摘要：質(zhì)膜水通道蛋白（PIPs）是一種具有高度保守性的膜蛋白，是水通道蛋白（AQPs）的亞家族之一，有助于水分、CO₂和H₂O₂的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，在維持多種非生物脅迫環(huán)境下植株的水分平衡方面發(fā)揮重要作用。PIPs定位于質(zhì)膜，通常以四聚體形式發(fā)揮作用，在高等植物中擁有豐富的亞型，根據(jù)一級(jí)結(jié)構(gòu)中C端和N端的序列特征可以分為PIP1、PIP2這2個(gè)亞類(lèi)。植物在鹽、干旱、寒冷、淹水等非生物脅迫下，PIPs活性會(huì)被細(xì)胞內(nèi)脫落酸（ABA）、Ca²⁺和H₂O₂等信號(hào)因子調(diào)控，且PIPs可以跟多種脅迫響應(yīng)蛋白互作，改變質(zhì)膜通透性，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)H₂O₂外排，維持細(xì)胞滲透平衡和植株水勢(shì)。有研究表明提高轉(zhuǎn)基因植物中PIPs的表達(dá)可以提高植物對(duì)逆境的抗性，但是某些情況下過(guò)表達(dá)PIPs會(huì)使植物對(duì)逆境更敏感，對(duì)脅迫的抗性也根據(jù)物種、生長(zhǎng)階段和脅迫類(lèi)型出現(xiàn)多樣性。本文綜述了PIPs的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)、亞細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)、翻譯后修飾和門(mén)控機(jī)制等多種活性調(diào)控的分子機(jī)制以及應(yīng)用轉(zhuǎn)基因方法對(duì)植物抗逆的影響，以期為增強(qiáng)植物抗逆性提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水通道蛋白；質(zhì)膜內(nèi)在蛋白；表達(dá)調(diào)控；轉(zhuǎn)基因方法；非生物脅迫

中圖分類(lèi)號(hào)：S184；S432.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）21-0001-09

收稿日期：2023-12-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31571608）；江蘇省科技計(jì)劃（編號(hào)：BK20151311、BK20201219）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目［編號(hào)：CX（16）1001］；植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（編號(hào)：ML201903） 。

作者簡(jiǎn)介：賁琳麗（1998—），女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事水稻生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)理研究。E-mail：2801645675@qq.com。

通信作者：姚友禮，教授，主要從事水稻生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)理研究。E-mail：yaoyl@yzu.edu.cn。

作物的生產(chǎn)能力很大程度上受制于周邊環(huán)境中水分是否能夠滿(mǎn)足其生長(zhǎng)所需。作物在遭遇洪澇、干旱、鹽分等非生物脅迫時(shí)會(huì)出現(xiàn)葉片失水過(guò)多或根系吸水困難等問(wèn)題，此時(shí)的水分供應(yīng)不足會(huì)觸發(fā)葉片氣孔關(guān)閉，以減少蒸騰作用和限制植物組織中的水分損失。除關(guān)閉氣孔以減少蒸騰外，植物還可以通過(guò)調(diào)節(jié)水通道蛋白的數(shù)量和活性來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)細(xì)胞膜的水分主動(dòng)攝入或運(yùn)輸，從而影響植物水分狀況^［1］。水通道蛋白是參與動(dòng)植物細(xì)胞膜膜孔構(gòu)成的蛋白組分，系一個(gè)古老的主要內(nèi)在蛋白（MIPs）超家族的一部分，但并非所有水通道蛋白都起到水通道的作用。水通道蛋白功能多樣，其通過(guò)調(diào)節(jié)水勢(shì)左右植物蒸騰作用、影響植物營(yíng)養(yǎng)吸收強(qiáng)度、介入根與地上部間的水勢(shì)傳導(dǎo)、參與細(xì)胞滲透勢(shì)的維持、調(diào)節(jié)細(xì)胞間溶質(zhì)流通和氣孔開(kāi)度，因此在植物對(duì)水分逆境的調(diào)節(jié)適應(yīng)過(guò)程中起著非常重要的作用。

