全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (10): 1469~1478　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0258 1469
收稿 2014-06-23　　修定 2014-08-28
资助 国家重点基础研究发展计划(2014CB441000)、国家自然
科学基金(31071849和31222049)、中央高校基本科研业务
费。
* 通讯作者(E-mail: sjzheng@zju.edu.cn; Tel: 0571-88206438)。
调控铝诱导根尖有机酸分泌的分子机制
范伟1,2, 娄和强2, 龚育龙2, 刘美雅2,3, 杨建立2, 郑绍建2,*
1云南农业大学资源与环境学院, 昆明650201; 2浙江大学生命科学学院, 植物生理学与生物化学国家重点实验室, 杭州
310058; 3中国农业科学院茶叶研究所, 杭州310008
摘要: 铝诱导根尖有机酸分泌是大多数植物最主要的耐铝机制。本文主要综述了有机酸分泌过程中所涉及的包括有机酸
转运蛋白、转运蛋白基因上游序列调节因子、基因拷贝数、转录因子、蛋白可逆磷酸化、有机酸合成与能量代谢等调控
进程方面的研究进展, 并对未来的研究前景进行了展望。
关键词: 铝毒; 转运蛋白; 有机酸; 转录与翻译后调控; 代谢与能量
Molecular Mechanisms Regulating Aluminum-Induced Secretion of Organic
Acids in Root Apex
FAN Wei1,2, LOU He-Qiang2, GONG Yu-Long2, LIU Mei-Ya2,3, YANG Jian-Li2, ZHENG Shao-Jian2,*
1College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2State Key Laboratory of Plant
Physiology and Biochemistry, College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 3Tea Research Institute,
Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310008, China
Abstract: The most important aluminum resistant mechanism for a variety of plant species relies on alumi-
num-induced secretion of organic acids from root apex, the major target of Al toxicity. The recent progresses to
understand the regulation processes leading to the ultimate secretion of organic acids, including transporters of
organic acids, upstream sequence regulators of transporter gene, gene copy number, transcription factors, re-
versible protein phosphorylation, synthesis of organic acids and energy metabolism are summarized in this re-
view and the prospects in this field are also proposed.
Key words: aluminum toxicity; transporter; organic acid; transcriptional and posttranslational regulation; me-
tabolism and energy
据估计, 近50%的全球潜在耕地土壤呈酸性
