2 植物抗旱生理.ppt

1、,2,第三章 植物抗旱生理,水資源短缺、干旱是一個長期存在的世界性難題，全球干旱、半干旱地區(qū)占陸地面積的35，遍及世界60多個國家和地區(qū)。作為世界三大糧食產(chǎn)出國的中國、印度和美國，糧食產(chǎn)量占世界的50左右，近幾年來出現(xiàn)了嚴重的水資源危機，從而導致糧食嚴重減產(chǎn)。 干旱是我國糧食生產(chǎn)的首要災害，在水資源危機日益嚴重的今天和未來，開展作物抗旱節(jié)水理論與技術研究，具有重大的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。 正如“綠色革命”的功臣、諾貝爾和平獎獲得者Borlaug(2000)所說：“我們如何在有限的水資源下，生產(chǎn)更多的食物來滿足日益快速增長的人口需要，不可置疑的結論是：人類在21世紀要開展藍色革命讓每一滴水生產(chǎn)出更多的

2、糧食?！?第一節(jié) 干旱脅迫下植物的生理變化及適應途徑,一、干旱脅迫下植物的生理變化,1、光合作用速率下降,氣孔限制 非氣孔限制 PSII光化學活性降低 電子傳遞受阻 Rubisco活性下降 RuBP再生抑制 同化物運輸受阻,2、呼吸速率變化：先升后降,原因：氧化磷酸化解偶聯(lián) 結果：能量供應減少,3、碳水化合物代謝與運輸變化,代謝： 淀粉等大分子物質減少，可溶性糖增多 葉中糖增加，莖中糖減少 運輸 受抑 加速向繁殖器官運輸,4、蛋白質代謝變化,總體變化： 分解合成 證據(jù) 同位素標記證明，氨基酸摻入蛋白質減少 多聚核糖體減少 游離氨基酸積累 調節(jié)部位 環(huán)己亞胺（肽鏈延長抑制劑）實驗證明， 翻譯水平

3、調節(jié),5、核酸代謝變化,DNA含量較穩(wěn)定 RNA含量明顯減少,6、激素變化,IAA 干旱促進IAAO活力，降低IAA水平 IAA極性運輸受阻 CTK 根尖向地上部運輸減少 活性下降 GA 含量減少 ABA含量激增 ETH合成增加（ACC合成酶活性提高）,7、膜脂過氧化加劇,防御酶活性降低 體內抗氧化劑減少 活性氧過量積累,二、植物對干旱脅迫的適應途徑,形態(tài)結構變化 滲透調節(jié) 細胞壁彈性調節(jié) 氣孔調節(jié) 活性氧代謝調節(jié) 激素調節(jié),1、葉片大小與厚度 2、比葉重 3、氣孔 4、角質層與機械組織 5、超微結構,第二節(jié) 植物形態(tài)結構與抗旱性,一、葉片,1、根系生長、分布與抗旱性 2、根系形態(tài)結構與抗旱性

4、 3、根系傷流與抗旱性,二、根系,第三節(jié) 植物在水分脅迫下的滲透調節(jié),水分脅迫：由于干旱缺水對植物正常生理功能 的干擾。 滲透脅迫：環(huán)境與生物之間由于滲透勢的不平 衡而對植物造成的脅迫。 滲透調節(jié)（osmoregulation or osmotic adjustment) 植物在干旱、鹽漬等逆境條件下，通過代謝活動增加細胞內的溶質濃度，降低其滲透勢，從而降低水勢，從外界低水勢介質中繼續(xù)吸水，保持一定膨壓，維持正常生理活動。,一、滲透調節(jié)的方式和原初機理,1、調節(jié)方式 wsp 植物降低s的途徑 細胞內水分減少，溶質濃縮 細胞體積變小 通過代謝活動，細胞內溶質主動增加,2、原初機理（Zimmerm

5、ann 機電模型）,水分脅迫 膨壓變化 膜收縮或伸展 膜電位變化 機械力轉化為電信號 誘導生化反應 增加溶質 滲透調節(jié),二、滲透調節(jié)物質的種類和作用,按來源： 外界進入細胞 細胞內合成 按性質： 有機物 無機離子 按積累部位： 液泡型 胞質型,1、無機離子,逆境脅迫下植物積累無機離子的種類和數(shù)量因植物的種、品種、器官不同而有差異。 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-等對滲透調節(jié)均有貢獻。 中度水分脅迫下，高梁葉片主要積累K+、 Mg2+；向日葵主要積累K+、Ca2+、Mg2+、NO3- 無機離子積累為主動吸收過程 無機離子積累部位：液泡,2、脯氨酸 proline,

6、50年代中期，Kemble等發(fā)現(xiàn)，在受旱的黑麥草葉子中，有pro積累，后來發(fā)現(xiàn)許多植物都有這種現(xiàn)象：如：barley, wheat, sorghum, soybean, cotton, tobacco, sunflower, cucumber, etc, Stemard后來做了一系列試驗，提出了pro作為滲透調節(jié)物質的觀點，現(xiàn)已被普遍接受。,(1) pro合成的途徑,Glu Glu激酶 谷氨酰磷酸 谷氨酰磷酸還原酶 鳥氨酸轉氨酶 鳥氨酸轉氨酶 谷氨酰半縮醛 鳥氨酸 -酮-氨基戊酸 同步環(huán)化 環(huán)化 吡咯啉5羧酸（P5C） 吡咯啉羧酸 （PC） pro氧化酶 P5C還原酶 PC還原酶 Pro脫氫酶

7、 Proline,(2)Pro積累原因,Pro合成增加： 標記glu在植物失水后迅速轉化為pro。 protein合成受阻： 減少pro向蛋白質摻入。 pro氧化受抑： 干旱時，不僅pro氧化受抑，而且氧化的中間產(chǎn)物發(fā)生逆轉，再生成pro。這與線粒體膜透性變化有關，其機理是： Pro合成酶位于細胞質，分解酶位于線粒體。在滲透脅迫下，線粒體膜透性發(fā)生變化，pro進入線粒體受阻，吡咯啉5羧酸(pro前體)可以從線粒體出來，用于pro合成。,現(xiàn)在已知，在低溫、干旱、高溫、鹽漬、營養(yǎng)不良、微生物感染、大氣污染等逆境下，均可引起pro積累，尤其以干旱脅迫下pro積累最為明顯，從0.20.7mg/gDW上

