AVP1参与植物生长及调控研究进展

杨文静聂峰杰张丽刘璇巩檑

(1.宁夏农林科学院农业生物技术研究中心，宁夏 银川 750002；2.宁夏农业生物技术重点实验室，宁夏 银川 750002)

植物液泡具有多方面的作用，包括维持渗透压、细胞质pH值和离子稳态、保护植物抵抗环境胁迫、解毒、色素沉着和细胞信号转导。这些作用是通过定位在液泡膜上的许多蛋白质协同作用来实现，其中的质子泵发挥了至关重要的作用。植物细胞液泡膜上能量依赖的溶质转运由2个H+泵驱动：液泡(“V型”)H+-ATP酶(EC3.6.1.3)和H+-(焦磷酸盐激发)无机焦磷酸酶(H+-PPase：EC3.6.1.1)。其中的无机焦磷酸酶是由AVP1(Arabidopsis Vacuolar Proton-pump 1)基因编码，其cDNA序列由Sarafian V等于1992年在拟南芥中首次完整克隆[1]。

经典研究认为，AVP1是一种进化保守的，广泛存在于植物、原生动物、细菌以及真菌中的H+转运酶。在液泡膜上水解焦磷酸盐(PPi)，不仅削弱PPi浓度过高对胞质中生物大分子合成的影响，还可以用PPi水解产生的自由能催化H+由胞质向液泡的运输，与液泡膜H+-ATPase一起建立跨液泡膜质子驱动力，为各种溶质分子(如金属离子和糖类)的跨液泡膜主动运输提供驱动力。

但最近也有研究表明，AVP1也可以定位于韧皮部的伴胞细胞质膜上，在H+浓度梯度存在的情况下，“反向”合成焦磷酸盐而发挥焦磷酸盐合成酶的作用[2]。这种焦磷酸盐合成酶作用能够增强光合作用、韧皮部的转运和向库器官的运送等促进植物生长的一系列事件。

植物的生产力在很大程度上是由同化物在生产地点和利用地点之间的分配决定的。质子泵焦磷酸酶(H+-PPase)参与植物的许多能量过程，包括一般生长和生物量积累、CO2固定、养分获取和胁迫响应。

本文综述了AVP1基因编码蛋白在植物形态建成、响应非生物胁迫和营养物质积累等方面的研究结果，重点介绍了其在旱、盐、金属离子耐受、元素利用效率、糖代谢等过程中发挥的作用及可能的机制，以及AVP1基因的转录、翻译调控方式。为AVP1基因的生理功能提供全面的梳理，也为利用基因工程技术手段利用其功能育种提供视角。

1 AVP1基因的主要功能

1.1 AVP1影响植物形态建成

在植物生长发育过程中，营养、生殖器官形态是否正常发育、结构有无畸变、数量多寡都是影响生物量、产量和品质的重要先决条件。许多研究都表明，AVP1能够影响植物形态建成的多方面表现。

1.1.1 AVP1影响花粉发育

Sato M H等利用GUS-报告基因检测系统，在拟南芥H+-PPase的编码基因AVP1的调控区域分离得到1个0.4Kb仅在花粉中有活性的区域。表明AVP1基因可以组织特异性的调控H+-PPase表达，并揭示了H+-PPase在花粉成熟过程中生物学意义[3]。

1.1.2 AVP1促进胚胎发育

拟南芥H+-PPase和H+-ATPase同时敲除的突变体受精胚胎第1次分裂几乎对称的，而导致后续在胚胎发育的各个阶段都形成了异常模式，并伴随着子叶、根系、幼苗的发育缺陷而抑制生长[4]。

1.1.3 AVP1维持叶的形态发育

实验证明，在拟南芥AVP1基因缺失突变体中，积累了过量的焦磷酸盐(PPi)，植株表现出叶畸形、扁平细胞畸变、表皮缺陷、补偿性细胞肿块和叶脉畸形等叶片形态异常，进而生长迟缓[5]。而在AVP1过表达的拟南芥植株中，由于叶细胞数量增加而表现叶片数量和叶单面积增加[6]。

1.2 AVP1提高植物生物量、产量

生物量和产量是评价作物品种非常重要的性状和考量，因此研究如何通过多种手段提高产量是育种家的关键课题。但常规育种工作量大、周期长，而利用基因工程技术可以精准实现对目标性状的改良，因其目标明确、周期短被越来越多的应用于作物改良。随之而来也有越来越多的科学家致力于发掘更多的、新的直接影响产量的主效基因，近年来发现AVP1是一个可以显著影响生物量和产量的基因。

在小麦中发现，AVP1能够通过优化碳的源-库分配而增加产量，温室和田间的AVP1转基因小麦也获得了更高的籽粒产量和单株种子数，且根系生物量有所增加[7]。转AVP1基因的大麦由于茎面积的增加而产生更大的茎生物量，更重要的是与野生型相比，单株产量更高[8]。OsSIZ1/AVP1共同过表达的棉花植株在旱地条件下比野生型纤维含量更高、产量更高[9]。

