植物对硅的吸收转运机制研究进展.docx

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植物对硅的吸收转运机制研究进展

植物对硅的吸收转运机制研究进展*

张玉秀1

刘金光1

柴团耀2**金玲1

（1中国矿业大学（北京化学与环境工程学院,北京100083;2中国科学院研究生院生命科学学院,北京100049

摘要硅（Si能缓解生物与非生物胁迫对植物的毒害作用,Si的吸收转运是由Si转运蛋白介导的.最近,多个Si转运蛋白

（Lsi基因相继在水稻、大麦和玉米中被克隆出来,并在Si的吸收转运机制方面取得了很大进展.水稻OsLsi在根组织中呈极性分布,OsLsi1定位在根外皮层和内皮层凯氏带细胞外侧质膜,负责将外部溶液中的单硅酸转运到皮层细胞内.OsLsi2定位在凯氏带细胞内侧质膜,在外皮层中负责将Si输出到通气组织质外体中,在内皮层与OsLsi1协同作用将Si转运到中柱中.导管中的Si通过蒸腾流转运到地上部,再由定位在叶鞘和叶片木质部薄壁细胞靠近导管一侧的OsLsi6负责木质部Si的卸载和分配.在大麦和玉米中,ZmLsi1/HvLsi1定位在根表皮和皮层细胞外侧质膜负责Si的吸收,然后Si通过共质体途径被转运到内皮层凯氏带细胞中,再由ZmLsi2/HvLsi2输出转运到中柱中.ZmLsi6在细胞中的定位和活性与OsLsi6相似,推测其可能具有类似的功能,但大麦Lsi6至今未见报道.所以,Si转运机制仍需要进一步研究.关键词

硅,转运蛋白,机制

学科分类号

Q5,Q94

DOI:

10.3724/SP.J.1206.2010.00528

生物化学与生物物理进展

ProgressinBiochemistryandBiophysics2011,38（5:

400~407

综述与专论

ReviewsandMonographs*国家转基因生物新品种培育重大专项资助项目（2009ZX08009-130B和中央高校基本科研业务费专项基金（2010YH05.**通讯联系人.

Tel/Fax:

010-88256343,E-mail:

tychai@收稿日期:

2010-10-13,接受日期:

2010-12-08

硅（Si在地壳中的含量仅次于氧,二氧化硅约占土壤的50%~70%[1].土壤中Si的存在形态主要有3种:

不溶解的固态Si（氧化硅和硅酸盐、可溶性Si以及土壤颗粒（特别是Fe和Al的氧化物/氢氧化物上的吸附Si[2].植物吸收Si的主要形式是单硅酸[Si（OH4],其在土壤溶液中的浓度为0.1~0.6mmol/L,与K、Ca等营养元素浓度相近,远超过P的浓度[3].植物中Si累积量因物种的不同而不同,可占植物干重的0.1%~10%,禾本科植物Si的累积量远高于双子叶植物,这种差异可能归因于不同植物根对Si的吸收和转运能力的不同[4].Si可促进植物的生长,并能缓解重金属、盐、病虫害、干旱和紫外线等逆境对植株生长的抑制作用[5-7].田间实验结果表明,野生型和Si吸收缺陷型水稻对N、P和K等营养元素的吸收没有差别,然而,野生型水稻地上部Si的累积量（4.14%显著高于缺陷型（0.22%,而缺陷型水稻产量降低了79%~98%[8].目前,为了提高作物的产量和品质,硅肥在日本已广泛用于水稻和甘蔗等多种作物的种植[9].我们的研究表明,Si（1mmol/L可以提高烟草和龙葵的Cd耐性（待发表.Savvas等[10]发现,1mmol/L

Si能够缓解0.8mmol/L和35mmol/LNaCl对无土栽培西葫芦净光合作用的抑制,抗白粉病能力增强,产量提高.

植物如何吸收转运Si呢?

Si转运蛋白的基因家族最早是在硅藻中发现的,水稻基因组中没有找到与之同源的基因,将硅藻Si转运蛋白基因转入烟草中未能提高其Si的吸收量,说明高等植物中可能存在着与硅藻不同的Si转运蛋白系统[9,11].近年来,利用基因敲除和转基因技术,先后在水稻、大麦和玉米等禾本科植物中鉴定了多个Si转运蛋白基因,初步揭示了Si的吸收和转运机制.以下综述了植物Si转运蛋白的功能鉴定以及Si吸收和转运分子机制的研究进展.

