全 文 ：第23卷 第3期
2011年3月
Vol. 23, No. 3
Mar., 2011
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2011)03-0299-07
植物苹果酸和柠檬酸通道蛋白基因的研究进展
梁　锋，罗义勇，陈丽梅，李昆志*
(昆明理工大学生物工程技术研究中心， 昆明 650224)
摘　要：铝毒是酸性土壤中抑制植物生长和减少作物产量的主要因素。近年来研究表明植物主要通过根部
有机酸通道蛋白将小分子有机酸阴离子转运到细胞膜外来缓解铝毒。本文综述了植物中编码铝诱导的苹果
酸转运蛋白和多药及毒性复合物的排出转运蛋白两种耐铝基因，并从基因克隆、蛋白质同源性比较、基因
表达调控、基因的功能和应用以及预测耐铝基因作用模式等方面进行了阐述；同时对这些耐铝基因的应用
前景进行了展望。
关键词：铝毒；有机酸通道蛋白；苹果酸转运蛋白；多药及毒性复合物转运蛋白
中图分类号：Q945 文献标识码：A

Advances in research of malate and citrate transporter genes in plants
LIANG Feng, LUO Yi-Yong, CHEN Li-Mei, LI Kun-Zhi*
(Biotechnology Research Center, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China)
Abstract: Aluminum is the major factor inhibiting plant growth and crop yield in acid soils. Recent researches
show that Al is mainly detoxified by transporting small molecular anions of organic acids out of cells in the root
with the organic acid channel protein in the plants. In this paper, two Al-resistant genes encoding aluminum-
activated malate transporter and multidrug and toxic compound extrusion protein in plants are summarized from the
aspects of gene cloning, protein homology comparison, gene expression regulation, function and application of gene
as well as the predicted acting model of Al-tolerance genes. In addition, the prospect of these Al-resistant genes is
also predicted.
Key words: aluminum toxicity; organic acid channel; ALMT(aluminum activated malate transporter);
MATE(multidrug and toxi compound extrusion)
收稿日期：2010-07-27； 修回日期：2010-10-13
基金项目：云南省中青年学术技术带头人后备人才培
养基金(2006py01-10)
*通讯作者：E-mail：likunzhikm@yahoo.com.cn; Tel:
0871-3801018-203
铝是地壳中含量最丰富的金属元素，通常以对
