植物中的水孔蛋白.docx

植物中的水孔蛋白目录1、 植物中的水孔蛋白简介2、 植物水孔蛋白的发现3、 植物水孔蛋白的结构及生化特性4、 植物水孔蛋白的分类5、 植物水孔蛋白的功能5.1水孔蛋白促进植物体内水分运输的功能5.2水孔蛋白对细胞的渗透调节作用5.3参与气孔运动5.4参与光合作用5.5调节植物对中性分子（甘油、NH、尿素）和营养元素（硼、硅）的吸收5.6参与开花生理5.7参与果实的发育与成熟、种子的成熟与萌发5.8还参与栓塞的修复5.9还能防止渗透伤害6、 水孔蛋白的调控6.1基因表达6.2翻译后修饰6.3调控6.3.1转录水平调控6.3.2磷酸化调控6.3.3 pH 调控6.3其他调节机理7、 水孔蛋白与植物抗旱性、抗盐性一、植物水孔蛋白简介水孔蛋白(aquaporin, AQP)是指细胞膜上能选择性地高效转运水 分子的膜内在蛋白，属于MIP(major intrinsic protein)超家族， 分子质量在23〜31 ku[1]. 1988年，Agre研究小组最先从人红细胞 质膜中分离得到水孔蛋白CHIP28蛋白，即AQP1[2]. 1992年他们在 爪蟾卵母细胞表达系统中对所得蛋白质进行功能鉴定，第一次从分子 水平证实细胞膜上存在蛋白质介导的水分跨膜转运[3]. 1993年， Maurel等[4]从拟南芥中分离得到第一个植物水孔蛋白Y -TIP.迄今， 已在真细菌、古生菌、真菌、动物和植物等几乎所有生物中发现 AQP[5]. AQP 的发现及其结构和功能的研究，为人们从分子水平认识和阐明细胞内 水分运输及其调控的分子机制奠定了基础.本文着重就植物AQP的多 样性与分类、结构特征、生理功能、活性调节及基因表达调控等方面的最新研究进展作简要综述.二、植物水孔蛋白的发现在植物中发现水孔蛋白并不是由于寻找有水分转运活性的蛋白， 或者研究植物水分生理的结果。

而只是因为这些蛋白在细胞膜上丰度 比较高而发现了这些膜内在蛋白(MIP,major intrinsic membrane protein) o a -TIP是一种种子特异性表达的液泡膜内在蛋白，占蚕 豆下胚轴总提取蛋白的2%,很容易用TritonX-114提取出来，再利 用去污剂分相纯化得到（Johnson等，1989）Maurel等克隆到了与 -TIP同源的Y -TIP，并且发现Y -TIP与细胞的膨大有关（Maurel等， 1993）来自拟南芥的Y -TIP在爪蟾卵母细胞中表达时，具有水孔蛋 白的活性（Maurel等，1993）,这是在植物中首次发现水孔蛋白所 以说AQP1功能的确定为植物水孔蛋白的发现奠定了基础 （Chrispeels 等，1994； Preston 等，1992）随着 RT-PCR 等分子生 物学技术的应用，又发现了许多种植物水孔蛋白三、植物水孔蛋白的结构及生化特性1、植物水孔蛋白的结构特征AQP家族都具有高度保守的结构特征.AQP以四聚体形式存在， 而每个单体形成独立的水通道.每个AQP单体都含有由5个短环（loop） 相连的6个亲水的跨膜a螺旋.N端和C端伸入细胞质，B、D环位于 细胞内，A环、C环及E环在细胞外.其一级结构呈内部同源性，即 它的N端及C端的氨基酸具同源性，以对称形式存在，这被推测为是 基因内部扩增而成.B环和E环各含有高度保守的氨基酸序列：天冬 酰氨-脯氨酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala，NPA）.已知序列的MIP蛋白中几 乎均具有该结构域.胞内的B环和胞外的E环各自形成半个跨膜螺旋， 并围绕成腔型使NPA折叠形成狭窄的水孔，形成“水漏模型” （hour-glass model）参与AQP的活性调控.大多数AQP均有一个对 Hg2+敏感的残基Cys189，其邻近的NPA结构域结合Hg2+后水孔受阻 塞，因此常用HgCl2研究AQP的通透性.到目前为止，人们已经获得 了 18个AQP的结构特征，为AQP对水和其他溶质的通透机制提供了 精细的信息.T觟rnroth-Horsefield等获得菠菜(Spinacia oleracea)SoPIP2;1在关闭和开放状态下的X衍射结构，分辨率分别 为2.1的和3.9的.在关闭构象中D环从胞质端盖在通道上方，从而 封闭水通道，在开放构象中D环位移16的而打开水通道.2、植物水孔蛋白的生化特性与脂双层扩散相比，水通道蛋白具有活化能低＜20.9kJ/mol,水通 透系数高＞0.02 cm/s,无温度依赖性，对汞敏感,相对专一性选择运转 水分子等特性,使它具有大量快速跨膜转运水分子的优势。

