全 文 ：植物学通报 2005, 22 (增刊): 11~21
Chinese Bulletin of Botany
①国家自然科学基金重点项目(30430430)、全国高校优秀博士学位论文作者专项基金(200152)和高等学校优秀
青年教师教学科研奖励计划(2002-323)联合资助。
②通讯作者。Author for correspondence. Email: lschen@bjfu.edu.cn
收稿日期: 2004-04-28 接受日期: 2005-02-21 责任编辑: 孙冬花
综述
ATPase与植物抗盐性①
邓 林 陈少良②
(北京林业大学生物科学与技术学院 北京 100083)
摘要 本文综述了高等植物细胞ATPase在盐胁迫下的活性变化及其调控机制。V型H+_ATPase与细
胞离子区隔化和植物抗盐性密切相关。盐胁迫提高抗盐植物液泡膜H+_ATPase活性, 主要是通过增加
V型H+_ATPase主要功能亚基的基因表达以及蛋白质合成。盐胁迫通常降低质膜H+-ATPase活性, 很可
能是由于酶蛋白质合成受阻, 质膜H+-ATPase活性的变化与盐胁迫的强度和时间长短有关。此外, 本
文还对ABA和Ca2+-CaM等胁迫信号物质对ATPase活性的调控及其与植物抗盐性的关系进行了总结。
研究ATPase对盐胁迫的响应和调控机制, 有助于阐明植物的盐生境适应机制, 也有利于植物的抗盐育
种工作。
关键词 盐胁迫, 液泡膜H+_ATPase, 质膜H+_ATPase, Ca2+-ATPase, 耐盐性
ATPase and Salt Resistance in Plants
DENG Lin CHEN Shao-Liang②
(College of Biological Sciences and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083)
Abstract The review summarizes variations in ATPase activity under NaCl stress conditions
and the possible regulation mechanisms in higher plants. Vacuolar H+_ATPase showed higher
correlation with plant salinity tolerance because of its contribution to salt ion compartmentation.
In general, V-H+_ATPase activity is increased in salt-tolerant plant species, which presumably
results from the increased genetic expression and synthesis of tonoplast H+_ATPase subunits
under saline conditions. Salinity results in a decreased activity of plasma membrane H+_ATPase,
which is the result of reduced H+_ATPase synthesis. However, the effects of salt stress on
plasma membrane H+_ATPase activity depend on the intensity and duration of salt stress. In
addition, the effect of salt stress-induced signal transduction on ATPase control and rel-
evance to salinity tolerance is elucidated. Collectively, understanding ATPase responses to
