全 文 ：生 命 科 学 研 究 2007年
拟南芥AtMGT3基因转运功能研究
邓沛怡,田连福,陈 键,栾 升,李东屏 *
(湖南师范大学 生命科学学院,中国湖南 长沙 410081)
摘 要:对拟南芥AtMGT3基因的Mg2+转运功能进行了初步研究.AtMGT3转录本的半定量分析表明,AtMGT3在
根、茎、叶、花、角果中均有表达,但在花中表达量最高,根中最少.MM281功能互补和液体生长曲线结果表明:At-
MGT3功能互补细菌Mg2+转运突变株,具有Mg2+转运能力;AtMGT3介导Mg2+的低亲和性吸收,是一个低亲和性
Mg2+转运蛋白;AtMGT3可能还能转运 Fe2+,但转运 Fe2+浓度超出了正常的生理浓度.在正常生理条件下,At-
MGT3的主要生理功能是作为Mg2+转运蛋白起作用.
关键词:AtMGT3;功能互补分析;低亲和Mg2+转运蛋白
中图分类号:Q943 文献标识码:A 文章编号:1007-7847(2007)04-0328-06
FunctionalAnalysisofAtMGT3TransportinArabidopsis
DENGPei-yi,TIANLian-fu,CHENJian,LUANSheng,LIDong-ping*
(ColegeofLifeSciences,HunanNormalUniversity,Changsha410081,Hunan,China)
收稿日期:2007-10-09;修回日期:2007-11-30
基金项目:国家自然科学基金项目资助(30470972);湖南省杰出青年基金(03JJY1003)
作者简介:邓沛怡(1982-),男,湖南怀化人,硕士研究生,主要从事植物分子生物学研究,E-mail:dpy116@163.com;李东屏(1966-),男,湖
南安乡人,湖南师范大学副教授,博士,通讯作者,主要从事植物分子生物学研究,Tel:0731-8872724,E-mail:zhwfz@yahoo.com.cn.
Abstract:TheMg2+transportfunctionofAtMGT3wereprimarilystudied.Theexpressionpaternindicated
thatAtMGT3mRNAexistedinaltissues,whilemainlyinflowerandleastinroot.Theresultsofanalyzing
ofbacterialmodelandliquiddevelopcurveshowed:AtMGT3functionalycomplementedabacterialmutant
lackingMg2+transportcapability,mediatedlow-afinitytransportofMg2+.AtMGT3maytransportother
divalentcationslikeFe2+,buttheconcentrationsrequiredfortransportofFe2+arebeyondnormalphysiolo-
gicalconcentrations.Undernormalphysiologicalconcentrations,themajorphysiologicalfunctionofAtMGT3
isMg2+transportprotein.
Keywords:AtMGT3;functionalcomplementationanalysis;low-afinitymagnesiumtransporter
(LifeScienceResearch,2007,11(4):328~333)
Mg2+是植物细胞中最丰富的二价金属离子,
其在一系列酶促反应中作为辅因子起作用.Mg2+
是构成叶绿素的主要组成成分和酶的活化剂,参
与脂肪代谢,促进磷素的转运以及某些维生素的
合成;并且参与维持细胞膜的稳定[1];Mg2+对植物
液泡离子通道以及叶绿体 RNA的稳定性都有重
要的调控作用[2].缺失足够的 Mg2+,核糖体亚单位
将会分离,同时细胞膜也会变成松弛渗漏的状态.
离子状态的镁调节许多重要的酶促代谢,还可通
过特定的金属结合位点在膜蛋白通道中起作用[1].
由于 Mg2+独特的几何特性和化学特性,有人
猜测其转运系统也具独特性,细菌中的研究支持
该假说[3].目前,整个生物界中已发现有五大 Mg2+
转运家族:CorA家族、Mg2+/H+交换体、离子通
道、P型磷酸酶和MgtE基因家族[4].主要的 Mg2+
转运家族是细菌中的 CorA家族.CorA序列上存
在保守基序 GMN,是其转运 Mg2+所必需的,若
GMN基序中有一个氨基酸突变,其转运能力就
会丧失[5].ALR1和 ALR2是在酵母中发现的一
类CorA基因,在酵母中过量表达ALR蛋白可提高
其对铝毒害的抗性[6].MgtA/B是S.typhimurium中
发现的另外两个具Mg2+转运能力的基因,两个都
是大的复合跨膜蛋白,属于P型磷酸酶家族.它
们的表达受到低浓度Mg2+的诱导[7].
