細(xì)胞膜H+-ATP酶在植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)中的作用

戴森煥，吳海誠(chéng)，張茂星，丁 明，朱毅勇，曾后清*

（1 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 311121；2 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528225；3 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095）

質(zhì)子泵 (即H+泵)是植物體內(nèi)一類非常重要的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。質(zhì)子泵通過(guò)消耗腺嘌呤核苷三磷酸 (ATP)或焦磷酸鹽 (pyrophosphate)儲(chǔ)存的能量，使H+逆濃度梯度跨生物膜進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，從而為養(yǎng)分離子、糖、有機(jī)酸等物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)提供質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力和電化學(xué)勢(shì)。植物中的質(zhì)子泵一般分為細(xì)胞膜 (也叫質(zhì)膜) H+-ATP 酶 (plasma membrane H+-ATPase, PMA)、囊泡型H+-ATP 酶 (vacuolar H+-ATPase, VHA)和 H+焦磷酸酶(H+-pyrophosphatase, H+-PPase)[1–2]。VHA 是一類多亞基質(zhì)子泵。植物VHA一般由13個(gè)亞基組成，主要定位在液泡膜和分泌途徑的內(nèi)膜隔間[2–3]。H+-PPase主要定位在液泡，但也有部分定位在高爾基體和細(xì)胞膜[1, 4–5]。大多數(shù)PMA蛋白定位在細(xì)胞膜，但也有少部分定位在液泡膜，比如擬南芥AHA10與矮牽牛PH5等，它們?cè)谶M(jìn)化關(guān)系上屬于PMA家族的同一個(gè)亞組[2, 6–7]。PMA 屬于 P 型 ATP 酶超基因家族中的P3A亞家族。PMA在結(jié)構(gòu)上與其他P型ATP酶，如Ca2+-ATP酶、Cu2+/Zn2+-ATP酶和Na+/K+-ATP酶等類似[8]。P型ATP酶在催化ATP水解過(guò)程中形成磷酸化的中間體 (phosphorylated intermediate)，在排出H+后又回復(fù)到原先的構(gòu)象，從而完成一個(gè)循環(huán)。

與具有多個(gè)亞基的VHA不同，PMA由一條多肽鏈構(gòu)成，大小約為100 kDa。PMA一般含有10個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域 (transmembrane domain)，除跨膜結(jié)構(gòu)域之外，其余部分基本上位于細(xì)胞質(zhì)，包括蛋白的氨基端 (N端)和羧基端 (C端)的自抑制結(jié)構(gòu)域[9](圖1)。位于第4和第5個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域之間的磷酸化結(jié)構(gòu)域 (phosphorylation domain)主要負(fù)責(zé)酶的催化水解，而氨基和羧基親水性末端主要發(fā)揮酶活性調(diào)節(jié)的功能[9]。PMA普遍存在于植物和真菌，但不存在于動(dòng)物[10]。擬南芥AHA1、AHA3是植物中最早被克隆的細(xì)胞膜H+-ATP酶基因[11–12]。PMA是一個(gè)多基因家族，例如擬南芥、水稻和大豆分別有11、10和24個(gè)成員[13]。植物中PMA基因家族一共可以分成10個(gè)亞類，其中維管植物的PMA主要分布在5個(gè)亞類 (I～V)中[2]。

圖1 PMA蛋白及C端磷酸化位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of PMA protein and its phosphorylation sites