NaCl stress is favorable for elucidating plant adaptation mechanisms and subsequent plant
breeding.
Key words Salt stress, Vacuolar H+_ATPase, Plasma membrane H+_ATPase, Ca2+-ATPase,
Salt tolerance
12 22(增刊)
盐胁迫是抑制植物生长和降低农作物产
量的主要环境因素之一。长期以来, 关于如
何提高植物的抗盐性和增加在盐胁迫下农作
物的产量一直是人们关注的焦点。植物的抗
盐性 同抗旱性及抗寒性一样, 是植物长期生活
在特定生境(盐渍生境)中逐渐产生适应而形成
的。所谓盐渍生境, 其主要特点是土壤中可
溶性盐离子(主要是Na+和Cl-)含量比较高, 这
对植物主要产生两种胁迫, 一是土壤高离子浓
度造成的渗透胁迫; 二是离子本身产生的离子
毒害— —离子胁迫。前者导致土壤水势下降,
使植物吸水困难, 甚至迫使细胞脱水, 后者通
常影响植物的正常生理代谢, 干扰细胞代谢过
程, 从而抑制植物的生长发育, 严重时可以导
致植物死亡。显然, 植物要在盐渍生境中生
长和发育, 至少要具备克服这两种胁迫的手段,
才可能适应盐渍生境, 这就是植物的抗盐性(赵
可夫, 2002)。真盐生植物主要依靠植物组织
的肉质化将盐分稀释以及利用细胞的离子区
域化能力将盐离子储存到液泡中;而泌盐植物
主要依靠盐腺或盐囊泡, 将吸收到植物体的盐
离子排到体外, 从而避免盐分积聚造成的伤害
(赵可夫和范海, 2000)。另外, 双子叶盐生植
物和单子叶盐生植物在适应盐渍生境中所采取
的方式也有所不同(Zhang and Zhao, 1998)。
在盐胁迫下, 植物的外部形态和内部的生
理生化特性都会发生一系列的变化, 有些变化
是盐胁迫伤害的结果, 是植物对逆境条件的消
极反应, 有些变化则是植物对逆境的积极反应,
有助于对不利环境条件的适应(许祥明等 ,
2000)。植物对盐胁迫的反应形式多种多样,
由于ATPase在胞内离子转运以及植物抗盐性
中占有重要地位, 这里就盐逆境对ATPase活
性的影响及其分子调控机制加以具体介绍, 以
期为植物抗盐机理研究提供线索。
1 ATPase种类与类型
ATPase是能够水解ATP产生能量, 使离
子逆电化学势梯度进行跨膜运输的膜载体蛋
白。植物细胞质膜和液泡膜上的 H+_ATPase
消耗 ATP能量建立跨膜质子电化学势梯度,
推动各种离子和小分子代谢产物进行跨膜运
输。因此, 植物细胞膜上的 H+_ATPase被称
作“主宰酶”(武维华, 2003a)。植物细胞膜
上的ATPase有 3类: 第一类是位于质膜上的
P型ATPase, 它是由ATP驱动的一类经历磷
酸化的阳离子泵。这类ATPase除H+_ATPase
外, 还有Ca2+_ATPase。后者是将胞质的Ca2+
泵到胞外, 以维持胞质中Ca2+的稳态平衡, 而
胞质中Ca2+的稳衡是细胞生理活动得以正常
进行的必要条件(黄有国, 1996)。目前, 根据
植物细胞 Ca2+_ATPase生化特性方面的差异
可以分为两大类: 一类对底物 ATP没有专一
性, 除ATP外, 还能以GTP和ITP等为水解底
物, 受CaM激活, 不被CPA专性抑制, 称为PM
(质膜)型Ca2+_ATPase; 另一类对底物ATP有
专一性, 不受CaM激活, 但被CPA专性抑制,
称为ER(内质网)型Ca2+_ATPase(林建军和魏
幼璋, 2001)。Palmgren和Axelsen (1998)根据
Ca2+_ATPase蛋白序列同源性, 进一步提出植
物细胞Ca2+_ATPase属于 IIA型和 IIB型 2种
不同基因家族蛋白质, 其中 IIA型包括 ER型
Ca 2 + _A T P a s e 同系物, I I B 型包括 P M 型
Ca2+_ATPase同系物。它们的主要区别在于
氨基酸序列上的不同, 前者与动物细胞上的
