在活体生物膜上通常以四聚体的形式存在，每一亚单位在功能上都可以作为一个单水通道。

它的四级结构是由四个对称排列的各长5nm，直径3.2nm的圆筒状亚基包绕而成的四聚体。

目前对于组成四聚体形式的原因和意义仍然未被揭示。

三植物水孔蛋白的类型和分布
AQP在植物中分布广泛，具有丰富的多样性，根据分布及序列的同源性可以分为五个亚类：质膜膜内蛋白（plasma membrane intrinsic proteins,PIPs）、液泡膜膜内蛋白（tonoplast membrane intrinsic proteins,TIPs）、类Nodulin26(NOD26)膜内蛋白（Nodulin26-like MIPs,NIPs）、小分子碱性膜内蛋白（small and basic intrinsic
proteins,SIPs）和GlpF(glycerol facilitator)膜内蛋白（GlpF-like intrinsic proteins,GIPs）。

有研究表明，大部分PIPs和TIPs都属于水选择性通道蛋白，分别位于细胞质膜和液泡膜上；NIPs则能同时介导水和甘油的跨膜运输；Nod26存在于根瘤菌和豆科植物的共生膜上。

SIPs定位于细胞内的内质网上，其N端极短，C端可能存在于内质网膜定位信号。

GIPs存在于苔藓植物和大肠杆菌中[2]。

四植物水孔蛋白的功能
1．增强生物膜对水的通透性
水孔蛋白能增加生物膜对水分的通透性, 实现水分快速跨膜运输, 有效调节细胞内外的渗透平衡。

拟南芥质膜水孔蛋白基因PIPb1 在烟草中异源表达, 发现转基因烟草在正常长条件下, 其生长速率、蒸腾速率、气孔密度以及光合效率均明显增加(Aharon 等2003)。

Lién ard 等(2008)研究证实在古老的陆地植物小立碗藓发育的多叶阶段, 水孔蛋白有助于快速补充水分, 弥补因蒸腾作用造成的水分丢失[3]。

2. 运输小分子物质
与动物、细菌的水甘油通道蛋白相似，许多植物的AQP 能够转运中性小分子甘油、H2O2、尿素、NH3、CO2、硅酸、硼酸和甲酰胺等。

NOD26 能够运输水分和甘油，同时也能运输甲酰胺；烟草(Nicotiana tabacum) NtAQP1 可同时运输水分和甘油；豌(Pisumsativum)PsNIP1 是水甘油通道，而PsPIP1;1 可能运输甘油和甘氨酸。

3．参与光合作用
有证据显示植物AQP 参与CO2的跨膜运动，进而影响光合作用。

研究发现，烟草植物NtAQP1 参与CO2的膜运输，并在光合作用和气孔开放中具有重要功能。

NtAQP1 过量表达能提高植株对CO2和水的通透性，促进叶片生长。

Flexas 等研究证实，烟草植物NtAQP1 可介导CO2在叶肉内运输。

与野生型烟草相比，NtAQP1过量表达植株对叶肉细胞CO2的导度提高20%、光合作用速率提高20%．在同样条件下，转反义NtAQP1 植株叶肉细胞对CO2的导度和光合作用速率比野生型烟草分别下降13%和30%[4]。

4．参与氮代谢
AQP 运输尿素和NH3等含氮小分子对于植物氮代谢具有重要作用[5]．一些水孔蛋白基因的表达依赖于含N 化合物，如硝酸盐强烈地诱导玉米(Zeamays)ZmPIP1;5b 的表达，长期的N 饥饿或者短期的NH4+ 供给诱导AtTIP2;1 的表达。

