植物水孔蛋白研究进展

水 孔 蛋 白（ ＡＱＰ） ， 普 遍 存 在 于 植 物 、动 物 及 微 生 物 中 。 其主要作用是控制植物体内的水分运输， 降低根部细胞间 水分运输时的阻力， 调节细胞的渗透势， 参与气孔调节， 渗 透胁迫等。植物水孔蛋白在控制水分运输过程中受多种因 素的调控， 主要调控因子有异聚化作用、磷酸化作用 、ｐＨ 值 、胞 内 渗 透 压 、Ｃａ２＋浓 度 、细 胞 膨 压 、温 度 、激 素 等 。 笔 者 将 最新研究进展做一介绍。 １ 类型
植物 ＡＱＰ 与动物 ＡＱＰ 同属于一个古老 的 跨 膜 通 道 蛋 白 ＭＩＰ 超家族， 其膜蛋白的单体分子量为 ２３～３０ ｋＤ。 植物 ＡＱＰ 分子前后 ２ 部分序列非常相似， 在膜上呈 １８０ °对称镜 像结构， 靠近 Ｎ 端和 Ｃ 端的 Ｂ 环和 Ｅ 环分别各有由 ３ 个氨 基酸（ 天冬酰氨"脯氨酸"丙氨酸） 组成的基序， 这是该蛋白家 族大部分成员共有的高度同源的特征性结构。水通道蛋白 是由 ４ 个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体， 它的 结构对于维持单个亚基的位置是很重要的， 这 ４ 个亚基在 水通道中的作用都是独立的。植物 ＡＱＰ 中研究得比较清楚 的 是 ＡＱＰ１ 的 结 构 ， ＡＱＰ１ 的 １ 级 结 构 由 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 和 Ｅ ５ 个环连接而成， 具 ６ 个跨膜区段； 其中 Ｂ 和 Ｄ 位于胞质侧 为胞内环 ， Ａ、Ｃ 和 Ｅ 为 胞 外 环 （ 图 １） ［２］； Ｂ 和 Ｅ 环 具 有 疏 水 性， 其余的环具有亲水性。该蛋白家族大部分成员的 Ｂ 和 Ｅ 环都具有天冬酰氨"脯氨酸"丙氨酸（ ＮＰＡ） 基序， Ｂ 和 Ｅ 环沉 至 双分 子 层 内 ， 可 使 ＮＰＡ 折 叠 形 成 狭 窄 的 水 孔 ， 孔 道 大 小 约为 １ 个单水分子。目前已知的植物 ＡＱＰ 都是由 ４ 个对称
３ 主要功能 ３．１ 在水分运输中的作用 水通过生物膜的方式有 ３ 种： 通过简单扩散穿过类脂双层； 大多数运输其他物质的膜蛋 白也有少量水透性； 通过 ＡＱＰ 直接运输水［３］， 这 在 快速 与 大 量调节膜水运输能力方面比其他途径更有效， 可使水运输 效率提高 １０～２０ 倍。ＡＱＰ 运输水的机制是顺着膜内外的渗 透压梯度被动运输的。自植物根部吸收的水分运输到叶通 常经由 ３ 个途径来完成： 共质体途径， 质外体途径和跨细胞 途径。质膜上的水孔蛋白在控制植物水分的跨膜运输中起 主要作用， 根的内皮层细胞壁上的凯氏带对水分辐射运输 形成障碍， 因此根的皮层或内皮层， 质外体的水分流动必须 进入共质体。在拟南芥中， ＰＩＰ１ 水孔蛋白在 根 内 皮 层 中的 表达高于在根皮层中的表达， 这与后一种可能性非常符合。 木质部薄壁细胞也是水孔蛋白高度表达的地方， 在控制水 分的渗透和水压运动过程中起着重要的作用。 ３．２ 对 细 胞 的 渗 透 调 节 作 用 烟 草 悬 浮 培 养 细 胞 和 洋 葱 表皮细胞中， 液泡膜的渗透性为原生质膜渗透性的 １００ 倍， 这表明水孔蛋白在液泡膜上的水分运输方面具有另外一种 作用。液泡膜上无限制的水分运输可以使植物细胞有效地 利用巨大的液泡空间来缓冲细胞质内的渗透波动， 这样就