SER(肌质网)型Ca2+_ATPase的氨基酸序列有
较高的一致性, 不含有CaM结合区域; 后者与
动物细胞PM型Ca2+_ATPase同源性较高, 在
氨基酸序列末端含有CaM结合区域(Palmgren
and Axelsen, 1998)。第二类是主要存在于液
泡膜上的V型ATPase, 它的主要功能是利用
ATP水解产生的能量, 将质子从胞质泵至液泡
内, 使液泡酸化。第三类是存在于线粒体内
膜和叶绿体类囊体膜上的 F型ATPase, 它的
主要功能是偶联H+跨膜转运和ATP的合成(黄
有国, 1996)。由于ATPase在细胞生命活动中
132005 邓 林等: ATPase与植物抗盐性
占有极其重要的地位, 因此其活性的变化通常
直接影响细胞正常的生理代谢。
2 ATPase在植物抗盐性中的作用
近几年的研究表明, 在盐胁迫条件下只有
某些盐生植物质膜上的Na+_ATPase和Na+/H+
逆向转运蛋白能把细胞质中的Na+泵到细胞
外(王宝山和邹琦, 2000), 而非盐生植物和典型
积盐型盐生植物主要是通过液泡膜 N a + /
H+antiporter(Na+/H+反向转运体)把胞质中的
Na+排入液泡, 这是一种胞内离子区隔化机
制。Na+和Cl-在胞内的区隔化不仅能降低胞
质内 Na+浓度、维持其低的 Na+/K+比, 而且
还能使细胞利用累积在液泡中的大量无机离
子进行渗透调节, 因此, 离子区隔化机制对植
物细胞适应盐生境十分必要。液泡膜上Na+/
H+逆向运输是靠跨液泡膜的 H+梯度来驱动
的。H+梯度的形成依赖于液泡膜上的 2种质
子泵: H+-ATPase和 H+-PPase, 它们分别以
ATP和PPi为动力, 将H+泵到液泡中, 从而形
成H+梯度。研究发现盐处理显著增加了大麦
(Hordeum vulgare)和绿豆(Phaseolus aureus)
根细胞液泡膜质子泵活性(Matsumoto and
Chung, 1988; Nakamura et al., 1992), 经过NaCl
适应的冰叶日中花(M e s e m b r y a n t h e m u m
crystallinum)悬浮细胞也呈现出同样的变化
(Reuveni et al., 1990; Löw et al., 1996)。这表
明细胞可以通过增加液泡膜质子泵活性及
Na+/H+逆向转运来减少或避免细胞质内盐浓
度过高, 从而提高植物的耐盐性(王宝山等,
1996)。有关细胞离子区隔化方面的研究结果
也验证了液泡膜质子泵在推动离子转运中的
作用。Chen等(2002a, 2003a)利用X-射线微
区分析技术对不同抗盐性杨树的离子区隔化
能力进行比较, 发现抗盐的胡杨根皮层细胞的
液泡积累的盐离子, 远远高于不耐盐杨树。
综合杨树木质部导管中盐离子浓度以及盐离
子根冠运输速度的实验结果, 我们推断胡杨根
皮层细胞的液泡积累大量盐离子, 除了能起到
渗透调节作用外, 更重要的作用可能是抑制盐
离子通过共质体途径向木质部导管装载(Chen
et al., 2001, 2002a, 2003a)。Zhao等(2003)X-
射线微区分析的结果也显示抗盐的盐地碱蓬
(Suaeda salsa)在100 mmol.L-1 NaCl胁迫下将
Na+和 Cl-主要积累在液泡当中。
3 盐胁迫对ATPase活性的影响
3.1 盐胁迫强度和时间与ATPase活性
液泡膜H+-ATPase活性在盐胁迫下通常
有所提高。研究发现, 小麦(Triticum aesti-
vum)抗盐突变体根细胞液泡膜H+-ATPase的
活性随盐胁迫强度的增加而增加, 且其增加的
幅度无论是在绝对量上还是在相对量上均显
著高于不耐盐的野生型(郭房庆等, 1999)。胡
杨(Populus euphratica)细胞经过50 mmol.L-
1 NaCl处理10天后, 液泡膜H+-ATPase水解活
性增加, 暗示胡杨具有盐生植物的特性(马挺军
等, 2003)。盐胁迫下液泡膜H+-ATPase活性
的提高已在盐适应的烟草(Nicotiana taba-
