高等植物钾转运蛋白_刘贯山

膜 含 有 不 同 类 型 的 转 运 蛋 白 ： ＡＴＰ 酶 或 ＡＴＰ 泵 、通 道 蛋 白 和 共 转 运 体 。ＡＴＰ 酶 可 利 用 水 解 ＡＴＰ 所释放的能量逆化学和电梯度驱动离子跨质膜运 输 。在 植 物 细 胞 中 ， 质 子 ＡＴＰ 酶 可 驱 动 质 子 跨 越 质 膜 或 液 泡 膜 以 分 别 酸 化 胞 外 基 质 或 液 泡 。通 道 蛋 白 可 促 进 水 分 和 离 子 顺 能 量 梯 度 扩 散 。这 些 蛋 白 组 成 通 道 ， 离 子 和 水 分 子 以 每 秒 每 通 道 １０６ 至 １０７ 个 单 分子迅速通过通道。通道的活性可以调节： 它们能 打开， 也能关闭。
图 １ 植 物 中 鉴 定 的 Ｋ＋转 运 系 统 注 ： ＋ ＋ 、Ｐ 、ＣＮＢＤ 、ＫＨＡ、ＥＦ 分 别 代 表 正 电 荷 氨 基 酸 、孔 、环 核 苷 酸 结 合 区 、富 含 疏 水 酸 性 残 基 区 、ＥＦ 手 性 结 构 域
ａｃｔｉｖａｔｅｄ， ｏｕｔｗａｒｄ ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ）通 道［１１］。推 测 在 Ｋ＋转 运 中 可 能 起 作 用 的 其 它 Ｋ＋转 运 体 和 阳 离 子 转 运 体 也 得 到 了 鉴 定 ［１２～１６］； 但 就 这 些 体 系 的 大 部 分 而 言 ， 可 获得的信息很少， 基本上来自于序列和进化关系分 析 ［１４］。
离子通道提高钾含量的基因转入烤烟常规推广品 种中进行烟草分子育种， 有可能培育出钾含量高的 烤烟品种， 以期提高烟叶钾含量并进而提高烟叶品 质。
在植物中， 负责根系从土壤中吸收钾以及钾在 体内转运的是钾通道及其转运体， 它们是由相应的 基因控制的。这些基因有许多， 分属于不同的基因 家 族 ， 在 以 拟 南 芥 （Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｔｈａｌｉａｎａ）为 模 式 植 物 的许多植物中得到比较详细的研究， 但烟草中人们 知 之 甚 少 。介 绍 和 总 结 了 高 等 植 物 中 已 经 克 隆 的 钾 吸收和转运蛋白， 为开展烟草钾基因克隆及分子育 种提供依据。
·综 述 与 专 论·
生物技术通报ＢＩＯＴLeabharlann ＣＨＮＯＬＯＧＹ ＢＵＬＬＥＴＩＮ
２００６ 年第 ５ 期
高等植物钾转运蛋白
刘贯山 王元英 孙玉合 王卫锋
（１ 中 国 农 业 科 学 院 烟 草 研 究 所 ， 青 岛 ２６６１０１； ２ 中 国 烟 草 总 公 司 青 州 烟 草 研 究 所 ， 青 岛 ２６６１０１）
１ 跨膜转运蛋白
植物细胞的质膜是一个可确保必要的离子和 代谢物进入细胞的选择性渗透屏障。与液泡膜一 道， 质膜可保持细胞内平衡。这些膜主要由磷脂双 分 子 层 组 成 ， 具 有 若 干 允 许 水 分 、离 子 和 代 谢 物 穿 越 的 跨 膜 蛋 白 ， 并 维 持 细 胞 质 ｐＨ 比 细 胞 外 或 液 泡
在 烤 烟（Ｎｉｃｏｔｉａｎａ ｔａｂａｃｕｍ）中 ， 除 了 作 为 重 要 的 营养元素起作用外， 钾还可增加烟叶的燃烧性并因 而降低烟制品的焦油含量， 从而提高其安全性。因 此， 钾含量多少常常作为烟叶的一个重要品质指 标 。但 是 ， 经 过 多 年 的 研 究 和 实 践 表 明 ， 烟 叶 钾 含 量 已 基 本 处 于“饱 和 ”水 平 ， 通 过 常 规 育 种 改 良 、适 宜 种植环境的选择以及栽培措施的改善难以进一步 提 高 烟 叶 钾 含 量 。而 在 分 子 水 平 上 将 烤 烟 高 钾 基 因 型品种中钾吸收和转运的主效基因和可能刺激钾
２ 钾转运蛋白
