ABC轉(zhuǎn)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(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，南京 210037；2 江蘇省風(fēng)景園林重點實驗室，南京 210037)

ABC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運蛋白家族之一，并在真核生物與原核生物的跨膜物質(zhì)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(xué)領(lǐng)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(zhì)運輸，例如植物激素運輸、重金屬離子外排、植物應(yīng)對環(huán)境脅迫、次生代謝產(chǎn)物的運輸?shù)?。此外，該基因家族成員的轉(zhuǎn)運底物較為多樣，不僅包括植物體內(nèi)激素、金屬離子、糖類、脂質(zhì)、次生代謝產(chǎn)物和外源物質(zhì)，而且還包括生物堿、糖、肽、無機離子以及類固醇等物質(zhì)[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(diào)節(jié)植物生長物質(zhì)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(zhuǎn)運蛋白影響花器官生長發(fā)育方面的綜述。基于目前ABC轉(zhuǎn)運蛋白的研究現(xiàn)狀，本研究總結(jié)了該蛋白家族的結(jié)構(gòu)特點和亞家族分類情況，并主要從ABC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)特點

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

NBD和TMD這兩種特征結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)、功能都有所差別。NBD的長度約有200個氨基酸，具有ATP酶結(jié)合位點，該結(jié)構(gòu)域序列較為保守，包括結(jié)合盒A(P-loop)基序以及結(jié)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(jié)構(gòu)域和Walker B結(jié)構(gòu)域在所有ATP結(jié)合蛋白中都存在，而C基序則是ABC轉(zhuǎn)運蛋白所特有的，可用于區(qū)別ABC轉(zhuǎn)運蛋白和其他ATP酶[16]。其中，NBD作為ABC蛋白最典型的結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)高度多樣化，在初級序列、長度、結(jié)構(gòu)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(zhì)運輸中也具有明確的分工，NBD可以通過水解ATP為物質(zhì)的轉(zhuǎn)運提供能量；而TMD則負(fù)責(zé)識別底物，由兩個TMD通過結(jié)構(gòu)變化組成物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運的通道，使底物通過磷脂雙分子層進而完成物質(zhì)運輸?shù)倪^程[17-20]。

2 ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族成員的鑒定

近年來伴隨著基因組測序技術(shù)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(xué)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(chǔ)。自從最早在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了第一個ABC轉(zhuǎn)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(jié)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(nèi)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)運蛋白中核苷酸結(jié)合域(NBD)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)運蛋白家族龐大，家族成員較多。目前應(yīng)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(zhuǎn)運蛋白在植物中的8個亞家族成員之間的結(jié)構(gòu)組成和主要生物學(xué)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(zhuǎn)運蛋白又包括了半分子轉(zhuǎn)運蛋白，其中全分子轉(zhuǎn)運蛋白又被命名為AOH，半分子轉(zhuǎn)運蛋白則被命名為ATH，全分子類轉(zhuǎn)運蛋白的功能可能與甾醇的運輸有關(guān)，而半分子類的轉(zhuǎn)運蛋白的功能還不清楚；ABCB亞家族同樣也包含全分子轉(zhuǎn)運蛋白和半分子轉(zhuǎn)運蛋白，全分子轉(zhuǎn)運蛋白又稱MDR型轉(zhuǎn)運蛋白，半分子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運蛋白則大多參與響應(yīng)重金屬脅迫；ABCC亞家族成員基本都是全分子轉(zhuǎn)運蛋白，又稱為MRP相關(guān)蛋白，它們與運輸離子進入液泡有關(guān)；ABCD亞家族蛋白通常是半分子PMP(perox異構(gòu)膜蛋白)轉(zhuǎn)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(guān)；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(guān)功能研究也較少，ABCE與核糖體相關(guān)生物轉(zhuǎn)化有關(guān)，被國際生物醫(yī)學(xué)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(guān)[32]。ABCG亞家族有全分子和半分子轉(zhuǎn)運蛋白，全分子成員也稱為PDR轉(zhuǎn)運體，與重金屬脅迫以及生長素的轉(zhuǎn)運相關(guān)[33-34]，WBC轉(zhuǎn)運蛋白是ABCG亞家族中的半分子成員，可用于角質(zhì)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(zhuǎn)運體可以有效地運輸角質(zhì)層的脂質(zhì)，進而促進角質(zhì)層的發(fā)育[38-40]。ABCI轉(zhuǎn)運蛋白家族具有單一的NBD結(jié)構(gòu)域，一些研究表明該家族成員與細胞色素C成熟復(fù)合物密切相關(guān)[30-31]。

