植物鎂離子轉運及鎂脅迫響應機制研究進展

陳良碧,蔡 丹,張林安,宋紹文,羅 璇,陳依君,李俊峰,許 濤,毛丹丹

(湖南師范大學生命科學學院作物不育資源創新與利用湖南省重點實驗室,中國湖南長沙410081)

鎂離子(Mg2+)是植物細胞中含量十分豐富的二價陽離子,在植物生長發育中參與一系列重要生理生化過程,比如:它是葉綠素的組成成分,參與光合作用及碳水化合物代謝；是RNA酶、ATP酶等多種酶活反應的催化劑；參與活性氧代謝等過程[1～3]。自然環境中各種鎂脅迫因素的存在嚴重威脅植物生長發育,制約著農業可持續發展[4～6]。因此,植物細胞中Mg2+穩態平衡對于維持植物正常生長發育極其重要。目前,植物Mg2+的吸收和轉運、植物響應Mg2+脅迫的分子機制的研究取得了較好的進展。本文闡述了目前植物Mg2+轉運以及應答鎂營養脅迫的相關研究進展,以期推動植物鎂營養利用的研究。

1 鎂離子的生理功能

1.1 鎂離子參與植物光合作用

光合作用是有機生命體能量和物質的來源,受到外部環境和內部信號的雙重調控[2]。Mg2+是植物生長的必需元素,對光合作用至關重要。葉綠體是進行光合作用的主要場所,植株地上部約35%的鎂被運輸到葉綠體進行光合作用。這些鎂不僅作為葉綠素的組成參與光反應,而且能夠激活光合酶參與光合碳固定[2,4～7]。

Mg2+促進葉綠體類囊體膜的垛疊和類囊體之間的結合,抵御不良因子對類囊體膜的破壞,維持類囊體膜的正常生理功能,保證光能有效吸收、傳遞和轉化[2,4～8]。另外,Mg2+能通過增加可變熒光與固定熒光的比值,提高光系統PSⅡ活性和原初光能轉化效率[4],并且能調節激發能在葉綠體光系統PSⅠ和光系統PSⅡ之間的分配。研究還發現,Mg2+能誘導葉綠素蛋白復合體向光系統PSⅡ的轉移,增加光系統PSⅡ的光合面積,提高植物對光能的利用效率[4,9～18]。然而,當葉綠體缺 Mg2+時,光合電子傳遞受到抑制,光合作用顯著下降,導致植物生長發育受損[9～19]。

1.2 鎂離子是植物體內多種酶的活化劑

激酶和磷酸化酶等一系列參與重要生理反應的酶需要Mg2+作為輔助因子來被活化。比如ATP酶就是通過Mg2+的橋接作用被活化[9]。大多數ATP酶的底物是Mg-ATP。在Mg2+-ATP或ADP的焦磷酸鹽結構和酶分子之間形成一座橋梁。ATP酶利用這些復合物轉移高能磷?；?促進ATP或ADP水解釋放出磷酸和能量。Mg2+通過改變ATP酶的構像,促進底物與酶的結合,重新合成ATP[9]。缺鎂會影響ATP的合成,進而影響能量代謝等一系列生理生化反應[9]。

幾乎每種碳同化過程中的磷酸酶都需要Mg2+來激活。缺鎂會影響植物碳同化效率,進而影響到光合效率。在光合作用的暗反應中,Mg2+主要表現在對RUBP(ribulose-1,5-bisphosphate)羧化酶的調控作用。RUBP羧化酶活性高度依賴Mg2+和pH。Mg2+與RUBP羧化酶的結合顯著增加RUBP羧化酶活性,從而促進RUBP羧化酶對底物CO2的親和力和最大反應速率。光照條件下,葉綠體類囊體的Mg2+從膜內泵出到基質,提高基質中Mg2+濃度,而H+從基質中泵入類囊體膜,提高類囊體中H+濃度,為RUBP羧化酶提供最適條件,從而促進CO2的固定和同化。黑暗時Mg2+與RUBP羧化酶的活化作用則相反。Mg2+通過上述方式連續活化RUBP羧化酶,促進碳水化合糖分和淀粉的合成。Mg2+還可以激活植物體內參與光合作用、呼吸作用、糖酵解、三羧酸循環及硝酸鹽還原等過程的酶,以維持植物體內各種生化反應的正常進行[9,20]。

