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Recent Advances in Plant Aquaporins

植物水孔蛋白研究进展



全 文 :植物科学学报  2014ꎬ 32(3): 304~314
Plant Science Journal
    DOI:10􀆰 3724 / SP􀆰 J􀆰 1142􀆰 2014􀆰 30304
植物水孔蛋白研究进展
张 璐ꎬ 杜相革∗
(中国农业大学农学与生物技术学院ꎬ 北京 100193)
摘  要: 水孔蛋白是植物重要的膜功能蛋白ꎬ 不仅介导植物各组织间水分的高效转运ꎬ 还参与植物体内其他物质
的跨膜转运ꎬ 同时在植物光合作用、 生长发育、 免疫应答以及信号转导等生理过程中也发挥重要作用ꎮ 本文主要
综述了植物水孔蛋白结构特征和分类ꎬ 多种生理功能ꎬ 以及其转录水平和转录后水平活性调节等方面的最新研
究进展ꎬ 并就如何系统全面地开展水孔蛋白参与植物生长发育过程的分子调控机制研究提出展望ꎮ 植物水孔蛋
白的深入研究有助于阐明植物体内物质转运的分子机理及其生理作用机制ꎬ 对指导农业生产中作物的生长发育
调控有重要理论意义ꎮ
关键词: 植物水孔蛋白ꎻ 水分转运ꎻ 生理功能ꎻ 活性调节
中图分类号: Q513ꎻ Q945􀆰 17          文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2014)03 ̄0304 ̄11
      收稿日期: 2013 ̄07 ̄04ꎬ 修回日期: 2014 ̄01 ̄21ꎮ
  作者简介: 张璐(1987-)ꎬ 女ꎬ 博士研究生ꎬ 研究方向为植物营养、 植物生理与分子生物学(E ̄mail: luzhangcau@hotmail. com)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: duxge@cau. edu. cn)ꎮ
Recent Advances in Plant Aquaporins
ZHANG Luꎬ DU Xiang ̄Ge∗
(China Agricultural Universityꎬ College of Agriculture and Biotechnologyꎬ Beijing 100193ꎬ China)
Abstract: Aquaporins are important functional proteins in plantsꎬ which not only transport
water between different plant tissues but also participate in other nutrient transmembrane
movement. Aquaporins also play a significant role in many physiological processes such as
photosynthesisꎬ plant growth and developmentꎬ immune responseꎬ and signal transduction.
We reviewed recent research progress on the structural featuresꎬ classificationꎬ and
physiological functionsꎬ as well as transcriptional and post ̄transcriptional regulation of
aquaporinsꎬ and provided good study prospects on the processes plant AQPs take part in for
plant growth. Detailed research on aquaporins could contribute to a better understanding of the
physiological functions and molecular mechanisms of nutrient movement in plantsꎬ thus
providing a theoretical base for growth and development regulation in crop production.
Key words: Plant aquaporinꎻ Water transportationꎻ Physiological functionꎻ Activity regulation
    水孔蛋白(aquaporinsꎬ AQPs)主要参与生物
