全 文 ：园艺学报，2015，42 (2)：221–232.
Acta Horticulturae Sinica
doi：10.16420/j.issn.0513-353x.2014-0875；http：//www. ahs. ac. cn 221
收稿日期：2014–09–10；修回日期：2015–01–12
基金项目：贵州省优秀青年科技人才培养专项[黔科合人字（2009）02 号]；国家科技支撑计划课题（2014BAD23B03）
* 通信作者 Author for correspondence（E-mail：pxjun2050@aliyun.com）
野生毛葡萄水通道蛋白基因 VhPIP1 的克隆及
其在干旱胁迫下的表达分析
颜培玲 1,2，潘学军 1,2,*，张文娥 1
（1 贵州大学农学院，贵阳 550025；2 贵州省果树工程技术研究中心，贵阳 550025）
摘 要：采用 RT-PCR 和 RACE 技术从中国野生毛葡萄（Vitis heyneana）‘花溪–9’根中克隆得到 1
个质膜内在蛋白（plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）类的水通道蛋白基因，命名为 VhPIP1（登录
号为 KM026528）。该基因 cDNA 全长为 1 087 bp，包含 1 个 858 bp 的完整开放阅读框，编码 286 个氨基
酸。氨基酸序列分析表明，VhPIP1 含有水通道蛋白家族高度保守的两个 NPA（Asn-Pro-Ala）单元和 6 个
跨膜区，其氨基酸残基与 MIP 家族蛋白保守区序列完全一致。实时荧光定量 RT-PCR 分析表明，VhPIP1
在野生毛葡萄根、茎、叶中均有表达，在根中的表达量最高，叶片中最少。干旱胁迫下，抗旱性强的毛
葡萄‘花溪–9’VhPIP1 的表达量随着胁迫时间的延长先增加后降低，而不抗旱的欧亚种‘红地球’VvPIP1
的表达量呈下降的趋势。与不抗旱的‘红地球’相比，干旱胁迫下极抗旱的‘花溪–9’较高的 VhPIP1
转录水平对应较高的叶片相对含水量，同时对应较低的根系细胞膜相对透性。VhPIP1 的表达丰度与毛葡
萄抗旱性密切相关。
关键词：毛葡萄；水通道蛋白；干旱胁迫；克隆；表达分析
中图分类号：S 663.1 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2015）02-0221-12

Cloning of Aquaporion Gene VhPIP1 in Vitis heyneana and Its Expression
Under Drought Stress
YAN Pei-ling1,2，PAN Xue-jun1,2,*，and ZHANG Wen-e1
（1 College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2Guizhou Engineering Research Center for Fruit
Crops，Guiyang 550025，China）
Abstract：A plasma membrane intrinsic proteins（PIPs）gene，designated VhPIP1，was cloned from
root on wild grapevine（Vitis heyneana‘Huaxi-9’）native to China by RT-PCR and RACE（Rapid
amplication of cDNA ends）. The full cDNA sequence of VhPIP1 was 1 087 bp，containing an open
reading frame（858 bp）and encoding a putative VhPIP1 protein with 286 amino acids. Bioinformatics
analysis demonstrated that VhPIP1 exhibited an internal symmetry showing two highly conserved NPA
（Asn-Pro-Ala）motifs and a typical structure with six membrane-spanning domains and possessing the
MIP family signal consensus sequence. Quantitative real-time PCR results showed that the VhPIP1
expressed in roots，stems and leaves，and the expression level was the highest in roots，and the lowest in


Yan Pei-ling，Pan Xue-jun，Zhang Wen-e.
Cloning of aquaporion gene VhPIP1 in Vitis heyneana and its expression under drought stress.
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leaves. Under drought stress，the expression level of VhPIP1 of Huaxi-9 changed with time extension，
which was first rised and then dropped，but the expression level of VvPIP1 of Red Globe was decreased.
Compared with drought sensitive genotype Red Globe，the relatively higher expression level of VhPIP1 in
drought resistance genotype corresponds to the higher leaves relative water content and the lower ion
leakage of plasma membrane. These results suggested that the expression quantity of VhPIP1 closely
related to drought resistance.
Key words：Vitis heyneana；aquaporin；drought stress；clone；expression

