植物钾离子通道的分子生物学研究进展

植物钾离子通道的分子生物学研究进展闵水珠(浙江大学生命科学学院，浙江杭州，310029)摘要：钾离子通道是植物钾离子吸收的重要途径之一。近年来，已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离到多种钾离子通道基因，包括内向整流型钾离子通道基因(如OsAKT1，DKT1，Ktrrl，KIll，KZM1，ZMK2等)和外向整流型钾离子通道基因(如CORK，PTORK，STORK等)。文章分别从结构、功能以及相关基因等三方面综述了关于植物钾离子通道的分子生物学研究进展，并对应用生物工程技术改良植物的钾营养性状进行了讨论。关键词：钾离子通道；结构；基因中图分类号：Q945；Q735文献标识码：A文章编号：1004—1524(2005)03—0163—07TheprogressonthemolecularbiologyoftheKchannelsinplantsMGShui—zhu(Co／egeofLifeScience，慨University，Ha．~hou310029，China)Abstract：TifsreviewsummarizedrecentprogressesonmolecularbiologyofKchannelsinplants，includingstructureandtheirelevantgenesinspecialty．Thelatterisdividedintoinward-rectifyingKchannel(Kin)genes(OsAKT1，DKT1，KFrl，KDC1，KZM1，ZMK2，etc．)andoutward-~tifyingKchannel(Kout)genes(CORK，FIDRK，STORK，etc．)．Thepossibilityofimprovingpotassiumnutritionofplantbybioengineeringisalsodiscussedinthispaper．Keywords：Kchannel；structure；gene离子通道(ionchanne1)是跨膜蛋白，每个蛋白分子能以高达l08个／秒的速度进行离子的被动跨膜运输，离子在跨膜电化学势梯度的作用下进行的运输，不需要加入任何的自由能。一般来讲，离子通道具有两个显著特征：一是离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节，并通过开关应答相应的信号。根据门控机制，离子通道可分为电压门控、配体门控、压力激活离子通道。二是通道对离子的选择性，离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性。根据通道可通过的不同离子，可将离子通道分为钾离子(potassiumion，K)通道、钠离收稿日期12005—01—25作者简介：闵水珠(1950一)，女，浙江湖州人，主要从事植物化学研究。子(natriumion，Na)通道、钙离子(calciumion，Ca2)通道等。其中，K通道是种类最多、家族最为多样化的离子通道，根据其对电势依赖性及离子流方向的不同，可把K通道分为两类：①内向整流型K通道(inwardrectifierKchannel；Kin)，②外向整流型K通道(outwardrectifierKchannel；Kout)。K是植物细胞中含量最为丰富的阳离子，也是植物生长发育所必需的唯一的一价阳离子，它在植物生长发育过程中起着重要的作用，具有重要的生理功能。植物中可能存在K通道，这一点早在20世纪6o年代植物营养学界就有人提出，而一直到80年代才被Schroeder等人[23证实，他们利用膜片钳(patchchmp)技术，首先在蚕豆(V／c／afaba)的保卫细胞中检测出了K通道维普资讯·164·浙江农业学报第l7卷(2O05)的存在。后来，人们又陆续在其它植物及细胞中发现了多种类型的K通道。1钾离子通道的结构单个钾离子通道是同源四聚体，4个亚基(subunit)对称的围成一个传导离子的中央孔道(pore)，恰好让单个K通过。对于不同的家族，g4亚基有不同数目的跨膜链(membrane。span。ningelement)组成。两个跨膜链与它们之间的P_回环(porehelixloop)是K通道结构的标志(2TM／P)，不同家族的K通道都有这样一个结构。电压门控K通道在2TM／P之前有四条跨膜链(Sl—S4)，使得通道具有感受并响应膜电位的能力(sensor)。S4跨膜链每隔两个残基就有一个带正电荷的精氨酸或赖氨酸，其他位置都是疏水性残基，正是这些特殊结构使得S4片段在门控过程中起着重要的作用(图1)。目前从植物体中发现的K通道几乎全是电压门控型的，如保卫细胞中的K外向整流通道等，其结构模型如图2一a所示。离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器(selectivityfilter)中(图2一b)，X射线晶体学显示选择性过滤器长1．2nIll，孔径约为0．3nIll，K很多钾离子通道亚基都由6个跨膜链组成(s1～S6)，其中s5、S6之间的多肽链属于孔道区，sl～S4是电压敏感区(Sensor)，S4上的一些特殊结构使其在电压门控中起到特殊作用。图1植物钾离子通道亚基结构示意图Fig．1Sketchmapofpotassiumchannelofsubunitsstructuresintheplant(a)(a)图中只标出直径上对置的两个亚基(tw0diametricallyoppositesubmits)，每个亚基上的P．回环形成狭窄的选择性过滤器(selectivityfilter)，在其胞内侧，细胞膜的中间，是一个中·I'．,,e／~(cavity)。(b)选择性过滤器结构示意图，过滤器中每一个亚基都存在一个保守的TVGYG序列(图中蓝色部分)，图中绿色圆球为4个钾离子的结合位点(1～4)，红色小球则为形成结合位点的氧原子。