植物Na+/H+反向转运蛋白的研究进展

盐胁迫是限制植物生长发育的主要因素之一,植物Na+/H+反向转运蛋白可通过将Na+逆向转运出细胞外或将Na+区隔化于液泡中来抵制环境中过高的Na+浓度.植物中Na+/H+反向转运蛋白存在于细胞质膜和液泡膜上,现在已得到多种编码这些Na+/H+反向转运蛋白的基因,对其结构功能特性进行了大量研究,并发现将这些基因转入非抗盐植物中过量表达可提高转基因植物的抗盐性.概述了Na+/H+反向转运蛋白及其编码基因的最新研究进展.     

Na+/H+ 逆向转运蛋白与植物耐盐性关系

Na+/H+ 逆向转运蛋白与植物的耐盐性有密切的关系。在高等植物体内,主要存在两种Na+/H+ 逆向转运蛋白,分别为位于细胞质膜上的逆向转运蛋白SOS1,以及存在于液泡膜上的AtNHX1。质膜Na+/H+ 逆向转运蛋白主要负责Na+ 的外排,液泡膜Na+/H+ 逆向转运蛋白主要负责把Na+ 区隔化入液泡。过量表达质膜Na+/H+ 逆向转运蛋白SOS1或液泡膜Na+/H+ 逆向转运蛋白AtNHX1能够明显提高植物的耐盐性。本文对植物中Na+/H+ 逆向转运蛋白及其与植物耐盐性之间的关系研究最新进展作一概述。     

长叶红砂液泡膜Na~+/H~+逆向转运蛋白基因的克隆及表达特性

为研究长叶红砂(Reaumuria trigyna)离子转运分子机制,利用RT-PCR和RACE技术,克隆到其液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因(NHX1)的全长cDNA片段,命名为RtNHX1(NCBI序列号为KR919802)。结果表明:RtNHX1的cDNA片段全长2 622bp,开放阅读框1 662bp,5′非编码区509bp,3′非编码区451bp,编码553个氨基酸,推测分子量为60.91kD。该蛋白含有12个跨膜结构域,为疏水蛋白,与其他植物液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白NHX1的亲缘关系较近。实时荧光定量PCR对其在NaCl胁迫下的表达检测显示,不同时间和不同浓度NaCl胁迫下,RtNHX1表达量变化均呈先升高后降低趋势,在100mmol/L NaCl胁迫6h和200mmol/L NaCl胁迫后达到最高,表达量分别超过或约是对照的3倍,一定程度反应出RtNHX1参与长叶红砂的盐胁迫应答,是该植物离子转运体系的重要元件。     

刚毛柽柳Na~+/H~+逆向转运蛋白基因的克隆与表达分析

通过对刚毛柽柳(Tamarix hispida)转录组分析,鉴定获得一个Na~+/H~+逆向转运蛋白基因,命名为Th SOS1。Th SOS1基因c DNA全长3 917 bp,开放阅读框长3 498 bp,编码1 165个氨基酸,编码蛋白相对分子质量128.8 k Da,理论等电点(PI)为6.42。疏水性分析预测Th SOS1基因编码蛋白N端具有10个跨膜结构域,C端具有一个较长的亲水尾部。Th SOS1氨基酸序列与长叶红砂、藜麦、盐地碱蓬等植物的SOS1序列同源性较高,分别可达92%,73%,72%。系统发育分析表明Th SOS1为质膜型Na~+/H~+逆向转运蛋白,与液泡膜型Na~+/H~+逆向转运蛋白属于不同分支。实时荧光定量RT-PCR分析显示,该基因受高盐、干旱诱导上调表达,暗示Th SOS1可能在刚毛柽柳抗旱耐盐过程中发挥重要作用。     

苦豆子液泡膜Na~+/H~+逆向运输蛋白基因SaNHX1的克隆与生物信息学分析

苦豆子(Sophora alopecuroides L.)因其具有很强的耐盐、耐旱、耐高温等功能广泛分布于干旱荒漠区。研究报道植物液泡膜Na~+/H~+逆向运输蛋白对植株耐盐性及耐旱性等具有重要作用。本研究首先对苦豆子种子进行萌发处理,采用改良的异硫氰酸胍法提取苦豆子的总RNA,利用逆转录试剂盒获得苦豆子的cDNA,通过同源克隆法获得了苦豆子液泡膜Na~+/H~+逆向运输蛋白基因的cDNA全长,并对其氨基酸序列及可能的功能进行了生物信息学分析。结果显示,所获得的基因编码548个氨基酸,与豆科植物大豆GlNHX1的一致性最高为86%;二级结构预测显示其具有10个跨膜结构,不含信号肽;对其3D结构预测显示该蛋白是一个富含α螺旋的桶装蛋白质。这些预测结果表明本研究所克隆的基因为苦豆子液泡膜逆向运输蛋白Na~+/H~+基因,这将为荒漠植物苦豆子抗逆基因资源的发掘利用奠定基础。     

