全 文 :植物生理学通讯 第 43卷 第 4期,2007年 8月 617
Na+转运体与植物的耐盐性
陈敏,李平华,王宝山 *
山东师范大学生命科学学院,济南 250014
Na+ Transporters and Plant Salt Tolerance
CHEN Min, LI Ping-Hua, WANG Bao-Shan*
College of Life Sciences, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
提要:简要介绍Na+转运体与植物耐盐性的研究进展。
关键词:植物耐盐性;Na+ 转运体;Na+内流;Na+外排;Na+区隔化
收稿 2007-06-19 修定 2007-07-18
资助 国家自然科学基金(30670177)和国家教育部博士点基金
(2 00 504 450 03 )。
* 通讯作者(E-mail:bswang@sdnu.edu.cn;Tel:0531-
8 6 1 8 0 1 9 7 )。
盐渍生境中,Na+是主要的有害离子,植物
细胞质膜内负外正的膜电势和胞外Na+浓度升高所
建立起的Na+电化学势梯度,都有利于Na+从外界
环境被动运输到植物细胞内。胞质中过多的 Na+
破坏细胞内的离子稳态、引起生物膜功能紊乱、
抑制许多胞质酶的活性和细胞代谢,进而影响细
胞分裂、生长、发育和光合(Horie和 Schroeder
2004)。因此,在盐渍化土壤中,希望植物能正
常生长、发育并完成其生活史,必须保持一个较
低的胞质Na+浓度。K+是植物所需的大量矿质元
素之一,在植物生长和代谢中有一定的作用。一
般认为,K+在植物抗盐中起作用,Na+诱导组织
内K+含量降低是造成盐害的原因之一。在盐胁迫
条件下,由于Na+和K+有相似的水合半径,所以
许多K+转运体不能将二者区分开,胞外Na+过多
不仅限制K+的吸收,还会引起Na+在细胞质中积
累,从而引起盐害(Pardo和 Quintero 2002)。植
物要能在盐渍环境中存活,必须保持一个高的胞
质K+/Na+比,这对植物生长非常重要。植物可运
用各种策略来保持一个高的胞质K+/Na+比:降低
Na+的吸收,将Na+区隔化到液泡中或将其排出胞外
(Apse和Blumwald 2002)。以上这些过程都需要Na+
转运体的参与。Na+转运体包括通道(channels)、载
体( ca r r i e r s )和 Na +/H +逆向转运蛋白( N a +/H +
antiporter)。其中通道和载体负责Na+的吸收,而
Na+/H+逆向转运蛋白则负责将Na+运出细胞或区隔
化至液泡中。植物在细胞水平上适应盐害的主要
措施是保持胞质低的Na+浓度,这主要通过以下
3个方面实现:减少细胞外的 Na+向细胞内的流
动;增加胞质中Na+的外排;将胞质中过多的Na+
区隔化至液泡中。Na+转运体参与细胞离子稳态
的一般过程为:Na+通过通道或载体“涌入”胞质;
细胞质膜H+-ATPase与液泡膜H+-PPase和H+-AT-
Pase以及质膜和液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白
等被激活;协同工作以驱动 Na + 外排和运入液
泡,最终形成胞外、胞质、液泡三者间的离子
平衡(图 1)。
图 1 植物细胞上的Na+转运体(Yamaguchi和
Blumwald 2005)
专论与综述 Reviews
植物生理学通讯 第 43卷 第 4期,2007年 8月618
多年来人们对植物中K+、Na+转运体的知识
是零散的、模糊不清的。但是近年来,由于分
子生物学的飞速发展,有关植物体中K+、Na+转
运体的信息越来越多而清晰。本文从细胞水平上
介绍Na+转运体及其与植物抗盐性的关系。
1 Na+内流
迄今为止,虽然植物吸收Na+的机制还不十
分清楚,但Na+和K+的水合半径非常相似,有些
运输蛋白很难把它们区分开,各种证据均显示
Na+可竞争K+转运体进入细胞(Blumwald等2000)。