PMA是植物體內(nèi)一種極其關(guān)鍵的主宰酶，在各種生理活動(dòng)中都發(fā)揮重要的作用[2, 14–15]。PMA在維持細(xì)胞膜電位以及細(xì)胞質(zhì)pH的平衡方面具有不可替代的作用。植物細(xì)胞中的大多數(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都依賴質(zhì)膜內(nèi)外H+的電化學(xué)梯度，因此各種養(yǎng)分離子和有機(jī)酸等物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸需要PMA提供質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力和細(xì)胞膜電位。PMA在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、花粉管伸長(zhǎng)、氣孔開度、養(yǎng)分吸收、糖類運(yùn)輸與裝卸，以及生物與非生物脅迫應(yīng)答 (如養(yǎng)分脅迫、鹽脅迫、水分脅迫和病原菌侵染)等方面都具有重要的作用[2, 15–17]。著名的“酸生長(zhǎng)”理論，就是指生長(zhǎng)素通過(guò)激發(fā)PMA活性，促進(jìn)H+從細(xì)胞質(zhì)泵出，使質(zhì)外體酸化引起細(xì)胞壁松弛，從而有利于細(xì)胞伸長(zhǎng)和膨大[18–19]。本文主要綜述了PMA在植物根系生長(zhǎng)、有機(jī)酸分泌、養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，以及營(yíng)養(yǎng)缺乏反應(yīng)中的生理功能。

1 細(xì)胞膜H+-ATP酶 (PMA)活性的調(diào)控機(jī)制

PMA蛋白末端結(jié)構(gòu)域的狀態(tài)有兩種情況：一種是自抑制狀態(tài)，此時(shí)ATP水解與H+轉(zhuǎn)運(yùn)之間的聯(lián)結(jié)相對(duì)松散；另一種是激活狀態(tài)，此時(shí)ATP水解和H+轉(zhuǎn)運(yùn)緊密結(jié)合[9, 20]。PMA活性的調(diào)控主要是通過(guò)改變N端和C端的自抑制域的空間結(jié)構(gòu)，從而激活或抑制質(zhì)子泵活性[9, 21]。這種調(diào)控方式主要是通過(guò)蛋白磷酸化介導(dǎo)[9, 22–23]。蛋白激酶使PMA磷酸化，而蛋白磷酸酶使PMA去磷酸化，這兩種蛋白酶的聯(lián)合作用決定了質(zhì)子泵的活性狀態(tài)[2, 24]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種蛋白激酶和磷酸酶對(duì)PMA進(jìn)行這種翻譯后的調(diào)控，主要作用在C端自抑制結(jié)構(gòu)域的某些氨基酸殘基上[23, 25]。比如，擬南芥 AHA2中Ser-899和 Ser-931的磷酸化會(huì)降低質(zhì)子泵活性，而Thr-881和Thr-947 的磷酸化則會(huì)增強(qiáng)質(zhì)子泵活性[26–29](圖1)。PMA倒數(shù)第二個(gè)Thr (擬南芥AHA2為Thr-947)的磷酸化可以促進(jìn)PMA與14-3-3蛋白結(jié)合，從而解除質(zhì)子泵C端的自抑制，進(jìn)一步激活質(zhì)子泵活性[30–31]。然而，PMA中有些氨基酸殘基的磷酸化可以激活質(zhì)子泵活性但并不依賴于14-3-3蛋白，比如煙草PMA2 Thr-889的磷酸化[32]。然而，有些氨基酸殘基的磷酸化反而會(huì)阻礙PMA與14-3-3蛋白結(jié)合，從而負(fù)調(diào)控質(zhì)子泵活性，比如擬南芥AHA2 Ser-931和Thr-924 的磷酸化[26, 33]。PKS5、FERONIA、PSY1R 和TMK1 等蛋白激酶[26–28, 34–35]，以及 PP2C-D 和 ABI1 等磷酸酶[36–38]參與調(diào)控了PMA的磷酸化與去磷酸化(圖1)。植物激素 (如生長(zhǎng)素和脫落酸等)、真菌毒素、脂質(zhì)以及環(huán)境因子等，可以通過(guò)誘導(dǎo)PMA的磷酸化和去磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)質(zhì)子泵的活性[2, 25, 39–40]。

