全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 1期，2009年 1月 1
植物水孔蛋白的功能和调控
阮想梅, 李登弟, 李学宝 *
华中师范大学生命科学学院, 遗传调控与整合生物学湖北省重点实验室, 武汉 430079
Function and Regulation of Plant Aquaporin
RUAN Xiang-Mei, LI Deng-Di, LI Xue-Bao*
Hubei Key Laboratory of Genetic Regulation and Integrative Biology, College of Life Sciences, Huazhong Normal University,
Wuhan 430079, China
提要: 植物水孔蛋白是属于MIP家族的一组跨膜蛋白, 介导细胞与介质之间快速的水分运输, 是水进出细胞的主要途径。
水孔蛋白在植物种子萌发、细胞伸长、气孔运动和逆境应答等过程中调节水分跨膜快速流动。本文就水孔蛋白的结构、分
类、定位、基因表达调控及其功能的研究进展作介绍。
关键词: 植物水孔蛋白; 结构特征; 分类; 功能; 调控
收稿 2008-10-20 修定 2008-12-17
资助 国家自然科学基金(30 8 71 3 1 7)。
* 通讯作者(E-mail: xbli@mail.ccnu.edu.cn; Tel & Fax: 027-
6 7 8 6 2 4 4 3 )。
1988年, Agre研究小组从人红细胞质膜中分离
出一个分子量为 28 kDa的未知蛋白, 将其命名为
CHIP28 (28 kDa channel-forming integral membrane
protein) (Denker 等 1988), 并于 1992年用爪蟾卵母
细胞表达系统证实了CHIP28是一种质膜水通道蛋
白(Preston等1992), 1997年该蛋白被基因组委员会
正式命名为 AQP1 (aquaporin)。随后, 在很多植
物、动物、酵母和细菌中都发现有类似的运输水
分的通道蛋白, 并统称为水孔蛋白。水孔蛋白的发
现改变了人们长期来普遍认为自由扩散是水分进出
细胞的唯一途径的错误看法, 也结束了关于生物膜
上是否存在介导水分运输载体的争议。植物水孔
蛋白除了能高效转运水分子外, 还能转运其他的一
些中性小分子物质, 在植物生长发育以及逆境应答
生理过程中起作用。
1 水孔蛋白的结构
水孔蛋白与膜内在蛋白(membrane intrinsic
protein, MIP)具有很高的序列同源性和结构相似性,
于是将其归类为MIP家族。水孔蛋白的分子量大
多在25~33 kDa之间, 其结构具有MIP家族的典型
特征, 由 5个亲水的短环(A~E)连接 6个跨膜 α-螺
旋(H1~H6)、N末端以及C末端组成。其中, B环、
D环以及N末端、C末端始终位于细胞质中, 而A
环、C环及 E环则位于生物膜另一侧(Törnroth-
Horsefield等 2006)。绝大多数水孔蛋白的 B环和
E环上都存在一个高度保守的氨基酸序列: 天冬酰
胺-脯氨酸-丙氨酸(aspargine-proline-alanine), 被称
之为NPA基序。但最近研究发现拟南芥的 SIP家
族中, AtSIP1;1、AtSIP1;2以及AtSIP2;1这 3个蛋
白 B环上保守的基序不是 NPA, 而分别是 NPT
(aspargine-proline-threonine)、NPC (aspargine-pro-
line-cysteine)和 NPL (aspargine-proline-leucine)
(Maeshima和 Ishikawa 2008)。B环和 E环各自形
成半个跨膜螺旋(HB, HE), 分别从膜的两侧折向膜
内, 形成第 7个跨膜螺旋(Törnroth-Horsefield等