8、升到4050mg/gDW,增加了70200倍。 此外，K、ABA可使干旱誘導的pro增加更多更快。,特點： 分子量?。?15 溶解度高：162.3g/100gH2O 是一種偶極含氮化合物，生理pH下不帶靜電荷 對植物無害，600mol.L-1對酶無抑制作用 主要在細胞質中積累（胞質型滲調物質） 作用 保持細胞與環(huán)境的滲透平衡，防止水分散失 穩(wěn)定蛋白質結構（對蛋白質具有穩(wěn)定其結構的作用） 與細胞內的一些化合物形成聚合物，類似親水膠體，具有保水作用 作為無毒氮源,（3）pro的特點和作用,3、甜菜堿(betaine),甜菜堿最早是在旱生植物枸杞（Lycium brabraum）中發(fā)現(xiàn)的?，F(xiàn)在已知有

9、12種，其中最簡單、研究最多的是甘氨酸甜菜堿(glycinebetaine)，已在28科、78種植物中檢測到，根、莖、葉、花均有分布。如，上世紀70年代中期，Storey等發(fā)現(xiàn)，在鹽分和水分脅迫下，大麥積累甜菜堿的水平與耐旱性呈正比。,（1）積累特點,Pro:水分脅迫10min即可見積累，復水后很快消失； Betaine:水分脅迫24h才見積累，復水后降解也較緩慢。因其穩(wěn)定，被認為是持久性的滲調物質。由于穩(wěn)定，很適合于作為抗旱性選擇指標。,（2）生物合成,Ser CDP甘油二酯 CO2 PS 乙醇胺 P-乙醇胺 CDP-乙醇胺 PE CH3 一甲基乙醇胺 P-甲基乙醇胺 CDP-MME P-M

10、ME CH3 二甲基乙醇胺 P-DME CDP-DME PDME CH3 膽堿 P-PC CDP-PC PC 膽堿單加氧酶 甜菜醛 甜菜醛脫氫酶 甜菜堿,(3)特點與作用,特點： 分子量?。?17 溶解度高：157g/100gH2O 生理pH下不帶靜電荷 對細胞無害。0.51mol.L-1高濃度對蘋果酸脫氫酶無抑制作用 分布：以細胞質為主（屬于胞質型滲調物質） 作用： 維持細胞與環(huán)境的滲透平衡，參與滲透調節(jié) 參與穩(wěn)定生物大分子結構與功能 調節(jié)離子在細胞中的分布,3、可溶性糖和多元醇,WSC：Sucrose; glucose; fructose; galactose; 游離AA：Asn; Glu

11、; (Pro) 糖醇：甘露醇、松醇、山梨醇 積累原因： 大分子碳水化合物、蛋白質分解加強 光合產(chǎn)物轉化方向改變，轉向產(chǎn)生蔗糖為主,三、滲透調節(jié)的生理功能,1、維持細胞膨壓,OA的主要作用，就是全部或部分維持膨壓，從而有利于其各種生化反應的進行。 Rice: 在慢速干旱條件下，盡管組織水勢下降，但是由于滲調作用，葉片膨壓并沒變化。,2、保持細胞持續(xù)生長,膨壓對細胞生長具有關鍵作用，由于水分脅迫下，通過滲透調節(jié)可以維持細胞膨壓，因而可以保持細胞在水分脅迫下繼續(xù)生長。,3、維持氣孔開度和光合作用,氣孔調節(jié)：維持氣孔開放，CO2進入細胞 非氣孔調節(jié)：Rubisco活性 RuBP再生能力 電子傳遞速率

12、PSII活性 類囊體結構完整性,4、延遲卷葉 5、增加干物質積累,四、滲透調節(jié)與抗旱育種,1、OA與作物抗旱性呈顯著正相關： 通過corn, sunflower, wheat, barley等為材料研究證明。 2、OA是可遺傳性狀，由單基因控制 無論是在輕度或嚴重水分脅迫下，滲調能力強的品種，其產(chǎn)量、收獲指數(shù)、水分利用效率均高于OA弱的基因型。 3、利用雜交方法，可以產(chǎn)生OA強的品系，表明 OA作為選擇指標是可行的。,五、滲透調節(jié)基因工程和滲調蛋白研究,1、Genetic engineering of osmotic adjustment,尋找目標基因 首先研究確定參與滲調的關鍵物質，分析控制

13、這些物質變化的基因。 基因的分離、導入、整合、表達、遺傳 滲調基因的應用進展 微生物方面工作較多，也較成功。 高等植物：Kuch等利用羥脯氨酸與脯氨酸的拮抗作用原理，在大麥中獲得了高產(chǎn)pro的突變體，突變體葉片中pro含量高于親本，抗旱性也明顯增強。,現(xiàn)已搞清的身條基因有： kdp：在滲透脅迫下，誘導K+吸收和運輸，促使K+在細胞內積累?；虮磉_受滲透勢控制。 proU：促進甜菜堿和脯氨酸在細胞內積累，基因表達受滲透勢控制。 控制pro合成酶系統(tǒng)的基因： proB: Glu激酶 proA：谷氨酰磷酸還原酶 proC：吡咯啉5羧酸還原酶 bet: 編碼betaine合成酶系。,2、滲調蛋白（Os

14、motin）,Osmotin: 在滲透脅迫下產(chǎn)生的、具有增強細胞抗?jié)B透脅迫能力的蛋白質，也叫滲調素。 Osmotin是一種逆境誘導蛋白，早在1962年，人們從果蠅體內發(fā)現(xiàn)了熱激蛋白，以后在動物、植物、微生物均發(fā)現(xiàn)在逆境下，可以誘導產(chǎn)生新的蛋白質，叫做逆境脅迫蛋白。 用NaCl適應的煙草培養(yǎng)細胞系，或受到水分脅迫的番茄培養(yǎng)細胞系，可以新合成一些分子量不同的蛋白質，研究最多的是26kd蛋白。 Singh 脅變b為材料的斷裂脅變。 對于不同材料，在彈性脅變區(qū)內的彈性性質可能有以下三方面的差別： 產(chǎn)生彈性脅變所要求的最低脅強(f)不同； 彈性模量不同； 能產(chǎn)生彈性脅變的范圍或在彈性限度內所能產(chǎn)生的形變

15、的大小(即a值的大小)不同。 對于植物細胞,以上三 方面的性質均與細胞的緊張度的維持有關。,2、細胞的容積彈性模量,楊氏模量僅適用于材料的線性形變，對于植物細胞，在膨壓作用下所產(chǎn)生的形變?yōu)轶w積變化，不能簡單地套用上式加以處理，于是提出了容積彈性模量(Bulk modulus of elasticity)的概念。并將其定義為: dp dp V V dV/V dv 式中V為容積彈性模量，p為膨壓，V為細胞體積，由式中可知，細胞的容積彈性模量就是在膨壓作用下細胞每產(chǎn)生單位體積變化所需要的膨壓變化。,3、植物組織或器官的容積彈性模量,測量單個細胞的膨壓體積關系并由此計算出細胞的V值難度較大。早期工作通

