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Plant aquaporins: structure meets function as associating with sensing of Xanthomonas oryzae Hpa1 and subsequent signal transduction

植物水通道蛋白结构与功能及其识别与转导水稻黄单胞菌Hpa1信号的机制



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  43(3): 232 ̄248(2013)
收稿日期: 2012 ̄07 ̄20ꎻ 修回日期: 2013 ̄02 ̄19
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(31272027)ꎻ 国家转基因生物新品种培育重大专项(2011ZX08002 ̄001)
通讯作者: 董汉松ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为植物防卫反应信号传导ꎻTel: 025 ̄84399006ꎬ E ̄mail: hsdong@njau. edu. cn
第一作者: 尤真真ꎬ女ꎬ江苏镇江人ꎬ 研究生ꎬ 研究方向为防卫反应信号传导ꎻ E ̄mail: youzhenzhenyzz@126. comꎮ
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专题评述
植物水通道蛋白结构与功能及其识别与
转导水稻黄单胞菌 Hpa1 信号的机制
尤真真ꎬ 高 蓉ꎬ 田 珊ꎬ 董汉松∗
(南京农业大学植物保护学院ꎬ农作物生物灾害综合治理教育部重点实验室ꎬ 南京 210095)
摘要:植物水通道蛋白 PIP不仅担负细胞间或细胞内外水分子输导的基本功能ꎬ还参与植物 ̄微生物互作与植物防卫反应ꎬ这
种双重功能的调控机制目前还不清楚ꎮ 水稻 OsPIP1ꎻ2和拟南芥 AtPIP1ꎻ4可以与水稻黄单胞 III型泌出蛋白 Hpa1互作ꎬHpa1
定位于植物细胞的质外体ꎬ诱导过氧化氢在质外体产生及向原生质转运ꎬ进而影响植物防卫反应与对病原细菌的抗性ꎮ 根据
植物水通道蛋白拓扑结构与病原细菌Ⅲ型分泌系统工作模型ꎬ水稻 OsPIP1ꎻ2 与 Hpa1 互作的功能域是互作发生的分子基础ꎮ
互作引发信号转导ꎬ调控过氧化氢信号从植物细胞的质外体向原生质转运与植物防卫反应ꎮ 由于 Hpa1 对Ⅲ效应蛋白来说具
有转位子的功能特征ꎬOsPIP1ꎻ2 ̄Hpa1还可能对水稻黄单胞菌Ⅲ型效应蛋白从细菌细胞向植物细胞转运发生调控作用ꎮ 围绕
这些设想进行研究ꎬ可以深入阐释水稻 ̄黄单胞菌互作机制ꎬ同时为植物水通道蛋白功能调控提供新的见解ꎮ
关键词:植物水通道蛋白 PIP1ꎻ 水稻黄单胞菌ꎻ Hpa1ꎻ PIP1 ̄Hpa1 互作ꎻ 信号转导
Plant aquaporins: structure meets function as associating with sensing of Xan ̄
thomonas oryzae Hpa1 and subsequent signal transduction   YOU Zhen ̄zhenꎬ
GAO Rongꎬ TIAN Shanꎬ DONG Han ̄song   ( College of Plant Protectionꎬ Nanjing Agricultural Universityꎬ Key
Laboratory of Integrated Management of Crop Pestsꎬ Ministry of Education of P. R. Chinaꎬ Nanjing 210095ꎬ China)
Abstract: Plant aquaporin proteins basically mediate water transport through cell membranesꎬ and also affect
plant ̄microbe interactions and plant defense responses. Molecular mechanisms that underlie the dual function are
unclear. Recentlyꎬ the rice and Arabidopsis aquaporins OsPIP1ꎻ 2 and AtPIP1ꎻ 4 interact with Hpa1ꎬ a protein
secreted by typeⅢ pathway in Xanthomonas oryzae pathovars oryzae and oryzicolaꎬ which cause bacterial blight
disaese and bacterial leaf streak disease of riceꎬ respectively have been determined. When applied to plants or
produced in transgenic plantsꎬ Hpa1 localizes to the apoplast and induces hydrogen peroxide generation in the
same cellular location. The generation of hydrogen peroxide is dependent on the NADPH oxidase located at the
plasma membrane. In response to Hpa1ꎬ moreoverꎬ the apoplastic hydrogen peroxide translocates to the cyto ̄
plasm with subcequent effects of enhancing plant defense responses to bacterial pathogens. According to estab ̄
lished models in regard to the topological structure of aquaporinsꎬ the performance of bacterial typeⅢ secretionꎬ
and subcellular trafficking of hydrogen peroxide in plantsꎬ it is necessary to identify the functional domain for
OsPIP1ꎻ 2 interacting with Hpa1ꎬ and elucidate molecular features and structural basis of the OsPIP1ꎻ 2 ̄Hpa1 in ̄
teraction. Signal transduction triggered by the molecular interaction may be linked with the role of OsPIP1ꎻ 2 ̄
Hpa1 interaction in modulating translocation of apoplastic hydrogen peroxide to the cytoplasmꎬ thus connecting
the signal translocation with defense responses in rice. The OsPIP1ꎻ 2 ̄Hpa1 interaction may also play a role in
 
  3 期     尤真真ꎬ等:植物水通道蛋白结构与功能及其识别与转导水稻黄单胞菌 Hpa1 信号的机制
facilitating the translocation of X. oryzae typeⅢ effector proteins from the bacterial cell to the plant cell because
Hpa1 has been suggested as a candidate of tyep ̄Ⅲ effector translocators. With this hypothesisꎬ studies are to fur ̄
ther reveal regulatory mechanisms of plant ̄pathogen interactionsꎬ offerring a significant extension of aquaporins’
functions over what we have known up to date.