2006), 2个NPA基序位于该螺旋的中心, 形成一个
可双向运输水分的孔道。在NPA基序外侧 0.8 nm
处存在一个收缩的芳香族化合物/精氨酸(aromatic/
arginine, ar/R)模体结构, 由4个氨基酸残基组成, 其
中包括 1个芳香族氨基酸残基和 1个精氨酸, 由于
存在位阻效应以及精氨酸残基的静电排斥作用, 并
且ar/R区是通道最窄的区域, ar/R模体对所运输的
小分子具有选择性(Fujiyoshi等 2002)。Bansal和
Sankararamakrishnan (2007)比较拟南芥、水稻以
及玉米的水孔蛋白 ar/R区的空间结构和氨基酸序
列时发现, 水稻和玉米的NIP亚类水孔蛋白ar/R区
的 4个氨基酸中有 3个是小氨基酸残基, 其 ar/R区
孔径大些, 于是这些水孔蛋白可以转运大一些的中
专论与综述 Review
植物生理学通讯 第 45卷 第 1期，2009年 1月2
性分子。利用低温电子显微镜研究大豆的
PvTIP3;1拓扑结构以及 X-射线技术研究菠菜的
SoPIP2;1拓扑结构时发现, 水孔蛋白是以四聚体的
形式存在, 每个单体形成一个独立的功能孔道
(Törnroth-Horsefield等 2006)。
2 植物水孔蛋白的类型
植物水孔蛋白根据分布及序列同源性可以分
为4个亚类: 质膜膜内蛋白(plasma membrane intrin-
sic proteins, PIPs)、液泡膜膜内蛋白(tonoplast
membrane intrinsic proteins, TIPs)、类Nodulin26
(NOD26)膜内蛋白(Nodulin26-like MIPs, NIPs)和小
的碱性膜内蛋白(small and basic intrinsic proteins,
SIPs) (Chaumont等 2001)。PIPs与 TIPs主要是根
据其亚细胞定位而命名的, 前者主要定位在细胞质
膜上, 后者主要定位于液泡膜上。序列比对发现
PIP类水孔蛋白的N末端比TIP类多 20~38个氨基
酸, 并且 PIP类水孔蛋白的等电点高些(Chaumont
等 2001)。PIP类水孔蛋白根据其序列同源性和活
性高低又可分为PIP1和PIP2两个亚类, 其中, PIP2
的N末端比 PIP1短, 而 C末端却比 PIP1长, 在跨
膜转运水分的活性方面, PIP2亚类水孔蛋白活性较
高, 而 PIP1亚类水孔蛋白活性较低, 或不具有活性
(Chaumont等 2000)。TIPs可以分为若干个亚类,
其中包括 TIP1、TIP2、TIP3、TIP4 和 TIP5。
NIPs主要存在于豆科植物的根与共生固氮根瘤菌
的共生膜上(Wallace等2006), 也存在于非豆科植物
的质膜和细胞内质网膜上(Mizutani等2006; Takano
等 2006)。SIPs主要定位于内质网膜上(Maeshima
和 Ishikawa 2008), 其等电点很高, 主要是因为C末
端的赖氨酸(lysine, Lys)没有磷酸化(Chaumont等
2001)。但是, 这种划分是相对的, 最近也有研究
表明在细胞器内膜上也有 PIP类水孔蛋白的存在,
如烟草的NtAQP1除了存在于细胞质膜上外, 还存
在于叶绿体内膜上(Uehlein等2008)。同时, 也有一
些 TIP类水孔蛋白分布在质膜上(Eckardt 2008)。
3 植物水孔蛋白的功能
植物的生长发育在很大程度上依赖于对水分
的严格调控。水分在植物体内的运输主要通过 3
种途径: 共质体途径、质外体途径和跨细胞途径。
水分跨细胞运输又可通过2种方式实现: 自由扩散
和以水孔蛋白为媒介的水分运输。水孔蛋白能增
加生物膜对水分的通透性, 实现水分快速跨膜运输,
有效调节细胞内外的渗透平衡。拟南芥质膜水孔
蛋白基因PIPb1在烟草中异源表达, 发现转基因烟
草在正常生长条件下, 其生长速率、蒸腾速率、
气孔密度以及光合效率均明显增加( Aha r on 等