1.3 鎂離子促進蛋白質合成及氮代謝

核糖體是蛋白質合成的關鍵結構,而Mg2+作核糖體亞單位聯結的橋接元素,是蛋白質合成的先決條件[21]。在核糖體合成過程中,40S核糖體和60S核糖體以Mg2+作為結構聚力成80S核糖體。鎂缺乏會導致80S核糖體失去內聚力,從而分解成40S和60S核糖體。Mg2+濃度恢復時,40S和60S核糖體重新結合聚合成80S核糖體。繼續增加Mg2+濃度會引起80S核糖體聚合形成120S核糖體。而當透析掉Mg2+時,120S核糖體會重新分解成80S核糖體。因此,Mg2+能穩定核糖體構型,對維持核糖體前體狀態極其重要[21]。此外,Mg2+還能促使氨基酸形成多肽鏈,這直接影響蛋白質合成[9]。

Mg2+能通過調節硝酸還原酶(NR)等氮代謝過程中一系列酶的活性影響氮代謝進程。比如,Mg2+可通過提高氮代謝過程中的關鍵限速酶NR的活性來影響整個氮素代謝過程[20～21]。此外,Mg2+還能通過活化谷酰胺合成酶促進氮的吸收和同化。缺鎂時,蛋白質合成受阻,蛋白質中氮占總氮的比例下降。Mg2+顯著影響RNA聚合酶的聚合力,對核RNA的形成至關重要。缺鎂引起RNA的凈合成停止、蛋白質合成下降,間接導致氮素代謝紊亂[20～21]。

1.4 鎂離子對植物活性氧代謝的影響

在逆境脅迫條件下,植物體內產生超氧化物自由基O2·-和過氧化氫(H2O2)等形式的活性氧?；钚匝蹙哂泻軓姷难趸芰?能引發和加劇生物膜脂過氧化,破壞膜系統,引起膜透性改變、細胞內環境紊亂,最終導致植株生長發育受損[22]。氧化脅迫是植物礦質營養缺乏誘導脅迫的因素之一[23]。丙二醛是脂膜過氧化的一個重要指標,其含量表示細胞膜脂質過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱[7,13]。有研究表明,大豆[13]、菜豆[7]、黃瓜[24]、玉米[25]、辣椒[26]和桑樹[27]等植株在鎂缺乏條件下,體內的丙二醛含量顯著增加,導致脂質過氧化,影響到植株生長。

缺鎂時淀粉和蔗糖在葉綠體中的累積可導致活性氧的增加,從而使光合作用的光氧化上調和光保護機制啟動[25]。這與植物缺鉀時只積累蔗糖和缺氮或缺磷時只積累淀粉的機制不同[25]。但缺鎂誘導葉綠體活性氧產生的機制至今尚不清楚。Marschner等[1]提出,在缺鎂情況下,植物葉綠素含量的下降不是因為胞內缺鎂,而是由于缺鎂導致蛋白質合成受阻所致。缺鎂會導致蔗糖在葉片中的積累。葉片中高濃度的蔗糖能夠抑制CAB2(編碼葉綠素a/b蛋白)的合成[12],導致葉綠素含量和光合能力降低,阻礙CO2的固定[13～17]。而這些變化會導致活性氧的積累[18],最終導致葉綠素組分的變化[18～19]。因此缺鎂時,植物會表現出葉片失綠、產生黃斑、壞死等癥狀。

1.5 鎂離子對其他離子跨膜轉運的影響

植物細胞的離子動態平衡對于維持細胞內環境穩定至關重要,當處于高溫、鹽堿、凍害等逆境條件下時,細胞內離子動態平衡紊亂,影響植物正常代謝過程[28]。Mg2+缺乏會影響Mg2+正確調節離子的跨膜轉運。研究表明 Mg2+能與 Ca2+、K+、H+等多種離子發生拮抗作用[28],比如Mg2+和Ca2+可彼此拮抗。在天然蛇紋石土壤中,低Ca-Mg比可能會限制許多植物的生長或生存。通過遺傳篩選,研究人員在擬南芥中證實Ca2+-Mg2+具有拮抗作用,cax1等位基因的功能缺失植株對蛇紋石土更耐受[28]。cax1突變體液泡Ca2+/H+交換活性的降低導致進入液泡的Ca2+降低,而在代謝池中保留更多的Ca2+以拮抗過量的Mg2+。減少外部Ca2+供應可減輕缺乏Mg2+轉運蛋白突變體的缺陷表型[28]。雖然通常認為Ca2+和Mg2+可能競爭相同的底物,如酶和轉運蛋白,但仍需更多的研究來揭開植物細胞中Ca2+-Mg2+拮抗作用的分子基礎。Mg2+還可與Na+、Mn2+、Al3+等與根質外體負電荷結合的一些陽離子產生拮抗,從而影響植物生長[28]。此外,在酸性環境下,Mg2+能與H+、Al3+產生拮抗作用,影響植株正常生長[28]。