1.3 AVP1提高植物对旱、盐的耐受

干旱是限制植物生长发育和物质积累的最重要因素之一，在全球变暖和目前农业可用水资源普遍匮乏的背景下，水资源短缺日益加剧，干旱胁迫已经成为非生物胁迫中影响植物生长的最主要因素。植物抵抗和适应干旱的途径主要有节水保水，如植物叶片气孔关闭和加快吸水，如降低渗透，渗透势调节是植物抗旱性的主要机制。AVP1能够利用水解焦磷酸产生的能量催化H+由胞质像液泡运输形成的跨液泡膜质子驱动力为物质运输和渗透势调节提供了可能。

在杨树、小麦、染色茜草、拟南芥和草坪草等多种植物中的研究都表明，AVP1过表达植株较野生型有更强的旱、盐耐受性。过表达AVP1的甘蔗根系长而丰富，与此同时能够承受较高的盐和旱胁迫[10]。过表达AVP1番茄根生物量增加并将Na+隔离到液泡中而减弱Na+积累的毒性作用，从而提高了番茄的旱、盐胁迫[11]。在大麦中鉴定到了与盐、旱耐受相关的AVP1位点。转AVP1基因棉花植株耐盐性较对照显著提高。AVP1介导的棉花抗逆性增强的分子机制可能是，过表达AVP1似乎刺激生长素的极性运输，进而刺激根的发育，较大的根系使AVP1过表达植株在干旱和盐碱条件下更有效地吸收水分，从而提高了抗逆性和产量；由于液泡焦磷酸酶质子泵的活性增强，生成一个高跨液泡膜质子电化学梯度，导致液泡内低水势和更高的二次运输活动，防止细胞质内积累有毒离子[12]。盐胁迫下的转AVP1基因烟草长势更好、鲜重更大，是由于AVP1增强了液泡膜上的质子电化学梯度，避免Na+在细胞质中积累。同时，丙二醛和H2O2显著低于野生型，表明AVP1能够在盐胁迫下发挥保护作用[13]。

1.4 AVP1提高重金属元素的耐受

面对土壤中广泛存在的重金属污染，植物自身具备相应的机制以便在低浓度元素条件下提高利用效率,在高浓度条件下减少积累量来维持正常生长。提高一些离子转运相关基因和蛋白的表达量就是这些机制中的一种，AVP1的跨液泡膜驱动力可以为离子转运提供动力，可能在离子胁迫响应中发挥作用。

植物对重金属的耐受策略之一是将重金属隔离在液泡中，小麦中分离得到的TaVP1转入烟草，转基因烟草在铜胁迫下表现出更强的根系、更大的生物量、更少的叶绿素损失和更高的铜积累量[14]。基于串联质粒标记(TMT)的蛋白质组学分析了低镉积累量和高镉积累量2种水稻发现25个与低镉积累相关的蛋白，其中包括液泡H+焦磷酸酶1(OVP1)。过表达OVP1降低了水稻地上部分的镉浓度，促进了水稻生长，表明OVP1在水稻镉积累中发挥重要作用[15]。硼是植物必需的微量元素，具有减轻重金属毒害的作用。硼对西瓜钒耐受性的改善作用是基于硼的内稳态和抗氧化防御系统的改善，其中根细胞液泡中钒的排除量是由H+-ATPase、H+-PPase活性的提高和VHP1等基因的转录水平升高而驱动的[16]。

1.5 AVP1参与植物糖代谢

种子植物的发芽后生长需要特殊的代谢，如糖异生，以支持幼苗的异养生长，直到功能光合器官建立。但拟南芥avp1突变体在萌发后无法支持异养生长，与野生型相比，下胚轴伸长在黑暗中严重受损、焦磷酸(PPi)水平高2.5倍。因此，AVP1在植物体内的主要功能是对胞质PPi的水解，植物细胞通过消除细胞质中的PPi来优化其代谢功能，以实现胚胎后异养生长[17]。

在柑橘中鉴定到3个焦磷酸酶基因CsVPP-1、CsVPP-2、CsVPP-4，且在7个柑橘品种果实中I型V-PPase基因的转录水平与蔗糖呈显著正相关。过表达I型V-PPase基因显著提高了PPase活性，降低了焦磷酸盐含量，增加了蔗糖含量。因此，CsVPP-1和CsVPP-2在液泡中蔗糖的储存发挥关键作用，不仅通过调节焦磷酸盐稳态，最终还通过转录水平与蔗糖生物合成和蔗糖转运基因相关[18]。

植物的适应和胁迫响应依赖于源库器官碳平衡的动态优化。到目前为止，对如何控制速率的分子机制的研究主要集中在负责将蔗糖装载到叶脉韧皮部筛管元件-伴生细胞复合物的糖转运蛋白上。最近，对拟南芥的细胞类型特异性转录组数据分析确定了AVP1对于控制糖出口速率的调控作用[19]。