植物无毒害作用的难溶性的硅酸盐、磷酸盐、硫化
物和氧化物等形式存在。但在酸性条件下 (pH < 5)，
铝就会以铝离子形式从土壤中释放出来，对大多数
植物产生毒害作用，成为植物生长发育的一个主要
限制因素。酸性土壤中大量活性铝严重影响植物的
生长，造成极大的经济、生态和社会效益的损失 [1-3]，
所以铝毒及其矫治的研究越来越引起人们的广泛重
视。目前关于铝毒机制研究的报道主要从生理和分
子水平两方面进行阐述。在生理上，铝抑制植物的
根伸长，破坏根组织，影响植物对水分和矿质营养
的吸收 [4]。在细胞水平上，铝抑制根细胞生长，且
长时间铝处理会抑制细胞分裂 [5]；进入细胞后，铝
能作用于微管和微丝，破坏植物细胞骨架 [6]；与信
号转导途径相互作用，特别是在 Ca2+的体内平衡和
信号途径中起毒性作用 [7]。另外，铝还能诱导动植
物细胞产生活性氧，引起膜脂过氧化，破坏细胞膜
结构 [8,9]。
在进化过程中植物形成了多种耐铝机制，其中
与有机酸有关的解铝毒机制被阐述得最为详尽。Ma
生命科学 第23卷300
等 [10,11]认为有机酸通过两种途径缓解铝对植物的毒
害：一为外部排斥机制，包括植物向外界分泌有机
酸螯合铝离子；二为原生质体内部的忍耐机制，表
现为铝离子在细胞内被有机酸螯合为无毒的复合
物。耐铝植物在应答铝胁迫时会分泌草酸 [12,13]、苹
果酸和柠檬酸。到目前为止，研究发现在一些植物
中有编码铝诱导的苹果酸转运蛋白 (aluminum-
activated malate transporter，ALMT)和柠檬酸转运
蛋白的耐铝基因，但还没有发现编码草酸转运蛋白
的耐铝基因。
苹果酸和柠檬酸的分泌分别被 ALMT1蛋白和
多药及毒性复合物的排出转运蛋白 (multidrug and
toxic compound extrusion, MATE)这两种通道蛋白所
控制。本文总结了近年来的最新研究成果，从
ALMT蛋白家族和MATE蛋白家族基因的克隆、蛋
白质同源性比较、基因表达调控、基因的功能和应
用以及预测耐铝基因作用模式等几个方面对两种耐
铝基因进行了综述。
1　ALMT
铝激活型苹果酸转运蛋白 (ALMT)家族是普遍
存在于植物细胞中的一大类蛋白。该类蛋白能够被
铝激活，在植物铝耐受过程中发挥了非常重要的作
用。氨基酸序列分析发现，ALMT蛋白在 N末端通
常拥有 5~7个跨膜区，其 C端形成亲水性的尾部。
另外，ALMT蛋白的 N端通常比较保守，19个完
全保守氨基酸 (DKWTEGNRGFYTRGPWGHP)位
于该区域 [14]。目前，对几种农作物中的 ALMT蛋
白家族基因 (表 1)已进行了较详细的研究。
1.1　ALMT1基因克隆及其蛋白质同源性比较
Sasaki等 [15]于 2004年通过差减杂交 cDNA文
库的构建分离得到了高量表达于耐铝小麦品系 ET8
根尖的 ALMT1 基因——TaALMT1。TaALMT1基因
是从植物中克隆到的第一个抗铝基因，含有 5个内
含子，6个外显子，定位于染色体 4DL末端的基因
座 AltBH中 [16]。氨基酸序列分析发现，TaALMT1基
因编码铝激活型苹果酸转运蛋白，含有 5~7个疏水
的跨膜区，相对分子质量为 49.7 k。膜拓扑结构研
究表明 TaALMT1蛋白含有 6个跨膜区，其 N端和
C端都位于细胞外侧 [17]。
Hoekenga等 [18]在模式植物拟南芥中克隆到
TaALMT1的同源基因——AtALMT1。AtALMT1基
因定位于染色体 1上的一个耐铝的数量性状位点
(quantitative trait locus, QTL) 内。AtALMT1 与
TaALMT1的氨基酸序列仅有 40%的相似性。
Ligaba等 [19]从油菜中克隆得到两个基因——
BnALMT1和 BnALMT2，序列比对分析发现，它们编
码的氨基酸序列相互之间具有 95%的相似性，与