與動(dòng)物相比，高等植物基因組編碼數(shù)量更多的水通道蛋白，且物種間差異極大，顯示其功能分化的高度復(fù)雜性。秀麗隱桿線蟲(chóng)（Caenorhabditis elegans）基因組共有12個(gè)水通道蛋白，人類(lèi)（Homo sapiens）和大鼠（Rattus norvegicus）基因組均有13個(gè)水通道蛋白^［2］。而第1個(gè)被完整測(cè)序的模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）則有35個(gè)水通道蛋白；水稻（Oryza sativa）基因組有37個(gè)水通道蛋白，且至少33個(gè)檢測(cè)到有表達(dá)；蕓薹屬的二倍體白菜（Brassica rapa） 和甘藍(lán)（Brassica oleracea）分別有60、67個(gè)水通道蛋白，四倍體的油菜（Brassica napus）被證實(shí)有121個(gè)水通道蛋白^［3-4］。由此可見(jiàn)高等植物中水通道蛋白的多樣性，可以推斷其功能的復(fù)雜性和重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)動(dòng)物。

依據(jù)其蛋白質(zhì)分子氨基酸殘基序列的相似性和亞細(xì)胞定位位置，水通道蛋白（AQPs）可以分為7個(gè)亞家族：質(zhì)膜內(nèi)在蛋白（PIPs）、液泡膜內(nèi)在蛋白（TIPs） 、類(lèi)NOD26膜內(nèi)在蛋白（NIPs）、小分子堿性?xún)?nèi)在蛋白（SIPs）、類(lèi) GlpF膜內(nèi)在蛋白（GIPs）、雜合內(nèi)在蛋白（HIPs）和X-內(nèi)源蛋白（XIPs）^［5］。PIPs、NIPs、XIPs中的一些成員被證實(shí)主要定位于細(xì)胞質(zhì)膜。質(zhì)膜是植物細(xì)胞水分交換的第1道屏障，研究這些定位在質(zhì)膜上的AQPs功能有助于了解植物在水運(yùn)輸方面的機(jī)制。其中，NIPs和XIPs主要負(fù)責(zé)溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，而PIPs在控制膜透水性方面發(fā)揮著重要作用。PIPs是AQPs家族中一個(gè)大的亞家族，占總水通道蛋白的40%^［6］。1992年，Yamaguchi-Shinozaki等利用差別雜交的方法在研究擬南芥失水響應(yīng)相關(guān)基因時(shí)分離出RD28，序列分析表明，其為跨膜通道蛋白的一員^［7］。1994年，Daniels等在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)RD28，使其透水率提高了 10～15倍，確定其為定位于細(xì)胞質(zhì)膜上的水通道蛋白^［8］。在功能分析的基礎(chǔ)上，它后來(lái)被系統(tǒng)命名為AtPIP2；3。迄今為止，在多種植物中均發(fā)現(xiàn)了質(zhì)膜內(nèi)在蛋白。

大量研究表明，PIPs不僅參與水分運(yùn)輸，還能通透氣體分子CO₂和信號(hào)分子H₂O₂，在種子萌發(fā)、氣孔開(kāi)閉、開(kāi)花過(guò)程及抗逆脅迫中發(fā)揮重要作用^［9-11］。本研究圍繞水通道蛋白PIP家族的結(jié)構(gòu)、分類(lèi)、活性調(diào)控機(jī)制及轉(zhuǎn)基因方法應(yīng)用等方面進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

1 植物PIP家族的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)

目前，已在多種植物中鑒定到PIPs家族成員，在擬南芥、水稻、大豆［Glycine Max （L.） Merr］、棉花（Gossypium hirsutum）和小麥（Triticum aestivum）中分別有13、11、22、28、18個(gè)^{［3，12-15］}。PIPs根據(jù)一級(jí)結(jié)構(gòu)中C端和N端的序列特征可以分為PIP1、PIP2這2個(gè)亞類(lèi)。PIP1和PIP2家族的蛋白序列具有高度保守性，兩者的主要區(qū)別是PIP1比PIP2有更長(zhǎng)的N端序列和更短的C端序列，且在一些保守的氨基酸位點(diǎn)上有差異^［16-17］。PIP1和PIP2在多種植物中普遍存在，不同物種之間的PIP1和PIP2比例相對(duì)恒定^［6］。雖然PIP1和PIP2一樣普遍存在，但每種類(lèi)型通道的功能特性都不同。PIP2被認(rèn)為是一種高水轉(zhuǎn)運(yùn)活性的同源四聚體，其門(mén)控機(jī)制與胞質(zhì)酸化、磷酸化和保守的氨基酸基序明確相關(guān)^［18-19］。相反，PIP1在水和溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)以及翻譯后調(diào)節(jié)方面表現(xiàn)出復(fù)雜的異質(zhì)性。有研究表明，部分PIP1在水傳輸方面沒(méi)有功能，一些PIP1作為水通道蛋白效率低下，少數(shù)擁有與PIP2相當(dāng)?shù)乃D(zhuǎn)運(yùn)能力，還有另一些則充當(dāng)溶質(zhì)通道^［20-22］。