Key words: Aquaporinꎻ Xanthomonas oryzaeꎻ Hpa1ꎻ molecular interactionꎻ signal transduction
中图分类号: S432. 42ꎻ S432. 111. 49          文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2013)03 ̄0232 ̄17
    生物水通道蛋白(aquaporin)主要担负细胞间
或细胞内外水分子和其他小分子溶质输导的功能ꎬ
植物水通道蛋白还参与植物 ̄微生物互作与植物防
卫反应ꎮ 本文主要关注一个极为重要的问题:水通
道蛋白如何参与植物 ̄病原物互作与植物防卫反
应? 水通道蛋白属于膜嵌入蛋白ꎬ单个分子的拓扑
结构形成一个以输导水分子为基本功能的中心孔
(central pore)ꎬ译为“水孔”或“水通道”ꎮ 这里采
用后一术语ꎬ以便区别于植物学意义上的水孔(hy ̄
dathode)ꎮ
1  植物水通道蛋白功能调控机制
1. 1  植物水通道蛋白的基本特性与生物功能
水通道蛋白普遍存在于所有生物ꎬ迄今已在多
种微生物与哺乳动物以及拟南芥、水稻等 10 多种
植物中得到鉴定[1 ~ 8]ꎮ 植物水通道蛋白主要有 4
类ꎬ 即质膜嵌入蛋白 ( plasma membrane intrinsic
proteinꎬPIP)、液胞膜嵌入蛋白( tonoplast intrinsic
proteinꎬTIP)、类 Nod26 膜嵌入蛋白 ( nudolin 26 ̄
like intrinsic proteinꎬTIP)和膜嵌入小分子碱性蛋
白(small basic intrinsic proteinꎬSIP) [4]ꎮ 本文重点
在 PIPꎬ但涉及水通道蛋白结构与功能等方面的共
性问题ꎮ 根据公认的模式[3 ~ 7]ꎬ植物水通道蛋白都
以四聚体的形式存在ꎬ每个单体含 6 个跨膜螺旋结
构(helix)ꎬ由 5 个环( loop)连接ꎬ产生直径 2. 8 -
3. 4 Å (1 Å =0. 1 nm)的水通道ꎬ独立行使输导水
分子(1. 4 Å)的功能[3ꎬ5]ꎮ 四聚体在细胞膜上对称
排列ꎬ形成约 5 Å见方的间隙(图 1) [6]ꎮ 由于这些
结构特征ꎬ水通道蛋白不仅能输导水分子ꎬ还可以
有选择地运输其他小分子化合物[7 ~ 25]ꎬ如活性氧
( reactive oxygen speciesꎬROS) [7ꎬ9ꎬ10]、乙烯与 CO2
等气体[11 ~ 13]、钙等金属离子[14 ~ 17]以及甘油、蔗糖
等小分子化合物[18 ~ 22]ꎮ 这些分子转运过程不仅与
植物生长发育密切相关[2ꎬ4ꎬ6ꎬ8ꎬ20]ꎬ而且不同程度地
影响植物 ̄微生物互作以及植物耐旱、耐盐、抗病等
防卫反应[14 ~ 17ꎬ20 ~ 27]ꎮ
Fig. 1  A model of distribution of plant aqua ̄
porins at the plasma membrane[3]
1. 2  植物水通道蛋白结构与功能调控
植物水通道蛋白的功能受 5 种因素影响:拓扑
结构 (图 2、图 3 )、物理选择性[3ꎬ28ꎬ29]、生化调
控[4ꎬ6ꎬ30]、分子互作[31 ~ 33]和细胞外信号[34 ~ 38]ꎮ
1. 2. 1   结构模型   根据拓扑结构模型[3 ~ 6] (图
2)ꎬ植物水通道蛋白 6 个跨膜结构域(1 ̄6) 由 5 个
环(A ̄E)连接ꎬ5 个环有 2 个(B、D)位于细胞膜
内、3 个(A、C、E)位于细胞膜外ꎬN、C 两端都定位
在细胞质ꎮ 跨膜结构域和 B、E环构成中心水孔ꎬB
和 E环各含一个保守的天冬氨酸 ̄脯氨酸 ̄丙氨酸
(Asn ̄Pro ̄Alaꎬ NPA)基序ꎬ分别嵌入膜的内外两
侧ꎮ 两个 NPA基序相向连接ꎬ形成一正一倒的漏
斗结构ꎬ俩漏斗尖部对立ꎬ使通道变狭ꎬ收缩成孔
缢ꎬ提高水通道的选择性(图 3)ꎮ
1. 2. 2  物理选择性  水通道根据待运输分子的体
积、极性或电荷性质加以转运或拒之门外ꎬ底
物的分子 尺 度 决 定 其 能 否 进 入 NPA 漏 斗
(图 3) [39ꎬ40 ~ 3] ꎮ水通道直径2. 8 ~ 3. 4Åꎬ可通过的
332
 
植物病理学报 43 卷
Fig. 2 A model of topological structure of
aquaporins[6]
NPA indicates the asparagine ̄proline ̄alanine motif conserved
in different aquaporins.
Fig. 3   The sandglass ̄shaped filter formed
by the NPA motifs in the topological
structure of aquaporins[6]
Colored dots represent different types of compounds that go
through the filter.
