植物水通道蛋白调控及其基因功能研究进展

邓晓旭，陈黄曌，王 琦

（1.河南牧业经济学院生物工程学院，郑州 450046；2.河南工业大学，郑州 450001）

植物水通道蛋白调控及其基因功能研究进展

邓晓旭1，陈黄曌1，王 琦2

（1.河南牧业经济学院生物工程学院，郑州 450046；2.河南工业大学，郑州 450001）

水通道蛋白在维持植物中水和离子平衡、细胞完整性、生长和生存等方面起着至关重要的作用。文章综述了水通道蛋白的结构与亚细胞定位，蛋白功能与调控，基因表达与分析，并初步对水通道蛋白后续的研究进行了展望，以供参考。

植物 水通道蛋白 亚细胞定位 调控 基因表达

植物的生长和发育依赖于细胞膜和组织对水吸收和运输的严格控制。自从20多年前在植物中发现了第一个水通道蛋白以来，许多发现均认为它是水通过细胞膜的重要途径。目前水通道蛋白基因在烟草、拟南芥、玉米、水稻等多种植物被发现并克隆，且已被证实是一个超基因家族。拟南芥中存在35个水通道蛋白同源物，玉米中存在35个水通道蛋白基因，而水稻中也存在33个。植物中的水通道蛋白基因不仅具有多样性，而且拥有极高的丰度。

1 水通道蛋白结构和亚细胞定位

水通道蛋白由6个跨膜α-螺旋形成5个环状结构（A-E环），它的A、C、E环朝向液泡或者细胞质，它的N端、C端以及B、D环朝向细胞质。B、D环各有一段高度保守的NPA序列形成一个窄孔，为水分子跨膜运输提供通道。

水通道蛋白属于古老的通道蛋白MIP家族（Major Intrinsic Proteins），基于序列的相似性和亚细胞定位，被分为 PIPs（Plasma membrane Intrinsic Proteins）、TIPs（Tonoplast Intrinsic Proteins）、NIPs（Nodulin-26-like Intrinsic Proteins）、SIPs（Small Intrinsic Proteins）。 采用GFP融合蛋白表达和免疫化学技术对MIP家族进行亚细胞定位。PIPs定位于原生质膜上，且孔道狭窄，高度保守，是典型的高选择性水分子通道[1]。PIPs分为PIP1、PIP2和PIP3 3个亚类，PIP1具有较长的N端和C端。TIPs定位于液泡膜或囊膜上，有α、β、γ、δ和ε 5个亚类，水运输力是PIPs的近100倍。NIPs定位于细菌和植物的共生体膜上，具有多种孔道构象。SIPs定位于质膜内陷形成的质体膜上，分为SIP1和SIP22个亚类，是植物水通道蛋白最小的家族，且具有非常罕见的孔道构象。

2 水通道蛋白功能与调控

已有研究发现，植物水通道蛋白的作用远远超出了水分子跨膜运输，还能运输其它的小分子或具有重要生理功能的气体。由于水通道蛋白与植物中水分子跨膜运输以及植株生长发育中的作用联系紧密，所以水通道蛋白的精密调节对植物渗透系数的改变至关重要。

水通道蛋白基因的表达可以随着不同的环境条件、细胞、组织类型和植物发育阶段而发生变化[2]。除了这些基因表达的最初调控步骤外，翻译和定向的水通道蛋白活性还可以被进一步调控，如甲基化、糖基化、磷酸化，也可以通过pH、二价离子和膜张力的改变来调节。据报道，诸如缺氧胁迫、盐胁迫和水胁迫等各种压力条件也会影响植物体内水通道蛋白的活性。

最早被发现的是磷酸化对水通道蛋白的影响，糖基化也是水通道蛋白定向转运和靶向膜插入的关键。加压素（antidiuretic hormone，ADH）可以使细胞内的cAMP水平升高，激活蛋白酶K，从而使水通道蛋白磷酸化，促进囊泡和质膜的融合，最终增加细胞膜的通透性。松叶菊的McTIP1；2基因在受到低渗胁迫后重新定位，该变化与通道蛋白的糖基化有关。现有报道，在哺乳动物中AQP0，AQP3，AQP6和植物的PIPs基因受到Ca2+离子浓度的调节。拟南芥悬浮细胞与根的通透性受Ca2+和低pH的影响。在非洲爪蟾卵母细胞中，拟南芥 AtPIP2；1，AtPIP2；2，At PIP2；3 和At PIP1；2在pH从7变化为6时水通道关闭。有文献报道，植物根系水通道蛋白也受到盐胁迫的诱导，此外，还受到多种激素包括ABA，GA及环境因素蓝光，水分胁迫等的诱导。