質(zhì)膜水通道蛋白是最大的植物AQP亞家族，分子質(zhì)量為23～34 ku，等電點(diǎn)為9.0。其三級(jí)結(jié)構(gòu)包含6個(gè)α跨膜螺旋（TM1～TM6），由5個(gè)環(huán)（LA～LE）相連，其中環(huán)B、D位于膜的細(xì)胞內(nèi)側(cè)，環(huán)A、C、E位于外側(cè)。疏水環(huán)LB和LE各有一個(gè)高度保守的特征基序Asn-Pro-Ala（NPA），并形成短螺旋（HB、HE），上下對(duì)稱(chēng)地包埋在質(zhì)膜中。環(huán)B從細(xì)胞質(zhì)側(cè)進(jìn)入膜，環(huán)E從細(xì)胞外側(cè)進(jìn)入膜。由此形成其中2個(gè)NPA盒彼此定向180°的跨膜結(jié)構(gòu)域^［23-24］。6個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的α跨膜螺旋緊密聚合在一起，形成了負(fù)責(zé)底物流通的孔道并與磷脂雙分子層以一定角度鑲嵌在細(xì)胞膜中，構(gòu)成了形似沙漏的蛋白結(jié)構(gòu)（圖1）。植物水通道蛋白的孔道最窄處為芳香族/精氨酸過(guò)濾器（Ar/R selectivity filter），該四聚體結(jié)構(gòu)位于NPA的周質(zhì)一側(cè)，由LE上的2個(gè)氨基酸殘基和HB、HE上各1個(gè)氨基酸殘基組成，在底物篩選上發(fā)揮重要作用^［25］。雖然水通道蛋白單體可以作為功能性孔隙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)底物，但通常形成由4個(gè)單體構(gòu)成的四聚體來(lái)發(fā)揮作用，可以是同型四聚體形成同源四聚體，也可以是異型水通道蛋白形成異源四聚體，少數(shù)以單體或二聚體形式^［26］。每個(gè)單體擁有一個(gè)孔道，而在形成四聚體時(shí)會(huì)在中心位置形成第5個(gè)孔道。有研究表明，第5個(gè)孔道可能轉(zhuǎn)運(yùn)CO₂，而這種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制是異于4個(gè)單體孔道的^［9］。在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中分別表達(dá)硬粒小麥（Triticum turgidum） TdPIP1；1和TdPIP2；1時(shí)，前者無(wú)水轉(zhuǎn)運(yùn)活性，而后者誘導(dǎo)膜滲透水滲透系數(shù)（Pf）顯著升高，當(dāng)二者同時(shí)表達(dá)時(shí)，Pf相比單獨(dú)表達(dá)TdPIP2；1顯著增加，說(shuō)明二者以異源四聚體發(fā)揮作用^［27］。

2 植物PIPs的亞細(xì)胞定位及轉(zhuǎn)運(yùn)