第11卷 第4期 生命科学研究 Vol.11No.4
2007年12月 LifeScienceResearch Dec.2007
第4期
到目前为止,在高等植物中鉴定出两类具Mg2+
转运活性的转运蛋白:一类是Mg2+/H+交换体,它
是一类质子依赖性转运蛋白;另一类是 CorA-like
镁离子转运蛋白.
1999年Shaul在模式植物拟南芥中克隆到一
个在液泡膜上编码转运蛋白的基因-AtMHX.
AtMHX是第一个从多细胞有机体中克隆到的Mg2+
转运蛋白,也是在植物中首个被发现的Mg2+/H+交
换蛋白.其作为一种Mg2+(Zn2+)/H+交换蛋白发挥
作用[8].Northern杂交分析显示,AtMHXmRNA在
拟南芥的各个组织中均有表达.
CorA家族是五大 Mg2+转运基因家族最大的
一个[6],其广泛存在于细菌、真菌、酵母、哺乳动
物和高等植物中.其蛋白具有独特的拓扑结构.
2002年 Li等在拟南芥中鉴定出一个与细菌
CorA同源、蛋白结构相类的 AtMGT家族[9].此家
族有10个成员,成员的氨基酸序列多样,氨基酸
的同源性范围从 15%～89%.在家族的系统发育
中 ,AtMGT1和 AtMGT2,AtMGT5和 AtMGT6,
AtMGT7、AtMGT8和 AtMGT9各自成簇,亲缘关
系较近.而 AtMGT10在系统发育中另外分支,与
其它成员亲缘关系较远[9].
目前 AtMGT基因家族已有的研究表明,
AtMGT家族存在两种 Mg2+转运蛋白:高亲和性
Mg2+转运蛋白和低亲和性 Mg2+转运蛋白.高亲和
性Mg2+的转运是在低浓度范围内进行的,其主要
依靠转运体来完成.拟南芥 AtMGT家族中的
AtMGT1、AtMGT2和 AtMGT10这 3个蛋白的氨
基酸序列上都含有2个疏水的跨膜区,并且第2
个跨膜区上都有保守基序GMN,已鉴定属于高亲
和性 Mg2+转运蛋白.AtMGT1功能互补细菌 Mg2+
转运突变体,不仅能转运Mg2+,还能转运别的二价
阳离子如:Fe2+、Mn2+、Cu2+、Co2+等.但转运这些阳
离子的浓度都超出了植物正常生长的生理浓度,
因此该基因的功能主要是进行Mg2+转运.AtMGT2
参与呼吸作用[11].AtMGT10功能互补酵母Mg2+转
运突变体,定位于质膜上[10].低亲和性 Mg2+转运
是在外界Mg2+浓度为mmol/L级进行转运,且在
生理浓度范围内不会达到饱和.已从 AtMGT家
族中鉴定出第一个低亲和性 Mg2+转运蛋白-
AtMGT7.通过 MM281功能互补发现 AtMGT7转
运Mg2+的能力受到pH值的影响[11].本研究的对
象AtMGT3亦属于低亲和性Mg2+转运蛋白.
多个转运蛋白基因与Mg2+转运有关,它们可
能在植物细胞不同的膜上起作用.除了质膜外,
细胞中还有很多其它细胞器膜,如线粒体膜、叶绿
体膜、液泡膜、高尔基体膜等.已知 AtMGT1、
AtMGT7和 AtMGT10定位在质膜上,AtMGT2定
位在线粒体内膜上,AtMHX在液泡膜上介导Mg2+
的转运;其它的Mg2+转运蛋白也有可能在其它细
胞器膜上发挥作用.然而,即使某些基因定位在
相同的膜上,它们也可能在植物的不同组织中,或
者相同组织的不同发育时期起到Mg2+转运功能.