安徽农业科学， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ａｇｒｉ． Ｓｃｉ． ２００６， ３４（ ２０） ： ５１６８－ ５１７０
责任编辑 姜 丽 责任校对 胡剑胜
植物水孔蛋白研究进展
张渝洁 ， 全先庆 ， 李新国 １，２
１
２ ＊ （ １．临沂 师范 学院 生 命 科 学 学 院 ， 山 东 临 沂 ２７６０００； ２．山 东 省 农 业 科 学 院 高 新 技 术 研 究 中 心 ， 山 东 济 南
基金项目 作者简介 收稿日期
国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（ ３０５７１１２６） ； 山 东 省 中 青 年 科 学 家奖励基金项目（ ２００５ＢＳ０６００３） 。 张渝洁（ １９６８－ ） ， 女， 山东临沂人， 讲 师， 在 读硕士 ， 从事 发 育生物学方面的教学科研工作。＊ 通讯作者。 ２００６" ０６" ０７
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１３１ 的磷酸化可直接控制 ＭｐＰＩＰ２； １ 的活性［１２］。这些均表明 水孔蛋白的磷酸化和去磷酸化作用在植物生理代谢中扮演
重要的角色。植物细胞中植物 ＡＱＰ 的磷酸化主要发生于 Ｎ 端或 Ｃ 端的丝氨酸 。另有试验证明， 植物 ＡＱＰ 中紧邻第 １ ＮＰＡ 的丝氨酸也可以发生磷酸化， 这个丝氨酸在所有植物 ＰＩＰｓ 小核和几个 ＴＩＰｓ 中都是保守的， 丝氨酸的这种高度保 守性说明它的作用是非常重要的， 其磷酸化作用位点 Ａｒｇ／ Ｘａａ"Ｌｙｓ"Ｘａａ"Ｓｅｒ"Ｘａａ"Ｘａａ"Ａｒｇ 由 ＣＤＰＫ（ Ｃａ２＋蛋 白 激 酶） 等 蛋 白激酶 识 别 。用 丙 氨 酸 替 代 ＳｏＰＩＰ２； １ 或 ＰｖＴＩＰ３； １ 中 的 丝 氨酸， 水通道蛋白的活性也会降低［１３］ 。 ４．２ Ｃａ２＋调节 ＡＱＰ 的磷酸 化 与 Ｃａ２＋有 着 密 切的 关 系 。当 植物处于 Ｃａ２＋饥饿状态时， 水 孔 蛋 白 没 有 活性 ， 逐 渐 增 加 Ｃａ２＋浓度， 水孔蛋白活性随之增加， 加入 Ｃａ２＋通道阻 塞 剂 后 ， 水 孔 蛋 白 不 再 起 作 用 。 分 别 用 ５０ ｍｍｏｌ／Ｌ ＮａＣｌ、１０ ｍｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ２ 和 １０ ｍｍｏｌ／Ｌ ＣａＣｌ２ ＋ ５０ ｍｍｏｌ／Ｌ ＮａＣｌ 处 理 辣 椒 后 发 现， 非原生质体中 Ｃａ２＋浓度降低可 以 使 细 胞 在 盐胁 迫 条 件 下正常生长 。这说 明 Ｃａ２＋可 以 调 节 水 孔 蛋 白 的活 性， ＣＤＰＫ 活性需要 Ｃａ２＋参与［１４］。Ｃａ２＋对 ＡＱＰ 的活性调节作用主要是通 过影响 ＣＤＰＫ 来实现的。 其主要原理是 Ｃａ２＋与 Ｃ 端的 ＣａＭ 结构域相互作用， 形成复合物， 以解除催化区的抑制作用， 从而激活 ＣＤＰＫ 的活性［１５］。ＡＱＰ 的磷 酸 化 还 依 赖 于 ｃＡＭＰ。 腺苷酸环化酶被激活后， 细胞内 ｃＡＭＰ 的增加活化 ＰＫＡ 或 ＰＫＣ， 进而引发 ＡＱＰ 丝氨酸的磷酸化， 增加膜对水的通透性 ［１３］。 如 菜 豆 种 子 α"ＴＩＰ 磷 酸 化 依 赖 于 ＣＤＰＫ， 菠 菜 叶 质 膜 ＰＭ２８Ａ 在体外的磷酸化需要亚微摩尔级 Ｃａ２＋参与。 ４．３ 酸碱度调节 观察悬浮培养的拟南芥根细胞发现， ｐＨ 值可以调节植物 ＡＱＰ 的活性［１６］。当胞液 ｐＨ 值从 ７ 降到 ６ 时， 悬浮 培 养 的 拟 南 芥 根 细 胞 ＡｔＰＩＰ２； １、ＡｔＰＩＰ２； ２ 和 ＡｔＰＩＰ２； ３ 都 会 引 起 通 道 关 闭 ， ＰＩＰｓ 中 的 Ｈｉｓ１９７ 和 Ｈｉｓ２６４ 的 高 度 保 守性与胞液 ｐＨ 值 对 ＡＱＰ 活 性 的 调 节 密 切 相关 ； Ｈｉｓ１９７ 在 正 常 生 理 状 态 下 是 主 要 的 ｐＨ 值 敏 感 部 位 ， Ｈｉｓ１９７ 可 与 Ａｒｇ１９４、Ａｓｐ１９５ 一起与 ＡｔＰＩＰ２； ２ 的 Ｎ 端作用稳定水通道的 关 闭 状 态 。 ｐＨ 值 影 响 ＡｔＰＩＰ２； ２ 是 通 过 影 响 Ｄ 环 中 的 Ｈｉｓ１９７ 来实现的， 利用丙氨酸取代 Ｈｉｓ１９７ 后， 胞液 ｐＨ 值对 水孔蛋白的影响降低。但 Ｈｉｓ１９７ 并不是唯一的 ｐＨ 值感受 位点。单突变体 Ｒ１９４Ａ 和 Ｄ１９５Ａ 对 ｐＨ 值的敏感性显著降 低， 双突变体 Ｒ１９４Ａ／Ｈ１９７Ａ 和 Ｄ１９５Ａ／Ｈ１９７Ａ 的 ｐＨ 值的敏 感 性 全 部 消 失 ， 这 说 明 Ｈｉｓ１９７ 在 正 常 生 理 状 态 下 可 与 Ａｒｇ１９４、Ａｓｐ１９５ 一起与 ＡｔＰＩＰ２； ２ 的 Ｎ 端相互作用稳定水通 道的关闭状态。 ４．４ 异聚化作用 ＡＱＰ 单体常发生异聚化， 以四聚体的形 式存在。单体的异聚化可以增加 ＡＱＰ 活性［１７］。将萝卜 ６ 个 ＲｓＰＩＰｓ 和 ２ 个 ＲｓＴＩＰｓ 在 缺 少 ＡＱＰ 活 性 的 酵 母 中 表 达 时 ， ＡＱＰ 活 性 增 加 ５～１０ 倍 ， ＲｓＰＩＰ１ｓ 单 独 表 达 时 不 具 ＡＱＰ 活 性。在异聚化作用中， Ｅ 环起着非常重要的作用。定点突变 ＲｓＰＩＰ１ｓ 和 ＲｓＰＩＰ２ｓ， 其活性会改变， 用 Ｖａｌ 替代 ＲｓＰＩＰ１－ ３ Ｅ 环的 Ｉｌｅ２４４， 活性比野生型提高 ２５０ ％； 用 Ｉｌｅ 替代 ＲｓＰＩＰ２ Ｅ 环 中 的 Ｖａｌ２３５， 活 性 会 降 低 ４５ ％。 玉 米 中 ＺｍＰＩＰ１； １ 和 ＺｍＰＩＰ１； ２ 单 独 表 达 时 ， 不 会 增 加 水 渗 透 性 系 数（ Ｐｆ） ， 而 ＺｍＰＩＰ２； １， ＺｍＰＩＰ２； ４， 和 ＺｍＰＩＰ２； ５ 可以。当 ＺｍＰＩＰ１； １ 分别 和 ＺｍＰＩＰ１； ２， ＺｍＰＩＰ２； １， ＺｍＰＩＰ２； ４ 或 ＺｍＰＩＰ２； ５ 共 同 表 达
排列的圆筒状亚基包绕形成的四聚体， 四聚体每个单体都 是功能独立的水通道， 其中 Ｂ 和 Ｅ 环对水的选择通透性十 分重要， 其任何变异都会导致水通道活性下降， 其中 Ｅ 环的 主要功能是激活 ＡＱＰ。ＡＱＰ１ 的 ２ 级结构由 ４０ ％的 α－ 螺旋 和 ４２ ％～４３ ％的 β片 层 及 转 角 构 成， ３ 级 结构 呈 沙 漏 模 式［２］ （ 图 １） 。
植 物 中 第 １ 个 水 孔 蛋 白 γ"ＴＩＰ 是 由 Ｍａｕｒｅｌ 等 人 于 １９９３ 年从拟南芥中分离出来的。目前， 已在拟南芥、烟草、 玉 米 、豌 豆 、大 麦 、滨 藜 、番 茄 、甜 菜 、西 葫 芦 及 向 日 葵 、甜 椒 、 含羞草等植物中发现了 ＡＱＰ。根据氨基酸序列的同源性， 将 植物水孔蛋白分为 ４ 类： 质膜内在蛋白（ ＰＩＰｓ） ， 液泡膜内在 蛋白（ ＴＩＰｓ） ， 根瘤菌共生膜上的内在蛋白 ＮＯＤ２６（ ＮＬＭｓ） 和 小分子碱性内在蛋白（ ＳＩＰｓ） ［１］。 ２ 结构
