植物Na＋/H＋逆向转运蛋白研究进展

杜利霞，董宽虎，朱慧森

（山西农业大学 动物科技学院，山西 太谷 030801）

Na＋/H＋逆向转运蛋白是细菌、酵母、藻类、动物和高等植物的膜系统上普遍存在的一种转运蛋白，参与细胞质内的pH、Na＋浓度调节及细胞体积变化等生命活动［1，2］。在 GenBank中已经注册的Na＋/H＋逆向转运蛋白基因序列已经达到400多个，氨基酸序列达236个［3］。近年来，Na＋/H＋逆向转运蛋白基因以及该基因表达活性的调节机制，蛋白的结构功能等的研究受到学术界的广泛关注，特别是随着研究的不断深入，发现该蛋白在植物耐盐性方面起重要作用。仅从Na＋/H＋逆向转运蛋白的结构特点、生理功能及其与植物耐盐性关系方面的研究进展进行论述。

1 Na＋/H＋逆向转运蛋白的分类

1.1 质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白

植物Na＋/H＋逆向转运蛋白活性首次在大麦中发现［4］，并定位于质膜，质膜 Na＋/H＋逆向转运蛋白主要与植物对Na＋的外排有关，是植物抗拒盐离子毒害的首个屏障。

在酵母中首次克隆了质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因（SOS1）［5］。植物质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因是Shi等［6］2000年首次从拟南芥（Arabidopsis thaliana）中克隆到，植物中的SOS1定位于叶和根的质膜上，分子量为127kDa。在SOS1和其他质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白氨基酸序列中，均存在一个非常保守的Na＋结合区，没有发现氨氯吡咪（Na＋通道阻断物）结合位点［7，8］。其 N末端为一个疏水结构，可能由10～12个跨膜结构域组成，跨膜区和微生物、动物的Na＋/H＋逆向转运蛋白序列类似，SOS1序列另一个特征是它有个长的亲水尾部，将近700个氨基酸，尾部面向细胞质，就有更多机会跟那些调控逆向转运蛋白活性的诸多蛋白相互作用，以此达到调节Na＋/H＋运输，适应盐环境的目的［7，8］。Shi等［6］利用图位克隆策略克隆到的质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白SOS1基因的研究发现，该基因位于拟南芥的第2染色体上，具有22个内含子和23个外显子，编码1 146个氨基酸。

已经克隆的植物质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因（表1）。在克隆质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因过程中，研究者发现绝大多数高等植物的质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白均有单基因编码［10，11］。目前仅在海草（Cymodocea nodosa）［12］和昆诺阿藜（Chenopodium quinoa）［7］中分别克隆到2个编码质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白的基因。可见，大多数植物的质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白可能是一个单基因家族。

1.2 液泡膜Na＋/H＋逆向转运蛋白

液泡膜Na＋/H＋逆向转运活性首次被发现是在甜菜根部贮藏组织的液泡膜上［13］，之后，许多具有液泡膜Na＋/H＋交换活性的植物陆续被发现。Nass等［14］在筛选酵母cnb1突变体的抑制子时，发现了1个与耐盐性有关的新基因NHX1，它编码Na＋/H＋逆向转运蛋白，定位于液泡膜上负责将Na＋区隔化入液泡。将Na＋的区隔化入液泡，是酵母及植物降低细胞质内Na＋水平的另一途径，一方面减少了Na＋在细胞质内对细胞器的毒害作用，另一方面也降低了植物细胞的渗透势，有利于植物在高盐低渗的环境下吸收水分，维持植物的生长。

表1 克隆的植物质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因Table 1 The plasma membrane Na＋/H＋antiporters from some plants

Sardet等［15］完成了第1个液泡膜 Na＋/H＋逆向转运蛋白（NHE）的分子克隆，其氨基酸序列的亲水性图谱显示Na＋/H＋逆向转运蛋白的N末端结构域是由大约500个氨基酸形成的12个跨膜片段组成，这一区域对Na＋/H＋逆向转运蛋白的底物、Na＋的竞争性抑制剂氨氯吡咪及其衍生物敏感，是负责转运的区域；与之相连的C末端结构域由大约300个氨基酸组成，位于细胞质一侧，此结构域内含有多个蛋白激酶作用位点，能够与钙调素结合，参与多种信号反应，是调节活性的区域。酵母液泡膜上的Na＋/H＋逆向转运蛋白（NHX1）与NHE家族类似，也是内在蛋白，N末端结构域含有12个跨膜的片段，由633个氨基酸组成［14］。拟南芥的Na＋/H＋逆向转运蛋白（AtNHX）与酵母的NHX1以及人的NHE6结构相似，由538个氨基酸组成［16］。拟南芥液泡膜Na＋/H＋逆向转运蛋白可以分为9个跨膜结构域和一个亲水C端结构域；跨膜区为疏水，呈螺旋状，含有Na＋结合的重要残基。这些区域含有阳离子运输的结构，其中的3个疏水区为非跨膜结构，而与液泡膜显示出一定的关联。其N端处于细胞质中，而几乎整个的C端亲水区处于液泡膜内［17］。

表2 已克隆的一些植物液泡膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因Table 2 The tonoplast membrane Na＋/H＋antiporters from some plants