16、過測量在不同濃度溶液中細胞體積的變化間接求得，但很不準確。Green等首次利用壓力探針技術實現(xiàn)了大型藻類細胞的膨壓測量，但對一般小型細胞則難以實現(xiàn)。 Tyree曾對兩者關系進行過理論推導，認為植物器官的容積彈性模量近似地等于各個細胞容積彈性模量的平均值。從植物水分關系與抗旱性的實際應用角度考慮，測量整個葉片的容積彈性模量(v)意義較大，可利用壓力室技術進行測量（P-V曲線測定，略）。,三、容積彈性模量的生理意義,v大小可以： 表示植物材料彈性的好壞 反映細胞壁在膨壓作用下可進行伸縮范圍的大小 不同的植物品種，其細胞壁彈性存在差異。v較小的材料，其彈性較好，在干旱脅迫下相對含水量降低時，膨壓下降

17、較慢，可在相當長時間內維持膨壓，從而維持其正常生理功能和生長速率。v大的材料則相反。 下圖是兩個抗旱性不同的大豆品種葉片pRWC關系曲線：,通過比較可見，雖然吸水飽和時小粒豆1號的最大p低于魯豆4號，但隨著RWC下降，小粒豆1號的p下降緩慢，直到RWC降至接近60時膨壓才消失；而魯豆4號的p則隨著RWC下降而急劇下降，RWC降至87作用時p即消失。如果將膨壓消失點作為萎蔫點，顯然，小粒豆1號能在更低的RWC下維持膨壓而不至于萎蔫。 從pRWC曲線與橫軸的交叉點來看，小粒豆1號的細胞壁的彈性伸縮范圍明顯大于魯豆4號。 大豆葉片的不但因品種而異，也因大豆植株所經(jīng)受的水分脅迫程度而改變。下表為不同水

18、分脅迫條件下兩個大豆品種的v(max)?？梢钥闯觯悍种ζ谳p度水分脅迫，均能在一定程度上改善葉片的彈性(v降低)，這可能是細胞壁上的生化過程在輕度水分脅迫下進行的主動適應。但嚴重水分脅迫則使v(max)加大，這有可能是細胞壁在嚴重干旱條件下硬化所致。在鼓粒期，兩品種均失去了降低v的能力。,表1 水分脅迫對兩個大豆品種v(max) 的影響 品 種 魯豆4號 小粒豆1號 水分處理 分枝期 結莢期 分枝期 結莢期 CK 31.4 11.5 13.4 15.3 輕度干旱 17.1 18.7 8.8 18.0 中度干旱 20.1 19.7 9.3 17.3 嚴重干旱 28.9 24.9 20.2 19.5

19、,由此可見，研究作物葉片的彈性特征對于闡明其抗旱機理具有重要的作用。作物葉片在干旱條件下的彈性調節(jié)很可能是除下滲透調節(jié)之外又一種重要的干旱話應方式，這種方式在禾本科作物上是否存在尚待研究，但對大豆而言，則彈性調節(jié)至少能發(fā)揮一定作用。,早期的觀點認為，干旱對生長發(fā)育得影響，只是水分虧缺對植物得直接損傷效應，而且正是這種損傷效應抑制了細胞得伸長，氣孔開度、光合作用等生理過程，從而導致了產(chǎn)量的下降。 但是，近年來越來越多得實驗結果顯示，在水分虧缺造成各種損傷現(xiàn)象之前，植物就對干旱做出了適應性的調節(jié)反應，以便使植物做出最優(yōu)化選擇(optimization)。因此，植物一定具有感知、傳遞土壤干旱脅迫信號

20、、使之做出快速反應的能力。 目前，國際上對植物逆境信號傳遞的研究引起了普遍關注。本屆簡單介紹干旱脅迫下植物如何感知和傳遞脅迫信號、以及信號的種類、性質和作用機理。,第四節(jié) 干旱脅迫下植物根與地上部的信號傳遞,一、植物根冠通訊信號,（一）信號種類,1、水力信號（hydraulic signals）,hydraulic signal: 由于土壤水分含量的下降引起葉片水分狀況（w, s,p, RWC等）變化，進而影響植物的生理功能。 葉片水勢是最常用的植物水分狀況指標，人們常把w與脅迫程度相聯(lián)系。Kramer等把土壤干旱對植物的影響解釋為： 土壤干旱，水分減少根系吸水減少蒸騰作用存在葉片w下降膨壓下

21、降激素合成與運輸變化生理功能變化。 可見，這種類型的根冠通訊是靠水的傳遞來實現(xiàn)的，即水信號傳遞。 然而，目前又有許多實驗證明，在葉片水分狀況還沒有表現(xiàn)出可檢測的變化之前，地上部對土壤干旱的反應已經(jīng)發(fā)生了，從而避免了或推遲了葉片和枝條脫水，以維持正常生長發(fā)育。這說明植物根系和地上部之間出了水信號以外，還有其他信號存在。,2、化學信號(chemical signals),chemical signal: 指能夠感知和傳遞土壤干旱信息到地上部反應部位，進而影響植物生長發(fā)育的激素或除水以外的其他化學物質。 Bates ,功能蛋白 ： 它們在植物抗逆機制中發(fā)揮重要作用 。,這些水分脅迫誘導基因產(chǎn)物不僅通

22、過重要代謝保護細胞結構,而且起調節(jié)信號轉導和基因表達作用： 通過水分通道蛋白、ATP酶、跨膜受體蛋白、離子通道、有機小分子運載體等膜蛋白加強了細胞與環(huán)境的信息交流和物質交換; 通過酶蛋白的作用合成各種滲透保護劑，提高細胞滲透吸水能力; 通過LEA蛋白、滲調蛋白、抗冰凍蛋白、分子伴侶、蛋白酶、熱激蛋白等逆境誘導蛋白提高細胞抗脫水能力; 通過SOD. CAT, APX、POD等提高細胞排毒、抗氧化防御能力; 通過蛋白激酶、轉錄因子、磷脂酶C等調控蛋白提高細胞內信息傳遞和基因表達能力。,一、水分脅迫誘導蛋白的種類和誘導機制,（一）水分脅迫誘導蛋白的種類和特性,由于分類依據(jù)的不同,水分脅迫誘導蛋白被分

