HIPPs 响应植物重金属胁迫的调控机制

臧 辉，毕晓静，何君毅，蔺 超，张 琪，张蕴薇

（中国农业大学草业科学与技术学院, 北京 100193）

近年来，随着土壤污染越来越严重，植物的生长发育受到土壤中多种重金属胁迫，主要包括镉、铜、锌、锰、铁、铅等。土壤中的重金属通过从土壤到根系的转移被植物吸收，造成植物生长发育受限甚至死亡，直接导致作物减产等诸多不良影响[1-2]。植物受到重金属胁迫后，会启动自身防御机制抵御逆境胁迫带来的毒害作用。植物中存在的一些特殊蛋白，如金属伴侣蛋白等，能够通过与重金属离子结合，缓解植物受到的重金属毒害影响，在植物响应重金属胁迫中发挥重要作用。金属伴侣蛋白具有特殊结构域，其中酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、抗氧化剂蛋白1 (Antioxidant protein 1, ATX1)和肠球菌(Enterococcus hirae)铜伴侣蛋白CopZ 的蛋白质结构中含有重金属相关结构域(heavy-metal-associated domain, HMA)金属结合基序-Cys-XX-Cys，在重金属离子运输和维持重金属离子动态平衡中发挥重要作用[3-5]。

植物中同样具有HMA 结构域的金属伴侣蛋白，根据结构不同主要分为重金属相关植物蛋白(heavy-metal-associated plant proteins, HPPs)和重金属相关异戊二烯化植物蛋白(heavy metal-associated isoprenylated plant proteins, HIPPs) 两类[6]。重金属相关异戊二烯化植物蛋白HIPPs 因其蛋白质结构中包含两种保守结构，即重金属相关结构域HMA 和蛋白质C 端异戊二烯化位点(CaaX 基序)，被认为是一类金属伴侣蛋白或异戊二烯化蛋白[7-8]。HIPPs 蛋白质种类繁多且功能复杂，在植物响应重金属胁迫中发挥着重要作用，而目前暂未发现关于HIPPs 研究进展的系统性总结。本文通过分析不同植物中HIPPs 遗传进化关系、蛋白质结构特征及其分类特征，进一步对HIPPs 响应植物重金属胁迫的功能及其调控机制进行综述，以期为植物的重金属抗逆胁迫研究提供参考。

1 HIPPs 蛋白质结构和特征

植物受到重金属胁迫时，体内的金属伴侣蛋白能够与重金属离子结合，阻止重金属离子与重要细胞元件结合，从而缓解重金属对植物产生的毒害作用[9]。重金属相关植物蛋白HPPs 的蛋白质结构中包含重金属相关结构域HMA，此类蛋白质的氨基酸序列包含HMA 结构域金属结合基序CXXC，其中两个半胱氨酸能够通过形成半胱氨酰硫配体与重金属离子结合，从而调节重金属离子运输并维持其离子稳态[10-12]。重金属相关异戊二烯化植物蛋白HIPPs 是维管植物特征性蛋白，其蛋白质结构中除了包含HMA 结构域外，还包含C 端的异戊二烯化位点，即蛋白质羧基端含有CaaX 保守基序，其中，“C”指保守的半胱氨酸，“a”是脂肪族氨基酸，“X”指甲硫氨酸、谷氨酰胺、半胱氨酸、丝氨酸和丙氨酸等[7-8]。蛋白质的异戊二烯化是一种蛋白质翻译后修饰作用，能够增强蛋白质的特异性，还能促进蛋白质之间互作或者蛋白质与膜的互作，在蛋白质定位、细胞周期调节以及植物与病原菌互作信号转导等过程中发挥重要作用[8,13-15]。HIPPs 家族成员的蛋白质序列长短不一，部分HIPPs 蛋白质含有核定位信号(nuclear localization signal, NLS)，使蛋白质定位于细胞核中， 如拟南芥(Arabidopsis thaliana)AtHIPP26[16]和菠菜(Spinacia oleracea) SpoHIPP39[17]等。此外，一些HIPPs 蛋白质的HMA 结构域和CaaX 保守基序之间还存在脯氨酸富集区[18]或甘氨酸富集区[19]，其中脯氨酸富集序列缺失使得水稻抗稻瘟病(Pyricularia oryzae)能力增强[20]。