分子体积非常有限[3]ꎮ NPA孔缢大小决定可以通
过的底物尺度ꎬ从而影响底物与水通道蛋白之间的
特异性立体识别[3 ~ 6ꎬ11ꎬ28]ꎮ 识别还受氢键和疏水
键相互作用的影响ꎬ并伴随静电排斥、偶极定向和
水分子瞬间分离的作用[4ꎬ40]ꎮ 由于这些因素共同
作用ꎬ水分子可以进出水通道ꎬ 但质子却不
能[41 ~ 43]ꎮ 此外ꎬ芳香族氨基酸与精氨酸(aromatic /
arginineꎬ Ar / R)形成的滤器 ( selectivity filter)也
起重要作用 [18ꎬ28ꎬ29]ꎮ 拟南芥 35 个水通道蛋白形
成的 Ar / R 滤器就有 9 种类型ꎬ玉米和水稻的 Ar /
R 滤器还有其他类型[44ꎬ45]ꎮ 可见ꎬ水通道蛋白三
维结构与氨基酸组分对水通道运输分子的选择性
至关重要ꎮ
1. 2. 3  生化调控  植物调控水通道蛋白功能的生
化机制主要有 2 种(图 4)ꎬ即磷酸化[4ꎬ30ꎬ46 ~ 48]与甲
基化ꎬ分别发生在水通道蛋白序列特定氨基酸和第
一个蛋氨酸上[4ꎬ6ꎬ49]ꎮ 水通道蛋白磷酸化是控制水
通道开关的重要机制ꎬ受植物激素脱落酸诱导ꎬ影
响植物耐旱、耐盐等防卫反应[46 ~ 48ꎬ51]ꎮ 蛋氨酸甲
基化可能有两种影响ꎬ通过表观遗传机制调控水通
道蛋白基因转录ꎬ或直接影响水通道蛋白对底物的
选择性[4]ꎮ
1. 2. 4  互作与亚细胞转位  水通道蛋白的功能取
决于它们能否及时、正确地定位到适当的亚细胞场
所ꎬ但并非所有水通道蛋白都能独立完成正确定
位ꎬ有些蛋白必须借助分子互作ꎬ才能完成这项任
务[5ꎬ26ꎬ48ꎬ52]ꎮ 目前已知小扁豆不同种类的 TIP 之
间[4ꎬ52]以及拟南芥[5ꎬ53] 、玉米 [54ꎬ55] 、含羞草[56]等
Fig. 4  Regulation of aquaporin functions by methylation (Met) vs
N ̄α ̄acetylation (Ac) and phosphorylation (P) [4] .
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  3 期     尤真真ꎬ等:植物水通道蛋白结构与功能及其识别与转导水稻黄单胞菌 Hpa1 信号的机制
植物 PIP1 与 PIP2 之间ꎬ都能发生分子互作ꎬ帮助
其中至少一种蛋白经由内质网转位到质膜或液胞
膜上ꎬ转位完成以后才能发生磷酸化作用或行使分
子输导功能[48ꎬ52ꎬ56]ꎮ
1. 2. 5  细胞外信号  目前已知影响植物水通道蛋
白功能的细胞外信号有三类ꎬ即 H + 、生物与非生
物胁迫以及植物激素ꎮ H +浓度决定 pH 环境ꎬ位
于 D环(图 2)上的亮氨酸构成疏水门栏ꎬ对 pH变
化发生响应ꎬ阻隔水分子ꎬ由此调控水分子运
输[57]ꎮ 从生物或非生物胁迫反应来看ꎬ不同类别
的水通道蛋白参与植物对昆虫侵袭[58]、细菌及真
菌共生[21ꎬ23ꎬ59]以及盐与水分胁迫[14 ~ 17ꎬ20 ~ 27ꎬ61 ~ 63]反
应等过程ꎮ 目前已知影响植物水通道蛋白功能的
激素主要是脱落酸[47ꎬ59 ~ 64]和乙烯[65]ꎬ这 2 种激素
对拟南芥[47]、水稻[19]等不同植物和不同类别的水
通道蛋白[35ꎬ59ꎬ60ꎬ62]的功能都有调控作用ꎮ 脱落酸
调控水通道蛋白的产生与磷酸化[47ꎬ59ꎬ65]ꎬ从而控制
植物气孔开关、蒸腾作用和呼吸作用[63ꎬ66]ꎬ增强植
物细胞水分调节能力[62ꎬ63ꎬ67]ꎬ改善植物细胞、组织
与个体生长与耐旱的性能[51ꎬ61 ~ 64]ꎮ 乙烯是橡胶树
上经常使用的激素ꎬ诱导木质部和乳汁细胞产生
PIP2ꎻ1 与 TIP1ꎻ1ꎬ增强细胞之间的水分交换能力ꎬ
提高乳胶的产量与流动性[65]ꎮ
2  植物水通道蛋白研究领域关注的重要问题
2. 1  三个里程碑
水通道和水通道蛋白的发现有划时代的意义ꎬ
从根本上修正了关于生物细胞水分子输导的观念ꎮ
水并非如历来所想ꎬ可以借助渗透和扩散作用而自
由进出细胞ꎬ相反ꎬ细胞吸水是一个有控制的过程ꎬ
即细胞膜上存在输导水分子的专门通道ꎻ既然不带
电荷的水分子能进入这一通道ꎬ那么ꎬ一定还存在
选择性的过滤机制避免离子通过[1ꎬ3 ~ 6]ꎮ 这个设想
体现为图 2 ̄4 示意的模型ꎬ经过了精心研究ꎬ众所
周知有三个里程碑[68ꎬ69]ꎮ 1988 - 1992 年ꎬ Peter
Agre 研究小组从血红细胞和肾小管中鉴定出膜整
合蛋白 CHIP28ꎬ 证明它有输导水分子的功
