原文
数量:12 (3)水通道蛋白的生理角色改善植物的水和肥料使用
收到:2017年9月11日;接受:2017年10月29日;发表:2017年11月2日
引用:Hemmati美国生理角色改善植物水通道蛋白的水和营养的使用。Res Biosci牧师。2017;12 (3):133
文摘
与一个巨大的食品和饲料作物安全角色和贸易潜在的对任何类型的水分亏缺敏感。运输的溶质在膜有至关重要的作用在植物正常生理对压力和阻力。过氧化氢涉及细胞信号,导致叶片硼扩张,根伸长、花、果实和种子的发展。硅能提高抵抗病原体。二氧化碳运输对于绿色植物是很重要的。氨和尿素在细胞代谢中发挥重要的角色。主要成员内在蛋白(MIPs)由水通道蛋白通道蛋白(aqp)促进被动跨膜运输水和小的溶质。四个重要亚科MIPs的质膜内在蛋白(pip)、液泡膜内在蛋白质(TIPs), nodolin-26像内在蛋白(少量的)和小基本内在蛋白(sip)。在这项研究中,功能性质的MIP渠道已演示实验进行了综述。尽管pip值是特定二氧化碳运输车、氨和硅只是分别经由技巧和冻伤。 H2O2, urea and boron are common substrates for PIP, TIP and NIP subfamilies. Identification of MIP channels which are involved in resistance against biotic and abiotic stresses results in the improvement of cultivar traits.
关键字
主要内在蛋白;水通道蛋白;生理学;转运体;植物
缩写
皮普:等离子体膜内在蛋白;提示:液泡膜内在蛋白;夹:Nodolin-26喜欢内在蛋白;SIP:小基本内在蛋白,Si:硅;有限公司2:二氧化碳;NH3:氨
介绍
膜的疏水性质作为速率限制步骤等小极性分子的快速运动的自然水和溶质(1]。主要内在蛋白(MIPs)孔隙形成蛋白质在生物膜分布从生命的所有王国。大多数成员的总科增加水渗透系数影响膜的渗透系数,进而导致数十亿的运输水分子在第二个2]。等底物甘油、尿素、氨(NH)3(CO),二氧化碳2)、硅(Si)和过氧化氢(H2O2)也由MIPs运输在植物3]。通常,前者亚科的MIPs选择性/具体运输的水被称为水通道蛋白(aqp)。后来亚aquaglyceroporins名叫达到(GlpFs)透水通道水和其它小分子(4]。然而,AQP亚科是常见的术语。几个基因的复制和sub-functionalization导致大型多元化aqp在植物的结构和功能5]。与确定的十三MIPs人类[6),这个数字棘轮47番茄(7),66年的大豆(8),53芸苔属植物拉伯(9),41土豆(10),55杨树trichocarpa(11),35拟南芥(12),71年棉花(13]31 inmaize [14)和34大米(15,16]。基于序列同源性和亚细胞定位、植物aqp分为5个亚科包括质膜内在蛋白(pip)、液泡膜内在蛋白质(TIPs), nodolin-26像内在蛋白(少量),小的基本内在蛋白(sip)和未分类的X内在蛋白(XIPs) [17]。在早期的陆地植物卷柏moellendorffii和Physcomitrella金属盘额外的MIPs称为混合内在蛋白(臀部)还包括(18,19]。
最佳水和溶质的可用性是很重要的健康和经济增长产生的植物。识别和描述的MIPs,参与等小分子的运输H2O2、硼、硅、NH3和尿素有至关重要的作用在防御生物和非生物压力。虽然,可以预测MIPs的生理属性在网上分析(20.];我们在此强调那些MIPs的功能演示实验。
实验
MIPs的转运蛋白H2O2
