全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (5): 425~428 425
收稿 2011-12-14　　修定 2012-03-22
资助 教育部新世纪优秀人才计划项目(NCET-08-0786)。
* 通讯作者(E-mail: bsqiu@mail.ccnu.edu.cn; Tel: 027-
67862470)。
植物螯合肽的转运与功能研究进展
张中春, 邱保胜*
华中师范大学生命科学学院, 湖北省遗传调控与整合生物学重点实验室, 武汉430079
摘要: 植物螯合肽(phytochelatins, PCs)是由植物螯合肽合酶催化谷胱甘肽合成的一类生物小分子, 结构式为(γ-Glu-Cys)n-
Gly (n=2~11), 在真菌和高等植物耐受重金属胁迫机制中具有重要作用。近年来, 人们在PC介导重金属脱毒害的分子机理
研究上取得了重要进展, 发现SpHMT1和SpABC2是PC在裂殖酵母中介导重金属液泡区室化的主要转运蛋白, 鉴定了拟南
芥液泡膜PC转运蛋白AtABCC1和AtABCC2。此外, PCs也可能在超积累植物细胞内对重金属脱毒害具有重要功能。
关键词: 超积累植物; 植物螯合肽; 重金属; 转运蛋白
Research Advances of Phytochelatin Transport and Its Function
ZHANG Zhong-Chun, QIU Bao-Sheng*
Hubei Key Laboratory of Genetic Regulation and Integrative Biology, College of Life Sciences, Central China Normal University,
Wuhan 430079, China
Abstract: Phytochelatins (PCs) are synthesized by PC synthases from glutathione with the general structure of
(γ-Glu-Cys)n-Gly (n=2-11). They are necessary for heavy metal tolerance in fungi and higher plants. Recent
studies have shown that both SpHMT1 and SpABC2 play an important role in PC-mediating heavy metal se-
questration in the vacuole of Schizosaccharomyces pombe, while AtABCC1 and AtABCC2 are the major trans-
porters for removing PC-heavy metal complexes from cytosol into the vacuole of Arabidopsis thaliana. In addi-
tion, several studies have suggested that PCs might detoxify heavy metal inside the cells of hyperaccumulator.
Key words: hyperaccumulator; phytochelatin; heavy metal; transporter
重金属铁(Fe)、锌(Zn)和铜(Cu)等是生物所必
须的微量营养元素, 在高浓度时与生物非必需营
养元素镉(Cd)一样, 具有极强的生化反应活性, 易
对生物产生毒害作用。在长期的进化过程中, 生
物体具备了严格调控细胞内重金属离子浓度的能
力, 以适应多变的自然环境。上世纪60年代, 研究
人员首先在马的肾细胞中发现大部分Cd与金属硫
蛋白(metallothioneins, MTs)结合形成复合体(Kägi
和Vallee 1960)。80年代, 人们发现受Cd胁迫的裂
殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)不能合成MTs,
细胞内大部分Cd与植物螯合肽(phytochelatins,
PCs)结合形成复合体(Murasugi等1981)。后来的研
究表明, PCs也广泛存在于受重金属胁迫的高等植
物和真核藻类中(Zenk 1996)。PCs是由植物螯合
肽合酶催化谷胱甘肽(glutathione, GSH)合成的一
类生物小分子, 具有相似的结构(γ-Glu-Cys)n-Gly
(n=2~11) (Zenk 1996)。目前人们已经在多种植物
中克隆了植物螯合肽合酶的编码基因, 并在植物
螯合肽合酶结构及催化机制的研究上取得了重要
进展(李安明等2011)。最近, 人们进一步鉴定了PC
液泡膜转运蛋白, 深入揭示了PC在真菌和高等植
物细胞中对重金属的脱毒害机制。