张玉秀,等:

植物对硅的吸收转运机制研究进展

2011;38（52植物对Si的吸收

根毛区对N、P和K等矿质元素以及水分的吸

收发挥重要作用,是否具有Si吸收作用?

水稻根

毛缺陷型RH2和侧根缺陷型RM109两种突变型与野生型在低Si（0.15mmol/L和高Si（1.5mmol/L2种营养液中生长26天后,Si含量分析显示RH2和野生型的Si积累量没有差别,而RM109的Si

Fig.1Uptake,distributionandaccumulationofsiliconinrice[9,16]

图1

Si在水稻中的吸收、分布和累积[9,16]

水稻吸收和转运Si的形式均是单硅酸（a,b;在地上部（c,蒸腾作用下失水聚合形成硅胶（SiO2·nH2O,在泡状细胞（silicabody,SB（d及角质层下沉积形成角质-双硅层（e.Si的检测采用软X射线和扫描电子显微镜（SEM.

1Si在植物体内的分布

不同植物中Si累积水平差异很大,根据植株

中SiO2的含量将栽培植物分为3类[12]:

一类是水稻等水生禾本科作物,其茎叶SiO2含量占干物质的15%~20%;二类是旱地禾本科植物（燕麦、大麦和小麦,SiO2含量为2%~4%;三类是以豆科植物为代表的双子叶植物,SiO2含量不足第二类植物的1/10.同一植物不同组织部位的Si积累量也存在差异,如水稻不同组织中Si含量大小依次为:

精米（0.5g/kg<米糠（50g/kg<稻杆（130g/kg<稻壳（230g/kg<稻节（350g/kg[13].Si的分布与植物的生长发育有关,大麦老叶叶尖Si的浓度

（1.63mmol/g大于新叶（0.47mmol/g[14].Si在植

物体内沉积可形成某些特殊结构,如水稻叶片中的Si沉积在紧邻角质层下面形成约为2.5μm的薄层,称为“角质-双硅层”（cuticle-Sidoublelayer,图1[9],该结构可作为一种物理屏障在抵抗多种生物和非生物胁迫中发挥重要作用.在细胞水平上,Si主要沉积在细胞壁和细胞间隙中[3].透射电镜观察表明,在结缕草和高羊茅叶片中,Si均以细胞壁和细胞膜为模板沉积在细胞间隙,其中,Si（OH4分子与模板亲水羟基作用,聚合成二聚体和环式聚合物,形成无定形SiO2颗粒,初期SiO2颗粒大小约20nm,其表面进一步生长形成有序排列的柱状结构体[15].

nSiO2+nH2O

（cnSi（OH4

nSi（OH4

nSi（OH4

木质部

（b

（d（e

（a

泡状细胞

角质-双硅层

表皮

皮层

中柱

外皮层

内皮层凯氏带

凯氏带Si（OH4

Lsi1

Lsi2

Lsi1

Lsi2

401··

生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2011;38（5

Fig.2SchematicmodeloftheSitransportsystem

inmaizeandbarley[23]

图2玉米和大麦的Si吸收系统示意图[23]

累积量分别为野生型的45%和70%[17],表明侧根是水稻吸收Si的关键部位.

动力学研究表明,水稻、黄瓜和番茄根对Si的吸收速度随Si浓度的升高而升高,在1.5~2mmol/L较高浓度Si时达到最大速度.3种植物的Km值约为0.16mmol/L,而Vmax值差异很大,分别为34.5、26.9和13.3ng（root·

8h,表明不同植物Si转运蛋白的密度不同.在含0.5mmol/LSi营养液中生长6h,水稻、黄瓜和番茄等根质外体中Si浓度几乎与营养液持平,而共质体Si浓度分别是营养液的5倍、2倍和1.5倍.用代谢抑制剂2,4-二硝基苯酚（2,4-DNP或低温处理后,根共质体Si浓度降低,与质外体和营养液Si水平相近,表明植物对Si的吸收是由转运蛋白和被动扩散共同介导的[18-19],其中,Si转运蛋白涉及在Si的吸收、转运和分配过程中.