３４ 卷 ２０ 期
张渝洁等 植物水孔蛋白研究进展
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可以避免细胞质的坍塌或膨胀， 在细胞间隙的某些变化引 起细胞内渗透发生突然变 化 的 时 候 ， 这 种 作用 更 为 突 出 ［４］。 在拟南芥细胞中， 质膜体深深地突入到液泡之中， 原生质膜 水孔蛋白聚集于质膜体上， 这可能有利于液泡和质外体之 间进行水分交换， 而细胞质的渗透波动很小。因此， 在植物 细胞中水孔蛋白具有很强的渗透调节功能， 而这种功能与 这些细胞的典型区室化有直接的关系 。 ３．３ 参与气孔运动调节 Ｋａｌｄｅｎｈｏｆ 将 ＡｔＰＩＰＩｂ 基因的启动 子与汗葡糖昔酸酶 （ ＧＵＳ） 基因构建成融合基因转化拟南 芥， 发现 ＡｔＰＩＰＩｂ 主要存在于分化的细胞 及 新 形 成的 组 织 中， 且在保卫细胞中也发现了 ＧＵＳ 的存在［５］。Ｓｕｎ 等分别利 用原位杂交技术证明在蚕豆和向日葵保卫细胞中有类水孔 蛋 白 基 因 液 泡 膜 水 孔 蛋 白 基 因 ＳｕｎＩＰ７ 和 ＳｕｎＴＩＰ２０ 的 ｍＲＮＡ 信号［６］。这些研究进一步证实了保卫细胞中存在水孔 蛋白。 ３．４ 可 降 低 根 部 细 胞 到 细 胞 途 径 的 水 分 传 导 阻 力 王 生 毅 、邓 西 平 等 通 过 ＨｇＣｌ２ 抑 制 试 验 认 为 ， 干 旱 胁 迫 、正 常 生 长株根系存在大量对 ＨｇＣｌ２ 敏感的水孔蛋白， 并且干旱胁 迫根系水孔蛋白可能在数量、活性上发生变化， 导致根系径 向水分运输阻力增大， 使根系在较大的静水压力下， 大量的 水分通过质外体途径［７］。Ｂａｒｒｏｗｃｌｏｕｇｈ 等研究了洋葱不同根 段水分导度变化， 结果表明仅发育形成内皮层凯氏带的较 嫩根端部的 Ｌｐ 低， 而具有木 栓 化 外皮 层 的 根 中 部 ， 以 及 内 皮层已木栓化的根基部的 Ｌｐ 明显较高。 ３．５ 参 与 渗 透 胁 迫 Ｓｕｌｅｙｍａｎ 等 用 ０．５ ｍｏｌ／ＬＮａＣｌ 处 理 聚 球藻时发现， 初期 ＰＳ 的电子传递和 ＰＳ 的氧气释放活性均 可逆的快速下降， 后期则呈不可逆的缓慢下降［８］。这是由于 盐胁迫导致 Ｎａ＋向胞内流动， 而水分则通过 ＡＱＰ 流向胞外， 因 而 胞 内 Ｎａ＋和 Ｋ＋， 可 能 还 有 ＣＩ－ 浓 度 均 升 高 ， 以 致 光 系 统 失活。并且认为， 可逆下降由渗透效应引起， 而不可逆下降 则由离子效应引起， ＡＱＰ 参与这种可逆下降过程。从细胞水 平来说， ＰＩＰ 负责水分的吸收与外排， ＴＩＰ 负责调节膨压， 因 而细胞结构的完整性得以维持。 ３．６ 运输其他小分子物质 ＡＱＰ 对水具有高度选择性， 一 般不允许其他物质通过， 但目前发现在植物中， ＡＱＰ 除了对 水具有专一性外， 还可以提高细胞对丙三醇、尿素或二氧化 碳等的通透性 （ 如烟草水孔蛋白 ＮｔＡＱＰ１ 具有较高的二氧 化 碳 膜 渗 透 性） ， 还 可能 对 氨 和 氨 基 盐 、硼 、过 氧 化 氢 、酒 精 等 具 有 渗 透 性 ［９］。 ３．７ 参与栓塞的修复 近年来， 人们发现根的轴向导水阻 力受木质部导管中栓塞的影响很大， 栓塞的形成可显著降 低导管导水率［１０］。