2 HIPPs 蛋白质进化与分类

Dykema 等[11]首次鉴定了拟南芥、烟草(Nicotiana tabacum)和大豆(Glycine max)中的HIPPs 蛋白，并证明HIPPs 家族蛋白的成员较多。对HIPPs 的分类方式研究存在一定差异。Barth 等[21]将44 个拟南芥AtHIPPs 蛋白划分为6 个不同分支，而Tehseen 等[6]发现了1 个额外的AtHIPP，并依据保守HMA 结构域，将45 个AtHIPPs 和22 个AtHPPs蛋白整体分成7 个分支。de Abreu-Neto 等[22]将拟南芥45 个、水稻59 个、 粟 米 (Setaria italica) 51 个、 江 南 卷 柏(Selaginella moellendorffii) 5 个 和 毛 果 杨(Populus trichocarpa) 74 个，共计234 个HIPPs基因编码的氨基酸序列聚类分成5 个不同分支。通过对不同植物中HIPPs基因数量及其编码HIPPs 蛋白质特征进行分析，发现不同植物中HIPPs 家族成员数量不同，根据HIPPs 蛋白质结构特征主要分成5 个类别[22-23](表1)。

表1 不同植物中HIPPs 蛋白质分类及特征Table 1 Classification and characteristics of HIPPs in different plants

拟南芥AtHIPPs 和水稻OsHIPPs 蛋白的单独进化分析分别呈5 个不同分支，且二者HIPPs 蛋白质结构具有保守性，拟南芥和水稻的分支Ⅰ中蛋白质全部有两个HMA 结构域，其余分支只有1 个，分支Ⅱ和Ⅴ中蛋白质较小，分支Ⅲ中包含大量甘氨酸重复序列的大蛋白质，而在拟南芥分支Ⅳ中蛋白质数量最少，在水稻5 个不同分支中大部分蛋白质包含脯氨酸富集基序，尤其在分支Ⅳ中[22](表1)。水稻和拟南芥HIPPs 和HPPs 蛋白的整体聚类也被分成5 个组，表明这两种蛋白质在水稻和拟南芥中都是高度保守的[24]。大多数植物HIPPs 蛋白结构与拟南芥和水稻高度保守，HIPPs 蛋白分类也主要分成5 个分支。小麦(Triticum aestivum)、野生二粒小麦(T.dicoccoides)、乌拉尔图小麦(T.urartu)、节节麦(Aegilops tauschii)、大麦(Hordeum vulgare)以及簇毛麦(Haynaldia villosa)、拟南芥、水稻、二穗短柄草(Brachypodium distachyon)中共计435 个HIPPs基因编码的氨基酸序列的聚类结果也分成5 个分支，且不同分支间HIPPs 蛋白质结构不同，分支Ⅰ中蛋白质有两个HMA 结构域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中只有1 个，且分支Ⅱ是最大分支，蛋白质数量最多，分支Ⅳ是最小分支，分支Ⅴ中蛋白质的大小和功能域更加多样化，而在同一分支中不同物种间HIPPs 蛋白质结构具有保守性[23](表1)。已有研究推测HIPPs 蛋白质在植物进化早期就发生了维管植物祖先的多样性分化，且这种分化与其在植物中的重要功能存在一定联系[22]。

3 HIPPs 蛋白质响应重金属胁迫的功能

HIPPs 家族蛋白在植物响应重金属胁迫[25]、干旱胁迫[16]、盐胁迫和低温胁迫[26]等非生物胁迫，以及响应甜菜孢囊线虫(Heterodera schachtii)[27]和稻瘟病[20]等生物胁迫中都发挥作用，还参与调节植物细胞分裂素响应[28]及植物开花过程[29]，即其在植物响应逆境胁迫及生长调节等方面均具有重要的作用[30]。本文着重对不同植物中HIPPs 响应重金属胁迫的主要功能进行综述，分析发现，不同HIPPs 的蛋白质亚细胞定位及其响应重金属的种类不同，不同HIPPs 家族蛋白响应重金属胁迫的功能也存在差异。