一般认为,Na+进入植物细胞通过 2种途径:
其一是低亲和K+通道(channels); 另一个是低亲和
或高亲和K+载体(carriers)。前者包括内向整流K+
通道(K+ inwardly rectifying channels, KIRCs)、外
向整流K+通道(K+ outwardly rectifying channels,
KORCs)、不依赖电压型的阳离子通道(voltage in-
dependent channels, VICs)或非选择阳离子通道(non-
selective cation channels, NSCC or NCS)。内向整
流K+通道(KIRC),如AKT1,通过质膜超极化活
化K+内流,在外界生理浓度的Na+和K+下具有较
高的K+/Na+选择性,在拟南芥中,敲出 AKT1所
得到的突变株表现出的盐敏感性和野生型相似
(Spalding等 1999),表明此通道在Na+的吸收中不
起主要作用。外向整流 K + 通道( K O R C s ),如
KCO1,在质膜去极化时开放,介导K+外排和Na+
内流(Schachtman 2000)。人们采用膜片钳技术已
从许多植物品种和组织中鉴定到KORCs。KORCs
可能在介导Na+的内流中起作用,这些通道在不
同植物中表现出不同的K+/Na+选择性比,在大麦
根中表现出高的K+/Na+选择性比,而在拟南芥根
细胞中则表现出略低的K+/Na+选择性比(Cohen等
1997)。NSCC具有较高的 K+/Na+选择比,不受
电压影响,在高盐条件下可能是Na+吸收的主要
途径(Maathuis和 Amtmann 1999)。许多研究表
明,植物细胞质膜上还存在不依赖电压型的阳离
子通道VIC (voltage-independent cation channels),
这些通道比电压依赖型通道(KIRC和KORC)具有
较高的Na+/K+选择性(Tyermann等 1997)。1999年
Amtmann和Sanders提出不同阳离子通道的简单模
型,并认为不依赖电压型通道是高盐环境中 Na+
吸收的主要途径。
很早就有人提出钾离子内流载体可调节钠离
子的内流,迄今已发现有 2种类型K+载体。一类
K+载体是KUP/HAK/KT家族,这类转运体在外界
高浓度Na+下,可调节低亲和的Na+内流。另一
类K+载体是HKT家族,HKT1 cDNA最初是从小
麦根的 cDNA文库中分离到的。目前已经从多种
植物中克隆到HKT家族的基因(Fairbairn等 2000;
Kato等 2001)。为了进一步分析HKT1的功能,有
人在酵母和非洲爪蟾卵母细胞中表达TaHKT1的结
果表明:TaHKT1有 2种转运模式,一为高亲和
K+-Na+协同转运体,另一为低亲和的Na+转运体。
小麦TaHKT1在微摩尔级浓度Na+中可刺激其高亲
和K+吸收,当外界的Na+浓度高到毒害水平时,
TaHKT1的K+吸收活性受抑制,表现为低亲和Na+
单向转运体(Rubio等 1995); Davenport等(2005)在
以硬质小麦(Triticum turgidum ssp. durum)的2个品
种:耐盐的品种 ‘landrace line 149’和盐敏感的栽
培品种 ‘Tamaroi’为材料的实验中鉴定出 2个控制
叶中Na+含量的数量性状基因位点(QTL) Nax1和
Nax2。他们进一步研究表明:这 2个 QTL的共
同作用是限制Na+从根部向地上部分的运输,提
高叶中的 K+/Na +比,但二者的机制不同,其中
Nax1除了限制Na+从根部向地上部分的运输外,
另外一个作用就是促进从根中运来的Na+先存贮在
叶鞘中,从而避免叶中积累过多的Na+;而Nax2
则主要在根中行使功能,即从木质部中卸载 Na+
(James等 2006)。Huang等(2006)的实验结果表
明,Nax1可能是Na+转运体基因 TmHKT7。而拟
南芥AtHKT1只运Na+ (Uozumi等 2000)。水稻中
