植物熱激蛋白在非生物脅迫響應(yīng)中的研究進(jìn)展

劉骕骦　劉燕敏　李　陽

植物熱激蛋白在非生物脅迫響應(yīng)中的研究進(jìn)展

劉骕骦劉燕敏李陽

（湖州師范學(xué)院浙江湖州313000）

非生物脅迫作用會(huì)通過改變植物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的構(gòu)象從而影響植物的正常生長(zhǎng)過程。熱激蛋白是植物體內(nèi)負(fù)責(zé)折疊、組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其在受到脅迫后會(huì)促進(jìn)蛋白質(zhì)復(fù)興，讓蛋白質(zhì)逐漸恢復(fù)正常形態(tài)，保障植物的正常生長(zhǎng)。文章從熱激蛋白的相關(guān)理論出發(fā)，探討了熱激蛋白的生物學(xué)功能，分析了熱激蛋白與其他應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制的相互作用。

植物熱激蛋白；非生物脅迫；分子伴侶

非生物脅迫是指在非生物條件下影響植物生長(zhǎng)的作用，如干旱、高低溫以及重金屬離子等。非生物脅迫在植物的每一生長(zhǎng)階段有不同的消極影響，進(jìn)而導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受阻，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。現(xiàn)階段最為常見的非生物脅迫如自然災(zāi)害、農(nóng)藥和化肥的過度使用、工業(yè)廢料的任意排放等，為了保障農(nóng)作物的產(chǎn)出，增強(qiáng)植物對(duì)非生物脅迫的耐受性非常關(guān)鍵。植物熱激蛋白即植物Hsps，是普遍存在于植物體內(nèi)的物質(zhì)，當(dāng)植物受到非生物脅迫時(shí)，熱激蛋白會(huì)被激活并在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量一類蛋白質(zhì)，進(jìn)而讓結(jié)構(gòu)受損的蛋白質(zhì)重新恢復(fù)正常構(gòu)象。當(dāng)然除了植物之外，其他生物體內(nèi)或多或少也會(huì)存在熱激蛋白?？偟膩碚f，植物熱激蛋白種類繁多，在抗旱耐寒、抗鹽堿等方面的作用突出，研究植物熱激蛋白在非生物脅迫響應(yīng)具有一定的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

1 熱激蛋白概述

熱激蛋白最早于20世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)，學(xué)者Tissieres將果蠅唾液腺當(dāng)中因受熱而合成的蛋白質(zhì)命名為熱激蛋白。植物方面，眾多研究者已經(jīng)分別從大豆、草莓等植物當(dāng)中克隆得到大量熱激蛋白基因，且種類多種多樣。包括植物、動(dòng)物等在內(nèi)的生物熱激蛋白主要具備以下幾個(gè)特征：（1）熱激蛋白具有保守性，生物的親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，熱激蛋白的同源性越高。（2）熱激蛋白具有時(shí)效性。通常情況下，熱激蛋白基因是不會(huì)被激活的，只有當(dāng)生物受到非生物脅迫時(shí)，熱激蛋白才會(huì)迅速表達(dá)并累積，降低非生物脅迫對(duì)生物體的負(fù)面作用。（3）熱激蛋白種類多樣。比如，植物體細(xì)胞的不同細(xì)胞器就含有不同生物學(xué)功能的熱激蛋白，其可以受到非生物脅迫自主表達(dá)，或者與其他蛋白發(fā)生協(xié)同作用。

一般情況下，生物體內(nèi)熱激蛋白的含量不超過總蛋白含量的5 %，但處于不利環(huán)境當(dāng)中，會(huì)大量增生，基本可以達(dá)到蛋白總量的15 %左右?？偟膩碚f，熱激蛋白會(huì)發(fā)揮分子伴侶的生物學(xué)功能，讓植物盡可能地維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，免受水、熱、鹽等不利環(huán)境的脅迫。

2 熱激蛋白的生物學(xué)功能

依據(jù)熱激蛋白的分子量大小，可以將其分為Hsp60、Hsp70、Hsp90、Hsp100和sHsp，上述每一熱激蛋白家族的生物學(xué)功能存在些許差別。詳情見表1。

