植物细胞中氨基酸转运蛋白的一些已知或未知的功能

植物细胞中氨基酸转运蛋白的一些已知或未知的功能

膜蛋白对于氨基酸在细胞和细胞器之间的进出是非常必要的。虽然很多推定的氨基酸转运蛋白已经被识别，但仅仅只有一些蛋白对植物细胞氮元素的转运功能起作用。那些研究证实内流系统在细胞和整个植物水平的氨基酸分离中有着基础性的作用。生理学的数据进一步表明氨基酸转运蛋白是植物新陈代谢的主要调节者，它们的活性会影响到植物的生长和发展。相反地，氨基酸外排系统和细胞之间的转运载体的分子机制的研究还很少。同样地，氨基酸转运蛋白的功能和参与氨基酸信号的转运蛋白的调控也是知之甚少。未来的研究需要确认缺失的部分，阐明对整个植物生理和生产能力具有重要作用的氨基酸转运蛋白。

引言

植物中的氨基酸有着高度不同，扮演着必要的角色。通过构建酶和蛋白的模块，它们为植物的新陈代谢和结构提供了重要的成分。此外，它们还是对植物起重要作用复合物的前体或者氮元素的提供者，这些复合物包括核苷酸、叶绿素、激素和次级代谢物。植物可以从土壤中直接吸收氨基酸或者将无机氮（硝酸盐和铵）合成氨基酸。20

种氨基酸中很多是在根部和叶子中的质体中合成，但它们也会在细胞内其他细胞器中合成，包括线粒体、细胞质和过氧化物体。依据合成，氨基酸会被用于新陈代谢，瞬时贮存，或者转运到韧皮部进行营养生长和生殖生长。氨基酸在细胞或者细胞器，以及从源到汇器官的运输在细胞或亚细胞膜中都需要有外排或内流转运功能的蛋白。

不同转运蛋白家族对于氨基酸在植物细胞中的内流作用已

经被识别

至少在18年前，第一个植物氨基酸转运蛋白AAP1/NAT2（氨基酸透性酶1）在拟南芥中被识别。AAP1属于这个家族的8大成员之一（AAP1-8），它们分别转运酸性、中性和碱性的氨基酸。截止到现在，建立在不同的互补实验和序列同源性的基础上，有超过60种的可推测的氨基酸转运体已经在拟南芥中被识别出来了。转运体在不同系统中通过功能分析表达和局部研究，进一步表征，大部分参与了植物细胞吸收氨基酸的过程，它们属于AAP（氨基酸透性酶）、LHT（类似赖氨酸和组氨酸转运蛋白）、ProT（脯氨酸转运蛋白）、ANT1-like

（类似ANT1的芳香族和中性氨基酸转运蛋白）、GAT（γ-氨基丁酸转运蛋白）和CAT（阳离子氨基酸转运蛋白）。转运蛋白在酵母菌或者非洲爪蟾蜍卵母细胞中，以及它们的组织或者细胞定位中，根据基底的选择性和亲和性不同而不同。然而，研究表明，它们对于根部吸收、木质部转运、叶肉细胞和种子的氨基酸内流有着重要的生理作用。

具有内流功能的氨基酸转运蛋白

根部吸收氨基酸

最近几年研究中，有四种氨基酸转运蛋白在拟南芥根部吸收氨基酸的过程中起着重要作用，它们是LHT1，AAP1，AAP5，和ProT2。ProT2是在根部表皮和皮层中表达，参与根部脯氨酸（兼容性溶液）的吸收。AAP1位于根尖和表皮细胞，包括根毛，当土壤浓度高于50μM时，对于中性和酸性氨基酸的吸收起重要作用。当土壤浓度较低时，LHT1和AAP5分别对中性、酸性和碱性氨基酸的吸收起重要作用。在植物的早期生长阶段，AAP5在根部的皮层中表达，LHT1在根部的表皮，皮层和籽苗的内皮层中表达，对氨基酸内流进根部细胞具有直接的促进作用。但是，在后期生长阶段，AAP5和LHT1对氨基酸的吸收并不那么直接，因为AAP5的转录物在根部非常低，但在叶子、茎干和花中比较高，LHT1仅仅在根尖和整个叶肉细胞中表达。此外，在含LTH1的叶子中，质外体氨基酸的大量增加，就会反馈调节从土壤中吸收的氨基酸量。为了清晰解决转运蛋白是否直接或间接作用于根部氨基酸的吸收的问题，还要继续研究在根部表达的氨基酸转运蛋白。