此外，PMA的活性還受到轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控。比如，有些PMA基因的表達(dá)受低pH、鹽、營(yíng)養(yǎng)缺乏等環(huán)境因素的影響[41–44]。有些PMA基因在植物的各個(gè)組織中都有表達(dá)，例如水稻OSA7在葉片、根系、保衛(wèi)細(xì)胞及葉肉細(xì)胞中組成型表達(dá)[45]。但有些PMA基因的表達(dá)具有組織特異性，比如擬南芥AHA3在維管組織的韌皮部伴胞特異表達(dá)[46–47]，水稻OSA9在根系特異表達(dá)[45]。在不同組織中特異表達(dá)的PMA基因可能具有組織部位特異的功能。然而，目前對(duì)PMA家族基因的組織特異表達(dá)以及它們對(duì)外界環(huán)境應(yīng)答的分子機(jī)制還不清楚。

2 PMA在根系生長(zhǎng)中的作用

植物根系與養(yǎng)分的吸收密切相關(guān)，特別是側(cè)根與根毛。激素是根系發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控因子。研究表明，外源茉莉酸甲酯誘導(dǎo)萵苣幼苗根毛的形成與PMA活性增強(qiáng)以及根際酸化有關(guān)[48]。一般而言，生長(zhǎng)素促進(jìn)地上部的生長(zhǎng) (如下胚軸伸長(zhǎng))，抑制根系生長(zhǎng)。最近的研究表明，生長(zhǎng)素通過(guò)胞內(nèi)TIR1/AFB信號(hào)途徑引起H+內(nèi)流而使質(zhì)外體堿化，從而抑制根系生長(zhǎng)；胞外生長(zhǎng)素信號(hào)通過(guò)TMK1引起AHA2蛋白Thr-947的磷酸化修飾，從而激活質(zhì)子泵活性，這個(gè)過(guò)程與胞內(nèi)生長(zhǎng)素信號(hào)引起的質(zhì)外體堿化相互拮抗[35](圖2)。此外，PMA還參與調(diào)控養(yǎng)分缺乏導(dǎo)致的根系構(gòu)型的改變。低氮可以誘導(dǎo)擬南芥AHA2基因的表達(dá)；在不同氮素水平條件下，aha2敲除突變體的主根和側(cè)根的長(zhǎng)度均顯著降低[49]。擬南芥AHA2和AHA7主要在根系的表皮細(xì)胞中表達(dá)，它們可能通過(guò)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞擴(kuò)張而調(diào)節(jié)根系生長(zhǎng)，但AHA2和AHA7負(fù)向調(diào)節(jié)根毛的伸長(zhǎng)[50]。擬南芥AHA2和AHA7在根系均受低磷誘導(dǎo)表達(dá)；通過(guò)介導(dǎo)H+外流，AHA2調(diào)節(jié)了主根的生長(zhǎng)，而AHA7調(diào)節(jié)了根毛的生長(zhǎng)[51]。

圖2 PMA在根系細(xì)胞生長(zhǎng)和有機(jī)酸分泌中的作用Fig.2 Physiological functions of PMA in root cell growth and organic acid exudation