23、成不同的類別。 根據(jù)對ABA的依賴性,可以將其分為ABA依賴蛋白(RAB)和非ABA依賴蛋白。 根據(jù)水分脅迫誘導蛋白在誘導時間上的差別將擬南芥中的水分脅迫誘導蛋白分成兩大類:ERD(脫水反應早期蛋白)和RD(脫水反應蛋白)。這是由于擬南芥在遭受干旱脅迫大約2小時后ABA開始大量合成,10小時后達到最高水平,所以將遭受干旱脅迫1小時內誘導的蛋白質稱為ERD, 10小時后檢測出的誘導蛋白稱為RD。一般來說,RD多為RAB蛋白,ERD多為非RAB蛋白。,按其功能不同,又可將水分脅迫誘導蛋白分成兩大類: 第一類：在細胞內直接發(fā)揮保護作用的功能蛋白。 第二類：參與水分脅迫的信號轉導或基因的表達調控,間接

24、對植物起保護作用的調節(jié)蛋白。,第一類水分脅迫誘導蛋白主要包括: (功能蛋白）,1、滲調素,這是最早發(fā)現(xiàn)的一種水分脅迫誘導蛋白,它們在細胞質中調節(jié)和維持細胞的滲透勢。其中多數(shù)與LEA蛋白,尤其是脫水素(dehydrin)有很大的同源性，一般作為脫水保護劑,幫助細胞保持最小水勢并穩(wěn)定胞質結構。 另外Velaseo(1994)等還從更蘇植物中鑒定出了一組特性類似干LEA蛋白、對脫水敏感的基因家族CdeTll24。,2、膜蛋白,在非生物脅迫下首先引起膜透性的改變、膜結構的變化以及發(fā)生膜脂的過氧化作用,因此逆境條件下植物誘導合成了許多膜蛋白,以維持細胞膜結構和功能的穩(wěn)定性。,3、代謝酶類,在水分脅迫條件

25、下,活性氧大量產(chǎn)生并發(fā)生異常積累,相應的活性氧清除系統(tǒng),如超氧化物歧化酶,過氧化物酶等酶系統(tǒng)或維生素E、維生素C、谷胱甘肽、半胱氨酸、類胡蘿卜素等非酶系統(tǒng)的活性就會提高,并與自由基反應,清除過量的活性氧,可使機體受到保護以維護細胞的正常結構和代謝。 滲透調節(jié)物質合成酶,這些酶的誘導使得滲調物質的合成大大增加。例如脯氨酸合成中的關鍵酶P5C合成酶(P5CS)以及與ABA合成有關的酶。其次就是一些去氧化酶類如SOD、POD、GST及二氫葉酸還原酶(DFR)等。 與細胞基礎代謝途徑如糖酵解和卡爾文循環(huán)有關的酶如烯醇化酶和磷酸異構酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶(GPD)、NADP(H)氧化酶以及一個和木質化

26、作用有關的酶也被干旱脅迫所誘導。另外還發(fā)現(xiàn)干旱脅迫誘導各種形式的半胱氨酸蛋白酶,以降解干旱脅迫下失活蛋白質。,4、通道蛋白,其中水孔蛋白可以促進水分的長距離運輸以及細胞內外的跨膜水運輸,還具有調節(jié)細胞脹縮等功能。 植物水孔蛋白根據(jù)序列同源性可以分為三類: 質膜內在蛋白(PIP) 液泡膜內在蛋白(TIP) NLM蛋白(nodulin 26 like MIPs, NLM),主要分布于兩個地方:原生質膜和液泡形成體(tonoplast,即液泡膜)。,5、分子伴侶,在脅迫條件下會導致一些蛋白質變性,而分子伴侶(chaperone)的誘導可以防止蛋白質及膜的進一步變性。,6、運輸?shù)鞍?如糖運輸?shù)鞍?不僅

27、介導了蔗糖從葉肉細胞外流、韌皮部裝載、韌皮部卸出和進入庫細胞儲藏和利用,據(jù)目前的研究結果來看它可能在糖運輸和代謝調節(jié)的信號轉導中還發(fā)揮重要的作用。,第二類水分脅迫誘導蛋白主要包括：（調節(jié)蛋白),磷脂酶C、磷脂酶D、各種蛋白激酶、G蛋白、鈣調素以及轉錄因子、組蛋白等。 在環(huán)境脅迫刺激下,體內這些蛋白質合成增加,通過它們將信號不斷傳遞并放大。,（二）水分脅迫誘導蛋白的誘導機制,水分脅迫誘導蛋白的誘導機制包括三個過程,即水分脅迫信號的感受、轉導及最終的基因誘導表達。 在這個過程中,ABA合成增加是對水分脅迫的關鍵反應,從9順式新黃質(9cisneoxanthin)或9順式紫黃質(9cisviolax

28、anthin)到黃質醛(xanthoxin)的氧化裂解是ABA合成的關鍵步驟,催化該反應的酶是9順式環(huán)氧類胡蘿卜素二加氧酶(9cis-epoxycarotenoid, NCED)。 脅迫期間植物體內ABA的濃度以及從根部運輸?shù)降厣喜康腁BA大大增多,對水分脅迫信號的轉導以及干旱水分脅迫誘導蛋白的表達都起到了很大的作用,大多數(shù)的水分脅迫誘導蛋白都可以由外源ABA所誘導。,二、LEA蛋白與植物抗旱性,胚胎發(fā)育晚期豐富(late embryogenesis abundant, LEA)蛋白是一種子發(fā)育后期產(chǎn)生的一類小分子特異多肽,它是伴隨著種子成熟過程而產(chǎn)生的。后來研究認為這類蛋白與植物耐脫水性密切

29、相關,受植物的發(fā)育階段、ABA和脫水信號等調節(jié),在植物的許多組織器官中都有表達。因此LEA蛋白產(chǎn)生機制以及與抗旱性的關系是目前植物抗性生理研究的熱點之一。,（一）LEA蛋白的種類、特性與存在部位,根據(jù)它們氨基酸序列的同源性及一些特殊的基元序列, LEA蛋白可分為6族: D19 LEA(第1族)、 D11LEA(第2族,又稱脫水素)、 D7LEA(第3族)、 D113LEA(第4族)、 D29LEA(第5族)和 D95LEA(第6族)。 后2族為附加族。,（1）第1族LEA蛋白,這族LEA蛋白具有多拷貝串聯(lián)的20個氨基酸殘基組成的保守序列,該序列富含高比例的帶電荷氨基酸和甘氨酸,這些氨基酸可占全