也不同于 许多离子通道需要大量耗能主动运输，水孔蛋白是在水势梯度的驱动 下进行被动水分跨膜运输的[1],因此它耗能少、效率高这样才使得 植物能在短期大量转运水分来达到水分平衡，适应多变的外界环境或 是完成某些特殊的生理生化过程四、植物水孔蛋白的分类AQP在植物中分布广泛，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、水稻等许多植物中都发 现了 AQP[1,5]. AQP是由多基因家族编码的.在拟南芥中已发现有 35个基因编码AQP，而玉米和水稻中也存在33个AQP基因[1,6].最 近在非维管束植物球蒴藓(Physcomitrella patens)中发现有23个AQP 基因[7].根据氨基酸序列的同源性及结构特征，通常将植物AQP分为5类 (表 1):质膜内在蛋白(plasmamembrane intrinsic proteins, PIPs) 位于质膜上，分为PIP1、2、3三个亚类；液泡膜内在蛋白（tonoplast intrinsic proteins, TIPs）处于液泡膜上，分为a、&、Y、和£ -TIP 五个亚类；类Nod26 膜内在蛋白 (nodulin 26-like intrinsic proteins, NIPs）存在于根瘤菌和豆科植物的共生膜上；小分子碱性 膜内在蛋白(small and basic intrinsic proteins，SIPs)，分为SIP1 和 SIP2 二个亚类；以及类 GlpF(glycerolfacilitator)膜内在(GlpF-likeintrinsicproteins ，GIPs)[8-10]Classification, cell localization and transport vity of plant aquaporins植物AQP的分类.钿物定位和运输.选择性基因类型亚类细胞定位运输选择性PIPsPIP1、PIP2 和 PIP3质膜水油和廿氨酸s I lP液泡膜水、氨水、尿素* gNIPsNOD26 刑 L1P2质膜、细咆内膜水川.油、尿素.硼酸 fl硅等SIPsSJP1 fl SJP2内质网水及其他小分子G]]\/jiGlPMDTD 壬H TTH 土[7 国二CJ能在成膜人/冲：甬［首廿油,对水没仃或只fit■及低的讪透性NTTTD 台匕 曰口』本 巳水和甘油等多种小分子的跨膜运输.除了 NOD26，大部分NIP对水的，通透性较差［5］. SIPs是植物AQP中的最小家族，其N端极短，C端可能存在内质网膜定位信号[11].在酵母中表达时，SIP1表现出水通道的活性，而SIP2则可能是其他小分子或离子的运输通道[11]. GIPs是在苔藓植物球蒴藓中发现的甘油特异性AQP,类似于大肠杆菌中的细菌甘油转运通道 (Escherichia coliglycerolfacilitator, EcGlpF) .系统发育分析表明[8],与EcGlpF具有高度 相似性的PPGIP1-1是通过细菌的甘油转运通道基因的水平转移而 来，并通过PpGIP1-1在爪蟾卵母细胞中的表达进一步证实，其对甘 油有很高的通透性，而对水没有或者只有极低的通透性.最近， Danielson和Johanson[7]分析苔藓植物球蒴藓全基因组时发现23个 AQP基因，它们分别属于已知的PIPs、TIPs、NIPs、SIPs和GIPs五 类 AQP 以及 HIP(hybrid intrinsic proteins)和 XIPs(X intrinsicproteins，XIPs)两个新类别.目前，HIP仅见于球蒴藓中，科普 I The tvolutkin of the MH* siiperfimiJ% in plant%1' 图I植物MIP超家族的进化口而XIPs除存在于球 蒴藓中之外，还在蓖 麻 (Ricinus communis)、毛果杨 (Populus trichocarpa)、茄属 的 Solanumlycopersicu 和 柑橘 属 的Citrusclementina等双子叶植物中发现.据此，植物AQP的最新分类被扩展到7类 [5,7].另外，他们的研究还表明，早期陆生植物的MIP超家族是一 个多样性丰富的家族，祖先植物可能具有在现存苔藓中发现的MIP超 家族的7类AQP.高等植物在进化过程中GIP和HIP丢失，随后XIP 在单子叶植物的进化中丢失（图1）五、植物水孔蛋白的功能1、水孔蛋白促进植物体内水分运输的功能许多植物不同部位都分布有水通道蛋白，流经根中的水有 70%~90%通过水通道蛋白来传输，该途径是水进出细胞的主要途径。