体内水分的快速跨膜运输ꎬ 是细胞膜上能选择性高
效转运水分子的水通道蛋白ꎬ 属于膜内蛋白 MIP
(major intrinsic protein)家族[1]ꎮ 第一个水孔蛋白
(AQP1)是 Agre研究小组 1988年从人的红细胞质
膜中分离得到的ꎬ 并利用爪蟾卵母细胞异源表达系
统证实 AQP1 的透水功能ꎬ 首次揭示了细胞膜上
存在蛋白质介导的水分跨膜运输[2ꎬ3]ꎮ 植物中首个
水孔蛋白 γ ̄TIP是由 Maurel等 1993年从拟南芥中
分离并证明其转运水分的功能[4]ꎮ 目前ꎬ 人们已
从细菌、 酵母、 动物、 植物中成功分离出多种水孔
蛋白的同源基因ꎬ 在鉴定其运输水分功能的同时ꎬ
也深入研究了水孔蛋白的其它生理功能及分子调控
机制ꎮ 本文主要对植物不同 AQPs 进行系统介绍ꎬ
同时对其结构、 功能及活性调控等方面的最新研究
进展进行阐述ꎮ
1  植物水孔蛋白的结构
水孔蛋白独特的分子结构决定了它特殊的生物
学功能ꎮ 利用 X 射线晶体学对微生物、 动物和植
物中 AQPs分析表明ꎬ AQP 家族具有 MIP 家族高
度保守的结构特征[5]ꎮ 每个 AQP 单体分子质量为
23 ~ 31 kDaꎬ 由 6 个跨膜螺旋结构(通过 5 个亲
水短环 A ~ E 相连)和两端伸入细胞质的 N ̄端、
C ̄端组成ꎬ B环(Loop B)和 D 环(Loop D)位于
膜内ꎬ A 环 ( Loop A)、 C 环 ( Loop C)和 E 环
(Loop E)位于膜外ꎬ 膜内 B 环和膜外 E 环都拥
有一段高度保守的氨基酸序列 NAP ( Asn ̄Pro ̄
Ala)ꎬ 各自形成半个跨膜螺旋ꎬ 折叠进膜内形成
“水漏模型” (hour ̄glass model)ꎬ 参与 AQPs 的
活性调节[5ꎬ6](图 1: a)ꎮ 两个 NPA 序列随之重
叠相互作用形成狭窄的跨膜水孔(water pore)ꎬ
即 NPA 区域ꎬ 可以双向运输水分子(图 1: b)ꎮ
在距离 NPA区域外侧 0􀆰 8 nm 处存在一个更为狭
窄收缩的芳香族化合物 /精氨酸( aromatic / Argꎬ
ar / R)区域ꎬ 由螺旋 2(Helix 2)、 螺旋 5(Helix 5)
各一个氨基酸残基和 E 环上两个碱基组成四聚体
结构[7]ꎮ 与 NPA区域相比ꎬ ar / R在 AQPs 选择性
转运其它小分子物质过程中起更重要的作用ꎬ 是预
测不同植物中 AQPs 转运功能的一个重要位
点[8ꎬ9]ꎮ 虽然每个水孔蛋白单体都可形成独立的水
通道ꎬ 但氨基酸序列拓扑学及三维结构分析表明ꎬ
AQP1在活体膜中是以四聚体结构存在的ꎬ 这一结
构对于蛋白质的结构稳定和功能行使的正确性有重
要作用[10ꎬ11]ꎮ
2  植物水孔蛋白的分类
AQPs由多个基因编码ꎬ 广泛存在于动物、 植
物及微生物中ꎬ 具有丰富的多样性ꎬ 而植物 AQPs
拥有更多的亚家族及种类ꎮ 迄今在模式植物拟南芥
中已发现 35 个 AQPsꎬ 水稻中也发现有 33 个
AQPs基因[12ꎬ13]ꎬ 在玉米、 烟草、 菠菜、 胡萝卜、
马铃薯、 蚕豆、 桃、 棉花等多种植物中均陆续发现
AQP家族[6ꎬ14-16]ꎮ 根据氨基酸序列同源性及结构
特征ꎬ 植物 AQPs家族分为四类(表 1): 质膜内在
蛋 白 ( plasma membrane intrinsic proteinsꎬ
PIPs)ꎻ 液泡膜内在蛋白( tonoplast intrinsic pro ̄
teinsꎬ TIPs)ꎻ 类 Nod26 膜内在蛋白(nodulin 26 ̄
like intrinsic proteinsꎬ NIPs)ꎻ 小分子膜内在蛋白
(small and basic intrinsic proteinsꎬ SIPs) [12]ꎮ 其
中ꎬ PIPs主要位于质膜ꎬ 根据 N ̄端与 C ̄端序列的
同源性差异分为 PIP1、 PIP2 和 PIP3 三类ꎻ TIPs
主要分布于液泡膜上ꎬ 根据组织定位不同分为 α、
β、 γ、 δ、 ε 五类ꎬ 它们是植物中重要的水通道蛋
白[12]ꎻ NOD26是植物中发现的第一个 MIP 家族
成员ꎬ 定位于大豆与根瘤菌的共生体膜上ꎬ 根据水
孔蛋白 ar / R 结构差异以及转运底物专一性不同ꎬ
NIPs分为 NIPI、 NIPII 和 NIPIII 三类ꎬ 这一亚家族
可转运除水分子以外的其它物质[17ꎬ18]ꎻ SIPs 是植
物中 AQPs 最小的家族ꎬ 主要定位于内质网膜上ꎬ
根据 N ̄端及 B 环上 NPA 序列不同分为 SIP1 和
SIP2两类[19]ꎮ
b图中红色部分表示植物水孔蛋白的 NPA结构
Red stands for NPA structure of plant AQPs in Fig􀆰 1: b.