AtALMT1和TaALMT1分别具有80%和40%的同源性。
Collins等 [20]发现黑麦的抗铝基因座 Alt4中含
有一个基因簇，与小麦单拷贝耐铝基因 TaALMT1
同源。耐铝型 (M39A-1-6)和敏感型 (M77A-1)黑麦
分别含有 5个和 2个耐铝基因，其中来源于M39A-
1-6的 2个耐铝基因 ScALMT1-M39.1、ScALMT1-M39.2
和来源于M77A-1的 1个耐铝基因 ScALMT1-M77.1
编码的氨基酸序列之间具有 98%的相似性，与
TaALMT1、BnALMT和 AtALMT1之间分别具有
88%、41%和 40%的相似性。另外，不同遗传型黑
麦 Alt4耐铝基因位点含有的 ALMT1同源基因数目
不同，并且该位点的这些同源基因可以进行遗传重
组 [20]，说明了黑麦耐铝机制的复杂性。
以上 7个耐铝基因编码的有机酸转运蛋白的氨
基酸序列之间具有 64%的相似性。它们之间的进
化关系如图 1所示。
1.2　ALMT1基因的表达调控
小麦耐铝基因 TaALMT1在根尖组成型表达，其
表1 ALMT蛋白家族基因、来源作物及编码蛋白的功能
ALMT家族基因 来源作物 编码蛋白的功能
TaALMT1 小麦(Triticum aestivum） 运输苹果酸及生理相关阴离子
AtALMT1 拟南芥(Arabidopsis thaliana) 运输苹果酸
BnALMT1 油菜( Brassica napus) 运输苹果酸
BnALMT2 油菜( Brassica napus) 运输苹果酸
ScALMT1 黑麦( Secale cereale) 运输苹果酸
ZmALMT1 玉米( Zea mays) 选择性运输有关矿质营养元素的阴离子
HvALMT1 大麦( Hordeum vulgare) 运输苹果酸及其他阴离子，参与气孔功能调节
AtALMT9 拟南芥(Arabidopsis thaliana) 运输苹果酸，参与细胞内部的抗铝机制
AtALMT12 拟南芥(Arabidopsis thaliana) 参与气孔关闭
梁　锋，等：植物苹果酸和柠檬酸通道蛋白基因的研究进展第3期 301
编码蛋白的运输活性受铝的激活。TaALMT1至少存
在两个等位基因：TaALMT1-1和 TaALMT1-2[15]。这
两个基因都具有编码铝激活型苹果酸转运蛋白的功
能，但 TaALMT1-1显得更为有效。在不同的小麦
品种中，由 TaALMT1所赋予的耐铝性主要取决于
这些等位基因的表达水平。此外， 铝抗性和敏感性
两个遗传型株系中，TaALMT1基因上游的启动子区
呈高度多态性，但是到目前为止，还没有研究结果
表明启动子中的多态性与不同遗传型中该基因的不
同表达水平有关 [15,16]。与 TaALMT1基因的组成型
表达不同，AtALMT1、BnALMT1和 BnALMT2的表
达与其蛋白的活性都受到铝的调控，铝不仅激活
AtALMT1 、BnALMT1 和 BnALMT2 蛋白，促进
转运出苹果酸，还负责诱导 AtALMT1、BnALMT1
和 BnALMT2 基因的表达 [18,19]。黑麦耐铝基因
ScALMT1在根尖高水平表达，且铝能使其转录水平
上调 [20]。
1.3　ALMT1基因的功能及其应用
TaALMT1编码的通道蛋白有可能是一个通透
酶，且极有可能是配体—门控离子通道 [14]。除柠檬
酸以外，它对其他生理相关的阴离子如 Cl-、NO-和
SO4
2-也具有通透性 [21]。将 TaALMT1基因转入爪蟾
卵母细胞、水稻和烟草中，都能检测到铝激活的苹
果酸的分泌，并提高烟草细胞的耐铝性 [16]。与耐铝
小麦基因型相似，转 ALMT1基因的大麦其根部苹
果酸的分泌显示出铝应答反应，且苹果酸的分泌受
阴离子通道阻断剂尼氟灭酸的抑制 [22]。这个实验证
明 ALMT1基因编码铝—门控阴离子通道蛋白，特