有研究表明，N 素缺乏时(不供应尿素时)拟南芥AtTIP2;1、AtTIP1;1、AtTIP1;2 和AtTIP4;1 在根部的表达上调。

5.参与硅和硼的代谢
植物中存在专一性的铵根离子的转运载体，即AMT/MEP/Rh蛋白家族，但氨在植物细胞内的运输则可能依赖于水孔蛋白。

大豆根瘤中类菌体外周膜对氨气的通透性能被氯化汞部分抑制，于是推测Nod26可以运输氨气。

在水孔蛋白介导的氨气运输过程中，其质子化状态可能处于动态变化中。

首先水孔蛋白被质子化，使得氨气分子易于进入水通道，随后质子被传递给氨气形成铵根离子，水孔蛋白去质子化引起构像改变，使铵根离子释放到膜内[2]。

硼能够稳定植物细胞壁和细胞膜。

缺硼能抑制细胞壁的合成，以致细胞分裂和伸长受阻；抑制花的发育，导致结实率下降，果实发育畸形；引起雄性不育，种子发育异常。

由于硼的再利用程度很低，因此植物必须通过根不断从土壤中以硼酸的形式吸收硼元素。

AtNIP5；
1对拟南芥硼代谢有意义，也表明植物对硼的吸收同时依赖于被动扩散和水孔蛋白介导的主动运输，水孔蛋白的开张有利于硼的吸收[2]。

水稻水孔蛋白Lsi1能专一性介导根皮层细胞对硅的吸收，这对水稻的抗病、抗倒伏的研究可能有意义。

6.参与开花生理
AQP 参与植物的花药开裂、花粉识别、花粉萌发和花朵开放。

Bots 等[利用NtPIP2 基因的RNA 干扰技术研究表明，NtPIP2 的表达为花药发育所必需，RNAi 植株花药脱水减慢，花药开裂延迟。

Ma 等发现，月季(Rosa hybrida)RhPIP2;1 参与乙烯诱导的花朵开放，RhPIP2;1 在花瓣表皮细胞中高度表达，其表达量在花朵盛开前期随开放进程逐渐升高，达到盛开后迅速下降。

外源乙烯处理可显著降低RhPIP2;1 的表达，而1-MCP 处理可提高其表达，表明RhPIP2;1 基因在月季花瓣伸长中起着重要作用。

7.参与果实的发育与成熟、种子的成熟与萌发
棉花(Gossypium hirsutum) GhAQP1 主要在胚珠中表达，在开花后9 天的胚珠中表达量最高，表明其表达不仅具有组织特异性，而且受到胚珠发育调节。

对多种植物种子成熟与萌发过程的研究表明，α-TIP 为种子所特有，在蛋白质贮藏囊泡中表达，并在种子萌发及幼苗初期消失。

豌豆PsPIP1;1、PsPIP2;1 和PsTIP1;1 在萌发种子中表达，而未见
PsNIP-1 的转录；在成熟干种子中，仅见PsPIP1;1的大量转录，而未探测到PsPIP2;1，PsTIP1;1 和PsNIP-1 的转录，推测PsPIP1;1 可能参与种子吸水萌发过程。

8.参加气孔运动
一些研究表明AQP 可能参与气孔的运动。

蚕豆(Vicia faba)BBAQ1 在蚕豆保卫细胞中特异表达，而在其他表皮细胞中几乎不表达。

菠菜SoPIP1;1也是定位于保卫细胞上。

向日葵(Helianthus annuus)叶片保卫细胞中SunTIP7 的转录丰度存在昼夜变化，夜晚气孔关闭时达到峰值，意味着SunTIP7 在保卫细胞水分流出中起着重要作用。