3.1 HIPPs 在拟南芥重金属胁迫响应中的功能

HIPPs 最早发现于模式植物拟南芥中，其在拟南芥中的功能研究也最多。根据对拟南芥AtHIPPs响 应 重 金 属 的 功 能 研 究[11,19, 22, 29, 31-33]绘 制 了 拟 南 芥根细胞中AtHIPPs 响应重金属胁迫的功能图(图1)。分析镉处理后拟南芥根中差异表达基因发现，上调基因包括AtHIPP05、AtHIPP13、AtHIPP14、AtHIPP39、AtHIPP43，下调基因AtHIPP32，提示这些基因可能参与拟南芥响应重金属镉胁迫[22]。拟南芥AtHIPP20和AtHIPP22基因可以恢复酵母镉敏感突变体Δycf1耐镉能力，而拟南芥突变体植株Athipp20/21/22对镉胁迫敏感且镉含量降低[6]。拟南芥叶和根中AtHIPP44基因启动子受镉诱导表达，AtHIPP44基因过表达拟南芥中镉含量增加，且AtHIPP22及AtHIPP44基因表达全部受到R2R3-MYB 转录因子MYB49 的正向调节[32]。表明重金属镉胁迫能够诱导拟南芥AtHIPPs基因表达，且过表达或敲除拟南芥AtHIPPs直接影响植株对重金属镉胁迫的耐受性。拟南芥植物防御素AtPDF1.5 (A.thalianaPLANT DEFENSIN 1)属于小分子蛋白质，过表达AtPDF1.5植株的耐镉能力增强，拟南芥突变体Atpdf1.5则相反，在过表达AtPDF1.5 植株受到镉胁迫后，植株中AtHIPP3基因上调表达，表明AtPDF1.5 可以调控AtHIPP3基因表达，并可能通过螯合细胞壁中Cd2+增强植株耐镉能力[34](表2)。推测拟南芥AtHIPPs可能通过结合Cd2+并将其存储至细胞壁，减少Cd2+对细胞的毒害作用，增强植株耐镉能力。

图1 拟南芥根细胞中AtHIPPs 响应重金属胁迫的功能示意图Figure 1 Functional diagram of AtHIPPs in response to heavy metal stress in Arabidopsis thaliana root cells

表2 不同植物中HIPPs 响应重金属胁迫的功能Table 2 Functions of HIPPs in response to heavy metal stress in different plants

拟南芥AtHIPPs 蛋白质的金属结合基序CXXC能够结合多种重金属离子。拟南芥AtHIPP3 定位于细胞核，其HMA 结构域的中央半胱氨酸，即金属结合基序CXXC 能够与Zn2+结合[29]。拟南芥法尼基化蛋 白3 (A.thalianafarnesylated protein 3, ATFP3,AtHIPP07)其金属结合基序CXXC 与Cu2+、 Ni2+和Zn2+结合，维持植物中的金属离子稳态[11,22]。拟南芥AtHIPPs 金属结合基序CXXC 通过与重金属离子结合，在植物响应重金属胁迫中发挥重要作用。拟南芥法尼基化蛋白CdI19 (Cd-Induced 19)也称AtHIPP06，CdI19 蛋白质C 端CaaX 基序使其定位于细胞质膜，CdI19基因过表达增加酵母细胞和拟南芥 植 株 耐镉能力[19,22,35]。拟南芥幼苗全株 中CdI19基因受到镉、汞、铁和铜诱导表达，且CdI19 的金属结合基序CXXC 能够与Cd2+、Cu2+和Hg2+结合，推测拟南芥CdI19 通过与重金属离子结合，进一步增强细胞对重金属的耐受能力[19]。拟南芥泛素特异性蛋 白 酶16 (ubiquitin-specific proteases 16, UBP16)突变植株ubp16对镉敏感，UBP16 与AtHIPP27 互作，而AtHIPP27 能够恢复酵母耐镉能力，进而推测AtHIPP27 是UBP16 的靶点，二者互作能够调控拟南芥的耐镉能力[6,31]。拟南芥法尼基化蛋白AtFP6(A.thalianafarnesylated protein 6)也称AtHIPP26，拟南芥根和茎中AtHIPP26基因受镉和锌诱导表达，AtHIPP26基因可以恢复酵母耐镉能力，AtHIPP26过表达拟南芥植株耐镉能力也增强[6,21,33]。进一步研究证明，AtFP6 蛋白定位于细胞质膜，其金属结合基序CXXC 能够结合Pb2+、Cd2+和Cu2+，AtFP6 的互作蛋白酰基辅酶A 结合蛋白2 (acyl-CoA-binding protein 2, ACBP2)也能结合Pb2+、Cd2+和Cu2+，推测二者共同介导拟南芥根中Pb2+、Cd2+和Cu2+结合和转运，减轻植株受到重金属毒害作用[33](表2)。以上结果表明，拟南芥AtHIPPs 蛋白质的金属结合基序CXXC能够结合多种重金属离子，并可能通过与其他蛋白质互作，共同调节植物对重金属胁迫的耐受性。