(von Uexküll和Mutert 1995; Bot等2000)。这其中,
高达60%的酸性土壤主要分布在热带亚热带发展
中国家和地区, 在这些粮食生产安全最薄弱的地
区, 铝(Al)毒害被认为是仅次于干旱胁迫之外影响
作物生产的最主要非生物胁迫因子(von Uexküll和
Mutert 1995)。土壤中的Al (主要指Al3+)能快速抑
制根伸长, 破坏正常生理代谢功能, 限制根系对水
分和矿质养分的吸收 , 最终导致作物的减产减
收。另一方面, 植物在长期适应酸Al环境胁迫中
已进化出包括内部耐受和外部排斥两套机制来对
抗Al毒(Taylor 1991; Kochian 1995)。其中, 通过诱
导根尖有机酸分泌对Al进行外部螯合的解毒机制
被认为是大多数植物最主要的耐A l机制 ( M a
2000)。Al胁迫下分泌的有机酸种类主要为苹果
酸、草酸和柠檬酸, 三者对Al的螯合能力依次为:
柠檬酸>草酸>苹果酸(Delhaize等1993; Zheng等
1998; Ma等2001)。根据时间响应关系, 可将Al诱
导的有机酸分泌分为两类模式(Ma 2000)。模式I:
有机酸分泌与Al胁迫没有明显的时间间隔, 这类
分泌模式以小麦(Triticum asetivum) (Delhaize等
1993)和荞麦(Fygopyrum esculentum) (Zheng等
2005)等为代表; 模式II: Al胁迫与有机酸分泌存在
一定滞后期(通常是几小时), 这类分泌模式以决明
(Cassia tora) (Ma等1997)、小黑麦(×Triticosecale)
(Ma等2000)和玉米(Zea mays) (Maron等2008)等为
代表。Ma等(2001)推测造成这两种分泌模式的主
要原因在于蛋白的重新合成是否是有机酸分泌所
必需的, 这暗示存在复杂的控制系统来调节Al诱
植物生理学报1470
导的有机酸分泌, 但是组成这一调控系统的关键
因子仍不是很清楚。近年来, 随着分子生物学技
术的飞速发展, 围绕有机酸分泌调控机制的研究
已深入开展, 并取得了丰富成果。为此, 本文系统
综述这方面的研究进展, 并对该领域未来的研究
作了进一步展望。
1 有机酸转运蛋白
生理学研究表明, Al激活的有机酸分泌是由
阴离子通道和 /或载体所介导的 (Ryan等1995;
Zheng等1998; Li等2000)。然而, 对编码这些通道
或载体基因的克隆却一直未取得成功。直到2004
年, 日本冈山大学的Sasaki等(2004)通过构建小麦
近等基因系‘ET8’和‘ES8’的抑制差减文库, 首次从
小麦中克隆了Al激活的苹果酸转运子(aluminum-
activated malate transporter, ALMT)基因TaALMT1,
该基因组成型表达于小麦根尖中, 且在耐性品种
‘ET8’中的表达量高于敏感性品种‘ES8’。电生理
研究显示, TaALMT1作为一个激活的配体和电压
依赖的阴离子通道驱动苹果酸从根尖细胞质向质
膜外分泌(Yamaguchi等2005; Piñeros等2008a)。之
后, TaALMT1的同源基因被分别从油菜(Brassica
napus) (BnALMT1和BnALMT2)、拟南芥(Abrabidopsis
thaliana) (AtALMT1)、黑麦(Secale cereale) (ScALMT1)
和大豆(Glycine max) (GmALMT1)等物种中克隆, 同
时证明了它们在耐Al性中所发挥的作用(Ligaba等
2006; Hoekenga等2006; Fontecha等2007; Liang等
2013)。然而, 并不是所有的ALMT型转运子都介
导Al激活的有机酸分泌。比如, 玉米中的ZmA-
LMT1在阴离子平衡和矿质营养中发挥作用, 且蛋白
活性不依赖于外界的Al浓度变化(Piñeros等2008b)。
ZmALMT2作为玉米根中的阴离子转运子介导苹
果酸的分泌和矿质养分的运输, 但不赋予Al的耐
性(Ligaba等2012)。3个拟南芥ALMT1型转运子基
因分别在叶肉(AtALMT9)或保卫细胞(AtALMT6和
AtALMT12)中表达, 暗示它们主要在苹果酸介导的
气孔关闭中发挥作用(Kovermann等2007; Meyer等
