ABC轉運蛋白在植物花器官生長發(fā)育中的研究進展

申慧敏，史俐莎，田清尹，劉家偉，王良桂，岳遠征*

(1 南京林業(yè)大學 風景園林學院，南京 210037；2 江蘇省風景園林重點實驗室，南京 210037)

ABC轉運蛋白(ATP-binding cassette transporter)廣泛存在于生物體中，是目前已知最大、功能最多的轉運蛋白家族之一，并在真核生物與原核生物的跨膜物質運輸中發(fā)揮重要的作用[1-2]。最初對于該基因家族的研究始于醫(yī)學領域，近年來在動物、植物以及微生物中都對該基因家族開展了廣泛的研究[3]。現(xiàn)有研究表明該家族成員幾乎參與了植物生長發(fā)育各階段的物質運輸，例如植物激素運輸、重金屬離子外排、植物應對環(huán)境脅迫、次生代謝產(chǎn)物的運輸?shù)取４送猓摶蚣易宄蓡T的轉運底物較為多樣，不僅包括植物體內激素、金屬離子、糖類、脂質、次生代謝產(chǎn)物和外源物質，而且還包括生物堿、糖、肽、無機離子以及類固醇等物質[4-7]。近期，在許多單子葉和雙子葉植物中已經(jīng)進行了該基因家族的鑒定，并對部分基因進行了深入的功能研究[8-11]。目前ABC家族成員在增強植物抗性以及調節(jié)植物生長物質運輸?shù)确矫娴难芯恳呀?jīng)比較系統(tǒng)，在植物花器官中對于ABC家族成員的研究也已經(jīng)有較多的報道，但是還未有ABC轉運蛋白影響花器官生長發(fā)育方面的綜述。基于目前ABC轉運蛋白的研究現(xiàn)狀，本研究總結了該蛋白家族的結構特點和亞家族分類情況，并主要從ABC轉運蛋白家族對于植物花器官觀賞性狀的影響方面進行概括，以期能為植物觀賞性狀的改良提供參考。

1 ABC轉運蛋白的結構特點

ABC轉運蛋白又稱ATP結合盒轉運蛋白，因其含有核苷酸結合域而得名。ABC轉運蛋白具有兩種特征結構域：核苷酸結合域(nucleotide-binding domains,NBD)和跨膜結構域(transmembrane domains,TMD)，依據(jù)這兩種特征結構域的不同數(shù)目，ABC轉運蛋白被分為全分子轉運蛋白、半分子轉運蛋白以及可溶性蛋白[12]。其中，全分子轉運蛋白具有兩個核苷酸結合域和兩個跨膜結構域，半分子轉運蛋白僅含有一個核苷酸結合域和一個跨膜結構域，而可溶性蛋白則只含有核苷酸結合域[13]。全分子轉運蛋白是進行物質運輸?shù)淖钚」δ軉挝唬敕肿愚D運蛋白必須要形成同源或者異源二聚體才能進行物質運輸，而可溶性蛋白則不具備物質運輸功能。

NBD和TMD這兩種特征結構域的結構、功能都有所差別。NBD的長度約有200個氨基酸，具有ATP酶結合位點，該結構域序列較為保守，包括結合盒A(P-loop)基序以及結合盒B基序、D環(huán)、H環(huán)、ABC特征序列(C基序)和Q環(huán)(圖1)[13-15]。保守序列基序Walker A和Walker B由C基序分隔開，其中Walker A結構域和Walker B結構域在所有ATP結合蛋白中都存在，而C基序則是ABC轉運蛋白所特有的，可用于區(qū)別ABC轉運蛋白和其他ATP酶[16]。其中，NBD作為ABC蛋白最典型的結構域，結構相對保守，在不同物種中具有30%～40%的同源性；而TMD的序列則并不保守，其結構高度多樣化，在初級序列、長度、結構和跨膜螺旋的數(shù)量上存在很大差異[15-16]。此外，NBD和TMD在物質運輸中也具有明確的分工，NBD可以通過水解ATP為物質的轉運提供能量；而TMD則負責識別底物，由兩個TMD通過結構變化組成物質跨膜轉運的通道，使底物通過磷脂雙分子層進而完成物質運輸?shù)倪^程[17-20]。