與熒光蛋白（GFP）報(bào)告基因的融合表明，PIPs定位于質(zhì)膜且大多數(shù)是均勻分布的。同時(shí)，少數(shù)亞型顯示出一定的極性表達(dá)，OsPIP2；1和OsPIP2；5優(yōu)先在水稻根表皮細(xì)胞的內(nèi)皮層大量積聚，ZmPIP2；5優(yōu)先定位在玉米根細(xì)胞外表面^［28-29］。PIPs能否發(fā)揮作用取決于其蛋白質(zhì)合成后能否成功轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜上。目前，很多研究已經(jīng)闡述了PIPs在正常狀態(tài)下靶向質(zhì)膜的分子機(jī)制，包括新合成的PIPs蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸?shù)礁郀柣w，再?gòu)母郀柣w和反面高爾基體管網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)加工后運(yùn)到質(zhì)膜的胞吐過(guò)程，胞吞后循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)回質(zhì)膜的回收過(guò)程以及泛素化介導(dǎo)的質(zhì)膜蛋白降解^［30］。在多種脅迫處理下，PIPs的亞細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)發(fā)生改變。鹽脅迫下， 氨基酸殘基位點(diǎn)Ser283磷酸化導(dǎo)致AtPIP2；1的胞吞增強(qiáng)^［31］。擬南芥環(huán)膜錨定E3泛素連接酶（a RING membrane anchor E3 ubiquitin ligase，Rma1H1）定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，可與AtPIP2；1互作并抑制其轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜。在干旱脅迫下，這一過(guò)程增強(qiáng)，導(dǎo)致AtPIP2；1通過(guò)蛋白酶途徑降解^［32］。Rma1與泛素連接酶UBC32共同作用，并且UBC32的E2活性對(duì)于Rma1的泛素化是必需的。這種復(fù)合物泛素化磷酸化形式的PIP2；1在Lys276處促進(jìn)其降解，從而增強(qiáng)植物的耐旱性^［33］。多脅迫調(diào)節(jié)因子富含色氨酸的感覺(jué)蛋白/轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（tryptophan-rich sensory protein / translocator，TSPO）在受到干旱誘導(dǎo)的脫落酸（ABA）刺激后降低了AtPIP2；7的表達(dá)并與其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體互作，通過(guò)自噬體途徑將AtPIP2；7定向到液泡中降解^［34］。因此，干旱、鹽堿等逆境條件下，質(zhì)膜水通道蛋白的亞細(xì)胞定位及轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程是植物響應(yīng)脅迫的重要環(huán)節(jié)，植物可以通過(guò)這些過(guò)程調(diào)節(jié)質(zhì)膜水通道蛋白的豐度，從而調(diào)節(jié)膜的滲透性。

3 植物PIPs的表達(dá)調(diào)控與活性調(diào)節(jié)

植物質(zhì)膜水通道蛋白的表達(dá)分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。轉(zhuǎn)錄水平受環(huán)境因素（干旱、鹽脅迫等）及內(nèi)源性信號(hào)（脫落酸、水楊酸等）影響，轉(zhuǎn)錄后水平的影響因素包括翻譯后膜轉(zhuǎn)運(yùn)水平和門(mén)控水平調(diào)節(jié)。

3.1 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

PIPs負(fù)責(zé)水分的吸收和外排，在植物的各部位均有表達(dá)，在根和葉片維管束組織中表達(dá)量最高。當(dāng)植物遇到干旱、鹽堿、低溫、洪澇等非生物脅迫后，PIPs的表達(dá)水平會(huì)發(fā)生改變以維持體內(nèi)水分平衡及細(xì)胞滲透勢(shì)，且這種改變會(huì)因物種、組織及PIPs亞組的不同呈現(xiàn)出多樣性。雖然PIPs蛋白豐度和活性并不總是跟mRNA水平成比例，但mRNA表達(dá)水平的變化往往反映了蛋白質(zhì)的豐度。定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（qRT-PCR）是測(cè)定信使核糖核酸豐度最廣泛使用的方法^［35］。近年來(lái)，RNA-seq數(shù)據(jù)庫(kù)的完善也為分析PIP家族各種亞型在多種條件下的水平變化提供了更便捷的工具^［36］。

植物在干旱脅迫下，多數(shù)PIPs在葉片中的表達(dá)量下降，但是有些呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。水稻根中OsPIP1；1、OsPIP2；1等PIPs的表達(dá)量在干旱處理后均明顯降低^［37］。用250 mmol/L甘露醇處理后，擬南芥AtPIP1；5、AtPIP2；2、AtPIP2；3和AtPIP2；4的表達(dá)量大幅降低，AtPIP1；3、AtPIP1；4、AtPIP2；1 和 AtPIP2；5的表達(dá)量增加5倍^［38］。菜豆（Phaseolus vulgaris）在干旱處理4 d后，PvPIP1；1、PvPIP1；2、PvPIP2；1在根組織中的平均表達(dá)水平升高并在重新澆水1 d后回落^［39］。