3.2 HIPPs 在水稻重金属胁迫响应中的功能

重金属胁迫不仅影响植物本身的生长，还通过籽粒间接导致动物和人类体内重金属的积累，严重危害畜禽及人类健康。依据水稻OsHIPPs 参与响应重金属胁迫研究[22,24, 36-39]绘制了水稻叶和根细胞中OsHIPPs 响应重金属胁迫的功能图(图2)，分析发现，镉胁迫诱导水稻根中OsHIPP14和OsHIPP44基因表达上调，OsHIPP18、OsHIPP23和OsHIPP38表达下调，水稻地上部分OsHIPP21、OsHIPP41和OsHIPP28基因表达也上调，研究推测OsHIPPs 参与维持水稻Cd2+稳态[22]。锰、镉和铜诱导水稻地上部和根中OsHIPP16、OsHIPP28以及根中OsHIPP34基因表达，且OsHIPP16、OsHIPP34 和OsHIPP60 分别提高酵母细胞对镉锌、铜、锌的耐受性[24](表2)。受重金属胁迫后，水稻OsHIPPs基因表达水平发生变化，且部分OsHIPPs 可以提高酵母细胞对重金属的耐受性，表明OsHIPPs 能够参与水稻对重金属胁迫响应，并可能在其抵御重金属胁迫中发挥重要作用。

图2 水稻叶和根细胞中OsHIPPs 响应重金属胁迫的功能示意图Figure 2 Functional diagram of OsHIPPs in response to heavy metal stress in Oryza sativa leaf and root cells

受到重金属胁迫诱导表达的水稻OsHIPPs基因，在酵母细胞或植物中的异源表达能够增强细胞对重金属胁迫的耐受性。水稻根中OsHIPP42基因受镉、锌、锰和铜诱导表达，OsHIPP42能够增加酵母细胞耐镉能力和镉积累能力，并缓解镉胁迫对烟草叶片的损伤，OsHIPP42过表达同时增加水稻耐镉能力和水稻根中镉积累。相反，突变植株对铜、锰、锌和镉胁迫敏感且秸秆和籽粒中镉含量降低，推测水稻OsHIPP42 能够捕获细胞中更多游离Cd2+，进而缓解水稻受到的镉毒害作用[24,37,40]。水稻地上部分和根中OsHIPP33基因受到过量锌和铁诱导表达，OsHIPP33能够恢复酵母耐锌能力，而水稻OsHIPP33突变后植株生长受到过量锌和铁胁迫且植株中锌和铁含量降低[38]。上述结果表明，水稻OsHIPPs 能够增强细胞对重金属胁迫的耐受性，同时促进植株中重金属含量积累。与拟南芥类似，推测水稻部分OsHIPPs 通过结合重金属离子，减少游离重金属离子对细胞的毒害作用，进而增强植株对重金属胁迫耐受能力。然而，水稻不同OsHIPPs对重金属胁迫的响应机制并不相同。水稻根中OsHIPP29[36]和OsHIPP56[39]基因均受镉胁迫诱导表达，且基因过表达后能够增强植株耐镉能力而植株中的镉含量降低，突变体植株则表现相反，表明水稻部分OsHIPPs 通过减少镉积累，缓解镉对植株的毒害作用(表2)。推测这类OsHIPPs 可能通过与其他转运蛋白结合，将重金属离子转运至细胞外或者限制重金属离子进入细胞内，从而减少细胞内重金属含量，增强植株对重金属胁迫耐受能力。综上表明，水稻OsHIPPs 能够响应不同重金属胁迫并发挥重要功能，而不同OsHIPPs 对重金属胁迫的响应机制存在一定差异。