韧皮部氨基酸的内流

氨基酸从源到汇的迁移通常发生在韧皮部，在大多数的草本植物中，包括拟南芥，有机氮的装配积累在叶部小静脉的韧皮部中。然而，截止到现在，参与此步骤的氨基酸转运蛋白一直没有被识别出来，但蛋白的候选者可能属于AAP家族。对整个植物生理的氨基酸韧皮部装配重要性的证据已经通过表达酵母转运体S-甲基蛋氨酸，一种含硫非蛋白氨基酸，以及豌豆植物韧皮部的AAP1中获得了。当根衍生的氨基酸从木质部转移到韧皮部时，韧皮部装载也发生转运途径。负责这次装配步骤的是拟南芥AAP2。在AAP2植物中，氨基酸转运到库的减少就会导致种子中的整个氮元素和蛋白质水平下降。即使没有直接参与韧皮部的吸收，木质部软组织细胞的AAP6表达和降低AAP6植物

韧皮部的氨基酸水平，进一步突出了转运蛋白对氨基酸从木质部到韧皮部过程中转运的重要性。

种子的氨基酸内流

在生殖生长阶段，拟南芥AAP8和AAP1参与了氨基酸转运到种子中。在胚的早期阶段，AAP8调节氨基酸吸收到胚乳中，它对角果中50%

的已受精胚乳流产具有重要作用。然而，转运体也会在脉管系统表达，推测角果的韧皮部，茎干和可能的其他器官，以及AAP8植物种子生长可观察到的效应也可能部分通过减少韧皮部装配和氨基酸转运到

库器官。氨基酸吸收入胚是被APP1调节的。在APP1植物中，当氨基酸内流入胚中，随后种子氮和蛋白质水平的降低，其他胚表达的氨基酸转运蛋白，比如CAT6对AAP1的功能缺失具有补偿作用，因为AAP1种子的生长不受影响。子叶贮藏薄壁组织细胞也能表达AAP转运蛋白，使氨基酸内流，有利于非原生质体蛋白的积累，蚕豆子叶软组织细胞中AAP1的过度表达，会导致种子蛋白质含量的增加，形状和重量变大。

氨基酸转运蛋白的调控

虽然目前还没有证据表明植物氨基酸转运蛋白是转录后调节或

翻译后修饰，但调控的确发生在转录水平上。氨基酸转运蛋白的表达发生在特定的细胞和组织中，它会受到环境的影响，比如水和盐胁迫。有意思的是，病原菌的侵染能够影响拟南芥LHT1的表达，可能作为一种手段提高细胞质基质谷氨酰胺的水平。谷氨酰胺，反过来，会影响水杨酸调节信号途径，从而导致抗病性下降。同样地，在百脉根中，菌根菌类会诱导LHT1在根部的表达。此外，氨基酸转运蛋白的表达也受到可利用氮的影响，包括存在的无机氮和有机氮。还有，在衰老过程中细胞氨基酸水平的改变，当氨基酸被活化，改变氨基酸转运过程（突变体或者过度表达体），会影响到特别氨基酸转运蛋白的表达。

氨基酸外排转运蛋白

生理学数据显示，氨基酸从植物细胞中外排需要转运蛋白，但在分子水平上已知的很少。外排蛋白的候选者已经进行了讨论，它们是建立在细菌蛋白，哺乳类动物，和其他促进氨基酸流出的生物体序列同源的基础之上。但是它们在植物中的功能仍待阐述。这包括拟南芥BAT1（双向氨基酸转运体1），它在酵母细胞中能够调节精氨酸和丙

氨酸的内流，赖氨酸和谷氨酸的外排。相反的是，芳香中性氨基酸转运体ANT1的突变体的研究显示增加了筛管氨基酸水平，这表明如果转运蛋白在韧皮部，ANT1可能会将氨基酸从拟南芥的韧皮部转运出去。可喜的结果是最近获得了一种膜蛋白，它似乎可以促进氨基酸的外排。SiAR1是一种双向的氨基酸转运体，参与谷氨酰胺和组氨酸的细胞外排，天冬氨酸和谷氨酸的细胞内流。它会在根部和种子，以及不同器官的维管组织中表达。SiAR1是重要的，它的缺失叶片生长减缓，红角果花青素的积累，因为N元素分区的改变。GDU1，虽然没有直接参与氨基酸的外排，但是似乎通过促使非选择性氨基酸促进因子的活化来潜在调节细胞内谷氨酰胺的释放。