2 植物中鎂離子轉運:MGT家族

植物細胞中自由態的Mg2+濃度維持在0.2～1.0 mmol/L,受到精確的調控[29]。為維持各種組織細胞中Mg2+的最佳水平,植物已進化出有效的Mg2+轉運和調節機制。植物根從外界環境中吸收Mg2+,將Mg2+裝載至木質部導管中,隨著蒸騰流被長距離運輸到地上部分并參與地上部分的再分配[28],這些過程均由定位于細胞膜和不同細胞器膜的鎂離子轉運蛋白介導,而這些轉運蛋白活性的調控是提高植物鎂營養利用效率的基礎。但迄今為止,介導上述過程的相關鎂離子轉運蛋白及其轉運機制還了解較少。

隨著模式植物擬南芥基因組測序的完成,2000年有兩個實驗室同時在擬南芥中鑒定出一個與細菌CorA同源、蛋白質結構類似的AtMRS2/AtMGTs家族[30～31]。AtMGTs家族含有 10 個成員(At-MGT1～AtMGT10)(圖1)。各成員之間氨基酸序列具有多樣性,進化分析顯示各成員序列同源性在15%到89%。AtMGTs蛋白的結構類似細菌CorA蛋白,含有兩個跨膜區,在第二個跨膜區上具有Mg2+轉運蛋白必需的保守基序GMN[31]。另外,At-MGTs與酵母中的鎂離子轉運蛋白MRS2[31]、ALR1和ALR2[31],在結構上也有一定的相似性。AtMRS2/AtMGTs也是目前在植物中鑒定出來的主要鎂離子轉運體家族。

圖1 AtMGTs家族成員的系統進化樹Fig.1 The phylogenetic tree of the AtMGTs gene family

通過多年的研究,AtMGTs部分成員的Mg2+轉運活性得到初步闡明。以Mg2+親和能力為依據,AtMGTs家族存在3種對Mg2+不同親和特性的轉運蛋白:高親和性Mg2+轉運蛋白(AtMGT1、AtMGT2、AtMGT10)、低親和性 Mg2+轉運蛋白(At-MGT3、AtMGT4、AtMGT6、AtMGT7、AtMGT9) 和雙親和性Mg2+轉運蛋白(AtMGT5)。同位素示蹤的結果顯示,AtMGT8蛋白在細菌MM281突變系統中不具有Mg2+轉運活性。放射性示蹤劑(63Ni2+)分析表明,MGT還能轉運其他二價陽離子。盡管已報道了細菌CorA蛋白的通道樣晶體結構,然而,植物MGT是否作為Mg2+通道尚未得到充分證實[28,31～36]。

植物根系的Mg2+吸收可能包括高親和性與低親和性轉運系統。在擬南芥中,MGT6干擾植株在低鎂條件下的生長受到抑制,MGT6介導微摩爾范圍內的高親和性Mg2+吸收[32]。此外,根中優先表達的MGT7基因在植物適應低Mg2+環境中也起重要作用[36～37]。最近的研究表明,在正常和高Mg2+條件下,MGT6和MGT7在植物Mg2+平衡中發揮重要作用[38],然而,具體的分子機制尚不清楚。Mg2+缺乏可由土壤中低水平的Mg2+條件或抑制其吸收的其他因子引起。在酸性土壤中,Al3+可通過直接結合Mg2+通道而強烈抑制Mg2+吸收,并能快速誘導水稻根中OsMGT1的表達,而osmgt1突變植株對Al3+脅迫敏感增強,可能是Mg2+吸收受損所致[39]。