3.3 HIPPs 在其他植物重金属胁迫响应中的功能

除模式植物外，HIPPs 在其他植物响应重金属胁迫中也发挥重要作用，且不同植物HIPPs基因响应的重金属种类存在差异。镉胁迫后玉米(Zea mays)根 中ZmHIPP27、ZmHIPP35和ZmHIPP36基因差异表达，其中ZmHIPP27 与拟南芥AtHIPP26[33]和水稻OsHIPP42[37]蛋白同源，推测ZmHIPP27可能是玉米耐镉胁迫的新基因[41]。大麦HvFPl 亦属于HvHIPPs 蛋白，重金属铜和镉诱导大麦叶片HvFP1基因表达[42]。此外，镉胁迫能够诱导菠菜根和叶中SpoHIPP39基因表达[17]和野蕉(Musa balbisiana)MabHIPP基因启动子表达[43]。向日葵(Helianthus annuus)中39 个和7 个HaHIPPs基因分别受到锌[44]和镉[45]诱导差异表达。甘蓝型油菜(Brassica napus)耐镉基因型中BnHIPP27基因受镉胁迫诱导表达[46]，耐铅基因型中BnHIPP01基因受铅胁迫诱导表达，敏铅基因型中BnHIPP01基因下调表达[47]。小黑杨(P.simonii×P.nigra)不同组织中8 个PnHIPPs基因受到过量铜和铜缺乏等胁迫诱导表达，推测杨树HIPPs 蛋白在维持细胞Cu2+稳态中发挥重要作用[48]。“牧草之王”紫花苜蓿(Medicago sativa)受铅胁迫后，根中5 个MsHIPPs基因差异表达，推测这些基因可能参与紫花苜蓿的铅胁迫响应过程[49]。为区分4 个MsHIPPs基因编码的MsHIPP35 蛋白，我们将其分别标注为MsHIPP35.1、MsHIPP35.2，MsHIPP35.3 和MsHIPP35.4 (表2)。综上所述，植物受不同重金属胁迫后，诱导表达的HIPPs基因既有相似性，也存在差异，提示不同植物HIPPs 家族成员对重金属种类识别存在非特异性和特异性，进而影响植物对多种重金属或特定重金属胁迫的响应。

对受重金属诱导表达的HIPPs基因进行蛋白功能研究，发现HIPPs基因在酵母细胞或植物中异源表达，能够增强酵母细胞或植物对重金属胁迫的耐受性。小麦TaHIPPl 与大麦HvFPl 高度同源，均定位于细胞核，TaHIPP1基因在裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)中表达能增强酵母细胞耐铜能力[50-51]。甜菜(Beta vulgaris)BvHIPP24基因能够增强大肠杆菌(Escherichia coli)和酵母细胞的耐镉能力[52-53]。铅诱导表达的玉米ZmHIPP基因在酵母和拟南芥中[9]的表达、镉诱导表达的簇毛麦HvHIPP1-V基因在小麦中[23]的异源表达，分别增强了受体材料的耐铅、耐镉能力。进一步分析发现，HIPPs 可能通过调节植物中重金属离子含量，进而增强植物对重金属胁迫的耐受能力。例如，ZmHIPP通过增加玉米细胞壁中Pb2+沉积，抑制Pb2+向其他细胞器渗透，进而缓解玉米受到铅毒害作用[9]。硅镉复合处理诱导甜菜根中BvHIPP32基因表达，促进BvHIPP32 与甜菜根细胞壁中Cd2+结合，降低茎中镉含量，从而减少镉对植株光合作用影响及对细胞功能的损害[54]。在拟南芥中异源表达与番茄(Solanum lycopersicum) SlHIPP26 互作的番茄金属羧肽酶抑制剂SlTCMP-1 后，导致SlHIPP26同源基因AtHIPP26表达量增加且植株地上部分镉含量减少，推测植物中TCMP-1 通过与HIPP26 的互作，进一步响应镉胁迫[55]。GmHIPP26基因在大豆根和叶中受镉和铜诱导表达，其突变后植株耐镉性降低且根中镉含量增加[56]，推测GmHIPP26 可能通过与转运蛋白互作，间接促进细胞中镉外流或减少根细胞对镉的吸收，进而降低镉对植株的毒害作用。伴矿景天(Sedum plumbizincicola)叶中SpHIPP45基因受镉诱导表达，SpHIPP45能增强酵母细胞耐镉能力，同时促进细胞中参与内质网应激反应靶基因的上调表达，而细胞中镉含量无明显变化，推测SpHIPP45通过内质网应激反应调控酵母细胞的耐镉性[57](表2)。上述HIPPs 都表现出增强植物对重金属胁迫的耐受能力，然而部分HIPPs基因降低酵母细胞或植物对重金属胁迫的耐受性。例如，小白菜(B.chinensis)根中BcHIPP16基因受镉和铜诱导表达，而BcHIPP16却增加酵母细胞对镉和铜的敏感性，并促进酵母细胞和拟南芥幼苗中镉和铜的积累[25]。上述研究表明，不同HIPPs 在植物响应重金属胁迫中的功能并不相同，其参与的调控机制也是十分复杂的。