2 ABC轉運蛋白家族成員的鑒定

近年來伴隨著基因組測序技術的不斷發(fā)展，越來越多的基因家族已被鑒定出來，利用生物信息學篩選的方法可以更加方便快捷地挖掘到需要的基因，并為進一步的基因功能研究奠定基礎。自從最早在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了第一個ABC轉運蛋白基因之后，在其他植物中也陸續(xù)展開了該基因家族的研究，目前在單子葉植物玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)以及雙子葉植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)、辣椒(Capsicumannuum)、西紅柿(Solanumlycopersicum)、菠蘿(Ananascomosus)、葡萄(Vitisvinifera)、月季(Rosachinensis)等植物中已經(jīng)進行了該基因家族的鑒定[8-11]。ABC家族成員在植物中的鑒定結果表明，該家族成員在不同的植物中數(shù)目有較大的差別(表1)，大部分植物中ABC家族成員數(shù)目在100～200的范圍之內，其中在甘藍型油菜(Brassicanapus)中該基因家族成員最多，達到314個，而在喜陰懸鉤子(Rubusoccidentalis)中則數(shù)目最少，僅有98個成員[26-27,29]；同時，ABC轉運蛋白家族中不同亞家族成員的數(shù)目也存在一定的差異，如該家族在植物中共有8個亞家族，ABCB，ABCC，ABCG為成員數(shù)目較多的3個亞家族，其中ABCG亞家族成員數(shù)目則往往最多[24]。

圖1 ABC轉運蛋白中核苷酸結合域(NBD)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of NBD structural structure

表1 不同植物中ABC家族成員的數(shù)目

3 ABC基因家族的分類及功能概述

ABC轉運蛋白家族龐大，家族成員較多。目前應用較廣泛的分類方法是人類基因組織命名法，該命名法規(guī)定ABC家族共有9個亞家族(ABCA-ABCI)，其中有8個亞家族(ABCA-ABCG和ABCI)存在于植物中[29]。ABC轉運蛋白在植物中的8個亞家族成員之間的結構組成和主要生物學功能也存在一定的差異(表2)。

ABCA亞家族成員既包括全分子轉運蛋白又包括了半分子轉運蛋白，其中全分子轉運蛋白又被命名為AOH，半分子轉運蛋白則被命名為ATH，全分子類轉運蛋白的功能可能與甾醇的運輸有關，而半分子類的轉運蛋白的功能還不清楚；ABCB亞家族同樣也包含全分子轉運蛋白和半分子轉運蛋白，全分子轉運蛋白又稱MDR型轉運蛋白，半分子轉運蛋白則包括TAP、ATM和LLP三類，全分子類ABCB蛋白的主要功能是解毒和運輸生長素，半分子類ABCB轉運蛋白則大多參與響應重金屬脅迫；ABCC亞家族成員基本都是全分子轉運蛋白，又稱為MRP相關蛋白，它們與運輸離子進入液泡有關；ABCD亞家族蛋白通常是半分子PMP(perox異構膜蛋白)轉運體，但是在擬南芥和葡萄中也發(fā)現(xiàn)了全分子的ABCD蛋白，它們與脂肪酸進入過氧化物酶體的運輸有關；ABCE和ABCF這兩個家族的成員在生物進化過程中都較為保守，在植物中的成員數(shù)目及相關功能研究也較少，ABCE與核糖體相關生物轉化有關，被國際生物醫(yī)學研究組織作為一種核糖核酸酶抑制劑(RNase L,RLI)[30-31]，而ABCF亞家族統(tǒng)稱為GCN，同時該家族成員與植物的抗性相關[32]。ABCG亞家族有全分子和半分子轉運蛋白，全分子成員也稱為PDR轉運體，與重金屬脅迫以及生長素的轉運相關[33-34]，WBC轉運蛋白是ABCG亞家族中的半分子成員，可用于角質層脂類和烷烴的運輸[35-37]，擬南芥中已經(jīng)報道了3個ABCG轉運體可以有效地運輸角質層的脂質，進而促進角質層的發(fā)育[38-40]。ABCI轉運蛋白家族具有單一的NBD結構域，一些研究表明該家族成員與細胞色素C成熟復合物密切相關[30-31]。

