全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 2期·综述与专论·
收稿日期：2008-10-27
作者简介：王宁宁（1980-），女，硕士研究生，主要从事植物分子生物学研究；E-mail：wangningning1020@126.com
高盐是影响农作物产量的主要限制因素之一，
使农作物产量下降。 盐碱地中过多的 Na+在胞质中
积累会对植物造成毒害， 拟南芥 CAP1 家族包括 8
个成员，AtNHX1-6 是液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白，
AtNHX7/SOS1 是质膜 Na+/H+逆向转运蛋白，它们在
Na+解毒过程中起重要作用；AtNHX8 是质膜 Li+/H+
逆向转运蛋白， 在 Li+脱毒和离子动态平衡中发挥
作用 [1]。拟南芥 Na+/H+逆向转运蛋白基因（AtNHX1）
是最早克隆的植物 Na+/H+逆向转运蛋白基因，并且
是第一个用于改善植物耐盐性的基因。 将 AtNHX1
转入荞麦（Fagopyrum esculentum）后，植株仍能生长
开花，荞麦的重要营养成分的含量并不受高盐土的
影响 [2]。 过表达 AtNHX1 使高羊茅（Festuca arundin-
acea）具有耐盐性 [3]。AtNHX1 具有 9 个跨膜结构域，
一个亲水 C 端结构域和 3 个疏水结构域，N 端向着
细胞质一侧 ，C 端向着液泡内腔 ，C 端参与逆向转
运蛋白的离子选择 [4]。 鉴定了与 AtNHX1 C 端互作
的钙调蛋白 15（AtCaM15），叶片原生质体瞬时表达
显 示 AtCaM15 存 在 于 中 央 大 液 泡 ，AtCaM15 与
AtNHX1 的结合具有 Ca2+和 pH 依赖性， 并且随 pH
增加而下降 [5]。随后，越来越多的 AtNHX1 的同源基
因被鉴定；RhNHX1 与 AtNHX1 相似性 74.1%，并且
含保守氨氯吡嗪脒结合结构域 [6]。 HvNHX1 [7]，HvN-
HX2 [8]，HvNHX4 [9]被鉴定。除了提高耐盐性之外，Na+
/H+逆向转运蛋白基因还有其他功能。就 CPA1 基因
家族中的各个逆向转运蛋白基因成员的结构， 启动
子活性，表达特异性及功能等方面的进展进行阐述。
1 液泡膜单价阳离子：质子逆向转运蛋白-1
基因
1.1 拟南芥液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白基因 At-
NHXs
1.1.1 AtNHXs 的启动子及表达 AtNHXs 家族不
植物单价阳离子：质子逆向转运蛋白-1基因家族研究进展
王宁宁
（哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，哈尔滨 150025）
摘 要： 植物的单价阳离子：质子逆向转运蛋白-1（CAP1）基因家族是一类在盐胁迫中起重要作用的基因，分为液
泡膜单价阳离子：质子逆向转运蛋白和质膜单价阳离子：质子逆向转运蛋白两大类，在植物的发育和生长过程中起到很
重要的作用。不同的成员在植物中的表达特性不同。主要综述了此类基因的结构、启动子活性、表达情况及其主要功能。
关键词： CAP1 启动子 耐盐性 离子平衡 氧胁迫
Advances in the Studies of Plant Monovalent Cation：Proton
Antiporter-1 Family
Wang Ningning
（College of Life Science and Technology，Harbin Normal University，Harbin 150025）
Abstract： The monovalent cation：proton antiporter-1 family plays impo tant roles in salt stress in plants.
AtNHX1-6 and AtNHX7-8 have been characterized as tonoplast and plasma membrane monovalent cation：proton
antiporter，respectively. This family is reported to be involved in development and growth of plant，in which every
member shows different expression patterns. In this paper，the structure，promoter activity，expression patterns and functions
of monovalent cation：proton antiporter-1 family were summarized.
