全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月812
液泡膜H+-ATPase 在植物的非生物胁迫响应和信号转导中的作用
赵雅丽 韩冰* 李淑芬 王艳芳 何江峰
内蒙古农业大学生物工程学院，呼和浩特010018
The Role in the Response of Vacuolar H+-ATPase to the Abiotic Stress and the
Signal Transduction in Plants
ZHAO Ya-Li, HAN Bing*, LI Shu-Fen, WANG Yan-Fang, HE Jiang-Feng
College of Biology Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China
提要 液泡膜 H+-ATPase 是一种多亚基复合体，在植物受到非生物胁迫后，其对逆境信号的感知转导即做出相应的变化。
在 Ca2+ 通道、ABA 信号通路及盐过敏感途径等信号传递的过程中，都有 V-ATPase 的参与。文章将对这一领域的研究进
展进行介绍。
关键词 液泡膜 H+-ATPase；非生物胁迫；信号转导
收稿 2006-05-11 修定 　2006-08-31
资助 内蒙古教育厅研究基金(K32111)。
*通讯作者(E-mail: li-user@sohu.com, Tel: 0471-4308800)。
在植物中主要存在3种质子泵(H+-ATPase)，
即位于细胞质膜上的P型质子泵(P-ATPase)、液
泡膜上的V型质子泵(V-ATPase)和H+-转运无机焦
磷酸酶(H+-PPase) (Sze等 2002)。在植物中，P-
ATPase从细胞中外排H+，建立跨质膜的质子电化
学梯度驱动溶质的跨膜转运。V-ATPase 和 H+-
PPase 水解 ATP 和 PPi，把细胞质中的 H+ 泵到液
泡中，建立跨液泡膜的质子电化学梯度驱动溶质
的跨膜转运，而V-ATPase在细胞器的酸化中又起
中心作用。V-ATPase 是亚基构成最复杂的质子
泵，自发现 2 0 年以来，人们逐渐开始理解 V -
ATPase 在植物中的作用。
1 V-ATPase的结构与功能
V-ATPase 是一类膜结合蛋白，分布于液泡、
质膜、内质网膜以及高尔基体和小泡等内膜系统
中。在液泡膜上的分布较丰富，占液泡总蛋白含
量的6.5%~35%，每 mm2 的液泡膜上有 970~3 380
个V-ATPase全酶(Luttge和Ratajczak 1997)。V-
ATPase是非常重要的持家酶，以维持细胞质中的
离子稳态和细胞的代谢。另一方面，在环境胁迫
条件下，V-ATPase作为胁迫响应酶会适当地改变
亚基的表达和酶结构，因此，又称之为“生态
酶”。在动物体内，V-ATP ase 除了在细胞内膜
上发挥重要作用，大量分布于肾小管和破骨细胞
膜上的V-ATPase，还维持着动物体的酸碱平衡和
骨骼的新陈代谢过程(Niikura等2004)。在植物的
保卫细胞、维管组织和分生组织中以及特有的生
理过程(如植物的营养运输、开花和胁迫耐受)中
V-ATPase都发挥着功能(Peters等2000)。
植物V-ATPase由13个亚基组成(图1)，分成
两部分，即位于细胞质内的 V 1 和膜内的 V 0。与
线粒体和叶绿体上的F型ATP合成酶(F-ATPase)非
常相似，V1 和 V0 的结构类似于F-ATPase 的 F1 和
F0域(Grüber等2001)。但在Momi等(2004)的工作
中发现，由于 C 亚基在 V0 与 V1 中的插入，使得
V-ATPase 实质上长于 F-ATPase，而且 C 亚基附
着于V0域上，像是一个孔与V1域中的柄相连，这
种构造看起来对于V0和V1域的可逆性结合/分离是
图1 V-ATPase的三维结构模式(Ines等2002)
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非常关键的，这也是 V-ATPase 活性调节所特有