异性通透苹果酸。另外，比较小麦根尖苹果酸的分
泌量与根部原生质体中铝激活的阴离子电流的生理
研究也证明了 TaALMT1基因编码的苹果酸转运蛋
白是配体—门控离子通道蛋白这一假说 [19]。最近，
Ligaba等 [24]证实 TaALMT1蛋白活性受蛋白激酶介
导的磷酸化的调节。他们还发现当第 384位的丝氨
酸残基被丙氨酸取代时，TaALMT1蛋白的活性会
受到干扰，所以推断在铝激活 TaALMT1蛋白前，
丝氨酸残基需要被磷酸化。至于铝究竟是如何激活
这个蛋白，至今仍不清楚。
对于拟南芥的耐铝基因 AtALMT1，转基因研
究及爪蟾卵母细胞中蛋白表达的电生理研究都表
明，该基因通过介导根部铝诱导的苹果酸的分泌决
定拟南芥的耐铝性 [18]。
当油菜耐铝基因在烟草悬浮细胞和爪蟾卵母细
胞中表达时，两个基因 BnALMT1和 BnALMT2都
能增强铝诱导的苹果酸分泌，并且转基因烟草的铝
抗性也得到了增强，表明 BnALMT基因编码的苹果
酸转运蛋白可能是离子通道蛋白 [19]。BnALMT1:GFP
融合蛋白基因在拟南芥叶片原生质体中的表达实验
表明 BnALMT1蛋白定位于质膜 [25]。尽管这些发现
表明这些基因在抗铝中起作用，但在油菜中它们的
表达、铝诱导苹果酸的分泌以及抗铝间的直接联系
仍有待研究。
1.4　其他ALMT基因
并非所有的 ALMT1型通道蛋白都介导铝刺激
下有机酸的应答。玉米 ZmALMT1基因编码的跨膜
通道蛋白在根部选择性运输有关矿质营养元素的阴
离子，如硫酸根离子和硝酸根离子，维持植物体内
离子的动态平衡，但与推测不一致的是，该蛋白并
不调节铝诱导的柠檬酸的分泌 [26]。
大麦 HvALMT1基因虽然是小麦 TaALMT1基
因最相近的同系物，它们编码的蛋白之间存在高度
的序列相似性，但是 HvALMT1蛋白几乎不受铝激
活，其功能与铝无关。HvALMT1蛋白定位于质膜
和能动的小囊泡，帮助苹果酸及其他阴离子的运输，
参与气孔功能调节，也可能调节气孔空隙以及在根
部调节细胞的膨胀 [27]。
另外，拟南芥中的蛋白 AtALMT9和 AtALMT12
也属于 ALMT家族，AtALMT9蛋白作为液泡苹果酸
通道蛋白可能参与细胞内部的抗铝机制 [28]；AtALMT12
图1 已知的几种植物苹果酸转运蛋白(ALMT1)的系统
发育分析
进化树使用MEGA4.1(Neigbor-Joining算法)构建。使用的
植物ALMT1包括:小麦转运蛋白TaALMT1(AAZ22842.1)、
拟南芥转运蛋白A t A L M T 1 ( N P _ 1 7 2 3 1 9 . 1 )、黑麦转
运蛋白S c A L M T 1 - M 3 9 . 1 ( A B Y 5 2 9 5 2 . 1 )、黑麦转运
蛋白S c A L M T 1 - M 3 9 . 2 ( A B Y 5 2 9 5 3 . 1 )、黑麦转运蛋
白S c A L M T 1 - M 7 7 . 1 ( A B Y 5 2 9 5 0 . 1 )、油菜转运蛋白
B n A L M T 1 ( B A E 9 7 2 8 0 . 1 )、油菜转运蛋白B n A L M T 2
(BAE97281.1)
生命科学 第23卷302
基因在拟南芥保卫细胞中表达，它编码的蛋白可能
是一类新的阴离子转运蛋白，参与气孔关闭，但不具
有铝抗性 [29]。
2　MATE基因家族
MATE是普遍存在于微生物、植物和哺乳动物
细胞内的一类蛋白家族，最初是作为细菌药物转运
家 族 (bacterial drug transporter family) 被 发 现 的。
MATE蛋白大部分成员都有 12个跨膜区，在原核
生物和真核生物细胞中，多药转运蛋白通过排出生
物异源物质和有毒代谢物负责其多药抗性 [30]。目前
已经有 203个 MATE蛋白完成了测序 [31]，其中最