云贵高原东南部的贵州拥有大量的野生葡萄资源，包括 12 个种 3 个变种，其中毛葡萄（Vitis
heyneana）分布最广，面积最大，具有较强的抗旱能力（潘学军 等，2010a；2010b；仲伟敏 等，
2012）。水通道蛋白（aquaporin，AQP）作为生物体中广泛存在的功能性跨膜蛋白，是水分跨膜运输
的主要途径，在介导不同类型细胞的水分运输、维持水分平衡和各种逆境胁迫（干旱、盐碱、低温、
缺氧等）下细胞内的渗透调控以及提高植物抗旱性中发挥重要作用（Maurel et al.，2008；Tomoaki et
al.，2011；Ricardo et al.，2012；张燕 等，2014）。因此，克隆野生毛葡萄与水分代谢密切相关的水
通道蛋白基因，对于研究毛葡萄的抗旱分子机制具有重要意义。
目前，质膜内在蛋白（plasma membrane instrinsic protein，PIP）是研究较多的一类水通道蛋白，
由于细胞膜的限制作用，PIP 最可能在水分跨细胞的运输中介导叶和根中水的传导（Heinen et al.，
2009）。在欧洲葡萄（Rebecca et al.，2009）、辣椒（陈儒钢 等，2010）、龙眼（陈虎 等，2012）、
番茄（李仁 等，2012）、黑麦草（周春蕾 等，2013）、荔枝（王凌云 等，2013）和枇杷（张燕 等，
2014）等多种植物中已经发现并克隆了编码 PIP 蛋白的基因，但对于原产于中国喀斯特地区的野生
毛葡萄极抗旱种质的质膜水通道蛋白基因的结构和功能并不清楚。本研究中应用 RT-PCR 和 RACE
技术克隆毛葡萄 PIP1 类水通道蛋白基因的 cDNA 全长序列，并就该基因的结构特征、PEG 模拟干
旱胁迫对水通道蛋白基因表达的影响进行分析，结合水分相关生理指标探究其抗旱机理，以期为进
一步研究该基因的功能及其调控的抗旱分子机制奠定基础。
1 材料与方法
1.1 植物材料及其总 RNA 的提取以及 cDNA 的合成
以课题组前期鉴定的极抗旱的野生毛葡萄（Vitis heyneana）单株‘花溪–9’和不抗旱的欧亚种
葡萄（V. vinifera）‘红地球’为材料。将长势一致的 1 年生试管移栽苗用蒸馏水洗净根系，种植于
黑色水培箱中。每个基因型分为两组，每组 45 株，在人工气候室内（温度为 25 ℃，白/昼为 16 h/8 h，
相对湿度 65%）培养，每天通气 1 h。清水培养 3 d 后转至 1/20 Hoagland 营养液中培养。培养 7 d
后，第一组置于含 10 g · L-1 PEG-6000 的 1/20 Hoagland 营养液中模拟干旱胁迫，第二组置于不含
PEG-6000 的 1/20 Hoagland 营养液中作为对照组。分别在 0、12、24、48 和 72 h 取样，采集相同部
位新鲜成熟叶片及根系进行相关生理指标的测定；同时采集幼嫩的根、茎、叶迅速用液氮冷冻，
–80 ℃冰箱保存，用于总 RNA 提取。试验设 3 次重复，每次重复 15 株，每重复测定 3 次。
利用改良的 CTAB/SDS 法提取植株根、茎、叶的总 RNA，用 DNaseⅠ进行纯化，1%琼脂糖凝
胶电泳检测其完整性。用逆转录试剂盒完成 cDNA 的合成，具体步骤参照说明书进行，经紫外分光
光度计检测浓度后稀释 cDNA 至同一浓度。大肠杆菌 DH5α 由本实验室保存。所用引物合成及测序
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野生毛葡萄水通道蛋白基因 VhPIP1 的克隆及其在干旱胁迫下的表达分析.
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由 Invitrogen 公司完成。
1.2 VhPIP1 基因的克隆
根据 GenBank 中登录的高等植物 PIP1 基因保守序列设计上、下游引物 PIP1S1、PIP1A1（表 1）。
以野生毛葡萄根的 cDNA 为模板，以 PIP1S1 和 PIP1A1 为引物扩增 PIP1 中间片段。在 20 μL 反应
体系中进行 PCR 扩增。扩增程序为：95 ℃预变性 5 min；95 ℃变性 40 s，55 ℃退火 1 min，72 ℃
延伸 2 min，35 个循环；72 ℃延伸 10 min；4 ℃保存。
根据已获得的中间片段，设计 3′RACE 特异性引物 VhPIP1F1、VhPIP1F2 和 5′RACE 特异性引
物 VhPIP1R1、VhPIP1R2（表 1）。具体步骤参照 SMARTTM RACE 试剂盒，分别进行 3′RACE 和 5′RACE
扩增。用 DNAMAN 软件进行拼接，获得 VhPIP1 基因全长 cDNA。并根据获得的全长两端设计引
物 VhPIP1A2 和 VhPIP1S2（表 1），以 cDNA 为模板进行 PCR 扩增、回收、连接并测序，验证所获
得的 VhPIP1 基因。