本研究以AtMGT3基因为研究对象,目的在
于鉴定 AtMGT3蛋白的转运特性,进而分析
AtMGT3的蛋白结构与转运以及转运亲和性的高
低之间的关系,探讨AtMGT3在植物的生长发育
过程中的生理功能,为进一步的揭示Mg2+转运机
制打下基础.以上还只是Mg2+转运机制的初步研
究,Mg2+转运基因家族的转运机制,以及在植物
体内的生物学功能,尚需更进一步的研究.
1材料和方法
1.1菌株的生长条件
E.coliDH5α在 37℃,LB培养基中生长,并
添加相应抗生素.S.typhimuriumMM281需要高浓
度 Mg2+才可以生长,它被用于功能互补实验,于
37℃,Mg2+(以MgSO4的形式添加)终浓度为100
mmol/L,氯霉素浓度为 34mg/L的 LB或 N-
minimal培养基中生长.
1.2载体、酶类及各种试剂盒
pMD18-T载体和实验中用到的所有酶类均
购自大连宝生物工程有限公司.质粒纯化及胶回
收试剂盒购自长沙安比奥生物技术公司.pTrc-
99A由本室保存.
1.3AtMGT3基因的克隆及载体构建
拟南芥基因组 DNA按照 RobertKFlamn[12]
的方法提取.根据 AtMGT3基因序列利用 Primer
Premier5.0软件设计一对引物,正向引物序列为
5′-TTGGACTCCTTCTGTTTCACTGG-3′,反向引物
序列为5′-AAGCCTAAGCTCAGCAAAAGACA-3′.
用高保真酶 PyrobestDNAPolymerase进行 PCR
扩增.回收目的片段,连接到pMD18-T载体上,再
用EcoRⅠ和KpnⅠ酶切,定向克隆至表达载体
pTrc99A,并酶切鉴定阳性克隆.
1.4生物信息学分析的主要软件及数据库
基因序列数据由 NCBI中获得.跨膜区分析
软件为 TMHMM,多序列比对软件为 ClustalW,
邓沛怡等:拟南芥AtMGT3基因转运功能研究 329
生 命 科 学 研 究 2007年
常规的核酸蛋白分析软件利用DNAMAN进行.
1.5表达模式分析
根据Ambiogen公司的RNA提取方法提取各
个组织的总 RNA:根、茎、叶、花、果;取相同量的
不同组织的 RNA,用 cDNA合成试剂盒 M-MLV
ReverseTranscriptase(Invitrogen公司)合成cDNA.
应用软件 PrimerPremier5.0设计特异的表达模
式引物:正向引物序列为5′-CCTTGACCCTTTGTT
TATCTATC-3′,反向引物序列为 5′-CTCAGTCAA
ATACATCTCAGCC-3′.PCR扩增:以 β-Actin作为
内参,以不同组织的总 cDNA作为模板进行 PCR
扩增.最后进行琼脂糖电泳检测.
1.6MM281功能互补实验
挑取 MM281,MM281-pTrc99A,MM281-pTrc
99A-AtMGT10,MM281-pTrc99A-AtMGT3的单菌
落在试管中过夜培养.然后再按 50∶1(50mL
LB∶1mL菌液)的比例接种于含有相应抗生素的
锥形瓶中扩大培养.
测菌 OD600,当达到0.6～0.7时加入1mmol/L
的IPTG进行诱导,诱导至OD600达到1.0时取出
转化的菌液 100μL,以 10的倍数稀释 10-1、10-2、
10-3、10-4、10-5mmol/L5个浓度梯度,将稀释的菌
液各取 2μL点样于互补 N-Minimal固体培养基
上,37℃倒置培养2d.观察菌落生长情况.
1.7液体生长曲线
挑 取 MM281,MM281-pTrc99A-AtMGT10,
MM281-pTrc99A-AtMGT3的单菌落在含相应抗生
素的 LB中摇菌,摇至 OD600=0.6～0.8时,5000g
离心收获细胞,用去离子水清洗两遍,以除去残留
的Mg2+,然后悬浮在去离子水中,准备4种不同
Mg2+浓度(100μmol/L,500μmol/L,2mmol/L,
10mmol/L)和相应抗生素的 N-minimal培养基.