能[70 ~ 72]ꎮ 1993 年ꎬMaurel 等人首创 aquaporin 一
词ꎬ用于描述拟南芥 γ ̄TIP[73]ꎮ 2003 年ꎬ水通道与
离子通道两项发现共获诺贝尔化学奖[68ꎬ69]ꎮ
2. 2  三方面主要进展
其后ꎬ对植物水通道蛋白的研究主要有三项进
展ꎮ 首先ꎬ数十种植物水通道蛋白得到鉴定[1ꎬ44]ꎮ
较之于其他生物ꎬ植物水通道蛋白更为复杂多样ꎮ
一是种类和数量都多于其他生物ꎬ如仅 PIP 就有
PIP1ꎻ1 到 PIP1ꎻ8ꎬ拟南芥、水稻、小麦、玉米各有
35、39、36、31 种水通道蛋白[44ꎬ74 ~ 77]ꎬ而哺乳动物、
果蝇、大肠杆菌或酿酒酵母只有 13、7、2 种[6ꎬ78]ꎮ
二是同源关系复杂ꎬ仅水稻、玉米、拟南芥水通道蛋
白ꎬ氨基酸序列同源性模式就有 105 种之多[44]ꎮ
三是植物水通道蛋白组分与结构多样ꎬ包括跨膜结
构域排列以及构成 Ar / R滤器(图 2 ̄4)的氨基酸种
类的变化[1ꎬ3ꎬ4ꎬ6ꎬ44]ꎮ 种类与结构的复杂性决定功
能的复杂多样ꎬ除了行使输导水分子和其他小分子
溶质的作用ꎬ植物水通道蛋白还参与植物对环境因
子、害虫或微生物的反应[14 ~ 17ꎬ20 ~ 27ꎬ58ꎬ59ꎬ61 ~ 63]ꎮ 这
么多层面的复杂性给植物水通道蛋白功能研究带
来不便[4]ꎬ主要困难在于缺少特殊抑制剂或植物
突变体ꎬ对水分子输导功能的测定主要依赖爪蟾卵
母细胞表达系统[4 ~ 6ꎬ74]ꎮ 第二项进展在技术方面ꎬ
由于体外表达体系多样化以及蛋白质荧光标记技
术的成熟与广泛使用ꎬ对水通道蛋白输导水分子的
能力进行试验证明ꎬ不再依赖爪蟾卵母细胞ꎬ代之
以酵母和植物原生质体表达体系ꎬ不仅取材方便ꎬ
而且试验结果能更好地说明蛋白质在来源植物细
胞内的功能[30ꎬ35 ~ 37ꎬ79]ꎮ 第三项进展在于揭示了植
物水通道蛋白的多重功能及其调节机制:水通道不
仅输导水分子ꎬ还能调节其他多种小分子化合
物[28ꎬ33](包括细胞信号分子 H2O2 [7ꎬ9ꎬ10] )的跨膜运
输ꎻ水通道蛋白不仅通过输导水分子来调控植物生
长发育ꎬ还参与植物 ̄微生物互作和植物防卫反
应[58ꎬ59ꎬ80ꎬ81]ꎻ水通道蛋白的功能不仅取决于它的拓
扑结 构 (图 2、 图 3 )、 磷 酸 化 或 甲 基 化 作
用[4ꎬ30ꎬ46 ~ 51]ꎬ而且受水通道蛋白亚细胞转位的调
控[26ꎬ50ꎬ53]以及植物激素的影响[47ꎬ59 ~ 65]ꎮ
2. 3  两方面的重要问题
上述发现提出了不少新问题[5 ~ 7ꎬ40ꎬ44ꎬ62]ꎬ本文
主要涉及密切相关的两方面的问题ꎮ 第一ꎬ植物水
通道蛋白的功能如何与植物激素(如脱落酸、乙
烯)或非激素(如 H2O2)信号传导相衔接ꎬ进而调
控相应的生物过程(如植物 ̄微生物互作与植物防
卫反应)? 第二ꎬ植物水通道蛋白能否与其他蛋白
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植物病理学报 43 卷
互作并引发后续信号传导? 如果互作蛋白作用于
质膜ꎬ互作是否引发跨膜信号传导ꎬ对植物 ̄病原物
互作或植物防卫反应有何影响? 下文以水稻(Ory ̄
za sativa)与水稻黄单胞菌水稻致病变种(即水稻
白叶 枯 病 菌 Xanthomonas oryzae pv. oryzaeꎬ
Xoo)、水稻黄单胞菌条斑致病变种(即水稻细菌性
条斑病菌 X. oryzae pv. oryzicolaꎬ Xoc)互作体系
为例ꎬ探讨上述问题ꎮ
3  PIP 与水稻黄单胞菌 Hpa1 蛋白互作
及其信号传导
3. 1  水通道蛋白结构模型的问题
由于定位在质膜上ꎬPIP 不仅担负细胞内外水
分子与其他小分子溶质的输导这一基本功能ꎬ还面
临细胞外多种信号的刺激ꎬ同时受来自细胞内的激
素或非激素信号的调控[1ꎬ3 ~ 7ꎬ14 ~ 17ꎬ20 ~ 27]ꎮ 但是ꎬPIP
能否接受或识别细胞内外信号ꎬ无法根据水通道蛋
白拓扑结构模型进行推测ꎮ 因为模型主要针对单
个水通道蛋白如何输导水分子、滤除离子这一基本
问题[3 ~ 6]ꎬ它甚至很难解释甘油、乳酸等化合物通
过水通道运输的机制[1ꎬ3 ~ 7ꎬ12ꎬ18ꎬ25]ꎮ 最近ꎬ很多研究
着眼于水通道蛋白结构模型的修缮ꎬ但来自植物的
研究结果还不够充分ꎬ需要借助来自微生物或动物
的相关研究ꎮ 根据对大肠杆菌水通道蛋白 AqpZ
及其突变蛋白进行的分析ꎬAr / R 滤器(图 4)附近
氨基酸的变异导致水通道半径发生变化(图 5)ꎮ
这是水通道对所输导的分子进行筛选的因素之一ꎬ