表1　熱激蛋白的生物學(xué)功能匯總表

下面將具體討論不同種熱激蛋白的生物學(xué)功能。

2.1 Hsp60

Hsp60最早被視為大腸桿菌分子伴侶同源物質(zhì)的分子伴侶，其最早是從原核生物與真核生物的線粒體、質(zhì)體中發(fā)現(xiàn)的?，F(xiàn)階段，可以將Hsp60家族劃分為2個(gè)亞族，其中之一普遍存在與細(xì)菌、線粒體以及葉綠體內(nèi)，如chCpn60。存在于線粒體內(nèi)的Hsp60蛋白，可以延長(zhǎng)線粒體的壽命，防止線粒體與細(xì)胞過早凋亡。另外一類則在古細(xì)菌與真核生物的細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中被發(fā)現(xiàn)。Hsp60在發(fā)揮作用的時(shí)候，需要借助ATP釋放的能量協(xié)助蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)。以水稻為例，當(dāng)水稻受到氧氣脅迫之時(shí)，Hsp60基因會(huì)大量被表達(dá)，保護(hù)植物體內(nèi)的Fe/S酶不被氧化。再如煙草，如果植物因?yàn)橥饨绛h(huán)境的脅迫，沒有及時(shí)表達(dá)出這一基因，就會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、開花延遲等問題，影響煙草的收成。

2.2 Hsp70

與其他幾類熱激蛋白相比，Hsp70家族可以說是最為保守的熱激蛋白。在動(dòng)物體當(dāng)中，Hsp70不僅可以起到修復(fù)變形蛋白、調(diào)控細(xì)胞凋亡的作用，而且還能充當(dāng)免疫防護(hù)機(jī)制避免動(dòng)物體受到外界因素的威脅。植物體當(dāng)中的Hsp70 普遍存在于葉綠體、線粒體以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器當(dāng)中，究其原因主要為這幾種細(xì)胞器參與蛋白質(zhì)的編碼過程。當(dāng)然Hsp70家族中的基因有單獨(dú)表達(dá)的，也有組成型表達(dá)的，因此家族內(nèi)的成員需要共同參與多肽的折疊與前體蛋白形成，并引導(dǎo)細(xì)胞及時(shí)降解不穩(wěn)定蛋白。Hsp70家族當(dāng)中，單個(gè)蛋白的生物學(xué)功能與其存在位置密切相關(guān)，如阻止蛋白常存在于細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中，促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊，并有效維持前體蛋白的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而位于線粒體與葉綠體內(nèi)的Hsp70蛋白充當(dāng)前體蛋白的加工者。

當(dāng)植物受到高溫作用時(shí)，植物體內(nèi)的Hsp70基因就會(huì)過量表達(dá)，且一般Hsp70基因的表達(dá)效應(yīng)越高，植物的耐熱性越強(qiáng)，因此有些農(nóng)戶會(huì)在高溫時(shí)期利用相關(guān)激素促進(jìn)農(nóng)作物表達(dá)Hsp70基因，進(jìn)而讓作用有效抵抗高溫。

2.3 Hsp90

Hsp90家族的蛋白質(zhì)基本占植物細(xì)胞總蛋白的1 % ~ 2 %，其也需要在ATP的輔助下發(fā)揮生物學(xué)功能。根據(jù)相關(guān)研究，Hsp90 基因普遍存在于植物的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)體與細(xì)胞漿當(dāng)中，并且家族內(nèi)的基因與酵母菌、動(dòng)物體內(nèi)的氨基酸具備同源性。通常情況下，與Hsp90基因發(fā)生相互作用的物質(zhì)為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，這也是該應(yīng)激蛋白家族與其他家族的主要區(qū)別。

Hsp90家族的蛋白質(zhì)會(huì)以組成型的形式表達(dá)，在原核生物與真核生物體內(nèi)，應(yīng)激蛋白Hsp90基因的表達(dá)程度均與脅迫程度呈正相關(guān)，如將水稻的熱應(yīng)激蛋白Hsp90基因?qū)氪蠖巩?dāng)中，大豆本身的抗干旱能力顯著增強(qiáng)。同時(shí)，Hsp90蛋白還具備一定的緩沖作用，如正常條件下，該基因不會(huì)被大量表達(dá)，然而當(dāng)植物體受到環(huán)境脅迫，其緩沖作用就會(huì)體現(xiàn)出來，導(dǎo)致植物出現(xiàn)遺傳變異，進(jìn)而有效適應(yīng)不利環(huán)境。

2.4 Hsp100

Hsp100家族基因的功能非常廣泛，但與其他應(yīng)激蛋白所不同的是，Hsp100家族不具備調(diào)控蛋白質(zhì)聚集與錯(cuò)誤表達(dá)的功能。通常出現(xiàn)錯(cuò)誤蛋白質(zhì)或者因?yàn)榈鞍踪|(zhì)聚集引發(fā)的錯(cuò)誤多肽時(shí)，Hsp100會(huì)迅速溶解拒接的蛋白質(zhì)，同時(shí)引導(dǎo)Hsp70表達(dá)，進(jìn)而使得錯(cuò)誤多肽被分解，維持細(xì)胞的動(dòng)態(tài)平衡。可以說，Hsp100的生物學(xué)功能具備徹底性，其掌握了蛋白底物的命運(yùn)，因此相關(guān)蛋白底物在Hsp100的作用下要么被細(xì)胞完全降解，要么被全部釋放出來。