3 PMA在有機(jī)酸分泌中的作用

植物根系可以釋放有機(jī)酸、多肽和酚類等物質(zhì)以協(xié)調(diào)植物各種生命活動(dòng)，包括對(duì)養(yǎng)分缺乏和環(huán)境脅迫的適應(yīng)。根系有機(jī)酸的分泌由細(xì)胞膜上的有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (organic anion transporter)或通道蛋白介導(dǎo)，如轉(zhuǎn)運(yùn)蘋果酸的鋁激活蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(aluminum-activated malate transporter, ALMT)、轉(zhuǎn)運(yùn)檸檬酸的多藥和有毒化合物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (multidrug and toxic compound extrusion, MATE)[52](圖2)。在酸性土壤中，鋁毒害是影響植物生長(zhǎng)的一個(gè)主要限制因子[53]。鋁毒能夠影響質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，抑制根系生長(zhǎng)，降低養(yǎng)分和水分的吸收，從而抑制植物生長(zhǎng)和發(fā)育。由于土壤中的磷酸鹽容易被鐵、鋁、鈣等陽(yáng)離子固定，使得可供植物吸收的有效磷含量通常很低。鋁毒和低磷等環(huán)境脅迫均可以誘導(dǎo)植物根系分泌有機(jī)酸，如蘋果酸、檸檬酸和草酸等[53–56]。根系分泌的有機(jī)酸可以通過(guò)螯合根際的鋁離子，形成不溶性化合物，從而有效降低游離態(tài)鋁離子的毒害。有機(jī)酸分泌還是促進(jìn)植物獲取磷營(yíng)養(yǎng)的一種重要策略，因?yàn)橛袡C(jī)酸可以幫助磷酸鹽從難以利用的磷酸鐵、磷酸鋁以及腐殖質(zhì)中釋放出來(lái)。研究表明，根系檸檬酸的分泌是以陰離子的形式通過(guò)MATE從細(xì)胞內(nèi)以H+反向協(xié)同的方式跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的[57–58]。在鋁脅迫下，大豆根尖檸檬酸的分泌和PMA的激活同步進(jìn)行，且PMA的活化劑殼梭孢素 (fusicoccin)和抑制劑釩酸鹽(vandate)對(duì)鋁誘導(dǎo)的檸檬酸分泌分別具有促進(jìn)和抑制的效果[59]。蠶豆中鋁誘導(dǎo)檸檬酸的分泌還與PMA的翻譯后修飾及其與14-3-3蛋白的互作有關(guān)[60]。低磷誘導(dǎo)植物檸檬酸的分泌也與PMA有關(guān)；低磷可顯著誘導(dǎo)白羽扇豆排根PMA的活性和檸檬酸的分泌，且檸檬酸的分泌受到殼梭孢素的誘導(dǎo)，而受到釩酸鹽的抑制[61–63]。因此，鋁毒和缺磷誘導(dǎo)檸檬酸的分泌都需要依賴PMA提供細(xì)胞膜電位并維持質(zhì)膜內(nèi)外H+的平衡[64–65]。此外，蘋果酸的分泌也可能與PMA介導(dǎo)的H+外排有關(guān)，因?yàn)樵谌绷讞l件下白羽扇豆排根中蘋果酸的分泌與H+分泌成正相關(guān)，且它們均受到殼梭孢素的促進(jìn)，而受到釩酸鹽的抑制[56]。然而也有研究表明，有機(jī)酸的分泌并不依賴PMA。比如，鋁毒誘導(dǎo)番茄分泌草酸不依賴于PMA活性[61, 66]；鋁誘導(dǎo)白羽扇豆檸檬酸的分泌不依賴PMA活性，而與鉀離子外排有關(guān)[67]。

4 PMA在氮營(yíng)養(yǎng)中的作用

氮素 (N)是植物必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，也是植物有機(jī)體構(gòu)成最為重要的一種元素。土壤中的氮主要以無(wú)機(jī)形態(tài)的銨態(tài)氮 (NH4+)和硝態(tài)氮 (NO3–)被植物吸收與利用。NO3–被植物吸收后，需要經(jīng)過(guò)硝酸還原酶 (NR)和亞硝酸還原酶 (NiR)還原為NH4+，然后在根系的質(zhì)體或莖葉的葉綠體中通過(guò)谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶 (GS/GOGAT)途徑被同化成氨基酸[68]。一般而言，一個(gè)NO3–分子還原成NH4+，需要消耗兩個(gè)H+。植物根系通過(guò)銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (AMT)吸收NH4+，大部分NH4+在根系中很快被同化；一個(gè)NH4+同化為氨基酸會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)H+[69]。NRT是一個(gè)NO3–/ H+同向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (symporter)，轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè) NO3–同時(shí)協(xié)同運(yùn)輸兩個(gè) H+[69–70](圖3)。NO3–的吸收通常導(dǎo)致細(xì)胞膜電位的去極化[71–73]。NO3–同化過(guò)程對(duì)H+的消耗可以部分抵消NO3–吸收時(shí)伴隨的H+流入。通常，供應(yīng)銨營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)致根際酸化，而硝營(yíng)養(yǎng)導(dǎo)致根際堿化[74–76]。水稻耐低pH與其偏好銨營(yíng)養(yǎng)有關(guān)，且銨營(yíng)養(yǎng)引起的根際酸化可以顯著提高PMA活性[42]。

