水通道蛋白在植物抗逆中的功能及调控研究进展①

曾黎明 曾 坚

(1 海南微氪生物科技股份有限公司 海南海口570100;2 韶关学院英东生物与农业学院 广东韶关512005)

植物通过根部从土壤吸收水分，并分配到其他组织。水从土壤向木质部导管运动是维持细胞内水稳态的重要途径。细胞通过共质体、质外体和跨膜运输3 种不同的途径介导水分运动。其中，水分的跨膜运输是通过定位在生物膜上的水通道蛋白实现的［1］。水通道蛋白在调节植物生长发育、逆境适应、气孔运动、开花、生殖等方面起着重要作用。近年来，水通道蛋白在植物抗逆中的功能及调控机制研究逐渐深入，并取得了一系列重要进展［2-3］。

本研究总结了植物水通道蛋白的基本特征和分类，分析了水通道蛋白基因在植物抗旱、耐盐、耐低温方面的功能，描述了植物水通道蛋白修饰与调控方面的研究进展，以便相关研究领域科技工作者对近年来水通道蛋白在植物抗逆中的功能及调控有更充分的了解。

1 水通道蛋白的基本特征和分类

水通道蛋白（Aquaporins， AQPs）是一种高度保守的低分子量（21～32 kDa）膜蛋白，属于主要的内在蛋白（MIP）超家族，具有转运水和其他小分子的功能，如甘油、O2、CO2、NH3、硼、硅、活性氧［1，4-5］。AQP家族首先在人类中发现［6］，随后在动物、植物、真菌和细菌中被广泛分离［7-8］。植物AQP 含有 保 守的Asn-Pro-Ala （NPA） motifs、aromatic/arginine（ar/R）区域和跨膜结构域，其跨膜结构域由6 个跨膜α-螺旋和5 个短环构成［9］。目前，AQP 家族基因已在多种植物中被发现，拟南芥中35 个［10］，水稻中33 个［11］，玉米中36 个［12］，大白菜中53 个［13］，番茄中47 个［14］，香蕉中47 个［8］。根据亚细胞定位和序列同源性，植物AQP 家族被分为8 组，包括质膜内在蛋白（plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）、液泡膜内在蛋白（tonoplast intrinsic proteins，TIPs）、根瘤素26-类内在蛋白（nodulin 26-like intrinsic proteins，NIPs）、小的基本内在蛋白（small basic intrinsic proteins， SIPs）、GlpF-like 内在蛋白（GlpF-like intrinsic proteins，GIPs）、混合内在蛋白（hybrid intrinsic proteins，HIPs）、X 内在蛋白（X intrinsic proteins，XIPs） 和大内在蛋白（large intrinsic proteins，LIPs）［10，15］。

2 水通道蛋白在植物抗逆中的功能

2.1 水通道蛋白能提高植物抗旱性

作为植物的主要水通道，缺水条件下水通道蛋白的功能和调控研究一直备受关注。长期接触到缺水土壤的植物根系中水通道蛋白的活性会受到抑制，进而阻止水分从根细胞向干燥土壤反向运输［16-19］。相反，早期干旱条件可诱导水通道蛋白的表达和活性，促进植物吸收土壤中的水分［20］。拟南芥中35 个水通道蛋白基因表达分析表明，在干旱条件下大多数PIP和TIP基因表达水平较高，而NIP表达水平较低［16］。另外，一些水通道蛋白基因（AtPIP2；6、AtSIP1；1等）在缺水条件下表现组成型表达或不敏感。不同植物的比较转录组研究表明，干旱处理主要诱导水通道蛋白PIP和TIP亚类上调表达［21］。