的。另外，Chen等(2002)在研究山蔷薇配子体脱
水中，观察到一个编码与V-ATPase C亚基具有非
常大相似性的多肽，而且发现它的137位的Glu残
基对于V-ATPase的活性很重要，认为是质子穿过
脂质双膜转运的基本条件。由此可见，C 亚基对
由于外界环境的调节引起的V-ATPase活性变化以
及 V1 域和 V0 域的聚合 / 分离是至关重要的。
2 V-ATPase在非生物胁迫后信号转导中的作用
随着环境问题日益受到重视，植物对恶劣生
境的适应机制也逐渐成为人们研究的热点。许多
实验证明，植物的抗逆性是由许多基因控制的，
且与一些小分子有机化合物相关，如脯氨酸、
LEA 蛋白、V-ATPase 等。目前，被普遍认为有
“生态酶”之称的 V-ATPase 在受到环境胁迫后，
会改变自身结构，或是在转录和翻译等不同水平
上发生变化，以达到适应环境的目的。其对环境
胁迫的快速反应，以及由它转运质子导致细胞器
酸化所触发的一系列变化，说明V-ATPase参与生
物体内的信号转导并起着至关重要的作用(图 2)。
目前的研究发现，在 C a 2 + 通道、N O 和脱落酸
(abscisic acid, ABA)信号通路以及途径中，都需
要 V-ATPase 的参与。
2.1 V-ATPase与Ca2+通道 植物的液泡是细胞内
储量最大的钙离子库，估计其游离钙离子水平在
10-3 mol·L-1左右，它是信号转导过程中胞内Ca2+信
使的来源。液泡膜上有可对刺激因子起反应的钙
离子通道，受刺激时释放钙离子到细胞质中，细
胞质Ca2+水平提高(Sanders 1999)。有报道认为，
细胞内 Ca2+ 水平的调节对于植物适应环境的胁迫
至关重要，而液泡中由于一定浓度 Ca2+ 的积累而
成为细胞的钙库。液泡膜上有 2 种释放 Ca2+ 的通
道，一种通道受肝素抑制和 IP3 诱导，另一种是
电压门控的Ca2+ 通道。液泡膜上的V-ATPase可通
过水解ATP4-产生ATP3-和Pi2-而增加胞质侧的负电
性，并且向液泡内转运质子，产生内正外负的电
图2 V-ATPase在非生物胁迫后信号转导中的作用
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势差，从而控制电压门控的 Ca2+ 通道。在液泡膜
上还存有 Ca2+/H + 反向转运蛋白，液泡释放 2 个
H+，就有 1 个 Ca2+ 转运到液泡膜中，H+ 的释放反
过来又刺激V-ATPase的质子转运活性(夏朝晖和陈
珈 1998)。这样，Ca2+ 在液泡内外的跨膜转运都
需要V-ATPase。而且，Geisler 等(2000)通过克
隆拟南芥中钙调节的ATPase的同源体时发现，V-
ATPase 的 A亚基的 N末端含有Ca2+ 结合位点的自
我抑制功能域，在由高NaCl和 KCl等引起的渗压
胁迫后表达，这使得液泡中的 Ca2+ 同 ATPase 一
起，在盐胁迫后对菌株具有保护作用，从而提高
了菌体的耐盐力。另外，在研究耐盐转基因水稻
时发现，在转基因水稻根部，V-ATPase 的水解
活性明显高于对照，而且 Ca2+ 的含量也协同增加
(Zhao等 2006)。因此，当非生物胁迫作用于植物
后，引起植物细胞内 Ca 2+ 水平的变化，刺激 V-
ATPase的活性以产生质子梯度来达到运输Ca2+ 的
目的，调节液泡膜内外 Ca2+ 浓度，从而使植物适
应逆境而正常生长。
2.2 V-ATPase 与 ABA 信号通路 一般来说，在
干旱、寒冷、高温、盐渍和水涝等因素影响下，
植物体内 ABA 迅速增加，并有许多新基因表达和
蛋白质合成，同时抗逆性也增强，因此，A B A
即常被称为应激激素或胁迫激素。在逆境胁迫条
件下，ABA含量变化对V-ATPase的活性也有一定
的影响。王宝山和Haschke (1991)报道，在活体
情况下，ABA可促进 V-ATPase的水解活性及质子
转运活性；而离体的情况下，AB A 则削弱了 V-