细胞内氨基酸的转运蛋白

虽然很多蛋白质氨基酸在质体中合成，但氨基酸的合成和依赖于氨基酸的有机化合物的合成也发生在细胞质和其他细胞器。这就要求有内流和外排的蛋白在亚细胞膜上存在，指导氨基酸特定的代谢途径。基于生物化学、蛋白质组、定位等研究，拟南芥的蛋白质已被确定，可能在氨基酸转运线粒体、液泡和叶绿体中起作用，ER或高尔基体膜，但其生理功能仍有待证实。目前为止，植物中唯一的转运蛋白是DiT2.1，是一种谷氨酸和苹果酸的转运器，将谷氨酸从质体中排出到胞液中。DiT2.1对氨同化转运功能具有促进作用，它们展示出光呼吸表现型。

氨基酸转运蛋白在植物代谢和发育中会发挥关键作用吗？

转录组和代谢组研究发现，调控是在氮/碳/硫/磷代谢与初级、次级代谢以及系统N的响应。氨基酸不仅对于蛋白质、酶和植物生长新陈代谢、生长和防御非常必要的很多化合物合成的关键，它们通过信号分子来影响生物过程，或通过氨基酸合成来影响激素的作用。因此，转运蛋白位于一个复杂代谢网络的中心位置，在源和汇的不同途径中调节氨基酸的供应（见例）。最近的研究支持这一生理过程，无论是上游和下游的氨基酸转运功能都会受到有机氮转运蛋白活性的强烈影响。例如，韧皮部加载的变化，源-库易位和种子中氨基酸的内流都会影响叶的发展，以及氮、碳或硫的代谢，并反馈调节从土壤中吸收的氮和硫。同样，库的发展（即花数，分支，豆荚数/荚和种子，种子重量）以及种子代谢都会受到氨基酸转运蛋白活性的影响。在转运蛋白的突变体和过度表达体中，特定氨基酸会显示一种可能的

信号，通过诱导复杂的信号转导级联，致使基因表达的转变，从而导致观察到的发生变化。然而，通过在氨基酸水平的变化的检测和信号转导的机制是未知的，但可能涉及氨基酸转运蛋白或蛋白激酶，如酵母细胞中在氨基酸通透性酶GAP1 SSY1和GCN2激酶。

结论与未来的挑战

最近，氨基酸转运蛋白的研究工作表明，细胞氨基酸内流过程对植物生长有重要作用。然而，目前的研究仅限于少数氨基酸转运体和细胞类型或组织，主要关注拟南芥，而并非单子叶植物或作物。此外，许多生理功能，如氨基酸装载聚集在韧皮部或生殖器官，花组织的生长与繁殖作用的研究还有待解决。我们还缺乏氨基酸在亚细胞膜的外排和移动的转运蛋白的基本信息，这个挑战也亟待解决。其他还可能漏掉涉及转运蛋白调节的高度复杂问题。什么是信号控制转运蛋白的表达，导致养分吸收，代谢和发展的变化？细胞如何感知氨基酸状态？氨基酸转运蛋白是否参与了？同样地，翻译后的氨基酸转运蛋白的活性是否被调控，以及是否需要蛋白修饰或蛋白质-蛋白质相互作用？

氨基酸转运蛋白是氨基酸在细胞或细胞器之间移动的门卫。一旦蛋白质的功能被分配，氨基酸转运就需要被集成到一个复杂的代谢和信号网络，去充分认识它们对整个植物的生理和植物生产力贡献的重要性。还需要努力研究它们与环境之间的作用，预测在压力和养分限制的情况下植物的表现。

图中显示的是植物中已被证实功能的氨基酸转运蛋白（有黑圈的箭头和两个黑箭头）。这包括（i）根部氨基酸吸收的转运蛋白[LHT1, AAP1, AAP5, ProT2和CAT6]，（ii）内流入叶肉细胞[LHT1]，胚乳[AAP8]，胚[AAP1]，木质部薄壁组织[AAP6]和韧皮部转运[AAP2]，（iii）谷氨酰胺和组氨酸的细胞外排，天冬氨酸和谷氨酸的吸收[SiAR1]，（iv）谷氨酸和苹果酸在叶绿体膜的交换[DiT2.1]。然而，许多氨基酸运输系统仍然需要被发现，其生理功能需要被阐明（带白圈的箭头）。这些例子是转运蛋白在为氮的源到汇，叶小静脉的韧皮部装配，或者对花细胞/组织繁殖有促进作用的氨基酸的内流。此外，特定氨基酸的细胞外排系统或广泛的底物特异性，以及细胞内的转运蛋白（如液泡，叶绿体，过氧化物酶体和线粒体）仍

有待确定，分析其生理意义。