3Si的吸收和转运机制

OsLsi1是利用Si吸收缺陷型水稻（lsi1克隆出的首个高等植物Si转运蛋白.最近,多个Si转运蛋白基因又相继在水稻、大麦和玉米中被鉴定.水稻[4,20-21]和玉米[22-23]中分别鉴定了3个Si转运蛋白（Lsi1、Lsi2和Lsi6,大麦[1,23]中鉴定了2个Si转运蛋白（Lsi1和Lsi2.水稻的内、外皮层均存在凯氏带,可阻止溶质自由进入中柱,同时,也有一特征性结构———通气组织.水稻OsLsi1主要定位在根外皮层和内皮层凯氏带细胞外侧质膜,具有Si输入转运活性,OsLsi2主要定位在凯氏带细胞内侧质膜,具有Si输出转运活性（图1[20].研究表明水稻Si的吸收和转运过程包括4个步骤（图1,a.由外皮层中的OsLsi1将外部溶液中的Si转运到细胞中,OsLsi2将Si释放到通气组织质外体中;b.由内皮层中的OsLsi1将质外体溶液中的Si转运到内皮层细胞中,OsLsi2将Si输出转运到中柱中;c.中柱中的Si以非聚合态单硅酸形式通过木质部导管随蒸腾流转运至地上部[24];d.在叶鞘和叶片靠近导管一侧木质部薄壁细胞中定位的OsLsi6负责木质部Si的卸载和分配,并在蒸腾作用下失水聚合形成硅胶（SiO2·nH2O,沉积在地上部不同组织器官的细胞壁和细胞间隙中,水稻中90%以上的Si以硅胶的形式存在[9].

大麦和玉米根的组织结构与水稻不同,只有内皮层细胞存在凯氏带,尽管如此,二者的Si转运蛋白转运活性和机制与水稻相似.大麦HvLsi1定

位在胚根表皮细胞和皮层细胞及侧根下皮细胞的外侧质膜[1].玉米ZmLsi1定位在胚根和冠根表皮细胞和下皮细胞（皮层细胞的最外层以及侧根表皮细胞和皮层细胞的外侧质膜[22].HvLsi1/ZmLsi1负责吸收土壤溶液中的Si,并通过共质体途径转运到内皮层,再由定位在内皮层凯氏带细胞质膜的HvLsi2/ZmLsi2将Si输出到中柱中（图2[23].ZmLsi6与OsLsi6作用相似,可能参与地上部木质部Si的卸载与分配[22].然而,大麦中未鉴定出类似的Lsi6基因.

3.1Si转运蛋白Lsi13.1.1OsLsi1.

Si与Ge化学性质相似,所以植物也能吸收Ge,但是Ge对植物具有毒害作用,导致叶片出现褐色斑点.根据这一特性,Ma等[4]将诱变处理的种子在Ge溶液中培养,筛选出一株Si吸收缺陷型水稻突变体lsi1（lowsiliconrice1.lsi1的Si累积量远低于野生型,且易受病虫害侵染,稻米产量仅为野生型的10%.采用图位克隆法克隆出Si转运蛋白OsLsi1基因.OsLsi1定位于水稻第2条染色体上,含有4个内含子和5个外显子,其cDNA全长1409bp,推导的编码蛋白有298个氨基酸.BLAST和ClustalW分析表明,OsLsi1属于NOD26-like主要内在蛋白（Nod26-likemajorintrinsicprotein,NIP,其氨基酸序列中包含水通道蛋白中典型的高度保守的6个跨膜区域和2个Asn-Pro-Ala（NPA模体（图3.将注射OsLsi1cRNA的爪蟾卵母细胞在硅酸溶液中孵化30min,表达OsLsi1的卵母细胞Si的吸收速率是对照（注水的2.4倍,表明OsLsi1具有Si输入功能[4].进一步研究发现,OsLsi1还具有Si输出功能,但在根部只表现出输入功能.在等摩尔尿酸与硼酸存在下,OsLsi1的

凯氏带

Si（OH4

表皮皮层中柱

内皮层Si（OH4

HvLsi1/ZmLsi1HvLsi2/ZmLsi2

402··

张玉秀,等:

植物对硅的吸收转运机制研究进展

2011;38（5Fig.3TopologicalmodelofOsLsi1[16]

图3

水稻OsLsi1结构模型

[16]

Si转运活性不受影响或影响很小,表明OsLsi1对Si的吸收和转运具有高度专一性[25].水通道蛋白转

运的底物专一性主要由芳香/精氨酸（ar/R选择性过滤器控制.OsLsi1的ar/R选择性过滤器位于水孔外膜入口的最窄区域,由4个残基构成,ar/R残基分别来自螺旋2（H2和螺旋5（H5,另外2个氨基酸残基来源于LE1和LE2环[25].根据水通道蛋白ar/R区域的特征将NIP分为3类:

拟南芥NIPⅠ转运水、甘油和乳酸.与NIPⅠ相比,NIPⅡ能透过较大的溶质,如尿素、甲酰胺和硼酸.NIPⅢ选择性过滤器由Gly、Ser、Gly和Arg组成,这些较小残基形成一个较大的收缩域,可能参与较大硅酸分子（4.38魡的转运.水通道蛋白的活性受磷酸化调控,OsLsi1属于NIPⅢ,然而,蛋白磷酸酶和蛋白激酶的抑制剂K252a和冈田酸均不影响表达OsLsi1卵母细胞的单硅酸转运活性,表明磷酸化作用不能调控OsLsi1的表达[16,25].

