植物氨基酸转运蛋白的研究进展

彭波　孙艳芳　庞瑞华　宋晓华　李慧龙　周棋赢　袁红雨　宋世枝

摘 要 氨基酸对植物的生长与发育必不可少，氨基酸转运蛋白在植物体内各种氨基酸的转运过程中发挥极其重要的作用。目前已经鉴定了多种氨基酸转运蛋白，并且许多重要的植物基因组序列已经完成了拼接和组装工作，但人们对氨基酸转运蛋白的功能与调节还知之甚少。本文综述了植物氨基酸转运蛋白的进化、表达、功能及调控方面的新进展，以期为主要粮食作物的遗传改良提供借鉴与参考。

关键词 氨基酸转运蛋白；进化；表达；功能；调控

中图分类号 Q94-3 文献标识码 A

Abstract Amino acid transporters have essential roles in the transport of a broad range of amino acids， which are indispensable in plant growth and development. While many putative amino acid transporters have been identified and the complete genomic sequences of the important plants have already been completed by splicing and assembling， there is still little known about the regulation of amino acid transporter function. This study mainly reviewed the evolution， expression， function and regulation of amino acid transporters in plants. This review would provide useful references for staple food crops in plants.

Key words Amino acid transporter；Evolution；Expression；Function；Regulation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.06.031

氨基酸在植物的生长、发育和代谢过程中发挥重要的作用，这是因为氨基酸是植物体内各种酶和蛋白质合成的基本元件，并且氨基酸是植物体内核酸、叶绿体、激素和次生代謝等物质的前体或者氮素的来源，而这些物质是植物的生长和发育所必需的物质。植物的根或叶片组织细胞内的质体、细胞质、线粒体以及过氧化物酶体都可以合成氨基酸[1]，植物还可以直接从土壤中吸收氨基酸或者将无机氮最终转化为氨基酸[2]。在植物体内合成或者从体外吸收的氨基酸有的立即被代谢、有的经过短暂存储或者通过韧皮部转运到正在生长的部位或者植物的库器官[3-4]，在这些过程中氨基酸转运蛋白（Amino acid transporters， AATs）是必不可少的。大量研究结果还表明，氨基酸转运蛋白是植物代谢过程中关键的调控因子[3-9]，对植物的生长和发育起十分重要的作用。

在过去的十几年里，氨基酸转运蛋白在植物领域的研究取得了巨大进步[3，9]，研究对象由原来以拟南芥为主逐渐发展到以重要粮食作物为主，越来越多的氨基酸转运蛋白基因在作物中被分离、克隆以及功能分析[9-10]。因此本文综述了氨基酸转运蛋白在植物研究中的新进展，包括氨基酸转运蛋白的进化、表达、调控与功能等方面的研究结果，以期为氨基酸转运蛋白在植物特别是重要粮食作物中的深入研究提供参考。

1 氨基酸转运蛋白的进化研究

氨基酸转运蛋白不仅存在于植物中，在细菌、真菌、酵母和动物中也发现了许多氨基酸转运蛋白。研究表明在动物、植物和真菌中氨基酸转运蛋白相对比较保守[3，11]。氨基酸转运蛋白的基因至少有5大基因家族，如氨基酸-多胺-胆碱（Amino acid-polyamine-choline，APC）超基因家族、二羧酸钠同向转移（Sodium-dicarboxylate symporter， SDS）超基因家族、神经传递素（Neurotransmitter superfamily，NTS）超基因家族、氨基酸转运蛋白超家族1（Amino acid transporter superfamily 1， ATF1）和主要促进因子家族内的氨基酸转运蛋白超家族（Amino acid transporters within the major facilitator superfamily，MFS）[6]。在植物中，APC转运蛋白超家族中包含两个基因家族：氨基酸/生长素透性酶家族（Amino acid/auxin permease， AAAP）和APC家族（APC family）。而AAAP包括氨基酸透性酶（Amino acid permeases，AAPs）、类似赖氨酸和组氨酸转运蛋白（Lysine-histidine-like transporters，LHTs）、脯氨酸转运蛋白（Proline transporters，ProTs）、γ-氨基丁酸转运蛋白（γ-aminobutyric acid transporters，GATs）、类似ANT1的芳香族和中性氨基酸转运蛋白（ANT1-like aromatic，and neutral amino acid transporters）、生长素转运蛋白（Auxin transporters，AUXs）[1，6，8，11]。APC家族在植物中包括阳离子氨基酸转运蛋白（Cationic amino acid transporters，CATs）、氨基酸/多胺转运蛋白（Amino acid/choline transporters， ACTs）和多胺氢离子同向转运蛋白（Polyamine H+-symporters， PHSs）[8，12-13]。