将上述准备好的培养物(起始OD600=0.001～0.002)
加入 N-Minimal培养基,37℃摇菌,24h测 OD600
监测生长情况.
1.8阳离子敏感性实验
配制pH7.0含0.1mol/LMg2+的不同二价离
子 N-Minimal固体培养基.这些二价阳离子包含
Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+、Ni2+,每种离子分别配制
了一系列的浓度梯度(0、10、100μmol/L,1、10
mmol/L).
按功能互补实验过程一样准备好菌液,然后
点至不同浓度的金属离子板上.37℃倒置培养 1
d后观察其生长情况并拍照.
2结果与分析
2.1AtMGT3的cDNA序列的结构分析
用从拟南芥基因研究中心(AGI)得到的基因信
息,设计特异性引物,通过RT-PCR来扩增AtMGT3
基因的预测编码区.通过测序分析,所得到
AtMGT3的开放阅读框含有1266bp的核苷,编码
421AA的蛋白,其序列与AGI中心预测的序列一
致.与AtMGT1相比,AtMGT3的C端序列有两个
跨膜区.第1个跨膜区是Leu357和Asn379之间,第2
个跨膜区是Phe391和Phe413之间.AtMGT3拥有完整
的转运镁离子的结构(图1A,B).
2.2AtMGT3的表达模式
以β-Actin作为内参,对AtMGT3进行表达模
式分析.通过平台期摸索,确定了Actin基因在32
个循环时达到平台期;而AtMGT3基因在35个循
环时达到平台期.因此,在表达模式分析中,Actin
引物进行29个循环的扩增,AtMGT3引物进行32
个循环的扩增.由图2可以看出,AtMGT3在根、
茎、叶、花、果中都有表达.其中,在花中的表达量
最高,而在根中的表达量最低.
2.3AtMGT3可功能互补MM281的生长
MM281是一类丧失了CorA,MgtA,MgtBMg2+
转运系统的沙门氏杆菌突变株.它只能在高浓度
Mg2+(>100mmol/L)下达到最佳生长速度.结合功
能互补的方法,它可作为一个研究Mg2+转运的很
好的系统.表达了AtMGT3的MM281重组菌株可
在低浓度 Mg2+情况下生长.而其阴性对照MM281,
MM281-pTrc99A则只能在大于 10mmol/L的 N-
minimal培养基上生长(见图3).互补结果可以说
明 AtMGT3的表达互补了 MM281在 Mg2+转运上
的功能缺失,使之重新具有了Mg2+转运能力.从
而使其可在含低浓度(<10mmol/L)Mg2+的培养基
中 生 长.然 而 , 阳 性 对 照 MM281-pTrc99A-
AtMGT10能生长在低至 100μmol/LMg2+的培养
基上.与高亲和性的镁离子转运蛋白AtMGT10相
比,AtMGT3的转运能力明显低于AtMGT10.
MM281,MM281-pTrc99A-AtMGT10和MM281-
pTrc99A-AtMGT3 3种菌液生长在含 100、500
μmol/L,2、10mmol/LMg2+(含相应抗生素)的
N-Minimal培养基上,24h内连续测 OD600值进行
监测.由图4可知,表达了目的基因的 MM281转
化子可在 2mmol/L的 N-minimal培养基中生长.
而阴性对照只能在 10mmol/L的培养基中生长.
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第4期
到目前为止,在高等植物中鉴定出两类具Mg2+
转运活性的转运蛋白:一类是Mg2+/H+交换体,它
是一类质子依赖性转运蛋白;另一类是 CorA-like
镁离子转运蛋白.
1999年Shaul在模式植物拟南芥中克隆到一
个在液泡膜上编码转运蛋白的基因-AtMHX.
AtMHX是第一个从多细胞有机体中克隆到的Mg2+
转运蛋白,也是在植物中首个被发现的Mg2+/H+交
换蛋白.其作为一种Mg2+(Zn2+)/H+交换蛋白发挥
作用[8]. Northern杂交分析显示,AtMHXmRNA在
拟南芥的各个组织中均有表达.