cum) (Reuveni et al., 1990)、大麦(Matsumoto
and Chung, 1988; Zhang et al., 2002)、番茄
(Lycopersicon esculentum) (Sanchez-Aguayo
et al., 1991)和绿豆(Nakamura et al., 1992)中得
到证实。进一步的研究还发现, 不同类型细
胞中的V型H+_ATPase在盐处理条件下变化
趋势有所差异。对高粱(Sorghum bicolor)的
研究显示, 盐处理第1天, 高梁根和叶鞘液泡膜
ATPase活性成倍增加, 第 2天降至接近对照
的水平, 至第7天已明显低于对照(王宝山和邹
琦, 2000)。而叶片液泡膜ATPase活性在胁迫
初期缓慢增加, 至第2天时达最大值, 之后一致
维持在这个水平(王宝山和邹琦, 2000)。而在
非盐胁迫下, 高粱根和叶鞘细胞液泡膜ATPase
活性明显高于叶片(王宝山和邹琦, 2000)。这
些结果表明, 液泡膜H+_ATPase对盐胁迫的响
应具有时空特异性。
14 22(增刊)
质膜H+-ATPase活性变化与盐胁迫的强
度和时间长短有关。在枸杞(Lycium barba-
rum)愈伤组织的实验中, 发现随着NaCl浓度
的升高, 质膜H+-ATPase活性呈先升后降的趋
势, 即轻度胁迫(100 mmol.L-1)处理7天质膜
H+-ATPase活性达到最高, 然后出现下降的趋
势(毛桂莲等, 2003)。大量的实验显示, 盐胁
迫通常导致质膜 H+-ATPase活性降低, 如用
50、100、150 mmol.L-1的NaCl处理小麦根
72天后, 质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase的活
性均降低, 其中100 mmol.L-1 NaCl对质膜AT-
Pase活性的抑制程度随处理时间的延长而增
加, 在处理24天后, H+-ATPase和Ca2+-ATPase
的活性分别降为对照的72%和75%, 而处理72
小时后, 酶活性分别减小到对照的50%和48%
(杨颖丽等, 2 0 0 3 )。盐胁迫同样降低水稻
(Oryza sativa)质膜H+-ATPase的活性(Roy et
al., 2005)。但棉花(Gossypium hirsutum)幼苗
根细胞中的H+-ATPase活性不受盐胁迫的影
响(Hassidim et al., 1986)。
3.2 盐胁迫下膜稳定性及膜脂组成变化与
ATPase活性
ATPase属于膜结合蛋白, 盐胁迫下生物
膜结构以及稳定性发生的变化也同样会影响
到ATPase的活性, 而细胞膜系统又通常是盐
胁迫伤害的主要部位(Zhu, 2000), 所以, 盐胁迫
下植物细胞膜结构功能的稳定性在维持 AT-
Pase活性和细胞的离子平衡中起着十分关键
的作用。杨晓英等 ( 2 0 0 3 )在对野生大豆
(Glycine soja)耐盐性筛选的基础上, 选用耐盐
性不同的典型种群, 研究它们在盐胁迫下叶片
液泡膜H+-ATPase活性的动态变化, 发现随着
盐胁迫时间的延长, 不耐盐野生大豆叶片Na+
和Cl-大量积累, 随之叶片O2-. 产生速率和H2O2
含量迅速上升, 膜脂过氧化加剧, H+-ATPase活
性降低, 最终膜透性增加, 膜结构破坏。而耐
盐种群在盐胁迫下Na+和Cl-积累量少, 活性
氧水平较低, 对膜系统伤害少, 膜结合酶活性
高, 因而能维持液泡膜正常的代谢功能, 推测
这可能是其耐盐性强的主要原因。
膜脂肪酸组成影响膜流动性, 从而影响膜
蛋白活性和离子通透性(Mansour et al., 1994),
已经证明脂肪酸不饱和度与膜冷稳定性呈正
相关, 然而关于脂肪酸在盐胁迫下的变化则有
完全不同的2种结果: 一种是不饱和指数下降
(Mansour et al., 1994); 另一种是不饱和指数
上升(吕芝香和王正刚, 1993)。这显示, 盐胁
迫下膜脂肪酸不饱和度的变化可能因胁迫强
度或物种不同而有所差异。另外, 一项有关