图 1  植物水孔蛋白结构 (修改自参考文献[6] )
Fig􀆰 1  Structure of plant aquaporins (Modified according to reference[6] )
503  第 3期                              张 璐等: 植物水孔蛋白研究进展
表 1  植物水孔蛋白的分类和亚细胞定位
Table 1  Classification and subcellular
location of plant aquaporins
植物水
孔蛋白
AQPs
类型
Classification
亚细胞定位
Subcellular
location
PIPs PIP1、 PIP2、 PIP3 质膜
TIPs α ̄TIP、 β ̄TIP、 γ ̄TIP、 δ ̄TIP、 ε ̄TIP 液泡膜
NIPs NIPI、 NIPII、 NIPIII 细胞内膜
SIPs SIP1、 SIP2 内质网膜
    人们在某些低等植物中也发现了其它 AQPs家
族ꎮ 2005 年ꎬ Gustavsson 等[20]在苔藓植物中鉴
定出甘油特异性水孔蛋白 GIPs (GlpF ̄like intrinsic
proteinsꎬ GIPs)ꎬ 类似于大肠杆菌中的甘油转运
通道 GlpF(Glycerol facilitatorꎬ GlpF)ꎮ 2008 年ꎬ
Danielson等[21]认为苔藓植物中 AQPs 除了 PIPs、
TIPs、 NIPs、 SIPs及 GIPs 外ꎬ 还有 HIPs(Hybrid
intrinsic proteinsꎬ HIPs)和 XIPs(X intrinsic pro ̄
teinsꎬ XIPs)两个新的 MIP 亚家族 (图 2)ꎮ XIPs
在原核生物、 真菌以及某些非单子叶植物中发现ꎬ
而 HIPs 至今未在高等植物中发现[21ꎬ22]ꎮ 这些
AQPs亚家族的发现及其功能鉴定为系统性研究
AQPs的生物多样性及进化过程提供了参考依据ꎮ
图 2  植物水孔蛋白的进化过程 (修改自参考文献[27] )
Fig􀆰 2  Evolution of plant aquaporins
(Modified according to reference[27] )
 
3  植物水孔蛋白的功能
植物 AQPs是重要的多功能膜蛋白ꎬ 在物质转
运、 种子萌发、 蒸腾作用、 光合作用、 气孔调节及
抗逆应答等过程中起重要作用ꎮ
3􀆰 1  参与植物体内水分运输
AQPs存在于植物的不同部位ꎬ 根部 70%~80%
的水分由 AQPs来运输ꎬ 这是水进入植物细胞的主
要途径[23]ꎮ 利用 GUS组织染色方法研究发现ꎬ 拟
南芥(Arabidopsis thaliana)AtPIP2ꎻ2在根、 皮质、
内皮层及中柱等组织中有较高表达量ꎬ 将此基因沉
默后会导致根部水分传导率明显降低[24]ꎮ 经荧光
实时定量 PCR (quantitative reverse transcription
polymerase chain reactionꎬ qRT ̄PCR)和组织化
学免疫方法检测表明ꎬ 玉米(Zea mays L.)ZmPIPs
(除 ZmPIP2ꎻ7)在叶的伸长区表达量较高ꎬ 而在成
熟叶中表达量较低ꎬ 这一表达模式与叶的发育过程
相关ꎬ 可能该蛋白参与了叶尤其是维管束和叶肉组
织中水分的径向运输[25]ꎮ 此外ꎬ γ ̄TIP 在所有植
物组织中均有表达ꎬ 但以根和叶中表达量较高ꎬ 这
可能与细胞伸长有关[26ꎬ27]ꎮ AtTIP2ꎻ1 (δ ̄TIP)主要
在茎的维管束中表达ꎬ 参与幼嫩维管束中水的流动
及成熟维管束组织中水通透性的保持ꎬ 在水分长距
离运输中起主要作用[26]ꎮ
3􀆰 2  参与其它物质的跨膜转运
异源表达体系(爪蟾卵母细胞和酵母)证明ꎬ
大部分 AQPs具有转运水分功能ꎬ 同时 AQPs也有
转运其它小分子物质、 营养元素及金属离子的功
能[7]ꎮ 烟草(Nicotiana tabacum)NtTIPa(TIP4)具
有转运水、 甘油和尿素的功能[28]ꎮ 杨树(Populus
tomentosa)PtXIPs 在爪蟾卵母细胞体系中表达并
呈现出不同的水分转运能力[22]ꎮ 基因敲除 TIP1ꎻ1
的拟南芥突变体与野生型同时在 50 mmol / L 甘油
环境下生长ꎬ 前者根系长度明显减少ꎬ 仅为野生型
的 60%ꎻ 由于 AtTIP1ꎻ1在爪蟾卵母细胞中表达后
具有较低的甘油转运活性ꎬ 推测其可能参与植物体
内甘油解毒过程[29]ꎮ 小麦(Triticum aestivum L.)