表2 ABC轉運蛋白各亞家族的結構域組成以及功能概述

4 ABC轉運蛋白對植物花器官的影響

花是植物的重要觀賞部位，優(yōu)美的花型、鮮艷的花色以及花自身所散發(fā)的香味都是植物重要的觀賞特性，同時植物的生殖繁育也離不開花器官的正常發(fā)育。近年來越來越多的ABC轉運蛋白在植物花器官中有了功能報道，其中在花色、花香、花瓣形態(tài)這些觀賞性狀以及花藥、花序等花器官生長發(fā)育方面均有涉及，本研究就ABC轉運蛋白在不同植物花器官中的功能進行了總結(表3)。

4.1 ABC轉運蛋白對植物花瓣形態(tài)的影響

花瓣形態(tài)是觀賞植物的重要觀賞特性之一，現(xiàn)有研究表明ABC家族的成員因運輸花瓣表皮細胞角質層形成所需的脂類物質可以影響花瓣的正常伸長，導致產(chǎn)生折疊的花瓣進而改變花瓣的形態(tài)。目前發(fā)現(xiàn)擬南芥中AtABCG11、AtABCG12以及AtABCG13都對花瓣形態(tài)有影響，擬南芥花瓣角質層主要成分是鏈內羥基脂肪酸，這3個ABCG類轉運蛋白都在花瓣角質層中發(fā)揮作用，協(xié)同作用于角質層的形成[39-40]。在這3個基因中AtABCG11運輸?shù)牡孜镒顬閺V泛，該基因的缺失不僅會導致花瓣折疊，同時還會導致器官的融合以及發(fā)育不良；AtABCG11不僅可以形成同源二聚體，也可以和AtABCG12共同形成異源二聚體來發(fā)揮功能。同時，AtABCG13的缺失會導致出現(xiàn)與AtABCG11突變體類似的折疊型花瓣，研究表明這兩個基因可能在同一途徑的不同階段調節(jié)花瓣伸長，即AtABCG11參與脂肪酸的產(chǎn)生途徑，而AtABCG13則會轉運AtABCG11生成的產(chǎn)物；另外，AtABCG13還與AtABCG11、AtABCG12和AtABCG15 這3個基因共同表達，均具有蠟質轉運的功能[41]。

在蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)中，MtABCG13突變體可通過調節(jié)花瓣和雄蕊表面角質層的分泌，影響花瓣和雄蕊的伸長，導致柱頭外露。野生型蒺藜苜蓿的花瓣在伸長時可以平滑地穿過萼片和花藥，而MtABCG13突變體的花瓣伸長時則由于花藥和萼片的接觸而受阻，使花瓣不能正常伸展進而發(fā)育成折疊的花瓣，由于折疊型花瓣占據(jù)了大部分空間就會限制雄蕊管的正常伸長，因此產(chǎn)生柱頭外露的現(xiàn)象[42]。但柱頭外露的現(xiàn)象目前只在豆科植物中發(fā)現(xiàn)，這可能也與豆科植物獨特的花瓣結構有關，在其他植物中還有待探究，同時柱頭外露使得只能自花授粉的植物可以進行異花授粉，對于自花授粉植物雜交育種具有重大意義。

4.2 ABC轉運蛋白對植物花色的影響

花色也是植物較為重要的觀賞特性之一，植物體內的色素主要包含類黃酮、類胡蘿卜素以及生物堿類色素3類。其中，類黃酮是植物體內分布最廣泛的一類色素，可以使植物的花色呈現(xiàn)由淺粉到紫色的觀賞特性，類黃酮類主要包括花青苷和輔色素，花青苷的積累很大程度上影響植物的顏色表型[43]。