表2 ABC轉(zhuǎn)運蛋白各亞家族的結(jié)構(gòu)域組成以及功能概述

4 ABC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運蛋白在不同植物花器官中的功能進行了總結(jié)(表3)。

4.1 ABC轉(zhuǎn)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(zhì)層形成所需的脂類物質(zhì)可以影響花瓣的正常伸長，導(dǎo)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(zhì)層主要成分是鏈內(nèi)羥基脂肪酸，這3個ABCG類轉(zhuǎn)運蛋白都在花瓣角質(zhì)層中發(fā)揮作用，協(xié)同作用于角質(zhì)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(dǎo)致花瓣折疊，同時還會導(dǎo)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(dǎo)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(diào)節(jié)花瓣伸長，即AtABCG11參與脂肪酸的產(chǎn)生途徑，而AtABCG13則會轉(zhuǎn)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(zhì)轉(zhuǎn)運的功能[41]。

在蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)中，MtABCG13突變體可通過調(diào)節(jié)花瓣和雄蕊表面角質(zhì)層的分泌，影響花瓣和雄蕊的伸長，導(dǎo)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(jié)構(gòu)有關(guān)，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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)存在高效的花青苷轉(zhuǎn)運機制，可以將細胞質(zhì)內(nèi)合成的花青苷運輸?shù)揭号輧?nèi)?；ㄇ嘬辗肿舆\輸?shù)揭号葜邪ㄒ阅榻橘|(zhì)、以囊泡為介質(zhì)和以轉(zhuǎn)運子為介質(zhì)的3種方式。已有研究表明ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族中的MRP/ABCC亞家族參與到花青苷以膜為介質(zhì)的轉(zhuǎn)運途徑中，研究認(rèn)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(fù)合物，識別花青苷并將其跨膜轉(zhuǎn)運至液泡內(nèi)，這一轉(zhuǎn)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(rèn)為是定位于液泡膜上負(fù)責(zé)向液泡轉(zhuǎn)運花青素的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運蛋白對植物花香的影響

植物花瓣是花香物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(guān)于植物花香方面的研究主要集中在花香物質(zhì)合成這一過程中，已經(jīng)報道了較多的可以調(diào)控花香物質(zhì)合成的功能基因和轉(zhuǎn)錄因子，但是關(guān)于花香物質(zhì)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(rèn)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?；ò陜?nèi)合成的揮發(fā)性苯類/苯丙素類化合物通過主動運輸轉(zhuǎn)運到花瓣表皮細胞外[48]，通過降低矮牽?；ò曛蠵hABCG1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(yīng)的細胞內(nèi)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?；ㄏ阄镔|(zhì)中揮發(fā)性有機化合物的釋放。

4.4 ABC轉(zhuǎn)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(jié)合，只有雌雄配子能夠正常發(fā)育，才可以結(jié)合形成正常的合子，使得植物可以正常的繁殖。當(dāng)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(zhì)膜，其中典型的花粉壁又包括花粉外壁、花粉內(nèi)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(nèi)壁的主要成分則是纖維素，外被層則是一些脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、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(yīng)用反向遺傳學(xué)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(dǎo)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(xué)顯微鏡和透射電鏡觀察花粉結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，AtABCG26基因會影響孢粉素前體物質(zhì)從絨氈層到花粉表面的運輸，導(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(guān)重要的作用，已有研究表明ABC轉(zhuǎn)運蛋白中的多個ABCB亞家族成員參與了生長素的轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhì)化進而影響正常花序的形成[60]。

5 總結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運相關(guān)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(zhuǎn)運花色苷相關(guān)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(diào)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(zhuǎn)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(guān)于其在植物觀賞性狀方面功能的研究仍相對較少。因此，應(yīng)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(xué)技術(shù)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。