大的转运体来自真核生物，而最小的来自古细菌 [32]。
对超过 70个转运蛋白家族的系统发育研究发现，
转运蛋白物质特异性与系统发育相关 [33]。最近研究
发现参与植物耐铝过程的柠檬酸转运蛋白也属于
MATE家族 (表 2)。
Sasaki等 [15]于 2004年从小麦中发现了第一个
耐铝基因 TaALMT1，该基因编码苹果酸转运蛋白，
有助于苹果酸从根部分泌排出，螯合根际周围的铝。
Ryan等 [37]通过对柠檬酸分泌型 (Carazinho)/无柠
檬酸分泌型 (EGA-Burke)杂交 F2代作全基因组图
谱分析，发现第二个耐铝基因——控制柠檬酸分泌
的主要基因 TaMATE1，该基因位于染色体 4BL长
臂上的遗传基因座 Xcec中，属于MATE基因家族。
Piñeros等 [38]认为玉米的耐铝性是一个复杂的
性状，他们认为尽管玉米根部柠檬酸的分泌在其耐
铝中起着至关重要的作用，但很可能还有其他不涉
及有机酸分泌的机制在起作用。Maron等 [39]通过
基因定位图在玉米中鉴定了构成两个主要的耐铝性
数量性状遗传位点的两个候选 MATE家族基因
ZmMATE1和 ZmMATE2。ZmMATE1基因编码柠檬
酸转运蛋白，而 ZmMATE2基因编码的蛋白与最近
鉴定的MATE柠檬酸转运蛋白没有相似性，它介导
除柠檬酸外的阴离子的分泌，因此它可能参与一种
新的耐铝机制。ZmMATE1基因含有 13个外显子，
它编码由 563个氨基酸残基构成的蛋白。这个蛋白
与 SbMATE蛋白的氨基酸序列有 52%的相似性，
与 AtMATE蛋白有 64%的相似性。预测其二级结
构包含 12个跨膜区，这个区域的保守性介于
SbMATE和 AtMATE蛋白之间。
比较分析转运蛋白 SbMATE、HvMATE 和
AtMATE的氨基酸序列，发现三者之间有 64%的相
似性，SbMATE和 HvMATE及 HvMATE和 AtMATE
之间有 65%的相似性，而 SbMATE和 AtMATE之间
有 58.7%的相似性 (图 2)。
2.2　MATE基因表达调控
高粱的耐铝基因 SbMATE和拟南芥的耐铝基因
AtMATE都主要在根尖表达，且它们的表达都受铝
2.1　MATE基因克隆及其蛋白质同源性比较
在高粱的耐铝性研究中，Magalhaes等 [34]通过
高分辨率图谱鉴定了一个位于染色体 3末端遗传基
因座 AltSB中的 SbMATE基因。过量表达 SbMATE
基因的拟南芥能够显著增加柠檬酸的分泌，增强耐
铝性。这些研究结果证明 SbMATE是一个耐铝基因。
Furukawa等 [35]以大麦抗铝品种和铝敏感品种为
实验材料，利用精细定位图谱和微阵列分析，克隆
了一个铝诱导柠檬酸分泌的基因 HvAACT1(HvMATE)，
它位于染色体4HL长臂的基因座 Alp 中。
最近，Liu等 [36]在拟南芥中鉴定了一个属于
MATE家族的耐铝基因 AtMATE，它是近期在高粱
中发现的铝抗性基因 SbMATE和大麦中发现的铝抗
性基因 HvMATE的同系物。AtMATE基因编码铝诱
导的柠檬酸转运蛋白。
表2 MATE蛋白家族基因、来源作物及编码蛋白的功能
MATE 来源作物 编码蛋白的功能
家族基因
SbMATE 高粱(Sorghum bicolor) 运输苹果酸到根
周围
HvMATE 大麦(Hordeum vulgare) 运输苹果酸
AtMATE 拟南芥(Arabidopsis thaliana) 运输苹果酸
TaMATE 小麦(Triticum aestivum) 运输苹果酸
ZmMATE1 玉米(Zea mays) 运输苹果酸
ZmMATE2 玉米(Zea mays) 功能未知
图2 已知的几种植物柠檬酸转运蛋白(MATE)的系统发
育分析
进化树使用MEGA4.1(Neigbor-Joining算法)构建。使用的植