NOD26是植物中被发现的首个MIP家族成员，由271个氨基酸残基构成，参与植物细胞和细菌之间的小分子物质运输。Roberts等发现爪蟾卵母细胞中表达的NOD26具有对汞敏感的水通道活性，对甲酰胺，甘油等不带电的溶质分子具有较高的通透性，且受汞的抑制作用。

水通道蛋白在调节植物体内水分流动的同时也在胞质与液泡，胞质与质外体间的渗透中参与重要功能。TIPs编码的水通道蛋白介导液泡与细胞质之间的水分交换。通过对拟南芥的TIP1进行基因功能分析发现，TIP1；1基因定位于细胞中多液泡的连接处，与液泡间的融合过程密切相关，敲除该基因后对拟南芥的生长基本无影响，但提高了植株对环境中渗透胁迫的耐受程度。

3 水通道蛋白基因表达和分析

众多学者对水通道蛋白在逆境下的作用进行了大量的研究。BnPIP1在烟草中的超表达使植株水分的传导能力提高，且抗旱性增强；NtPIP1基因能够提高烟草在盐胁迫下的水分利用率和生物产量；TdPIP1在烟草中的过表达加快烟草根系的生长并增大叶片面积，因此提高了烟草的抗逆能力；OsPIP2；6的过表达能够提高水稻抗亚砷酸盐的能力；在拟南芥中表达黑籽南瓜的CfPIP2；1基因后，可以提高植株在干旱环境下的成活率，在黑籽西瓜中表达黄瓜CsPIP1；1基因或CsPIP2；1后可以提高种子在高盐胁迫下的发芽率。有研究发现PIPs的mRNA及蛋白表达水平基本不受水胁迫的影响。

有报道称，水通道蛋白促进CO2在细胞膜中的运动。在烟草中对水通道蛋白基因AtAQP1进行过表达分析，反义表达植株中CO2在细胞膜中的通透性降低。在水稻中，对HvPIP2；1基因进行过表达，试验发现细胞内的CO2的传导性和CO2的同化作用增加。用赤霉素诱导水稻OsPIP2；6后，基因表达量增加；赤霉素处理6 d和9 d苗龄月季后，其基因RhPIP1表达量升高24%和19%，在经脱落酸处理后，表达量下降50%和70%。

有研究表明，水通道蛋白在植物体内微量元素硼的跨膜运输中发挥着重要作用。拟南芥中的AtNIP5基因被认为可以将硼元素转运至植物的根系，AtNIP6可以将硼元素优先转运至嫩芽生长的组织部位。大麦的HvPIP1；3和HvPIP1；4基因在酵母细胞中过表达之后可增强细胞对环境中硼元素的耐受度，同时OsPIP2；4和OsPIP2；7基因可以提高水稻植株对环境中硼胁迫耐受性。

对葡萄的多个水通道蛋白序列分析后得出结论，这些蛋白具有转运氨、尿素、硼等的特征序列。通过一系列的酵母生长表型的变化分析，认为该蛋白可提高酵母细胞对喷施硼和过氧化氢的敏感性，可能在类似小分子物质的转运中发挥重要功能。

4 展望

长久以来都存在一种观点，认为水通道蛋白可以通过调节质膜的渗透压来增加细胞膜的透水性。这一简单的渗透假说已经被广泛应用于动物上皮液体输送、植物的水分吸收和蒸腾以及微生物的细胞膜渗透性调节。但是该假说并不能合理地解释在一些细胞、亚细胞和组织水平通过基因消除或者突变等途径得到的研究结果。直到2004年Hill等提出了不同的观点[3]。通过建立水通道蛋白的机械模型进行探讨提出假设，水通道蛋白在细胞膜的渗透性和膨压中担任的是跨膜传感器的角色；但水通道蛋白在分子层面的作用机理仍需要开展深入研究。

[1] Marty F．Plant vacuoles．Plant Cell，1999，11（4）：587

[2] Chaumont F，Moshelion M，Daniels M J．Regulation of plant aquaporin activity．Biology of the Cell，2005，97（10）：749～764

[3] Hill A S B，Shachar-Hill Y．What are aquaporins for? [Review]．Journal of Membrane Biology，2004，197（1）：1～32