涉及Hsp100蛋白的報(bào)道較多，如水稻、玉米以及煙草、小麥等植物非生物脅迫均有所涉及。Hsp100蛋白會(huì)在高溫、高鹽等非生物環(huán)境下以組成型表達(dá)。比如，將蠶豆葉綠體內(nèi)的Hsp100基因克隆出來，就可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)其受熱之后Hsp100就會(huì)獲得表達(dá)，這也就可以證明蠶豆為何因?yàn)槭軣岫磉_(dá)Hsp100基因。

2.5 sHsp

sHsp的分子量較小，在植物體內(nèi)，其相對(duì)其他熱激蛋白家族更為多樣化，尤其是序列、分布與生物學(xué)功能這3個(gè)方面。原核細(xì)胞與真核細(xì)胞均含有sHsp基因，因此當(dāng)對(duì)應(yīng)物質(zhì)受到熱或者非生物脅迫時(shí)，就會(huì)自主合成sHsp蛋白。就生物學(xué)功能來看，sHsp家族主要具備3種功能。首先，sHsp無法直接改變非天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，但是可以與非天然蛋白質(zhì)相互結(jié)合形成復(fù)合體，進(jìn)而在其他應(yīng)激蛋白的助力之下，保障蛋白質(zhì)的正確折疊與轉(zhuǎn)運(yùn)。其次，sHsp能有效防止蛋白質(zhì)的大量聚集，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的重新折疊。另外當(dāng)植物面臨干旱、寒冷等各種不利環(huán)境時(shí)，sHsp可以與植物細(xì)胞的類囊體膜互相作用，增強(qiáng)植物的抗逆性。

3 熱激蛋白與其他應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制的相互作用

植物受到非生物脅迫，會(huì)產(chǎn)生一系列的應(yīng)激反應(yīng)，使得細(xì)胞內(nèi)部情況得以調(diào)整，保障細(xì)胞穩(wěn)態(tài)不被破壞。在外界環(huán)境的脅迫之下，熱激蛋白的保護(hù)作用源于多種反應(yīng)機(jī)制的共同努力。

3.1熱激蛋白與滲透物分子的相互作用

滲透物分子屬于小分子有機(jī)物，在生物體內(nèi)參與滲透脅迫，有助于維持細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)穩(wěn)定，常見的滲透物分子如甘氨酸、甘油以及脯氨酸、海藻糖等。以鹵蟲為例，當(dāng)將其置于高熱環(huán)境時(shí)，其體內(nèi)的海藻糖與sHsp可以互相作用，削弱高熱對(duì)鹵蟲的危害。另外以酵母菌作為研究對(duì)象，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)酵母因?yàn)橥饨绛h(huán)境出現(xiàn)蛋白質(zhì)變性時(shí)，海藻糖與熱激蛋白互相作用，可以讓變性蛋白質(zhì)快速聚集起來，并逐漸改善不正常的折疊狀態(tài)。由此可以看出，熱激蛋白會(huì)與滲透物分子相互作用來保護(hù)生物機(jī)體。

3.2 熱激蛋白與伴侶蛋白的相互作用

越來越多的研究證實(shí)，熱激蛋白的分子伴侶會(huì)與其他伴侶蛋白相互作用，共同參與生物體的應(yīng)激反應(yīng)，如哺乳動(dòng)物當(dāng)中的小分子熱激蛋白sHsp就可以起到保護(hù)作用，同時(shí)也參與細(xì)胞的其他功能，如凋亡、分化、氧化還原等。雖然目前的研究對(duì)象基本為動(dòng)物體，但相信隨著研究的不斷深入，植物體內(nèi)熱激蛋白與伴侶蛋白的相互作用也會(huì)被發(fā)掘出來。

4 小結(jié)

熱激蛋白對(duì)植物的保護(hù)作用突出，并且每一家族的熱激蛋白功能不同，必要時(shí)會(huì)進(jìn)行密切合作?，F(xiàn)階段的研究大多集中于熱激蛋白的表達(dá)與應(yīng)激前后的變化，但在植物細(xì)胞當(dāng)中，每一類熱激蛋白家族如何識(shí)別特定底物、如何處理變性蛋白等問題還未得到解決。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)對(duì)熱激蛋白的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步明確應(yīng)激蛋白與植物非生物脅迫相應(yīng)之間的關(guān)系，為相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。

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金屬硫蛋白GmMT4 參與高溫高濕脅迫下春大豆種子活力形成的機(jī)制（NO：LQ20C130003）浙江省自然科學(xué)基金/探索項(xiàng)目

劉骕骦(1990- )，男，漢族，黑龍江綏化人，博士研究生，講師，研究方向：種子學(xué)、植物耐逆分子生物學(xué)。

劉骕骦

Q945.78

A

2095-1205(2020)04-25-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.04.13