物MATE包括：高粱转运蛋白SbMATE(ABS89149.1)、大麦
转运蛋白HvMATE(BAF75822.1)、拟南芥转运蛋白AtMATE
(NP_974000.1)、玉米转运蛋白ZmMATE1(ACM47311.1)
梁　锋，等：植物苹果酸和柠檬酸通道蛋白基因的研究进展第3期 303
诱导，而大麦中的耐铝基因 HvMATE主要在耐铝大
麦品种根尖组成型表达 [34-36]。ZmMATE1基因的表
达也集中在根组织，且在耐铝基因型中其表达水
平不仅显著较高，而且还强烈地受铝的上调 [39]。
SbMATE基因表达水平的不同与其启动子上的一个
微型反向重复转座因子区域有关，该区域高度结构
化与重复，且重复的次数与基因的表达水平、铝诱
导柠檬酸的分泌量以及耐铝性呈正相关，因此该区
域是基因表达的增强子 [34]。
另外，在拟南芥中 AtMATE蛋白介导柠檬酸的
分泌，AtALMT1蛋白介导苹果酸的分泌，这两种
机制分别独立发展并赋予拟南芥铝抗性。虽然两个
耐铝基因 AtMATE和 AtALMT1的表达模式相互之间
没有影响，但是两个基因的表达都需要转录因子
STOP1(STOP1基因编码的一个锌指蛋白 )的调节 [36]。
2.3　MATE基因功能及其应用
属于MATE家族的耐铝基因编码的蛋白和属
于 ALMT家族的耐铝基因一样，以相同的方式参
与植物耐铝过程，它们编码的有机酸转运蛋白也是
定位于质膜上的阴离子通道。在离子条件下，对表
达 SbMATE基因的爪蟾卵母细胞进行电流—电压
分析，发现产生内向离子电流。这些数据表明
SbMATE作为一个质膜阴离子分泌转运蛋白，负责
将柠檬酸释放到根际周围 [34]。同时，在质壁分离的
洋葱表皮细胞中表达 SbMATE:GFP融合蛋白证实
SbMATE基因编码的蛋白定位于细胞膜。
大麦耐铝基因 HvMATE在爪蟾卵母细胞中的
异源表达显示 14C标记柠檬酸的分泌活性，而不是
苹果酸的分泌活性；同时，表达 HvAACT1蛋白的
爪蟾卵母细胞的膜片钳分析也显示 HvAACT1基因
应答铝的柠檬酸运输活性 [35]。当 HvAACT1在烟草
中过量表达时，相对于野生型，其柠檬酸的分泌及
耐铝性都得到了增强。在洋葱表皮细胞中瞬时表达
绿色荧光蛋白标记的 HvAACT1蛋白基因，发现
HvAACT1定位于质膜上；而免疫染色也显示
HvAACT1蛋白定位于大麦根尖的表皮细胞。
玉米ZmMATE1基因在爪蟾卵母细胞中表达时，
编码质膜蛋白，显著地介导阴离子的流出，且 14C
标记的柠檬酸的流出实验表明 ZmMATE1蛋白是一
个柠檬酸转运蛋白 [39]。同时 ZmMATE1蛋白介导
的分泌不受细胞外 Na+状态改变的影响，但高度的
依赖外界 pH值，这表明在植物细胞中，MATE蛋
白或者至少是 ZmMATE1蛋白介导阴离子分泌的同
时伴随着质子的流入。转基因拟南芥中 ZmMATE1
基因的表达赋予其耐铝性及根部柠檬酸分泌的显著
性增强。另外，在拟南芥原生质体中表达融合绿色
荧光蛋白的 ZmMATE1蛋白，结果表明 ZmMATE1
蛋白定位于质膜上 [39]。
3　耐铝基因预测作用模式
有机酸通道蛋白基因通过编码定位于膜上的阴
离子通道蛋白介导有机酸的分泌，从而提高植物的
耐铝作用。Ma等 [40]认为有机酸的分泌模式分为两
种 (图 3)。模式 I，耐铝植物处于铝环境中不久，
其根部就有有机酸分泌。该模式认为有机酸通道蛋
白在外界铝胁迫存在之前就已经表达，然后铝激活
预先存在的通道蛋白，使膜通道打开，随后分泌有
机酸。模式 II，耐铝植物在处于铝环境中几小时后，
甚至更长的时间，才会有有机酸分泌。该模式认为
铝首先通过膜受体与细胞相互作用，诱导转运蛋白
表达，然后铝再激活转运蛋白，使其帮助分泌有机
酸。Delhaize和 Ryan[41]对铝激活有机酸通道蛋白
的方式作了三种假设：(1)铝直接作用于膜通道蛋