1 HMT1对PCs的非线性转运
PCs和SpHMT1在裂殖酵母耐受重金属尤其
是Cd的胁迫时起重要作用。遗传学与生物化学的
研究表明, 在Cd胁迫下, 裂殖酵母细胞中的植物螯
合肽合酶催化GSH合成PCs, PCs作为细胞内Cd的
主要配体, 在细胞质中与Cd形成PC-Cd低分子量复
合物(low-molecular weight complexes, LMWCs),
LMWCs可通过液泡膜转运蛋白SpHMT1而进入
液泡, 进一步形成稳定的PC-Cd高分子量复合物
(high-molecular weight complexes, HMWCs) (Cob-
bett 2000)。PCs与HMT1对重金属的这种先后作用
被认为是重金属液泡区室化的主要模式, 是高等植
物和真菌耐受重金属的主要机制(Cobbett 2000)。
植物生理学报426
在线虫(Caenorhabditis elegans)中克隆到CeH-
MT1基因以后, 人们深入研究了PCs和HMT1对重
金属脱毒害的作用模式。在重金属胁迫表型上,
线虫cehmt1基因沉默突变体较cepcs1基因沉默突
变体对Cd胁迫更加敏感, 前者细胞核附近有折射
性的点状包含物, 后者肠上皮组织中有坏死斑, 而
且cehmt1 cepcs1双基因沉默突变体具有两种单基
因沉默突变体的毒害症状(Vatamaniuk等2005)。在
基因表达上, cehmt1和cepcs1基因可以分别在线虫
不同类型的组织细胞中表达(Schwartz等2010)。这
表明PCs和HMT1在线虫耐受Cd的机制作用中具
有相互独立的作用方式。与线虫相似, 裂殖酵母
pcs缺失突变体不能合成PCs, 对Cd、Hg和As胁迫
都呈现敏感的表型, 而hmt1突变体的生长不受Hg
和As胁迫的影响, 仅对Cd胁迫敏感, 而且pcs hmt1
双突变体对Cd胁迫的敏感性强于单突变体, 这也
表明PCs和HMT1在裂殖酵母细胞响应重金属胁迫
机制中不是一个简单的线性关系(Sooksa-nguan等
2009)。超表达SpHMT1可以完全恢复裂殖酵母pcs
缺失突变体对Cd胁迫的耐受能力, 表明SpHMT1能
够以独立于PCs之外的途径完成裂殖酵母细胞对
Cd的脱毒害作用, 这在酿酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae)和大肠杆菌(Escherichia coli)中得到进
一步证实(Prévéral等2009)。与裂殖酵母不同, 酿
酒酵母基因组缺乏PCS基因, 主要通过液泡膜蛋白
YCF1向液泡中转运GSH-Cd复合体, 实现对Cd的
耐受作用(Li等1997), 然而SpHMT1可以在功能上
互补ycf1突变体对Cd的敏感性表型(Prévéral等
2009)。即使大肠杆菌不能合成PCs, 而SpHMT1也
依然能增强其对Cd的耐受性(Prévéral等2009)。
2 真菌细胞中PCs的转运
裂殖酵母通过植物螯合肽合酶在细胞质中合
成PCs, 细胞质中的PCs曾被认为主要通过液泡膜
SpHMT1转运蛋白进入液泡, 并形成HMWCs (Cob-
bett 2000)。近年来的研究发现, 裂殖酵母hmt1突
变体依然能在液泡中积累PCs和形成HMWCs, 这
表明在细胞质中所合成的PCs除了通过SpHMT1转
运蛋白进入液泡外, 还可以通过其他途径进入液
泡(Sooksa-nguan等2009; Mendoza-Cózatl等2010)。
研究表明, PCs可在ABC (ATP-binding cassette)转
运蛋白介导下进入液泡(Salt和Rauser 1995)。在裂
殖酵母中, 液泡膜ABC蛋白除了SpHMT1外, 还有
SpABC2、SpABC3和SpABC4 (Iwaki等2006)。Sp-
ABC2~4基因同时突变不能改变裂殖酵母对Cd的
耐受性, 但是显著增强裂殖酵母hmt1突变体对Cd
的敏感型表型(Mendoza-Cózatl等2010)。Mendoza-
Cózatl等(2010)在裂殖酵母hmt1突变体中对Sp-
ABC2、SpABC3和SpABC4分别进行突变, 发现
abc2 hmt1双突变体对Cd胁迫最敏感, SpABC3和
SpABC4几乎不影响abc2 hmt1双突变体对Cd胁迫
的耐受能力。此外, 与野生型裂殖酵母相比, hmt1
和abc2单突变体液泡中的PC含量均减少, abc2
h m t 1双突变体液泡中几乎没有P C s的积累和
HMWCs的形成, 然而SpHMT1和SpABC2均能在
一定程度上恢复abc2 hmt1双突变体液泡对PC的积
累(Mendoza-Cózatl等2010)。因此, 在裂殖酵母细
胞质中合成的PCs可以分别通过SpHMT1和Sp-
ABC2进入液泡, 完成对重金属液泡区室化的介导
作用。
3 高等植物细胞中PCs的转运
虽然Ortiz等(1992)在20年前就已经克隆了
SpHMT1基因, 但是人们在植物中一直没有找到