TaTIP2ꎻ1在爪蟾卵母细胞中表达可明显提高膜对
NH3的通透性[30]ꎮ 酵母异源表达功能互补实验结
果显示ꎬ 西葫芦(Cucurbita pepo L.)CpNIP1及拟
南芥的 γ ̄TIP 和 δ ̄TIP 能够有效的转运尿素分
子[31]ꎮ 此外ꎬ AtNIP5ꎻ1转录水平受缺硼诱导ꎬ 并
经爪蟾卵母细胞异源表达分析表明ꎬ AtNIP5ꎻ1 具
603 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
有转运硼酸的功能ꎬ 但对水具有较低的渗透性[32]ꎮ
AtNIP6ꎻ1也具有硼转运功能ꎬ 同时还可以转运尿
素、 甘油及甲酰胺ꎬ 但对水没有渗透性[33]ꎮ 水稻
(Oryza sativa)是喜硅植物ꎬ 硅常在其茎中积累形
成物理屏障抵御外界生物胁迫和非生物胁迫的干
扰ꎬ OsNIP2ꎻ1对硅元素的吸收、 转运具有调节作
用ꎬ 而 OsNIP2ꎻ2则参与硅元素由木质部进入茎中
的转运过程[34]ꎮ 爪蟾卵母细胞异源表达验证表明ꎬ
玉米根中表达的 ZmNIP2ꎻ1 和在叶鞘表达的
ZmNIP2ꎻ2都能够有效转运硅元素ꎬ 但两者的表达
均不受硅元素的诱导[35]ꎮ 此外ꎬ NIPs 家族也是转
运重金属离子的通道ꎬ 其中 AtNIP7ꎻ1、 AtNIP1ꎻ1
和 OsNIP2ꎻ1等对亚砷酸盐具有转运功能ꎬ 这对研
究砷在植物体内的转运过程以及植物耐砷机制有重
要意义[36ꎬ37]ꎮ
3􀆰 3  参与种子成熟与萌发
植物 TIPs可调节细胞的迅速膨胀和紧缩ꎬ 荧
光蛋白标记显示在种子成熟及发芽早期拟南芥
AtTIP3ꎻ1( α ̄TIP) 和 AtTIP3ꎻ2 ( β ̄TIP) 在胚中分
布[38]ꎬ 它可能参与种子萌发过程中贮存蛋白质液
泡体积的调节ꎬ 而在种子萌发、 幼苗生长阶段
AtTIP1ꎻ1(γ ̄TIP)逐渐代替 AtTIP3ꎻ1(α ̄TIP)ꎬ 参
与幼苗组织细胞的伸长分化过程[14]ꎮ 利用爪蟾异
源表达体系证实了蓖麻 (Ricinus communis L.)
RcPIP2ꎻ1的水转运活性ꎬ 同时利用原位杂交技术
证明其表达定位于子叶胚轴ꎬ 通过对比伸长区和非
伸长区的水分相关参数ꎬ 推测 RcPIP2ꎻ1 参与幼苗
下胚轴的伸长和生长[39]ꎮ Northern 印迹杂交和
qRT ̄PCR分析表明ꎬ 棉花(Gossypium hirsutum L.)