2010, 2011)。此外, Kobayashi等(2013)发现, 即便
是介导Al激活苹果酸分泌的拟南芥AtALMT1, 也能
被其他信号分子如IAA、ABA、低pH、H2O2以及
flg22等所诱导, 这表明AtALMT1在适应生物和非
生物胁迫中涉及一个复杂的表达调控机制。
多种药物和毒性成分运出(multidrug and toxic
compound extrusion, MATE)家族蛋白是细菌、真
菌、植物和哺乳动物中广泛存在的一个功能分化
多样的大家族。有证据显示, MATE家族蛋白能够
转运多种底物, 如类黄酮、花青素、尼古丁、柠
檬酸以及Cd2+等(Omote等2006; Morita等2009; Yo-
kosho等2010)。由于植物中的MATE蛋白能够转运
柠檬酸, 因此也在耐Al中扮演了重要的作用。2007
年, 来自日本冈山大学和美国康奈尔大学的两个实
验室分别从大麦(Hordeum vulgare) (HvAACT1)和高
粱(Sorghum bicolor) (SbMATE)中克隆得到了编码
Al依赖的柠檬酸转运子基因(Furukawa等2007;
Magalhaes等2007)。此后, MATE同源基因在拟南
芥(AtMATE)、黑麦(ScFRDL2)、玉米(ZmMATE1和
ZmMATE2)、水稻(Oryza sativa) (OsFRDL4)、饭豆
(Vigna umbellata) (VuMATE1)和小麦(TaMATE1B)中
被相继报道(Liu等2009; Yokosho等2010, 2011;
Maron等2010; Yang等2011b; Tovkach等2013)。除
了HvAACT1外, 其他的MATE基因均受Al胁迫上调
表达, 表明存在转录调控机制。
对于上述已知的ALMT或MATE基因, 不管是
诱导表达还是组成型表达, 共同的特征都是在耐性
基因型品种中耐Al基因的表达量高于敏感性基因
型品种, 而基因的表达水平通常受到基因上游非编
码区修饰、基因拷贝数以及转录因子等的调控。
2 转运蛋白基因上游序列调节因子
小麦TaALMT1编码的氨基酸在Al耐性和敏感
性品种中均比较保守, 但启动子区域却存在较高
的多态性(Sasaki等2006; Ryan等2010)。Sasaki等
(2006)通过比较69个不同小麦品种的TaALMT1发
现, 在小麦启动子区域共有8个不同的等位基因,
其中, 拥有2或3倍的线性重复的等位基因与基因
表达量、苹果酸分泌以及植株耐Al性的增强高度
相关。在转基因水稻中的启动子分析也证实, 具
有3倍线性重复的TaALMT1启动子等位基因比没
有线性重复的启动子等位基因能显著提高报告基
因的表达(Ryan等2010)。
Fujii等(2012)发现HvAACT1在耐Al大麦品种
‘Murasakimochi’根尖中的高组成型表达与其基因
在5-UTR区域插入的1 023 bp片段有关, 这种由于
转座带来的片段插入不仅可以增强HvAACT1的转
范伟等: 调控铝诱导根尖有机酸分泌的分子机制 1471
录丰度, 同时还能改变HvAACT1在根中的定位。
在Al敏感品种‘Morex’中(缺乏插入), HvAACT1主
要在成熟根的中柱鞘中表达, 而极少在皮层和根
尖表达, 这时HvAACT1主要介导根内木质部中铁
的长距离运输; 相反, 在耐Al品种‘Murasakimochi’
中(存在插入), HvAACT1的表达会延展至根尖所有
组织, 这时HvAACT1主要通过介导柠檬酸的外排
来减少Al的毒害。类似地, Tovkach等(2013)发现
一个Sukula类转座元件与几个巴西小麦株系中Ta-
MATE1B的高组成型表达密切相关, 在起始密码子
ATG上游25 bp处插入的11.1 kb转座元件增强了Ta-
MATE1B在耐性品种根尖中的表达, 从而显著增加
了柠檬酸的分泌。此外, 高粱SbMATE上游微型反
向重复转座元件(tourist-like miniature inverted re-
peat, MITE)的数量也被报道与SbMATE的表达水
平存在较高的相关性(Magalhaes等2007)。
Chen等(2013)发现生长于酸性土壤中的绒毛
草(Holcus lanatus)比生长于中性土壤中的绒毛草能