膜脂成分的研究显示, 经过NaCl处理后, 尽管
大麦根系质膜磷脂含量、膜上两种形态多胺
的含量以及质膜结合酶H+-ATPase活性均明
显下降, 但Na+/H+逆向运输活性却明显上升,
这说明通过质膜上 Na+/H+逆向运输系统将
Na+运到细胞外, 对于植物的耐盐性来说是必
不可少的(赵福庚和束怀瑞, 2002)。
4 ATPase活性调控的分子机制
4.1 ATPase蛋白亚基组成以及物种特异性
V型H+_ATPase的分子质量为 400~ 650
kD, 由7~10个亚基组成, 分为亲水的V1亚基组
和疏水的V0亚基组。V1部分由定位于液泡膜
胞质侧的 5~6个外周亚基组成, 如70 kD的a
亚基和60 kD的b亚基, 它们具有保守的核苷
酸结合微区, 分别为催化亚基和调节亚基。
编码这些亚基的 cDNA 已从高等植物中克
隆。V0部分由3~4个疏水的蛋白质亚基组成,
整合于膜中, 主要是分子量为16 kD的c亚基,
起质子通道的作用, 也是V1亚基组蛋白聚合和
装配的基点。对烟草的研究发现, 烟草 V型
A T P a s e 包括有 A、B、C、D、E ( 3 种)、
F、G、c、d和 H 等 12 个亚基(Drobny et
al., 2002)。植物液泡膜H+_ATPase约占液泡
膜蛋白的 6%~8%, 最高可达 30%。该酶的最
适pH约为7.2,可被Cl-等阴离子所激活(武维
华, 2003b)。目前, 编码 V型 ATPase复合体
152005 邓 林等: ATPase与植物抗盐性
亚基的 12 个基因已经识别(Seidel et a l . ,
2004)。
P型 ATPase是通过磷酸化酶中间产物
(phosphoenzyme inter mediate)而发挥功能的
一类酶, 它包括多种阳离子泵。所有 P 型
ATPase都含有1个分子量在90~140 kD的催
化亚基, 它是ATP驱动离子转运所必需的, 以
二聚体形式发挥其功能(黄有国, 1996)。但也
有所例外, 如Na+-K+-ATPase含有分子量为50
kD的糖蛋白亚基(黄有国, 1996)。已经清楚,
P型 H+_ATPase由大约 10个基因进行编码
(Morsomme and Boutry, 2000)。
F型ATPase(F1F0-ATPase)由F1和F0 2个
功能结构域(functionaldomains)组成, 面向膜
外的结构域F1是亲水性的, 由5种不同的亚基
构成, 它单独存在只具有水解ATP的能力, 不
具备催化 ATP合成的活性; 嵌入膜脂双层的
结构域 F0是疏水性的, 含有质子通道。当质
子经质子通道从膜间空间返回到基质中时, 质
子的流动推动ATP合酶的F1组分合成ATP。
氧化磷酸化抑制剂则能通过同F0的疏水亚基
结合阻断质子经质子通道返回到基质, 从而抑
制 ATP的合成。连接 F1和 F0的致寡霉素敏
感蛋白(oligomycin-sensitivity conferring
protein, OSCP)即所谓的‘柄部’(stalk)与 F1
和F0构成F-ATPase复合体, 其分子量一般在
450~500 kD之间。F型ATPase复合体至少含
有8个不同的亚基(黄有国, 1996)。
4.2 盐胁迫下ATPase亚基以及蛋白构象变
化
进一步的研究发现, 燕子掌(Crassula
agenten)叶片液泡膜H+_ATPase的3种主要亚
基——负责催化ATP水解的A亚基、调节活
性的B亚基和执行质子通道功能的c亚基在盐
胁迫下发生不同程度的变化。盐处理后, 半
定量的Western blot鉴定表明这３种亚基在
膜上的蛋白含量均有所增加, 其中调节亚基(B)
的变化最为显著, 说明该亚基对胁迫更为敏感
(夏朝晖等, 2000)。这与我们在抗盐的乔木树
种胡杨上的研究结果类似。我们胡杨课题组
的研究也发现 , 胡杨悬浮细胞液泡膜微囊
H+_ATPase的质子转运活性和水解活性在盐
处理后都有所增加(Ma et al., 2002; 马挺军等,
2003)。免疫印迹鉴定的结果显示, 100 mmol.