研究表明，NO3–對(duì)玉米根系中PMA活性也具有誘導(dǎo)作用[77]，而PMA的抑制劑可以顯著降低玉米根系對(duì)NO3–的吸收[78]。香豆素促進(jìn)玉米根系對(duì)NO3–的高親和性吸收與其促進(jìn)PMA活性有關(guān)[79]。玉米根系PMA家族基因MHA3和MHA4的表達(dá)還受到NO3–誘導(dǎo)[80]，且其他植物PMA基因，如葡萄VvHA2和VvHA4也受NO3–誘導(dǎo)[81]。在玉米中，耐低氮品種的MHA1基因的表達(dá)顯著高于低氮敏感品種[82]。水稻在缺氮后恢復(fù)供應(yīng)NO3–，也可以顯著誘導(dǎo)OsA2、OsA5、OsA7和OsA8等基因的表達(dá)[83]。由此可見，根系對(duì)NO3–的吸收與PMA有關(guān)。因此，PMA參與調(diào)節(jié)植物對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)，但其具體機(jī)制還不清楚。此外，根系對(duì)NH4+的吸收也與PMA有關(guān)。研究表明，PMA抑制劑釩酸鹽可消除水稻NH4+吸收所產(chǎn)生的細(xì)胞膜電勢(shì)的去極化[84]，并顯著抑制NH4+吸收，而PMA激活劑則顯著提高了水稻根系吸收NH4+的速率[85]。敲除OSA1顯著降低水稻根系對(duì)NH4+的吸收，而過(guò)表達(dá)OSA1則顯著提高了H+的外排和NH4+的吸收[85]。通過(guò)人工microRNA降低水稻OSA2基因表達(dá)后，影響了低硝營(yíng)養(yǎng)條件下水稻對(duì)NO3–的吸收，導(dǎo)致葉片中氮濃度顯著降低，產(chǎn)量也顯著降低[86]。可見，水稻PMA基因同時(shí)參與調(diào)節(jié)NH4+和NO3–的吸收。此外，PMA在氮素的同化過(guò)程中也具有重要的調(diào)節(jié)作用。NH4+的同化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分子的H+，過(guò)量的H+如果不能及時(shí)排出將會(huì)使細(xì)胞質(zhì)急劇酸化從而引起銨中毒[87]。過(guò)表達(dá)OSA1基因會(huì)顯著提高水稻根系和葉片中谷氨酰胺合成酶基因 (GS1;2和GS2)和谷氨酸合成酶基因 (NADH-GOGAT1、NADHGOGAT2和Fd-GOGAT)的表達(dá)[85]，表明過(guò)表達(dá)OSA1可能增強(qiáng)了GS和GOGAT活性，從而可能促進(jìn)根系將吸收的NH4+更快速的轉(zhuǎn)化為氨基酸。NH4+的吸收與同化是兩個(gè)緊密相連的過(guò)程。PMA能夠?qū)H4+同化產(chǎn)生的過(guò)多的H+排出細(xì)胞質(zhì)，以維持細(xì)胞pH的平衡，從而能夠促進(jìn)GS和GOGAT活性，使NH4+的吸收與同化有效的協(xié)同起來(lái)。這可能是過(guò)表達(dá)水稻OSA1能夠顯著提高NH4+的吸收與同化速率，以及氮素利用率的一個(gè)主要原因[88]。