分泌更多的苹果酸, 因而更加耐Al。其原因是介导
苹果酸分泌的HlALMT1启动子区域在耐Al绒毛草
中拥有更多的水稻Al resistance transcription factor 1
(ART1)类转录因子结合调控元件, 从而提高了Al胁
迫下HlALMT1的表达, 而这种调控元件数量的变化
在耐Al绒毛草中的进化仅仅只用了100多年。
3 转运蛋白基因拷贝数
最近, Maron等(2013)在不同基因型玉米品种
中发现, 转运蛋白基因的拷贝数差异同样能够决
定品种间的耐Al性差异。作者在比较Al耐性
‘Al237’和敏感性‘L53’品种中ZmMATE1同柠檬酸
分泌以及耐Al性间的关系时, 发现两个品种的耐
Al性差异并非来自ZmMATE1所编码的氨基酸和蛋
白结构的差异, 同时, 该基因在两个品种中的启动
子序列也基本相同(99%的同源性), 最后证实两者
的耐A l性差异源自Z m M AT E 1的拷贝数差异 ,
‘Al237’品种含有3个拷贝, 而‘L53’品种仅有1个拷
贝, 高的基因拷贝数导致了高的基因表达丰度, 从
而贡献了耐性品种中更多的柠檬酸分泌。
4 转录因子
转录因子作为一种反式作用因子, 广泛存在
于各种不同的信号途径中参与对下游功能基因的
调控, 因而在功能上表现为更加经济、全面和有
效。Iuchi等(2007)从拟南芥甲磺酸乙酯(ethyl
methanesulfonate, EMS)诱变的突变库中分离到一
个对低pH超敏感的突变体sensitive to proton rhizo-
toxicity 1 (STOP1), 图位克隆显示STOP1编码一个
C2H2型锌指蛋白转录因子。有意思的是, STOP1突
变体不仅对低pH敏感, 而且对Al胁迫也超敏感, 因
为在这个突变体中AtALMT1几乎不表达。随后的
研究显示, AtMATE1和aluminium sensitive 3 (ALS3)
也受STOP1调控(Liu等2009; Sawaki等2009)。
AtALMT1和AtMATE1分别介导苹果酸和柠檬酸的
分泌, 而ALS3是一个半型ABC转运子家族基因, 参
与细胞内Al的再分配(Larsen等2005)。虽然At-
MATE1和ALS3的敲除株系表现出对Al敏感, 然而
它们对植株的耐Al性贡献却远小于AtALMT1 (Liu
等2009; Sawaki等2009)。STOP1除调控上述基因
外, 也参与对下游其他一系列质子和Al胁迫基因
的表达调控 (Sawaki等2009)。在这些基因中 ,
STOP2作为STOP1唯一的直系同源基因位于STOP1
下游且受其调控, 不同的是STOP2虽能像STOP1一
样激活Al和质子耐性相关基因的表达, 但在功能
上却仅赋予植株质子耐性而非Al耐性(Kobayashi
等2014), 其他基因的功能则暂不清楚。综上可知,
STOP1可能的功能是作为一个转录因子调控质子
和Al胁迫/耐性基因的表达。然而到目前为止, 植
物从最初对Al信号的感知到转录激活这一过程仍
然是个谜。目前发表的数据显示, 虽然STOP1在转
录水平不受Al诱导, 但STOP1在无Al情况下也调控
AtALMT1和AtMATE基因的表达(Iuchi等2007;
Sawaki等2009), 很可能STOP1只是调控下游耐Al
基因的关键转录因子, 而Al诱导下游基因的表达
则由这些转录因子来承担, 这些因子与STOP1相互
协作共同来调控Al胁迫下耐Al基因的表达。此外,
STOP1在调控下游基因表达之前很可能涉及一个
翻译后的修饰。蛋白激酶抑制剂的使用已经间接
证明拟南芥苹果酸的分泌涉及一个或多个磷酸化
步骤(Kobayashi等2007)。因此, 有可能在应答Al胁
迫时, 蛋白激酶先磷酸化STOP1使之被激活(Iuchi
等2008), 激活的STOP1再去调控Al耐性基因以及
其他质子和Al应答基因的转录。亦或许两个胁迫
的信号途径最初来自于不同的受体, 但在下游受
STOP1调控时这一途径发生了汇集和交叉。
植物生理学报1472
由于STOP1提供了一种有效的机制去保护植
物免受酸性土壤中两种主要胁迫因子(质子和Al)
的毒害。因此, 质子和Al耐性基因型的变异很可
能是通过STOP1的等位变体(allelic variant)来协调