2003)。Liénard等(2008)研究证实在古老的陆地植
物小立碗藓发育的多叶阶段, 水孔蛋白有助于快速
补充水分, 弥补因蒸腾作用造成的水分丢失。在其
PIP2;1和 PIP2;2突变体中, 其叶片和丝状体的细
胞膜对水的通透性显著下降, 配子托在水分不足条
件下产生了明显的表型变异。
除了转运水分子外, 水孔蛋白还转运其他具有
重要生理学意义的中性小分子, 如CO2、H2O2、甘
油、NH3/NH4+、硼、硅以及尿素, 参与植物的一
系列重要生理过程, 如光合作用、营养物质的吸收
以及细胞信号转导和胁迫应答反应(Uehlein等2008;
Jahn等 2004; Bienert等 2007; Dynowski等 2008;
Yamaji等2008; Dordas等2000; Takano等2006; Liu
等 2003; Uehlein和Kaldenhoff 2008; Moshelion等
2002)。Uehlein等(2008)的最新研究证实, 烟草
NtAQP1具有运输CO2的功能。NtAQP1属于质膜
膜内蛋白, 同时在叶绿体膜上也有分布。利用
RNAi技术, 发现NtAQP1-RNAi转基因烟草光合效
率下降15%, 其叶绿体膜对CO2的通透性也显著下
降, 只有野生型的 10%, 而质膜对 CO2的通透性没
有变化。该研究表明NtAQP1蛋白能有效增加叶
绿体膜对CO2的通透性, 在植物固定CO2及光合作
用过程中起作用。Jahn等(2004)用功能互补原理,
以缺失转运NH4+功能的酵母突变体为媒介研究小
麦的 3个 TIP2功能时, 发现这 3个 TIP2同源体能
够恢复酵母突变体在以NH4+为唯一氮源的培养基
上生长的能力。采用爪蟾卵母表达系统表达
TaTIP2;1, 可以增加对NH4+的类似物甲基氨和甲酰
胺的吸收。尿素是农业作物的主要氮源之一, 也是
植物的代谢物。在拟南芥中, AtTIP1;1、AtTIP1;2、
AtTIP2;1以及AtTIP4;1能够平衡不同亚细胞微区
间尿素的含量; YNVW1酵母突变体若在以尿素为唯
一氮源的培养基上生长时, 要求其中尿素的浓度要
大于 5 mmol·L-1, 而这 4种蛋白(AtTIP1;1、AtTIP1;2、
AtTIP2;1以及 AtTIP4;1)可以促使此突变体在浓
度为 2 mmol·L-1的尿素为唯一氮源的培养基上生
长 , 只是比野生型的生长速率稍慢些( L i u 等
2 00 3)。
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硼和硅是植物生长的必需微量元素。硼在土
壤中是以硼酸的形式存在, 也是以硼酸的形式被根
吸收, 不同的植物中硼含量的差异很大, 但是细胞
获取硼的机制一直不确定。Dordas等(2000)用爪
蟾卵母细胞表达系统证实了南瓜根中 PIP1具有转
运硼的能力。近年有研究表明, 拟南芥的NIP5;1
亦能够转运硼。作为一个重要的质膜硼酸通道蛋
白, 在硼元素缺乏时, NIP5;1对植物的生长发育是
必需的(Takano等 2006)。硅对植物的生长很重要,
尤其是在逆境条件下, 硅能够保护植物免受生物和
非生物胁迫。硅能够提高水稻抗倒伏性, 增加其对
害虫、病菌以及其他胁迫的抵抗能力, 从而帮助水
稻抵抗生物或者非生物胁迫。Lsi6归属于水孔蛋
白NIP III亚类, 对硅酸具有通透性, 能够将硅元素
从木质部运出, 并且影响硅在叶中的分布(Yamaji等
2008)。
植物中H2O2信号对应答胁迫、防御衰老以及
调控细胞程序死亡至关重要。以前一直认为H2O2
是被动地通过脂双层扩散的, 但是单纯的脂双层膜
却严重阻碍H2O2的扩散。采用荧光检测技术检测在
含有H2O2特异敏感的荧光染料——CM-H2DCFDA
的培养基中生长的酵母体内的荧光强度的信号表
明, 表达AtTIP1;1和 hAQP8的酵母在外界H2O2浓