GhPIP1ꎻ2和 GhTIP1在纤维细胞伸长发育阶段有
较高的表达量ꎬ 可能参与调节水分快速流入液泡等
过程[40]ꎮ
3􀆰 4  参与植株开花和果实发育
月季 (Rosa hybrid ‘ Samantha’) RhPIP2ꎻ1
在花瓣表皮细胞中表达量较高ꎬ 且表达模式与开
花周期相似ꎬ 外源施加乙烯会降低其表达ꎬ 证明
RhPIP2ꎻ1参与乙烯抑制开花的过程[41]ꎮ 罗静等[16]
以低温休眠桃(Prunus persica)的花芽为材料ꎬ 根
据 AQP基因保守区设计简并引物ꎬ 成功克隆并鉴
定出三个水孔蛋白基因 PpPIP1ꎻ1ꎬ PpPIP1ꎻ2 和
PpPIP2ꎻ1ꎬ 推测 AQPs 参与花芽的休眠及发育调
控ꎮ RNA干扰技术证实烟草 NtPIP2 的表达缺失可
引起花药开裂延迟的现象[42]ꎮ 李登弟等[43]发现棉
花 GhAQP1在胚珠发育中特异性表达ꎬ 且开花后
9 d 表达量最高ꎬ 随后逐渐下降ꎬ 至胚珠发育到
30 d左右时丧失活性ꎬ 据此推测 GhAQP1 可能参
与胚珠细胞的分裂发育ꎮ 另外ꎬ γ ̄TIP 同系物在梨
的幼果中表达量较高ꎬ 并且 TIP蛋白表达水平随着果
实成熟而增高[44]ꎮ 番茄(Lycopersicon esculentum
Mill)中 7 个 LePIP1 和 LePIP2ꎻ2 同源基因在果实
发育早期具有较高的表达量[45]ꎮ Northern 杂交结
果显示ꎬ 草莓(Fragaria × ananassa)FaPIP1ꎻ1 在
果实发育过程中表达量较高ꎬ 且其表达量受外源生
长素处理的抑制[46]ꎮ
3􀆰 5  参与气孔运动及光合作用
烟草 NtAQP1( PIP1)在质膜和叶绿体内膜
上表达ꎬ 通过 RNA 干扰技术或超表达方法发现
NtAQP1 会影响植物中 CO2电导率及光合作用效
率ꎬ 证明 NtAQP1 参与调节 CO2在叶肉细胞内运
输[47ꎬ48]ꎮ 沙漠块菌(Terfezia claveryi) TcAQP1 在
酵母异源体系中表达可明显提高水和 CO2的传导
性[49]ꎮ 向日葵(Helianthus annuus)SunTIP7 存在
于保卫细胞中ꎬ 且其表达量随着气孔的关闭而增
高[50]ꎮ 此外ꎬ 菠菜(Spinacia oleracea)SoPIP1ꎻ1、
蚕豆(Vicia faba)VfPIP1和玉米 ZmPIP1ꎻ2、 Zm2ꎻ1
等在叶中的保卫细胞质膜上均有较高的表达
量[25ꎬ51]ꎬ 这表明 AQPs 可能通过改变作物叶细胞
内外渗透势从而引发气孔的开放与关闭ꎬ 参与植物
体内 CO2运输ꎬ 影响光合作用效率ꎮ
3􀆰 6  参与免疫应答及信号转导
H2O2是植物免疫响应中的信号分子ꎬ 酵母异
源表达体系证实 AtPIP2ꎻ1 具有转运 H2O2的能力ꎬ
且提高了 H2O2对酵母的毒性作用ꎬ AtPIP2ꎻ1 可能
通过调节活性氧( reactive oxygen speciesꎬ ROS)
参与植物的免疫应答反应[52]ꎮ AtTIP1ꎻ1 也可转运
H2O2ꎬ 基因敲除后不影响拟南芥的正常生长ꎬ 但
会影响植株对渗透胁迫的敏感性[29] ꎮ AtNIP2ꎻ1
普遍在根中表达ꎬ 受缺氧胁迫诱导表达ꎬ 是乳酸转
运蛋白ꎬ 其功能是调节植物适应缺氧胁迫下的乳酸
发酵[53]ꎮ 利用反义技术降低烟草中 NtAQP1 的表