表 1 VhPIP1 全长扩增所需引物序列
Table 1 PCR primers used in VhPIP1 gene cloning
目的基因或方法 Target genes or method 引物名称 Name of primer 引物序列 Sequence of primer
VhPIP1 基因片段的分离
Isolation of VhPIP1 fragments
PIP1S1
PIP1A1
5′-CACGCTGCTCTTCCTTTA-3′
5′-TCCAATCACTTCTCCTCCT-3′
3′ RACE VhPIP1F1
VhPIP1F2
5′-ATGGAACCAAGAGGAATGCCAG-3′
5′-CCAGGTGGTCATCAGAGCCATTCCC-3′
5′ RACE VhPIP1R1
VhPIP1R2
5′-ACGAACTCACCCATGACGGTGAGGA-3′
5′-GCCCTAACCACCCCCATCACCGTCA-3′
VhPIP1 全长扩增
Amplication of full-length of VhPIP1
VhPIP1S2
VhPIP1A2
5′-GAAGAGAGATGGAAGGTAAGGAAGA-3′
5′-GTGGGACAAAAGACAAAGAGTAGGT-3′
VhPIP1 实时定量 RT-PCR
Real-time RT-PCR of VhPIP1
VhS
VhA
5′-TGGACCGCGTGTAGTGAAGG-3′
5′-AGTCACTGTAGACAAGGACGTAGG-3′
Ubiquitin 实时定量 RT-PCR
Real-time RT-PCR of Ubiquitin
Ubiquitin-S
Ubiquitin-A
5′-GTGCTGTCAACTGCAGGTAA-3′
5′-GTAGCCAAAGGCACATCCAAT-3′