30、序列的20%30%。在生理條件下, 70%的多肽可形成隨機螺旋、比大多數(shù)球蛋白親水性更強。 棉花Dl9、小麥Em、水蘿卜P8B6,胡蘿卜EMBl、玉米E564、大麥Bl9,擬南芥LEA等均屬第1族LEA蛋白。 在許多植物的基因組中高度保守的第1族LEA基因常以一個基因家族存在, 該家族成員在整個編碼區(qū),幾乎在20個氨基酸殘基組成的基元序列區(qū)是高度保守的。但是,不同成員所含基元序列的數(shù)目不同。 許多植物都含第1族LEA基因,它與酵母中的這類基因有一定差別。第1族LEA蛋白對胚乳發(fā)育和植物生長器官的滲透脅迫有保護的作用。,（2）第2族LEA蛋白,這族LEA蛋白也稱脫水素(dehydrin),也是一

31、類親水性蛋白質,其一級結構特征: 在C端或附近具有富含賴氨酸的基元序列,也稱K-片段,K-片段在高等和低等植物中是高度保守的。大約由l5個氨基酸殘基(EKKGIMDKIKEKIJPG)組成。K-片段、可磷酸化的絲氨酸殘基片段(S-片段)、N端的一些保守序列(Y-片段),以及其他小而保守的重復區(qū)域(-片段),拼接形成脫水素,多肽的長度一般為82575個氨基酸殘基。脫水素的識別可利用共有Y-片段、S-片段、K-片段,通過PCR技術進行。簡稱為“YSK速記”。在單個多肽內,K-片段的數(shù)量在111個拷貝之間變化。 根據(jù)脫水素的結構、第2族LEA蛋白的作用可能有兩點: 在植物受到干旱失水時,能夠部分替代

32、水分子,保持細胞液處于溶解狀態(tài)、從而避免細胞結構的塌陷,穩(wěn)定細胞結構、尤其是膜結構; 起分子伴侶和親水性溶質的作用,在水分脅迫時穩(wěn)定和保護蛋白質的結構及功能。,（3） 第3族LEA蛋白,這族LEA蛋白(D7LEA蛋白)通常含有多拷貝的11個氨基酸組成的基元序列(TAQAAKEKAGE)。該組LEA蛋白大小差異很大,所含基元序列的拷貝數(shù)少的只有5個(如棉花LEA D7蛋白), 多的則有幾十個(油菜LEA 76蛋白有13個重復基元數(shù)),大豆cDNA pGmPM8和pGmPM10編碼蛋白含有超過30個相連的基元序列。 該組蛋白可依其基元序列的羧基端有無特定的氨基酸延伸區(qū)段分為兩種類型： 一類是11個

33、氨基酸組成的重復基元序列被與之相似的序列所分離,稱第3族LEA蛋白(); 另一類是在羧基末端被特定氨基酸延伸區(qū)段的出現(xiàn)而分隔,稱第3族LEA蛋白()。 大麥的HVA1與小麥的PMA2005在核苷酸水平和氨基酸水平上均有很高的同源性,分別達91%和95%。這兩個單子葉植物的基因與胡蘿卜的DC3和棉花的D7關系很密切,均屬于第3族LEA蛋白(); 小麥的PMAl949,胡蘿卜的DC8和大豆的pGmPM2等屬于第3族LEA蛋白()。,在干旱脫水過程中細胞液的離子濃度會迅速升高。高強度的離子濃度造成細胞的不可逆?zhèn)?。?族LEA蛋白中的11個氨基酸殘基組成的基元序列可形成兼性-螺旋結構,提供一個具疏水

34、區(qū)的親水表面。螺旋的疏水面可形成同型二聚體。處在親水表面的帶電基團可整合細胞脫水過程中濃縮的離子。如Na+和PO3-4。此外,組成該蛋白的大多數(shù)氨基酸殘基為堿性。 這些高電荷的氨基酸殘基可以重新定向細胞內的水分,束縛鹽離子、從而避免干旱脅迫時細胞內高濃度離子的累積所引起的損傷、同時也可防止組織過度脫水。,目前,在多種植物中都有關于第3族LEA蛋白或基因的研究報道。有人認為這些基因的表達或蛋白累積與植物的滲透脅迫抗性正相關。 例如,在嚴重干旱的小麥幼苗中,第3族LEA蛋白累積量的大小與組織的耐旱能力密切相關。 此外。脫水還可造成Lea mRNA,包括第3族Lea mRNA轉錄水平的增加。在所有已

35、知的第3族LEA蛋白中,對大麥的第3族LEA蛋白HVAl的研究較多。HVAl基因在開花后25天,開始在種子糊粉層和胚中高水平表達、而在淀粉質的胚乳細胞中卻檢測不到HVAl mRNA及相關蛋白。但可被干旱等環(huán)境脅迫和ABA誘導表達。如萌芽3天的大麥幼苗經(jīng)0.l mmolL-1 ABA或干旱處理后,幼苗的所有器官中均有高水平的HVAl mRNA和蛋白質出現(xiàn)。 Duan等(1996)將HVA1 cDNA全序列導入水稻,獲得了抗旱、抗鹽的轉基因水稻,直接證實了第3族LEA基因可能具有干旱保護功能。 但也有相反報道,如從耐脫水更蘇植物Craterostigma plantagineunz分離出一個第3族

36、LEA基因PcC3-06,將其轉到煙草中高效表達。但轉基因煙草在抗旱性方面并沒有得到提高。 因此對于第3族LEA蛋白的詳細功能及其在細胞中的生理作用還有待進一步的深入研究。,（4） 第4族LEA蛋白,棉花lea 14、D113和更蘇植物Craterostigma PGC2745P屬于第4族LEA蛋白, N端氨基酸序列形成兼性螺旋,C端序列保守性較差,呈無規(guī)則結構，在膜結構中可能形成一種保護結構,或起束縛離子的作用,植物脫水時可保持膜穩(wěn)定性,以代替水的作用。,（5） 第5族LEA蛋白,第5族D29 LEA蛋白,也含有重復的11個氨基酸序列,與3族D7的序列相比,每個氨基酸化學性質相似,只是每個殘