在拟南芥中，目前已经鉴定到超过60种氨基酸转运蛋白，其中研究最深入的是AAP和LHT，包括它们的特异的底物、基因定位和生物学功能等方面的研究较系统[2-3，8]。在拟南芥中AAP家族一共有8个成员（AtAAP1-AtAAP8），而赖氨酸和组氨酸转运蛋白基因家族（LHTs）有10个成员（AtLHT1-10），其中AtLHT1最早被發现，它主要参与氨基酸的选择性运输[14-18]。从进化的角度来分析LHTs和AAPs两大家族的蛋白发现，在植物界中LHTs家族的蛋白在绿藻中最先出现[3，19-23]，相对AAPs大家族的蛋白来说比较原始，但是进一步研究发现LHT和AAP两大家族的蛋白明显不同，这暗示着LHT和AAP两大家族的蛋白成员在功能及其调控方面可能存在差异。

目前关于氨基酸转运蛋白在水稻中的研究较少。将水稻中所有可能存在的85个氨基酸转运蛋白进行分析发现它们在水稻的12条染色体上都有分布，而大部分氨基酸转运蛋白属于AAAP超家族，也有一部分属于APC超家族，其中有很多结构域在不同的氨基酸转运蛋白中都相对比较保守[8]。在这85个基因中有47个基因在进化过程中发生复制事件，存在单独复制，也有串联重复的氨基酸转运蛋白[8]。Lu等[10]对水稻的氨基酸转运蛋白基因家族进行了深入研究，79个已发现的氨基酸转运蛋白基因分别分布在水稻的11条染色体上（除了第9染色体上）。根据其全长蛋白质序列进行聚类分析，揭示水稻中的氨基酸转运蛋白可以分为A、B、C和D 4个亚族，分别包括8、28、15和28个氨基酸转运蛋白。随着水稻中氨基酸转运蛋白研究的逐渐深入，相信在其它重要粮食作物（如小麦、玉米）中会有越来越多的氨基酸转运蛋白被发掘、克隆乃至功能的解析。

2 氨基酸转运蛋白的表达研究

在研究基因功能的时候经常会用到基因敲除或者抑制基因的表达等策略，但是在对拟南芥氨基酸转运蛋白功能的研究时，这些突变体并不一定能够产生预期的效果。例如：在相同的生长条件下，AtAAP3的T-DNA插入突变体和野生型并没有明显的差异；还有AtAAP1的RNAi突变体的表型也和正常对照的拟南芥一样[4，24]。AtAAP2、AtAAP5和AtAAP6能够在拟南芥的根中与AtAAP3共表达，并且这三个基因编码的氨基酸透性酶与AtAAP3在拟南芥体内运输相似的氨基酸。因此，AtAAP2、AtAAP5和AtAAP6或许可以在某种程度上互补AtAAP3的功能[4]。与之相类似的是AtAAP5主要在原叶、花和种子中表达，这种表达模式与AtAAP1很类似，可能AtAAP5能够互补AtAAP1的功能而导致AtAAP1的突变体中表型无明显改变。

