植物乳胶蛋白研究进展

王雷 孙尧 李瑶 孙鑫 吴琼 曹涤非 黄国庆 薛佳莹

摘要 乳胶蛋白（MLP）是植物特有的一类蛋白质，目前人们已经从多种植物中发现MLP，并克隆获得了MLP基因，对其功能也进行了研究。MLP在植物生长发育、抵御生物胁迫和非生物胁迫过程中发挥重要作用。对植物MLP的理化性质、结构特点，以及MLP在植物生长发育、生物胁迫与非生物胁迫应答中的作用进行阐述，为MLP功能研究及其在植物分子育种方面的应用提供参考。

关键词 乳胶蛋白;理化性质;结构特点;生长发育;生物胁迫;非生物胁迫

中图分类号 S188;Q789  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）10-0012-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.10.004

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress of Plant Major Latex Protein

WANG Lei，SUN Yao，LI Yao et al （Institute of Advanced Technology，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin，Heilongjiang 150001）

Abstract Major latex proteins are special proteins in plant.Many MLP genes have been found and cloned from plants and the functions of MLP have been characterized.MLP plays an important role in the process of plant growth and development，resisting biotic and abiotic stresses.This article described the physical and chemical properties and structural characteristics of plant MLP，as well as the role of MLP in plant growth and development，biotic and abiotic stress responses，and provided the references for the study of MLP functions and its application in plant molecular breeding.

Key words Major latex protein;Physical and chemical properties;Structural characteristics;Growth and development;Biotic stress;Abiotic stress

盐碱、高温、低温、病害、虫害等都是制约植物生长和发育的重要因子，探明植物的抗逆机制、培育抗逆性强的作物新品种已成为农林科学研究的热点[1-2]。植物遭受逆境胁迫时，体内会发生一系列的生理生化变化以适应逆境条件[3-4]，一些与抗逆相关的基因也会大量表达，用于感应和传导逆境胁迫的信号和适应胁迫环境[5]。乳胶蛋白（major latex protein，MLP）是植物特有的一类蛋白质。自1985年，Nessler等[6]从罂粟的乳胶中获得乳胶蛋白以来，随着多种植物全基因组测序的完成和生物信息学分析技术的发展，已从陆地棉[7]、拟南芥[8]、桃[9]等植物中获得MLP基因，这些基因在植物生长发育、抵抗生物胁迫与非生物胁迫过程中发挥重要作用。笔者对植物乳胶蛋白（MLP）的理化性质、结构特点，以及MLP在植物生长发育、生物胁迫、非生物胁迫过程中的作用进行论述，以期为MLP基因在作物抗逆分子育种中的应用提供理论参考。

1 植物乳胶蛋白的理化性质和结构特点

1.1 理化性质 1985年，Nessler等[6]从罂粟的乳胶中提取蛋白，并进行SDS-PAGE电泳，首次发现2条特异性的乳胶蛋白条带，分子量约为20  kD，等电点pI为3.5～6.0。随着生物技术的飞速发展，目前已经从多种植物中获得了MLP蛋白。不同物种的MLP蛋白或同一物种MLP不同亚家族成员之间，MLP蛋白分子量和等电点差异较大。Yuan等[10]对苹果中36个MLP蛋白进行分析，发现这些蛋白是由116～252个氨基酸组成，分子量为12.76～28.16 kD，等电点pI为4.61～9.37。韩淑梅等[11]利用生物信息学方法对桑树乳胶蛋白MLX56家族的3个成员MLX56-5、MLX56-6和MLX56-7进行分析，结果显示，MLX56-5、MLX56-6和MLX56-7分别由392、415和372个氨基酸组成，分子量分别为43.01、45.09和41.33 kD，等电点pI分别为7.44、6.57和5.30。Zhang等[12]对葡萄中14个MLP进行分析，发现这些蛋白是由151～224个氨基酸组成，分子量为16.75～18.21 kD，等电点pI为5.05～6.67。

1.2 结构特点

MLP属于Bet v1 （Betula verrucosa，Bet v） 蛋白超家族，含有Bet v1过敏原结构域[13-14]。Bet v1 超家族可以分为11个亚家族，包括MLP乳胶蛋白、病程相关蛋白PR10 （pathogenesis related 10，PR10）[15-16]、細胞分裂素特异结合蛋白 （cytokinin specific binding protein，CSBP）[17]等。MLP基因数量与物种基因组大小无关。MLP蛋白含有保守序列motif 1、motif 2、motif 3。根据motif的数量和组成的不同，MLP蛋白可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个亚家族，其中MLP家族I包括motif 1、motif 2、motif 3保守序列，MLP家族Ⅱ只包括motif 1保守序列，MLP家族Ⅲ只包括motif 2保守序列。MLP 蛋白均具有Y-shaped cavity结构。例如，MLP和病程相关蛋白PR10氨基酸序列同源性低于25%，但是它们却有相同的Y-shaped cavity结构[18]，该结构在与配体结合的过程中发挥重要作用。Lytle等[19]利用核磁共振和X射线晶体衍射的方法解析了拟南芥中2种MLP的结构，发现拟南芥MLP含有helix-grip 结构，包括6个β折叠和C-端的1个α螺旋。在 β 折叠和长的 α 螺旋二级结构元件之间形成一个大的 Y-shaped cavity结构，该结构可以结合一些植物激素，参与植物应激反应。植物MLP另一个结构特点是在第1个α螺旋与第2个β折叠之间有一段无规则卷曲，该序列富含甘氨酸 （Gly），保守序列为GXXXXXG，称为Gly-rich loop，该序列与配体识别和结合密切相关，也有研究发现Gly-rich loop序列定点突变会对植物抗逆性产生影响[20]。