但不是唯一因素ꎬ诸如跨膜结构域及其连接环内氨
基酸种类的变化ꎬ也起重要作用[18]ꎮ 对水稻、玉米
与拟南芥水通道蛋白结构的比较研究表明ꎬ跨膜结
构域空间距离的稳定性取决于界面附近氨基酸种
类的保守性ꎬ而组成 Ar / R 滤器的氨基酸种类变化
相对较大ꎬ使水通道有更多的选择机会[44]ꎮ
3. 2  水通道蛋白分子互作的问题
相对于水通道的选择性ꎬ更难解释的问题还在
于分子互作机制ꎬ即不同类型水通道蛋白之间以及
水通道蛋白与其他化合物之间互作的分子基础ꎬ这
远远超出了图 2 ̄4 示意的模型所涉及的范围ꎮ 通
过仔细比较前人对植物水通道蛋白结构的研
究[1ꎬ3 ~ 6ꎬ44ꎬ77]ꎬ我们发现ꎬ水通道蛋白跨膜结构域的
拓扑空间位置ꎬ并不都像图 2 所示按它们氨基酸线
性序列的顺序那样排列ꎬ而是有所交错(图 6)ꎮ 跨
膜结构域交错排列应使水通道蛋白与细胞膜的结
合更加稳定ꎬ保证水通道蛋白兼顾输导水分子(及
其他溶质)与识别信号分子这一双重功能ꎬ不至于
因为结合了其他分子而破坏输导水分子这一基本
功能所需保持的拓扑结构ꎮ 对 PIP来说ꎬ位于细胞
质一侧的连接环ꎬN、C 两端序列ꎬ以及暴露在质膜
外的连接环(图 6)ꎬ可能会分别结合细胞内外的其
他分子ꎮ 这一推理令人鼓舞ꎬ因为此前我们已经试
验证明拟南芥 AtPIP1ꎻ4、水稻 OsPIP1ꎻ2 能结合水
稻黄单胞菌(Xoo 和 Xoc)的Ⅲ型分泌蛋白 Hpa1
(见后)ꎬ但这种分子互作一直不能根据水通道蛋
白的拓扑结构模型加以解释ꎬ所以我们难以决定下
一步如何进行分子识别与信号转导的研究ꎮ
Fig. 5  Escherichia coli AqpZ and its mutant proteins that vary in amino acid residues adjacent
to the Ar / R filter made of four aromatic (Ar) residues and an arginine (R) residue
The difference in residues at that position affects diameter (Å) of the water channel[18] .
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  3 期     尤真真ꎬ等:植物水通道蛋白结构与功能及其识别与转导水稻黄单胞菌 Hpa1 信号的机制
    上述设想与目前针对水通道蛋白介入分子互
作的结构基础这一最新研究不谋而合ꎬ植物 PIP及
动物同类蛋白(aquaporin proteinꎬ AQP)的分子识
别功能域已陆续得到鉴定(图 7)ꎮ 第一个例子来
自玉米 ZmPIP转基因表达与蛋白质亚细胞定位的
研究ꎬ如果单独表达ꎬZmPIP1 蛋白一直停留在内质
网上ꎬ而 ZmPIP2 却可以定位到质膜ꎻ如果共同表
达ꎬZmPIP1与 ZmPIP2则形成复合体ꎬ帮助 ZmPIP1
Fig. 6  A model of topological structure of rice OsPIP1ꎻ2
The modeling was established with PIP1ꎻ2 orthologs of indica and japonica rice varieties (AL606687 and AK098849) .
Both orthologs are 99. 7% identical in amino acid sequence. Six transmembrane (TM) domainsꎬ TM1 to TM5ꎬ locate
in the plasma membrane in an alternate manner. Loops B and E (LB and LE) form the sandglass ̄shaped filter.
Residues located at turning points are coded.
Fig. 7  Molecular interaction domains identified so far in plant and
mammal aquaporins[54ꎬ55ꎬ82ꎬ83ꎬ86]
Domains are specified except for AQP1ꎬ which interacts with the light ̄sensing protein KillerRed. TM refers to transmembrane.