H2O2,这被称为活性氧物种(ROS),启动信号提供适应生物和非生物压力低浓度。在高浓度时,H2O2包括在程序性细胞死亡21]。H2O2在植物细胞壁木质化作用中扮演着关键角色,植物抗毒素生产和病原体的攻击下诱导防御基因。其他功能,如参与植物生长和发展,调节细胞周期、植物衰老和ABA诱导打开/关闭气孔被归因于H2O2(22]。另一方面,一种保护机制细胞在有毒分子的浓度是不可避免的。果断这国米/胞内信使的角色需要严格监管和快速传输机制在植物膜。几个MIPs通道H2O2在植物23]。PIP2的成员,一定要和TIP2亚科拟南芥和NIP3亚科的大米是H的转运蛋白2O2(24,25]。酵母表达分析表明,AtPIP2-1、AtPIP2-2 AtPIP2-4, AtPIP2-5 AtPIP2-7拟南芥,ZmPIP2-5玉米是渗透到H2O2(24,26,27]。增加H2O2渗透在酵母时观察到的几个拟南芥建议像AtTIP1-1 AtTIP1-2, AtTIP2-3表达(28]。夹亚科的成员也被证明进行H2O2。AtNIP1-2, OsNIP3-2 OsNIP3-3是H的转运蛋白2O2(25,27]。缓和H2O2影响病原体攻击后会大量分布的H的起源之一2O2转运蛋白在不同的MIP亚科。
MIPs公司的转运蛋白2
考虑到其作为底物糖生物合成的关键作用在光合作用过程中,有限公司2运输是非常重要的绿色植物(29日]。在穿过气孔许多抗性存在于有限的道路2叶绿体基质,其中一个是叶肉有限公司2电导和/或阻力(通用)30.]。环境因素如温度、水压力和生物应力限制有限公司2电导和光合作用31日]。MIPs的参与(有时称为首席运营官名叫)为一个有效的公司2运输已经被建立了32]。有限公司2转运蛋白分布在PIP1 PIP2亚科植物(图1一个)[33,34]。NtAQP1-a PIP1-was第一候选人作为公司的成员2导体(35]。AtPIP1-2、HvPIP2-1 HvPIP2-2、HvPIP2-3 HvPIP2-5和NtPIP2-1 aqp显示有限公司2磁导率(33,34,36,37,38]。增加40%的通用叶子已经观察到当只是HvPIP2-1是过度的大米(36]。McMIPB AQP通道从冰工厂,ectopically表达烟草、运输有限公司2土壤水分亏缺和调节气孔压力赔偿公司2不足(39]。光合作用效率整体植物卫生是一个敏感的因素。超表达MaPIP1-2和MaPIP2-6香蕉植物在干旱和盐碱(一个关键的角色40,41]。这些转基因植物也表现出较高的光合效率。抑制光合作用相关基因被广泛观察到在不同的压力。MIP相关公司2转运蛋白可能参与这种反应(42]。标识有限公司2转运蛋白影响光合效率将提高耐受非生物胁迫如干旱或盐度条件。
MIPs氨转运蛋白
氨(NH3)及其共轭酸铵离子(NH)4 +)在细胞代谢中发挥重要作用;例如他们的氨基酸生物合成的氮来源细胞(43]。发现铵作为代谢途径的副产品和肥料的氮源。铵转运蛋白(AMT)家庭负责NH4 +吸收(44]。介绍了MIPs叫aqua-ammoniaporins NH的被动转运蛋白3(45]。的参与拟南芥TIP2成员已被证明在这个过程46]。NH积累3在液泡和photorespiratory NH发布3在叶片线粒体;都需要NH3通过在亚细胞的隔间。Extra-cytosolic NH运输3和胞质解毒可以减少主要由MIP渠道(图1 b)[44]。AtTIP2-1和AtTIP2-3已经被确认为NH3转运体在高介质博士AtTIP2-3(这在长期缺氮衰减)涉及NH的空泡的加载3(46]。TaTIP2-1和TaTIP2-2 NH的小麦3运输是阐明45,47]。操纵这些转运蛋白将产生有益的影响氮利用效率(自虐)。因为氮肥料可能会对环境产生负面影响,注意是生物固氮作用由细菌(BNF) (48]。MIP NH的转运蛋白的存在3在植物symbiosome一直证明(49]。识别MIPs参与这样一个互动会对植物的生长和质量产生巨大的影响。