土壤中的氨氧化細(xì)菌 (ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和氨氧化古菌 (ammonia-oxidizing archaea,AOA)等微生物可以將NH4+氧化成NO3–，這個(gè)過(guò)程被稱為土壤硝化作用 (圖3)。帶負(fù)電的NO3–不易被土壤吸附，故容易被淋失，或通過(guò)土壤細(xì)菌的反硝化作用轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的N2或N2O，從而造成氮素?fù)p失和環(huán)境污染。一些植物的根系可以分泌抑制硝化細(xì)菌活性的有機(jī)化合物，比如臂形草內(nèi)酯 (brachialactone)、3- (4-羥苯基)丙酸甲酯、1,9-癸二醇等，這些物質(zhì)被稱為生物硝化抑制劑 (biological nitrification inhibitors,BNIs)，與植物對(duì)低氮環(huán)境的適應(yīng)和氮素利用率緊密相關(guān)[89–91]。BNIs有親水性和疏水性兩類。研究表明，銨營(yíng)養(yǎng)條件促進(jìn)親水性BNIs的分泌，這個(gè)過(guò)程與PMA活性有關(guān)[44, 89]。釩酸鹽可抑制高粱根系BNIs的分泌，而殼梭孢素可促進(jìn)BNIs的分泌[92]。臂形草內(nèi)酯作為一種親水性BNI，其分泌也依賴PMA提供的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力[93]?？傊?，親水性BNIs可能通過(guò)未知的陰離子通道從細(xì)胞質(zhì)中排出，這個(gè)次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程可能依賴PMA提供的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力和細(xì)胞膜電位。

圖3 PMA與礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收與同化的關(guān)系Fig.3 Roles of PMA in the uptake and assimilation of various nutrients

5 PMA在磷營(yíng)養(yǎng)中的作用

磷 (P)是核酸和磷脂的重要組成部分，在植物生長(zhǎng)與代謝過(guò)程中具有關(guān)鍵的作用。磷酸一氫根 (HPO42–)和磷酸二氫根 (H2PO4–)是可供植物吸收的有效態(tài)磷酸鹽。植物根系通過(guò)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (PHT)從外界吸收磷酸鹽；PHT是H+伴隨的同向協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，通常轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)磷酸根伴隨著2～4個(gè)H+的同向運(yùn)輸[94](圖3)。因此，磷酸鹽的吸收，特別是低磷濃度條件下磷酸鹽的吸收 (通過(guò)高親和性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)，需要依賴PMA提供質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力和電化學(xué)勢(shì)。在低磷條件下，羽扇豆、大豆和水稻等植物根系的PMA活性顯著升高[61]，可促進(jìn)磷的吸收和有機(jī)酸分泌[62–63, 95]。外源添加可調(diào)節(jié)PMA活性的化合物可以顯著改變磷的吸收[96–97]。水稻銨營(yíng)養(yǎng)可以通過(guò)促進(jìn)PMA活性，提高根系對(duì)磷酸鹽的吸收，使銨營(yíng)養(yǎng)條件下根系和葉片磷的濃度顯著高于硝營(yíng)養(yǎng)下[96]。過(guò)表達(dá)水稻G蛋白γ亞基qPE9-1通過(guò)增強(qiáng)PMA活性和根鞘形成提高了水稻根際有效磷的濃度[98]。敲除OsA8的水稻突變體，其地上部磷濃度顯著降低[99]。此外，PMA還通過(guò)調(diào)節(jié)低磷脅迫下根系的生長(zhǎng)，參與植物對(duì)低磷的響應(yīng)。比如擬南芥AHA2和AHA7的表達(dá)受低磷誘導(dǎo)；AHA2通過(guò)介導(dǎo)根系伸長(zhǎng)區(qū)H+外流調(diào)節(jié)主根的伸長(zhǎng)，而AHA7通過(guò)介導(dǎo)根毛區(qū)H+外流在根毛的形成中起重要作用[51]。因此，在低磷條件下，植物通過(guò)調(diào)節(jié)PMA活性改變根系構(gòu)型，提高了磷吸收和有機(jī)酸分泌的能力，從而增強(qiáng)植物對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)性。