CorA家族是五大 Mg2+转运基因家族最大的
一个[6],其广泛存在于细菌、真菌、酵母、哺乳动
物和高等植物中.其蛋白具有独特的拓扑结构.
2002年 Li等在拟南芥中鉴定出一个与细菌
CorA同源、蛋白结构相类的 AtMGT家族[9].此家
族有10个成员,成员的氨基酸序列多样,氨基酸
的同源性范围从 15%～89%.在家族的系统发育
中 ,AtMGT1和 AtMGT2,AtMGT5和 AtMGT6,
AtMGT7、AtMGT8和 AtMGT9各自成簇,亲缘关
系较近.而 AtMGT10在系统发育中另外分支,与
其它成员亲缘关系较远[9].
目前 AtMGT基因家族已有的研究表明,
AtMGT家族存在两种 Mg2+转运蛋白:高亲和性
Mg2+转运蛋白和低亲和性 Mg2+转运蛋白.高亲和
性Mg2+的转运是在低浓度范围内进行的,其主要
依靠转运体来完成.拟南芥 AtMGT家族中的
AtMGT1、AtMGT2和 AtMGT10这 3个蛋白的氨
基酸序列上都含有2个疏水的跨膜区,并且第2
个跨膜区上都有保守基序GMN,已鉴定属于高亲
和性 Mg2+转运蛋白. AtMGT1功能互补细菌 Mg2+
转运突变体,不仅能转运Mg2+,还能转运别的二价
阳离子如:Fe2+、Mn2+、Cu2+、Co2+等.但转运这些阳
离子的浓度都超出了植物正常生长的生理浓度,
因此该基因的功能主要是进行Mg2+转运. AtMGT2
参与呼吸作用[11]. AtMGT10功能互补酵母Mg2+转
运突变体,定位于质膜上[10].低亲和性 Mg2+转运
是在外界Mg2+浓度为mmol/L级进行转运,且在
生理浓度范围内不会达到饱和.已从 AtMGT家
族中鉴定出第一个低亲和性 Mg2+转运蛋白-
AtMGT7.通过 MM281功能互补发现 AtMGT7转
运Mg2+的能力受到pH值的影响[11].本研究的对
象AtMGT3亦属于低亲和性Mg2+转运蛋白.
多个转运蛋白基因与Mg2+转运有关,它们可
能在植物细胞不同的膜上起作用.除了质膜外,
细胞中还有很多其它细胞器膜,如线粒体膜、叶绿
体膜、液泡膜、高尔基体膜等.已知 AtMGT1、
AtMGT7和 AtMGT10定位在质膜上,AtMGT2定
位在线粒体内膜上,AtMHX在液泡膜上介导Mg2+
的转运;其它的Mg2+转运蛋白也有可能在其它细
胞器膜上发挥作用.然而,即使某些基因定位在
相同的膜上,它们也可能在植物的不同组织中,或
者相同组织的不同发育时期起到Mg2+转运功能.
本研究以AtMGT3基因为研究对象,目的在
于鉴定 AtMGT3蛋白的转运特性,进而分析
AtMGT3的蛋白结构与转运以及转运亲和性的高
低之间的关系,探讨AtMGT3在植物的生长发育
过程中的生理功能,为进一步的揭示Mg2+转运机
制打下基础.以上还只是Mg2+转运机制的初步研
究,Mg2+转运基因家族的转运机制,以及在植物
体内的生物学功能,尚需更进一步的研究.
1材料和方法
1.1菌株的生长条件
E.coli DH5α在 37℃,LB培养基中生长,并
添加相应抗生素. S.typhimuriumMM281需要高浓
度 Mg2+才可以生长,它被用于功能互补实验,于
37℃,Mg2+(以MgSO4的形式添加)终浓度为100
mmol/L,氯霉素浓度为 34 mg/L的 B或 N-
minimal培养基中生长.
1.2载体、酶类及各种试剂盒
pMD18-T载体和实验中用到的所有酶类均
购自大连宝生物工程有限公司.质粒纯化及胶回
收试剂盒购自长沙安比奥生物技术公司. pTrc-
99A由本室保存.