MIPs尿素的转运蛋白
尿素、铵和硝酸是原生土壤和肥料应用的三个主要来源为最佳生长和产量提高50]。增加化学输入氮肥料狼狈地影响全球气候。熔炼的不到50%被认为是严重的经济损失(51]。策略来提高肥料利用效率将导致熔炼。由于高含氮量和成本效率,超过50%的氮化肥尿素(http://faostat.fao.org)。尿素是运输到植物细胞在完整的形式或NH的形式3土壤细菌降解后(51]。尿素在收购低土壤中的浓度由高亲和力继发性主动转运系统,称为DUR3转运蛋白(52]。在农业土壤尿素受精,AQP介导被动运输系统促进尿素运输(53]。尿素的分解产品精氨酸在线粒体中,由一个出口到胞质可能AQP [54]。从细胞溶质解毒过量尿素,它是暂时性存储在液泡,aqp作为运输车。这通常是叶子时,喷洒尿素肥料(55]。皮普的成员,提示和夹亚科参与尿素运输在植物,这是一个类似的情况,在哺乳动物。而pip值和少量的质外体和共质体之间移动尿素植物,建议平衡尿素浓度在不同细胞隔间(56- - - - - -58]。NtAQP1烟草PIP通道和ZmPIP1-5b,主要表现在玉米根,表明尿素运输活动(59,60]。NtTIPa (AtTIP2-1同系物)从烟草是高度尿素渗透(61年]。烟草液泡膜囊泡有75倍渗透率比质膜制剂尿素。AtTIP1-2, AtTIP2-1 AtTIP4-1拟南芥表明尿素渗透率在酵母中表达的时候57]。收购从尿素氮从根或从叶后叶面喷雾。划分为存储或液泡由技巧是不可避免的解毒尿素在授精率高的55]。AtTIP4-1主要表达拟南芥根负载从胞质液泡和尿素氮饥饿诱导的(62年]。AtTIP1-3 AtTIP5-1表达水平高拟南芥花粉分别中间值和高渗透水和尿素(63年]。AtTIP5-1负责运输生产的尿素从线粒体精氨酸酶54]。ZmTIP4-4(上调在根和叶氮饥饿)也参与尿素被动转运(56]。在酵母互补分析,从西葫芦CpNIP1 (Cucurbita浆果)表明尿素运输活动64年]。ZmNIP2-1(表示结构上在不同的器官)和ZmNIP2-4(丰富的根源和生殖器官)参与尿素被动转运(56]。促进尿素吸收或分区的过表达基因编码aqp促进尿素利用率作为氮肥从农业系统,减少氮的损失。
MIPs硼的转运蛋白
硼的结构作用的交联剂在细胞壁果胶已被证实(65年]。1:2硼酸二醇二酯是负责交联二聚的rhamnogalacturonan II,果胶的主要组件之一聚合物(66年]。这种联系是至关重要的正常叶扩张。蛋白质组学分析拟南芥叶子显示硼核酸代谢的重要作用,光合作用和蛋白质合成67年]。越来越多器官受到缺硼的影响所以叶扩张,根伸长、花、果实和种子发展是抑制。萎黄病的和坏死症状观察树叶的边缘地区在有毒的环境。(65年]。硼在世界高降雨量的地区,通常在土壤溶液存在硼酸是淋洗土壤缺硼导致。相比之下,在干和半干的地区高硼在土壤水、硼浓度达到有毒水平对植物(65年]。尽管两种情况下降低作物产量,缺硼比硼中毒更常见。活跃BOR运输车和促进交通运输的硼MIP渠道控制硼吸收植物(65年]。皮普的成员,提示和夹亚已被证明参与硼运输拟南芥,大米和大麦(68年- - - - - -70年]。实验证据存在于公差大米有毒水平OsPIP2-4和OsPIP2-7[提供的硼68年]。表达的AtTIP5-1拟南芥增加了耐硼中毒(69年]。NIP5-1在硼吸收根表面、NIP6-1硼分布芽和NIP7-1植物的花药拟南芥确认(71年- - - - - -73年]。硼的限制下,AtNIP5-1记录提高十倍以上。OsNIP3-1已被确定为一个硼转运体在硼限制的条件下大米(74年]。硼中毒公差在大麦已经被减少的表达可能NIP2-1 NIP2-2,分别为(70年,75年]。识别和操纵MIPs硼参与运输将缓解缺硼症状和毒性。
