全 文 ：土壤盐渍化是个世界性问题,目前,世界上约
20%的耕地和近 50%的水田遭受高盐胁迫,随着世
界范围土地盐化、次生盐渍化的不断加剧,研究植
物对盐胁迫的适应性,以提高植物的耐盐能力,对
于农业的健康发展具有重要的意义。
拟南芥(Arabidopsis thaliana)液泡膜 N+/H+逆
向转运蛋白(AtNHX1)是拟南芥中最丰富的 Na+/H+
逆向运输蛋白,它在影响细胞 pH值的维持、离子动
态平衡及调节蛋白质运输方面起着重要的作用[1]。
在高盐浓度下,植物可利用液泡膜 H+-ATPase及
PPiase产生的驱动力,利用 Na+/H+逆向转运蛋白把
Na+在液泡中区隔化以消除 Na+毒害,从而达到耐盐
的目的[2]。因此,拟南芥液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白
(AtNHX1)在耐盐中起到重要作用,对培育耐盐农
作物尤为重要。简要综述了 AtNHX1基因及 Na+/H+
逆向转运蛋白 AtNHX1的特征,AtNHX1的耐盐机
制以及植物耐盐基因工程改良等方面的研究进展。
1 AtNHX1基因 及 Na+/H+逆 向转 运蛋 白
AtNHX1的特征
液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白的活性首先是在
甜菜(Beta vulgaris)贮藏组织的液泡膜囊泡检测到
的 [3]。随后,Gaxiola首次从拟南芥中克隆出与啤酒
酵母(Saccharomyces cerevisiae)NHX1非常相似的
液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白基因 AtNHX1,该基因
拟南芥液泡膜Na+/ H+逆向转运蛋白研究进展
李志亮 1,2 黄丛林 2 王刚 3 吴忠义 2*
(1邯郸学院生物科学系,邯郸 056005;2北京农业生物技术研究中心,
北京 100089;3河北师范大学生命科学学院,石家庄 050016)
摘 要: 盐分是植物生长发育的主要限制因素之一,而离子在胞内区室之间的选择性运动对提高植物耐盐性是至关
重要的。来自于拟南芥(Arabidopsis thaliana)的A NHX1基因可编码Na+/H+逆向转运蛋白,而Na+/H+逆向转运蛋白
AtNHX1可将细胞质中多余的Na+排进液泡来消除Na+的毒害,维持细胞的渗透平衡,提高植物的耐盐性。简要综述了
AtNHX1基因及Na+/H+逆向转运蛋白AtNHX1的特征,AtNHX1的耐盐机制以及植物耐盐基因工程改良等方面的研究进
展。
关键词: 拟南芥(Arabidopsis thaliana) 液泡N+/H+逆向转运蛋白 耐盐性 植物基因工程
Advance in Studies on the Vacuolar Na+/H+Antiporter of
Arabidopsis thaliana
Li Zhiliang1,2 Huang Conglin2 Wang Gang3 Wu Zhongyi2*
(1Department of Biology Handan College,Hand 056005;2Beijing Research Center of Agro-Biotechnology, Beijing
100089;3College of Life Science Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016)
Abstract: Salinityisone ofthe major limitingfactorsin plant growth and development. The selective movement ofions
between intracellular compartments is fundamental for plants to enhance their salt tolerance. The AtNHX1 gene encodes a
Na+/H+antiporter,which is the key enzyme to transport Na+into the vacuole to avert the deleterious effects of Na+in th
cytosol, it maintains the Na+balance in cells and improves the salt-tolerance of plants.The characteristics of AtNHX1 gene and
Na+/H+antiporter AtNHX1, the salt tolerance mechanism of AtNHX1 are summarized in this paper, meanwhile, the relative
genic engineeringimprovement for salt tolerance ofplantsisreviewed.