1.3 AtMGT3基因的克隆及载体构建
拟南芥基因组 DNA按照 Robert K Flamn[12]
的方法提取.根据 AtMGT3基因序列利用 Primer
Premier 5.0软件设计一对引物,正向引物序列为
5′-TTGGACTCCTTCTGTTTCACTGG-3′,反向引物
序列为5′-AAGCCTAAGCTCAGCAAAAGACA-3′.
用高保真酶 Pyrobest DNA Polymerase进行 PCR
扩增.回收目的片段,连接到pMD18-T载体上,再
用EcoRⅠ和KpnⅠ酶切,定向克隆至表达载体
pTrc99A,并酶切鉴定阳性克隆.
1.4生物信息学分析的主要软件及数据库
基因序列数据由 NCBI中获得.跨膜区分析
软件为 TMHMM,多序列比对软件为 ClustalW,
邓沛怡等:拟南芥AtMGT3基因转运功能研究 331
生 命 科 学 研 究 2007年
图3 MM281功能互补
生长在不同镁离子浓度的N-minimal互补平板上的结果(10mmol/L、5mmol/L、2mmol/L、1mmol/L、500μmol/L、100μmol/L)
1:MM281;2:MM281-pTrc99A;3:MM281-pTrc99A-AtMGT10;4:MM281-pTrc99A-AtMGT3.
Fig.3ComplementationoftheMM281mutantbyAtMGT3
GrowthofdiferentstrainsontheN-minimalmedium(10mmol/L、5mmol/L、2mmol/L、1mmol/L、500μmol/L、100μmol/L)
1:MM281;2:MM281-pTrc99A;3:MM281-pTrc99A-AtMGT10;4:MM281-pTrc99A-AtMGT3.
10mmol/L 5mmol/L 2mmol/L
1mmol/L 500μmol/L 100μmol/L
1
2
3
4
1
2
3
4
生长曲线结果与 MM281功能互补结果基本一
致,也再次证明了目的基因的转运能力,但转运功
能明显低于AtMGT10.
2.4AtMGT3的表达改变了MM281对二价铁离
子的敏感性
已有研究显示,当细菌中积累一定量的重金
属离子(如Co2+,Cd2+,Mn2+,Zn2+)时,就会对细菌本
身产生毒害作用并使之死亡.由图 5可知,表达
了 AtMGT3基因的转化子增加了对 Fe2+的敏感
性,当Fe2+离子浓度达到 5mmol/L时,表达了目
的基因的菌株就会死亡,我们可以认为 AtMGT3
有Fe2+离子的转运能力.我们也进行了Co2+、Cd2+、
Cu2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+的离子敏感性实验,但没有发
差别(数据未显示).然而,转运 Fe2+的浓度较高,
达到了5mmol/L,在自然条件下极其罕见.因此
我们推测,AtMGT3主要还是行使Mg2+转运功能.
图5AtMGT3的表达改变MM281对Fe2+的敏感性
1:MM281;2:MM281-pTrc99A;3:MM281-pTrc99A-AtMGT3.
Fig.5TheexpressionofAtMGT3changedthesensitivity
ofMM281toFe2+
1:MM281;2:MM281-pTrc99A;3:MM281-pTrc99A-AtMGT3.
图4 液体生长曲线
MM281,MM281-pTrc99A-AtMGT10,MM281-pTrc99A-AtMGT3在不同浓度 Mg2+的 N-minimal(100μmol/L、500μmol/L、2
mmol/L、10mmol/L)培养基中的生长结果.实验结果为3次不同时间下结果的平均值.
Fig.4 Growthinliquidmedium
ThegrowthofMM281,MM281-pTrc99A-AtMGT10,MM281-pTrc99A-AtMGT3indiferentMg2+strains(100μmol/L,500μmol/L,
2mmol/L,10mmol/L)ontheN-minimalmedium.Resultsdisplayedareaveragesforthreeculturesgrownondiferentday.