L-1的NaCl处理显著增加了V型H+_ATPase的
A亚基和 B亚基的含量。电镜细胞化学的研
究也同样显示, 胡杨根细胞液泡膜ATPase活
性在盐胁迫下明显升高①。以上的研究结果
说明, 盐胁迫下抗盐植物液泡膜H+_ATPase活
性的提高很可能是酶含量增加的结果。近期
对盐地碱蓬的研究也得到相似的结果,叶片液
泡膜H+_ATPase活性的增强与酶亚基蛋白含
量有关(Han et al., 2005)。但也有不同的报道,
如Yu等(2001)的实验表明, 盐胁迫能刺激提高
豌豆(Pisum sativum)根液泡膜 H+_ATPase的
H+泵效率, 并且泵效率的提高是源于偶联比率
的改变, 而不是由于 ATP水解活性的提高和
蛋白含量的增加。尽管目前对于盐胁迫下液
泡膜H+_ATPase亚基的具体变化还未达成一
致, 但是越来越多的证据显示, 全酶结构的调
节可能影响 V 型 A T P a s e 的活性( R a f a e l ,
2000)。
有关质膜H+_ATPase的研究发现, 盐胁迫
下质膜H+_ATPase活性受蛋白质合成和底物
浓度等多种因素的影响 , 盐胁迫对质膜
H+_ATPase活性影响的机制目前还没有一致
的认识。N a C l 处理能提高无花果( F i c u s
carica)活体细胞质膜H+_ATPase活性, 降低膜
微囊H+_ATPase活性(汪良驹等, 2000)。同样,
用NaCl直接处理无花果细胞膜微囊则抑制了
①卢存福 (1998) 两种木本植物——胡杨、刺槐耐盐性的细胞、生理学基础研究. 博士后研究工作报告. 北京
林业大学, 北京, 8-10
16 22(增刊)
质膜 H+_ATPase活性。这些实验结果表明,
盐处理对细胞质膜H+_ATPase的刺激作用不
是直接调节酶分子的构象, 而可能涉及酶蛋白
质合成(Hager et al., 1991)。Yamashita和
Matsumoto (1997)发现用200 mmol.L-1 NaCl
胁迫 1天, 大麦根质膜 H+_ATPase活性下降
20%~30%, 质膜总磷脂和胆固醇含量没有明显
变化, 而质膜 H+_ATPase蛋白质相对含量下
降。说明盐胁迫使质膜H+_ATPase活性下降
是由于质膜H+_ATPase蛋白质含量下降, 而不
是 H+_ATPase构象的改变(Yamashita and
Matsumoto, 1997)。杨颖丽等(2003)的实验也
得到相似的结果。虽然有大量研究结果证实,
盐胁迫会导致质膜H+-ATPase含量下降, 进而
降低H+-ATPase活性, 但在对２种春小麦的实
验中却得到相反的结果, 100 mmol.L-1的NaCl
处理 72 小时, ‘陇春 20 ’(L-Ch20)根质膜
H+_ATPase活性增强, Western blot分析显示
根质膜H+_ATPase蛋白含量也增加, 结果说明
根质膜 H+_ATPase活性的提高与质膜上蛋白
含量相关(Yang et al., 2004)。另外还发现, 盐
对不同耐盐性柑橘(Citrus)品种H+_ATPase活
性影响还依赖于ATP的浓度(Ben-Hayyim and
R a n , 1 9 9 0 )。研究者推断柑橘细胞质膜
H+_ATPase与底物可能有不同的结合位点, 并
分别在盐胁迫下以及非盐胁迫下发挥作用
(Ben-Hayyim and Ran, 1990)。
4.3 盐胁迫下ATPase基因表达
目前对盐诱导 ATPase活性变化的分子