Key words: Arabidopsis thaliana Vacuolar Na+/H+ ant porter Sa t tolerance Plant genic engineering
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2006年第3期
收稿日期:2006-04-25
基金项目:北京市基金资助项目(5062012)
作者简介:李志亮(1966-),男,河北魏县人,邯郸学院生物科学系讲师,硕士
通讯作者:吴忠义,E-mail:wuzhongyi@yahoo.com
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第3期
是所克隆的第一批植物液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋
白基因之一 [4]。研究表明,AtNHX1基因编码一个
538个氨基酸的蛋白(AtNHX1),具有 12个横跨膜
的区域,在跨膜的区域Ⅲ含有与已克隆的其他
AtNHX蛋白相同的高度保守的氨氯吡嗪咪结合位
点。用 NaCl和 ABA处理后,AtNHX1基因的转录增
强,AtNHX1是植物耐盐性的决定因素[5]。
在转基因拟南芥植株中,AtNHX1基因可以在
除根尖以外的所有组织中表达。AtNHX1启动子的
活性受到 NaCl,KCl或 ABA的上游调节。结果显
示,盐胁迫上游调节 AtNHX1的转录表达,而且这种
上游调节部分依赖 ABA的生物合成[6]。
Yamaguchi等对拟南芥叶片液泡的 Na+/H+逆向
运输蛋白 AtNHX1的拓扑学进行了分析。结果表明,
AtNHX1总体结构与人的以及其它任何已知的 Na+/
H+逆向运输蛋白有明显区别。它包含 9个跨膜区和
一个亲水的 C-末端区。3个疏水区似乎没有跨过液
泡膜,尽管似乎是与膜相联系着的。结果也说明,尽
管 AtNHX1的 N-末端面向胞质溶胶,然而几乎全部
的 C-末端亲水区位于液泡腔。去除 C-末端亲水区
会导致 Na+/H+运输速率的急剧增加,Na+/K+运输比
率是未修饰的 AtNHX1的两倍。这种比率的改变是
由于 K+/H+运输相对小的降低而 Na+/H+运输相对大
的增强造成的。AtNHX1的 C-末端定位于液泡,加
上通过 C-末端对逆向运输蛋白选择性的调节,表明
存在着一种液泡膜腔内逆向运输蛋白活性的调控
机制 [7]。Yamaguchi的研究发现,位于液泡腔内的
AtNHX1的 C-末端的亲水区在调节逆向运输蛋白活
性方面起着重要的作用,而钙调蛋白类蛋白 At-
CaM15以 Ca2+和 pH值依赖方式作用于 AtNHX1的
C-末端,AtCaM15与 AtNHX1的结合改进了逆向运
输蛋白 Na+/K+的选择性而降低了其 Na+/H+交换活
性,显示在液泡内有信号物质起作用[1]。研究还发
现,AtNHX1跨膜片段的拓扑基因特征显示 Na+/H+
交换器家族具有相同的拓扑学模型,尽管植物的
NHX不含信号肽[8]。
2 AtNHX1的耐盐机制
对于真核生物来说,离子在胞内区室之间的选
择性运动是至关重要的。维持植物细胞质内离子的
相对平衡状态是植物耐盐性高低的决定性因素,而
植物细胞质内离子的种类和数量的多少,与液泡膜
的转运蛋白的表达息息相关[9]。
植物受到盐胁迫时,往往把盐从细胞质和细胞
器中清除出去,使其集中于液泡中,这种现象被称
之为盐的区隔化。当植物受到高盐胁迫时,其体内
的离子平衡遭到破坏,从而导致 Na+毒害,帮助植物
在盐胁迫环境下维持离子内环境的相对稳定对于
植物抵抗盐胁迫至关重要。许多研究发现,各种逆
向转运蛋白和质子泵在维持植物对盐胁迫的耐性
方面发挥着重要作用。拟南芥液泡膜 Na+/H+逆向转
运蛋白 AtNHX1可以使植物细胞中过多的 Na+从细
胞质进入液泡而区隔化,质子泵为离子运输提供动
力,有效降低 Na+的有害影响,维持渗透平衡,增强
水分吸收,提高植物的耐盐性[10]。
液泡内 Na+的积累有两方面的优势:(1)降低胞
质溶胶中 Na+的毒害水平;(2)降低液泡的渗透势并
引起一个更负的水势有利于细胞吸水,改善组织在
高土壤盐分下的水分保持[11]。
在 AtNHX1的 T-DNA插入突变体 nhx1植株
中,液泡阳离子/质子逆向运输、离子平衡和叶的发育
发生改变。研究发现,在盐胁迫条件下,AtNHX1突变
体 nhx1植株幼苗的形态建成受到阻碍 [12],说明
AtNHX1除了已知的在离子动态平衡方面的作用外,
液泡阳离子/质子逆向运输蛋白在胞内小泡运输、蛋
白质导向和其他细胞过程中发挥着重要作用[13]。
3 植物耐盐基因工程
近 10年来,植物耐盐基因工程进展十分迅速,
其分子机制研究的不断深入和生物技术的日臻完
善,为培育高效耐盐作物以及缓解土壤盐渍化对农
业生产和生态环境造成的威胁迎来曙光。随着对转