综上，植物HIPPs 在响应重金属胁迫中发挥重要作用。受到重金属诱导表达的HIPPs基因，可能在植物响应重金属胁迫中发挥重要功能，而不同植物HIPPs基因的过表达或者敲除，能够直接影响植物的重金属胁迫耐受性。植物中部分HIPPs 蛋白质的金属结合基序CXXC 可以结合多种金属离子，并可能通过HIPPs 与其他蛋白质互作来维持植物中的金属离子稳态。HIPPs 蛋白质金属结合基序CXXC与重金属离子的结合，能够减少细胞中游离的重金属离子，缓解重金属对细胞的毒害作用，从而调控植物对重金属胁迫的耐受能力。

4 HIPPs 蛋白质结构分类与功能机制的联系

蛋白质结构能够决定蛋白质功能，不同结构类型的HIPPs 蛋白质在植物响应重金属胁迫中发挥不同功能。对表2 中大部分HIPPs 蛋白质的结构与功能进行分析，绘制了不同HIPPs 蛋白质的系统进化树、结构特征及其响应重金属胁迫功能的示意图(图3)。系统进化树将响应重金属胁迫的HIPPs 蛋白质分成4 个类别，分别对应拟南芥和水稻HIPPs蛋白质分类中的类别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ[22]。分支Ⅴ中多数HIPPs 蛋白没有HMA 结构域，分支Ⅰ中AtHIPP05和BnHIPP01 只有1 个HMA 结构域，然而保守基序分析结果表明在相应位置上存在保守基序，推测这些保守的基序在其重金属胁迫响应中起关键作用(图3)。同一个类别中不同植物HIPPs 蛋白质基序与结构域分布高度相似，表明不同植物相同类别的HIPPs 蛋白质结构具有保守性。

图3 不同HIPPs 蛋白质系统进化树、结构特征及响应重金属胁迫功能示意图Figure 3 Phylogenetic tree, structural characteristics, and functions of different HIPPs in response to heavy metal stress