水稻侧根是吸收Si的主要部位[17],RNA印迹分析表明OsLsi1在根中属于组成型表达,然而,连续3天供Si,OsLsi1的表达量降低了75%,脱水胁迫和ABA（abscisicacid处理也可下调其表达.由OsLsi1启动子驱动OsLsi1与GFP融合表达,转基因水稻主根和侧根中均有绿色荧光出现,而根毛中没有,表明OsLsi1主要在主根和侧根中表达[9].采用兔抗Lsi1多克隆抗体和二抗（AlexaFluor555goatanti-rabbitIgG对水稻根切片进行免疫显色,分析表明Lsi1定位于根外皮层和内皮层凯氏带细胞外侧质膜[4].目前,在OsLsi1启动子区域发现了ABA响应元件,但是ABA如何调控还不清楚[16].

3.1.2HvLsi1/ZmLsi1.

大麦和水稻同属禾本科Si积累植物,利用大麦EST克隆得到Si转运蛋白HvLsi1部分序列,其编码的氨基酸序列与OsLsi1相似性高达81.8%.

用cDNA末端快速扩增法（RACE,从大麦根总RNA中分离到全长为1344bp的Hvlsi1cDNA,编码295个氨基酸.HvLsi1在水稻Si吸收缺陷型lsi1中表达,Si的吸收大大提高,说明HvLsi1与OsLsi1功能一致,具有Si输入活性.将GFP-HvLsi1融合基因转到洋葱表皮细胞中,1mol/L甘露醇诱导细胞质壁分离后,结果唯有细胞膜出现绿色荧光,表明HvLsi1是一种细胞膜定位蛋白[1].玉米ZmLsi1是基于玉米基因组和基因数据库研究获得的.Mitani等[22]通过PCR技术从玉米根cDNA中分离出全长ZmLsi1,推导的编码蛋白有295个氨基酸.ZmLsi1与OsLsi1相似性为83%,含有2个保守的NPA以及与OsLsi1相同的ar/R选择性过滤器.

HvLsi1和ZmLsi1在结构和功能上与OsLsi1相似,但由于玉米和大麦根只有内皮层有凯氏带细胞,与水稻的组织结构不同,如其在根部定位和表达模式存在明显差异.OsLsi1定位于胚根、侧根和冠根等外皮层和内皮层凯氏带细胞的外侧,HvLsi1定位于胚根的表皮和皮层细胞以及侧根的下皮细胞外侧,ZmLsi1定位于胚根和冠根的表皮和下皮细胞及侧根的表皮和皮层细胞外侧.水稻连续3天施Si,OsLsi1表达水平降低到25%,而当大麦和玉米连续7天施Si后,HvLsi1/ZmLsi1的表达水平无明显降低,表明启动子区域具有不同的调控元件.再者,HvLsi1/ZmLsi1的表达水平与植株Si的吸收量（μg每克根干重相关性很小,而水稻OsLsi1与植株Si的吸收量高度相关,表明HvLsi1/ZmLsi1二者可能不是主要的Si吸收转运蛋白[1,22].

3.2Si转运蛋白Lsi23.2.1OsLsi2.

Lsi1是Si输入转运蛋白,能将Si从外部溶液转运到根细胞内.那么,Si如何在皮层中转运并进入中柱?