生理生化和遗传学的研究广泛揭示了水通道蛋白能提高植物对干旱或渗透胁迫的耐受性，包括 水 稻OsPIP1-1、OsPIP2-2、OsPIP1；3，小 麦TaAQP7、TdPIP2；1，番 茄SlPIP2；1、SlPIP2；7、SlPIP2；5、SlTIP2；2，大豆GmPIP2；9，香蕉MusaPIP1；2、MaPIP1；1、MaPIP2-7，苹 果MdPIP1；3，蚕 豆VfPIP1，油 菜BnPIP1［5，7，22-30］。在拟南芥中过表达水稻OsPIP1-1 或OsPIP2-2 可显著提高植物干旱耐受能力［7］。小麦TaAQP7受脱水、渗透、ABA和双氧水诱导，在烟草中过量表达Ta-AQP7 可显著提高烟草耐旱能力。生理分析表明，在干旱或渗透条件下，TaAQP7 过表达时株系可维持较高发芽率、根长度、相对水含量、SOD 活力、CAT 活力，并保持较低MDA 和双氧水含量［25］。香蕉MaPIP2-7 受渗透胁迫诱导，在香蕉中过量表达MaPIP2-7 可显著提高香蕉的耐旱能力。干旱处理下，MaPIP2-7过表达时株系中MDA和离子渗漏水平较低，而叶绿素、脯氨酸、可溶性糖和ABA 含量较高［24］。

2.2 水通道蛋白能提高植物抗寒性

低温胁迫（4～8℃）会降低水导率，并影响植物水分转运。耐冷植物可能会在低温后恢复存活，低温敏感植物可能无法克服冷胁迫，而在随后恢复过程中枯死。拟南芥、水稻、玉米根和叶的转录组分析显示，大多数水通道蛋白基因表达受低温胁迫抑制［11，31-33］；但是，在恢复期，根中特异表达的PIP基因被上调。水稻OsPIP2；5的相对表达在长期低温处理后被显著诱导［34］。早期的低温胁迫也诱导香蕉中一些PIP和TIP的表达升高，包 括MaPIP1；1、MaPIP1；2、MaPIP2；4、MaPIP2；6和MaTIP1；3［35］。

一些水通道蛋白基因被证实能提高植物对低温胁迫的耐受性，包括TaAQ7、OsPIP2；7、MusaPIP1； 2、 MaPIP2-7、 PIP1； 4和PIP2；5［23-24，36-39］。香 蕉MaPIP2-7的 表 达 受 低温 胁 迫诱导，在香蕉中过量表达MaPIP2-7可显著提高香蕉对低温胁迫的耐受能力。低温处理下，MaPIP2-7过表达的株系中MDA含量和离子渗漏水平较低，而叶绿素、脯氨酸、可溶性糖和ABA 含量较高［24］。香蕉MusaPIP1；2 表达也受低温诱导，MusaPIP1；2 过表达株系对低温胁迫的耐受性更强，其叶片MDA 水平较低，而相对水含量、光合效率、脯氨酸含量较高［23］。在水稻中过表达OsPIP2；7可提高水稻在低温胁迫下的存活率，并且可影响水稻其它AQP基因的表达水平［37］。低温胁迫显著降低了拟南芥根系的水导率，但不能改变PIP1；4和PIP2；5过表达株系根的水导率，表明过表达PIP1；4和PIP2；5可提高拟南芥低温耐受性［39］。

2.3 水通道蛋白能提高植物耐盐性

土壤高盐分积累会影响植物细胞渗透势和细胞功能，进而影响植物生长发育和代谢调节［40-41］。盐胁迫在早期导致植物根系吸收水分受阻。高盐处理引发水导率快速大幅下降，且抑制拟南芥根中PIP和TIP基因表达［42］。此外，高盐处理导致水通道蛋白基因下调在大麦中也有所报道［43-44］。相反，玉米中高盐处理可诱导ABA 依赖的ZmPIP1；2和ZmPIP2；4表达以及非ABA 依赖的ZmPIP1；1和ZmPIP1；5表 达［45］。高 盐 处 理 下，苇 状 羊 茅（Festuca arundinaceaSchreb.）中FaPIP1；2表达在耐性种质中被下调，而FaTIP1；1表达在耐性和敏感的种质中被上调［46］。除PIP和TIP外，关于其他水通道蛋白参与耐盐反应方面的研究也有报道，如小麦TaNIP 表达受高盐胁迫显著诱导［47］。受高盐胁迫时，柑橘中大多数水通道蛋白表达都在根部被上调，在叶中被上调或下调［48］。