白，激活其活性；(2)铝作用于膜受体，通过某种
信号通路激活膜通道蛋白；(3)铝进入胞质，直接
或间接的激活膜通道蛋白。
小麦和大麦耐铝基因在根尖的表达都不受铝的
诱导，即在暴露于铝前，两种蛋白 (TaALMT1和
HvMATE)就已经表达，并在接触铝之后的几十分
钟内，这两种耐铝植物的根尖就有有机酸流出 [15,37]，
所以小麦和大麦的耐铝基因作用模式属于模式 I。
而高粱耐铝基因 SbMATE、油菜耐铝基因 BnALMT
和拟南芥耐铝基因 AtALMT1的作用模式属于模式
II。高粱耐铝基因 SbMATE在铝作用之前有少量的
表达，并在铝作用 3 d后开始上调，而根部柠檬酸
在 1 d后开始上调 [34]；油菜耐铝基因 BnALMT在铝
存在前不表达，铝存在后 2 h开始表达，苹果酸释
放模式属于延迟模式 [19]；拟南芥耐铝基因 AtALMT1
在暴露于铝后 12 h内表达水平持续增加，且苹果酸
的释放率在 6 h后达到最大值 [18]。
4　结论与展望
耐铝植物中存在着一种或多种耐铝途径。不同
植物中分别属于 ALMT家族和MATE家族的耐铝
基因编码的蛋白在序列上存在一定的同源性，说明
它们分别有着共同的保守序列。这些耐铝基因在表
达上有一定的差异，有些基因是组成型表达，有些
基因表达却受铝的诱导；不同耐铝基因编码的通道
生命科学 第23卷304
蛋白的激活方式也存在区别，但是这些耐铝基因以
相似的方式帮助植物耐铝。耐铝基因编码定位于细
胞膜的有机酸通道蛋白，将细胞内的有机酸运送到
细胞外；有机酸与铝螯合成无毒的复合物，保护根
细胞不受铝毒害。另外，并不是所有 ALMT家族
的基因都与植物抗铝有关，这些基因在植物中具有
其他功能。
植物主要通过分泌苹果酸、柠檬酸和草酸来抵
抗铝毒。因此，许多涉及编码有机酸代谢的关键酶
基因如柠檬酸合成酶基因和苹果酸脱氢酶基因已被
克隆并在植物体内过量表达，增加了植物中相应有
机酸的累积和分泌。增加有机酸的生物合成需要偶
合增加有机酸阴离子分泌到外部溶液的能力。近年
来，植物依赖有机酸阴离子分泌的抗铝机制的研究
得到了迅猛发展。苹果酸转运蛋白和柠檬酸转运蛋
白基因已被克隆，并在植物体内过量表达，增强了
植物分泌柠檬酸和苹果酸的能力和抗铝毒能力。但
是对于植物的其他抗铝机制我们还不清楚，如与草
酸相关的抗铝基因；各种抗铝基因的具体作用机制、
ALMT和MATE两类有机酸转运蛋白家族的铝激活
机制以及相应有机酸的分泌模式等也还没有完全了
解。另外，对于有机酸转运蛋白的结构和功能，需
要研究哪种氨基酸残基确定底物特异性以及铝诱导
激活的关键部位。为了确定不同基因型的基因表达
及基因诱导差异的分子基础，需要对相关的基因序
列进行进一步研究，同时也能为物种间的亲缘关系
和基因如何进化提供线索。抗铝机制的阐明和铝抗
性基因克隆的可行性可使我们通过基因工程技术和
分子标记辅助育种选育抗铝作物品种来解决酸性土
壤中存在的农业问题。
[参　考　文　献]
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图3 耐铝基因的预测作用模式
模式Ⅰ：有机酸转运蛋白(通道蛋白)在耐铝基因型植株根部组成型表达，根外部的铝(Al3+)通过三种方式激活有机酸转运蛋
白：(1) 铝直接作用于膜通道蛋白B，激活其活性；(2) 铝作用于膜受体A，通过某种信号通路激活膜通道蛋白；(3) 铝进入胞
质，直接或间接地打开通道蛋白，帮助有机酸阴离子OA－流出。模式Ⅱ：外界环境中的铝首先通过膜受体与细胞相互作用，
通过信号转导途径(箭头标示的步骤1、2、3、4)诱导有机酸转运蛋白表达，然后铝再激活质膜上的有机酸转运蛋白，使其帮
助有机酸流出
梁　锋，等：植物苹果酸和柠檬酸通道蛋白基因的研究进展第3期 305
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