度增加的条件下, 其荧光水平显著增加, 从而进一
步证实了水孔蛋白确实能转运 H2O2 (Bienert等
2007)。在酵母中表达若干植物 PIPs, 其中包括拟
南芥的 PIP2;1, H2O2对酵母的毒性增强, 并且酵母
体内的荧光强度也增加。在水孔蛋白的开关和选
择性位点发生突变后, 这种表达水孔蛋白的酵母对
H2O2的敏感性可以得到恢复(Dynowski等2008), 这
说明水孔蛋白作为一个通道蛋白, 还具有转运H2O2
的能力。
4 植物水孔蛋白的表达和活性调控
水孔蛋白介导的细胞与介质之间快速的水分
运输是水进出细胞的主要途径, 在植物的很多生理
过程中发挥了重要功能。水孔蛋白在不同的植物
体以及同一植物的不同组织中的表达水平有很大差
异, 这就涉及到水孔蛋白的表达调控。水孔蛋白的
调节大致包括 3个水平, 即转录水平、转录后水平
以及水孔蛋白的膜融合转运。
4.1 转录水平调控 转录水平的调控通过改变蛋白
质的合成速率来实现。一方面, 很多植物水孔蛋白
在植物中是组成型表达的(Maestrini等 2004; Azad
等2008); 另一方面, 植物水孔蛋白转录水平上的调
节与植物不同的组织( M a es h i ma 和 I s h i ka wa
2008)、所处的生长发育阶段(李登弟等 2006; Li等
2008)和环境因子(如激素水平、干旱、高盐、蓝
光、病菌侵染、温度以及昼夜变化等)(Opperman
等 1994; Phillios和Huttly 1994; Kaldenhoff等1996;
Sarda等 1997; Suga等 2002; Siefritz等 2004; Aroca
等 2005; Beaudette等 2007; Lin等 2007; Li等 2008)
有关。
4.1.1 组织差异性及发育调控 许多植物水孔蛋白
的表达都具有组织差异性, 而且有些水孔蛋白还受
发育阶段严格调控。在有水分大量流动的组织和
器官中水孔蛋白的表达很高, 如根表皮、外皮层和
内皮层细胞、靠近木质部导管的木薄壁细胞、韧
皮部伴胞、保卫细胞。在植物发育的特定阶段某
些水孔蛋白的表达非常丰富, 如叶片与花瓣运动、
细胞伸长、种子萌发、花药脱水成熟、花粉管
萌发、维管组织形成等时期。在植物的生长发育
过程中, 若干不同的组织中检测到不同水平的水孔
蛋白启动子活性、mRNA以及蛋白质。例如, 拟
南芥 SIP1;1主要在根、莲座叶和花中表达, 尤其
是在雄蕊、花粉以及莲座叶的毛状体中表达, SIP1;
2主要在子叶和莲座叶的排水组织中表达, 而 SIP2;
1主要是在根和叶脉的微管组织中表达(Maeshima
和 Ishikawa 2008), 表明每种不同的 SIP蛋白对某
种特定的组织起作用。我们的研究发现, 棉花
GhAQP1基因在胚珠中优势表达, 在根、子叶和下
胚轴中仅有微量表达, 在叶片、纤维等其他组织
中不表达, 而且其表达受胚珠发育调节(李登弟等
2006), 而棉花 PIP1;1、PIP2;1和 PIP2;2基因主
要在棉花幼根中表达(Li等 2008)。这些组织特异
表达的水孔蛋白基因可能是被一些发育相关的调节
因子调控, 与植物器官发育或组织形成的需水量相
关。水孔蛋白的启动子调控元件包括 1个 TATA
box和c-AMP应答元件(CRE元件)以及3个CCAAT
boxes, 这些元件协同作用最终导致水孔蛋白的表达
存在时空差异性(Hozawa等 1996; Matsumura等
1997)。
4.1.2 水分胁迫应答调控 水分不足引起细胞内一
系列复杂的应答。植物水孔蛋白的作用最主要的
是体现在水分运输上, 因此, 水孔蛋白在植物应对
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水分不足的响应机制中起作用。豌豆中 7a基因是
最早被鉴定的受水胁迫诱导的水孔蛋白基因
(Guerrero等 1990), 根据其序列的结构特征, 将其