Key words： CAP1 Promoter Salt tolerance Ion homeostasis Oxygen stress
2009年第 2期
同成员在拟南芥中的表达情况各不相同。 AtNHX1
的表达在除根尖外的所有组织中可以检测到 ，
AtNHX1 启动子活性可以被 NaCl，KCl 或 ABA 上
调， 表明 AtNHX1 表达在转录水平受盐和 ABA 调
节 [10]。 AtNHX2 启动子-GUS 分析显示 AtNHX2 是组
成型表达， 在根和叶中有很高的 GUS 活性， 并且
AtNHX2 的表达可以在从种子发芽到开花和结实的
所有阶段检测到。AtNHX2 启动子活性不被 NaCl 或
ABA 上调，与 AtNHX1 启动子形成对照。AtNHX3 和
AtNHX4 启动子表现出组织特异性活性。NaCl，LiCl
和 ABA 都可以诱导 AtNHX4 启动子的表达， 并且
LiCl 诱导的比 NaCl 诱导的转基因植株 GUS 活性更
强 ，AtNHX4 依赖于 ABA 并可能参与离子渗透胁
迫。 干旱和热处理增强了 AtNHX2 的表达；热处理
和 NaCl 处理增强了 AtNHX3 的表达；冷处理、干旱
和 NaCl 处理增强了 AtNHX4 的表达 [11]。 AtNHX5 在
幼苗中的转录物丰度受 NaCl 诱导但不受甘露醇和
外源 ABA 处理的影响， 表明此基因直接应答离子
胁迫 。 然而 ，AtNHX5 表达不应答抑制生长的 LiCl
浓度，Li+是 Na+类似物， 低摩尔浓度能减缓植物生
长。 高渗条件下 AtNHX1，2 或 5 的表达并不依赖于
控制离子动态平衡的 SOS 途径 [12]。 这些说明 At-
NHXs 家族的不同成员在不同类型的胁迫应答中起
不同的作用。
1.1.2 AtNHXs 的功能 NaCl 处理后，野生型植株
表现出逐渐萎黄，叶子变小，生长受到抑制，并且这
种生长抑制效应会随 NaCl 浓度的增加而增强 ；而
AtNHX1 转基因植株一直到 200 mM NaCl 处理后生
长不受影响，并且在所有盐处理中都能抽薹和结实[13]；
这说明 AtNHX1 的一个重要功能就是能提高植株
的耐盐性 ， 并且对植物的发育也起到很重要的作
用；nhx1 植株叶发育改变， 与野生型植株相比大表
皮细胞出现的频率下降 ， 并且整个叶面积减少 ，
nhx1 背景下的 AtNHX1 的过表达会补偿这些表型；
NaCl 存在时，nhx1 幼苗建成受到削弱 [14]。
AtNHX1 还在细胞内的囊泡运输、 蛋白定位及
其他细胞过程中起到重要作用 [15]。另外，AtNHX1 在
胞内细胞器 pH 调节及渗透调节方面起作用 [16]。
AtNHX2 在花中特异性表达， 在绒毡层细胞中检测
到 ，在发育荚的隔膜中表达最强；可能此蛋白在花
粉传递中有作用 [17]。 AtNHX3 是一个液泡膜 Na+-K+/
H+反向转运蛋白，控制液泡 pH，特别是在花的发育
中；AtNHX3 在生殖器官的强表达如花瓣，雄蕊和荚
顶端暗示了 AtNHX3 在花发育中的作用 ，AtNHX3
可能在成熟花组织的离子动态平衡中起重要作用。
AtNHX4 过表达提高转基因植株耐盐性 ， 当过多
Na+积累到木质部时，AtNHX4 就在木质部薄壁组织
细胞中表达，将 Na+泵入液泡，使传到芽的 Na+降至
最低并在盐胁迫下保护整个植株 [11]。 AtNHX5 的表
达也能降低 nhx1 细胞的盐和潮霉素敏感性， 表明
它的产物是液泡膜或内体 Na+/H+逆向转运蛋白，因
而能够促进酵母中离子（Na+和 K+）的积累 [12]。 综上
所述不同 AtNHXs 在植物的不同组织或器官中调
节离子的动态平衡，pH 等。
1.2 其他植物的液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白基因
将 ZmNHX 6 个成员分为两类， 分别为根和芽
表达的成员 。 ZmNHX 的分布类型显示出器官和
NaCl 依赖型。 ZmNHX1，2，6 是根特异性的，而 Zm-
NHX3-5 是芽特异性的 。 另外 ZmNHX1，ZmNHX3，
ZmNHX5 和 ZmNHX6 显示出 NaCl 特异性类型。 Z-
mNHX1，2，6 可以分为一个对照条件下表达的和两
个（ZmNHX1，6）在 NaCl 胁迫下表达的成员 。 在对