运蛋白 AtNHX1分子生物学的进一步深入研究,使
得从基因水平来认识和提高植物的耐盐性已成为
可能[9]。
目前,已经克隆出拟南芥液泡膜上的 Na+/H+逆
向转运蛋白 AtNHX1。Na+/H+逆向转运蛋白活力由盐
胁迫而诱导,氨氯吡嗪咪及其类似物是 Na+/H+逆向
转运蛋白的竞争性抑制剂。研究表明,转单一的 Na+
/H+逆向转运蛋白基因能够明显提高作物的耐盐性,
其原因可能是 Na+/H+逆向转运蛋白基因导入植物细
胞后激活了一系列与耐盐相关的基因,从而明显提高
植物耐盐性[14]。Apse等在拟南芥中鉴定出第一个高等
植物的 Na+/H+逆向转运蛋白(AtNHX1)的基因,该基
26
2006年第3期 李志亮等:拟南芥液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白研究进展
因编码液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白,采用转基因
的方法获得的转 AtNHX1基因拟南芥植株的耐盐性
提高,为培育耐盐植物新品种提供了可行途径[15]。
Zhang等 将 AtNHX1基 因 导 入 番 茄 (Lycopersicon
esculentum)中,转基因植株叶片的液泡中盐的积累增
加,植株能在200mM的NaCl的环境中生长、开花、结
实 [16]。Zhang等用 AtNHX1基因转化油菜(Brassica
napus),获得的转基因植株的耐盐性增强。转
AtNHX1油菜植株能够在 200mMNaCl的环境中生
长、开花、结实。尽管生长在高盐环境中的转基因油
菜植株体内积累了高达其干重 6%的 Na+,但高盐对
这些植物的生长的影响是微弱的,而且产量和油的
品质也未受到高盐土壤的影响 [17]。杨爱芳等报道,
转 AtNHX1基因甜菜(Betavulgaris)的耐盐性由 1%
～1.5%提高到 2%～2.5%的 NaCl浓度[18]。王先艳等将
AtNHX1基因转入烟草(Nicotianatabacum),获得的
转基因烟草的耐盐性明显提高,耐盐性增强了约
1%NaCl浓度 [2]。薛哲勇等用根癌农杆菌介导法将
AtNHX1基因转化小麦(Triticum aestivum),获得转
基因植株 [19]。尹小燕等采用农杆菌介导法得到转
AtNHX1基因玉米(Zeamays)植株,提高了转基因
植株及其后代的耐盐性,部分株系可在 0.8%～1%的
NaCl溶液浇灌下萌发和生长[20]。赵军胜等用根癌农
杆菌介导法将 AtNHX1基因转入高羊茅(Festuca
arundinacea),得到转基因植株,提高了耐盐性[21]。He
等的研究表明,拟南芥的液泡 Na+/H+逆向运输蛋白
基因 AtNHX1在棉花(Gossypium hirsutum)中的表达
增强了盐胁迫(200mM NaCl)下的光合作用并提高
了纤维产量并提高了纤维品质。同时,AtNHX1基因
的过表达增加了液泡对 Na+的吸收,提高了液泡的
溶质浓度,赋予转基因棉花植株较高的耐盐性[11]。
4 展望
植物的耐盐性是植物体内一系列生理生化过
程综合作用的结果,由相关的多基因调控,并受到
外界环境因子的影响或制约。随着人们对植物耐盐
性(抗盐性)机制的生理学本质的进一步了解,必将
为今后引种、驯化、改良和培育抗盐植物,为抗盐生
物工程育种提供更充分的理论依据。在今后相当长
的一段时间内,转基因的实验仍将是研究热点,随
着与耐盐相关的基因的克隆及功能研究不断取得
进展,将会有一大批耐盐转基因植物相继问世,加
上与传统的育种方法的有机结合,最终会培育出更
多抗盐性得到改良的植物新品种。
相对而言,液泡中 Na+的区域化集中比在细胞
质中积累有机溶质或渗透保护剂对植物耐受或抵
抗高盐胁迫所起的作用具有更高的效率。从植物整
体而言,植物体根部是直接接触高盐环境的器官,
因此根部的排盐和植物体地上部分细胞对盐的区
域化集中是植物耐盐性的重要决定因素。随着各种
基因组测序工程的进展及 Na+/H+逆向转运蛋白基
因在各种植物中的克隆鉴定,人们将会进一步弄清
Na+/H+逆向转运蛋白的功能特征及其信号转导的调
节途径,对植物耐盐基因工程产生重要的指导意
义。利用基因工程手段将 AtNHX1基因非抗盐农作
物中,以培育出抗盐的转基因作物新品种,使其正
常生长在盐渍土壤上,对中国乃至世界农业持续而科
学地发展意义重大。可以看出,基于Na+/H+逆向转运
蛋白的植物耐盐基因工程改良具有广阔前景。
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27
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第3期
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