对不同植物HIPPs 蛋白质响应重金属胁迫的功能进行分析，响应重金属胁迫的HIPPs 蛋白质主要分布在第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类，根据这些HIPPs 蛋白质保守基序和HMA 结构域分布及其在响应重金属胁迫中的功能，推测这些HIPPs 蛋白质响应重金属胁迫的可能调控机制如下：分类Ⅰ中HIPPs 蛋白质含有2 个HMA 结构域，能够结合更多金属离子，在促进金属离子吸收及维持金属离子稳态中发挥重要作用，如拟南芥AtHIPP07[11]和水稻OsHIPP33[38]；分类Ⅱ中大部分HIPPs 蛋白质能够增加植物重金属胁迫耐受性及细胞中重金属含量，如拟南芥AtHIPP26[6,33]和水稻OsHIPP42[24,37,40]，推测这类HIPPs 蛋白通过结合重金属离子或通过与其他蛋白互作螯合重金属离子，减少游离重金属离子，增加植物重金属胁迫耐受性；分类Ⅲ中HIPPs 蛋白质相对较大，能够通过金属结合基序结合重金属离子并将其存储至细胞壁中，减少游离重金属离子对细胞的毒害作用，如玉米ZmHIPP[9]和甜菜BvHIPP32[54]。分支中其他成员可能在进化中发生了功能的改变，例如分类Ⅰ中水稻OsHIPP29[36]、分类Ⅱ中大豆GmHIPP26[56]和分类Ⅲ中水稻OsHIPP56[39]，能够增强植物重金属胁迫耐受性，而植株中重金属含量却降低，推测这些HIPPs 蛋白质可能通过与其他转运蛋白互作，在细胞抵御重金属离子吸收或促进重金属离子外排中发挥作用[58]。此外，一些特殊HIPPs 蛋白质如小白菜BcHIPP16[25]，能够增加细胞对重金属敏感性及细胞中重金属含量，推测这类HIPPs 蛋白质能够促进重金属离子吸收而无法进行解毒，甚至通过其他机制促进重金属毒害作用。不同HIPPs 蛋白响应重金属胁迫的功能存在差异且具体调控机制复杂，有待后续深入研究。

分类Ⅴ中HIPPs 蛋白质相应的编码基因全部受到重金属胁迫诱导表达，但其响应重金属胁迫功能的研究较少，而在响应其他非生物胁迫，如低温、干旱和盐胁迫[22]以及高温和碱胁迫[17]中发挥作用(图3)。由于分类Ⅳ中的HIPPs 蛋白质数量较少(表1)，在响应重金属胁迫中的研究更少，因此缺少分类Ⅳ中的HIPPs 蛋白质(图3)，而其在响应生物胁迫中[20]发挥着重要作用。HIPPs 蛋白结构中的HMA 结构域使其在植物响应重金属胁迫及调节金属离子稳态中发挥重要功能，而蛋白质C 端的异戊二烯化位点，在一定程度上决定了HIPPs 的蛋白质定位及其与不同蛋白质之间的互作[8,13-14]。由于植物与外界环境紧密联系，植物在生长发育过程中极易受环境因素影响，因此植物中某一个蛋白质的功能不单取决于该蛋白质的结构，还需要结合植物本身生长状态，以及植物周围环境等诸多因素进行全面分析和鉴定。

5 问题与展望

本文重点综述了不同植物HIPPs 蛋白质的结构特征及其在响应重金属胁迫中的调控机制。HIPPs蛋白质的HMA 结构域和C 端异戊二烯化位点2 种结构高度保守，但由于HIPPs 家族蛋白成员较多，其蛋白质结构还存在一些特征性差异，如HMA 结构域数量差异及蛋白质大小差异等。不同HIPPs 蛋白质的结构特征差异、亚细胞定位差异、相应基因在植物中表达部位差异与HIPPs 蛋白响应重金属胁迫的调控机制，它们之间的关系网络仍存在诸多未知。因此，不同植物HIPPs 响应重金属胁迫功能不同且调控机制复杂，有待进一步验证和解析，以完善不同植物HIPPs 响应重金属胁迫的调控网络。

目前对于HIPPs 的功能研究主要集中在模式植物和少数作物中，尚未鉴定HIPPs 蛋白功能的植物还很多。草类植物的抗逆研究对于改善生态环境具有重要意义，目前在紫花苜蓿中发现MsHIPPs 蛋白质可能参与响应重金属铅胁迫，而具体功能及调控机制尚不清晰。大部分草类植物HIPPs 蛋白质的功能研究及调控机制尚存在空白，有待深入研究。此外，HIPPs 在响应其他非生物胁迫和生物胁迫中也发挥重要作用，还参与植物激素调节及开花调节，表明HIPPs 蛋白质功能多样且机制复杂。作为维管植物特征性蛋白之一，HIPPs 是否参与植物维管束形成、物质能量交换和营养运输等过程仍未知，后续仍需从多个方面解析HIPPs 功能作用，拓展不同植物中HIPPs 蛋白的功能领域。HIPPs 在植物响应多种逆境胁迫中具有重要功能且关系网络复杂，挖掘并鉴定不同植物中HIPPs 蛋白功能，对于解析植物逆境胁迫调控网络及揭示植物生长发育规律具有重要意义。