照条件下（1 mM NaCl），根组织中主要是 ZmNHX2，
芽中是 ZmNHX4；100 mMNaCl 处理的植株中，在根
中 ZmNHX2 会被 ZmNHX1，6 代替 ， 在芽组织中
ZmNHX4 被 ZmNHX3，5 代替 。 ZmNHX 与 AtNHX1
同源性最高（78%），水稻和玉米液泡膜 Na+/H+逆向
转运蛋白的序列差异性主要位于 N 端。 与水稻液
泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白相比，ZmNHX1-3，5，6 多
了 4 个疏水氨基酸。ZmNHX1 和 ZmNHX6 的氨基酸
序列几乎一致 （97% ），ZmNHX1 和 ZmNHX2 也是
（90%）。 尽管 ZmNHX1 和 ZmNHX6 的氨基酸序列
几乎一样 ， 但是相应的核苷酸序列却明显不同
（73%相似性）；其他成员的比对有较低的相似性数
值 ，氨基酸序列由 71%到 81%，核苷酸序列 63%~
73%。 除了在 ZmNHX1 中有一个氨基酸 87I→87F
外，ZmNHX2-6 的氨氯吡嗪脒结合区高度保守。 膜
结合位点 M4 和 M7 也高度保守 ， 跨膜结构域 M5
中有 4 个氨基酸改变，M6 中 7 个氨基酸改变，在两
个跨膜结构域之间有高度可变的氨基酸序列 [18]。
王宁宁：植物单价阳离子：质子逆向转运蛋白-1基因家族研究进展 19
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 2期
不同植物来源的 Na+/H+逆向转运蛋白基因对
离子和非离子胁迫物质的应答不同。用 NaCl，PEG，
ABA 处理后小麦根和叶中 Na+/H+逆向转运蛋白基
因 TaNHX2 被诱导表达 。 TaNHX2 在酵母突变体
（Δnhx1） 中表达时能降低突变体的盐敏感性 ，在
NaCl，KCl，山梨醇和冷冻胁迫下过量表达 TaNHX2
的酵母细胞存活率提高 [19]。 GmNHX1 的表达具有组
织特异性，ABA 处理、NaCl、KCl、LiCl 和干旱胁迫后
表达增加， 耐盐品种比盐敏感品种在叶中表达量
低，而在根和胚轴中表达量高 [20]。PgNHX1 有 5 个跨
膜结构域 ， 实时定量 RT-PCR 分析显示 NaCl 和
ABA 处理后 PgNHX1 转录物上调 [21]。 LeNHX2 蛋白
在根和茎中比较丰富，短期盐或 ABA 处理 LeNHX2
在叶中被诱导 [22]。 LeNHX2 对植物正常生长发育的
K+动态平衡的调节是基本的， 并且在通过改善 K+
的积累应答盐胁迫方面起到重要作用 [23]。
PgNHX1 在芥菜 （Brassica juncea） 中过表达使
其有较高耐盐性，过表达 PgNHX1 使水稻的耐盐性
提高 [24]。 表达盐地碱蓬（Suaeda salsa）Na+/ H+逆向转
运蛋白基因 SsNHX1 的转基因水稻耐盐性和耐旱
性都增强，离子水平测定表明转基因植株比非转化
植株 K+，Ca2+ 和 Mg2+含量都要高。 在盐胁迫条件下
根 V-ATPase 水解活性显著增强， 光合速率增强而
活性氧的产生下降，可溶性糖的含量增加 ；表明转
基因水稻 NHX1 表达的上调引起其他盐抗性相关
机制的上调以改善耐盐性 [25]。 AeNHX1 过表达提高
了拟南芥的耐盐性， 并改善渗透调节和光合作用，
用 200 mM NaCl 处理发现多数转基因植株正常生
长，而野生型植株生长受到严重抑制，叶子发黄且
矮小 [26]。
液泡 pH 在花的着色方面起重要作用：液泡 pH
增加会引起花变蓝。 在日本矮牵牛中，紫红色花蕾
向蓝色开放花的转变与液泡 pH 增加有关。 开花前
12 h InNHX1 基因在花瓣中表达最丰富， 并且伴随
液泡 pH 增加使花着蓝色。 由于促进 Na+转运至液
泡的 InNHX1 基因通过将 Na+积累到液泡而参与抗
盐，所以认为它在日本矮牵牛中通过液泡碱性化而
使日本矮牵牛花变蓝 [27]。盐处理后 InNHX2 在根、茎、
叶中表达。 另外，开花前不久花枝中 InNHX2 高表
达，而 InNHX1 在根、茎、叶中的表达很少。 InNHX2
具有双重功能：赋予植物耐盐性并促进花瓣部分液
泡碱性化。 InNHX1 是负责液泡碱性化和完全开放
花着蓝色的主要基因 [28]。
2 质膜单价阳离子：质子逆向转运蛋白-1基因