１９９２ 年 ， 植 物 Ｋ＋跨 膜 转 运 分 析 首 次 获 得 了 分 子 突 破 。 通 过 Ｋ＋ 吸 收 缺 陷 型 酵 母 （Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）突 变 株 系 的 功 能 互 补 ， 两 家 实 验 室 同 时 独 立 地 克 隆 了 两 个 拟 南 芥 Ｋ＋通 道 ＡＫＴ１ 和 ＫＡＴ１ 基 因 ［４，５］。 ＡＫＴ１ 和 ＫＡＴ１ 与 最 初 从 果 蝇 （Ｄｒｏｓｏｐｈｉｌａ）中 克 隆 并 命 名 为 Ｓｈａｋｅｒ 的 动 物 Ｋ＋通 道 相 关 。不 久 ， 基 于 ＤＮＡ 策 略 和 系 统 测 序 揭 示 了 与 这 两 个 通 道 相 关 的 一 个 Ｋ＋通 道 大 家 族 ， 它 们 构 成 了 植 物 Ｓｈａｋｅｒ 家 族 。１９９４ 年 ， 通 过 酵 母 功 能 互 补 策 略 又 获 得 了 另 一 个 突 破 ， 从 小 麦 （Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ）中 首 次 克 隆 了 一 个 Ｋ＋转 运 体 ＨＫＴ１， 并 鉴 定 了 植 物 ＨＫＴ（ｈｉｇｈ－ａｆｆｉｎｉｔｙ Ｋ＋ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ）家 族 ［６，７］。 １９９７ 年 ， 通 过 三 种 不 同 的 克 隆 策 略 ， ＰＣＲ、基 因 数 据 库 分 析 和 酵 母 功 能 互 补 ， 同 时 鉴 定 了 植 物 Ｋ＋转 运 体 的 另 一 个 家 族 ： ＨＡＫ（ｈｉｇｈ－ ａｆｆｉｎｉｔｙ Ｋ＋）或 ＫＵＰ（Ｋ＋ ｕｐｔａｋｅ）／ＨＡＫ／ＫＴ（Ｋ＋ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ） 。 ［８￣１０］ 在 同 一 时 期 ， 通 过 基 因 数 据 库 搜 索 动 物 Ｋ＋通道 新 的 植 物 对 应 物 ， 鉴 定 了 ＫＣＯ （Ｋ＋ ｃｈａｎｎｅ ｌ， Ｃａ２＋－
２００６ 年第 ５ 期
高 １～３ 个 单 位 。 纯 磷 脂 双 分 子 层 可 透 过 Ｏ２ 和 ＣＯ２ 等气体， 但很少透过水分， 几乎不能透过无机离子 和其它亲水溶质诸如蔗糖和氨基酸。因此， 以足以 满 足 细 胞 需 要 的 速 度 跨 质 膜 和 液 泡 膜 转 运 质 子 、无 机 离 子 和 有 机 溶 质 需 要 蛋 白 质 的 参 与［３］。
摘 要： 钾在植物生长发育过程中具有许多重要的作用。以模式植物拟南芥中克隆和鉴定的钾通道和转运体 为基础， 全面介绍了高等植物中钾转运体系家族， 包括 Ｓｈａｋｅｒ 通道、ＫＣＯ 通道、ＫＵＰ／ＨＡＫ／ＫＴ 转运体、ＨＫＴ 转运体和 其它转运体。同时， 分析了在高等植物中存在多种钾吸收和转运机制的可能原因。
依据其结构和功能， 钾转运蛋白可分为五大 类 ： Ｓｈａｋｅｒ 通 道 、ＫＣＯ 通 道 、ＫＵＰ／ＨＡＫ／ＫＴ 转 运 体 、 ＨＫＴ 转 运 体 和 其 它 转 运 体 ， 它 们 共 同 构 成 植 物 Ｋ＋ 转运体系家族。 ２．１ Ｓｈａｋｅｒ 通 道
典 型 的 植 物 Ｓｈａｋｅｒ 通 道 蛋 白 从 Ｎ 末 端 至 Ｃ 末 端 包 括 一 个 相 当 短 （大 约 ６０ 个 氨 基 酸 ）的 细 胞 质 Ｎ 末 端 区 、一 个 由 ６ 个 跨 膜 区 （ＴＭＳ； Ｓ１ 至 Ｓ６）构 成 的 疏水核和一个包括一半以上序列的长细胞质 Ｃ 末 端 区（图 １）。 第 四 个 ＴＭＳ（ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔ）含 有作为电压 感应器起作用的正 电荷氨基酸（精氨酸 和 赖 氨 酸）。高 度 保 守 的 离 子 传 导 孔 区（Ｐ 结 构 域）位 于 Ｓ５ 和 Ｓ６ 之 间 ， 带 有 Ｋ＋高 选 择 通 道 标 记 的 甘 氨 酸－酪氨酸－甘氨酸－天冬氨酸／谷氨酸基序。Ｃ 末端 区含有调节结构域， 包括一个推测的环核苷酸结合 区 （ｃｙｃｌｉｃ ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ – ｂｉｎｄｉｎｇ ｄｏｍａｉｎ； ＣＮＢＤ）、一 个 在 大 部 分 Ｓｈａｋｅｒ 通 道 中 存 在 的 锚 蛋 白 区 和 一 个 最 靠 Ｃ 末 端 的 富 含 疏 水 酸 性 残 基 区 （ ＫＨＡ） 。