RLM-RACE法扩增獐茅液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因5''-cDNA末端序列

根据已获得的盐生植物獐茅(Aeluropus littoralis var.sinensis Debeaux)液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白(Na+/H+antiporter)基因部分cDNA片段,设计2条特异引物(GSP1、GSP2),采用RLM-RACE(RNA ligase-mediated rapid amplification of 5'and 3'cDNA ends)法获得了其5'-cDNA末端序列,并找出了转录起始位点.该片段长816 bp,与芦苇液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因序列同源性最高达91%,与拟南芥、盐角草、水稻、大麦、小麦的同源性分别为81%、82%、86%、87%和81%,为该基因全长的克隆及启动子的研究奠定了基础.与其它测定基因转录起始位点的方法相比,RLM-RACE方法更快捷、简便、准确.     

盐地碱蓬叶片液泡膜H+-ATPase B亚基的克隆及盐胁迫下表达分析

植物液泡膜H -ATPase在建立跨液泡膜质子梯度、促进液泡Na 区域化、提高植物耐盐性方面发挥着重要作用.本实验从盐生植物盐地碱蓬(Suaeda salsa L.)cDNA文库分离到碱蓬叶片液泡膜H -ATPase B亚基cDNA克隆.测序表明该基因长达1 974 bp,开放阅读框有1 470 bp编码489个氨基酸,含有一个保守的ATP结合位点,其蛋白分子量约为54.29 kD.Northem及Western印迹表明盐地碱蓬液泡膜H -ATPase B亚基表达明显受NaCl胁迫诱导,并且在NaCl胁迫下,B亚基在转录及翻译水平上与液泡膜H -ATPase c亚基存在协同作用.盐胁迫下,盐地碱蓬液泡H -ATPase B亚基与c亚基的协同表达增加了液泡H -ATPase的数量,从而提高了液泡H -ATPase活性,为碱蓬叶片液泡Na 区域化提供了动力,最终提高了碱蓬植株的耐盐性.     

黄花草木樨MoSOS1基因克隆及表达分析

植物质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因SOS1是植物耐盐性必需的基因之一,在抵御盐胁迫过程中发挥十分重要的作用。以黄花草木樨叶片总RNA为模板,通过RT-PCR结合RACE方法克隆得到黄花草木樨MoSOS1基因全长序列,命名为MoSOS1。序列分析表明该基因全长为3 931 bp,开放阅读框(ORF)为2 874 bp,编码957个氨基酸,分子量为112.8 k D,等电点为5.31。TMHAM软件跨膜区的预测分析表明,黄花草木樨MoSOS1蛋白具有8个跨膜结构区域,N端和C端都位于细胞外。氨基酸序列分析表明,MoSOS1蛋白含有1个Na+/H+Exchanger superfamily和一个c NMP(Cyclic nucleotide-monophosphate)结合位点以及1个CAP_ED(Catabolite gene activator protein-effector domain)superfamily结构域。生物信息预测显示,MoSOS1的编码蛋白为不稳定酸性蛋白,不存在信号肽,二级结构多为α-螺旋和无规则卷曲。荧光实时定量RT-PCR分析表明:随着Na Cl浓度的增加,黄花草木樨地上部和根中MoSOS1基因表达水平呈增加趋势,根中表达量大于地上部,表明MoSOS1基因的表达受盐胁迫诱导和调节。     

跨膜离子转运蛋白与植物耐盐的分子生物学

植物抵御盐害的主要方式是增加Na 的外排、减少Na 的吸入和Na 的区隔化,而Na 的跨膜运输主要由质膜和液泡膜上的离子转运蛋白完成。对质膜和液泡膜跨膜离子转运蛋白包括K /Na 离子转运蛋白,Na /H 逆向转运蛋白以及液泡膜H -PPase的分子生物学研究及应用进展进行了综述。     

