513郑洁 植物水孔蛋白.docx

本科生毕业论文设计）题目：植物水孔蛋白所在院系：生物科学与化学学院 专 业： 生物科学姓 名： 郑洁学 号： 1810910015指导教师： 徐国华论文完成日期： 2011 年 5 月目录摘要 1关键词 1一. 水孔蛋白的发现 1二. 植物水孔蛋白的基本结构及生化特征 1三. 植物水孔蛋白的类型和分布 2四. 植物水孔蛋白的功能 21. 增强生物膜对水的通透 22. 运输小分子物质 23. 参与光合作用 24. 参与氮代谢 25. 参与硅与硼的代谢 26. 参与开花生理 27. 参与果实的发育与成熟、种子的成熟与萌发 38. 参与气孔运动 39. 水孔蛋白在逆境调节中的功能 3五. 水孔蛋白的调节与调节物质 41. 水孔蛋白的调节 42. 水孔蛋白的调节物质 4六. 结语与展望 4参考文献 4致谢 5植物水孔蛋白摘要：水孔蛋白是水专一性通道蛋白， 属于膜内在蛋白的一类，普遍存在于动、植物及微生物中，其种 类繁多、分布广泛， 与植物体内水分的快速、高效运输密切相关就水孔蛋白的发现、类型和分布、分子 结构和生化特性、调节及其生理功能进行简单综述 关键词：水孔蛋白；结构；生理功能一 水孔蛋白的发现长期以来，人们普遍认为水仅以弥散的方式通过脂质双分子层，但难以解释某些细胞对 水的通透特别高的现象。

1988年Agre研究小组从人的红细胞膜上分离到一种分子量为28kDa的未知蛋白，即为 细胞膜水通道随后他们在爪蟾卵母细胞表达系统中对得到的蛋白进行了功能鉴定, 证明其 参与了膜上的水分运1997年基因组命名委员会正式将其命名为AQP1 •现在已经知道，水孔 蛋白(aquaporin,AQP)是一类介导水分快速跨膜转运的膜内在蛋白，属于MIP(major intrinsic protein)家族，分子量在25-33kDa［l, 2］水孔蛋白几乎存在于所有的生物体内， 包括人，动植物、酵母和细菌等, 是一类古老的膜蛋白迄今，已在真细菌、古细菌、动物 和植物等几乎所有生物中发现AQPAQP在植物中的分布广泛，具有丰富的多样性到目前为 止，在拟南芥、烟草、菠菜、马铃薯、胡萝卜、玉米、水稻等许多植物中均有发现二 植物水孔蛋白的基本结构及生化特征水孔蛋白与膜内在蛋白(membrane intrinsicprotein, MIP)具有很高的序列同源性和结 构相似性，于是将其归类为MIP家族，其结构具有MIP家族的典型特征:其单体的一级结构由 6个跨膜结构域(通过五个亲水环A、B、C、D、E相连)和两端短的N、C端组成。

其中B、 D环位于膜细胞质一侧，A、C、E环位于膜另一侧其一级结构内部同源性，即它的N端蛋 白与C端蛋白具有同源性，以一种对称形式存在另外，B环和E环具有高度的同源性，并 且都存在有天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸NPA的重复串联序列因此，NPA是水通道家族成员共 有的特征性结构，它直接参与了水通道的形成同时，B环和E环各自形成半个跨膜螺旋， 参与水孔蛋白活性的调控E环NPA盒前的半胱氨酸是水孔蛋白的汞抑制部位；汞离子和有 机汞可以通过与半胱氨酸结合而封闭水通道［2］虽然研究表明水孔蛋白单体即有水通道的活 性，但在活体生物膜上通常以四聚体的形式存在，每一亚单位在功能上都可以作为一个单水 通道它的四级结构是由四个对称排列的各长5nm,直径3.2nm的圆筒状亚基包绕而成的四 聚体目前对于组成四聚体形式的原因和意义仍然未被揭示三 植物水孔蛋白的类型和分布AQP在植物中分布广泛，具有丰富的多样性，根据分布及序列的同源性可以分为五个亚 类：质膜膜内蛋白(plasma membrane intrinsic proteins,PIPs)、液泡膜膜内蛋白 (tonoplast membrane intrinsic proteins,TIPs)、类Nodulin26(N0D26)膜内蛋白 (Nodulin26Tike MIPs,NIPs)、小分子碱性膜内蛋白(small and basic intrinsic prot eins,SIPs )和 GlpF(glycerol faci litator)膜内蛋白(GlpF—like intri nsic proteins,GIPs)。