为鉴定细胞Si输出转运蛋白,Ma等[20]利用N-甲基-N-亚硝基脲诱变M3水稻种子（cv.Taichung-65,筛选获得一株耐Ge突变体lsi2（lowsiliconrice2,其Si吸收水平远低于野生型水稻.缺Si环境下lsi2幼苗期与野生型植株在形态和生长方面没有差别.然而转到田间,两者对P和K等营养元素的吸收没有差异,但lsi2谷物产量仅为野生型的40%.采用与克隆OsLsi1相似的方法得到水稻OsLsi2基因,OsLsi2定位于第3条染色体上,含有2外显子和1内含子.推测编码的蛋白质有472个氨基酸,含有11个跨膜域.BLAST搜索

NH2

细胞质

COOH

NPA

NPA

TM1

TM2

TM3

TM4

TM5

TM6

403··

生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2011;38（5

和ClustalW分析表明,OsLsi2是一个假定的阴离

子转运蛋白,与OsLsi1不具任何相似性.免疫荧

光显色表明,OsLsi2主要定位于水稻根内皮层与

外皮层凯氏带细胞内侧质膜,这意味着OsLsi2可

能具有不同的Si转运功能.注射爪蟾卵母细胞实

验表明,OsLsi2是一个具有Si输出功能的转运蛋

白,且Si的输出活性随介质pH的降低而升高,其

中OsLsi2在pH6.8时的Si输出活性约是pH8.8时

的4倍.当采用低温和2,4-二硝基苯酚（DNP、氰

化羰基-3-氯苯腙（CCCP和三氟甲氧基苯腙羰基氰

化物（FCCP等质子载体处理时,Si的输出活性被

抑制,说明OsLsi2介导的Si的转运是一个由质子

梯度驱动的耗能过程.OsLsi2在根中的表达与

OsLsi1相似,其转录水平在距根尖0~10mm非常

低,而在根的成熟区较高[20,26],且表达受Si和

ABA处理下调.另外,OsLsi1/OsLsi2在抽穗期的

表达水平暂时性升高,而从圆锥花序开始到抽穗期

植株Si吸收量占整个生育期总量67%,表明

OsLsi1/OsLsi2的表达与生殖发育期对Si的高吸收

量相一致[4,16].OsLsi1与OsLsi2的启动子序列比对

分析表明,二者具有相同转录因子的调控元件,如

与rd22基因启动子的MYB2和MYC作用元件.

基于OsLsi1和OsLsi2在根细胞中的定位及其转运

特性不同,其中任一基因缺失都会导致水稻Si吸

收量急剧下降[4,20],因此二者在水稻吸收转运Si过

程中具有协同作用.OsLsi1负责将土壤溶液中的

Si（OH4输入到根的外皮层细胞中,OsLsi2将

Si（OH4释放到质外体轮辐状结构中.接着OsLsi1

将Si（OH4转运到内皮层细胞,OsLsi2再将Si（OH4

释放到中柱中[16].Si转运蛋白的这种协同作用可能是水稻Si累积量显著高于其他禾本科植物的一个重要原因.

3.2.2HvLsi2/ZmLsi2.

Mitani等[23]又分别从大麦和玉米中分离出2个与OsLsi2功能相似的Si转运蛋白基因HvLsi2和ZmLsi2,二者编码的蛋白质在氨基酸水平与OsLsi2具有86%的相似性.HvLsi2/ZmLsi2均在根中表达,且基根表达水平高于根尖.免疫显色实验表明,HvLsi2/ZmLsi2定位于胚根和侧根基部的内皮层细胞,ZmLsi2在玉米特征性结构冠根中没有观察到,也没有发现其具有与OsLsi2相似的极性分布.8个大麦品种分析表明,HvLsi2的表达水平与Si的吸收量呈正相关.连续7天供Si,HvLsi2/ZmLsi2表达水平分别降低至20%和50%,而HvLsi1/ZmLsi1却不受影响,表明Lsi2的表达可能在调控大麦和玉米吸收转运Si的过程中起关键作用[23].水稻连续供Si时,OsLsi1和OsLsi2的表达都降低到原来的25%[16],表明水稻与大麦和玉米具有不同的Si吸收调节机制.

3.3Si转运蛋白Lsi6

研究表明,植物吸收的Si超过90%被转运至地上部,然而,Si在地上部的转运和分布机制尚不十分清楚.水稻木质部汁液中Si的浓度分别比黄瓜和番茄的高20和100倍,由此推测可能有未知的Si转运蛋白参与木质部Si的上载和卸载[19].目前鉴定的与Si在植物地上部分配有关的Si转运蛋白有水稻OsLsi6和玉米ZmLsi6.

3.3.1OsLsi6.

基于Si转运蛋白同源性研究,Yamaji等[21]在水稻基因组中发现一个OsLsi1同源基因OsNIP2;2,命名为OsLsi6.OsLsi6含有4个内含子和5个外显子,ORF长894bp,其编码的蛋白质有298个氨基酸,与OsLsi1有77%的相似性.OsLsi6和OsLsi1同属