鹽脅迫處理下，大多數(shù)植物中PIPs的表達(dá)水平先降后升。用100 mmol/L NaCl處理擬南芥后，發(fā)現(xiàn)PIPs表達(dá)水平在2～4 h內(nèi)降低了60%～75%^［40］。用相同濃度的鹽處理大豆后，導(dǎo)致GmPIP1；6初始表達(dá)減少，然后在3 d后，在根和葉中的表達(dá)增加^［41］。在鹽脅迫下，水稻葉片中大多數(shù)PIPs的表達(dá)水平首先受到一定程度的抑制，然后增加^［42］。

低溫脅迫下調(diào)了植物中多數(shù)PIPs的表達(dá)水平。水稻幼苗的根和地上部的PIPs表達(dá)量在4 ℃低溫處理后均顯著降低^［38］。在擬南芥中，低溫脅迫使大多數(shù)PIP1和PIP2基因的表達(dá)量在根和地上部均下調(diào)，而持續(xù)的冷脅迫后，根中的表達(dá)量上調(diào)，地上部水平減少或保持不變^［43］。

關(guān)于植物對(duì)淹水脅迫響應(yīng)的研究較少。在淹水處理的高粱（Sorghum bicolor）根中，觀察到的SbPIP1；6表達(dá)在初始上調(diào)，4 d后表達(dá)量減少^［44］。PIPs在淹水處理后的水稻莖中顯著上調(diào)，這一變化可能是節(jié)間快速伸長(zhǎng)的原因之一^［45］。

目前，對(duì)于質(zhì)膜水通道蛋白在各種環(huán)境下表達(dá)模式的研究較多，對(duì)其順式作用元件及反式作用因子的研究較少。MYB（v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）因子是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子之一，可以與PIPs相互作用以響應(yīng)水分脅迫，擬南芥中125個(gè)MYB基因的功能已被初步解析^［46］。在玫瑰中，缺水誘導(dǎo)水通道蛋白R(shí)hPIP2；1在Ser 273位點(diǎn)的磷酸化，這足以促進(jìn)MYB蛋白R(shí)hPTM" C末端的核易位，從而降低存活率^［47］。一種鋅指轉(zhuǎn)錄因子DST（drought and salt tolerence）調(diào)控一種富含亮氨酸的受體樣激酶LP2（Leaf Panicle 2），該激酶可以與水稻OsPIP1；1、OsPIP1；3和OsPIP2；3相互作用并可影響水稻的干旱敏感性^［48］。

3.2 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控

3.2.1 翻譯后修飾

PIPs是植物細(xì)胞質(zhì)膜中最豐富的內(nèi)在蛋白家族，蛋白組學(xué)和質(zhì)譜分析表明其攜帶多種翻譯后修飾位點(diǎn)，包括磷酸化、甲基化、脫酰胺、NH₂-末端乙?；头核鼗▓D2）^［49］。在擬南芥中，質(zhì)譜分析顯示，AtPIP2；1的起始甲基化（Met）殘基被共翻譯切割，Lys3（K3）為二甲基化（Met-Met）位點(diǎn)、Glu6（E6）為單甲基化（Met）位點(diǎn)、Ser280（S280）和Ser283（S283）為磷酸化（P）位點(diǎn)，Gln和Asn殘基（Q14、Q19、N286）為脫酰胺化（Dea）位點(diǎn)，泛素化（Ub）殘基是未知的^{［32，50-52］}。對(duì)菠菜SoPIP2；1的研究推斷出Ser115（S115）處為環(huán)B的磷酸化位點(diǎn)^［53］。利用蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定了多種刺激條件下擬南芥根中PIPs的翻譯后修飾，發(fā)現(xiàn)磷酸化狀態(tài)的變化與根系水導(dǎo)率的變化呈正相關(guān)關(guān)系，脫酰胺的豐度可被誘導(dǎo)改變，但這種改變的機(jī)制及作用還未被解析^［52］。PIPs的多種翻譯后修飾表明其在PIPs表達(dá)及功能上的重要作用。目前，對(duì)磷酸化的研究較多，證實(shí)了其在PIPs蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)與門(mén)控方面的作用^{［47，53］}。泛素化可以使PIPs在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)降解，甲基化可能參與PIPs蛋白亞細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)，而脫酰胺的功能作用還不清楚^［32］。