703  第 3期                              张 璐等: 植物水孔蛋白研究进展
达会引起根部水分传导率降低ꎬ 从而导致植株对
渗透胁迫敏感[54] ꎬ 在盐胁迫环境下ꎬ 该基因超表
达后能够提高植物对水的吸收、 导水率以及产
量[55] ꎮ 与野生型拟南芥比较ꎬ 蚕豆 VfPIP1 在拟
南芥中超表达可以加快植株生长速度、 降低蒸腾速
率以及提高抗寒性[56]ꎮ 通过比较根、 叶的形态及
测定生物质产量ꎬ 人参(Panax ginseng) PgTIP1
在拟南芥中超表达后可减缓盐胁迫、 干旱及冷害等
不良环境因素对植株生长的影响[57]ꎮ 超表达拟南
芥 AtPIP2ꎻ5可以缓解低温胁迫对细胞渗透性以及
植株正常生长的危害[58]ꎮ 小麦 TaNIP 在拟南芥中
超表达可提高 K+、 Ca2+及脯氨酸的含量ꎬ 提高植
株的抗逆性[59]ꎮ 而采用发根农杆菌转化幼苗子叶
方法表明ꎬ 大豆(Glycine max)GmXIP的过表达则
会提高植株对干旱和盐胁迫的敏感性ꎬ 导致植株枯
萎干死[60]ꎮ 这些研究均表明植物 AQPs 在转运水
分或其它物质的同时ꎬ 也进行信号转导ꎬ 直接或间
接参与抗逆过程中植物的免疫应答ꎮ
4  植物水孔蛋白的活性调节
植物中 AQPs 不仅种类繁多ꎬ 而且不同的
AQPs在表达上存在时空及组织差异性ꎬ 其活性调
节也存在多种方式ꎬ 基本可分为转录水平调节和转
录后水平调节ꎮ
4􀆰 1  转录水平调节
植物 AQPs转录水平调节与植物的生长发育阶
段、 激素水平以及各种内外环境刺激有关ꎮ 一些植
物 AQPs受生长发育阶段调控ꎬ 例如ꎬ 在拟南芥种
子萌发以及幼苗生长过程中 γ ̄TIP 逐渐代替
α ̄TIP[12ꎬ26]ꎻ 有些 AQPs在特定组织中表达并参与
水分及其它物质的吸收、 转运ꎻ 有些 AQPs则参与
植株的开花及果实成熟过程ꎻ 而有些 AQPs的表达
受光周期调控ꎮ Moshelion 等[61]报道雨豆(Sama ̄
nea saman)叶片运动细胞质膜上 SsAQP2 主要参
与叶枕的昼夜节律运动ꎬ Siefritz 等[62]发现烟草质
膜上的 NtAQP1在早晨叶片展开时表达量高ꎬ 晚上
则很低ꎮ 植物 AQPs 也受激素及环境因素等影响ꎬ
拟南芥水孔蛋白 AthH2 在蓝光(400 ~ 550 nm)、
白光、 外源赤霉素(GA3)及脱落酸(ABA)条件下
可被激活表达[63ꎬ64]ꎬ 启动子分析表明该基因的序
列元件与 ABA和 GA3诱导的其它基因调控元件具
有同源性[23]ꎮ 另外ꎬ 植物 AQPs 还受 pH 值和二
价阳离子 Ca2+的调节ꎬ pH值的降低会引起拟南芥
根中 AtPIP2ꎻ2 D环上 His197残基的质子化ꎬ 与其
它碱基作用后关闭水通道ꎬ 减少拟南芥根部细胞内
水分流动[5ꎬ65]ꎻ 辣椒(Capsicum annuum L.)AQP
在 Ca2+含量较低时无活性ꎬ 随着 Ca2+浓度升高其
活性逐渐增加ꎬ 加入 Ca2+通道阻塞剂后ꎬ AQP 又
失去活性ꎬ 推测 Ca2+与 AQP 的活性密切相关[66]ꎮ
除此之外ꎬ 渗透胁迫对植物 AQPs 的表达也有影
响ꎬ NtAQP1在渗透胁迫(PEG 处理)下大量表达ꎬ
提高细胞导水性ꎬ 缓解植物的渗透压力[54]ꎮ