对氨基酸转运蛋白基因的表达研究主要是利用RT-PCR、qRT-PCR、启动子融合GUS基因表达、原位杂交、亚细胞定位、免疫组化和启动子融合GFP蛋白等策略[4，9，25]。AtAAP2、AtAAP4和AtAAP5这3个基因主要在原叶、茎和花中表达；AtAAP1在拟南芥的种子中表达；AtAAP2在拟南芥的长角果、叶片、茎、花梗和成熟植株的微管组织中表达，它可能在氨基酸的长距离转运的过程中发挥重要的作用[25-28]。AtAAP3主要在根的微管组织中表达，也观察到它在雄蕊裂开前在结缔组织中短暂表达[24]。AtAAP6主要在根和叶中表达，也观察到它在木质部的薄壁组织中表达。因为AtAAP6对酸性和中性氨基酸有很强的亲和力，并且氨基酸在木质部中的含量很低，这暗示着AtAAP3可能在从木质部吸收氨基酸的过程中起很重要的作用[26，29-30]。AtAAP8在幼小的长角果和发育的种子表达，因此它和AtAAP1一样可能参与氨基酸向种子中转运的过程[3，31]。AtLHT1基因发现在根的表面和花粉中表达，它可能参与根从土壤中吸收氨基酸的过程，或者参与氨基酸向库器官运输的过程[14]。AtLHT2基因对脯氨酸和天冬氨酸的亲和力很强，并在拟南芥的绒粘层特异表达，这意味着AtLHT2基因可能参与氨基酸向孢子细胞的运输[15]。在拟南芥中，关于其它的氨基酸转运蛋白也进行了相关的研究[4，32-34]，如AtProT1、AtProT2、AtProT3、AtANT1和APC超家族中的成员，但是它们在拟南芥的生长、发育过程的功能及其调控网络还有待进一步研究。

近来，对水稻中氨基酸转运蛋白家族中的成员用3种数据库和qRT-PCR的方法进行了全面表达分析[8]。用水稻的EST数据库（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/unigene/）发现大多数的氨基酸转运蛋白基因在水稻中是表达的，并且许多基因在茎、根、叶、幼穗和种子中表达水平相对较高，也有一些水稻中的氨基酸转运蛋白基因是特异表达的，如OsBAT5在种子中特异表达；OsBAT4在茎中特异表达；OsLHT2，OsATL10和OsLAT5在水稻的花中特异表达等；利用水稻的芯片表达数据库（http：//signal.salk.edu/cgi-bin/RiceGE）发现不同的基因往往具有不同的表达模式，进而可以把水稻中的氨基酸转运蛋白基因分为6大组；根据大规模平行信号测序标签（Massively parallel signature sequencing tags， http：//mpss.udel.edu/rice/）也发现大多数氨基酸转运蛋白基因在水稻中是表达的，其大部分基因的表达水平较低，只有三个基因的表达较强（OsAUX1、OsATL5和OsATL15）[8]。将水稻进行氮肥饥饿处理后再检测其氨基酸转运蛋白基因的表达情况，发现氨基酸转运蛋白基因具有不同的表达模式，暗示着它们可能在氮肥的吸收与分布方面发挥及其重要的功能[10]。通过比较水稻与拟南芥中的氨基酸转运蛋白基因的表达模式发现，有26个基因在水稻和拟南芥中具有相似的表达模式，同源基因的相关系数介于0.7～0.9之间，并且它们的进化关系非常密切[8]。以上这些研究结果为今后水稻体内氨基酸转运蛋白基因的表达分析、亚细胞定位、功能解析、调控机制等方面的研究提供极其重要的信息。