植物會(huì)根據(jù)外部環(huán)境刺激誘導(dǎo)改變PIPs磷酸化狀態(tài)，以此調(diào)節(jié)與水相關(guān)的生理事件。在高粱中，AT1（Alkaline Tolerance 1）編碼非典型G蛋白γ亞基，負(fù)調(diào)節(jié)PIPs的磷酸化以調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫（H₂O₂）的分布，從而調(diào)節(jié)作物耐堿性^［54］。

然而對(duì)參與其中的蛋白激酶的研究較少。植物中大多數(shù)激酶同時(shí)作用于絲氨酸和蘇氨酸，稱(chēng)為絲氨酸/蘇氨酸激酶（protein serine/threonine kinases，PSKs）。2類(lèi)蔗糖非發(fā)酵蛋白激酶2.4（type 2 sucrose-non-fermentative protein kinase 2.4，SnRK2.4）基因通過(guò)與水通道蛋白PIP2；1相互作用并磷酸化Ser121來(lái)提高水轉(zhuǎn)運(yùn)活性^［55］。龍膽（Gentiana）GsPIP2；2被鈣（Ca²⁺）依賴(lài)性蛋白激酶GsCPK16磷酸化并激活，GsCPK16在響應(yīng)溫度和光刺激時(shí)被升高的細(xì)胞質(zhì)Ca²⁺水平激活，最終導(dǎo)致花朵重新開(kāi)放^［56］。在擬南芥中，誘導(dǎo)肽（PEP）家族的一個(gè)成員PEP7和一種具有短外部結(jié)構(gòu)域的受體激酶QSK1作為輔助受體，穩(wěn)定和增強(qiáng)受體激酶SIRK1活性并通過(guò)磷酸化來(lái)控制PIPs活性，以響應(yīng)蔗糖刺激^［57-58］。

3.2.2 門(mén)控調(diào)節(jié)

PIPs通常以四聚體形式發(fā)揮其作用，研究發(fā)現(xiàn)，門(mén)控機(jī)制在四聚體的細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)表面行使更具體的調(diào)節(jié)。PIPs門(mén)控的變化可以調(diào)控四聚體結(jié)構(gòu)中單體和中心孔道的開(kāi)閉狀態(tài)，并影響對(duì)水及其他小分子的滲透性^［59］。門(mén)控模型的提出基于對(duì)菠菜（Spinacia oleracea） SoPIP2；1進(jìn)行的分子結(jié)構(gòu)分析及對(duì)環(huán)D閉合構(gòu)象和開(kāi)放構(gòu)象的描述。由于PIPs具有長(zhǎng)的細(xì)胞內(nèi)環(huán)D，其上的疏水殘基Leu197位置變化可以產(chǎn)生水孔閉塞，而這種構(gòu)象是可逆的。在“閉合”構(gòu)象中，環(huán)D上的His193質(zhì)子化后與N端區(qū)域的Asp28相互作用形成鹽橋，使疏水側(cè)鏈Leu197進(jìn)入胞質(zhì)孔口產(chǎn)生了疏水閉塞。在開(kāi)放構(gòu)象中，環(huán)D上的His193未被質(zhì)子化，因此環(huán)D構(gòu)象并未改變，位于環(huán)B的遠(yuǎn)端，孔道處于打開(kāi)狀態(tài)^［53］。對(duì)純化的植物膜或脂蛋白體的體外研究表明，門(mén)控機(jī)制被pH值、Ca²⁺等二價(jià)陽(yáng)離子和磷酸化調(diào)節(jié)。細(xì)胞質(zhì)環(huán)D中保守的His殘基是pH值依賴(lài)性門(mén)控的中心，淹水導(dǎo)致的胞質(zhì)酸性環(huán)境誘導(dǎo)孔道閉合^［18］。二價(jià)陽(yáng)離子對(duì)PIPs活性的抑制機(jī)制與pH值依賴(lài)性門(mén)控相似，環(huán)D的封閉構(gòu)象在His193與Cd²⁺結(jié)合后更加穩(wěn)定。Ca²⁺、Cd²⁺和Mn²⁺均能強(qiáng)力抑制AtPIP2；1的活性^［18］。B環(huán)的Ser115發(fā)生磷酸化會(huì)導(dǎo)致分子間作用力被破壞，使孔道開(kāi)放；在干旱脅迫下S115會(huì)發(fā)生去磷酸化使孔道閉合^［60］。對(duì)門(mén)控機(jī)制的研究有助于了解植物PIPs如何響應(yīng)逆境脅迫下的細(xì)胞信號(hào)因子，并改變膜透水性以維持植物水分穩(wěn)態(tài)。

