全 文 ：植物生理学通讯 第 45 卷 第 11 期，2009 年 11 月 1131
收稿 2009-09-11 修定 　2009-09-22
资助 教育部 “ 春晖计划 ”(Z2007-1-63006)和中国博士后科学
基金(No.200 7042 0717 )。
* 通讯作者(E-mail: tzhu2002@yahoo.com.cn; Tel: 023-
6 5 1 1 2 6 7 9 )。
植物中硝酸盐转运蛋白的运输和信号传输功能
胡廷章 1,2,*, 何帅 1, 黄小云 2, 陈再刚 2, 赵欣 3
1 重庆大学生物工程学院, 中国重庆 400044; 2 重庆三峡学院生物系, 中国重庆 404000; 3 大阪大学蛋白质研究所外国人 PI研
究室, 日本大阪 565-0871
Functions on Nitrate Transportation and Signal Transduction of Nitrate Trans-
porter in Plants
HU Ting-Zhang1,2,*, HE Shuai1, HUANG Xiao-Yun2, CHEN Zai-Gang2, ZHAO Xin3
1College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2Department of Biology, Chongqing Three Gorges
College, Chongqing 404000, China; 3Laboratory of Foreign PI of Institute for Protein Research, Osaka University, Osaka 565-
0871, Japan
提要: 硝酸盐转运蛋白是植物硝酸盐转运系统的组成成分。植物有 4种不同的硝酸盐转运系统, 即组成型的低亲和系统、
诱导型的低亲和系统、组成型的高亲和系统和诱导型的高亲和系统。调节硝酸盐转运的机制包括: NRT2/NAR2.1系统、硝
酸盐转运蛋白基因表达的调节和硝酸盐转运蛋白的翻译后调节等。硝酸盐转运蛋白的另一功能是NO3-感应元件, 起信号
传输作用。本文介绍硝酸盐转运蛋白在硝酸盐吸收过程中的运输和信号传输功能的研究进展。
关键词: 硝酸盐转运蛋白; 硝酸盐吸收; 硝酸盐信号传输
植物根可以吸收不同形式的氮, 包括 NO3-、
NH4+ 和氨基酸。硝酸盐是土壤中最丰富的氮源,
是作物可直接利用的主要氮源之一。硝酸盐易溶
于水, 容易因雨水沖刷而流失。在土壤中, 还有其
他形式的氮, 这些氮一般通过微生物转变成硝酸
盐。此外, 硝酸盐也可以被微生物转变成 N2 气而
散失到大气中(即反硝化作用)。因此, 土壤中的
NO3- 浓度随着雨水和影响微生物活动的pH、温度
和氧浓度等因素而变化, 土壤中根可利用的NO3-浓
度是不稳定的, 变化可达 100倍(Lark等 2004)。植
物需要不同的硝酸盐吸收系统, 以适应NO3-浓度的
变化, 从而更有效的利用土壤中的 NO3-。
1 植物的硝酸盐吸收系统
真核生物的硝酸盐转运蛋白基因( n i t r a t e
transporters, NRT)最早是从真菌Aspergillus nidulans
中分离到的(Unkles 等 1991)。不久之后, 有人又从
拟南芥中分离到编码硝酸盐转运蛋白的基因。虽
然2个基因编码的蛋白都有12个推测的跨膜区, 但
在系统发育中, 它们的亲源关系较远( Ts a y 等
1993)。这 2 个基因都能编码从外界吸收硝酸盐的
转运蛋白, 它们分别属于 NRT1 和 NRT2 家族。
NRT1和NRT2两个家族都由跨膜pH梯度驱动, 以
协同转运机制转运 NO3- 和质子 H+。
高等植物根吸收硝酸盐的分子基础已有广泛
研究。已经在拟南芥、番茄、大麦、大豆、水
稻、玉米和菸草等植物中分离得到硝酸盐转运蛋
白基因。硝酸盐转运蛋白属于质子依赖寡肽转运
家族(proton-dependent oligopeptide transporter, POT),
也称为肽转运家族(peptide transport, PTR), PTR 家
族是一个多基因家族, 编码的蛋白质包含12个跨膜