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植物病理学报 43 卷
从内质网转位到质膜[54ꎬ55]ꎮ ZmPIP2 序列 N 端有
一个双元酸性氨基酸基序(diacidic motif)ꎬ含 4 ̄6
位天 冬 氨 酸 ̄异 亮 氨 酸 ̄谷 氨 酸 ( Asp ̄Ile ̄Gluꎬ
DIE)ꎬ对 ZmPIP2 向质膜定位、ZmPIP1 转位起决定
作用[54]ꎬ推测为 ZmPIP1 ̄PIP2 互作的功能域ꎮ 第
二个例子是眼球水晶体水通道蛋白 AQP0 与念珠
状纤维结构蛋白( lens ̄specific intermediate filament
protein) filensin之间的互作ꎬ这种互作对 AQP0 输
导水分子的功能、晶状体纤维细胞结构以及眼球水
晶体的透明度都有影响ꎬ决定互作的功能片段是
AQP0 的 C端序列[82]ꎮ 第三个例子是肾集尿管水
通道蛋白 AQP2 与联整蛋白( integrin)之间的互
作ꎬ由 AQP2 位于 C环上的精氨酸 ̄甘氨酸 ̄天冬氨
酸(Arg ̄Gly ̄Aspꎬ RGD) 基序决定ꎬ受 cAMP 和钙
离子信号传导调控ꎬ对 AQP2 在肾细胞膜上正确定
位起重要作用[83]ꎮ 哺乳动物水通道蛋白与其他蛋
白互作的情况非常普遍ꎬ这种分子互作对生理与免
疫反应有重要调控作用[82 ~ 86]ꎬ植物不仅有不同类
别水通道蛋白之间的互作[4ꎬ5ꎬ52 ~ 56]ꎬ还有水通道蛋
白与其他分子互作的情况[87]ꎬ但多数水通道蛋白
互作的功能域、分子识别与信号传导都有待研究ꎮ
3. 3  Hpa1 ̄PIP1 互作及其分子基础问题
水稻黄单胞菌属于革兰氏阴性细菌ꎬ具有大多
数植物病原细菌共同的一个病理特征ꎬ即诱导非寄
主植物 (如烟草) 过敏反应 ( hypersensitive re ̄
sponseꎬ HR)并在寄主植物上产生致病性(pathoge ̄
nicity)ꎮ 与此有关的一类蛋白质称为 HR and path ̄
ogenicity associated (Hpa)蛋白ꎬ也称 HpaGꎬ目前
已知有 Hpa1 和 Hpa2 两种[88ꎬ89]ꎮ Hpa 属于 harpin
蛋白ꎬharpin的基本特征是富含甘氨酸、热稳定以
及多效性[88 ~ 91]ꎬ促进植物生长[92ꎬ93]、诱导植物抗
病[89 ~ 93]、抗虫[94]、耐旱[95ꎬ96]ꎮ 研究表明ꎬharpin 在
植物上的这些功能依赖不同信号传导机制:通过水
杨酸与 H2O2 信号交叉调控(crosstalk)而诱导植物
抗病性[97 ~ 100]ꎻ启动乙烯信号传导与 MYB44 转录
调控机制ꎬ诱导韧皮部防卫反应ꎬ提高植物抗虫能
力[94ꎬ102 ~ 104]ꎻ启动脱落酸信号传导通路ꎬ提高植物
耐旱能力[95ꎬ96]ꎮ Hpa1 诱导防卫反应的功能取决
于 N端最多 60 个氨基酸组成的序列ꎬ对这一片段
进行定点切除ꎬ得到变异蛋白△NTꎬ它不能诱导防
卫反应[105]ꎮ 无论体外使用到植物上ꎬ还是由转基
因植物(水稻[105ꎬ106]、烟草[99]、拟南芥[100] )产生ꎬ
Hpa1 都定位于细胞质外体(细胞间隙与细胞壁)ꎬ
诱导防卫反应[100]ꎮ 植物细胞如何识别 Hpa1 信
号、动用细胞内特定信号传导通路? 这是 harpin信
号传导近 20 多年来一直备受关注但尚无答案的问
题[100ꎬ107 ~ 110]ꎮ
    为了研究这个问题ꎬ使用了酵母双杂交(yeast
two ̄hybrid systemꎬ Y2H) 普通系统(Clontech Y2H
Kit)ꎬ以 Xoo的 Hpa1 为诱饵ꎬ用突变蛋白△NT 作
对照ꎬ对拟南芥 cDNA 文库进行筛选ꎬ选出了 7 个
阳性克隆ꎬ其中一个含 AtPIP1ꎻ4ꎮ 使用克隆的基
因ꎬAtPIP1ꎻ4 与 Hpa1、△NT 互为诱饵和猎物ꎬ经
普通 Y2H 试验ꎬ证实了 Hpa1 ̄AtPIP1ꎻ4 互作ꎮ 使
用膜蛋白 DUALmembrane Starter Y2H、亲和吸附
共沉淀、双分子荧光互补(bimolecular fluorescence
complementationꎬ BiFC)等技术做了进一步测定ꎬ
充分证明 Hpa1 ̄AtPIP1ꎻ4 互作在植物体内外均可
发生ꎮ 用上述两种 Y2H 系统进行测定ꎬ证明 Xoc
的 Hpa1 也能与 AtPIP1ꎻ4 互作ꎮ 为了探讨 Hpa1
是否与水稻 PIP 结合ꎬ选出与 AtPIP1ꎻ4 同源关系
最近的 OsPIP1ꎻ1、OsPIP1ꎻ2 和 OsPIP1ꎻ3 (图 8)进
行测定ꎬ结果表明ꎬHpa1 无论来自 Xoo 还是 Xocꎬ
都能与 OsPIP1ꎻ2 结合ꎬ但与 OsPIP1ꎻ1、OsPIP1ꎻ3
