全 文 ：第25卷 第5期
2013年5月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 25, No. 5
May, 2013
文章编号：1004-0374(2013)05-0532-06
水稻抗铝机制的研究进展
丁海燕，温丹妮，王苗全，钱海丰*
(浙江工业大学生物与环境工程学院，杭州 310032)
摘　要：铝毒是作物在酸性土壤中生长的主要限制因素，水稻作为耐铝毒较强的作物，有着精细的抗铝机制。
水稻的高抗铝性受多基因控制，其中包括抗铝转录因子基因、多药及毒性化合物外排家族 (multidrug and
toxic compound extrusion, MATE)基因、铝特异转运蛋白基因、液泡 ATP结合盒 (ATP binding cassette, ABC)
转运蛋白基因、细菌型 ABC转运蛋白基因、镁转运蛋白基因等。主要围绕以上基因概述水稻抗铝机制的最
新研究进展和对未来的研究进行展望。
关键词：水稻；MATE家族；铝胁迫；柠檬酸；铝毒
中图分类号：Q945.78 文献标志码：A
Advances in aluminum-resistance mechanisms in rice
DING Hai-Yan, WEN Dan-Ni, WANG Miao-Quan, QIAN Hai-Feng*
(College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China)
Abstract: Aluminum (Al) toxicity is the major factor limiting crop productivity on acidic soils. Rice (Oryza sativa
L.) is one of the most Al-resistant crops, and has complicated mechanisms for Al tolerance. Many Al-resistant genes
in rice have been cloned, including Al resistance transcription factor 1 (ART1), multidrug and toxic compound
extrusion (MATE) gene, nramp aluminum transporter 1 gene, tonoplast-localized half-size ABC transporter gene,
bacterial-type ABC transporter gene, magnesium transporter gene, etc. We reviewed the recent studies on the Al-
resistant mechanisms and predicted the future directions in this field.
Key words: rice; MATE family; aluminum stress; citric acid; aluminum toxicity
收稿日期：2012-11-17； 修回日期：2013-01-29
基金项目：国家自然科学基金项目(21277127)
*通信作者：E-mail: hfqian@zjut.edu.cn; Tel: 0571-
88320742
1　铝对植物的毒害
铝在地壳中的含量十分丰富，是仅次于氧和硅
的第三大元素，约为 7%，也是含量最为丰富的金
属元素。通常情况下，土壤中的铝元素以铝硅酸盐
的形式存在，生物有效性低，对植物基本无害。但
铝的分子态可随环境 pH而变化：当土壤 pH大于 5
时，铝的形态主要有 Al (OH)2
+、Al (OH)2+、Al (OH)3
或硅酸盐的固体形态；而当 pH小于 5时，土壤中