1.3 PCR 产物的纯化与筛选
PCR 产物经 2%琼脂糖凝胶电泳检测，切取目的条带，经凝胶回收试剂盒回收、纯化后，连接
到 pMD18-T（TaKaRa）克隆载体上，用热激法导入到大肠杆菌 DH5α 感受态细胞中，进行 Amp 抗
性筛选，挑选白色菌落，提取质粒，用菌落 PCR 和酶切检测带有目的片段的重组质粒，将阳性重组
质粒送至 Invitrogen 公司完成测序。
1.4 VhPIP1 基因生物信息学分析
用 DNAMAN 软件预测 VhPIP1 氨基酸序列并进行氨基酸同源性分析；将毛葡萄 VhPIP1 核苷酸
及其氨基酸序列提交至 NCBI 网站进行 BLAST 分析，检索该基因与其他物种的同源性；利用
DNAMAN 软件构建该基因氨基酸序列进化树；ProtParam 在线软件计算该基因编码氨基酸的等电点
和蛋白质分子质量；运用 SOPMA 软件预测 VhPIP1 编码的氨基酸序列的二级结构；Signal P4.1 Server
软件预测基因的信号肽；用 TMHMM-2.0 软件分析基因的亲水性和预测跨膜结构。
1.5 VhPIP1 的表达模式分析
1.5.1 不同组织中
分别以未经干旱处理的‘花溪–9’和‘红地球’的根、茎、叶的 cDNA 为模板，利用 ViiATM7
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型荧光定量 PCR 仪，进行 VhPIP1 的表达分析。以葡萄 Ubiquitin 基因（XM_002273532）作为内参，
以 Ubiquitin-A 和 Ubiquitin-S（表 1）为内参引物，以 VhS 和 VhA（表 1）为特异引物，反应体系为
20 µL。反应程序：95 ℃预变性 30 s；95 ℃变性 5 s，60 ℃退火 34 s，72 ℃延伸 30 s，40 个循环；
60 ~ 95 ℃，每上升 0.5 ℃作熔解曲线。72 ℃收集荧光信号。每个 cDNA 样品重复 3 次。
1.5.2 干旱胁迫下
以干旱胁迫处理和未经干旱处理（对照）的 0、12、24、48 和 72 h 的‘花溪–9’和‘红地球’
的根、茎、叶的 cDNA 为模板，通过 Real time-PCR 分析 VhPIP1 在干旱胁迫下的表达模式。内参引
物、特异引物及反应体系和条件同 1.5.1。
1.6 生理指标的测定
叶片相对含水量（RWC）的测定采用饱和称重法。公式为：RWC（%）=（FM–DM）/（TM–
DM）× 100，其中 FM 为叶片鲜质量；TM 为叶片被水分充分饱和后的质量；DM 为叶片经 105 ℃杀
青 30 min，75 ℃烘干后的干样质量。
根系细胞膜相对透性的测定采用电导率法。用电导仪（DDS-11C 型）测定根系质膜透性。相对
电导率（%）=（R1–R0）/（R2–R0’）× 100，其中 R0 为空白电导率值，R0’为煮沸后空白电导率
值，R1 为处理电导率值，R2 为煮沸后电导率值。
2 结果与分析
2.1 VhPIP1 基因 cDNA 全长的获得
以毛葡萄‘花溪–9’根中的 cDNA 为模板，用引物组合 PIP1S1、PIP1A1 进行扩增获得大小为
709 bp 的中间片段（图 1，A）；用特异引物 VhPIP1F1、VhPIP1F2、VhPIP1R1 和 VhPIP1R2 分别进
行 3′RACE 和 5′RACE 扩增，分别得到一条大小约 210 bp（图 1，B）和 370 bp（图 1，C）的片段，
经过回收、克隆、测序、拼接得到基因全长。设计全长引物 VhPIP1S2 和 VhPIP1A2 进行扩增，得
到长约 1 100 bp（图 1，D）的条带，回收目的条带，连接转化测序得到 1 087 bp 的 cDNA 全长序列。
ORF finder 分析显示包含启始密码 ATG 和终止密码 TAA，为毛葡萄‘花溪–9’水通道蛋白基因全
长序列。该基因命名为 VhPIP1，基因登录号为 KM026528。VhPIP1 的 cDNA 包含一个 861 bp（1 ~
861 bp）的完整开放阅读框（图 2），编码 286 个氨基酸的蛋白质，还包含 226 bp 的 3′非编码区。

图 1 毛葡萄 VhPIP1 基因扩增结果
Fig. 1 PCR product of VhPIP1 gene from Vitis heyneana

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图 2 VhPIP1 基因核苷酸序列及推导的氨基酸序列
“*”表示终止子，方框显示的是 NPA 结构单元。
Fig. 2 The nucleotide and deduced amino acid sequence of VhPIP1 gene
Asterisk indicated termination codon. Asn-Pro-Ala（NPA）motifs were indicated by boxes.