大多數(shù)陸生植物可以與叢枝菌根真菌 (arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)形成共生，AMF 幫助植物獲取養(yǎng)分，植物為AMF提供碳水化合物。低磷環(huán)境會(huì)促進(jìn)植物與AMF形成互利共生，以獲取更多的磷[100]。植物中一些PMA基因受到叢枝菌根真菌共生的誘導(dǎo)，比如水稻OSA8/OsHA1、苜蓿MtHA1、番茄SlHA8等。這些PMA蛋白為與AMF交界的植物根系細(xì)胞膜提供膜電位和運(yùn)輸磷、氮等養(yǎng)分需要的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力，從而在根系吸收AMF提供的養(yǎng)分方面發(fā)揮著重要作用；敲除這些PMA基因則影響叢枝菌根的生長(zhǎng)，也減弱了植物通過(guò)與AMF共生獲取營(yíng)養(yǎng)的能力，而過(guò)表達(dá)這些PMA基因促進(jìn)了AMF在植物根系的定植，也增強(qiáng)了植物對(duì)氮、磷的獲取[101–103]。

6 PMA在鉀營(yíng)養(yǎng)中的作用

鉀 (K)是植物體內(nèi)含量?jī)H次于氮的必需礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，具有維持酶的活性、調(diào)節(jié)滲透勢(shì)等重要功能。PMA是細(xì)胞膜電位建成的主要因素，而K+的跨膜運(yùn)輸對(duì)細(xì)胞膜電位具有很強(qiáng)的依賴。很多年前就有研究表明，K+的吸收與H+外排緊密聯(lián)系[104]。后來(lái)的研究表明，K+的吸收通過(guò)K+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸并受到膜內(nèi)外H+濃度梯度的驅(qū)動(dòng)[105]。植物體內(nèi)KUP/HAK/KT家族的K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過(guò)以H+協(xié)同運(yùn)輸?shù)姆绞轿栈蜣D(zhuǎn)運(yùn)K+[106](圖3)。在氣孔保衛(wèi)細(xì)胞中，PMA通過(guò)調(diào)節(jié)K+運(yùn)輸在氣孔運(yùn)動(dòng)方面發(fā)揮了重要作用。當(dāng)PMA被激活后，通過(guò)外排H+導(dǎo)致細(xì)胞膜超極化，進(jìn)而激活鉀離子通道KAT，從而引起K+內(nèi)流，保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹后導(dǎo)致氣孔打開[107]。反之，當(dāng)PMA活性受到抑制，導(dǎo)致細(xì)胞膜去極化，從而激活K+外流通道蛋白GORK，使氣孔關(guān)閉[108]。在鹽脅迫條件下，植物可以通過(guò)激發(fā)PMA活性進(jìn)而促進(jìn)K+吸收或抑制K+外排，從而增強(qiáng)植物體內(nèi)的鉀含量以應(yīng)對(duì)鹽脅迫[109–110]。此外，外源化合物，比如縮節(jié)胺 (mepiquat chloride，赤霉素生物合成抑制劑)，可以增強(qiáng)PMA活性從而提高棉花根系對(duì)K+的吸收[111]。