不发生互作(本课题组尚未发表的结果)ꎮ
OsPIP1ꎻ2 与 AtPIP1ꎻ4 都不含 DIE 或 RGN
(图 7、图 9 ̄A)ꎬ说明它们可能有不同的互作功能
域ꎮ 互作功能域因蛋白类别而不同ꎬZmPIP2ꎻ4 与
ZmPIP2ꎻ5 都含 DIEꎬDIE 决定 ZmPIP2ꎻ4 质膜定
位ꎬ但对 ZmPIP2ꎻ5 无效ꎻZmPIP2ꎻ4 的 DIE 能帮助
ZmPIP1ꎻ2 从内质网向质膜转位ꎬ但 ZmPIP2ꎻ5 的
DIE 却无此作用[54]ꎮ 根据查到的资料ꎬDIE 是植
物水通道蛋白迄今确认的唯一互作功能域ꎬ无论是
OsPIP1ꎻ 2、 AtPIP1ꎻ 4 还 是 其 他 水 通 道 蛋
白[4ꎬ5ꎬ52 ~ 56ꎬ87]ꎬ互作功能域均需通过试验加以鉴定ꎮ
3. 4   Hpa1 ̄PIP1 互作与防卫反应信号传导衔接
的问题
ROS包括 H2O2、超氧离子(O􀅰-2 )、氧自由基
(OH􀅰)ꎬH2O2 最稳定ꎬ也是活性最强的信号分
子[112 ~ 115]ꎮ 在受病原物侵染的植物体内ꎬH2O2 先
在质外体产生ꎬ随后在细胞内积累ꎬ调控防卫反
应[100ꎬ114] ꎮ质外体H2O2产生的一个途径是:质膜
832
 
  3 期     尤真真ꎬ等:植物水通道蛋白结构与功能及其识别与转导水稻黄单胞菌 Hpa1 信号的机制
Fig. 8  The MEGA 4. 0. 2 phylogenetic tree of Arabidopsis and rice PIPs
Fig. 9  OsPIP1ꎻ2 and AtPIP1ꎻ4 comparison in sequence and three ̄dimensional structure
A: Sequence alignment to highlight NPA and different residues in pink. B: Three ̄dimensional structure
of the PIP tetramer showing the central water channel in each PIP molecue and an intermolecular space.
上的 NADPH 氧化酶(NOX)催化 O􀅰-2 产生ꎬO􀅰-2
经歧化作用转化为 H2O2 [114ꎬ116]ꎮ 病原物侵染之所
以诱导植物 H2O2ꎬ归因于病原物表面抗原分子
(pathogen ̄associated molecular patternꎬ PAMP)或
致病效应分子(effector)与植物细胞表面受体之间
的分子识别与信号转导[117ꎬ118]ꎮ 在此情况下ꎬ水通
道蛋白输导 H2O2 的功能[7ꎬ9ꎬ10]可能是识别并转导
某种 PAMP信号的结果ꎮ 最近的研究[100]发现ꎬ在
932
 
植物病理学报 43 卷
Hpa1 处理的植物或产生 Hpa1 的转基因植物体内ꎬ
Hpa1 都定位于质外体ꎬ诱导质外体 H2O2 的产生ꎬ
并促进 H2O2 向细胞质转运ꎮ NOX 的活性有无决
定 H2O2 能否在质外体产生ꎬ从而影响细胞内
H2O2 含量ꎮ 产生并转位以后ꎬH2O2 在细胞内参与
防卫反应的调控过程ꎬ提高植物抗性ꎬ抑制病菌繁
殖力与致病性ꎮ 作为一种 PAMPꎬHpa1 需要经历
植物识别[109ꎬ110ꎬ114]ꎬ由于 Hpa1、PIP1 和 NOX 亚细
胞定位相近ꎬHpa1 ̄PIP1 互作可能影响 H2O2 在质
外体的产生、向细胞质转运及在细胞内积累的水
平ꎬ从而调控防卫反应ꎮ
3. 5  水稻黄单胞菌Ⅲ型效应蛋白向寄主细胞转
运及 Hpa1 ̄PIP1 互作的可能影响
Ⅲ 型泌出系统 ( type ̄Ⅲ secretion systemꎬ
T3SS)是革兰氏阴性植物病原细菌分泌生物大分
子的一条重要途径ꎬ通过细菌纤毛(Hrp pilus)通道
把致病效应蛋白(effector)与转位子 ( translocon)
蛋白( translocator)等致病相关分子从细菌细胞直
接送达植物细胞表面[90ꎬ119 ~ 121]ꎮ 根据图 10 示意的
模型ꎬ转位子蛋白或平行排列ꎬ并分别与纤毛通道
顶部和植物细胞质膜结合ꎬ或由 2 种疏水蛋白和一
种亲水蛋白组成ꎬ亲水蛋白位于纤毛顶部ꎬ疏水蛋
白连接亲水蛋白与植物细胞质膜ꎬ无论哪种情况ꎬ
转位子与质膜之间的结合都能诱导质膜结构重排
而形成孔道ꎬ效应蛋白由此进入植物细胞[121 ~ 124]ꎮ
这个模型不少方面还需要试验证明[119 ~ 124]ꎬ例如ꎬ
纤毛通道直径很小(2. 0 - 2. 5 nm)ꎬ效应蛋白是否
折叠以后再被运输? 转位子蛋白按哪种方式排列、
是否与质膜结合? 质膜结构是否因此发生重排而
形成孔道? 与本课题有关的主要问题是[123 ~ 125]:细
菌转位子蛋白是什么ꎬ与植物质膜何种蛋白结合?