SpHMT1的同源基因, 这可能是由于植物基因组中
缺乏SpHMT1的同源基因。在已经完成全基因组
测序的拟南芥中 , 与SpHMT1同源性最高的是
AtATM3, 然而AtATM3是线粒体蛋白, 不可能向液
泡中转运PCs及PC-Cd复合物(Kim等2006)。但是,
SpABC2的同源基因广泛分布于植物和其它生物
中, 如拟南芥MRP/ABCC家族基因, 它们可能是潜
在的PCs或PC-Cd复合物的液泡膜转运蛋白基因
(Mendoza-Cózatl等2010)。体外研究表明, 拟南芥
AtABCC1和AtABCC2可以向酵母细胞内转运PCs
及PC-As复合体 ; 在植株水平上 , 拟南芥abcc1
abcc2双突变体对As、Cd和Hg胁迫极其敏感, 双突
变体的液泡对PCs的吸收仅为野生型的5%, 对PCs-
As复合体的吸收也只有野生型的15%, 而且与野生
型细胞对Cd的液泡区室化不同, 双突变体细胞中
富集的Cd主要分布在细胞质中, 而不能转运到液
泡中完成区室化过程(Song等2010; Park等2012)。
因而, AtABCC1和AtABCC2基因是人们最早在植物
中鉴定的PC转运蛋白基因, AtABCC1和AtABCC2
是植物细胞完成PC-重金属(如: Cd和As等)复合体
张中春等: 植物螯合肽的转运与功能研究进展 427
液泡区室化过程的重要液泡膜转运蛋白(Song等
2010; Park等2012)。此外, 人们还发现在植物细胞
质中合成的PCs可以通过细胞膜上的未知PC转运
蛋白, 进入木质部和韧皮部, 在植物的根部和地上
部之间长距离运输(Gong等2003; Chen等2006;
Mendoza-Cózatl等2008)。
4 PCs在超积累植物中的作用研究
自然界中存在少量的对重金属具有极强耐受
能力和富集能力的重金属超积累植物, 如: Zn/Cd
超积累植物东南景天(Sedum alfredii)、遏蓝菜
(Thlaspi caerulescens)和As超积累植物蜈蚣草(Pt-
eris vittata)等。Ebbs等(2002)指出, 遏蓝菜富集Cd
的含量虽然比非耐受植物高, 但在Cd胁迫下合成
的PC含量却较低, 不足以结合所有富集的Cd。此
外, GSH合成抑制剂丁硫氨酸-亚砜亚胺(L-buthio-
nine sulfoximine, BSO)虽然显著抑制遏蓝菜和拟
南芥中PC的合成, 但是BSO只增强拟南芥对Cd胁
迫的敏感性表型, 并不影响遏蓝菜对Cd的强耐受
能力(Howden等1995; Wójcik等2005)。因而, 与非
耐受植物不同, 人们曾认为PCs可能不是超积累植
物耐受重金属的重要生物小分子(Ebbs等2002)。
Ueno等(2008)研究表明苹果酸可能是遏蓝菜富集
Cd的主要配体。
我们以东南景天为材料研究了超积累植物中
PC的合成与重金属富集量之间的关系。东南景天
虽然超富集Zn, 然而与其他植物不同, 东南景天不
能在Zn诱导下合成PCs (杨肖娥等2002; Zhang等
2008)。与Zn相反, Cd能有效地诱导东南景天在茎
和叶中合成PCs, 而且叶中PC的含量与Cd的富集
量之间具有良好的线性关系(Zhang等2010)。前人
的研究表明, PC的合成与Cd激活细胞质中的植物
螯合肽合酶活性有关, PC的合成量与进入细胞内
的Cd浓度有关(Cobbett 2000), 而我们发现, 在东南
景天叶中大部分Cd分布在细胞壁和细胞间隙, 仅
有少量的Cd分布在细胞内, 这可能是东南景天叶
中PC含量与Cd总富集量比值偏低的重要原因, 但
是叶中的PCs与Cd结合形成复合物 (Zhang等
2010)。因而, PCs虽然不是东南景天耐受Zn的重
要生物分子, 但是可能作为东南景天叶细胞内Cd
的主要配体, 对进入细胞内的Cd完成脱毒害作用
(Zhang等2010)。Tian等(2011)研究表明, 苹果酸可
能是东南景天富集Cd的主要配体。
5 PCs的研究展望
自上世纪80年代初期PCs首次在裂殖酵母中
发现以来, PC的合成、转运与功能研究取得了一
系列突破性进展, 并形成了一个相对完整的理论
体系。PCs由细胞质中的植物螯合肽合酶催化
GSH合成, 是高等植物和真菌耐受及富集重金属
的重要小分子。PCs作为主要配体, 与重金属结合形
成复合物, 通过ABC蛋白(如: SpHMT1、SpABC2、
AtABCC1和AtABCC2)进入液泡, 减轻重金属对细
胞的毒害, 并完成重金属在细胞内的累积。细胞
中PC的合成还应该受到严格的调控, 使GSH在分
别作为PC合成底物和抗氧化剂等功能之间平衡分
配。然而, 人们对PC合成的分子遗传调控机理目
前还缺乏了解, 需要下一步深入研究。此外, 植物
细胞膜PC转运蛋白基因的克隆与功能分析也是下
一步的研究课题, PC的长距离运输是否和植物体
内重金属的长距离运输相关也不容忽视。
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