3 氨基酸转运蛋白的调控研究

目前，关于氨基酸转运蛋白的表达调控方面的研究主要集中在转录水平，还没有试验证据支持植物中的氨基酸转运蛋白基因存在转录后调控或者是受转录后修饰控制的。有大量的试验数据表明氨基酸的转运是受环境信号调控的，如光、水、盐胁迫和营养物质等[2-4，35-41]。当用水或者盐胁迫处理一些植物时，脯氨酸转运蛋白基因出现上调表达，如拟南芥的AtProT2基因、大麦的HvProT基因和冰叶日中花的McAAT1基因[32，38，41]。在拟南芥中用水或者盐胁迫处理时，AtAAT6基因和AtAAT4基因的表达量降低[32]。当冰叶日中花（一种耐盐植物）的根尖和成熟根的表皮处于渗透胁迫的时候，McAAT2基因被诱导表达[41]。研究发现水稻中的氨基酸转运蛋白基因在非生物胁迫（干旱、盐或者冷）处理时，有21个基因存在明显的上调或者下调表达[8]。在干旱、盐或者冷胁迫处理水稻时，OsAAP15、OsATL6和OsANT3基因都会上调表达；在干旱和盐胁迫处理时，OsATL13、OsAAP6、OsAAP11、OsAAP13和OsAAP5基因也上调表达；在干旱胁迫处理时，OsGAT2和OsCAT6两个基因上调表达；在盐胁迫处理时，OsANT4、OsBAT7和OsATL11三个基因上调表达[8]。OsAUX1、OsAAP4、OsBAT4和OsAAP8這四个基因在干旱、盐或者冷胁迫处理水稻时都会下调表达，暗示它们在非生物胁迫过程中可能发挥重要的作用。

比较有意思的是在拟南芥中，病原菌的袭击可能影响到氨基酸转运蛋白基因的表达。如在拟南芥中AtLHT1基因在有病原菌袭击的情况下上调表达，这可能使胞浆中的谷氨酰胺的含量升高，进而影响到水杨酸信号传导途径最终导致拟南芥的抗病性减弱[42]。同样，在百脉根（豆科模式植物）中菌根上的真菌可以诱导LjLHT1基因在根中表达。并且发现植物的营养条件（不论是有机氮肥还是无机氮肥）改变时，氨基酸转运蛋白基因的表达都会受到一定程度的影响[3，32，35]。当植物发生突变或者超量表达的时候，氨基酸转运过程也随之发生改变；细胞发生衰老凋亡的时候其氨基酸水平也会发生变化[43-47]，这些过程都会或多或少的影响特异氨基酸转运蛋白基因的表达。

氨基酸不但对于合成蛋白质或者各种酶非常重要，而且是许多关键的化合物（植物激素和信号分子等）的前体物质，如一些化合物对生物的生长、发育、代谢和防御过程起着十分重要的作用。那么各种氨基酸转运蛋白在“源”与“库”之间氨基酸运输这个复杂的代谢调控网络中处于中心地位[48-54]。在植物中氮转运蛋白的活性对各种氨基酸转运蛋白上游或者下游的物质都产生重要的影响，而“库”的发育（小花数、长角果、种子或者粒重）和植物种子的代谢又受各种氨基酸转运蛋白活性的调控[44，46-47]。在植物中如果氨基酸转运蛋白发生突变或者超量表达，一些氨基酸可能作为信号分子引起一系列复杂的信号传导反应进而改变基因的表达，最终导致表型发生变化[56-57]，这当中的何种氨基酸可以作为信号分子？信号分子又是如何传递的[3，58-61]？在植物中是不是存在像酵母中的氨基酸透性酶（Ss1和Gap1）和激酶（GCN2激酶）等问题还有待进一步的研究。