机制方面的研究有一定进展, 现有的研究显示,
ATPase蛋白中部分亚基含量的提高通常伴随
有该基因转录水平的提高。在冰叶日中花中,
V0中c亚基的mRNA水平和蛋白质含量在胁
迫下均有所增加(Löw et al., 1996)。Binzel
(1995)还发现, 盐胁迫下V型H+_ATPase基因
表达不但与盐胁迫时间有关, 还具有组织特异
性: 已展开的番茄叶片在盐胁迫处理 24小时
后, V型H+_ATPase A亚基的mRNA的含量升
高; 但处理7天后, 又恢复到对照的水平; 而嫩
叶和根中A亚基的mRNA含量没有明显的变
化。进一步的研究还发现, 环境条件如光照
等也会影响盐胁迫下ATPase蛋白亚基的基因
表达。如在光照初期, 盐胁迫下的冰叶日中
花叶片中V型ATPase 的B和c亚基的蛋白含
量以及mRNA水平明显的增加(相对于A亚
基mRNA水平而言); 光照结束时, 叶片中V型
ATPase的B和 c亚基的mRNA水平都很高,
并且和对照处理水平接近(Rocke l et al . ,
1998)。
刘友良等(1993) 的研究发现, 盐胁迫能诱
导大麦质膜H + _ A T P a s e 的基因表达。
Rodríguez-Rosales等(1999)也发现番茄质膜
H+_ATPase基因的表达受到盐胁迫的影响。
在Ca2+-ATPase的研究方面, 以烟草悬浮
细胞为材料的盐胁迫实验结果显示, 耐盐品种
的Ca2+-ATPase水平和Ca2+-ATPase的基因表
达都会提高( P e r e z - P r a t e t a l . , 1 9 9 2 )。
Wimmers等(1992)也观察到盐胁迫迅速提高番
茄 Ca2+-ATPase的mRNA水平, 另外还发现
Ca2+-ATPase基因过量表达能替代 GA3的作
用, 即诱导 a-淀粉酶合成和促进分泌系统工
作。这似乎表明, Ca2+-ATPase在植物处于逆
境条件下会显示出一定的逆境应答功能(林建
军和魏幼璋, 2001)。还有学者提出植物IIB型
Ca2+_ATPase的活性受氨基酸序列N-端限制
域的抑制(Geisler et al., 2000)。
5 盐胁迫信号转导与 ATPase活性
调控
近来, 胁迫信号转导与ATPase关系的研
究引起研究人员的关注, 其中, Ca2+_CaM与
ATPase的相互作用是研究热点。液泡膜上
的V型H+_ATPase可通过向液泡内转运质子,
产生内正外负的电势差, 从而控制电压门控的
Ca2+通道(夏朝晖和陈珈, 1998)。在液泡膜上
还存在有Ca2+/H+反向转运蛋白, 液泡释放2个
172005 邓 林等: ATPase与植物抗盐性
H+, 就有1个Ca2+转运到液泡中, H+的释放反
过来又刺激了V型H+_ATPase的质子转运活
性(王延枝等, 1993)。研究表明, NaCl胁迫下
液泡膜 H+_ATPase活性的提高可能与 Ca2+-
CaM系统有关(Zhang and Liu, 2002)。NaCl
胁迫2天, 耐盐大麦根系液泡膜H+_ATPase活
性增强, 以Ca2+螯合剂EGTA(5 mmol.L-1)处理
大麦幼苗 , 能抑制 N a C l 诱导的液泡膜
H+_ATPase活性增强; 用CaM拮抗剂TFP(20
m m o l . L -1 )处理 , 也同样抑制了液泡膜
H+_ATPase活性的提高。再有, 盐胁迫下盐
地碱蓬叶片液泡膜H+_ATPase的活性增强是
