质膜H -ATP酶发挥功能的分子基础及其在农业生产中的潜在应用外文翻译资料

质膜H -ATP酶发挥功能的分子基础及其在农业生产中的潜在应用

原文作者： Ming Ding ^a , Maoxing Zhang ^b, Houqing Zeng ^c, Yuki Hayashi ^a, Yiyong Zhu ^d, Toshinori Kinoshita ^a,e,*

单位：Plant Physiology Laboratory of Graduate School of Science, Nagoya University, Nagoya, 464-8602, Japan

摘要：提高作物产量一直是人们追求的目标，通过操纵与植物生长相关的基因是提高作物产量最快的方式。质膜H -ATP酶是植物赖以生存的酶，在该酶的作用下，ATP水解产生的能量将H 泵出细胞膜，由此建立膜电位、维持pH稳态，还提供了物质跨膜运输所需的质子动力。质膜H -ATP酶参与了根系养分的吸收、表皮气孔的打开、韧皮部蔗糖的装载和卸载以及下胚轴细胞的伸长等植物生理过程。本文总结了近年来质膜H -ATP酶在作物吸收养分和光诱导气孔开放过程中的作用，并讨论了质膜H -ATP酶在作物增产中的关键作用以及通过调控其表达在农业生产中的潜在应用。

关键词：作物产量； 营养吸收； 质膜H -ATP酶； 水稻； 气孔开度

1、引入

植物质膜H -ATP酶高度保守，其在不同物种中存在不同的异构体，例如拟南芥有11种(AHA1-AHA11)、烟草有9种(PMA1-PMA9)、水稻有10种(OSA1-OSA10)^[1]。质膜H -ATP酶具有十个跨膜结构域，其中催化结构域位于跨膜结构域4和5之间，并且其N-端和C-端在细胞质上（图1）。质膜H -ATP酶属于P型ATP酶超家族，因此在结构上与其他P型ATP酶类似，如Ca² -ATP酶、H /K -ATP酶和Na /K -ATP酶^{[2, 3]}。质膜H -ATP酶的活性在转录、翻译和翻译后水平上调^[4]，并且其酶活性在环境胁迫(如盐度、碱度、营养缺乏和低pH)的条件下会增强。质膜H -ATP酶的倒数第二个苏氨酸(Thr)残基的磷酸化，为14-3-3蛋白创造了一个结合位点，并在两者结合后取代了自身抑制性C末端，从而增强了H 泵的活性^[5-7]。质膜H -ATP酶的倒数第二个苏氨酸残基磷酸化存在于植物的各种生理过程中，特别是在植物下胚轴与根系的伸长、光合作用和光诱导的气孔开放过程中^[7-13]。C端的其他几个磷酸化位点也已被确定^{[12, 14, 15]} (图1)。

尽管在菠菜叶分离的质膜、蚕豆保卫细胞的微粒体、拟南芥的黄化苗中都发现了质膜H -ATP酶倒数第二个苏氨酸的蛋白激酶活性，但是调节质膜H -ATP酶倒数第二个残基苏氨酸磷酸化状态的蛋白激酶尚未被鉴定出来^{[16, 17]}。但已有研究发现，蚕豆保卫细胞和拟南芥黄化苗的膜蛋白磷酸酶2C (PP2C)介导了苏氨酸去磷酸化^[17]，拟南芥黄化苗的生长素通过倒数第二位苏氨酸的磷酸化来促进质膜H -ATP酶活性^[8]。后来发现这种生长素介导的质膜H -ATP酶通过小生长素RNA（SAUR）基因家族中的SAUR19-24，使质膜H -ATP酶中已磷酸化的倒数第二个苏氨酸残基去磷酸化，从而参与抑制 PP2C、PP2C-D超家族的D进化枝^{[8, 18, 19]}。最近，PP2C-D和SAUR被认为在保卫细胞的质膜H -ATP酶调控中发挥重要作用^[20]。

在这里，我们将重点介绍近年来发现的质膜H -ATP酶在植物营养吸收和气孔开放过程中的作用，以及如何通过调控质膜H -ATP酶的表达来促进植物生长。

图1拟南芥AHA2质膜H -ATP酶的结构特征。

该蛋白具有十个跨膜结构域（TM1–TM10）和三个胞质结构域，包括N端结构域、C端结构域和催化结构域。C端自身抑制结构域中几个位点的磷酸化起着调节翻译后质膜H -ATP酶活性的作用：Thr881、Ser889和Ser931等几个位点可以分别被PSY1R、FERONIA和PKS5激酶蛋白磷酸化；倒数第二个Thr947磷酸化后，通过促进14-3-3蛋白质的结合促进质膜H -ATP酶活性。其中PP2C.D可能参与介导质膜H -ATP酶的去磷酸化。

2、质膜H -ATP酶参与矿物元素的获取

氮(N)、磷(P)和钾(K)是植物生长和作物生产所需最多的矿质元素。铵态氮(NH₄ )和硝态氮(NO₃^minus;)是两种主要的无机氮源，其中NO₃^minus;的吸收需要质膜激活H 耦合转运蛋白过程中的“质子动力”^[21] (图2)，而NH₄ 的吸收是一个被动过程，由单向运输蛋白或水通道蛋白、非选择性阳离子或特异性钾离子通道介导^[21]。生长在淹水环境中的水稻，将NH₄ 作为氮源的主要来源^[22]。因为NH₄ 会诱发根际酸化，所以NH₄ 相比于NO₃^minus;更能促进提高水稻根系质膜H -ATP酶的活性^[23]。而高的质膜H -ATP酶活性很可能是形成植物NH₄ 所必需的。