花烟草NaNHX1基因的克隆及其在非生物胁迫下的表达模式

植物NHX家族基因,在植物的生长发育以及生物与非生物胁迫的应答反应中发挥着十分重要的作用。为了探究花烟草Na+/H+逆向转运蛋白的生理功能,为花烟草耐盐分子机制的研究提供参考。采用同源克隆的方法进行基因克隆,对花烟草进行非生物胁迫,并运用qPCR的方法进行基因表达模式分析。结果表明,从花烟草(Nicotiana alata)中克隆了一个属于Na+/H+逆向转运蛋白家族的基因NaNHX1。该基因的开放阅读框全长为1 599 bp,编码了532个氨基酸残基。生物信息学分析结果表明,该基因编码的蛋白分子量为58.4 kD,等电点为5.66;具有Na+/H+逆向转运蛋白家族典型的保守结构域NhaP2;该蛋白属于疏水性蛋白,包含10个跨膜区。NaNHX1基因主要定位于细胞质膜,并含有多个磷酸化位点。同源性分析的结果显示,NaNHX1基因与美花烟草(Nicotiana sylvestris)、茸毛烟草(Nicotiana tomentosiformis)以及番茄(Solanum lycoperisicum)NHX基因的亲缘关系最近,而与拟南芥的NHX基因同源性最低。NaNHX1基因的表达具有组织表达特异性,花中表达量最高,茎中次之,根和叶中表达量较低。在高盐、干旱、低温、ABA、低钾及H2O2等非生物胁迫下,NaNHX1的表达呈现3种不同的表达模式。其中,对高盐及低钾胁迫的响应强烈。本研究的结果表明,NaNHX1基因属于Na+/H+逆向转运蛋白家族,可能参与了花烟草高盐和低钾胁迫,以及其它非生物胁迫响应在内的众多生理过程。     

拟南芥内膜Na+,K+/H+反向转运体研究进展

拟南芥内膜Na,K~+/H~+反向转运体(Endosomal NHX)的亚细胞定位、离子转运特性及生物学功能阐释取得了重要进展。拟南芥内膜Na~+,K~+/H~+反向转运体包含AtNHX5和AtNHX6两个成员,它们的氨基酸序列相似性为78.7%。研究表明,AtNHX5和AtNHX6具有功能冗余,它们都定位在高尔基体(Golgi)、反面高尔基体管网状结构(TGN)、内质网(ER)和液胞前体(PVC),参与调控耐盐胁迫、pH平衡和K~+平衡等。有报道显示内膜NHXs跨膜结构域存在能够调控自身离子活性的酸性保守氨基酸残基,对其自身功能具有决定性作用。最新研究结果表明,拟南芥内膜NHXs影响囊泡运输和蛋白存贮,并参与生长素介导的植物生长和发育。文中主要对拟南芥内膜NHXs的亚细胞定位、离子转运、功能及应用进展进行了概述。     

玉米液泡膜焦磷酸酶基因ZmVPP1的克隆及逆境下的表达分析

采用同源克隆的方法在玉米中得到一个与拟南芥耐盐基因AVP1类似的基因.BLAST分析表明,该基因编码蛋白属于质子泵焦磷酸酶家族(H_PPase superfamily)中的Ⅰ型VPP,将其命名为ZmVPP1.ZmVPP1包舍一个2301bp的开放阅读框,编码766个氨基酸残基.蛋白比对结果表明,该蛋白在不同植物中相当保守.实时荧光定量PCR检测发现,ZmVPP1基因在成熟叶片中高丰度表达,在生殖器官中表达量较少.脱水、高盐、低温等逆境胁迫条件和ABA处理下的表达分析表明,ZmVPP1基因受逆境的诱导表达,属于不依赖于ABA的途径.由此推断,ZmVPP1可能参与玉米对Na+的隔离,从而起到耐盐的作用.     

Importance of the seryl and threonyl residues of the fifth transmembrane domain to the substrate specificity of yeast plasma membrane Na+/H+ antiporters