MIPs作为硅的转运蛋白
准金属有各种各样的角色,从基本的(硼)剧毒(砷)76年]。如果没有被认为是植物生长的必需元素,但其有益的角色分类quasi-essential元素为学生的健康成长,当植物接触压力(77年]。如果被称为压力缓和剂不同的工厂,包括盐、干旱、金属毒性和营养失衡。因为如果提高抵抗生物压力等植物病原体食草动物,它有5个被广泛用于抗病(78年]。如果第二富有的元素在土壤中吸收根的形式无电荷的单体的原硅酸(H4SiO4),然后传输从根到蒸腾网站中硅酸沉淀的形式生物硅(SiO2.nH2O),称为phytolithis [79年]。如果有益是由于硅沉积,作为物理屏障,防止病原体的渗透和激活防御机制,如酚醛树脂的生产,植物抗毒素和木质素79年]。在双子叶植物相比,单子叶植物通常被认为是中间或Si(蓄电池高80年]。主动,被动,排斥的三种可能的Si吸收机制在高等植物81年]。涌入通道类型转运蛋白和射流转运蛋白负责硅量和易位78年]。流出运输车是一个假定的离子转运体,Si的质子梯度促进主动运输。捏子群的MIPs负责AQP介导运输Si的植物。如果运输的具体能力使得NIP2亚科作为一个独特的特性来预测如果吸收潜在的植物物种(80年]。首次发现MIP,这促进了被动Si吸收是OsLsi1 (OsNIP2-1)大米根(82年]。其他Si的被动转运,OsLsi6 (OsNIP2-2)负责分销Si的拍摄和树叶,导致增加排泄的Si吐水流体由木质部卸载Si (83年,84年]。同源Si涌入转运蛋白的报道从其他工厂物种。大麦(HvLsi1 HvLsi6),玉米(ZmLsi1)、小麦(TaLsi1)、大豆(GmLsi1),黄瓜(CsiT1 CsiT2)和南瓜(CmLsi1) aqp扼杀,这促进硅吸收和分布(78年]。EaNIP3-1, EaNIP3-3和EaNIP3-4马尾MIP运输车Si的“根与芽”(85年]。它已被证明在两个二倍体物种的穆萨acuminataBanksi (AA基因组)和穆萨balbisiana塔尼语(BB基因)高浓度的硅供应水平,植物如果浓度低于比例(86年]。这表明不仅是被动的参与运输MIPs的操作也排斥机制。当硅的浓度低在土中间,如果已经完全枯竭,主动运输有关。Henriet提出,如果在四个隔间香蕉(根,分之一叶petiol和板)(86年]。x射线和SEM分析表明,如果浓度增加香蕉根表皮。香蕉的内皮层的最高沉积硅,然后减少硅浓度观察内皮和石碑87年]。硅的吸收和分布示意图中阐述图1 c。至少有两个夹被动转运网站的参与。的模型假设如果被根外皮层、皮层和内皮,通过NIP2-1。木质部卸货然后通过NIP2-2收益。
结果,讨论和结论
通过影响透水性和离子运输,不同亚型的MIPs提供紧密的细胞渗透调节压力。这手稿在开发过程中不同的aqp和理解的作用压力并提供机会操纵碳和水分利用效率,进而使作物应对环境压力。在高等植物MIPs至少分为5个亚科。XIPs与未知函数在双子叶植物被发现但不是单子叶植物。皮普渠道导致更高的耐盐和干旱胁迫。实验证据表明,pip值是H的转运蛋白2O2、尿素、有限公司2和硼。相比PIP2子群,许多PIP1s很少或没有水渗透率。技巧是H的转运蛋白2O2尿素,NH3和硼。少量的酒是H的转运蛋白2O2、硼和硅。尽管AtSIPs显示水运输活动,non-aqua底物特异性的口还没有被证明。
确认
作者要感谢设拉子大学医学科学,设拉子,伊朗。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
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