的 2个HKT基因OsHKT1和OsHKT2中,OsHKT1
类似AtHKT1,为Na+转运体,而OsHKT2类似
TaHKT1,可作为K+-Na+协同转运体。最近,Haro
等(2005)从大麦(Hordeum vulgare)根中克隆了
HvHKT1基因,尽管异源表达结果表明其为K+或
Na+单向转运体或Na+-K+共运体,但HvHKT1在
植物根中的功能则为 N a + 单向转运体。R e n 等
(2005)的工作表明水稻SKC1(OsHKT8)是Na+单向
转运体,但此转运体主要是在调控根 /地上部分
Na+的分配和Na+从地上部分至根部的再循环过程
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中起作用,SKC1在Na+再循环中的功能可能是从
木质部卸载Na+。所有这些结果表明HKT蛋白可
能介导组成型的Na+吸收。最近我们实验室从盐
生生物盐地碱蓬(Suaeda salsa L.)中克隆到SsHKT1
(AY530754),BLASTX分析表明其氨基酸序列与
冰叶日中花中的McHKT1同源性最高(为 55%),
其在叶中的表达量高于根中,显示 SsHKT1可能
与盐地碱蓬的K+/Na+选择性有关。
2 Na+外排
Na+外排是避免Na+在细胞质中积累的一种直
接途径。生长在盐渍环境中的植物将Na+排出细
胞外时需逆着电化学势梯度,是一个主动运输过
程。在高等植物中,Na+的外排是通过质膜上的
Na+/H+逆向转运蛋白实现的。质膜H+-ATPase水
解ATP产生能量将H+从细胞质中泵出,从而产生
跨质膜的H+电化学势梯度,驱动质膜Na+/H+逆向
转运蛋白,H+ 顺着电化学势梯度进入细胞的同
时,Na +逆着电化学势梯度被排出细胞(Ohta等
2002)。
目前研究比较清楚的植物质膜Na+/H+逆向转
运蛋白是拟南芥 SOS1 (salt overly sensitive 1) (Shi
等 2000)。SOS1分子量为 127 kDa的多肽,其N-
末端有 12个跨膜区,C-末端有一个长的亲水性的
尾巴,序列比较表明,SOS1与细菌及真菌质膜
Na+/H+逆向转运蛋白在序列上有非常高的同源性。
S OS 1 突变后,突变体对 N a + 非常敏感( W u 等
1996)。分析 sos1突变体中等位基因序列的结果表
明,SOS1的跨膜区和亲水尾部对植物耐盐性都非
常重要。Shi等(2003)在拟南芥中过量表达AtSOS1
后,转基因植物的耐盐性明显增加。在接合酵母
和裂殖酵母中,N a + 外流主要由位于质膜上的
SOD2完成,我们实验室的Gao等(2003)将 SOD2
转入拟南芥中后,转基因植株的抗盐能力明显增
加。Wu等(2005)将来源于大肠杆菌(Escherichia
coli)中的 nhaA转入水稻中,也增加了转基因植物
的耐盐能力。这些结果表明,位于质膜上Na+/H+
逆向转运蛋白以及细胞内Na+的外排在植物耐盐性
中是有作用的。
如上所述,Na+的外排是由质膜上的Na+/H+
逆向转运蛋白完成,Na+/H+逆向转运蛋白在植物
耐盐中的作用已经得到证实,Na+外流是逆电化
学势梯度需要消耗大量的能量,位于质膜上的H+-
ATPase能为Na+外流提供驱动力,所以质膜H+-
ATPase 在植物的抗盐中的作用是不言而喻的。
Vitart等(2001)的结果已证实了这一点。他们用T-
DNA插入突变的方法促使拟南芥质膜H+-ATPase
亚家族I中的成员AHA4发生突变,突变后的AHA4
没有缺失表达,但所形成的质膜H+-ATPase产物
不完整,从而影响其功能,导致突变株对盐高度
敏感,植物在盐渍条件下保持低 Na + 的能力下
降。
3 Na+区隔化
无论是盐生植物还是非盐生植物的细胞质中
酶对Na+都非常敏感。为了保持胞质内Na+的非毒
性水平,植物细胞除了将胞质中的Na+排出细胞
以外,另一个途径就是将细胞质中的Na+区隔化
入液泡。Na+区隔化至液泡中后,一方面降低了
胞质中的Na+浓度,避免胞质中过高Na+对生理生