区和 PTR2 结构域。
植物中有NRT1和NRT2两个硝酸盐转运蛋白
基因家族。在拟南芥中, NRT1 家族有 53 个基因,
NRT2 家族有 7 个基因。NRT1 是低亲和性的硝酸
盐转运系统(low-affinity transport system, LATS)中
的组成成分, NRT2 是高亲和性的硝酸盐转运系统
(high-affinity transport system, HATS)中的组成成
分。低亲和性的硝酸盐转运系统的吸收速率高, 而
高亲和性的硝酸盐转运系统的吸收速率低。植物
专题介绍 Special Topic
植物生理学通讯 第 45 卷 第 11 期，2009 年 11 月1132
有4种不同的硝酸盐转运系统, 即组成型的低亲和
性系统(constitutive low-affinity transport system,
cLATS)、诱导型的低亲和性系统(inducible low-
affinity transport system, iLATS)、组成型的高亲和
性系统(constitutive high-affinity transport system,
cHATS)和诱导型的高亲和性系统(inducible high-
affinity transport system, iHATS) (Tsay 等 1993;
Huang 等 1996; Crawford 和 Glass 1998; Filleur 和
Daniel-Vedele 1999; Galvan和Fernandez 2001; Glass
等 2001; Williams 和 Miller 2001)。当外界的 NO3-
浓度高时(>1 mmol·L-1), 能够利用低亲和性硝酸盐
转运系统吸收NO3-; 而当外界的NO3-浓度低时(<1
mmol·L-1), 利用高亲和性硝酸盐转运系统吸收NO3-
(Crawford 和 Glass 1998)。因此, 植物能适应外界
硝酸盐浓度的改变而有效的吸收硝酸盐。
1.1 低亲和性的转运系统基因 在 AtNRT1 家族的
53 个同源蛋白中, AtNRT1.1 是最早获得的 LATS,
主要负责外部NO3- 浓度为 5 mmol·L-1 的NO3- 吸收
(Tsay等 1993; Okamoto等 2003), AtNRT1.1 基因的
缺失突变体缺少低亲和性的吸收(Touraine和Glass
1997)。AtNRT1.1 在主根和侧根根尖及气孔等组
织中表达, 在根部的表达受 pH和低浓度的NO3- 调
节(Tsay 等 1993; Huang 等 1996; Filleur 和 Daniel-
Vedele 1999)。AtNRT1.1也在气孔的开放和对干旱
的耐受性中发挥作用(Guo 等 2003)。AtNRT1.1 是
双亲和性的蛋白, 通过磷酸化开关控制硝酸盐吸收
的高亲和性和低亲和性(Liu和Tsay 2003; Martin等
2008)。AtNRT1.2 在根的表皮细胞中呈组成型表
达(Huang 等 1999), 反义 AtNRT1.2 拟南芥株系的
LATS 下降 50%~70% (Huang等 1999)。AtNRT1.3
在拟南芥叶中的表达受NO3-诱导, 但在根中的表达
受 NO3- 抑制(Okamoto等 2003)。AtNRT1.4 在拟南
芥叶柄细胞的前液泡膜上表达, 其功能是将硝酸盐
储存到液泡中, 在 NO3- 积聚过程中起作用(Chiu等
2004)。AtNRT1.5 在拟南芥根的周鞘中表达, 其功
能是将硝酸盐装载到木质部, 促使硝酸盐运送到地
上部分(Lin等 2008)。一般认为植物是利用有机氮
源以供应发育的胚胎, 但是根据对 AtNRT1.6 的研
究, 认为硝酸盐影响早期的胚胎发育, 而且硝酸盐
对胚胎发育的影响力常因土壤中氮源多寡而改变
(Almagro 等 2008)。当叶片衰老或失去功能时,
AtNRT1.7负责将储存在叶片液泡中的硝酸盐转运
到其他叶片, 特別是嫩叶中(Fan 等 2009)。
在AtNRT1家族的同源蛋白中, 有些是二肽转
运蛋白, 命名为 AtPTRs (Tsay 等 2007)。在大麦
种子萌芽时, 胚乳中储存蛋白水解成二肽或氨基酸,