1.6 AVP1提高元素利用效率

氮(N)、磷(P)、钾(K)等是植物生长发育所必需的营养物质，缺乏这些营养物质将会严重限制作物生长、坐果、果实发育及产量，生产实践中需要定期施肥以获得高产和防止土壤退化。但肥料的低效利用增加了成本和污染，因此深入解析高效利用肥料的品种对农业可持续发展具有重要意义。

过表达拟南芥H(+)-PPase基因的生菜对15N标记肥料的积累明显高于对照植株，同时转基因植株的根系生长也更旺盛[20]。番茄中过表达AVP1基因，能够在缺磷条件下增加25%的单株可售成熟果实；且在低磷条件下，AVP1过表达番茄植株从叶片(源)到果实(库)的磷转运增加；温室和大田试验中，AVP1过表达植株的移栽成活率比对照植株高11%[21]。披碱草中鉴定到的v型H+-焦磷酸酶基因EdVP1基因，在2个小麦品种中过表达EdVP1。连续2a的试验结果表明，EdVP1显著提高了转基因小麦的产量和钾利用效率。盆栽实验表明，转基因植株的芽和根明显更长，钾离子流入和氢离子流出也更高[22]。

1.7 反向合成焦磷酸

焦磷酸酶通过水解焦磷酸盐而部分介导植物能量分配和生长调节是已被证实的典型作用，但也有研究表明焦磷酸酶可以作为焦磷酸合酶发挥作用。

H+-PPase突变株系拟南芥液泡的向内电流明显减少，而高表达H+-PPase的液泡中明显增加。并且发现与反向H+转运相关的电流振幅取决于膜电位、胞浆Pi浓度和整个液泡pH梯度的大小[23]。另一个过表达AVP1基因拟南芥拟南芥的研究发现，转基因植株积累了更多的地上和根系生物量、韧皮部卸载和运输能力增强。研究者认为，焦磷酸酶定位于质膜，而非液泡膜，AVP1基因过表达介导的生长增强是由于其在韧皮部伴生细胞中发挥PPi合成酶的功能[24]。

2 AVP1基因的主要调控方式

2.1 蛋白相互作用

在拟南芥中发现，14-3-3蛋白存在时，AVP1的酶活性和质子泵活性增加、在高浓度PPi条件下对AVP1提供保护、高温条件下提高AVP1的结构稳定性、减轻Na+对AVP1的伤害，也鉴定到了AVP1与14-3-3蛋白的结合位点[25]。AVP1作为Na+/H+交换器是维持Na+稳态的关键基因，在番茄中的研究发现，钙调蛋白SlCBL10突变体叶片Na+积累能力下降，导致从木质部上传的Na+较低，使有毒离子到达顶端和花[26]。说明AVP1是处于下游位置作为上游调控蛋白的靶位点而发挥作用，并影响生长发育事件。

2.2 转录调控

在拟南芥中发现，花粉发育受到转录激活因子AtCAMTA1和AtCAMTA5以及AtVOZ1和AtVOZ2的调控，转录激活因子能够结合在AVP1基因启动子区一个38bp的特异的顺式作用区，激活AVP1基因的表达而影响花粉发育过程[27]。

2.3 翻译后调控

拟南芥中的研究表明，AVP1的高表达提高了焦磷酸依赖的质子泵活性、耐盐性、根毛发育等；但在过表达AVP1的SOS1功能缺失突变体中，这些表型受到负性影响[28]。表明AVP1蛋白水平的提高需要SOS1参与，并且这种调控似乎是翻译后的，通过计算机建模，确定了几个可能调控亚细胞转运和活性的磷酸化、泛素化和素泛素化靶位点。

3 展望

AVP1基因编码的无机焦磷酸酶是一种广泛存在于动物、植物和原生动物的独特H+转运酶。在液泡膜上，H+-PPase能将PPi水解为2个Pi，不仅削弱PPi浓度过高对胞质中生物大分子合成的影响，还可以用PPi水解产生的自由能，催化H+由胞质向液泡的运输，与液泡膜H+-ATPase一起建立跨液泡膜质子驱动力，为各种溶质分子(如阳离子、元素、糖类等)的跨液泡膜主动运输提供驱动力。焦磷酸酶以经典水解焦磷酸和“反向”合成焦磷酸功能在植物形态建成、糖积累、元素利用效率、产量及旱、盐、金属离子胁迫等过程中发挥积极作用。其表达和功能发挥已发现可通过蛋白相互作用、转录调控和翻译后调控等方式，对于基因的开发利用具有一定的借鉴意义。

虽然在多种植物中都证明了焦磷酸酶对于生长发育的关键作用，但其具体机制和参与的信号通路没有完善，一定程度上影响了焦磷酸酶基因的利用。如，经典的水解焦磷酸功能和“反向”合成焦磷酸功能分别触发的具体调控通路，水解与合成的触发机制，以及水解-合成的稳态维持策略。这些问题还有待研究者深入研究以完善焦磷酸酶调控机制的理论，从而为在植物中通过生物技术手段利用焦磷酸酶基因提供理论支撑。