化代谢的干扰;另一方面还可降低植物细胞水
势,促进植物从外界吸水,从而有利于植物在盐
渍化土壤上的生存。Na+进入液泡是通过液泡膜
上的Na+/H+逆向转运体完成的(Pardo和Quintero
2002)。液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白行使功能
需要依赖于液泡膜上的H+-PPase和H+-ATPase所
产生的跨膜质子电化学势梯度为驱动力,将胞质
Na+区隔化入液泡中。
液泡膜上Na+/H+逆向转运蛋白的研究是从酵
母开始的。Nass等(1997)在筛选酵母 calcineurin突
变体(cnb1)的抑制子时发现了一个与耐盐性有关的
新基因 NH X1,它编码 Na +/H +逆向转运蛋白,
NHX1定位于前液泡膜和液泡膜上负责Na+的区隔
化。众多的实验证明,酵母中去除Na+毒害的机
制可能与植物相同。目前已在许多植物如甜菜、
滨藜、冰叶日中花、拟南芥和盐地碱蓬中检测到
液泡膜Na+/H+逆向转运活性。在拟南芥中已经鉴
定出 6个 AtNHX基因:AtNHX1~AtNHX6 (Yokoi
等 2002)。AtNHX1是鉴定的第一个液泡膜Na+/H+
逆向转运蛋白,此基因在植物中过表达后可以提
高转基因植物的耐盐性。Apse等(1999)在拟南芥
中过量表达 AtNHX1基因的实验结果表明:转基
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因植株液泡膜Na+/H+逆向转运活性明显高于野生
型植株,这与 AtNHX1蛋白表达量增加是一致
的,在 200 mmol·L-1 NaCl胁迫条件下,转基因植
株的生长不受影响。增加的液泡膜Na+转运活性
伴随着液泡中Na+浓度的升高而增大,这就有力
地支持了Na+区域化在植物耐盐中的作用。Zhang
和 Blumwald (2001)、Zhang等(2001)在番茄和油
菜中过量表达 AtNHX1的工作中,得到了世界上
第一批真正意义上的耐盐作物,用 200 mmol·L-1
NaCl浇灌的转基因植株仍可正常生长并结实。这
些结果充分证明AtNHX在液泡Na+区域化中的重
要功能。Venema等(2002)用AtNHX1在脂质体中
重组方法证明AtNHX1可催化低亲和的Na+和K+运
输。他们认为AtNHX1在运输H+的同时耦联了具
有相似亲和力的 N a +、K + 的逆向转运,表明
AtNHX1的功能主要是调节细胞器以及内膜系统的
pH值及渗透势。2004年,Fukuda等从水稻中克
隆了OsNHX1基因,它编码一个液泡膜(Na+, K+)/
H+逆向转运蛋白[vacuolar (Na+, K+)/H+ antiporter],
高浓度的NaCl和KCl均可增加OsNHX1的转录,
OsNHX1在将细胞质中过多的Na+和K+区隔化至液
泡中起作用。我们实验室也从盐生植物盐地碱蓬
(Suaeda salsa L.)中克隆出液泡膜Na+/H+逆向转运
蛋白基因,其在水稻中过量表达后,转基因水稻
的抗盐性明显提高(Zhao等 2006)。
胞质中Na+的区隔化是降低胞质中Na+含量的
途径之一,这一过程是由位于液泡膜上的Na+/H+
逆向转运体完成的(Pardo和Quintero 2002),其行
使功能时需要依赖于液泡膜上的H+-PPase和H+-
ATPase所产生的跨膜质子电化学势梯度为驱动
力。一个支持液泡转运在植物耐盐性中起作用的
有力的证据是Gaxiola等(2001)在拟南芥中过量表
达液泡膜焦磷酸酶基因 AVP1后,转基因植株的
耐盐性增加,且与转基因植株中离子含量增加呈
正相关。转基因植株中液泡膜质子泵活性的增
加,可为液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白向液泡
中转运Na+提供更大的驱动力,从而使转基因植
株的耐盐性增加。我们实验室的研究结果表明:
盐胁迫可上调盐生植物盐地碱蓬(Suaeda salsa L.)