2 Na＋/H＋逆向转运蛋白的功能

2.1 Na＋的外排

Na＋从土壤向根中的单向运输有一个重要特点，就是高速。尽管Na＋的内流速率很高，但根部并没有快速积累Na＋。而且在盐渍环境中，随时间的延长，根部的Na＋含量变化不大，但地上部分的Na＋含量却趋向于升高，但速度很慢，这暗示穿过质膜的Na＋外流量很大［18］。Na＋外排是避免Na＋在细胞质中积累的一种直接途径。植物将Na＋排出细胞外时需逆着电化学势梯度，是一个主动运输过程。在高等植物中，Na＋的外排是通过质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白实现，且质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白的基因是高等植物中唯一具备将Na＋排到细胞外功能的离子平衡调节基因［19］。质膜 H＋－ATPase（P－ATPase）用水解ATP产生的能量将H＋从细胞质中泵出细胞，产生跨质膜的 H＋电化学势梯度，提供能量，从而驱动质膜上的Na＋/H＋逆向转运蛋白，使H＋顺其电化学势进入细胞，Na＋则逆电化学势排出细胞［20］。这一点已经得到Vitart等的证实［21］。

2.2 Na＋区隔化

无论是盐生植物还是非盐生植物的细胞质中酶对Na＋都非常敏感。为了保持胞质内Na＋的非毒性水平，植物细胞除了将胞质中的Na＋排出细胞以外，另一个途径就是将细胞质中的Na＋区隔化入液泡。Na＋区隔化至液泡中后，一方面降低了胞质中的Na＋浓度，避免胞质中过高Na＋对生理生化代谢的干扰；另一方面还可降低植物细胞水势，促进植物从外界吸水，从而有利于植物在盐渍化土壤上的生存。Na＋进入液泡是通过液泡膜上的 Na＋/H＋逆向转运体完成［22，23］。液泡膜上的Na＋/H＋逆向转运蛋白行使功能需要依赖于液泡膜上的H＋－PPase和H＋－ATPase所产生的跨膜质子电化学势梯度为驱动力，将胞质Na＋区隔化入液泡中。这意味着通过增大液泡膜质子泵基因表达来增大H＋跨膜梯度，可以为液泡膜Na＋/H＋逆向转运蛋白介导Na＋/H＋交换提供更强大的驱动力，这样就有可能将细胞质中过多的Na＋区隔化到液泡内腔中，增强细胞的耐盐性。该观点已由Li等［24］证实，研究过量表达盐地碱蓬 Na＋/H＋逆向转运蛋白基因SsNHX1和拟南芥液泡膜焦磷酸酶基因AVP1的拟南芥植株比野生型拟南芥植株有更强的抗盐能力。从而证明，盐胁迫下液泡膜上的Na＋/H＋逆向转运蛋白、H＋－PPase和 H＋－ATPase三者需要协调工作，才能最有效的将细胞质中过多的Na＋区隔化入液泡，这样，Na＋含量可降低到无毒害水平，从而增加植株的耐盐性。

2.3 调节pH值

SOS1外排Na＋的同时，将细胞外的H＋转运至胞质中，使细胞质酸化，从而有利于细胞质中代谢活动的正常进行［25，26］。SOS1的 Na＋/H＋转运活性受到抑制时（如SOS1突变），拟南芥根部H＋内流受到抑制，细胞质发生碱化，pH值显著升高［27］。由此可见，质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白具有调控细胞pH值的功能［28］。Na＋/H＋逆向转运蛋白影响细胞质或细胞器pH的变化，同时也影响细胞生长对环境pH的要求。如野生型拟南芥的细胞质pH约为7.0，但chx2321突变株则为7.4，突变株在pH 4.0的环境下较pH 7.0的环境中生长良好［29］。啤酒酵母在碱性条件下，利用质膜Na＋－ATP酶将Na＋泵出胞外，但在酸性环境下则是利用Na＋/H＋逆向转运体将Na＋排出细胞。可见，Na＋/H＋逆向转运蛋白参与了细胞质内pH的调节。

3 Na＋/H＋逆向转运蛋白与耐盐性的关系

目前酵母和高等植物的Na＋/H＋逆向转运蛋白倍受重视，Na＋通过Na＋/H＋的逆向转运在液泡中积累或排除细胞质外是植物耐盐性的重要机制［30，31］，是盐生植物和耐盐甜土植物的主要特征［32，33］。甜土植物体内不存在Na＋/H＋逆向转运蛋白基因，有无盐处理都不显示Na＋/H＋逆向转运活性；耐盐的甜土植物通过NaCl胁迫诱导出Na＋/H＋逆向转运活性：如75mmol/L NaCl和150mmol/L NaCl处理向日葵，其根部液泡膜微囊上的Na＋/H＋逆向转运蛋白对Na＋的 Km 分 别 为 64mmol/L 和 8mmol/L，而Vmax不变，说明盐处理没有改变Na＋/H＋逆向转运蛋白的数量，只是Na＋激活了已经存在的Na＋/H＋逆向转运蛋白［34］；盐生植物Na＋/H＋逆向转运活性是结构性的，无盐条件下Na＋/H＋逆向转运活性较低，盐处理后由于Na＋/H＋逆向转运蛋白的合成增加，其活性也增加，所以说Na＋/H＋逆向转运蛋白的有无及其活性高低与植物的耐盐性密切相关。

土壤盐渍化是农业生产面临的最严重的非生物逆境之一，工程措施解决盐渍化的可能性甚小，因而培育耐盐的作物品种是未来农业发展的有效途径。对于植物耐盐工程而言，获得关键的耐盐基因尤为重要，Na＋/H＋逆向转运蛋白在植物抵御盐胁迫中发挥着重要作用，这类蛋白可以维持Na＋在植物体内的稳态，从而减轻过多的Na＋对细胞造成的毒害。随着人们对植物耐盐性机理的进一步了解和分子技术的提高，对该基因分离、克隆，并转移到非抗盐的农作物中，对与传统的育种方法结合，会得到大量的抗盐性植物新品种改良盐碱地，经济效益可观，应用前景广阔。

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