水 分在植物体内的大量运输是通过维管系统长距离运输实现的根吸收 的水分经过凯氏带进入导管,茎、叶又从导管中获取水分，这些生理过 程都有水孔蛋白的参与拟南芥中发现的水通道蛋白6-TIP主要存 在于茎的维管束中，作用是在幼嫩的维管束细胞中产生水的流动，而 在成熟的维管束组织中保持水的透性水孔蛋白的主要功能是通过增 加渗透势或水力学导度来增加跨膜水流速率PIP及TIP共同协调细 胞质渗透势来维持植物正常的代谢过程，体内蛋白抑制及反义突变研 究表明，水孔蛋白对植物体内水分的大量流动很重要从海洋植物中 分离出两种水孔蛋白编码基因PoPIP1;1和PoTIP1;1,通过在爪蟾卵 母细胞中表达说明它们具有水分运输的功能;不同品种的植物从遮荫 处移至日光下，其根系水导度下降究其原因可知，此反应对HgCl2很 敏感，且与水孔蛋白密切相关的细胞一一细胞运水路径受到阻碍，反 面证明了水孔蛋白的运水功能;将6个RsPIPs和2个RsTIPs基因转 入缺少内源水孔蛋白基因的Saccharomyces cerevisiae BT5458中， 通过阻流层析对其酵母转化体中的膜水通透性进行了检测，得出处理 比对照分别高出10倍和5倍(RsPIPs, RsTIPs),说明水孔蛋白增加了 膜水通透性，具有促进水运转的功能。

2、水孔蛋白对细胞的渗透调节作用水孔蛋白存在于不同类型细胞的液泡膜上，这表明许多植物细胞 具有高度的液泡膜水分渗透性 液泡膜上的水孔蛋白能减少对跨细胞 水分运输的液泡阻力，在烟草悬浮培养细胞和洋葱表皮细胞中，液 泡膜的渗透性为原生质膜渗透性的100倍，这表明水孔蛋白在液泡膜 上水分运输方面具有另外一种作用在许多成熟的植物细胞中，液泡占据细胞内大部分体积，而原生 质仅仅占据液泡与原生质膜之间的狭小空间液泡膜上无限制的水分 运输可以使植物细胞有效地利用巨大的液泡空间来缓冲细胞质内的 渗透漩动这样就可以避免细胞质的坍塌或膨胀，尤其是在细胞问隙 的某些变化引起细胞内渗透发生突然变化的时候，这种作用更为突 出在拟南芥细胞中，质膜体(plasmalemma—some)深深地突人到液 泡之中，原生质膜水孔蛋白聚集于质膜体上［272,这可能有利于液泡 和质外体之间进行水分交换，而细胞质的渗透波动很小因此，在植物 细胞中水L蛋白具有很强的。