ATPase的活性。后来，Janicka和Klobus (2006)
用 NaCl 处理黄瓜时，发现 V-ATPase 活性增加，
AB A 水平也增加；而后他们再用 AB A 处理黄瓜
时，V-ATPase 的活性也增加，且转录水平也增
加。所以，他们认为 ABA 在转录水平上调控 V-
ATPase对盐胁迫的响应。但是如果将ABA 直接加
入到V-ATPase 的反应介质中，V-ATPase 的活性
没有变化，究竟是什么原因产生这样结果，他们
并没有作进一步研究。在干旱和盐胁迫条件下，
ABA 的增加量很相似，因此他们断定，在盐胁迫
条件下，ABA 不参与 V-ATPase 的上调。有人报
道，经过ABA 处理后的大麦V-ATPase 活性增加；
用 ABA 处理冰叶日中花的叶片，亦能导致叶片组
织中c亚基的转录水平增加(Tsiantis等1996)。由
此看来，ABA在逆境胁迫后对V-ATPase的活性及
转录都有影响，但如果要想得出有关V-ATPase和
干旱之间的确切关系，尚需对干旱条件下的 V -
ATPase活性和表达变化以及胁迫引起的ABA 变化
作更为细致的研究。Wang 等(2001)认为，在拟
南芥gpa1突变体保卫细胞中有pH依赖型或pH非
依赖型 2 种途径调节着 ABA 诱导的气孔关闭；pH
依赖型途径中，质子运输到质外体或是液泡中，
需要V-ATPase参与。而Netting (2000)认为，质
外体pH值升高可能会引发脱落酸前体物质水解而
释放出 ABA，从而导致钙通道的开放；质外体 pH
值进一步增加，于是在这种pH值梯度下形成液泡
膜的电化学势梯度。由此看来，V-ATPase 活性
的增加后，质外体 pH 值升高，于是脱落酸前体
物质水解而释放出 ABA，从而导致植物体内 ABA
含量升高，而持续增高的pH值下形成液泡膜的电
化学势梯度，并由此而引起 Na+ 的转运，形成离
子区域化，从而能适应逆境胁迫。
2.3 V-ATPase在盐过敏感调控途径中的作用 除
了 Ca2+和 ABA很可能协同参与对V-ATPase的调节
外，人们还发现其它的调节方式。已经证实，盐
过敏感(salt overly sensitive，SOS)调控途径在植
物耐盐中起关键性的调控作用，同时，以此途径
控制着离子在植物体内的平衡(Zhu 2000)。另外，
植物的中心液泡在调节细胞质的离子平衡中也有作
用，而且二者之间有密切关系。它有效地从细胞
中排出过量的Na+以及把Na+区域化到液泡中，是
植物适应高浓度NaCl 的主要机制。液泡对Na+ 的
运输是通过液泡中的次级 Na +/ H + 反向转运蛋白
(Na+/H+ antiporter，NHX)进行的，Na+/H+反向转
运的能量由液泡 V-ATPase 驱动的质子动力提供
(Yamaguchi 等 2003)。首先，盐胁迫可引发细胞
质中的钙离子信号(Knight等1997)，但这种钙离
子信号与干旱、冷或其它一些刺激引发的钙离子
信号有何不同，尚不清楚。而后，由 SOS3 编码
的钙离子结合蛋白接收这种钙离子信号后，传到
下游反应基因(Liu和Zhu 1998；Ishitani等2000)，
SOS3 与一种苏氨酸 / 丝氨酸蛋白激酶相互作用，
并将其激活(Halfter等2000；Liu等2000)。SOS2
和 SOS3 可调控 SOS1 的表达水平。SOS1 是一种耐
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盐基因，它编码一种细胞质膜上的 NHX (Shi 等
2000)。NHX 编码液泡膜上的 NHX，它们可促进
离子在液泡中的区隔化效应，V-ATPase向此过程
提供能量，已有实验证明了这一点。并有人用
NaCl处理冰叶日中花时发现，NaCl诱导液泡膜和
质膜NHX 活性的增加，与盐处理下植物V-ATPase
活性增加是密切相关的，这证明V-ATPase可为通
过 NHX 的液泡和质膜 Na+ 的积累提供质子驱动力
(Barkla等1995)。更重要的是，有人观察到SOS1
转运活性的激活需要 SOS2 和 SOS3，并且共表达