有研究表明，大部分PIPs和TIPs都属于水选择性通道蛋白，分别位于细 胞质膜和液泡膜上；NIPs则能同时介导水和甘油的跨膜运输；Nod26存在于根瘤菌和豆科植 物的共生膜上SIPs定位于细胞内的内质网上，其N端极短，C端可能存在于内质网膜定位信 号GIPs存在于苔藓植物和大肠杆菌中［2］四 植物水孔蛋白的功能1．增强生物膜对水的通透性水孔蛋白能增加生物膜对水分的通透性, 实现水分快速跨膜运输, 有效调节细胞内外 的渗透平衡拟南芥质膜水孔蛋白基因PIPbl在烟草中异源表达，发现转基因烟草在正常长 条件下，其生长速率、蒸腾速率、气孔密度以及光合效率均明显增加(Aharon等2003) Lienard等(2008)研究证实在古老的陆地植物小立碗藓发育的多叶阶段 水孔蛋白有助于 快速补充水分, 弥补因蒸腾作用造成的水分丢失［3］2. 运输小分子物质与动物、细菌的水甘油通道蛋白相似，许多植物的AQP能够转运中性小分子甘油、H202、 尿素、NH3、CO2、硅酸、硼酸和甲酰胺等NOD26能够运输水分和甘油，同时也能运输甲酰 胺；烟草(Nicotiana tabacum) NtAQP1 可同时运输水分和甘油；豌(Pisumsativum)PsNIPl 是 水甘油通道，而PsPIP1;1可能运输甘油和甘氨酸。

3．参与光合作用有证据显示植物AQP参与CO2的跨膜运动，进而影响光合作用研究发现，烟草植物 NtAQP1参与CO2的膜运输，并在光合作用和气孔开放中具有重要功能NtAQP1过量表达能 提高植株对CO2和水的通透性，促进叶片生长Flexas等研究证实，烟草植物NtAQP1可介 导CO2在叶肉内运输与野生型烟草相比，NtAQP1过量表达植株对叶肉细胞CO2的导度提高 20%、光合作用速率提高20%.在同样条件下，转反义NtAQP1植株叶肉细胞对CO2的导度和光 合作用速率比野生型烟草分别下降13%和30%［4］4. 参与氮代谢AQP运输尿素和NH3等含氮小分子对于植物氮代谢具有重要作用［5］. 一些水孔蛋白基因 的表达依赖于含N化合物，如硝酸盐强烈地诱导玉米(Zeamays)ZmPIP1;5b的表达，长期的N 饥饿或者短期的NH4+供给诱导AtTIP2;1的表达有研究表明，N素缺乏时(不供应尿素时) 拟南芥AtTIP2;1、AtTIP1;1、AtTIP1;2和AtTIP4;1在根部的表达上调5. 参与硅和硼的代谢植物中存在专一性的铵根离子的转运载体，即AMT/MEP/Rh蛋白家族，但氨在植物细 胞内的运输则可能依赖于水孔蛋白。

大豆根瘤中类菌体外周膜对氨气的通透性能被氯化汞部 分抑制，于是推测Nod26可以运输氨气在水孔蛋白介导的氨气运输过程中，其质子化状态 可能处于动态变化中首先水孔蛋白被质子化，使得氨气分子易于进入水通道，随后质子被 传递给氨气形成铵根离子，水孔蛋白去质子化引起构像改变，使铵根离子释放到膜内［2］硼能够稳定植物细胞壁和细胞膜缺硼能抑制细胞壁的合成，以致细胞分裂和伸长受 阻；抑制花的发育，导致结实率下降，果实发育畸形；引起雄性不育，种子发育异常由于 硼的再利用程度很低，因此植物必须通过根不断从土壤中以硼酸的形式吸收硼元素At NIP5；1对拟南芥硼代谢有意义，也表明植物对硼的吸收同时依赖于被动扩散和水孔蛋白介导的主 动运输，水孔蛋白的开张有利于硼的吸收［2］水稻水孔蛋白Lsil能专一性介导根皮层细胞对硅的吸收，这对水稻的抗病、抗倒伏 的研究可能有意义6. 参与开花生理AQP参与植物的花药开裂、花粉识别、花粉萌发和花朵开放Bots等利用NtPIP2基 因的RNA干扰技术研究表明，NtPIP2的表达为花药发育所必需，RNAi植株花药脱水减慢， 花药开裂延迟Ma等发现，月季(Rosa hybrida)RhPIP2;l参与乙烯诱导的花朵开放， RhPIP2;l在花瓣表皮细胞中高度表达，其表达量在花朵盛开前期随开放进程逐渐升高，达 到盛开后迅速下降。