2.2 VhPIP1 基因序列分析及结构预测
利用 ProtParam 在线软件预测 VhPIP1 基因所编码的氨基酸理论等电点为 8.54，蛋白质分子量为
30.6 kD，分子式 C1407H2160N364O380S10，负电荷氨基酸残基总数（Asp + Glu）为 21，正电荷氨基酸
残基总数（Arg + Lys）为 24，不稳定系数（instability indexⅡ）为 26.14，是一类稳定的蛋白，亲水
性平均数为 0.367，为脂溶性蛋白。
运用 SOPMA 软件完整的预测 VhPIP1 基因所编码蛋白的二级结构，结果表明，VhPIP1 蛋白含
有 40.91%的不规则卷曲、34.97%的 α 螺旋、20.98%延伸链和 3.15% β 转角。SignalP 4.1 Server 软件
分析 VhPIP1 信号肽显示该蛋白不含信号肽，是一类膜蛋白。通过 TMHMM-2.0 软件分析 VhPIP1
蛋白具有水通道蛋白典型的 6 个跨膜区（分别位于氨基酸序列第 55 ~ 77、92 ~ 114、134 ~ 151、178 ~
197、210 ~ 232、242 ~ 264 位），说明编码 VhPIP1 蛋白的基因属于水通道蛋白基因家族一员。在线
软件（http：//prosite. expasy. org/）分析 VhPIP1 的氨基酸序列，在 113 ~ 121 aa 处含有 MIP 蛋白家
族特有的两个高度保守的 NPA（Asn-Pro-Ala）单元和主要内在蛋白家族特有的 SGGHINPAVT 序列，
以及高等植物特有的 PIPs 高度保守序列 GGGANXXXXGY 和 TGI/TNPARSL/FGAAI/VIVF/YN（图
2），因此判定 VhPIP1 为质膜内在蛋白。
2.3 VhPIP1 基因同源序列和系统进化分析
利用 NCBI Blast 分别检索与野生毛葡萄 VhPIP1 的核苷酸和氨基酸同源的其他物种序列，发现
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该基因与其他物种核苷酸序列同源性在 79% ~ 99%，其中，与欧亚葡萄酿酒品种黑比诺（V. vinifera
‘Pinot Noir’，ABH09322.1）和美洲种群冬葡萄与沙地葡萄杂种（V. cinerea × V. rupestris，
AAF71817.1）的核苷酸序列同源性为 99%。氨基酸序列与其他物种 PIP1 类蛋白序列同源性在 88%
以上，其中与欧亚葡萄黑比诺、美洲葡萄、桑属（Morus notabilis，EXB58178.1）、白蜡树（Fraxinus
excelsio，AAT74898.1）和克莱门柚（Citrus clementina，XP_006429323.1）的同源性分别为 99%、
99%、93%、91%和 88%，在水通道蛋白功能区域的氨基酸序列都高度保守（图 3 黑色区域），由此
可以证明，VhPIP1 基因为水通道蛋白基因。
利用 DNAMAN 软件对 VhPIP1 基因编码的氨基酸序列和其它物种的质膜型水通道蛋白构建进
化树（图 4）。结果显示，14 种不同的植物水通道蛋白基因被聚合为两大类群，其中野生毛葡萄的
VhPIP1 与欧洲葡萄、美洲葡萄的亲缘关系最近，被聚为一类，而拟南芥、克莱门柚等物种与野生毛
葡萄 VhPIP1 的亲缘关系较远。


图 3 VhPIP1 氨基酸序列与其它物种 PIPs 同源性分析
Fig. 3 Homology analysis of VhPIP1 amino acid sequence with other plants PIPs

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图 5 葡萄 PIP1 的组织特异性表达分析
不同小写字母表示不同组织在相同品种中差异显著（P < 0.05）。
Fig. 5 Tissue-specific expression of PIP1
Different small letters mean significant difference at P < 0.05 level
in different tissue of the same cultivar.













