植物金属硫蛋白的研究进展

邱颖胜，刘燕敏，魏超，董舒乐，刘骕骦*

（1.湖州学院 生命科学与健康系，浙江湖州 313000；2.肇庆学院 生命科学学院，广东肇庆 526061）

金属硫蛋白（Metallothioneins，MTs）是一类低分子量（60～80 个氨基酸）、含有大量半胱氨酸的蛋白质，能与大量金属离子（如Cd2+、Zn2+和Cu2+）相结合，在金属代谢调控中发挥着重要的调节作用[1]。近年来，对于植物MTs 基因的结构特点，如晶体结构、启动子、内含子等方面的研究已经有了比较深入的了解，同时针对植物MTs 的时空表达特异性以及受各种胁迫的诱导表达特性方面也开展了大量的研究，然而对其功能的研究则较为滞后。本文对植物MTs 的结构及分类、基因的表达调控、植物MTs 的功能等方面的研究进展进行综述，以期为进一步阐明植物金属硫蛋白的功能特征以及新种质的创新奠定基础。

1 植物MTs 的结构与分类

MTs 具有分子量低（通常少于10 kD），能与二价金属离子相结合，富含半胱氨酸即含有大量的Cys-X-Cys 序列结构域（Cys 代表半胱氨酸，X 代表其他氨基酸），芳香族氨基酸缺乏，组氨酸含量极少等特性[2]。Cobbett 等[3]按照金属硫蛋白中的半胱氨酸位置及其排列方式，将植物金属硫蛋白分为Type 1 MTs、Type 2 MTs、Type 3 MTs、Type 4 MTs 共4 种类型。

2 植物MTs 的表达调控

因类型、物种、组织和器官、生长发育时期和环境因子的不同，植物MTs 基因呈现出不同的表达模式[4]。Guo 等[5]利用Northern 印记技术分析了拟南芥中4 种类型MTs 的组织表达特性，结果表明：AtMT1a 在植株根部表达量最高，AtMT2a 和AtMT3在叶片中表达量最高，AtMT4 则在种子中表达最高，其他组织几乎不表达。在水稻中，OsMT2c 在根、叶鞘和叶片中表达，而在种子中微量表达[6]。Yuan等[7]的研究发现，OsMT2b 与水稻根的发育及种子的萌发有关。番茄中，SlMT1 在根中高表达，SlMT2在叶片中高表达，SlMT3 在根、叶片和果实中高表达，SlMT4 主要在果实中高表达[8]。瓜尔豆中，CtMT1 在根中高表达，CtMT2 和CtMT3 在叶片中高表达，而CtMT4 则在种子中高表达[9]。

3 植物MTs 的功能

3.1 解除重金属离子毒害作用

OsMT1b 和OsMT2c 可通过清除活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）和激活金属螯合作用提高水稻对Cr 的解毒效果[10]。甘蔗的ScMT2-1-3 基因受Cu2+胁迫诱导表达，并且转大肠杆菌结果表明其可能参与了Cu2+的解毒过程[11]。枣中，ZjMT 基因过表达能增强大肠杆菌对Cu2+、Zn2+和Cd2+等重金属离子的耐受性[12]。PaMT3-1 能提高美洲商陆对Cd2+胁迫的耐受性[13]。蕹菜中，IaMT1、IaMT2 和IaMT3 都受到Cd 的诱导表达，其中IaMT2 提高了大肠杆菌对Cd 的耐受性[14]。

3.2 清除自由基

在野生西瓜中，ClMT2 具有很强的清除HO·的能力[15]。Mir 等[16]研究发现，栓皮栎中的QsMT 蛋白可能具有清除ROS 的活性。研究表明，棉花GhMT3a的表达受多种逆境胁迫诱导上调表达。海蓬子中SbMT-2 基因能调节转基因烟草的ROS 清除能力。大豆GmMTs 对自由基（HO·及H·）胁迫具有良好的耐受性[17]。MT 具有极强的自由基清除能力，其清除HO·的能力是超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）的10 000 倍，清除O2·-的能力是谷胱甘肽（Glutathione，GSH）的几十倍。

3.3 参与响应干旱、高盐和低温等非生物胁迫过程

许多研究表明，植物MT 可能在响应干旱、高盐、低温、激素、热激和紫外照射等胁迫过程中发挥重要作用。Dubey 等[18]对鹰嘴豆MT 基因参与干旱胁迫响应的研究中发现，干旱胁迫处理后，转CarMT 基因拟南芥植株中脯氨酸以及半胱氨酸含量也显著高于野生型，说明MT 基因在缓解干旱胁迫方面起着积极的作用。Liu 等利用酵母双杂交和双分子荧光互补（BiFC）实验发现大豆基质金属蛋白酶Gm1-MMP 与GmMT4 存在互作关系，并推测Gm1-MMP 与GmMT4 可能通过互作共同调控大豆参与响应高温高湿胁迫[6]。

4 结语

本文概述了植物MTs 的结构及分类、基因的表达调控、在重金属离子的运输和解毒及清除氧自由基、参与多种抗胁迫等方等方面的研究进展。在40多年的研究中，学者们对MTs 在不同发育阶段的表达特性以及响应各种非生物胁迫进行了研究，然而在分子机制等方面的研究尚处于推测阶段。因此，今后植物MTs 功能的研究可以从以下几个方面开展：（1）深入研究植物MTs 基因的基因组结构，分析其顺式作用元件，利用酵母单杂交以及凝胶迁移实验（EMSA）等技术手段，找到调控MTs 表达的上游反式作用因子；（2）通过筛选酵母双杂交文库或利用生物信息学找到能与MTs 相互作用的蛋白，研究其相互作用的机理；（3）分离纯化更多的植物MTs，研究其结构、结合金属离子以及清除自由基的机制；（4）通过转基因或基因沉默技术调控植MTs 的表达、分离筛选突变体等。