4􀆰 2  转录后水平调节
植物 AQPs 转录后水平调节主要是磷酸化作
用ꎬ 其活性受磷酸化调控[67]ꎮ 质谱分析、 放射性
标记以及爪蟾卵母细胞异源表达体系都证明了此调
节方式的存在ꎮ 许多研究表明植物 AQPs的磷酸化
位点大多是在 N ̄端或 C ̄端的 Serꎬ 但某些 AQPs
具有多个磷酸化位点[68]ꎮ 早在 1995 年ꎬ Maurel
等[69]利用爪蟾卵母细胞表达体系发现 α ̄TIP 含有
三个磷酸化位点(Ser7ꎬ Ser23ꎬ Ser99)ꎬ 突变磷
酸化位点会降低膜的水转运活性ꎬ 而且这些位点的
直接磷酸化可以增强 α ̄TIP 水通道活性ꎬ 其中
Ser7和 Ser99 对 α ̄TIP 活性调节更为重要ꎮ 此外ꎬ
很多蛋白激酶和蛋白磷酸酶也参与了植物 AQPs的
磷酸化和去磷酸化过程ꎮ Ca2+对植物 AQPs的调节
是通过钙依赖蛋白激酶(CDPK)磷酸化作用实现
的[1]ꎬ 菠菜叶片质膜上 PM28A的水通道活性不仅
受干旱诱导ꎬ 还受 Ca2+依赖的磷酸化作用诱
导[70]ꎻ 质谱分析证明菜豆(Phaseolus vulgaris)种
子 PvTIP3ꎻ1活性受膜相关 Ca2+依赖激酶的磷酸化
调控[71]ꎮ Vera等首次发现冰草(Mesembryanthe ̄
mum crystallinum)液泡膜 McTIP1ꎻ2 受 cAMP 的
调节[72]ꎬ 并且 Ser123是水通道活性必需的磷酸化
位点[73]ꎮ 植物 AQPs的磷酸化作用还受环境影响ꎮ
大豆中 NOD26的 Ser262磷酸化可促进水分转运ꎬ
利用一种磷酸特异性抗体发现活体 NOD26 的磷酸
化作用不仅受生长发育周期的调控ꎬ 水分胁迫和盐
胁迫都可以促进 NOD26的磷酸化ꎬ 进而提高膜的
导水性ꎬ 提高植株的抗胁迫能力[67]ꎻ 正常生长条
803 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
件下ꎬ 菠菜 SoPIP2ꎻ1 中 B 环 Ser115 和 C ̄端
Ser274磷酸化ꎬ 保持水通道开放ꎬ 当植株受到干
旱胁迫时ꎬ 两个 Ser 位点发生脱磷酸化且引起 D
环空间构象改变ꎬ 形成疏水屏障关闭水通道[5]ꎮ
植物 AQPs磷酸化也受温度及光照的影响ꎬ 当生长
温度降至 5℃时ꎬ 郁金香花瓣中质膜 AQP 去磷酸
化ꎬ 水通道失活ꎬ 进而引起花瓣关闭ꎬ 当温度升高
至 20℃时ꎬ AQP 重新磷酸化ꎬ 水通道活性恢复ꎬ
花瓣开放[74]ꎻ 黑暗条件处理下拟南芥莲座丛的导
水率高于光照条件处理下的导水率ꎬ 这一与光相关
的调节方式与 AtPIP2ꎻ1 Ser280 和 Ser283 的脱磷
酸化作用有关[75]ꎮ AQPs 的糖基化和甲基化作用
也参与活性调节ꎬ Vera 等[72]运用免疫荧光标记证
明冰草McTIP1ꎻ2受渗透胁迫(甘露醇处理)时会在
液泡膜上重新分布ꎬ 这一过程涉及该基因的糖基化
和 cAMP依赖的信号转导ꎻ Santoni等[76]在拟南芥
AtPIP2ꎻ1 N ̄端发现 Lys3和 Glu6两个甲基化位点ꎬ
它们可分别发生双甲基化和单甲基化且相互影响ꎬ
但 Lys3和 Glu6 的甲基化作用并不影响 AtPIP2ꎻ1
对水的渗透性ꎮ
4􀆰 3  重金属离子调控
在 AQPs的 NPA 区域有对 Hg2+敏感的保守