依靠 Ca2+的作用(Han et al., 2005)。这些研
究表明, NaCl胁迫下液泡膜H+_ATPase活性
受Ca2+-CaM调控。张新生等(2001)的研究发
现, CaM有增强苹果(Malus pumila ‘Starking’)
果肉质膜微囊 Ca2+_ATPase活性的作用; 相
反, Ca2+螯合剂EGTA和CaM的专一性抑制剂
CPZ则抑制Ca2+_ATPase的活力。据此推测,
Ca2+_ATPase也受 Ca2+-CaM调控(张新生等,
2001)。这在对甜菜(Beta vulgaris)和大白菜
(Brassica campestris)的研究中有相似的报道
(Giannini et al., 1987; 缪颖等, 1999)。因此,
细胞内由 Ca2+水平所激活的Ca2+_ATPase活
性可能是植物信使系统的一个调节环节(张新
生等, 2001)。
ABA被普遍认为是胁迫激素, 在盐胁迫
下, ABA除了能通过调控气孔——减少叶片蒸
腾作用来降低盐分的根冠运输外, 还有证据表
明, ABA能通过调控V型H+_ATPase活性来
增强植物的抗盐性。有报道显示, 盐胁迫下
大麦根的V型H+_ATPase活性增加的同时, 内
源ABA水平也显著提高, 而且外源ABA能显
著促进大麦根V型H+_ATPase的活性(Kasai et
al., 1993, 1994)。ABA诱导 V型H+_ATPase
活性提高, 这有利于细胞将盐离子储藏在液泡
中, 从而提高植物的抗盐性。由于ABA是一
种广谱性的 Ca2+激活剂(Gilroy et al., 1990,
1991; McAinsh et al., 1997), 故有人推测ABA
对信号的反应是通过Ca2+来传递的。我们的
研究表明, ABA和Ca2+在调控树木的抗盐性
反应中也具有重要作用(Chen et al. , 2001,
2002b, 2003b)。在盐胁迫下胡杨根系中ABA
和Ca2+水平都显著提高, 同时, 其根细胞离子
区隔化能力增强, 因此, 我们认为ABA和Ca2+
很可能协同参与对V型H+_ATPase的调节, 从
而提高了细胞的离子区隔化能力, 这不但能减
少盐分在细胞质中的积累, 而且在根皮层细胞
中的离子区隔化还能降低盐分的根冠运输, 最
终提高了胡杨抗盐性(Chen et al. , 2002a,
2003a)。
6 小结
近些年来, 研究人员通过对植物逆境胁迫
反应的研究指出, 细胞膜系统的变化在植物抗
逆机制中起关键作用, 膜结构的变化通常引起
膜的半透性及被膜束缚的酶活性等一系列生
理过程的改变。ATPase是一种膜束缚的功
能性蛋白质, 它同各种膜体系和细胞器有着广
泛的联系, 对许多生理过程如能量代谢、物
质的吸收和运输等具有重要作用。从已经报
道的研究结果可以看出, 逆境胁迫对植物细胞
ATPase活性的影响不仅与植物种类和胁迫强
度有关, 还与胁迫持续的时间和植物发育的阶
段有关。进一步研究 ATPase活性在逆境胁
迫及恢复过程中的变化, 有助于深入揭示植物
对逆境胁迫的响应和适应机制。特别是胁迫
信号物质如 ABA、Ca2+及 CaM等如何调节
酶蛋白质的合成等, 是值得深入研究的课题。
这一问题的阐明, 不但能从分子水平上了解
ATPase活性的调控机制, 也有助于深入阐明
植物的抗性机理。
18 22(增刊)
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