有研究表明，一种名为壳梭孢菌素(FC)的真菌毒素被认为是质膜H -ATP酶的激活剂，促进了对NH₄ 吸收；而钒酸盐是质膜H -ATP酶的抑制剂，会抑制水稻根系对NH₄ 的吸收^[24]。此外，使用CaMV-35S启动子的过表达转基因水稻(OSA1-OE)在NH₄ 浓度范围更大(0.5-8 mM NH₄ )的情况下表现出更强的NH₄ 的吸收能力，而OSA1敲除突变体则对NH₄ 的吸收降低。另外，钒酸盐抑制了所有实验水稻品种对¹⁵NH₄ 的吸收。非侵入性离子电极测量表明，相比于对照组和osa1突变体，OSA1-OE的根有更多的质外体质子流出和更多的NH₄ 内流。综上所述，可以明确质膜H -ATP酶调控着水稻根系对NH₄ 的吸收。然而，质膜H -ATP酶如何诱导激活根系对NH₄ 的吸收的分子机制尚不清楚。但值得注意的是，OSA1过表达上调了6个NH₄ 转运蛋白基因(AMT1；1、AMT3；3、AMT3；1、AMT2；3、AMT2；1、AMT1；2)，这些基因编码着高亲和力和低亲和力的NH₄ 转运蛋白，并且在osa1突变体中表达为下调。这表明水稻植株对根中NH₄ 的状况具有反馈系统。

根系通过H 偶联磷酸盐转运体(PHTs)，以H2PO₄^minus;或HPO₄^2minus;的形式来吸收磷元素(图2)，且这个过程高度依赖于质子动力^{[25, 26]}。在水稻中，低磷不仅刺激质膜H -ATP酶的表达和翻译后水平上调，还促进苹果酸和柠檬酸等有机酸(OA)转运蛋白的表达，以及根系高亲和力无机磷(Pi)转运蛋白的表达^{[27, 28]}。理论上，质膜H -ATP酶活性的增强不仅为OAs提供H 反荷离子，使其在土壤中释放Pi，而且还为Pi的吸收提供了质子动力^[29]。这样，OSA1-OE植株通过增强H 浓度增加了Pi的摄取。有趣的是，OSA1-OE也上调了某些高亲和力Pi转运蛋白基因，包括OsPHT1;1和OsPHT1;2 ^[30]。

质膜H -ATP酶激活引起的超极化打开了电压门控的内流K 通道，使K 流入细胞质^{[31, 32]}。此外, 当土壤中的K 浓度较低时，质膜H -ATP酶还为根系吸收K 的二次运输系统提供能量^[33] (图2)。实际上,与对照组水稻相比，OSA1-OE增强了植株高亲和力K 转运体HAK1的表达和K 吸收，而osa1突变体表现均为降低，这表明根系对养分的吸收高度依赖于质膜H -ATP酶的活性。植株对其他营养物质的吸收量也可以支持上述结论，OSA1-OE对其他营养物质（如钙和铁）的吸收量更多，而osa1突变体则吸收更少的营养物质^[30]。

图2 表达质膜H -ATP酶的根系吸收矿物质的机制。

NH₄ 通过NH₄ 单向转运蛋白AMT或NH₃相关水通道蛋白（AQP）转运，随后参与到谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）循环中，该循环在细胞质中生成H ^[34]。NO₃^minus;转运蛋白（NRT）作为H /NO₃^minus;的同向转运，需要质膜H -ATP酶产生的质子动力^[35]。低无机磷（Pi）诱导有机酸（OA）转运体（ALMT/MATEs）的表达，这些转运体将苹果酸和柠檬酸等OA释放到根际，从而调动土壤中Pi以被根系吸取^[28]。Pi由H 偶联磷酸转运体（PHT）介导吸取，PHT是一种类似于NRT的H 偶联共转运体^[29]。质膜H -ATP酶通过K 内流，使得膜电位超极化，或通过质子动力促进K 摄取转运体的活性，如HAK1^[36]。

3、质膜H -ATP酶在光诱导气孔开放中有重要作用

气孔开度对于气体交换和光合作用有很大的影响，同时气孔开度由蓝光和红光诱导的保卫细胞肿胀程度决定^{[12, 37]}。蓝光诱导的气孔开放是由蓝光光感受器向光素（phot1和phot2）介导的，它们使保卫细胞中倒数第二个苏氨酸残基的C末端磷酸化，从而激活质膜H -ATP酶^{[7, 38]}。在拟南芥中，质膜H -ATP酶的所有基因（AHA1–AHA11）都在保卫细胞中表达^[39]，其中AHA1是主要的亚型，负责蓝光诱导的气孔开放^{[40, 41]}。红光诱导的气孔开放在过去很长一段时间内被认为是依赖于光合作用的^[42-46]，然而，最近研究表明，红光在光合作用依赖下诱导整片叶片中保卫细胞质膜H -ATP酶倒数第二个苏氨酸残基C末端的磷酸化^[47]。所有这些结果表明，质膜H -ATP酶的磷酸化在气孔开放中起着核心作用。另外，梭球菌素诱导的质膜H -ATP酶磷酸化是不可逆的，叶子

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[597904]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word