1
2
3
Control
5mmol/LFe2+
1
2
3
MM281
MM281-AtMGT10
MM281-AtMGT3
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 2 4 6 8101214161820222426 024 6 8101214161820222426
0 2 4 6 8101214161820222426 0 24 6 8101214161820222426
O
D
60
0
t/h100μmol/L t/h500μmol/L
t/h2mmol/L t/h10mmol/L
MM281
MM281-AtMGT10
MM281-AtMGT3
MM281
MM281-AtMGT10
MM281-AtMGT3
MM281
MM281-AtMGT10
MM281-AtMGT3
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
O
D
60
0
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
O
D
60
0
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
O
D
60
0
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第4期 邓沛怡等:拟南芥AtMGT3基因转运功能研究
3讨论与分析
植物细胞内各种离子(包括Mg2+)和营养物都
必须达到良性动态平衡,以此保证细胞内环境的
稳定.Mg2+在植物的生长发育中起着重要的作用,
对维持植物体内的离子动态平衡具有重要作用.
植物必须在整体水平和细胞水平上严格控制镁离
子的转运,以适应土壤中不断变化的镁离子含量
及应付其它形式的胁迫.
拟南芥AtMGT家族10个成员中已有4个成
员 AtMGT1、AtMGT2、AtMGT7、AtMGT10被鉴定
具 Mg2+转 运 功 能 .其 中 AtMGT1、AtMGT2、
AtMGT10为高亲和性镁离子转运蛋白基因.
AtMGT7是鉴定出的第1个低亲和性的镁离子转
运蛋白基因.AtMGT3是鉴定出来的另一个低亲
和性的镁离子转运蛋白基因.
本研究通过表达模式分析表明:AtMGT3在
拟南芥中主要在花中表达,在茎、叶、角果中也有
表达,而在根中的表达量最少.生化研究表明:
AtMGT3具有镁离子及其他阳离子转运能力.
AtMGT3功能互补细菌 Mg2+转运突变株,具有
Mg2+转运功能.但对Mg2+的亲和性较低,是一个低
亲和性 Mg2+转运蛋白.AtMGT3还能转运别的阳
离子,如Fe2+.但是转运Fe2+离子的浓度较高,在
自然条件下罕见,因此可以推测,在生理条件下
AtMGT3主要选择Mg2+,是一个Mg2+转运蛋白.
植物中为什么会存在高亲和与低亲和两种不
同机制的Mg2+转运蛋白?这可能有以下几个原因:
1)植物根系对 Mg2+的吸收转运可能存在两
种机制:高亲和 Mg2+吸收 (High-afinityMg2+
uptake) 与低亲和 Mg2+吸收 (Low-afinityMg2+
uptake).高亲和Mg2+转运蛋白可能在外界Mg2+浓
度低时(为 μmol/L范围内)发挥作用.低亲和
Mg2+转运可能在外界 Mg2+浓度高时(在 mmol/L
水平)发挥作用.为了适应土壤中不断变化的镁离
子含量及应付其它形式的胁迫,就需要有不同特
性的Mg2+转运蛋白来介导植物根部对Mg2+的吸收.
2)在细胞本身的内环境中,不同的亚细胞环
境中Mg2+的浓度也不一致.多个转运蛋白基因与
Mg2+转运有关,它们可能在植物细胞不同的膜上
起作用.除了质膜外,细胞中还有很多其它细胞
器膜,如线粒体膜、叶绿体膜、液泡膜、高尔基体膜
等.已知AtMGT1、AtMGT7和AtMGT10定位在质
膜上,AtMGT2定位在线粒体内膜上,AtMHX在
液泡膜上介导Mg2+的转运;其它的Mg2+转运蛋白
也有可能在其它细胞器膜上发挥作用.然而,即
使某些基因定位在相同的膜上,它们也可能在植
物的不同组织中,或者相同组织的不同发育时期
起到Mg2+转运功能.因此在植物的不同发育时期
以及不同的亚细胞结构之间需要有不同转运特性
的Mg2+转运蛋白来介导Mg2+的转运,维持植物细
胞中Mg2+的动态平衡.
综上所述,我们对Mg2+转运基因AtMGT3进
行了生化功能的初步研究 .进一步的研究可集中
于AtMGT3转运 Mg2+的直接证据,如原子吸收分
光光度实验,同位素示踪实验.及其转运 Mg2+是
否是离子偶联的,又与何种离子偶联,从而为更
好地理解 AtMGT家族转运 Mg2+的分子机制提供
新的信息.
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