图 4 野生毛葡萄 VhPIP1 蛋白与已知 PIPs 类蛋白聚类分析
Fig. 4 The phylogenetic tree based on alignment of amino acid among VhPIP1 and some previously PIPs published

2.4 葡萄 VhPIP1 表达模式
对毛葡萄‘花溪–9’和欧亚种葡萄‘红
地球’的不同组织进行 Real time PCR 检测，
发现 VhPIP1 在‘花溪–9’的根、茎、叶中均
有表达，为组成型表达，且在根中表达量最高，
分别为叶和茎的 13 倍和 5 倍（图 5）；VvPIP1
在‘红地球’的根、茎、叶也有表达，在根、
茎、叶中的表达量依次减少。由此可推测
VhPIP1 主要在葡萄植株的地下部发挥作用。
在干旱胁迫下，不同基因型葡萄的不同组
织在不同时间内的表达有明显差异（图 6），‘花
溪–9’中 VhPIP1 的表达量在根、茎、叶中均
呈先增加后降低的趋势，而‘红地球’中 VvPIP1
的表达量在根、茎、叶中均呈下降趋势。未经
干旱胁迫植株的不同组织中 PIP1 的表达量在
不同时间内均维持较稳定的水平。‘花溪–9’根和茎中 VhPIP1 的表达量在处理 12 h 均达到最高，
与未经胁迫 12 h 的基因表达量相比，分别提高了 1.9 和 2.2 倍；而叶中的表达量在胁迫 24 h 时达到
最高，比对照植株的表达量提高了 3.5 倍；在处理 48 h 后，根、茎、叶中的相对表达量均降低到与
对照植株相似或更低的水平，胁迫 72 h 后，分别降低为对照组的 40%、60%和 50%。‘红地球’叶
中 VvPIP1 的表达量在 12 h 时显著性降低，根和茎中的表达量在 24 h 时显著性降低；在胁迫 72 h 后，
根、茎、叶中的表达量分别为对照的 60%、50%和 60%。由此可知，抗旱性强的野生毛葡萄‘花溪–9’
在干旱胁迫初期诱导并维持较高的 VhPIP1 表达，在胁迫后期 VhPIP1 表达量较低；而不抗旱的‘红
地球’在干旱胁迫下 VvPIP1 一直维持较低的表达水平。
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图 6 葡萄 PIP1 基因在干旱胁迫下的表达分析
不同小写字母表示不同胁迫时间在相同处理中差异显著（P < 0.05）。下同。
Fig. 6 Expression profile analysis of PIP1 under water stress
Different small letters mean significant difference at P < 0.05 level in the different stress time of the same treatment. The same below.

2.5 干旱胁迫对葡萄植株水分状况的影响
图 7 所示，在正常水分条件下（对照），抗旱的‘花溪–9’和不抗旱的‘红地球’的相对含水
量无明显差异；但随着干旱胁迫时间的延长，植株叶片相对含水量逐渐下降，抗旱性强的‘花溪–9’

图 7 干旱胁迫对葡萄叶片相对含水量的影响
Fig. 7 Effect of drought stress on RWC of grape leaves
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的下降幅度小于不抗旱的‘红地球’；在 72 h 后，与对照相比，‘花溪–9’和‘红地球’的叶片相
对含水量分别下降了 14%和 20%。这与武斌等（2007）报道的植物在水分胁迫下，叶片相对含水量
与抗旱性有关，耐旱植株的叶片相对含水量较高一致。
经相关性分析表明，叶片相对含水量与根、茎、叶中水通道蛋白基因的表达量呈正相关，相关
系数分别为：0.54**（P < 0.01）、0.66**（P < 0.01）和 0.35。
2.6 干旱胁迫对葡萄植株根系细胞膜稳定性的影响
在逆境条件下，植物质膜及各种细胞器的内膜系统会膨胀或破损，导致细胞内电解质外渗，电
导率增加，细胞膜的稳定性降低。图 8 所示，随着干旱胁迫时间的延长，‘花溪–9’和‘红地球’
的电导率均增加，抗旱性强的‘花溪–9’的增加幅度小于不抗旱的‘红地球’。与对照组相比，胁
迫 72 h 后，‘花溪–9’和‘红地球’的相对电导率分别增加了 23.5%和 35.8%。
经相关性分析表明，葡萄根系细胞的相对电导率与根、茎、叶中 PIP1 的表达量呈负相关，相
关系数分别为–0.60**（P < 0.01）、–0.66**（P < 0.01）和–0.33。