归属为 P I P 1 亚类。向日葵液泡膜内在蛋白
SunTIP7在干旱胁迫下, 其转录物会发生积累(Sarda
等 1997), 表明该基因的表达受干旱调节。在干旱
胁迫下, 烟草 NtPIP1;1和 NtPIP2;1的转录水平明
显下调, 而 NtAQP1的转录水平则有所上调。烟草
根在运输水分的过程中, NtPIP1;1和NtPIP2;1可能
发挥重要作用, 其表达水平之所以下调是为了降低
根的渗透水导度(Mahdieh等2008)。干旱处理橄榄
树 3周后, Northern杂交分析表明, 其 3个水孔蛋
白基因——OePIP1;1、OePIP2;1 以及 OeTIP1;1
的转录水平显著下调(Secchi等 2007)。
在水分胁迫下, 植物水孔蛋白的表达存在一定
的差异。在NaCl胁迫下, 萝卜根中 RsPIP2-1蛋白
质水平上调, 而用聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)
处理, 其表达则下调(Suga等 2002), 这可能与植物
物种本身以及所选择的水分胁迫方式有关。盐胁
迫下, 大麦根中HvPIP2;1的表达下调, 而HvPIP1;3
和 HvPIP1;5的表达几乎不受影响(Katsuhara等
2002)。不同的胁迫方式对于植物来说可能会表现
出不同的调节方式, 如干旱处理(Secchi等 2007)、
PEG处理(Siefritz等 2002)、盐胁迫(Katsuhara等
2002), 这其中还涉及到离子毒害的问题。一方面,
在植物的生长过程中, 水孔蛋白的表达上调使得膜
对水分子的通透性加强, 于是水分的获取量增加, 这
可能对植物的发育有很重要的作用; 另一方面, 膜
上水孔蛋白的表达量越高, 水分丢失的可能性也就
越强。在烟草中超量表达拟南芥 PIP1b, 转基因烟
草对盐胁迫和干旱胁迫更敏感(Aharon等 2003)。
但植物细胞应答水分不足的机制尚不确定。
4.1.3 激素、蓝光、病菌侵染、温度以及昼夜变化等
环境因子的调控 已有证据表明, 在植物生长发育
过程中, 外源激素处理可以调节水孔蛋白的表达水
平。用赤霉素(gibberellic acid, GA)和脱落酸
(abscisic acid, ABA)处理后的萝卜, 其根中RsPIP2-1
在mRNA水平上受到抑制(Suga等 2002)。在拟南
芥突变体中, 用低水平的GA处理后, 其 γ-TIP的表
达上调(Phillios等 1994)。用激动素(kinetin, KT)处
理的人参中, PgTIP1的表达水平上调; 而用 2,4-二
氯苯氧基乙酸(dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D)处
理, 其表达水平则显著下调; 当同时用这两种激素
处理时, 其表达水平还是有所下调(Lin等 2007)。
水孔蛋白的表达之所以能受激素的调节, 是与水孔
蛋白基因启动子的激素应答元件相关, 烟草的
NtAQP1启动子中含有ABA (CTAACCA)以及GA
(TAACAAA)应答元件(Siefritz等 2001)。蓝光可以
诱导拟南芥PIP10基因表达, 该基因同时也可被激
素如ABA和GA3所激活(Kaldenhoff等 1996)。根
结线虫对烟草的侵染诱导TIPs类基因—— TobRB7
在根中特异性表达, 有研究发现, 这种线虫感染诱
导表达的TobRB7基因的启动子序列有别于根特异
表达的基因(Opperman等 1994)。
有人分别对耐低温玉米 ‘Z7’和不耐低温玉米
品种‘Penjalinan’离体根进行研究的结果表明, 在低
温条件下, 水孔蛋白的表达上调(Aroca等 2005)。
通过增加水孔蛋白的表达量, 以此提高植物根系导
水率, 使植物逐渐适应低温环境, 这可能是植物适
应低温胁迫的一种机制。
向日葵的液泡膜内在蛋白 SunTIP7除了受干