液泡膜H+-ATPase B、H、c亚基和液泡膜H+-PPase
的表达,增加其活性(Li等 2002,2004),从而
为盐地碱蓬液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白SsNHX1提
供更多的驱动力,进而提高植物的抗盐能力;此
外过量表达盐地碱蓬 Na +/H+逆向转运蛋白基因
SsNHX1和拟南芥液泡膜焦磷酸酶基因AVP1的拟
南芥植株比野生型拟南芥植株有更强的抗盐能力。
从而证明,盐胁迫下液泡膜上的Na+/H+逆向转运
蛋白、H+-PPase和H+-ATPase三者需要协调工作,
才能最有效的将胞质中过多的Na+区隔化入液泡,
这样,Na+含量可降低到无毒害水平,因而植株
的耐盐性增加。
4 结束语
近年来,由于分子生物学的飞速发展,植物
Na+转运体的信息越来越多和清晰,人们对Na+进
出细胞途径的认识也越来越明朗,但Na+进出细
胞的途径不是唯一的,而是多条途径同时进行
的,其中很多是涉及到Na+转运体的,迄今为止
有些转运体的功能已很清楚,而有些转运体的功
能及其特点尚需进一步探讨。在今后有关这一领
域的研究中有以下几个方面值得注意。
(1)随着越来越多的新技术和新方法的应用,
我们认为应采用这些技术在基因和蛋白两个水平上
对所克隆的HKT类蛋白的表达特性、生理作用、
结构特点以及与K+、Na+选择性有关的位点深入
进行研究,从而可为揭示此类蛋白的准确功能提
供更多的证据。
(2)盐生植物液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白
可能和非盐生植物液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋
白在功能上是相同的,都能将胞质中过多的 Na+
泵入液泡中,但在盐生植物中,盐胁迫却能显著
地上调液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白的表达,
这表明盐生植物耐盐性之所以比非盐生植物高可能
不是基因本身,而是调节基因表达的启动子受盐
诱导的程度可能不同,盐生植物的启动子受盐诱
导的程度可能更强,所以为了更好地让液泡膜上
的Na+/H+逆向转运体发挥其作用,应该先克隆其
启动子,然后将启动子和此基因同时转化非盐生
植物,这样方可能更有效的提高转基因植物的耐
盐性。
(3)质膜Na+/H+逆向转运蛋白将胞质中过多的
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Na+排出细胞后,即可减轻细胞的盐害,其行使
功能时必须借助质膜 H+-ATPase为其提供能量,
二者协同作用时才能真正将植物的盐害降低到最低
水平。所以应将质膜H+-ATPase和Na+/H+逆向转
运蛋白同时过量表达,这对提高植物耐盐性可能
更有意义。此外,泌盐盐生植物的分泌细胞是否
持有除质膜Na+/H+逆向转运蛋白之外的能将胞质
中过多的Na+排出细胞的转运体(如Na+-ATPase)也
是值得探讨的问题。
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