的铝会变成可溶性的 Al3+，在微摩尔浓度水平下就
会对根系造成毒害作用 [1-2]。且 Al3+浓度会随着 pH
的下降而不断增加。因而，铝毒是酸性土壤中限制
植物生长和作物产量的最重要因素之一。这种危害
随着酸雨的增加和化肥的使用变得尤为突显。
铝毒最明显的外部症状是对根系的生长抑制 [3]，
从而影响植物对矿质元素和水分的吸收，进而导致
植物地上部分生长受阻 [4]。一些植物在进化过程中
获得了一些抗铝机制来保护自身，如外部排斥和内
部耐受机制 [5]。外部排斥机制主要通过植物分泌有
机酸来螯合 A13+，利用细胞壁对铝的固定、根际
pH屏障、A13+被主动输出途径等来阻止铝进入根
细胞以减轻铝毒。不同的植物在铝胁迫下分泌的有
机酸不同，主要有柠檬酸、苹果酸、草酸。如小麦
和拟南芥分泌苹果酸 [6-7]，玉米、饭豆和水稻分泌
柠檬酸 [8-10]，菠菜分泌草酸 [11]。内部耐受发生在细
丁海燕，等：水稻抗铝机制的研究进展第5期 533
胞质内部，包括有机酸、蛋白质等配体与铝的螯合、
液泡对铝的区室化作用、抗铝酶的诱导及活性的提
高，使进入根细胞的铝成为无毒或毒性较小的结合
态铝 [12]。
2　水稻的抗铝分子应答机制
与其他作物相比，水稻具有较强的抗铝性，这
与其基因组中存在多个抗铝基因有关。近期研究发
现，水稻有多达 48个抗铝基因 [13]。Yamaji等 [14]克
隆到抗铝转录因子 (Al resistance transcription factor 1,
ART1)，发现 ART1带有 C2H2型锌指结构，在水
稻根中呈组成性表达，不受铝诱导。此外，还发现
ART1定位在根细胞核中。酵母单杂交实验显示，
它能激活水稻耐铝基因 (sensitive to Al rhizotoxicity1,
STAR1)的启动子区；微阵列分析表明，它能调控下
游至少 31 个基因的表达，包括柠檬酸盐转运体
基因 (OsFRDL4)、铝特异转运蛋白基因 [15] (nramp
aluminum transporter 1, Nrat1)、液泡 ABC转运蛋白
基因 [16] (tonoplast-localized half-size ABC transporter
gene, OsALS1)、细菌型ABC转运蛋白基因 [17](bacterial-
type ABC transporter gene, STAR1-STAR2)、镁转运蛋
白基因 [18] (magnesium transporter gene, OsMGT1)等
关键基因，多层次增强对铝的抗性 [14]。关于以上基
因的所属的家族、定位、组织分布及与铝诱导的关
系详见表 1。现在认为，水稻收到铝胁迫信号后，
通过 ART1启动复杂的应对机制，在植物体的外部
和内部进行有效解毒。外部解毒机制主要包括水稻
根系分泌柠檬酸和细胞壁对铝的固定；而内部解毒
机制主要包括 Nrat1对铝的内运、液泡对铝的区域
化作用，以及 OsMGT1通过调节镁离子的内流来
介导的其他抗铝胁迫途径 (图 1)。
2.1　外部排斥机制
2.1.1　MATE：分泌酸螯合铝
MATE广泛存在于原核和真核生物体中，而在
表1 水稻抗铝相关基因的特征
基因名称 基因家族 定位 组织分布 是否受Al诱导
ART1[14] 含锌指结构转录因子家族 根细胞核内 主要在根部表达 不受Al诱导
OsFRDL4[10] MATE家族 根部细胞质膜上 只在根部表达 受Al诱导
STAR1-STAR2[17] ABC转运蛋白家族 除了成熟区表皮细胞外的根细胞 主要在根部表达 受Al诱导
囊泡膜上
Nrat1[15] Nramp蛋白家族 除了皮层细胞外的根尖细胞膜上 只在根中表达 受Al诱导
OsALS1[16] TAP蛋白家族亚族 根部细胞的液泡膜上 根、叶部表达 受Al诱导
OsMGT1[18] 根尖和成熟区细胞的细胞膜上 根、叶部表达 受Al诱导
图1 水稻根部细胞的抗铝分子机制
生命科学 第25卷534