图 8 干旱胁迫对葡萄根系细胞膜相对透性的影响
Fig. 8 Effect of drought stress on membrane permeability of grape roots
3 讨论
水通道蛋白是调节水分在植物细胞间以及体内水分平衡的分子基础，能保证水分的长距离运输
和细胞内外跨膜运输的顺利进行，且还具有参与渗透胁迫应答、调节气孔运动等功能（Sakurai et al.，
2005；Jeff & Armand，2013）。本研究利用 RT-PCR 和 RACE 技术从原生于喀斯特山区的毛葡萄极抗
旱种质‘花溪–9’中克隆获得水通道蛋白基因 VhPIP1（KM026528），该基因编码 286 个氨基酸，
此氨基酸序列具有 MIP 家族信号序列 SGGHINPAVT 及高等植物特有的 PIPs 高度保守序列
GGGANXXXXGY 和 TGI/TNPARSL/FGAAI/VI/VF/YN，这些特征序列是鉴别水通道蛋白基因及其
类别划分的重要标准之一，也是执行和调控水通道蛋白功能的重要序列单元（Postaire et al.，2008）。
应用 BLAST 在线软件对 VhPIP1 进行氨基酸同源性分析，进一步表明野生毛葡萄 VhPIP1 为 PIP1
亚类内在水通道蛋白，并与欧洲葡萄和美洲葡萄杂种的亲缘关系最近，同源性均高达 99%。
在植物细胞水平上，PIPs 类水通道蛋白主要参与细胞水分的吸收和外排。在植物生长过程中，
水通道蛋白基因表达上调，使膜对水分子的透性加强，从而增加水分的获取量，这可能对植物正常
生长发育和抵抗逆境胁迫有重要作用；但另一方面细胞膜上水通道蛋白表达量越高，细胞因水分的
外排作用而丢失水分的可能性也就越大，因此植物体可能需要在不同的时间或空间上降低水通道蛋
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白的表达以减少细胞水分的外排，增加植物体对外界胁迫的耐受能力。本试验中极抗旱的野生毛葡
萄‘花溪–9’VhPIP1 的表达量随着干旱胁迫时间的延长呈先增加后降低的趋势，而不抗旱的欧洲
葡萄‘红地球’VvPIP1 基因表达量呈逐渐下降的趋势。在干旱胁迫初期 VhPIP1 在根系中表达迅速
上调，可能是为了诱导表达与抗逆信号转导相关的其他基因（李仁 等，2012）；也可能是因为根系
周围的水势仍高于根系组织水势，基因的表达上调能够增加质膜蛋白的活性，维持细胞膜的稳定性，
促进植株通过水通道蛋白介导的共质体途径吸收根系周围剩余的水分，有利于水分在植物局部组织
间的正常交换，维持生长中心水分的稳态（Aroca et al.，2012；余丽娟 等，2013）。而随着干旱胁
迫时间的延长，植株组织中的水势低于根系周围的水势时，VhPIP1 的转录水平降低，同时其蛋白活
性下降甚至消失，这对于减小水分的运输以及避免根系组织中水分倒流具有重要意义（Ji et al.，2004；
Kaldenhoff & Fischer，2006）。‘花溪–9’地上部在感应到干旱胁迫后，叶片中的 VhPIP1 表达迅速
上调，这可能是因为促进保卫细胞内的水分通过细胞膜上的水通道流出，使保卫细胞收缩气孔关闭
（Kang et al.，2002），减少水分的散失；随着胁迫时间的推进，VhPIP1 的表达量下降，蛋白活性降
低，防止叶片水分过度丢失。相反，不抗旱的‘红地球’在干旱胁迫下根部 VvPIP1 表达的瞬时降
低，可能致使植株遭受膨压骤然消失的机械损伤，细胞膜稳定性紊乱，也使生理代谢等响应机制来
不及缓冲，从而使植株易遭受旱害。在干旱胁迫下，‘红地球’的叶片相对含水量低表明其通过调节