37、基位置缺乏高度專一性,這一族蛋白在植物缺水期間有富集離子的作用。 LEA蛋白是一類親水性大家族,盡管分為不同的族,但它們有共同的特點,都是由極性氨基酸組成,是親水性的多肽,甘氨酸含量6%, 親水指數(shù)1.03,具有高度的親水性。 LEA蛋白除了在干旱脅迫中發(fā)揮作用之外,寒冷、鹽脅迫也同樣誘導LEA基因表達及LEA蛋白積累。 如將番茄lea25基因導入釀酒酵母能提高其抗寒能力。小球藻的C27品系在冷鍛煉過程中產(chǎn)生的低溫誘導蛋白HiC6。該蛋白與甘藍型油菜的第3族LEA蛋白lea76具同源性。這些研究表明,LEA蛋白在植物耐寒、耐鹽性方面也發(fā)揮重要作用。,（二）LEA蛋白的功能與抗旱性,LEA蛋白最

38、大的物理化學特性是具有很高的親水性和熱穩(wěn)定性,即使在煮沸條件下也能保持水溶狀態(tài)。研究表明,植物在水分脅迫時面臨的最主要問題是細胞組成成分的晶體化,這將破壞細胞的有序結構。而LEA蛋白具有高度的親水性,能把足夠的水分捕獲到細胞內,從而保護細胞免受水分脅迫的傷害。 LEA蛋白的另一個特點是,它們中的有些成員可被ABA和水分脅迫因子誘導產(chǎn)生, 有時二者的作用可相互代替。如未發(fā)育成熟的小麥胚在體外培養(yǎng)時并不累積LEA蛋白,但若在培養(yǎng)基中加入ABA或施加滲透脅迫條件,則可誘導LEA蛋白的產(chǎn)生。 植物嚴重脫水受害是由于水分損失導致細胞結構凝結,受到細胞膜結構傷害之故,而LEA蛋白則能夠削弱這種傷害。在干旱

39、環(huán)境下,多數(shù)植物能誘導LEA蛋白,但LEA蛋白的抗旱機制仍然不清楚。,Swire和Marcotle(1999)用酵母菌試驗模型系統(tǒng),研究小麥第1族LEA蛋白中Em蛋白功能,認為該蛋白在酵母中對細胞膜有滲透保護作用,在正常滲透濃度下,酵母細胞Em蛋白的表達對生長無害,但在高滲透濃度下,能夠抑制或減慢生長,促進各種滲透調節(jié)物質的積累。由于第1族LEA蛋白含有大量極性氨基酸和無序(無盤旋)結構, 它能吸附大量束縛水,因而對胚乳和植物生長組織的滲透脅迫有保護作用,這是用酵母表達系統(tǒng)通過結構功能研究第1族LEA蛋白對滲透保護機制的第一個生化證據(jù)。 Zhang(2000)等用酵母異質表達系統(tǒng)研究水分脅迫下

40、LEA蛋白對細胞代謝的作用,他們先向該系統(tǒng)轉入兩個lea基因,即番茄lea4(2族)和大麥HVAl(3族),在GALl啟動子的作用下進行表達,用特異抗病毒檢測這些基因產(chǎn)物。結杲發(fā)現(xiàn):當轉入1.2molL-1 NaCl介質時,HVAl基因在酵母細胞中提前表達,但不促進基因的表達;當轉入1.2 molL-1KCl介質時, lea4和HVAl基因在細胞中均表達,以致生長減慢;在高山梨糖醇介質中,這兩種基因沒有明顯變化。若細胞含有這兩個lea基因,抗凍性就會增加,而抗熱性則無變化,說明LEA蛋白對保護細胞質脫水有著特殊作用。盡管人們對LEA蛋白作了大量研究,但迄今有關各族LEA蛋白的確切功能還不清楚,

41、只能根據(jù)其氨基酸序列和預測的蛋白質結構進行推斷。,(三)LEA蛋白序列結構與其抗旱性,根據(jù)LEA蛋白序列結構特殊性,Baker(1988)等提出一種假設,認為D29 LEA蛋白(也存在于D7LEA中)含有由11個氨基酸組成的重復基元序列,即T/A、A/T、O/E、A/T、A/T、K/R、Q/ED、K/R、A/T、X、ED/Q,此種序列形成的氨基酸鹽橋,可充實蛋白質結構,提高細胞液中的離子強度,從而抵抗或減輕干旱引起的傷害。這類重復元件多數(shù)存在于-螺旋結構中,疏水和親水氨基酸位于此螺旋中的特定部位,在其分子內部可能形成維管束,表層有結合陰陽離子的功能。,LEA蛋白有較高親水性,不僅有序列特異性,

42、空間結構也有特點。在水分缺乏時,此種蛋白在細胞中像可溶性糖的作用一樣,有增強束縛水的作用。 Baker等(1988)報道,缺水條件下,D13和D11 LEA蛋白能“溶解”在細胞質的結構中,其結構的卷曲部分,能形成適應其他結構的形狀,此結構與水產(chǎn)生的結合力比糖形成的穩(wěn)定性強,至少在晶體保護上比蔗糖好。McCubbin和Kay(1985)發(fā)現(xiàn)小麥Em蛋白(D19)親水性比多數(shù)球蛋白多肽強,在生理條件下, 70%以上肽鏈處于無規(guī)則卷曲狀態(tài),植物缺水時,這些特殊結構有束縛水分子的作用。盡管D13 LEA蛋白在長螺旋結構N端無親水性,但在無規(guī)則卷曲的尾部則有較強束水作用。,三、水孔蛋白與植物抗旱性,所謂

43、水通道即存在于哺乳動物和植物細胞膜及微生物中轉運水的特異孔道, 該孔道是由一系列具有同源性的內在膜蛋白家族成員所形成,稱為水通道蛋白或水孔蛋白(aquaporin, AQP)。 植物水孔蛋白在植物體內形成水選擇性運輸通道,在植物種子萌發(fā)、細胞伸長、氣孔運動、受精等過程中調節(jié)水分的快速跨膜運輸。 有些水孔蛋白還在植物逆境應答中起著重要作用,因此研究水孔蛋白與植物抗旱性的關系引起了廣泛關注。,（一）植物水孔蛋白的發(fā)現(xiàn),水是生命之源,細胞內外水分平衡的穩(wěn)定是維持生命的關鍵因素之一。但水通過細胞膜的機制一直是個謎,所有組織細胞膜都允許水以簡單擴散的方式通過, 后來注意到動植物的一些器官、組織具有獨特的

44、水分運轉能力,例如動物的紅細胞和腎上皮細胞,它們運輸水分的速度非常快,人的腎臟細胞平均每晝夜要過濾180L的水,動物的腎小球集合小管在抗利尿激素的作用下,對水的通透性可在幾秒鐘內發(fā)生從低到高的急劇變化;植物在種子萌發(fā)及花粉管伸長時伴隨著由體積增大而發(fā)生的水分快速吸收,這些都不能以水穿越膜脂質雙分子層彌散來解釋,故形成了在某些組織中可能存在功能性水通道的假說。 Macey(1984)第一個證明了對氯汞苯磺酸(p-chloromercuribenzene sulfonete, PCMBS)對紅細胞膜水通透性具有強烈抑制作用。進一步研究證明, PCMBS對尿素的通透性無影響。這種水通道與溶質通道明顯