的。有趣的是, 这似乎又不可能, 因为两个主要的
质子耐性QTLs不同于已知的Al耐性QTLs (Ko-
bayashi和Koyama 2002; Hoekenga等2003; Ikka等
2007)。而且, 对260份拟南芥种质资源的研究发
现, Al耐性与质子耐性是不相关的(Ikka等2007)。
这些结果显示, 赋予质子和Al耐性的基因很可能是
独立运作的, 从而推翻了等位变体协调运作的可
能。除此之外, 虽然被STOP1调控的基因可以解释
拟南芥大部分的Al耐性, 但至少有两个基因是独立
于STOP1调控范畴的, 一个是位于液泡膜的ABC转
运子家族成员ALS1, 另一个是sensitive to Al rhizo-
toxicity 1 (AtSTAR1), 该基因编码一个位于质膜上含
ATP结合结构域的ABC转运子家族成员。这两个
基因都能被Al诱导, 且任一个基因功能的缺失都会
导致对Al的超敏感(Larsen等2007; Huang等2010)。
然而它们是如何贡献Al的耐性仍不清楚。
水稻作为小谷类作物中最耐Al的作物, 其Al
耐性比其他主要禾谷类作物, 比如玉米、小麦、
大麦和高粱高6~10倍(Famoso等2011)。然而由于
Al激活水稻柠檬酸的分泌比同类的其他作物低,
因此这种外排解毒机制并不能解释水稻的主要耐
Al性, 同时也表明水稻的耐Al性是一个多基因控
制的复杂的数量性状。最近, 48个Al耐性相关的
QTLs被鉴定, 这些位点解释了水稻中绝大部分耐
Al性表型变异(Famoso等2011)。Yamaji等(2009)利
用γ-射线诱变从水稻中鉴定了一个STOP1类的
C2H2型锌指蛋白转录因子基因ART1。与拟南芥
STOP1相同的是, ART1在水稻根中组成型表达, 且
不受Al诱导; 不同的是, ART1仅与Al耐性有关, 而
与质子耐性无关, 且ART1在无Al时不太影响下游
基因的表达, 而在有Al存在时, 耐Al基因在art1突
变体背景下基本不被诱导(Iuchi等2007; Sawaki等
2009; Yamaji等2009), 这说明ART1可能只有在Al
毒存在时才被招募到耐Al基因的启动子上进行作
用, 这一过程是否有磷酸化参与调控ART还需进一
步验证。对art1突变体背景下的基因芯片研究显
示, 至少有31个分别参与水稻外部排斥和内部耐
受机制的下游基因受ART1调控(Yamaji等2009)。
而且, 它们中的绝大部分基因都包含有一到多个
的ART1顺式调控作用元件[GGN(T/g/a/C)V(C/A/g)
S(C/G)] (Tsutsui等2011)。目前, 部分基因的功能已
被解析。在外部排斥方面, STAR1和STAR2分别编
码ABC转运体的核苷酸结合域和跨膜区, 两者以
复合体的形式介导UDP-葡萄糖向细胞壁的转运,
进而修饰细胞壁来进行Al的解毒(Huang等2009),
而OsFRDL4则编码一个柠檬酸转运子介导柠檬酸
的分泌以及对Al的外部螯合(Yokosho等2011)。在
内部耐受方面, Nrat1编码一个自然抗性相关巨噬
细胞蛋白(natural resistance-associated macrophage
protein, NRAMP)家族的质膜Al特异转运子, 负责
Al从胞外向胞内的跨膜运输 (Xia等2010) , 而
OsALS1则编码一个定位于液泡膜的半型ABC转运
子, 负责Al在液泡中区隔化(Huang等2012)。ART1
的鉴定支持了水稻中Al的耐性是多基因加积效应
的见解。
5 蛋白可逆磷酸化
虽然在Al诱导有机酸分泌转运蛋白基因的克
隆和鉴定上取得了一定的突破, 但是关于Al胁迫
信号转导途径仍不清楚, 其中一条可能的信号途
径为蛋白可逆磷酸化。磷酸化方面, Osawa和Mat-
sumoto (2001)首先证实蛋白激酶广谱抑制剂
K252a或Staurosporine可以有效抑制Al诱导的小麦
根尖苹果酸分泌。之后, 在拟南芥中的研究发现,
用Al处理已用K252a或Staurosporine预处理的拟南
芥可以显著降低AtALMT1基因的表达, 而用K252a
或Staurosporine处理已用Al预处理的拟南芥可以
抑制苹果酸的分泌 , 但不减少基因的表达