一系列水通道蛋白基因被报道能够提高植物耐盐性，包括OsPIP1-1、OsPIP2-2、SlTIP2；2、SpAQP1、 TdPIP1； 1、 TaNIP、 TaAQP8、 TsPIP1；1、 GmPIP1； 6、 MusaPIP1； 2、 MaPIP1； 1、MaPIP2-7、OsPIP1；1［4-5，23-24，47，49-53］。小 麦TaNIP基因表达显著受高盐胁迫诱导，在拟南芥中过表达TaNIP 可显著提高拟南芥对高盐胁迫的耐受能力。与野生型相比，TaNIP 过表达株系中Ca2+和K+含量显著提高，而Na+含量显著降低［47］。香蕉MaPIP2-7表达受高盐胁迫诱导，在香蕉中过量表达MaPIP2-7可显著提高香蕉对高盐胁迫的耐受能力。与野生型相比，高盐处理下MaPIP2-7 过表达株系中MDA、离子渗漏、Na+、K+水平较低，而叶绿素、脯氨酸、可溶性糖和ABA含量较高［24］。

3 水通道蛋白的修饰与调控

3.1 磷酸化修饰

质谱研究证实，水通道蛋白可被多种翻译后修饰调控，其中磷酸化对其调控最为普遍［54-55］。水通道蛋白氨基酸N-端和C-端丝氨酸残基的磷酸化与水通道蛋白的活性密切相关。菜豆PvTIP3；1 的Ser7、大豆GmNOD26 的Ser262、菠菜SoPM28A的Ser115 和Ser274 都可被磷酸化［54，56-57］。PIPs 在B-环具有高度保守的磷酸化位点，在C-端也存在可被磷酸化的位点。这些位点的磷酸化可促进水通道开放和提升水分转运活力［58］。二价阳离子和组氨酸质子化（His193）导致SoPIP2；1 形成闭合构象，而SoPIP2；1D 环Ser115 和Ser188 的磷酸化，以及C-端Ser274 的磷酸化可促进水通道打开［59-60］。蔗糖可诱导拟南芥AtPIPs丝氨酸磷酸化，并提高其活性［61］。高盐胁迫可诱导AtPIP2；1C-端Ser280 和Ser283 的磷酸化，导致AtPIP2；1 从质膜转移到细胞内，并降低了细胞水导率［62］。受体类激酶RKL1 和RLK902 可与PIP2；1 互作并磷酸化PIP2；1，调控其转运活性［63］。乙烯也被报道可通过多种级联信号调节AtPIP2；1 C-端磷酸化［64］。缺水可诱导玫瑰RhPIP2；1 在Ser 273 磷酸化，促进RhPTM转录因子在细胞核积累，并通过抑制生长增强脱水耐受性［65］。

3.2 转录调控

近年来，在水通道蛋白基因的转录调控研究方面也取得了一些重要进展。一些转录因子能与水通道蛋白基因的启动子互作调控其表达。拟南芥转录因子ABI3 能与TIP3；1和TIP3；2启动子结合调控种子脱水耐性［66］。番茄转录因子ASR1 能与水通道蛋白基因启动子互作［67］。

此外，一些转录因子也可能间接影响水通道蛋白基因的表达。全基因组关联分析和突变体表型分析证实，拟南芥转录因子XND1 为根水导率的负调控因子，可能间接影响水通道蛋白基因表达，从而负调控水导率和干旱耐受性［68］。在花生中过表达拟南芥转录因子AtHDG11可激活花生水通道蛋白基因的表达，并提高花生的耐旱和耐盐能力［69］。在苹果中过表达MsDREB6.2可诱导水通道蛋白基因表达，并提高了苹果根的水导率［70］。在番茄中过表达SlARF10降低了叶片水分丢失率，并影响众多水通道蛋白基因表达［71］。

4 展望

逆境胁迫严重影响植物的生长和发育，导致作物产量和品质显著下降。其中，干旱、低温、高盐等胁迫都能导致植物水分缺失。因此，调节水的运输对农作物适应干旱、盐分和寒冷胁迫至关重要。水通道蛋白作为水分的直接转运者，在提高植物抗旱、耐盐、耐低温等方面发挥着重要作用，特别是一些水通道蛋白能够提高植物多重抗逆能力。因此，利用基因工程等手段操纵水通道蛋白在作物抗逆分子育种领域具有较好的潜力。此外，一些水通道蛋白基因不仅能提高作物抗逆性，还能提高作物产量。通过生理生化和分子遗传等技术进一步解析水通道蛋白基因在植物生长发育和逆境适应中的调控机制，可推动水通道蛋白基因在作物遗传育种中的应用。