45、相互獨立的狀態(tài)表明,有水選擇性通道蛋白的存在。,1988年Agre等在鑒定人類Rb血型抗原時,偶然在紅細胞膜上發(fā)現(xiàn)了一種新的跨膜蛋白。此種蛋白既可以以非糖基化的28kDa多肽的形式存在,也可以是一條遷移至4060kDa的N-糖基化帶,兩者的比例大約為3:1。氨基酸測序發(fā)現(xiàn)28kDa蛋白和眼晶狀體主體內在蛋白MIP26是同系物,因此有了暫用名“CHIP”(channel-like integral membrane protein)。19911992年,Agre及其同事又先后完成了該蛋白的分子克隆和功能鑒定,證實該蛋白具有水通道功能,從而確認了細胞膜上存在轉運水的水通道蛋白的理論。1997年被基

46、因組命名委員會重命名為AQPl。 AQPl的發(fā)現(xiàn),掀起了人們分離、鑒定水孔蛋白(亦稱水通道蛋白)的高潮。短短幾年內,人們巳在細菌、酵母、動物、植物中分離出許多水孔蛋白同源基因。在植物中第一個水孔蛋白r-TIP是由Maure等(1993)從擬南芥中分離出來的。r-TIP的cRNA在爪贍卵母細胞中的異源表達,證明它具有水分運輸特性,屬于植物水孔蛋白中的液泡膜內在蛋白(tonoplast-membrane intrinsic protein,TIP)。植物質膜內在蛋白(plasma membrane intrinsic protein, PIP)也是在擬南芥中首次發(fā)現(xiàn)的, Kammerloher等(

47、1994)用擬南芥根質膜內在總蛋白產(chǎn)生的多克隆抗血清來免疫篩選擬南芥根cDNA文庫，得到了幾個陽性克隆，經(jīng)鑒定為植物質膜水孔蛋白。,水孔蛋白與1984年Gorin等從牛晶體纖維(bovine lens fiber)細胞膜中分離到的跨膜通道主嵌入蛋白(major intrinsic protein, MlP)基因具有很高的序列同源性和結構相似性,因此將它們同歸于MIP家族,分子質量在2629kDa之間, 在生物膜中形成水通道并協(xié)助水分跨膜運輸?shù)哪仍诘鞍?。絕大多數(shù)水孔蛋白形成水的選擇性通道,但也有一些水孔蛋白同時也可運輸小分子中性親水溶質。,（二）植物水孔蛋白的種類,植物水孔蛋白根據(jù)序列同源性可

48、以分為三類: PIP (質膜內在蛋白) TIP(液泡膜內在蛋白) NLM蛋白(nodulin 26 like MIPs, NLM)。,PIP主要分布在細胞質膜上,Kammerlober等(1994)以擬南芥質膜內蛋白的抗體為探針,運用哺乳動物眼細胞表達體系,從擬南芥的cDNA文庫中篩選了5個MD相關蛋白。它們普遍存在于根、莖、葉及果實質膜上,因此稱為PIP, PIP可再分為PIP1, PIP2和PIP3三類。 Robinson等(1996)運用免疫定位實驗發(fā)現(xiàn)擬南芥葉肉細胞質膜上PD1主要聚集在一種被稱為質膜體(plasmalemmassome)特殊結構域,在這些區(qū)域質膜和液泡膜彼此接觸,從而

49、加快了液泡與質外體之間的水分交換。 PIP與TIP之間的氨基酸同源性較低(約50%左右),而且PIP較TIP具有較長的N端。在PIP中,PIP1和PIP2的區(qū)別在于N端和C端的不同, PIP1比PIP2具有較長的N端和較短的C端,而且在序列當中各有相應的保守氨基酸。Daniels等(1994)發(fā)現(xiàn)原先鑒別的干旱脅迫蛋白RD28也具有水通道活性, RD28與PIP2b具有高度同源性,它們的氨基酸序列及cDNA序列有92%同源性。,TIP (tonoplast intrinsic protein)主要分布在細胞液泡膜上。TIP可再分為、-TIP等4類,它們的cDNA在爪贍卵細胞中異源表達時,未發(fā)現(xiàn)

50、它們運輸水分以外的小分子。Hofte等(1992)研究發(fā)現(xiàn)擬南芥不同細胞的液泡膜存在著兩種不同的TIP：-TIP和-TIP。-TIP主要存在于種子液泡膜上,-TIP則位于除種子以外的所有營養(yǎng)體器官的液泡膜上,-TIP和-TlP之間的氨基酸序列有58%同源性。-TIP、-TIP與菜豆種子液泡膜上TIP的同源性分別為68%和58%。運用Gus融合基因技術發(fā)現(xiàn)-TIP在不同植物組織中表達模式很不一樣,其表達僅局限于頂端分生組織后很窄的區(qū)帶,亦即TIP表達與細胞液泡化同步。TIP的分子質量比PIP和NLM的分子質量小,而且等電點分析表明,TIP的酸性比PIP和NLM的酸性大,這主要是由于PIP和NLM

51、的C端區(qū)域的堿性較強。,NLM蛋白中除了NOD26(nodulin26)已知分布在細菌與植物的共生膜上外,其他成員在細胞中的定位未知。NOD26是植物中第一個發(fā)現(xiàn)的MIP家族成員,它由271個氨基酸殘基組成,負責植物細胞與細菌之間小分子物質的轉運。Roberts等(1997)發(fā)現(xiàn)爪蟾卵母細胞中表達的NOD26具有汞敏感的水通道活性,除運輸水分以外,對甘油、甲酰胺等不帶電的溶質分子也具有較高的通透性。NLM在分子質量與等電點上同PIP較為相似,但對其成員了解較少。,（三）植物水孔蛋白的結構,水孔蛋白的結構都具有MIP家族結構的典型特征。HgCl2 對水孔蛋白功能的抑制發(fā)生在Cys殘基上,且往往與