4 植物PIPs響應(yīng)逆境脅迫的機(jī)制

有效保水和避免失水對(duì)旱地植物在鹽堿和干旱等不利環(huán)境條件下的生存至關(guān)重要。植物的水力傳導(dǎo)率在逆境環(huán)境下受到的抑制多由植物激素如脫落酸以及信號(hào)通路分子如pH值、鈣離子（Ca²⁺）和過(guò)氧化氫（H₂O₂）等來(lái)介導(dǎo)形成。這些信號(hào)通路分子會(huì)在多種水平上影響PIPs的活性，改變細(xì)胞的滲透性，最后影響植物根和葉片的水力傳導(dǎo)率（圖3）。最近的一項(xiàng)研究表明，茉莉酸類(lèi)似物冠菌素（COR）也可以影響PIPs的功能，COR可以誘導(dǎo)玉米ZmPIP2；5的表達(dá)，并通過(guò)結(jié)合其環(huán)E上的功能位點(diǎn)N241與ZmPIP2；5相互作用，從而促進(jìn)高滲透脅迫下的水分吸收^［61］。

高鹽度、干旱、高蒸汽壓差等環(huán)境脅迫下，植物細(xì)胞內(nèi)外會(huì)積累大量的H₂O₂。研究表明，PIPs可以促進(jìn)H₂O₂進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞，并通過(guò)蛋白激酶OST1（Open Stomata 1）介導(dǎo)的磷酸化影響ABA信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)氣孔關(guān)閉^［62］。雖然植物的多種生理過(guò)程都需要H₂O₂作為信號(hào)因子參與，但是過(guò)度積累會(huì)造成細(xì)胞氧化損傷。

5 轉(zhuǎn)基因方法的應(yīng)用

大量研究表明，提高轉(zhuǎn)基因植物中PIPs的表達(dá)可以提高植物對(duì)干旱、鹽堿、低溫、水淹等逆境的抗性，此時(shí)葉片水勢(shì)和蒸騰速率比野生型更高。但是某些情況下過(guò)表達(dá)PIPs會(huì)使植物對(duì)逆境更敏感，對(duì)脅迫的抗性也根據(jù)物種、生長(zhǎng)階段和脅迫類(lèi)型出現(xiàn)多樣性（表1）。

MaPIP2；6過(guò)表達(dá)香蕉植株通過(guò)提高光合效率和降低膜損傷來(lái)提高耐鹽性^［63］。過(guò)表達(dá)OsPIP1；1促進(jìn)水稻耐鹽性和種子發(fā)芽，在100 mmol/L NaCl處理后，中低水平的過(guò)表達(dá)植株有更長(zhǎng)的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)^［21］。AtPIP2；1通過(guò)改變離子穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)耐鹽性，在鹽堿萌發(fā)條件下，AtPIP2；1敲除突變體的種子質(zhì)量比野生型大，積累的Na⁺也比野生型少，而過(guò)表達(dá)突變體的種子吸收質(zhì)量比野生型小，K⁺含量比野生型高^［77］。大麥水通道蛋白HvPIP2；1的過(guò)表達(dá)增加了轉(zhuǎn)基因水稻的莖根比并提高了鹽敏感性，在鹽脅迫下2周的轉(zhuǎn)基因植物中，觀察到地上部含水量、根質(zhì)量或地上部質(zhì)量均降低^［64］。