气孔关闭以减少蒸腾的能力较弱，蒸腾作用损失的水分较多，不能保证自身的水分平衡（武斌 等，
2007）；且经相关性分析表明相对含水量与葡萄 PIP1 的表达量成显著正相关。水通道蛋白基因对水
分胁迫的响应机理也因物种及选择的胁迫方式的不同而发生变化（Compart et al.，2000；Hachez et al.，
2006；Foppest & Bhave，2007；张燕 等，2014）。烟草中 NtPIP1;1 通过降低其转录水平，降低蛋白
质的活性适应干旱环境（Mahdieh et al.，2008）；大麦在应对 NaCl 胁迫时，其根中 HvPIP1;3 和
HvPIP1;5 的表达量几乎没有发生变化（Katsuhara et al.，2002）；而多年生黑麦草在应对甘露醇模拟
的干旱胁迫时，其叶片中 PIP 类质膜型水通道蛋白 LpAQP 的表达量呈先增加后降低的趋势（周春蕾
等，2013）。因此，在干旱胁迫初期，植物体可能通过上调 PIP1 的表达量，增加细胞对水分的吸收，
同时诱导与抗逆信号转导相关的其他基因的表达；随着干旱胁迫的推进，PIP1 表达下降，减少细胞
水分的外排，尽可能地维持植物体内水分的平衡。
植物体主要通过地下部的吸水能力和地上部的保水能力维持体内水分平衡。在逆境胁迫下（干
旱、盐碱、低温等），叶片先将气孔关闭减少蒸腾作用散失的水分，但有研究发现在非生物胁迫下，
植物根系吸收水分的能力占主导地位（Matsuo et al.，2009）。其中 PIP 类水通道蛋白在参与根部水
分的运输中具有重要作用（Javot et al.，2003；Postaire et al.，2008；Ricardo et al.，2012）。水通道
蛋白作为水分快速跨膜运输的通道蛋白，在植物各个器官和组织中广泛分布，但不同水通道蛋白基
因在不同植物不同组织和器官中的表达存在一定的差异（Wudick et al.，2009；林燕飞 等，2013）。
本试验中，通过荧光定量 PCR 对极抗旱材料毛葡萄‘花溪–9’VhPIP1 基因的表达模式分析表明，
VhPIP1 在野生毛葡萄根、茎、叶中都有表达，但是根中的表达量最高。由此可知 VhPIP1 基因主要
在‘花溪–9’的地下部发挥作用。地下部 VhPIP1 较高的表达量能够优化根系对水分的吸收，维持
植物体内水分的稳态。由此可以推测，‘花溪–9’在受到 PEG 胁迫时，主要是地下部先感知水分胁
迫，根中 VhPIP1 蛋白的上调加速吸收根系周围剩余的水分，部分维持植物整体的水分稳态；其次
茎中 VhPIP1 表达量上调加快水分在体内的运输，进而通过叶片保卫细胞中 VhPIP1 表达上调促进气
孔关闭，减少蒸腾作用；随着胁迫时间的延长，各组织中通过下调 VhPIP1 蛋白的表达量，降低蛋
白活性，减少水分在植物体内的进一步运输，保持水分的平衡。而不抗旱的‘红地球’由于根系吸
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野生毛葡萄水通道蛋白基因 VhPIP1 的克隆及其在干旱胁迫下的表达分析.
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水能力差，地上部蒸腾作用散失水分多，不足以应对干旱胁迫造成的损伤。
对 VhPIP1 更加全面的功能验证，还要通过酵母双杂交、原位杂交、转基因等进一步研究。

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