高等植物中，MATE家族显得尤为庞大，如拟南芥
中存在至少 58个 MATE基因 [19]，水稻中也多达 40
个以上 [20]。MATE家族蛋白由 400~700个氨基酸组
成，但没有共同的保守区域 [21]。我们利用生物信息
学手段，构建了水稻MATE蛋白的进化树 (图 2)。
由图 2可知，水稻MATE蛋白可大致分为八个群体，
反映出水稻MATE家族功能的多样性。目前，有两
个水稻 MATE蛋白被克隆并进行功能验证，分别
为OsFRDL1 (LOC_Os03g11734)和OsFRDL4 (LOC_
Os01g69010)，它们都与柠檬酸的转运相关 [10,20]。
OsFRDL1[20]与拟南芥AtFRD3[22]和大豆GmMATE[23]
蛋白相同，定位于中柱鞘细胞，通过向木质部中分
泌柠檬酸与铁形成螯合物，将铁以铁 -柠檬酸盐的
形式从植物根部运送到叶部，增加铁的有效吸收；
而水稻 OsFRDL4[10]则与大麦 HvAACT1[24]、高粱
SbMATE[25]、拟南芥 AtMATE[26]、小麦 TaMATE[27]
相同，都是铝胁迫下的质膜柠檬酸通道蛋白。当水
稻受铝胁迫时，细胞受体感知铝胁迫信号后，通过
信号传递、酶活化等一系列未知途径，将胁迫信号
传递给转录因子 ART1，特异性地调控水稻根尖
OsFRDL4的表达，促进柠檬酸分泌以螯合外界的
铝离子，降低铝毒 [10,28]。
水稻 MATE蛋白 OsFRDL1和 OsFRDL4的 N
端序列较长，很有可能与和其他蛋白质的相互作
图2 水稻MATE家族的生物信息学分析
丁海燕，等：水稻抗铝机制的研究进展第5期 535
用有关 [29]。对 Motif序列的预测发现，OsFRDL1
和 OsFRDL4这两个蛋白都具有三个较保守的结构
域，很可能是接受上游信号的中心位点 (图 3)。此外，
它们从序列和空间结构上都具有很高的相似性，有
可能是通过同一个基因复制、进化而成；但两者在
定位上的差异以及两种截然不同的生理功能不仅在
于蛋白本身的差异，还有可能是由非编码区的差异
引起。例如，Fujii等 [30]发现耐铝性大麦的柠檬
酸通道蛋白基因 HvAACT1编码区上游存在多个转
录起始位点 (transcriptional start site, TSS)。一个 1 kb
序列插入并没有改变蛋白的序列，但却使 HvAACT1
的表达由根部成熟区转移到根尖，并大大提高
HvAACT1的表达量，导致大麦根尖柠檬酸的分泌
量增多。因此，在耐铝性大麦中，HvAACT1基因
的突变使其功能从最初向木质部中分泌柠檬酸帮助
铁的向上运输，转变为向质膜外分泌大量柠檬酸实
现铝的外部螯合解毒，从而提高了大麦抗铝性，使
其能在酸性土壤上正常生长 [30]。
2.1.2　STAR1-STAR2：运输葡萄糖修饰细胞壁
Ma等 [31]通过图位克隆法获得 STAR1基因，
该基因与 Al耐受性有关，它的突变会增加水稻对
铝敏感性。研究表明，控制水稻 Al耐受性的 STAR1
和 STAR2 除了不在成熟区表皮细胞的囊泡膜表达
外，在其他所有根细胞的囊泡膜表达，且受铝特异
诱导。STAR1编码包含有核苷酸结合结构域的
ABC转运蛋白，而 STAR2编码含跨膜结构域 ABC
转运蛋白。STAR1与 STAR2互作形成一个类似于
ABC转运蛋白的复合体，将 UDP-葡萄糖转运至质
外体，对细胞壁进行修饰及加厚处理，降低铝在细
胞壁的积累及毒害。其中任何一个基因的突变都会
引起水稻对铝的超敏感 [17]。
2.2　内部解毒机制
2.2.1　Nrat1：向细胞内转运铝
植物存在外部抗铝机制，但还是有部分铝离
子能进入植物体内。研究发现，水稻根细胞膜上
存在铝特异转运蛋白 (nramp aluminum transporter1,
Nrat1)[15]，铝离子会通过此通道进入植物细胞。
Nrat1属于与自然抗性相关的巨噬细胞蛋白 (natural