由 PTR 负责二肽的输送(Tsay 等 2007)。已发现 2
个拟南芥NRT1家族的同源基因编码的蛋白, 它们
具有吸收谷胱甘肽(glutathione, GSH)的能力, 当这
2 个基因发生突变时, 拟南芥抗重金属镉(Cd)胁迫
的能力会受到影响(Tsay 等 2007)。由此可知, 不
同的 A t N R T1 同源蛋白能够运送不同的物质。
LATS转运系统并不总是需要偶联 2个质子(Miller
和Smith 1996), 其他同源蛋白还有更多未知的生理
功能有待探讨, LATS 的分子特性仍然是将来研究
植物吸收硝酸盐的关键问题。
1.2 高亲和性的转运系统基因 AtNRT2.1和AtNRT2.2
基因表达受损的拟南芥突变体缺少 HATS 活性
(Filleur 等 2001; Orsel 等 2004)。这 2 个基因在拟
南芥基因组中首尾相连, 它们编码的蛋白非常相似,
其同源性为 90% (Orsel 等 2002)。类似的一对
NRT2基因在衣藻(Chlamydomonas sp.)和水稻的基
因组中也存在(Quesada等 1994; Araki和Hasegawa
2006)。在水稻中, 这 2 个基因的编码序列是相同
的, 但由于 UTR 侧翼序列的不同, 以致 2 个基因呈
现不同的表达模式(Araki 和 Hasegawa 2006)。因
此有人推测, 在植物早期发育过程中, 编码 HATS
的基因是通过基因复制演变的。AtN R T2. 1 在
iHATS 和 cHATS 系统中都起作用(Li 等 2007)。
2 硝酸盐转运的调节
植物需求调节根对 NO3- 的吸收(Vidmar 等
2000)。从叶到根的反馈常发生在韧皮部, 反馈涉
及的氨基酸是谷氨酸(Tillard 等 1998)。许多调节
NO3- 吸收的分子机制已经得到证实。
2.1 NRT2/NAR2.1 系统 AtNRT2.1 需要第二种蛋
白调节NO3- 转运, 这与衣藻NRT2相似。AtNRT2.1
和来自于衣藻和大麦的 N RT2 同源蛋白都需要
NAR2 蛋白的协同表达, 才能进行 NO3- 转运(Zhou
等 2000; Tong 等 2005; Orsel 等 2006)。突变体
atnar2.1-1 比拟南芥 NRT2.1 突变体有更强的表型,
即 HATS 缺失更严重(Orsel 等 2006)。在野生型植
物中, AtNAR2.1 的表达模式与 AtNRT2.1 的表达模
式类似(Orsel 等 2006)。AtNAR2.1 的表达并不是
AtNRT2.1 表达所必需的, 但 AtNRT2.1 表达水平受
植物生理学通讯 第 45 卷 第 11 期，2009 年 11 月 1133
AtNAR2.1基因的调控。AtNAR2.1蛋白比AtNRT2.1
蛋白小得多, 在其 N- 端有分泌信号肽(Orsel 等
2006), NAR2 参与 NRT2 的膜导向, 与磷酸转运蛋
白中的转运促进蛋白相似(Gonzalez 等 2005)。在
atnar2.1-1 突变体中, 转运蛋白不能正确导向质膜
(Orsel等 2007)。说明NAR2蛋白本身不是NO3- 转
运蛋白(Okamoto 等 2006), 它只是促进 NRT2 导向
质膜。
在AtNAR2.1蛋白的高度保守区, 天冬酰胺替
换天冬氨酸得到的突变体 rnc1可极大地削弱NO3-
吸收(Kawachi 等 2006)。与其他的 AtNAR2.1 突变
体不同的是: 生长在 LATS 浓度范围的 5 mmol·L-1
NO3- 中, rnc1突变体的表型矮化(Okamoto等 2006;
Orsel 等 2006)。以 NO3- 为惟一氮源培养突变型和
野生型植株, 与野生型植株相比, 生长在含 0 .2
mmol·L-1 NO3-的培养液中的atnar2.1-1突变体植株
明显矮化; 而在含 6 mmol·L-1 NO3- 的培养液中, 野
生型和突变型植株的生长没有明显差异(Orsel 等
2 0 0 6 ) 。影响植物表型的 N O 3 - 临界浓度常因
AtNAR2.1的点突变而改变, 说明基因的突变可能会
改变 AtNRT2.1 对 NO3- 的亲和性。
2.2 硝酸盐转运蛋白基因表达的调节 调节基因转