Cys残基ꎬ Hg2+与之结合可改变蛋白空间构象ꎬ
水孔受阻从而影响水分子的转运ꎬ 抑制水的跨膜
流动ꎮ 但在爪蟾卵母细胞中表达植物 AQPsꎬ
TIPs均对 Hg2+敏感ꎬ 但有些 PIPs 对 Hg2+不敏
感[77]ꎮ 而其它重金属如 Ag和 Au的化合物被认为
是通过与蛋白质的巯基相互作用抑制 AQPs的水转
运活性[78]ꎮ
4􀆰 4  聚合调控
玉米中 ZmPIP1ꎻ2 与不同的 ZmPIP2s 在爪
蟾卵母细胞中共同表达时ꎬ 相互作用形成异源
四聚体ꎬ 增加膜对水的渗透性ꎬ 并且爪蟾卵母细
胞膜对水的渗透能力与注入 ZmPIP1ꎻ2 的 cRNA
(complimentary RNA)量成比例[79]ꎮ 同样在烟草
中 NtPIP1ꎻ1 和 NtPIP2ꎻ1 也有相同的调控机制存
在[80]ꎮ 另外ꎬ 含羞草(Mimosa pudica)MpPIP1ꎻ1
缺乏水通道活性ꎬ 而 MpPIP2ꎻ1 具有水通道活性ꎬ
免疫沉淀分析表明当两者共表达时ꎬ MpPIP1ꎻ1 与
MpPIP2ꎻ1形成聚合体提高水通道活性[81]ꎮ
5  展望
作为生物界中重要的膜功能性蛋白ꎬ 植物
AQPs参与了多种重要的生理过程ꎮ 近年来植物
AQPs的相关研究备受关注ꎬ 随着越来越多的植物
AQPs成功分离、 功能鉴定以及调控机理的深入解
析ꎬ 人们逐步从生理生化角度转为分子机制的探
讨ꎬ 对其在物质跨膜转运和生理代谢过程中所起的
重要作用已有全面了解ꎮ
植物 AQPs种类繁多ꎬ 功能复杂ꎬ 参与植物体
内多种生理发育过程ꎬ 有许多方面值得进一步研究
探索ꎮ 如在生物学功能方面ꎬ 水分通过跨膜转运进
入植物根部后ꎬ 再进入木质部等组织自下而上在植
物体内运输ꎻ 许多外界营养物质也是通过根部进入
植物体内ꎬ 另外ꎬ 叶片也是外界物质进入植物体内
的主要组织器官ꎬ 这些转运过程可能由 AQPs及其
它物质转运蛋白共同协作完成ꎮ 在生物系统进化方
面ꎬ 植物 AQPs中新成员(XIPs 和 HIPs)的序列分
析及功能鉴定可帮助我们更好的理解植物整个进化
分类过程ꎮ 在生理代谢功能方面ꎬ 植物 AQPs在不
同组织以及器官中的表达存在差异性ꎬ 而这些
AQPs 的转运功能也不尽相同ꎬ 这表明植物 AQPs
的表达定位与生理功能有着紧密联系ꎻ 植物体内的
生理代谢是一个复杂的过程ꎬ 不同的 AQPs是否相
互作用共同参与其中以及它们如何进行协同作用也
需进一步了解ꎮ 在活性调控方面ꎬ 植物 AQPs的活
性受多种方式调控ꎬ 在逆境胁迫(盐胁迫、 冷害、
干旱、 高温等)及免疫应答过程中起到重要作用ꎬ
但所涉及信号通路以及转录后甲基化、 糖基化、 蛋
白质间的聚合调控等分子机制还不明确ꎮ 此外ꎬ 植
物 AQPs与其它膜转运蛋白是否具有相互作用关
系ꎬ 共同参与植物膜上的生理生化反应也需进一步
研究ꎮ 以上问题的解决可以让我们系统、 深入、 全
面、 正确的理解植物生长发育过程中的生理生化过
程ꎬ 更好的阐明植物 AQPs的生理作用机制ꎬ 为农
作物的生长发育调控及高产优质提供重要的理论
基础ꎮ
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(责任编辑: 刘艳玲)
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