resistance-associated macrophage protein, Nramp) 家
族，但与其他蛋白成员的相似性较低。此外 Nrat1
只在根中表达，荧光定位显示 Nrat1蛋白存在于除
了皮层细胞外的根尖细胞膜上。铝能诱导 Nrat1基
因的表达，将细胞外的铝转运入细胞质中，有助于
缓解外部抗铝机制的压力。敲除 Nrat1致使 Al的
图3 OsFRDL1、OsFRDL4蛋白序列结构及其三个保守序列
生命科学 第25卷536
吸收减少，结合在细胞壁上的 Al增多，并且加剧
了植株对 Al的敏感性；但对其他金属的耐受性如
镉和镧并不受到影响 [15]。
2.2.2　OsALS1：介导铝在液泡中的区隔化
对进入细胞质中的铝，水稻会采取相应的内部
抗铝机制。OsALS1属于与抗原加工相关的转运蛋
白 (transporter associated with antigen processing,
TAP)家族亚族的成员。OsALS1在根部的所有细胞
中表达，并进一步定位在液泡膜上 [16]。OsALS1能
编码一个半分子 ABC转运蛋白 ，可被铝诱导表达，
但不受其他金属或低 pH的诱导。OsALS1能将进
入细胞质的铝运进液泡，实现铝的区室化，这是水
稻和其他植物有效降低重金属的常见方法，但目前
不清楚铝以何种分子态进入液泡。OsALS1突变体
对铝的敏感性显著增加，而对其他金属和低 pH环
境的敏感性不变。通过比较野生型和突变体中铝积
累量发现，两者在根尖、根基部、根部细胞壁和细
胞液中的铝含量没有差异；但铝在突变体的胞质和
细胞核的积累要多于野生型，进一步说明 OsALS1
对于水稻体内解铝毒的必要性 [16]。
2.2.3　OsMGT1：内送镁离子缓解毒害
近期研究发现，Mg2＋转运蛋白与抗铝之间有
很大的相关性。OsMGT1是Mg2＋转运蛋白基因 [18]，
当敲除 OsMGT1后，水稻对铝毒性的耐受能力减弱，
但并不影响水稻对其他金属，如镉和镧的耐受性。
然而，该突变体在Mg2+存在的环境中，可增加抗
铝性。进一步研究发现，OsMGT1是一个在根和叶
中呈组成性表达的质膜蛋白，但 Al3+胁迫却能诱
导其在根部的快速表达。与其他抗铝基因类似，
OsMGT1也受到 ART1的调控。
Mg2+是植物很多酶的辅基，它在抗铝胁迫中
的地位还不甚清楚。一方面，Mg2+能阻止 Al3+与
酶及其他一些细胞化合物结合，如无机磷、ATP、
RNA、DNA、蛋白质、羧酸和磷脂等 [18]；另一方面，
镁又是叶绿素的重要组成元素，在植物生长发育过
程中起着非常重要的作用。通过分析铝耐受型和敏
感型大豆的转录组发现，镁有可能通过大范围诱导
或抑制相关基因来减轻铝毒 [32]，如提高酸性磷酸
酶的活性、稳定 H+-ATPase的活性、调节细胞质
pH、维持细胞质 Ca2+稳态、缓解活性氧的产生等 [33]。
3　展望
水稻一直以来是植物研究的模式生物，随着基
因组测序的完成，对于其基因功能的研究更是热门
话题。近年来，对于MATE家族的研究迅速展开。
通过序列同源性分析，在水稻中鉴定出至少 40个
MATE基因。然而，大部分的 MATE基因功能还是
未解之谜，有待探索。同时，水稻作为高抗铝的植物，
对它的抗铝性研究结果将使人类获得更多的抗铝材
料。植物抗铝是一个复杂的机制，是多基因共同作
用的结果。目前为止，仅有一小部分相关基因被克
隆解析，更多的基因，尤其是与抗铝密切相关的
MATE家族基因有待于进一步挖掘。随着抗铝基因
不断发现，水稻抗铝机制也逐步清晰，但目前对细
胞如何感受外界铝刺激、ART1如何调节抗铝基因
的表达还有很多空白，这也许是将来研究的热点。
铝胁迫是在酸性条件下进行，但对于植物酸性胁迫
很少受人关注，水稻高抗铝性是否与高抗酸性有关，
两者间是否存在某种联系，还有待于人类揭开生物
界神秘的面纱。
[参　考　文　献]
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