录水平可促使硝酸盐的转运变得更复杂, 在烟草
(Nicotiana plumbaginifolia)根中表达的NpNRT1.2基
因常受NO3-诱导和以还原形式存在的氮(如NH4+和
谷氨酸盐)的抑制(Fraisier 等 2001)。NRT2.1 转录
主要发生在根成熟区的表皮和皮层中(Nazoa 等
2003), 并受一系列环境因素的影响。NRT2.1 的表
达受NO3-诱导, 还受高还原形态氮(如NH4+和谷氨
酸盐)的负反馈抑制(Zhuo等 1999; Nazoa 等 2003),
NR T2 .1 的表达也受光照和糖的促进( Le j ay 等
2003)。AtNAR2.1 的表达模式与 AtNRT2.1 完全一
样, 同样受氮代谢的负反馈抑制(Krouk 等 2006)。
AtNRT2.1/NAR2.1也受高NO3-自身的下调, 这是通
过独立于氮代谢反馈抑制的机制进行的, 是由硝酸
盐转运蛋白 NRT1.1 特异触发的(Munos 等 2004;
Krouk等 2006)。NRT2.1转录水平与NO3- HATS活
性变化相关, NRT2.1表达的转录调节在控制根的高
亲和 N O 3 - 吸收中起着重要作用。在皱叶烟草
(Nicotiana plumbaginifolia cv. Viviani)中, 由 35S或
RolD启动子驱动的内源NpNRT2.1基因超表达并不
刺激NO3-的HATS流入, 即使给超表达株系供给10
mmol·L-1 NO3-, 也很少见到有 HATS 的反馈抑制
(Fraisier 等 2000)。超表达株系并不比野生型积聚
更多的 NO3-, 生长也没有差异。这些植物可能缺
少必需的第 2 种组分 NAR2, 两种组分的超表达更
有可能会导致 NO3- 聚集的增加。在有无硝酸盐存
在的情况下, 糖对ZmNrt2.1和ZmNrt2.2的转录调节
都是对立的, 糖对ZmNrt2.1和ZmNrt2.2的表达调节
有对己糖激酶依赖型和非依赖型两种转换机制
(Trevisan 等 2008)。我们在研究水稻 NRT 家族时
发现, OsNRT1.3在水稻的根和叶中的表达受干旱的
诱导(Hu 等 2006)。
2.3 硝酸盐转运蛋白的翻译后调节 蛋白质合成对
NO3- 的吸收是重要的, 转运蛋白代谢相对慢, 在大
麦根中, iHATS有较长的半衰期(Behl等 1988)。酵
母Hansenula polymorpha的液泡中NRT2型蛋白的
降解与这种转运蛋白从质膜中移走相联系(Navarro
等 2006)。当给培养细胞供给谷氨酰胺时, NRT2
型蛋白泛素化, 并转运到液泡中, 由特异蛋白酶 A
快速降解。
AtNRT1.1是一个双亲和性的硝酸盐转运蛋白,
AtNRT1.1能适应环境中硝酸盐的浓度而进行高亲
和性和低亲和性的转换, 由低亲和性转变为高亲和
性是通过该蛋白质序列的第 1 0 1 位的苏氨酸
(thereonine, Thr)的磷酸化进行调控(Martin 等
2008)。当外界硝酸盐浓度低时, Thr101 会磷酸化,
促使 AtNRT1.1 具有高亲和性硝酸盐吸收的活性;
与此相反的是, 当外界硝酸盐浓度高时, Thr101会去
磷酸化, 以致 AtNRT1.1 具有低亲和性硝酸盐吸收
的活性, 这样的机制可导致植物能快速适应外界硝
酸盐浓度的变化而改变硝酸盐的吸收方式。
在HvNRT2.1的N-和C-端区域存在大量保守
的蛋白激酶 C 识别基序, 在响应环境信号时, 与
AtNRT1.1一样, AtNRT2.1的活性调节也涉及到磷
酸化(Liu和 Tsay 2003)。NRT2的序列分析表明一
些可能的 14-3-3调节位点, 如烟草NRT2.1的C-末
端有一个完整的 14-3-3 结合基序(Miller 等 2007)。
用拟南芥NRT2家族基因与该序列比较, 结果显示,
其中有 4 个基因的序列与该序列有相似的基序。
特别是 AtNRT2.4, 有一个完整的 14-3-3 结合基序,
序列为 RSXSXP, 但与烟草基因比较表明, 其蛋白
的C-端不存在该区域。由于 14-3-3结合和调节涉
及到蛋白的磷酸化, 因此NRT2值得进一步深入研