不过，AQP 在气孔运动的作用机制目前尚不是很清楚，值得进一步研究。

9. 水孔蛋白在逆境调节中的功能
根系细胞中的水孔蛋白的活性在干旱时消失，水孔蛋白的关闭功能限制水分流失到干旱的土壤中，从而增加了植物对干旱的耐受能力。

冷害条件下大米水孔蛋白的表达受到抑制，说明水孔蛋白基因表达的变化对耐冷反应很重要。

植物受到盐胁迫时，其光合作用类型会从C3转变为CAM，此时水孔蛋白的含量也有所变化。

叶细胞膜中水孔蛋白的含量下降，根中基本保持不变。

这一差异直接反映了逆境下叶中水孔蛋白含量的变化与光合作用类型的变化相关[1]。

五水孔蛋白的调节与调节物质
1. 水孔蛋白的调节
水孔蛋白一级结构中E环NPA盒前的半胱氨酸是水孔蛋白的汞抑制位点，因此水孔蛋白活性的调节受到汞和有机汞的调节。

外界环境如干旱、高盐、生长激素（脱落酸、赤霉素、油菜内酯）、光质（蓝光）、低温、营养亏缺及病原体微生物的侵染也均能诱导水孔蛋白基因的表达。

此外，水孔蛋白的活性也受PH值、钙离子、重金属离子（氯化汞、硝酸银）、磷酸化、多聚化和异源蛋白间相互作用等影响[2]。

2. 水孔蛋白的调节物质
（1）抑制剂：
①汞制剂
AQP1、AQP2、AQP3都是汞敏感水通道，受汞化合物的抑制。

在水通道的结构中，定位在AQP1E环的NPA序列前有一半胱氨酸（C-189），被认为是汞抑制部位，汞离子和有机汞通过与C-189结合，从而阻塞或破坏这个孔，降低水的通透性。

AQP2的相关部位也有半胱氨酸存在，因而对汞敏感。

AQP3对汞敏感的相应的部位无半胱氨酸，推测其是由于在B环靠近NPA处有一半胱氨酸(C-78),因而对也汞敏感。

②四乙铵 :四乙铵通过与AQP1蛋白E环一个酪氨酸186残基的OH-基团相互作用，影响AQP1对水的通透性。

③锂制剂:诱导AQP2向下调节。

④秋水仙碱:诱导AQP1在细胞内分布，有巨大变化。

⑤碳酸酐酶抑制剂:乙酰挫胺对水通道转运水的功能有一定抑制作用。

⑥乙醇、乙晴:这两种物质通过介入细胞膜脂质而影响AQP1水通道的通透性。

⑦雌激素类或抗雌激素物质:他们对雌性动物体内组织水的渗透作用可能是通过AQP1水通道的基因表达而实现[3]。

⑧N-乙基顺丁烯二酰亚胺
（2）激活剂：
①β-巯基乙醇能够消除氯化汞对水孔蛋白的抑制作用[4]
②Forskolin
六结束与展望
近年有关植物AQP 的大量研究，使人们对其在植物水分运输及其他生理过程中的作用与分子机制有了更深入的认识。

植物AQP 既可运输水分也可运输许多其他小分子物质，并在光合作用、矿质营养、气孔调节、种子萌发、开花生理、果实发育以及环境应答等过程中都具有十分重要的意义。

值得指出的是，AQP 种类繁多，且在不同细胞、组织及器官中的表达也存在差异，功能也不尽相同。

为此，有必要进一步研究AQP 更多的生理功能，并将AQP 的表达定位与其生理功能联系起来。

另外，把细胞水平和分子水平上获知的AQP 运输选择性及其活性调控机制尽可能整合到植物生理过程的整体水平研究中，同时通过探求AQP 与膜上其他转运蛋白的密切关系以及AQP 活性调节的信号转导通路等，进而更深入、系统地研究和阐明AQP 在植物生长发育过程中的作用机制。

参考文献
[1] 雷琴,夏敦玲,任小林.水孔蛋白与植物的水分运输.水土保持研究,2005,12(3):81-85
[2] 梅杨,李海蓝,杨尚元,罗红艺.植物水孔蛋白.植物生理学通讯,2007,43(3):563 - 567.
[3] 阮想梅，李登弟，李学宝，植物生理学通讯。

第45卷，第一期，2009.1
[4] 李红梅，万小荣，何生根，生物化学与生物物理进展，2010,37期：31 – 34.
[5] 侯彩霞，黄昊，汤章城，植物细胞的水孔蛋白，中国学术期刊电子杂志，1996。

3。

22:151 - 153
[6] 李学军，水通道的生物学研究，生命科学，2003，vol15，No。

6
[7] 杨淑慎，崔丽荣，水孔蛋白在细胞延长、盐胁迫和光合作用中的作用，生物工程学报，2009.5.25
[8] 梅杨，李海蓝，杨尚元，罗红艺，植物水孔蛋白的功能，植物生理学通讯，第43卷，第3期，2007.6
致谢：
在此首先感谢我的论文指导老师徐国华和许晔的悉心指导，本文才能得以顺利完成。

还要感谢我的搭档范洪刚同学对我的帮助，以及所有帮助过我的老师、同学！再次感谢！。