Ｓｈａｋｅｒ 通 道的一个重要特点是， 它们能形成异源四聚体结 构 ， 允 许 植 物 调 节 不 同 细 胞 中 的 Ｋ＋转 运 活 性 ， 这 种 调节在每个器官或组织中是独立的并与环境条件 相 关 ［１７］。 根 据 离 子 整 流 性 质 ， Ｓｈａｋｅｒ 通 道 有 三 种 类 型 ： 内 向 、弱 内 向 和 外 向 整 流 通 道 。内 向 整 流 通 道 使 Ｋ＋流 入 细 胞 ， 外 向 整 流 通 道 使 Ｋ＋流 出 细 胞 ， 弱 内 向 整 流 通 道 既 可 调 节 Ｋ＋流 入 细 胞 也 可 调 节 Ｋ＋流 出 细 胞。
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ （Ｋ＋） ｐｌａｙｓ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅｓ ｉｎ ｐｌａｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ， ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｋ＋ ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒｓ ｃｌｏｎｅｄ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｉｎ ａ ｍｏｄｅｌ ｐｌａｎｔ Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ， ｔｈｅ ｆａｍｉｌｉｅｓ ｏｆ ｐｌａｎｔ Ｋ＋ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｓｈａｋｅｒ ａｎｄ ＫＣＯ ｃｈａｎｎｅｌｓ， ＫＵＰ／ＨＡＫ／ＫＴ， ＨＫＴ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｐｏｓ! ｓｉｂｌｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ Ｋ＋ ｕｐｔａｋｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ｉｎ ｈｉｇｈｅｒ ｐｌａｎｔｓ．
收 稿 日 期 ： ２００６－０４－２５ 作 者 简 介 ： 刘 贯 山 （ １９６４－） ， 男 ， 博 士 ， 副 研 究 员 ， 主 要 从 事 烟 草 基 因 工程研究， Ｔｅｌ： ０５３２－８８７０３１６８， Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｇｕａｎｓｈａｎ２００２＠１６３．ｃｏｍ
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生物技术通报 Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ Ｈｉｇｈｅｒ ｐｌａｎｔ Ｔｏｂａｃｃｏ
钾 （Ｋ＋）是 植 物 中 含 量 最 大 重 要 的 营 养 元 素 ， 是 非盐生植物中最丰富的无机阳离子， 占植物总干重 的 １０％。 由 于 高 浓 度 钾 与 蛋 白 质 结 构 的 相 容 性 ， 所 以 钾 在 渗 透 调 节 、阴 离 子 基 团 的 电 中 和 以 及 细 胞 膜 极 化 的 控 制 等 基 本 功 能 方 面 均 起 重 要 作 用 ［１］。 而 且， 由于钾是大量酶的激活剂， 所以钾在光合作用、 蛋白质合成和氧化代谢中也起关键作用。在植物 中 ， 有 关 的 直 接 证 据 表 明 ， 钾 涉 及 到 细 胞 延 伸 、气 孔 运 动 和 气 体 交 换 调 节 以 及 不 同 信 号 转 导 过 程［２］。