從土壤吸收后,Mg2+被轉運到木質部以實現從根到莖的長距離運輸。Mg2+在韌皮部具有高度的移動性,因此Mg2+可從老組織到幼組織、從源到庫,并可在連續的補充循環中從莖向下運輸到根部。然而,參與這些過程的相關Mg2+轉運蛋白還未得到鑒定。在細胞水平上,如同許多其他離子一樣,游離的Mg2+主要儲存在液泡中,以達到平衡。Mg2+流入液泡被認為由Mg2+/H+交換體(MHX)介導[40]。研究發現，AtMGT2和AtMGT3參與葉肉細胞Mg2+分配到液泡的過程[41]。然而,這些研究還需要更多的遺傳學實驗來了解其生理功能。在綠色組織中,絕大部分的Mg2+與葉綠體形成復合體參與光合作用。最近有研究發現,水稻中OsMGT3在葉綠體中的表達具有明顯的晝夜節律,Os-MGT3突變引起其在葉綠體鎂的節律性振蕩消失,導致Rubisco酶活以及光合作用速率的下降,最終抑制水稻生長。另外,在葉肉細胞中特異性地過表達 OsMRS2-6/OsMGT3,可以增強葉綠體鎂的輸入以及光合固碳的能力,從而提高光合效率,暗示了該基因在提高光合作用上的潛能[42～43]。但到目前為止,鎂是如何進入葉綠體,又是怎樣調控光合作用的問題還缺乏深入研究。Mg2+在生殖過程中也起著重要作用。研究報道,包括定位于內質網的AtMGT4、定位于線粒體的AtMGT5和AtMGT9在內的幾種MGT蛋白,在花粉發育和雄性生殖方面起著重要作用[28,33～35]。

不同MGT成員的亞細胞定位仍然是一個懸而未決的問題。最近的研究顯示,同一MGT成員的定位會出現不同的定位結果,并且在瞬時過表達系統中,幾個MGT與ER膜相關聯,需要指出的是,許多膜蛋白被翻譯,并在過表達時于內質網上積累。因此,為確定它們的生理功能,需要對擬南芥以及其他植物中所有MGTs蛋白進行全面的功能分析。除CorA/MRS2外,細菌和動物中其他家族的Mg2+通道或轉運蛋白也被鑒定出。證明其同源基因是否存在于植物界并參與植物細胞的Mg2+轉運將極大提升我們對植物中Mg2+轉運的認識。

3 植物響應鎂脅迫的分子機制

迄今為止,植物如何應對低鎂脅迫的分子機制尚未被解析,但有關植物響應高鎂脅迫的機制研究有一定進展。

有研究報道ABA參與對高鎂脅迫信號的響應。在鎂毒害條件下,ABA合成和信號轉導相關基因的表達受到誘導,ABA含量上升,高濃度ABA促進DELLA蛋白在細胞核中積累,導致植物主根延伸受到抑制。研究還發現,DELLA蛋白通過調控碳水化合物代謝及Mg2+轉運等相關基因的表達,影響植物Mg2+吸收效率、碳水化合物等物質的合成。因此,DELLA能通過ABA相關信號通路來調節Mg2+吸收及其相關基因的表達,以實現植物對高鎂毒害的響應[28]。

另外,有研究發現Ca2+信號在植物適應高Mg2+脅迫中也發揮重要功能[43～45]。外部高 Mg2+誘導植物細胞質基質中Ca2+瞬時升高。特定的Ca2+信號可被兩個定位于液泡膜的鈣調磷酸酶B亞基蛋白CBL2和CBL3感知。CBL2和CBL3功能冗余,可激活CIPK3/9/23/26激酶,隨后CIPK磷酸化液泡膜Mg2+轉運系統以實現對液泡Mg2+的儲存,從而保持細胞質中無毒的Mg2+水平。研究還發現,這些CIPK激酶可與ABA響應途徑中起關鍵作用的幾種蔗糖非發酵相關激酶(SnRK2)相互作用[43～45]。今后需重點解決以下問題:高Mg2+脅迫是如何誘導植物細胞中特異的Ca2+信號以及Ca2+和ABA信號在靶轉運蛋白調控植物Mg2+平衡中的可能交叉點。

上述研究說明,ABA信號和Ca2+信號等因子是植物應答鎂毒害的信號因子,其相互間的作用機理還有待深入研究。

4 展望

鎂是植物生長發育必需的營養元素之一,鎂缺乏或高鎂都會影響植物的正常生長發育。目前對植物鎂營養元素的研究多集中在鎂離子轉運體的功能、缺鎂和鎂毒害生理等方面,且在光合作用、碳代謝、減輕鋁毒害等方面取得了一定的進展。然而,我們對植物Mg2+轉運還了解較少。迄今為止,植物Mg2+轉運蛋白的作用及晶體結構,Mg2+與其他離子的相互作用機制,植物對Mg2+轉運的規律及體內穩態,Mg2+脅迫信號的轉導和調控等分子水平的研究還知之甚少。未來需要設計新的篩選方法來鑒定更多植物Mg2+營養及Mg2+信號相關基因,以加深對植物Mg2+轉運機制的認識。人類膳食中的主要Mg2+營養來源于植物,因此揭示植物Mg2+轉運及鎂脅迫響應的分子機制將有助于改善作物的營養特性,從而提高作物產量和品質,最終提高人類健康水平。