4 氨基酸转运蛋白的功能研究

氨基酸转运蛋白相关基因的克隆与功能分析在拟南芥中的研究最为深入，在AAP家族的8个成员（AtAAP1-AtAAP8）中，AtAAP3和AtAAP5蛋白可以转运酸性、中性和碱性氨基酸，而别的6个成员一般可以转运中性和酸性氨基酸[1，18，30]。到目前为止所有的AtAAPs基因都定位在质膜上，并且在转运氨基酸的时候常常伴随着氢离子的跨膜转运[2]。AtAAPs在植物中参与到一系列的生理过程，例如参与根对土壤中氨基酸的吸收，氨基酸的远距离转运等[12，16，18， 44，47，62-63]。AtAAP1基因主要在叶和胚乳中表达，并且参与转运氨基酸到根和胚中[27，44，63]。AtAAP5基因主要在根吸收土壤中的氨基酸的过程中起重要的作用，也可能参与转运氨基酸到胚这一过程[18]。通过对AtAAP6基因突变体的研究发现AtAAP6基因在调控分子筛的组成方面起重要的作用[12]。AtAAP8基因可能在拟南芥种子早期发育的过程中参与转运氨基酸到胚乳和种子这一过程[31]。LHTs基因家族中的氨基酸转运蛋白可以转运酸性氨基酸、中性氨基酸和碱性氨基酸，并且发现它们参与氨基酸从细胞壁到细胞内的转运过程、有机氮运输到根和叶肉细胞的过程，也有报道称它们参与有机氮运输到花粉及其它生殖组织器官的过程[3，15，16]。除了在拟南芥中这些氨基酸转运蛋白的研究比较深入外，而在别的植物中也有一些研究[37，45，62]，例如StAAP1、Vf AAP1、Vf AAP3、PvAAP1和Pt AAP11。

在水稻中，也有氨基酸转运蛋白相关基因的功能研究。在水稻的突变体库中找到13个氨基酸转运蛋白突变基因，发现大多数突变体并不影响分蘖数和千粒重等产量性状，osaa49却能够降低37.7%的水稻产量[10]。有的突变体却对水稻植株的生物量有重要的抑制作用（例如突变体osaa5和osaa7）或者促进作用（例如突变体osaa24），进一步研究发现这些突变体能够改变水稻种子中碳和氮的比例及其相对含量[10]。在水稻中还鉴定到一个控制稻壳为黑色（在普通野生稻中）的基因（Bh4），发现它编码一个氨基酸转运蛋白，该基因在栽培稻中位于第三外显子中存在一个22-bp的缺失突变，这将导致其稻壳颜色变为浅黄色，并且推测Bh4可能与驯化有关[7]。最近，我们在水稻自然群体中克隆到一个控制稻米储藏蛋白含量的主效QTL基因OsAAP6，它属于氨基酸转运蛋白基因家族中的氨基酸透性酶基因亚家族中的一员[9]。OsAAP6基因是一个组成型表达的基因，它在水稻的微管组织中表达相对较高，OsAAP6通过调控水稻种子储藏蛋白和淀粉的合成与积累来调控稻米的营养品质并影响其食味品质，但是OsAAP6是如何调控这一过程的还在进一步的研究当中。

5 展望

在植物中有各種各样的氨基酸，它们在植物的生长、发育和代谢的过程中起非常重要的作用，这是因为氨基酸是各种酶和蛋白质合成的基本元件，并且氨基酸是一些对植物发育起重要作用物质（如核酸、叶绿体、激素和次生代谢物质等）的前体或者氮供体，然而氨基酸转运蛋白在体内或者细胞间氨基酸的转运过程中扮演极其重要的角色。在双子叶植物以拟南芥为例，大批氨基酸转运蛋白的基因被成功分离、克隆，基因的功能得到深入细致的研究；在单子叶植物水稻中，全基因组内氨基酸转运蛋白基因家族成员目前已经确定，家族成员的表达模式和分子特征得到解析和验证[8，10]，相关的水稻突变体也进行了大田试验[10]。目前在重要的粮食作物水稻中有两个氨基酸转运蛋白基因家族成员被克隆，并初步揭示其基因的功能[7，9]。但是，氨基酸转运蛋白向细胞内或者向细胞外转运氨基酸的分子机制还不是很清楚，氨基酸转运蛋白是如何调控其功能的？以及在氨基酸信号通路当中是如何发挥重要作用的？相信随着生物技术和功能基因组的快速发展，越来越多的氨基酸转运蛋白基因在模式植物中得到分离、克隆，它们的生物学功能将会逐渐得到解析，并应用于主要粮食作物的遗传改良。

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