香蕉水通道蛋白MusaPIP1；1在擬南芥中的過(guò)表達(dá)植株在鹽或干旱條件下，主根伸長(zhǎng)、根毛數(shù)量和存活率與野生型相比增加。生理指標(biāo)表明，MusaPIP1；1可提高耐鹽性與減小膜損傷和提高胞漿K⁺含量/Na⁺含量比值^［65］。硬粒小麥TdPIP1；1、TdPI2；1在煙草中構(gòu)建的異源過(guò)表達(dá)株系暴露于300 mmol/L甘露醇或250 mmol/L NaCl中生長(zhǎng)30 d時(shí)，轉(zhuǎn)基因煙草系表現(xiàn)出更高的總?cè)~面積和根長(zhǎng)產(chǎn)生更長(zhǎng)的根和更大的葉，耐鹽性和耐旱性增強(qiáng)^［27］。在有利的生長(zhǎng)條件下，PIP1b過(guò)表達(dá)顯著提高了植物的生長(zhǎng)速率、蒸騰速率、氣孔密度和光合效率。相反，PIP1b過(guò)表達(dá)在鹽脅迫下沒(méi)有有益作用，而在干旱脅迫下則對(duì)幼苗生長(zhǎng)有負(fù)面影響，導(dǎo)致其更快地枯萎^［66］。

蠶豆VfPIP1基因在擬南芥中的過(guò)表達(dá)系表現(xiàn)出更快的生長(zhǎng)速率、更低的蒸騰速率和更強(qiáng)的耐旱性^［67］。在干旱脅迫下，馬鈴薯StPIP1在煙草中表達(dá)的減少導(dǎo)致種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)延遲，加速幼苗枯萎，并導(dǎo)致葉片形態(tài)異常^［68］。甘藍(lán)型油菜BnPIP1在轉(zhuǎn)基因煙草植株中的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致在整個(gè)植株水平上對(duì)水分脅迫的耐受性增加，反義表達(dá)則會(huì)使植株發(fā)育遲緩^［69］。在水分脅迫下，VvPIP2；4N的過(guò)表達(dá)誘導(dǎo)葉片脫落酸含量激增，氣孔導(dǎo)度和葉片氣體交換降低^［70］。在不同的非生物脅迫條件（鹽堿、干旱、低溫處理）下，與對(duì)照相比，MusaPIP1；2轉(zhuǎn)基因系具有較低的丙二醛水平、較高的脯氨酸和相對(duì)含水量以及較高的光合效率，這有助于轉(zhuǎn)基因植株在脅迫結(jié)束后迅速恢復(fù)^［71］。

過(guò)表達(dá)PIP1；4或PIP2；5的轉(zhuǎn)基因植物在脫水脅迫下快速失水，導(dǎo)致干旱脅迫下發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)遲緩。相反，轉(zhuǎn)基因植物過(guò)表達(dá)上述基因在冷脅迫下表現(xiàn)出增強(qiáng)的水力傳導(dǎo)并促進(jìn)發(fā)芽^［72］。雜交楊樹(shù)（Populus trichocarpa×deltoides） PtdPIP2；5的過(guò)度表達(dá)可以降低根部低溫對(duì)植株水力傳導(dǎo)系數(shù)和氣體交換的影響^［73］。

6 展望

更好地了解植物中PIPs介導(dǎo)的運(yùn)輸系統(tǒng)可以使植物更好地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件，目前大量研究揭示了PIPs的結(jié)構(gòu)、活性調(diào)控機(jī)制等，但仍有問(wèn)題需要進(jìn)一步研究：（1）對(duì)不同逆境脅迫下植物PIPs亞細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的研究較少；（2）對(duì)PIPs互作蛋白的研究還不全面，包括順式作用元件、反式作用因子、激酶、磷酸酶和其他環(huán)境脅迫應(yīng)答蛋白或影響PIPs活性的蛋白；（3）PIPs攜帶了多個(gè)翻譯后修飾位點(diǎn)，其中磷酸化位點(diǎn)的功能已有大量研究，對(duì)甲基化和脫酰胺研究較少，且脫酰胺位點(diǎn)的功能還不清楚；（4）組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的一些PIPs已經(jīng)通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法進(jìn)行了功能注釋?zhuān)l(fā)現(xiàn)了它們?cè)诳鼓娣矫娴挠幸孀饔?，但是試?yàn)材料大多為模式植物擬南芥和煙草的幼苗，缺乏不同作物類(lèi)型和不同生長(zhǎng)階段下在適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境變化時(shí)PIPs功能的解析；（5）現(xiàn)有抗旱耐鹽等抗逆性有差異的資源中PIPs的遺傳分型差異尚待明確，而這些恰是抗逆育種利用的基礎(chǔ)。

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