The Zygosaccharomyces rouxii Na+/H+ antiporter Sod2-22p is a member of the subfamily of yeast plasma membrane Nha/Sod antiporters that do not recognize potassium as their substrate. A functional study of two ZrSod2-22p mutated versions that improved the tolerance of a S. cerevisiae alkali-metal-cation sensitive strain to high extracellular concentration of KCl identified two polar non-charged amino-acid residues in the fifth transmembrane domain, Thr141 and Ser150, as being involved in substrate recognition and transport in yeast Nha/Sod antiporters. A reciprocal substitution of amino-acid residues with a hydroxyl group at these positions, T141S or S150T, produced a broadened cation selectivity of the antiporter for K+, in addition to Na+ and Li+. Site-directed mutagenesis of Ser150 showed that while the replacement of Ser150 with a small hydrophobic (valine) or negatively charged (aspartate) amino acid did not produce a significant change in ZrSod2-22p substrate specificity, the introduction of a positive charge at this position stopped the activity of the antiporter. This data demonstrates that the amino-acid composition of the fifth transmembrane domain, mainly the presence of amino acids containing hydroxyl groups in this part of the protein, is critical for the recognition and transport of substrates and could participate in conformational movements during the binding and/or cation transport cycle in yeast plasma membrane Na+/H+ antiporters.     

高等植物Na+ 吸收、转运及细胞内Na+ 稳态平衡研究进展

盐胁迫是影响农业生产的重要环境因素之一。本文对植物Na+吸收的机制和途径、Na+在植物体内的长距离转运以及细胞内Na+稳态平衡的研究进展进行了概述。参与植物Na+吸收与转运的蛋白和通道可能包括HKT、LCT1、AKT和NSCC等。其中, HKT是植物体内普遍存在的一类转运蛋白, 能够介导Na+的吸收, 其结构中的带电氨基酸残基对于其离子选择性有着非常明显的影响。LCT1是从小麦中发现的一类能够介导低亲和性阳离子吸收的蛋白, 然而在典型的土壤Ca2+浓度下LCT1并不能发挥吸收Na+的功能。AKT家族的成员在高盐环境下可能也参与了Na+的吸收。目前虽然还没有克隆到编码NSCC蛋白的基因, 但是NSCC作为植物吸收Na+的主要途径的观点已被广泛接受。SOS1和HKT参与了Na+在根部与植株地上部的长距离转运过程, 它们在木质部和韧皮部的Na+装载和卸载中发挥重要作用, 从而影响植物的抗盐性。另外, 由质膜Na+/H+逆向转运蛋白SOS1、蛋白激酶SOS2以及Ca2+结合蛋白SOS3组成的SOS复合体对细胞的Na+稳态具有重要的调节作用, 单子叶和双子叶植物之间的这种调节机制在结构和功能上具有保守性。SOS复合体与其它位于质膜或液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白以及H+泵一起调节着细胞的Na+稳态。     

Molecular cloning and expression of the Na+/H+ exchanger gene in Oryza sativa.

Na+/H+ exchanger catalyzes the countertransport of Na+ and H+ across membranes. We isolated a rice cDNA clone the deduced amino acid sequence of which had homology with a putative Na+/H+ exchanger in Saccharomyces cerevisiae, NHX1. The sequence contains 2330 bp with an open reading frame of 1608 bp. The deduced amino acid sequence is similar to that of NHX1 and NHE isoforms in mammals, and shares high similarity with the sequences within predicted transmembrane segments and an amiloride-binding domain. The expression of the gene was increased by salt stress. These results suggest that the product of the novel gene, OsNHX1, functions as a Na+/H+ exchanger, and plays important roles in salt tolerance of rice.     

Reconstitution, identification, purification, and immunological characterization of the 110-kDa Na+/Ca2+ antiporter from beef heart mitochondria.

The mitochondrial Na+/Ca2+ antiporter plays a key role in the physiological regulation of intramitochondrial Ca2+, which in turn attunes mitochondrial enzymes to the changing demands of the cell for ATP. We have now purified the Na+/Ca2+ antiporter from beef heart mitochondria by assaying detergent-solubilized chromatography fractions for reconstitutive activity. Na+ and Ca2+ transport were assayed using the fluorescent probes, sodium-binding benzofuran isophthalate and Fura-2, respectively. This approach enabled us to identify Na+/Ca2+ exchange activity with a 110-kDa inner membrane protein that catalyzed Na(+)-dependent Ca2+ transport and Ca(2+)-dependent Na+ transport. A new finding was that the Na+/Ca2+ antiporter also catalyzed Na+/Li+ exchange in the absence of Ca2+. All modes of transport were electroneutral and were inhibited by diltiazem and tetraphenylphosphonium cation. Monospecific polyclonal antibodies to the 110-kDa protein inhibited Na+/Ca2+ and Na+/Li+ exchange in the reconstituted system and recognized 110-kDa proteins in mitochondrial membranes isolated from rat heart, liver, and kidney.