52、NPA保守序列相鄰的Cys。在CHIP28中, Hg+的抑制位點是Cys189,但Cys189對CHIP28的功能并不是必需的,它僅是Hg+敏感位點。這巳從存在Hg+不敏感型水孔蛋白得到證實,如植物質膜上的水孔蛋白RD28就是Hg+不敏感型的,它的NPA序列附近沒有cys殘基。Walz等證明,雖然CHIP28單體可形成獨立的水通道,但其結構的穩(wěn)定和功能的正確行使,則需要蛋白在膜上的四級組裝。膜冰凍蝕刻(freeze-fracture)技術觀察發(fā)現(xiàn),4個CHIP28亞單位組成一個跨膜結構。,AQP1的每個亞單位共跨膜6次,并在胞內外形成5個環(huán)(A、B、C、D、E)。A、C、E環(huán)位于胞外,B、D環(huán)

53、及氨基和羥基末端位于胞內。,AQP1一個亞單位的“沙漏”模型,A,B,C,D,E,值得注意的是Jung等(1994)提出的“沙漏”模型(the hourglass model,圖)。“沙漏”模型在保持水孔蛋白兩個重復單元對稱性的前提下,依據(jù)B和E環(huán)都為典型的疏水結構,使兩環(huán)分別從膜兩側埋入膜內。通過分子的折疊, B和E環(huán)形成一狹窄的水孔道。CHIP28中汞敏感位點,即E環(huán)的Cys189和可能存在于B環(huán)的Cys73就位于水孔道的上下方。 然而,結構上的分析尚不能說明水孔蛋白的選擇性。Macey(1984)推算水通道的直徑應大于1.5A(水分子直徑)、小于2.0A(最小可通透溶質,如尿素的直徑)。

54、盡管“沙漏”模型中分子折疊形成的孔道,可以從孔徑大小上說明尿素不能通過水孔蛋白,但是還無法反映水孔蛋白不選擇離子或H3O+這一特性。,(四）植物水孔蛋白的存在部位,在植物細胞內,水孔蛋白主要分布在原生質膜和液泡形成體(tonoplast,即液泡膜)。 水孔蛋白的表達具有時空特異性,在有水分大量流動的組織和器官中水孔蛋白的表達很高,如根表皮、外皮層和內皮層細胞、靠近木質部導管的木薄壁細胞、韌皮部伴胞、保衛(wèi)細胞以及在植物發(fā)育的特定階段,如種子萌發(fā)、細胞伸長、花粉管伸長、維管形成等時期,某些水孔蛋白的表達異常豐富。 例如:擬南芥-TIP在種子儲藏囊泡中特異表達; NOD26只在大豆根瘤中細菌與植物共

55、生膜中表達;煙草的TobRB7在根柱中表達;而煙草的NtAQP1在根中靠近維管組織的細胞表達;向日葵的Sun TIP-7和SunTIP-20均在保衛(wèi)細胞中表達; 冰草的MIP-A在根的分生組織及木薄壁細胞中表達;擬南芥的PIPb和-TIP、玉米的TIP及油菜的BobTIP26-1、Bn-TlP等均有報道表明它們參與細胞的伸長與分化。水分是在水勢梯度的驅動下由水孔蛋白被動運輸?shù)?植物通過改變水孔蛋白的豐度或水孔蛋白的狀態(tài)來控制水的流入或流出。,（五）植物水孔蛋白的功能,1、在種子成熟和萌發(fā)過程中的作用,種子儲藏薄壁細胞的液泡具有許多特定功能,并與蛋白儲藏、裂解、運輸以及代謝相適應。而水孔蛋白TI

56、P在種子成熟過程中大量積累,故認為其在種子成熟與萌發(fā)中起著重要的作用。在種子成熟過程中大量的儲藏蛋白合成,種子內形成了數(shù)以萬計的蛋白儲藏囊泡(PSVs)。在種子萌發(fā)過程中,種子迅速吸水,液泡膜的流動性增強,伴隨著蛋白儲藏囊泡中的儲藏物質分解,溶質從儲藏囊泡中釋放出來,后期液泡又融合形成大的中央細胞。細胞質滲透系統(tǒng)劇變,種子需要迅速進行的新的滲透平衡。TIP的存在使水快速出入液泡以保證細胞能迅速膨脹和緊縮。Johnson和Hofte(1990)等研究表明,TIP在種子成熟晚期積累,在種子萌發(fā)及幼苗初期消失,取代它的是另外一種水孔蛋白TIP,與幼苗初期細胞的伸長有關。,2、在水分運輸過程中的作用,

57、AQP對水既有專一性，負責水分的跨膜快速流動，具有嚴格的選擇性。經(jīng)HgCl2處理后可抑制水分透性90%以上。 Netting等(2000)發(fā)現(xiàn),水分是目前發(fā)現(xiàn)的胞內唯一中性小分子; AQP的跨膜通道內側分布著疏水氨基酸殘基,賦予AQP水分運輸高效性,AQP對水分的選擇是由于跨膜通道直徑僅有3 A , 這就限制了其他物質的透過;在跨膜通道內部NPA的基序中,Asn76, Asn192兩個殘基向內部突出,因而通道收縮,當水分以單分子鏈穿過通道時,這兩個殘基與水分子間形成氫鍵,于是水分子之間的氫鍵被打斷,從而形成一道排斥離子而僅允許中性溶質通過的高度非介質屏障,此時質子不能被傳遞。,在植物中,水分的

58、長途縱向運輸主要在韌皮部篩管和木質部導管(或管胞)中進行。在根系,內皮層細胞壁上的凱氏帶對水分運輸形成障礙,意味著在根的皮層或內皮層,質外體水分流動必須進入共質體,在擬南芥中,PIP1水孔蛋白在根內皮層中的表達高于在根皮層中的表達證實了這一點。木質部薄壁細胞也是水孔蛋白高度表達的地方,在控制水分的滲透和水壓運動過程中起著重要的作用。 Steudle和Boyer(1985)提出,水從木質部流出的速度由導管周圍的小細胞決定。由此可以設想,維管束細胞中-TIP的表達和RD28的誘導應比其他細胞高。Ludevid等(1992)用報告基因研究啟動子證實了-TIP在維管束中的表達高于薄壁組織及皮層細胞。,3、在植物滲透調節(jié)中的作用,許多植物細胞具有高度的液泡膜水分滲透性。液泡膜上的水孔蛋白可減少對跨細胞水分運輸?shù)囊号葑枇Α?Kiyosawa和Tasawa(1977)發(fā)現(xiàn)輪藻細胞的液泡膜對水通透性比質膜更高;在煙草懸浮培養(yǎng)細胞和洋蔥表皮細胞中,液泡膜的滲透性為原生質膜滲透比的100倍。表明水孔蛋白在液泡膜的水分運輸方面具有滲透調節(jié)作用。,在成熟細胞中,原