这种分子互作是否导致植物细胞质膜形成孔道ꎬ帮
助效应蛋白转位进入细胞ꎬ对病菌致病性或植物过
敏反应有何影响?
Fig. 10  A model of type ̄Ⅲ secretion system (T3SS) of Gram ̄negative bacteria[123ꎬ124]
T3SS comprises the basal partꎬ which inserts into the inner membrane (IM) and extends across the outer membrane (OM) of
bacterial cellsꎬ and the Hrp pilus channel. Pilus penetrates cell wall (CW) and associates with the plasma membrane (PM) of
plants. Translocator proteins may locate at the top of pilus. Alternativelyꎬ a hydrophobic protein (HPB) molecule binds two
hydrophillic protein (HPL) molecules while the HPLs serve as translocators of type ̄Ⅲ effector proteins. In both casesꎬ
translocatores interact with the plasma membrane and make pore for translocation of type ̄Ⅲ effector proteins to plant cells.
042
 
  3 期     尤真真ꎬ等:植物水通道蛋白结构与功能及其识别与转导水稻黄单胞菌 Hpa1 信号的机制
    对植物病原细菌野生型与突变体 T3SS 功能
进行的比较研究发现ꎬharpin 蛋白对Ⅲ型效应蛋白
从细菌细胞向植物细胞转运具有不可缺少的作
用[88ꎬ126ꎬ127]ꎮ 根据使用腺苷酸环化酶 ( adenylate
cyclaseꎬ Cya)报告系统进行测定的结果ꎬ梨火疫病
菌(Erwinia amylovora)的 harpin蛋白 HrpN对效应
蛋白 DspA / E 向寄主细胞转运起关键作用ꎬ少量
HrpN伴随大量 DspA / E 一同进入寄主细胞ꎬHrpK
协助 HrpN 完成 DspA / E 转位ꎬ而病菌的另一种
harpin蛋白ꎬ即 HrpWꎬ对 DspA / E 转位无任何作
用[126]ꎮ Cya报告还显示ꎬ丁香假单胞菌 HopAK1
向寄主细胞转位必需 harpin 蛋白ꎬ病菌 5 种 harpin
除 HopP1 外ꎬHrpK1、HrpZ1、HrpW1 和 HopAK1 都
能独立发挥作用[127]ꎮ 黄单胞菌 HrpF与 Hpa 也有
转位子蛋白的作用ꎬ调控转录激活子类似蛋白
( transactivator ̄likeꎬ TAL)等Ⅲ型效应蛋白向寄主
细胞转运[88ꎬ128]ꎮ 用 β ̄葡萄糖苷酸酶基因(β ̄glu ̄
curonidaseꎬ Gus)和融合荧光蛋白进行测定ꎬ结果
表明ꎬXoc的 Hpa2 与 HrpF结合ꎬHpa2 还能结合到
非寄主植物烟草的细胞膜上ꎬHpa2 或 HrpF 对
TAL进入烟草细胞、诱导烟草过敏反应起必要作
用[88]ꎮ
以上 3 例研究的 harpin 蛋白仅仅作用于Ⅲ型
效应蛋白从细菌细胞向植物细胞转位这个环节ꎬ但
不影响效应蛋白从细菌细胞内分泌到细胞
外[88ꎬ126ꎬ128]ꎮ 据推测ꎬharpin蛋白及 HrpF可能就是
Ⅲ型效应蛋白的转位子蛋白[88ꎬ126ꎬ127]ꎬ功能有一定
程度的冗余性[127]ꎮ 按图 10 示意的模式ꎬ植物细
胞质膜必然有特定蛋白与转位子蛋白结合ꎮ
对这种转位子蛋白的结合蛋白进行鉴定ꎬ水稻
黄单胞菌 Hpa1 与植物 PIP 之间的互作以及 Hpa1
在植物细胞质膜上的定位无疑是一个重要视点ꎮ
水稻黄单胞菌产生 30 多种Ⅲ型效应蛋白[130 ~ 135]ꎬ
至少 25 种需进入植物细胞才能发挥致病或诱导过
敏反应的作用[88ꎬ128ꎬ135]ꎮ OsPIP1ꎻ2 ̄Hpa1 互作能否
帮助效应蛋白从 Xoo或 Xoc细胞转位进入水稻或
烟草细胞ꎬ调控病菌对水稻的致病性或对烟草过敏
反应的诱导作用? 对此ꎬ本文介绍的研究进展提供
了坚实的依据ꎮ 另外ꎬ植物病原卵菌效应蛋白通过
与磷酸肌醇结合定位到植物细胞质膜ꎬ再由质膜上
的脂筏 ( lipid raft) 介导的内吞作用进入细胞
质[129]ꎮ 与脂筏相比ꎬ水通道蛋白在植物细胞膜上
的排列(图 1、图 6)要稳定得多ꎬ位于质膜内外的
序列都有结合其他蛋白分子的潜力(图 7)ꎬ而且四
聚体之间存在孔隙(图 9 ̄B)ꎬPIP ̄Hpa1 互作可能
诱导质膜结构变化ꎬ或四聚体之间的孔隙因此扩
大ꎬ成为Ⅲ型效应蛋白进入植物细胞的通道ꎮ 对这
一设想进行试验研究ꎬ有助于深入阐释植物 ̄病原
物互作与植物防卫反应调控机制ꎬ同时为水通道蛋
白功能调控提供新的见解ꎮ
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责任编辑:于金枝
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