(AtALMT1转录已经完成), 这表明Al诱导拟南芥苹
果酸分泌的磷酸化作用发生在AtALMT1基因的转
录水平和翻译后水平(Kobayashi等2007)。同样地,
在饭豆中, Al诱导的柠檬酸分泌也被证实依赖于
VuMATE1在转录水平和翻译后水平的磷酸化作用
(Liu等2013)。Ligaba等(2009)提供的证据显示, 小
麦TaALMT1的活性受蛋白激酶C介导的磷酸化所
调控, 当把TaALMT1的384位丝氨酸转变为丙氨酸
后, 其活性受到抑制, 且对蛋白激酶抑制剂和蛋白
激酶C激活剂不敏感。去磷酸化方面, Kobayashi等
(2007)报道称, 蛋白磷酸酶抑制剂Calyculin A仅在
范伟等: 调控铝诱导根尖有机酸分泌的分子机制 1473
拟南芥AtALMT1基因的转录水平起抑制作用, 而不
影响其翻译后蛋白介导的有机酸分泌, 暗示去磷
酸化作用可能仅发生在基因的转录水平。上述结
果明确了蛋白可逆磷酸化参与了Al诱导的有机酸
分泌调控。然而, 究竟是何种磷酸化/去磷酸化酶
参与此过程以及对其作用方式和位点分子与生化
机制的解析, 还有待进一步研究。
6 代谢调控
Al诱导有机酸分泌直接相关的代谢调控主要
包括有机酸的合成代谢以及通过呼吸作用产生的
能量代谢两方面。在有机酸合成代谢上, 先前众
多的研究显示, Al可以通过诱导三羧酸循环(tricar-
boxylic acid cycle, TCA)中相关酶活性的增强来增
加体内有机酸的积累和分泌(Yang等2001; Ligaba
等2004; Yang等2004; Xu等2010)。然而, 同样也有
较多的研究表明, 体内有机酸合成代谢的增强与
Al诱导的有机酸分泌无关(Hayes和Ma 2003; Yang
等2008; Chen等2009)。转基因植物对于有机酸合
成代谢是否贡献Al诱导的有机酸分泌提供了一些
额外的证据。比如, 在烟草(Nicotiana tabacum)和
木瓜(Carica papaya)中过表达绿脓杆菌(Pseudomo-
nas aeruginosa)柠檬酸合酶(citrate synthase, CS)基
因(de la Fuente等1997), 在苜蓿(Medicago sativa)中
过表达苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase, MDH)
基因(Tesfaye等2001)以及在烟草中过表达冰叶日
中花(Mesembryanthemum crystallinum)丙酮酸磷酸
双激酶(pyruvate phosphate dikinase, PPDK)基因
(Trejo-Téllez等2010)都显示可以通过增强有机酸
合成代谢来增加转基因植物的柠檬酸和/或苹果酸
分泌量以及耐Al性。然而, Delhaize等(2001)同样
将绿脓杆菌中的CS基因在烟草中过表达却得不到
de la Fuente等(1997)的结果。作者发现尽管转基
因株系中CS的蛋白水平远远大于de la Fuente等
(1997)文献中报道的株系, 但却不能观察到任何柠
檬酸积累或分泌增强的结果(Delhaize等2001)。综
上可见, 有机酸合成代谢的增强是否与Al诱导的
有机酸分泌以及耐Al性之间存在直接的关系, 仍
存在较大争议, 这种争议也许来自于不同Al处理
浓度、时间、生长条件以及植物种类间的差异。
在能量代谢上, 前期的生理学证据显示, 低温
能够抑制有机酸的分泌, 间接暗示能量代谢与有
机酸的分泌有关(Li等2000; Osawa和Matsumoto
2001, 2002)。众所周知, 能量主要通过呼吸作用产
生, 而植物呼吸作用主要依赖于糖酵解-TCA途径
和磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,
PPP)。Yamamoto等(2002)首先在烟草细胞和豌豆
(Pisum sativum)中证实, Al胁迫会导致呼吸作用受
抑制以及ATP的大量耗减。最近, 对饭豆低浓度和
高浓度Al胁迫下差异表达基因的研究显示, Al会削
弱饭豆糖酵解-TCA循环中相关基因的表达(Fan等
2014), 而糖酵解途径被认为是耐性Al水稻品种中