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究。14-3-3 蛋白能调节 NO3- 还原酶和谷氨酰胺合
成酶的活性, 推测它们的共同调节机制存在于氮的
摄取和同化过程。NRT2.1蛋白可能有几种不同的
形式, 有的是截短的(truncated)不完整蛋白分子、
有的形成高分子复合物、有的磷酸化或是以某种
方式修饰, 这些不同的蛋白形式很可能有不同的功
能(Miller 等 2007; Wirth 等 2007)。
细胞的物理特性影响NO3- 的转运, 势能和 pH
的跨膜梯度主要影响 NO3- 转运进入细胞。硝酸根
是带有负电荷的离子, 从理论上讲, 它沒有办法以
扩散作用方式通过细胞膜, 必须采用主动运输的方
式才行。植物对硝酸盐的吸收是由两个质子协同
转运驱动的, 因此, 必须通过氢子泵(H+-ATPase)所
形成的氢子浓度差异, 将硝酸盐从细胞外运送到细
胞內。如果用抑制剂抑制氢子泵, 也会抑制植物对
硝酸盐的吸收。非洲爪蟾卵母细胞表达实验表明,
膜电压直接影响转运蛋白的活性。如果跨膜电势
差异减小, 不仅提供给转运的能量较少, 而且蛋白
质对 NO3- 的亲和力也发生变化。当膜电压由-40
mV变为-180 mV时, NO3- 的Km从 4 mmol·L-1增加
到 14 mmol·L-1 (Zhou 等 1998)。
3 硝酸盐转运蛋白的信号传输功能
植物细胞中有利用NO3-的感应元件。野生型和
特异NO3- 转运蛋白基因损伤的突变体的根生长模
式证明了这种假说。NRT1.1 和 NRT2.1 是最早从
高等植物中发现的硝酸盐转运蛋白, 它们也有信号
传输功能。在不同的生理条件下, AtNRT2.1在LR
发育过程中起不同的作用, AtNRT2.1在LR发生中
的作用可能依赖于氮供给的短缺程度, 侧根发育的
起始和延长受局部 NO3- 的促进。在氮受到限制的
条件下, A t N R T2 . 1 突变导致 LR 原基的减少
(Remans 等 2006b)。根据AtNRT2.1的硝酸盐结合
特性推测, AtNRT2.1自身可能是NO3-信号传感器或
感应元件(Little 等 2005)。在局部受到刺激的响应
中, AtNRT1.1 参与启动 NO3- 富裕区的侧根增殖信
号途径。AtNTR1.1在信号传输通路中可能是作为
硝酸盐感应元件或在促进硝酸盐接近硝酸盐感应元
件中而起作用的。AtNTR1.1可能作用于硝酸盐信
号传输通路中的 ANR1 MADS box 转录因子的上
游(Remans 等 2006a)。
转运蛋白的信号传输功能与蛋白质转运功能
是各自独立的(Little 等 2005; Remans 等 2006a, b)。
在高糖和低硝酸盐培养基中, 野生型的侧根受抑
制。lin1 突变体是 NRT2.1 基因错义突变, lin1 突
变体失去对侧根的正常抑制。与野生型相比, lin1
突变体幼苗对硝酸盐吸收减弱、硝酸盐含量减少
(Little 等 2005)。在野生型中, 增加外界硝酸盐的
浓度可以降低对侧根发生的抑制; 而在突变体中, 高
亲和性转运蛋白系统成分的缺陷也能减弱对侧根的
抑制; 即使培养在无氮培养基中, 与野生型幼苗相
比, lin1 突变体幼苗的侧根增加, 说明突变体的表
型与外源NO3- 没有关系(Little等 2005)。测定吸收
聚积的15NO3-也表明, 侧根表型与总硝酸盐吸收量没
有关系(Remans 等 2006b)。这些结果说明 NRT2.1
蛋白有抑制侧根发生的作用, NRT2.1抑制侧根发生
的功能与其氮吸收功能没有关系。因此, NRT2.1
蛋白的信号传输功能与转运硝酸盐的功能是各自独
立的。
总之, 虽然植物 NRT 家族中的一些基因已有
广泛研究, 但有一些问题仍然没有解决。如, 所有
的硝酸盐转运蛋白都具有NO3- 转运功能和信号传
输功能吗？除了转运和信号转导以外, 植物NRT家
族还有其他功能吗？硝酸盐转运的信号转导是植物
硝酸盐吸收、转运分子机制中研究的热点, 但硝酸
盐转运蛋白传输信号的分子机制还不清楚。因此,
要解决这些问题, 还应进一步研究。
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