图2电压门控钾离子通道结构示意图(根据Jacquehne等[’]改编)Fig．2Sketchmapofpotassiumchannelstructures[’]维普资讯闵水珠等：植物钾离子通道的分子生物学研究进展·165·脱水后(直径约为0．26nm)恰好可以通过。过滤器中每一个亚基都存在一个保守的TVGYG序列，每一个序列氨基酸上的羰基氧原子都指向孔道。每8个氧原子以一个近似方形棱镜的形式包围成一个K适宜的结合位点(ion．bindingsite)，过滤器中存在4个这样的位点。前面第1～3个位点处于细胞外侧，由8个TVGYG序列氨基酸上的羰基氧原子组成，第4个位点处于最靠近细胞内侧的位置，由4个羰基氧原子和4个侧链苏氨酸上的羟基氧原子组成_4’5J。K通道一个独特的结构特征是孔道内有一个部位可以膨胀到1．0nln，称为中心腔(cavity)，位于选择性过滤器的胞内侧，细胞膜的中间。中心腔中可以容纳一个K，其他空间则充满了水。另外，通道胞外侧的出口处存在两个K适宜的结合位点。2钾离子通道的作用有关K通道在植物体内的作用研究并不多。从目前的结果来看，认为主要是与K吸收和细胞中的信号传递(尤其是保卫细胞)有关。小麦根细胞中过极化激活的选择性内流K通道的表观平衡常数Km值为8．8mmol／L，与通常的低亲和吸收系统Km值相似[。近年来，大量K通道基因的研究表明，K通道是植物吸收转运钾离子的重要途径之一。保卫细胞中气孔的开闭与其液泡中的K浓度有密切关系。质膜去极化激活的K外向整流通道引起K外流，胞质膨压降低，导致气孔的关闭。相反，质膜上H．ATPase激活的超极化(hyperpolarization)促使内向整流钾离子通道(Kin)的打开，引起K的内流，最终导致气孔的张开_】引。可见钾离子通道在保卫细胞开闭的过程中具有传递信号的功能。3钾离子通道相关基因及其功能特征迄今，已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离得到多种K通道基因(图3)，根据对其结构功能和DNA序列的分析，可以把它们分为5个大组：工，Ⅱ，Ⅳ组基因属于内向整流型通道；m组属于弱内向整流型通道(weaklyinwardrect~erchannels)；V组则是外向整流型通道[坨J。下文中我们将分别阐述各组基因在近年来的研究进展。3．1内向整流型钾离子通道(Kin)基因内向整流型钾离子通道基因包括四组，即组工(AKT1组)、1I(KAT1组)、IlI(AKT2组)、IV(AtKC1组)。其中AKT2组为弱内向整流型钾离子通道。3．1．1AKT1组AKT1组基因主要包括AKT1，LKT1，ZMK1，OsAKT1，DKT1等，现介绍如下：AKT1(ArabidopsisKTransporter1)是第一个克隆到的植物K通道基因，采用酵母双突变体互补法从拟南芥cDNA文库中筛选出来[。cDNA序列分析表明，AKT1长2649bp，其中的阅读框为2517bp，编码838个氨基酸残基组成的多肽，相对分子质量约为95400Da。AKT1编码的K通道，对K有极高的选择性，其选择性依次是KRbNaLi。Northernblot分析表明，AKT1组织特异性较强，主要在根组织中表达。用GUS报告基因发现，除了成熟根的表层细胞以外，在叶原基细胞和水孔中也存在_8J。近来研究发现，AKT1通道不仅能促进植物对土壤中K的吸收，还能影响根细胞的生长发育，当把一aktl突变体植株幼苗(aktlmutantseedling)置于低外界K浓度时，其根毛会萎缩得非常dx．[9J。LKT1是从番茄(LycopersiconesculentumMil1．)根毛特化的cDNA库中克隆出来的。RNA印迹分析表明，LKT1的mRNA在根毛中强烈表达，很可能参与植物K的吸收。LKT1编码的多肽中有97％的氨基酸序列与马铃薯的SKT1一致，它们在功能上的相似性已经在一个电生理学实验中得到了证实_】。ZMK1(ZeamaysKchannel1)是从玉米胚芽鞘中分离出的K通道基因，在皮层表达。在卵母细胞中的表达表明，ZMK1编码的K通道是通过外部酸化激活的【11J。有研究表明，蓝光对ZMK1通道在玉米胚芽鞘中的分布有一定影响[32l。OsAKT1来源于水稻(OryzasativaL．)特化的cDNA库，Northernblot分析表明OsAKT1主要维普资讯·166·浙江农业学报第17卷(2oo5)植物钾离子通道基因分五组(I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V)，图中I、Ⅱ、Ⅳ组虚线框定区域为内向整流型钾离子通道(inwardretiiierKchannels)基因，Ⅲ组框定区域为弱内向整流型钾离子通道(weaklyinwardrectifierK’channe1)基因，外向整流型钾离子通道(outwardrectifierKcllallJlds)基因则在图中的V组区域内。圈3植物钾离子通道基因系统树(根据Elide等[6】文改编)．3GenesystemtreeofKchannel[】在根组织中表达，叶片组织上也有少量表达。OsAKT1的表达具有明显地细胞特异性(cell—specificity)，比如在根组织中，其在表皮和内皮层细胞中强烈表达，而在脉管系统和外皮层细胞中表达量则要低得多【30]。最近研究表明，OsAKT1似乎在盐胁迫下水稻的K吸收过程中扮演重要的角色【31J。DKT1是最近由Elide等人从胡萝卜(Daucuscarota)中分离出来的一种a亚基类的K通道基因。DKT1基因长2827bp，其中阅读框含有2622个核苷酸，编码由873个氨基酸组成的多肽，相对分子质量约为99000Da。它与拟南芥的AKT1有82％的同源性，与LKT1则有85％。DKT1能在成熟胡萝卜中的叶片大量表达，在根部、子叶、茎等很多部位也有表达，可能在植物营养物质吸收和其他一些生理过程方面发挥重要作用L6J。3．1．21组KAT1组基因编码内向整流钾离子通道，其与AKT1组基因产物结构上的最大区别是在COOH端没有锚蛋白相关区(枷n—relateddo