调控可利用能量产生所必需的(Wang等2014)。饭
豆中, Al在抑制主呼吸途径的同时会加剧无氧呼吸
的产生, 这会导致丙酮酸的过度消耗以及TCA循
环受抑制。为了满足正常的能量需要, 一些交替
代谢途径会被增强。比如, 通过增强脂肪酸β-氧化
产生更多的乙酰辅酶A来补偿TCA循环; 通过上调
丙酮酸脱羧酶(pyruvate decarboxylase, PEPCK)基
因合成更多的磷酸烯醇式丙酮酸盐以增加丙酮酸
的供应; 通过上调葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(6-phos-
phogluconate dehydrogenase, 6-PGDH)基因来增强
PPP代谢途径(Fan等2014)。Ślaski等(1996)证实
6-PGDH酶活性的上调仅仅发生在Al抗性小麦栽
培种对Al的胁迫应答中, 而不发生在Al敏感栽培
种中, 这为增强PPP途径与Al的抗性相关提供了直
接的生理学证据。
7 质膜H+-ATPase
质膜H+-ATPase在一系列次级转运子的能耗
和调控中扮演了重要的作用。电生理研究表明,
负责柠檬酸分泌的玉米ZmMATE1和饭豆VuA-
MTE1很可能为Na+或H+反向转运子(Maron等2010;
Yang等2011b)。因此, 质膜H+-ATPase可能直接或
间接参与了Al诱导的有机酸分泌。在两个大豆栽
培种中, Al诱导的柠檬酸分泌与根中质膜H+-ATPase
活性相关, 酶活性的增加依赖于H+-ATPase在转录
水平和翻译后水平的调控, 且在耐性品种中要高
于敏感性品种(Shen等2005)。在转基因拟南芥分
析中, Al诱导柠檬酸分泌与H+-ATPase活性之间的
关系被进一步证实, 生长于含30 μmol·L-1 Al的MS
培养基上的转基因植株能够分泌更多的柠檬酸
(Shen等2005)。此外, 小麦中的研究也表明, Al诱
导的苹果酸分泌伴随着质膜表面电势和H+-ATPase
植物生理学报1474
的激活(Ahn等2004)。最近, Chen (2013)在蚕豆(Vi-
cia faba)中发现, Al胁迫能增强质膜H+-ATPase的表
达以及与14-3-3蛋白的相互作用, 从而贡献高的
H+-ATPase活性以及柠檬酸分泌。然而, 在两种不
同草酸分泌能力的番茄(Lycopersicon esculentum)
中, H+-ATPase活性被认为与Al诱导的草酸分泌无
关(Yang等2011a)。在西葫芦(Cucurbita pepo) (Ahn
等2001)和饭豆(Yang等2007)中, Al反而抑制了根
中H+-ATPase的活性。
8 其他
研究证实, 外源添加Mg2+可以有效缓解植物
Al毒害(Silva等2001; Yang等2007), 其可能的机制
涉及Mg2+能够增强有机酸分泌、与Al竞争结合质
膜离子通道和酶金属结合位点以及改善细胞质pH
等几个方面(Silva等2001; Yang等2007; Bose等
2011)。就增强有机酸分泌而言, Mg2+最有可能在
激活有机酸代谢相关的酶以及调控H+-ATPase活性
中扮演重要作用(Yang等2007; Bose等2011)。最近,
水稻中一个受ART1调控的编码Mg2+转运蛋白的基
因OsMGT1被报道通过介导Mg2+的运输来缓解Al
毒, 推测Mg2+有助于保护一些重要酶类的活性位
点 , 以防止Al离子的结合而丧失活性 (Chen等
2012)。另外, Yang等(2012)发现一氧化氮(nitric
oxide, NO)供体硝普钠(sodium nitroprusside, SNP)
处理可以增加Al胁迫下酸柚(Citrus grandis)的苹果
酸和柠檬酸分泌 , 但不影响其在体内含量的积
累。有报道称, NO可以调控K+和Ca2+离子通道
(Casolo等2005; Sokolovski等2005)。因此, SNP对
有机酸分泌的刺激是否是通过影响控制有机酸转
运的阴离子通道来实现的值得进一步研究。
9 展望
综上所述, Al诱导有机酸分泌涉及基因、蛋
白、代谢等多个层次的调控。特定层次的调控在
不同物种中已取得了一定的进展, 但是对于特定
物种在不同层次的调控仍缺乏系统研究。对于转
运蛋白而言, 存在诱导表达和直接激活两大类机