旱胁迫诱导外, 还发生昼夜节律变化。该基因转录
水平在早上相对较低, 在上午11点到下午7点之间
其转录水平显著增强, 与黎明前相比, 在早上 5点
时, 其转录水平有所上调, 而后在白天一直维持在
一个较高的水平, 而在下午 5点后开始有所下降
(Sarda等 1997)。有人研究豌豆的水导度和水孔蛋
白的表达时发现, 水孔蛋白的表达水平与其水导度
的变化一致, 都表现出明显的昼夜节律, 在光照强
时表达水平强, 而在黑暗开始时就开始下降, 黑暗
刚结束表达水平又开始升高(Beaudette等 2007)。
也就是说, 在白天蒸腾作用旺盛、植物需水量大的
时候, 其表达水平较高。有人研究烟草叶片偏上性
运动发现, 叶柄中水孔蛋白表达也具有昼夜节律性,
在叶充分展开时, 叶柄原生质体导水性高, 叶柄
PIP1的表达量也最高(Siefritz等 2004)。
4.2 转录后水平调控 转录水平这种调节方式很慢,
很难使细胞在几分钟内对外界刺激作出灵敏快速的
反应, 而转录后调控则快速敏捷, 能够及时应答外
界环境因子的变化。转录后水平的调控主要是磷
酸化、糖基化、质子化以及蛋白水解过程。
4.2.1 磷酸化调控 研究表明, 很多水孔蛋白在体内
都被磷酸化, 并且都发生在丝氨酸(serine, Ser)残基
上(Aroca等 2005; Guenther等 2003)。如大豆
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NOD26在 Ser262位上能被磷酸化, 并且其磷酸化
形式也具有促进水分运输的活性, 研究还发现,
NOD26的磷酸化受发育阶段以及植物所处的环境
条件(如水分胁迫和盐胁迫能促进其磷酸化)所控制
(Guenther等 2003)。这种磷酸化可以提高膜对水
分的通透性, 因而植物在胁迫条件下能够快速的调
节自身的渗透压, 起抗胁迫的作用。质谱分析表
明, 玉米 ZmPIP2;1磷酸化位点主要在 C末端, 而
ZmPIP1;1、ZmPIP1;2、ZmPIP1;3及 ZmPIP1;4磷
酸化位点主要在N末端。ZmPIP2;1磷酸化后, 其
水分运输活性被激活, Ser285突变后, 其水通道活
性并没有发生改变, 相反, 将其 Ser126或者 Ser203
突变成丙氨酸(alanine, Ala)时, ZmPIP2;1的输水能
力下降30%~50%, 这说明对于ZmPIP2;1活性而言,
Ser126和 Ser203即发挥作用, 而 Ser285的磷酸化
并不是必需的(Van Wilder等 2008)。
NaCl能促进大豆NOD26磷酸化(Guenther等
2003), 这种磷酸化可能与细胞快速吸收水分以稀释
进入细胞内的NaCl有关。也有研究发现在干旱胁
迫下, 水孔蛋白发生去磷酸化, 从而关闭通道, 达到
保水的目的(Törnroth-Horsefield等 2006)。有研究
推测温度与水孔蛋白磷酸化与去磷酸化调控有关。
郁金香花瓣开放与关闭受温度调节, 在5 ℃时关闭,
20 ℃时开放, 这与 PIPs类水孔蛋白的磷酸化与去
磷酸化有关(Azad等 2004)。进一步研究发现, 郁
金香的TgPIP2;2磷酸化与去磷酸化之后, 其水通道
活性有显著差异, 从而导致郁金香花瓣的开与关, 并
且其磷酸化可以发生在Ser35、Ser116或者Ser274
(Azad等 2008)。温度下降至 5 ℃时, TgPIP2;2去
磷酸化, 致使水通道失活, 水分不能通过茎运输到
花瓣, 从而花瓣关闭。而温度升高至 20 ℃后, 去
磷酸化的TgPIP2;2又重新被磷酸化, 导致水通道活
性恢复, 水分通过茎运输到花瓣, 从而花瓣开放。
用NaCl和H2O2处理拟南芥植株, 可以改变AtPIP2;1
在 C末端的 Ser280以及 Ser283的磷酸化程度, 并
且AtPIP2;1磷酸化程度的改变与其亚细胞定位相
关。在正常条件下, AtPIP2;1主要定位于细胞质