花青苷的運輸也影響植物的花色，植物體內存在高效的花青苷轉運機制，可以將細胞質內合成的花青苷運輸?shù)揭号輧取；ㄇ嘬辗肿舆\輸?shù)揭号葜邪ㄒ阅榻橘|、以囊泡為介質和以轉運子為介質的3種方式。已有研究表明ABC轉運蛋白家族中的MRP/ABCC亞家族參與到花青苷以膜為介質的轉運途徑中，研究認為位于液泡膜上的MRP亞家族成員可以形成一種谷胱甘肽交聯(lián)復合物，識別花青苷并將其跨膜轉運至液泡內，這一轉運機制在玉米、擬南芥、水稻、葡萄中均有報道。例如，玉米中的ZmMRP3、擬南芥中的AtMRP1和AtMRP2、水稻中的OsMRP15以及葡萄中的VvABCC1都被認為是定位于液泡膜上負責向液泡轉運花青素的轉運體；此外，ZmMrp3、ZmMrp5、ZmMrp6和ZmMrp7在所有合成花青素的組織中都有表達[44-46]，這也暗示著它們也有可能會對花色有一定的影響。

4.3 ABC轉運蛋白對植物花香的影響

植物花瓣是花香物質釋放的主要場所，釋放的香氣不僅可以增加花朵的觀賞價值，而且還可以吸引傳粉者，此外，有的花香物質還具有殺滅有害細菌、幫助植物進行防御的功能。 植物釋放的花香物質主要分為3類，分別是萜類化合物、苯類/苯丙素類化合物以及脂肪酸類化合物，其中萜類化合物和苯類/苯丙素類化合物的研究相對較多[47]。

目前關于植物花香方面的研究主要集中在花香物質合成這一過程中，已經(jīng)報道了較多的可以調控花香物質合成的功能基因和轉錄因子，但是關于花香物質從花瓣細胞中釋放到外界的分子機制卻鮮有報道。早期的觀點認為是揮發(fā)性有機化合物通過擴散作用釋放到空氣中進而產(chǎn)生了香氣，直到矮牽牛(Petuniahybrida)中PhABCG1基因的發(fā)現(xiàn)，才證明了揮發(fā)性有機化合物也可以通過主動運輸?shù)男问竭\到植物體外。PhABCG1基因在花瓣中特異表達，可以將矮牽牛花瓣內合成的揮發(fā)性苯類/苯丙素類化合物通過主動運輸轉運到花瓣表皮細胞外[48]，通過降低矮牽牛花瓣中PhABCG1的表達量，發(fā)現(xiàn)在花瓣中各揮發(fā)性有機化合物的揮發(fā)量降低，而相應的細胞內部的揮發(fā)性有機化合物的含量則明顯增加，以上研究表明了ABC家族成員可以促進矮牽牛花香物質中揮發(fā)性有機化合物的釋放。

4.4 ABC轉運蛋白對花粉發(fā)育的影響

植物的正常繁殖離不開雌雄配子的結合，只有雌雄配子能夠正常發(fā)育，才可以結合形成正常的合子，使得植物可以正常的繁殖。當花藥或者胚珠發(fā)育不正常時就會造成植物的不育。目前在擬南芥、水稻中的研究表明，ABC家族的成員在花粉的生長發(fā)育過程具有重要的作用。

表3 在花器官中有功能報道的ABC家族成員

植物的花粉粒細胞具有完整的細胞壁和質膜，其中典型的花粉壁又包括花粉外壁、花粉內壁和花粉外被3層，每1層的組成成分也有所不同，花粉外壁的主要成分是孢粉素，而花粉內壁的主要成分則是纖維素，外被層則是一些脂質、蛋白質、色素和芳香族化合物[49]。研究發(fā)現(xiàn)多個ABC基因家族成員在雙子葉植物擬南芥中參與到花粉發(fā)育過程中，如AtABCG26、AtABCG1、AtABCG16、AtABCB1、AtABCB19、AtABCG9以及AtABCG31。其中，AtABCG26與孢粉素合成所需的基因共同表達，并在花芽早期高度表達，同時應用反向遺傳學的方法也證明了AtABCG26基因的缺失會影響花粉壁的正常發(fā)育，導致正常花粉形成受阻，使得不能形成正常的花粉最終造成了擬南芥的雄性不育；光學顯微鏡和透射電鏡觀察花粉結構發(fā)現(xiàn)，AtABCG26基因會影響孢粉素前體物質從絨氈層到花粉表面的運輸，導致孢粉素不能正常合成，因此AtABCG26是花粉外壁形成和花粉成熟所必需的[50-53]；同時，擬南芥中AtABCG1和AtABCG16這2個基因在花粉減數(shù)分裂后期具有重要的作用，它們的表達異常也會導致花粉不能正常發(fā)育[54]。除此之外，AtABCB1與AtABCB19也都參與到了花藥的發(fā)育過程中，作為生長素轉運體，它們在雄蕊發(fā)育早期、絨氈層發(fā)育和減數(shù)分裂細胞中都發(fā)揮著重要作用[55]，其中的AtABCB1起主要作用，而AtABCB19則起協(xié)同作用。另外，ABC家族成員也會影響花粉的活力，例如在花粉發(fā)育后期表達的AtABCG9和AtABCG31，可以促進花粉表面甾醇苷的運輸從而可以調控花粉壁的成熟，AtABCG9和AtABCG31的缺失則會使得花粉失去活力[56]。