的 SOS3、SOS2 和 SOS1 能显著增强酵母突变体
的耐盐性(Guo 等 2001)。外界盐胁迫可引发细胞
的钙离子信号，并由此激活 SOS3、SOS2 蛋白激
酶复合物，而这一蛋白激酶复合物可激活SOS1的
Na+/H+ 交换活性，从而将Na+ 排出细胞外；同时，
SOS3、SOS2 蛋白激酶复合物还可激活 V-ATPase
和 NHX 的活性，从而形成 Na+ 的液泡区域化效应
(Zhu 2002)。Rosario 等(2005)研究盐水芹
(Thellugiella halophia)在盐条件下生长的生化机制
时也发现，盐胁迫后，盐水芹中 V-ATPase 水解
活性及转运活性均增加，N a + 主要积累在老叶
子，其次是幼叶和主根，侧根积累最少，而在
蛋白水平上，SOS 调控途径中的 SOS1 表达增加，
但V-ATPase 的 A、B 亚基没有明显变化，而 E 亚
基在叶中表达增加，根中则无变化。Z h a o 等
(2006)在研究耐盐转基因水稻时发现，转基因的
水稻中液泡 NHX 的表达增加，根中 V-ATPase 的
水解活性也明显增加，从而引起了体内 C a 2 +、
K+、Mg2+ 和可溶性糖的升高，但降低了活性氧的
产生。这些结果表明，NHX 基因在转基因植物中
的上调可促进V-ATPase活性的增加，从而引起其
他与抗性相关机制的多效性上调，于是植物的抗
性增加。所以可以认为，在 S O S 调控途径的信
号传递过程中，V-ATPase 是能量供应的驱动者，
它的作用是不言而喻的。
2.4 V-ATPase与NO信号转导途径 NO是生物体
中活性很强的极性分子，也是一种活性氮，对生
物细胞有毒害和保护的效应。最近的研究表明，
NO 在植物体内广泛存在，主要通过一氧化氮合
酶和硝酸还原酶合成，并与植物的抗病和对各种
胁迫的应答，以及细胞编程性死亡有关。刘开力
等 (2004)用不同浓度梯度的NO供体硝普钠(sodium
nitroprusside，SNP)浸泡水稻种子后，盐胁迫下
的水稻幼苗地上部分和地下部分生长受抑即有一定
程度的缓解，耐盐力也有所提高。NO 是如何缓
解盐胁迫抑制植物生长的？V-ATPase在其中是否
起作用？Zhang 等(2006)报道，用SNP 处理玉米
幼苗时，K + 在根、叶和插入鞘中积累，叶绿素
含量也增加，但 Na+ 的积累和叶细胞中的膜渗透
则降低；而 NO 的“清道夫”——亚甲基兰阻碍
SNP 的效应。这些结果表明，NO 可增强玉米幼
苗对盐的耐受力。他们进一步分析得知，NaCl可
诱导玉米叶中 NO 短暂的增加，而 NO 和 NaCl 处
理则都促进V-ATPase 和 H+-PPase 活性增加，从
而导致 H+ 转运和 Na+/H+ 交换的增加。但 NaCl 诱
导的 V-ATPase 和 H+-PPase 的活性可为磷脂酸
(phosphatidic acid, PA)产物的抑制子——丁醇所削
弱；相反，PA 则可促进 V-ATPase 活性的增加。
这说明在植物响应 NaCl 胁迫中，NO 作为信号分
子，可增加V-ATPase 和 H+-PPase 的活性，从而
为 Na +/H + 交换提供主要驱动力。据此可知，V-
ATPase 对 NO 在增强植物耐受盐胁迫时的作用，
但其中机制还不十分清楚。
3 结语
尽管有关植物V-ATPase的结构、功能和调节
的研究己经取得了很大进展，在许多植物中也己
经克隆到许多V-ATPase的亚基，但仍有许多问题
不清楚而待解决。如：V-ATPase 的组装；亚基
同工型在酶的结构、组装、活性中的作用；在
不同的组织发育阶段以及胁迫条件下基因的表达调
控等。另外，迄今为止，对盐和干旱胁迫下植
物体内信号转导还有很多不清楚的地方。现在虽
然已经鉴定出一些信号元件的分子特性，但其中
机制并不清楚，特别是V-ATPase在非生物胁迫的
信号传递网络中究竟起着怎样的作用，还需继续
探 索 。
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