2 MLP在植物生长发育过程中的作用

MLP在植物营养生长过程中发挥重要作用。Litholdo等[21]利用RNA干扰技术抑制拟南芥MLP423基因的表达，mlp423突变体植株表现出严重的生长缺陷，包括叶形态的改变、茎尖异常分化、植株过早死亡等;双分子荧光（bimolecular fluorescence complementation，BiFC） 试验证明拟南芥MLP423可与叶卷曲蛋白LCR F-Box发生相互作用，LCR F-Box可以引起乳胶蛋白MLP423 的降解。顺式肉桂酸是植物自身合成的一类次生代谢产物，与植物生长调控密切相关。Guo等[22]对正常生长条件下和外施顺式肉桂酸条件下的拟南芥进行蛋白质组学研究，结果发现顺式肉桂酸可以诱导拟南芥中2个编码MLP的基因ZCE1 （AT2G01520）和ZCE2 （AT2G01530）表达，实时定量PCR的结果也证明外施顺式肉桂酸可以提高上述2个基因在转录水平的表达量。为进一步研究MLP在植物生长中的作用，利用RNA干扰技术获得MLP基因功能缺失的拟南芥突变体，zce1突变体植株出现生长缓慢、提早抽薹的表型。上述结果表明，拟南芥乳胶蛋白ZCE1可以促进拟南芥营养生长，延迟拟南芥开花。

花的发育对于植物生长发育以及繁衍后代具有重要意义，MLP在花的发育过程中发挥重要作用。Ruperti等[23]从桃树中克隆获得PpMLP基因，该基因在花和果实中的表达量高于根、茎、叶，在果实细胞增殖过程中其表达量不断升高，表明PpMLP基因与花和果实发育密切相关。Ando等[24]利用焦磷酸测序技术对黄瓜果实细胞扩增过程中的转录组进行测序，在基因高表达的聚类里发现MLP基因，进一步研究表明随着果实不断膨胀，MLP基因表达量不断升高。

3 MLP在植物抵御逆境胁迫过程中的作用

3.1 MLP在生物胁迫应答中的功能

植物在生长发育过程中常会遭受病害、虫害等生物胁迫的伤害，在长期的进化过程中，植物建立了完整的体系以适应多变的环境。植物可以通过自身形态结构的变化、分泌化学物质等方式来阻止病原微生物的进入和扩散。另外，植物通过先天免疫和局部感染引起的获得性免疫信号来抵抗病原菌的侵染[25-26]。MLP 家族蛋白基因能被病原菌侵染所诱导表达。Chen等[27]研究发现，黄萎病可诱导棉花根部MLP基因的表达，并且MLP基因上游启动子中含有真菌诱导子;MLP通过三维结构的Y-shape cavity与配体结合或者运输，从而参与到生物胁迫的防御反应中。Yang等[28]研究发现，GhMLP28基因在陆地棉根、茎、叶中均表达，当引起陆地棉黄萎病的大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）进入植物体后，GhMLP28基因在根部的表达量显著提高，并且外施乙烯和茉莉酸，也可以促进GhMLP28基因的表达，表明GhMLP28基因参与大丽轮枝菌引起的防御反应。通过病毒诱导使得GhMLP28基因沉默，抑制表达的转基因陆地棉对黄萎病敏感，而过量表达的转GhMLP28基因烟草对黄萎病的抗性显著提高。酵母双杂交和Pull-down试验均证明GhMLP28可与GhERF发生相互作用，二者互作可以促进GhERF与顺式元件GCC-box的结合。瞬时表达试验结果也证明，GhMLP28与GhERF互作，增强GhERF转录活性。GhMLP28定位在细胞核和细胞质中，当GhERF存在时，GhMLP28在细胞核中累积，推测GhMLP28间接地参与转录调控。Song等[29]研究了烟草中MLP28的功能，发现NbMLP28在烟草抵御马铃薯病毒Y （potato virus Y，PVY）感染过程中发挥重要作用。NbMLP28定位于原生质膜和细胞核上，在根中的表达量最高。PVY病毒侵染烟草，可以诱导NbMLP28基因表达，并参与茉莉酸信号转导途径。NbMLP28基因沉默的烟草株系表现出对马铃薯病毒Y的敏感性，NbMLP28基因过量表达的烟草植株则表现出对马铃薯病毒Y的抗性。He等[30]研究发现，苹果MdMLP423基因主要在花中表达，在霜霉菌和链孢霉菌侵染下，苹果MdMLP423基因表达受到抑制。MdMLP423基因过表达的转基因苹果中，抗逆相关基因表达量降低，转基因株系表现出对霜霉菌和链孢霉菌的敏感性。