4.5 ABC轉運蛋白對花序生長發(fā)育的影響

花序是由許多花在花序軸上有規(guī)律的排列形成的，花序的存在影響著植物花朵的著生方式，而花序的生長發(fā)育過程離不開生長素的極性運輸。生長素極性運輸和積累是決定維管分化的重要因素，對細胞次生細胞壁的發(fā)育起著至關重要的作用，已有研究表明ABC轉運蛋白中的多個ABCB亞家族成員參與了生長素的轉運過程[57]。

在擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)，AtABCB1、AtABCB6、AtABCB14、AtABCB15以及AtABCB20均參與了花序軸中的生長素運輸，進而影響了花序軸的生長發(fā)育[59]。其中，AtABCB1是在擬南芥中發(fā)現(xiàn)的第一個ABCB成員，它在花序軸中的表達量非常高，通過超量表達以及RNAi抑制法均證明了該基因參與花序軸中生長素的運輸[57]。同時，研究還發(fā)現(xiàn)將AtABCB1的同源基因AtABCB19突變后，會導致擬南芥花序軸以及下胚軸中生長素極性運輸下降，進而導致花序軸向地性增強，影響花序軸的形態(tài)[59]。還有研究表明AtABCB6、AtABCB20、AtABCB15、AtABCB14在花序軸的生長素向基部運輸過程中發(fā)揮著重要作用[61]，其中AtABCB14與AtABCB15的突變可導致花序軸中生長素含量下降。而AtABCB14通過運輸花序軸中的生長素進而影響花序軸維管發(fā)育和氣孔開閉，其中AtABCB14缺失的植株花序軸中的維管束不能正常發(fā)育，暗示著AtABCB14可能通過參與擬南芥花序軸的木質化進而影響正常花序的形成[60]。

5 總結與展望

對于園林植物而言觀賞性狀的改良一直是其研究的重點之一，只有不斷獲得一些觀賞性狀優(yōu)良的新品種，園林植物才能在園林綠化中更好地發(fā)揮作用。目前，研究表明ABC轉運蛋白對植物花色、花香以及花瓣形態(tài)等觀賞性狀均具有顯著的影響。因此研究ABC轉運蛋白在植物花器官生長發(fā)育中的功能對于改良植物觀賞性狀具有重要的意義，例如可以嘗試通過超量表達與花香轉運相關的ABC家族基因進而增強觀賞植物花瓣的香氣釋放速度，通過對轉運花色苷相關的ABC家族成員進行沉默或者超量表達可以減輕或者增強植物的花色調控，同時還可以利用ABC家族成員嘗試植物折疊型花瓣的創(chuàng)制，進而在某些觀賞植物中創(chuàng)造獨特的花型。

目前，ABC轉運蛋白在植物花器官中的研究大部分還都集中在擬南芥、矮牽牛等模式植物中，在其他植物中研究較少，雖然在許多植物中已對該基因家族進行了全基因組家族成員的鑒定，但是關于其在植物觀賞性狀方面功能的研究仍相對較少。因此，應加強植物觀賞性狀方面的研究，如在花色、花香以及花瓣形態(tài)方面的研究。近年來隨著生命科學技術的發(fā)展，越來越多的ABC蛋白家族成員的功能將會被報道出來，期望將來ABC蛋白家族成員會在植物觀賞性狀改良中發(fā)揮越來越重要的作用。