膜, Ser283位上的磷酸化对其在细胞质膜的定位是
必需的, 而在用NaCl处理的条件下, 通过对AtPIP2;1
施加一种有别于在Ser283位磷酸化的特异方式, 可
诱导其定位在细胞的其他结构(Prak等 2008)。
4.2.2 质子化调控 水孔蛋白除了受磷酸化与去磷
酸化调控外, 还受 pH值的调控。质子化作用主要
发生在水孔蛋白的D环的组氨酸(histidine, His)残基
上, 当由于缺氧等导致 pH值下降时, His残基被质
子化, 从而阻碍水分子的运输(Törnroth-Horsefield
等 2006)。Gerbeau等(2002)和Amodeo等(2002)在
研究pH对拟南芥质膜和甜菜根系液泡膜的影响时,
发现pH对水孔蛋白的影响是可逆的, pH并没有破
坏水孔蛋白的结构、质膜和液泡膜结构以及它们
的渗透特性。
4.3 水孔蛋白的膜融合转运 植物水孔蛋白都定位
在某种细胞膜系统上, 采用免疫细胞化学、免疫
检测以及绿色或黄色荧光融合蛋白标记等技术, 发
现很多水孔蛋白既可以定位在质膜上, 也可以定位
在内膜系统上, 或者是固氮共生根瘤菌的周膜上。
如NIPs, 除了存在于豆科植物的根与共生固氮根瘤
菌的共生膜上外(Wallace等2006), 也存在于非豆科
植物的质膜和细胞内质网膜上(Mizutani等 2006;
Takano等 2006)。有研究表明拟南芥叶肉水孔蛋
白在质膜体的特异结构域处累积, 并推断可能通过
周质小泡转运对 P I P 1 类水孔蛋白进行调节
(Robinson等 1996)。有人采用免疫技术分析 3类
膜定位的植物PIPs时, 在细胞内膜碎片上检测到这
3种 PIPs (Barkla等 1999)。玉米中, ZmPIP1在质
膜上的定位依赖于 ZmPIP1-PIP2之间的相互作
用。当在玉米的叶肉原生质体中分别单独表达
ZmPIP1与ZmPIP2时, ZmPIP1滞留在内质网上, 而
ZmP IP2 定位于质膜上; 当共表达 ZmPIP 1 与
ZmPIP2时, ZmPIP1重新定位于质膜上(Zelaznv等
2007)。
植物体中小泡转运水孔蛋白的调节机制仍然
没有阐述清楚。出现这种现象的原因, 可能是水孔
蛋白可以通过内质网分泌到不同的目的地, 或者通
过高尔基体分泌到不同的小泡中去。植物水孔蛋
白的这种膜融合转运调节可能是植物体应答不同的
环境胁迫作出的一种调节水分通透性的基本机制。
5 结束语
自从植物水孔蛋白发现以后, 人们对水分在植
物体内的快速跨膜运输有了进一步的认识。大量
的研究结果表明, 植物水孔蛋白除了转运水分子外,
还具有运输其他中性小分子(如尿素、硼酸和硅
酸)和气体(如NH3和CO2)的能力, 而且在植物体内
可能参与植物生长发育的很多生理过程(例如, 种子
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萌发、花药脱水成熟、花粉管萌发、叶子与花
瓣运动、气孔运动、维管组织形成以及细胞伸长
等), 还涉及到植物对营养物质的吸收、碳的固定
以及信号转导和逆境应答等过程。迄今, 植物水孔
蛋白的生物学功能和分子调控机制研究已取得了较
大进展, 通过对亚细胞定位、异四聚体的形成以及
其他调控方式的进一步研究提高了人们对植物体内
水分控制和溶质平衡的认识, 这将有助于人们通过
调节水孔蛋白的表达提高植物的抗旱及耐盐能力,
进而提高植物的水分利用率以及生物产量。但水
孔蛋白种类多样、分布广泛以及表达调控复杂, 其
研究仍有待深入。如叶片内部组织中光调节水孔
蛋白表达的机制以及水孔蛋白调节 CO2和水运输
的机制, 气孔的调节、种子的萌发等过程中水孔蛋
白所发挥的调节作用及功能等都有待进一步研究。
另外, 在某些植物种属中已经发现了一些新的水孔
蛋白亚类, 这方面也有待更深入的研究。
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