2.1 Na+/H+逆向转运蛋白基因 AtNHX7/SOS1
2.1.1 SOS1 SOS 信号途径对植物的耐盐性起到
很重要的作用，SOS 途径包括 3 个关键组分：SOS1，
质膜 Na+/H+逆向转运蛋白 [29]；SOS2，丝氨酸/苏氨酸
蛋白激酶 [30]；SOS3，Ca2+感受器 [31]。SOS1 的 Na+/ H+逆
向转运蛋白活性受 SOS2 和 SOS3 的调节。 SOS3 感
知到盐胁迫引起的细胞质 Ca2+信号， 并与 SOS2 互
作 ，SOS2/SOS3 激酶复合体通过把 SOS1 磷酸化而
激活其运输活性 [32，33]（图 1）。
SOS1 开放读码框含 22 个内显子和 23 个外显
子，编码 1 146 个氨基酸残基的多肽，分子量为 127
kD；SOS1N-端区高度疏水，有 12 个跨膜结构域 ，C-
端区亲水。 在盐或氧胁迫下 SOS1 通过胞质尾巴与
RCD1 互作，没有胁迫处理时 RCD1 定位于细胞核；
在高盐或氧胁迫下，RCD1 存在于细胞核中而且也
存在于细胞质中 [32]。盐胁迫下 SOS1mRNA 稳定性提
高 [34]，编码 SOS1 胞质 C 端区的大约 500 个核苷酸
对 SOS1mRNA 的不稳定性是必须的 [35]。
2.1.2 SOS1 的功能 SOS1 的功能之一是参与植
物耐盐性，SOS1 过表达或 SOS2 的组成激活形式能
提高转基因植物的耐盐性。 SOS1 的表达会改善缺
乏内源 Na+转运蛋白的酵母突变体的 Na+耐性 [36]。
SOS1 在根尖表皮细胞中表达， 分生组织细胞中缺
Ca2+ SOS3 SO
S2
SOS1 RCD1
Vacuole
NHX1
NHX8
Na+
H+
H+
Li+
H+
High Na+ Na+
图 1 SOS1 参与盐胁迫处理
细胞中一个主要的盐脱毒机制就是钙激活 SOS3-SOS2 蛋白质
复合物 ， 该复合物能激活 SOS1, NHX-型转运蛋白将 Na+运输
至液泡。 SOS1 还与 RCD1 互作并在 ROS 和氧胁迫下给予植物
保护。 （引自 Mahajan S,et al，2008）
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乏将 Na+区隔化的大液泡， 因此，Na+由表皮细胞排
到外部对保护植物根分生组织至关重要。 AtNHX1
在根中不表达，表明根依靠 SOS1 将 Na+排出 [37]。 盐
胁迫后胡杨叶中 PeSOS1 基因表达上调，PeSOS1 在
细胞中介导 Na+外排。
SOS1 在植物应答氧胁迫中起到重要作用 ，因
为 SOS1mRNA 的盐诱导稳定性由 ROS 介导。
SOS1 会影响 H+的运输 [38]，SOS1 活性增加会导
致非原生质的碱性化和细胞质酸性化。
2.2 Li+/H+逆向转运蛋白基因 AtNHX8
AtNHX8 在系统树中与 AtNHX7/SOS1 密切相
关 ，AtNHX8 蛋白质全长与 SOS1 序列一致性约为
72%。 AtNHX8 编码一个质膜 Li+/H+逆向转运蛋白
定位于质膜 ，AtNHX8 基因由 18 个外显子和 17 个
内含子组成。 AtNHX8 T-DNA 插入突变体与野生型
相比对 Li+超级敏感，但对其他金属离子如 Na+，K+，
Cs+不敏感，AtNHX8 负责 Li+外排以解除 Li+对拟南
芥的毒害作用， 并且能够维持 K+的获得和细胞内
离子动态平衡 [1]。
3 结语
盐胁迫所造成的毒害作用是由于细胞水平衡
和离子平衡的破坏，Na+胁迫可致根细胞 K+吸收被
破坏，同时 Na+进入细胞达到一定水平会对胞质酶
产生毒害作用，并使细胞生长停止或死亡，因而过
量 Na+必须排出植物体或区隔化于液泡中。 正是由
上述原因， 在盐胁迫后植物会表现出生长受抑制，
叶片发黄且矮小等等。所以恢复细胞内离子平衡相
关的基因控制对细胞重获耐盐性至关重要。而单价
阳离子 ：质子逆向转运蛋白-1（CAP1）家族在这个
过程中起到关键作用，目前对此家族各个成员的结
构，功能及定位已经有了详细了解。CAP1 基因家族
在植物中过量表达能够提高植物的耐盐性，但其应
用规模仍有限制，期望将来此类基因可以应用于田
间和花卉等各种植物，使利用转基因技术改善作物
耐盐性大规模得到应用。
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