外源乙烯处理可显著降低RhPIP2;1的表达，而1-MCP处理可提高其表 达，表明RhPIP2;1基因在月季花瓣伸长中起着重要作用7. 参与果实的发育与成熟、种子的成熟与萌发棉花(Gossypium hirsutum) GhAQP1主要在胚珠中表达，在开花后9天的胚珠中表达 量最高，表明其表达不仅具有组织特异性，而且受到胚珠发育调节对多种植物种子成熟与 萌发过程的研究表明，a-TIP为种子所特有，在蛋白质贮藏囊泡中表达，并在种子萌发及 幼苗初期消失豌豆PsPIP1;1、PsPIP2;1和PsTIP1;1在萌发种子中表达，而未见 PsNIP-1的转录；在成熟干种子中，仅见PsPIP1;1的大量转录，而未探测到PsPIP2;1， PsTIP1;1 和PsNIP-1的转录，推测PsPIP1;1可能参与种子吸水萌发过程8. 参加气孔运动—些研究表明AQP可能参与气孔的运动蚕豆(Vicia faba)BBAQ1在蚕豆保卫细胞中 特异表达，而在其他表皮细胞中几乎不表达菠菜SoPIP1;1也是定位于保卫细胞上向日葵 (Helianthus annuus)叶片保卫细胞中SunTIP7的转录丰度存在昼夜变化，夜晚气孔关闭时 达到峰值，意味着SunTIP7在保卫细胞水分流出中起着重要作用。

不过，AQP在气孔运动的 作用机制目前尚不是很清楚，值得进—步研究9. 水孔蛋白在逆境调节中的功能根系细胞中的水孔蛋白的活性在干旱时消失，水孔蛋白的关闭功能限制水分流失到干 旱的土壤中，从而增加了植物对干旱的耐受能力冷害条件下大米水孔蛋白的表达受到抑制， 说明水孔蛋白基因表达的变化对耐冷反应很重要植物受到盐胁迫时，其光合作用类型会从 C3转变为CAM，此时水孔蛋白的含量也有所变化叶细胞膜中水孔蛋白的含量下降，根中基 本保持不变这—差异直接反映了逆境下叶中水孔蛋白含量的变化与光合作用类型的变化相 关［1］五 水孔蛋白的调节与调节物质1. 水孔蛋白的调节水孔蛋白一级结构中E环NPA盒前的半胱氨酸是水孔蛋白的汞抑制位点，因此水孔蛋 白活性的调节受到汞和有机汞的调节外界环境如干旱、高盐、生长激素(脱落酸、赤霉素、 油菜内酯)、光质(蓝光)、低温、营养亏缺及病原体微生物的侵染也均能诱导水孔蛋白基因 的表达此外，水孔蛋白的活性也受PH值、钙离子、重金属离子(氯化汞、硝酸银)磷酸 化、多聚化和异源蛋白间相互作用等影响［2］2. 水孔蛋白的调节物质(1) 抑制剂：① 汞制剂AQP1、AQP2、AQP3都是汞敏感水通道，受汞化合物的抑制。

在水通道的结构中，定位在AQP1E环的NPA序列前有一半胱氨酸(C-189)，被认为是 汞抑制部位，汞离子和有机汞通过与C-189结合，从而阻塞或破坏这个孔，降低水的通透性AQP2的相关部位也有半胱氨酸存在，因而对汞敏感AQP3对汞敏感的相应的部位无半胱氨酸，推测其是由于在B环靠近NPA处有一半胱氨酸 (C-78),因而对也汞敏感② 四乙铵：四乙铵通过与AQP1蛋白E环一个酪氨酸186残基的OH-基团相互作用，影响 AQP1对水的通透性③ 锂制剂:诱导AQP2向下调节④ 秋水仙碱:诱导AQP1在细胞内分布，有巨大变化⑤ 碳酸酐酶抑制剂:乙酰挫胺对水通道转运水的功能有一定抑制作用⑥ 乙醇、乙晴:这两种物质通过介入细胞膜脂质而影响AQP1水。