3.2 MLP在非生物胁迫应答中的功能

在干旱、盐碱、低温、高温、机械损伤等非生物胁迫条件下，植物生长缓慢、发育迟缓、代谢紊乱、光合作用受到抑制，严重时甚至死亡。植物非生物胁迫的应答体现为其体内生理生化的變化，这是由植物中大量与抗逆相关基因的表达水平发生变化而引起的[31-32]。在植物中，非生物应答的相关分子可分为两类：一类为效应分子，直接参与代谢变化等生化应答过程，产生抗逆效应。效应分子包括参与非生物胁迫下重建细胞离子平衡、渗透压平衡、水分摄取平衡的各种蛋白分子，如渗透剂合成酶类、各种通道蛋白[33]。另一类为调控分子，位于效应分子上游，介导信号传递，包括转录因子和信号级联系统中的各种激酶[34-36]。MLP在非生物胁迫条件下的功能还不十分清楚。Sun等[37]从人参叶片中克隆获得MLP151基因，全长cDNA序列850 bp，ORF区456 bp，编码151个氨基酸，理论等电点4.86，分子量16.87 kD;利用RT-PCR的方法对NaCl、甘露醇、H2O2、茉莉酸、紫外照射、低温胁迫条件下该基因在人参根、茎、叶、花芽中的表达情况进行检测，结果表明不同的组织中MLP151基因表达量差异不显著;但是不同的胁迫条件下，MLP151基因的表达量有变化;在甘露醇胁迫下，叶片中MLP151基因表达量升高;NaCl、UV、低温胁迫下，MLP151基因表达量与胁迫前差异不显著;茉莉酸和H2O2胁迫下，MLP151基因表达量降低。Wang等[38]对干旱胁迫下拟南芥MLP43基因的功能进行研究，MLP43基因在子叶、初生根、顶端分生组织中表达量较高，在根、茎、叶中则呈现低水平表达;亚细胞定位显示MLP43定位在细胞核和细胞质中，同时MLP43基因过量表达的转基因株系在干旱胁迫下的失水率、电解质渗出率低于野生型，SOD活性则显著高于野生型;酵母双杂交试验结果显示MLP43与ABA信号转导途径中SnRK2.6和ABF1互作。上述结果表明，MLP43参与拟南芥干旱应答和ABA信号转导途径。李欣欣等[39]在苹果基因组中鉴定出13个MLP基因，这些基因在苹果的根、茎、叶、花梗、果皮、花托、花瓣、柱头、花萼、花药、花丝、种子、幼果、果肉14个组织器官中存在差异表达。在ABA、NaCl、PEG胁迫条件下， MdMLP基因表达量均升高;在40 ℃胁迫条件下，MdMLP基因表达量均下调;在4 ℃胁迫下除MdMLP1/6/7/11 之外，MdMLP基因表达量均下降。以拟南芥为参考物种，利用String 蛋白数据库对MdMLP 互作蛋白进行预测，结果表明MdMLP 可能通过与PRSP、SNRK1/2、bHLH 等应激、ABA相关转录因子互作，参与苹果对非生物胁迫的应激反应。MLP蛋白在植物吸附有机污染物中发挥重要作用，Inui等[40]研究发现葫芦科植物西葫芦的木质部中MLP蛋白对疏水性有机污染物有很强的吸附作用，MLP蛋白对于利用葫芦科植物对有机废物进行植物修复具有重要意义。

4 展望

综上所述，目前人们已从陆地棉、拟南芥、葡萄等植物中克隆获得MLP基因，也证明MLP在植物生长发育、抵抗生物胁迫与非生物胁迫过程中发挥一定的作用，但是MLP功能和作用机理仍然不清楚。生物胁迫和非生物胁迫条件下，植物激素水平发生变化，MLP存在激素结合位点，但是MLP与哪些激素结合、参与哪些信号转导途径、如何提高植物抗逆性都未研究清楚。另外，MLP家族成员均有Y-shaped cavity结构，该结构的作用是什么、是否与植物生长发育和抗逆性相关都有待于进一步研究。未来工作中，可以在上述领域开展深入研究。对MLP生物学功能的研究，对MLP基因在植物抗逆分子育种中的应用具有重要的意义。

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