在栓塞的修复中， 由于栓塞的形成仅在导 管的管壁及纹孔场壁覆盖一层水膜， 因此溶液浓度高， 水势 低， 当 ＡＱＰ 被木质部薄壁细胞质中高浓度 Ｃａ２＋激活开启后， 水分就可从薄壁细胞流入导管。 ４ 调控 ４．１ 磷 酸 化 作 用 植 物 水 孔 蛋 白 磷 酸 化 作 用 是 调 控 水 跨 膜运输的重要手段。 菜豆种子的活性与磷酸化的关系已 在非洲爪蟾卵母细胞中得到验证， 当 α"ＴＩＰ 被磷酸化后， 活 性提高 １～１．５ 倍， 运输水的能力也相应提高［１１］。含羞草的突 变 体 分 析 表 明 ＭｐＰＩＰ１； １ 虽 然本 身 没 有 活 性 ， 但 它 的 Ｓｅｒ"
２５０１００）
摘要 从分子生物学角度综述了近年来植物水孔蛋白研究进展。
关键词 水孔蛋白； 生理作用； 活性调节
中图分类号 Ｑ９４４．６８＋５
文献标识码 Ａ 文章编号 ０５１７－ ６６１１（ ２００６） ２０－ ５１６８－ ０３
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ｉｎ Ｐｌａｎｔ Ａｑｕａｐｏｒ ｉｎ ＺＨＡＮＧ Ｙｕ"ｊｉｅ ｅｔ ａｌ （Ｈｉｇｈ"Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｊｉｎａｎ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５０１００） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ Ｐｌａｎｔ ａｑｕａｐｏｒｉｎｓ ｐｌａｙ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｏｌｅｓ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ， ａｎｄ ７０ ％￣９０ ％ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｄ ｂｙ ｒｏｏｔ ｉｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ａｑｕａｐｏｒｉｎｓ． Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ ａｑｕｐｏｒｉｎｓ ａｒｅ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｈｏｓｐｈｏｒｙｌａｔｉｏｎ， ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ， ｐＨ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ ｐｌａｎｔ ａｑｕｐｏｒｉｎｓ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｉｏｌｏｇｙ ｌｅｖｅｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ Ａｑｕａｐｏｒｉｎ； Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ； Ａｃｔｉｖｉｔｙ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