制。对于不同的物种为什么进化出这两类机制的
原因还不清楚, 哪一类机制更适合植物适应酸Al
环境也缺乏研究。本文对诱导表达机制已做了一
些阐述, 但是对于激活机制仍不清楚。Furuich等
(2010)通过点突变对小麦TaALMT1 Al依赖转运活
性的氨基酸残基进行了研究, 发现位于膜外C-末
端的亲水结构域参与了TaALMT1的Al激活活性,
并在此结构域中鉴定了3个可能参与Al激活功能
的氨基酸残基。然而, Ligaba等(2013)同样的研究
却发现, 除C-末端外, N-末端也是Al激活所必需的
结构域, 而且TaALMT1对Al的感应更可能与其蛋
白结构的改变有关 , 而非简单的氨基酸位点修
饰。对于MATE蛋白而言, 是否存在同样的蛋白和
结构水平上的调节机制, 仍需进一步研究。
拟南芥AtSTOP1对于AtALMT1的表达激活是
至关重要的。然而最近, Ohyama等(2013)将烟
草、黑杨(Populus nigra)、百脉根(Lotus japoni-
cus)、茶树(Camellia sinensis)以及小立碗藓(Phy-
scomitrella patens)中的STOP1类同源基因恢复到
拟南芥stop1突变体中却发现, 除小立碗藓外, 其余
所有物种的STOP1类同源基因均不能完全恢复突
变体中AtALMT1的表达以及植株的耐Al性, 这表明
AtSTOP1的结构对于AtALMT1的表达激活至关重
要, 而这一结构在其他植物的STOP1类蛋白中又是
不完全保守的。实际上, 所有STOP1类蛋白的锌指
结构域是保守的, 但N-端和C-端的同源性则比较
低。因此, 未来的研究应重点围绕不同STOP1类蛋
白在序列、结构和功能上的差异来开展。
有机酸对于植物生长发育而言是一种有价值
的碳源。作为TCA循环的中间产物, 有机酸在植
物体新陈代谢中扮演了必需的作用。植物牺牲有
机酸去对抗Al毒时本身就是一种能量消耗, 这种
消耗会影响植物的生物产量。因此, Al激活根系有
机酸分泌的精确调控不仅是作物耐Al所必需的,
同时也是Al胁迫下作物产量有效保障的根本。比
如, 耐性高粱中Al激活的SbMATE特异定位于根尖
之后1~3 mm的远端过渡区(distal transition zone,
DTZ), 这个区域是细胞分化向细胞伸长发生的过
渡区域, 也是Al毒的主要靶标区域, 如此精确的定
位进化可以以最小的碳源损失来换取对Al损伤根
细胞的最大保护(Sivaguru等2013)。除了诱导分泌
外, 还必须存在反馈调节来防止有机酸的过度浪
费 , 如最近的研究表明 , 拟南芥AtWRKY46与
AtALMT1的表达呈负相关, 在AtWRKY46敲除突变
体中, AtALMT1基因的表达、苹果酸分泌以及植株
的耐Al性得到增强, 且这一过程独立于STOP1调控
范伟等: 调控铝诱导根尖有机酸分泌的分子机制 1475
途径之外, 酵母单杂交和ChIP-qPCR分析显示, At-
WRKY46可以直接结合于AtALMT1启动子的
W-boxes上 , 负调控AtALMT1的表达 (Ding等
2013)。因此, 未来在通过生物工程手段提高作物
耐Al性上可考虑启动子改造的策略。AtALMT1在
根尖表达(Al毒的主要靶点), 而AtMATE1在成熟区
表达(Liu等2009)。考虑到柠檬酸对Al的螯合能力
强于苹果酸, 同时能把拟南芥解Al毒的部位从整
根集中于根尖, Liu等(2012)通过启动子置换的策
略, 利用AtALMT1启动子来驱动AtMATE1的表达,
发现这不仅显著增强了转基因植株的耐Al性, 同
时也提高了碳源的利用效率。本课题组最近发现,
饭豆VuMATE1介导的Al激活根尖柠檬酸的分泌涉
及VuMATE1蛋白的重新合成过程(Yang等2011b;
Liu等2013)。进一步的研究显示, 这是由于Vu-
MATE1启动子存在有未知的Al激活元件, 能在有
Al条件下激活VuMATE1的表达(Liu等2013)。因此,
在今后的研究中, 通过挖掘和利用这类启动子来
进行转基因育种研究, 对于阻止植物过多的碳源
损耗来说是一种经济和有效的策略。
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