PMA還參與調(diào)節(jié)植物對(duì)低鉀脅迫的響應(yīng)。當(dāng)外界K+缺乏時(shí)，植物可能通過(guò)促進(jìn)PMA活性，增強(qiáng)H+外排和質(zhì)外體酸化[104]，從而為K+的吸收提供更高的膜電位和質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力[112]。有研究表明，K+可以與PMA蛋白的細(xì)胞質(zhì)磷酸化結(jié)構(gòu)域中包含Asp-617的位點(diǎn)結(jié)合，通過(guò)使ATP水解和H+外排解耦聯(lián)從而負(fù)向調(diào)節(jié)跨膜電化學(xué)勢(shì)[113]。在低K+條件下，外界NH4+可以通過(guò)促進(jìn)PMA的活性，增加H+的外排，從而提高K+的吸收[114]。然而，PMA與KUP/HAK/KT和HKT等低K+誘導(dǎo)的K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之間的具體聯(lián)系的分子機(jī)制還不清楚。最近的一項(xiàng)研究表明，過(guò)表達(dá)OsHAK5增加了水稻根系PMA的活性，并影響了生長(zhǎng)素的運(yùn)輸[115]。此外，在某些條件下，K+還可能激活PMA的活性。比如，在高NH4+條件下，提高營(yíng)養(yǎng)液中K+的濃度可以通過(guò)促進(jìn)PMA的活性從而抑制水稻根系對(duì)NH4+的吸收并減輕NH4+毒害[116–117]。可見，K+與PMA之間具有復(fù)雜的相互調(diào)控的關(guān)系。

7 PMA在鐵營(yíng)養(yǎng)中的作用

鐵 (Fe)是植物體內(nèi)必需的微量元素之一，常作為功能蛋白的輔助因子參與細(xì)胞的各種活動(dòng)。雖然土壤鐵含量較高，但大部分是無(wú)法被植物直接吸收利用的氧化鐵或氫氧化鐵，缺鐵是影響植物生長(zhǎng)與發(fā)育的一個(gè)主要的土壤養(yǎng)分限制因子，特別是在堿性或石灰性土壤。土壤中鐵的有效性與土壤pH高度相關(guān)，隨著土壤pH 的降低鐵的有效性顯著增強(qiáng)[118]。植物鐵吸收機(jī)制可以分成兩種，即雙子葉和非禾本科單子葉植物所共有的以高價(jià)鐵還原和二價(jià)鐵吸收為特征的機(jī)理? (strategy I) (圖3)，以及禾本科植物特有的通過(guò)分泌高價(jià)鐵載體來(lái)提升根際鐵有效性的機(jī)理Ⅱ[76, 119]。機(jī)理I植物在缺鐵條件下可以誘導(dǎo)PMA活性，通過(guò)分泌H+酸化根際而增加鐵的有效性；但目前尚未在機(jī)理Ⅱ植物中發(fā)現(xiàn)缺鐵誘導(dǎo)H+分泌的現(xiàn)象，說(shuō)明基于H+分泌的根際鐵活化機(jī)制是機(jī)理I植物所特有的[120]。研究表明，PMA參與調(diào)控植物對(duì)鐵的活化與吸收。在缺鐵條件下，擬南芥AHA2、AHA3、AHA4和AHA7受誘導(dǎo)表達(dá)，AHA蛋白量顯著升高，其中AHA2在缺鐵引起的根際酸化中起主導(dǎo)作用[41]。過(guò)量表達(dá)蘋果bHLH轉(zhuǎn)錄因子MdbHLH104顯著提高缺鐵條件下蘋果幼苗中PMA的活性和鐵的濃度；MdbHLH104可以正向調(diào)控PMA編碼基因MdAHA8的表達(dá)，從而通過(guò)促進(jìn)H+分泌來(lái)提高根際鐵的有效性和對(duì)缺鐵的耐受性[121]。MdbHLH104介導(dǎo)的PMA對(duì)缺鐵的反應(yīng)還受到類泛素化修飾 (small ubiquitin-like modifier, SUMO) E3 連接酶的正向調(diào)節(jié)；MdSIZ1可以抑制MdbHLH104蛋白的泛素化降解，從而提高PMA的活性[122]。

8 結(jié)論和展望

PMA通過(guò)維持細(xì)胞膜電位和細(xì)胞pH的平衡，在植物根系生長(zhǎng)，以及土壤氮、磷、鉀、鐵等養(yǎng)分的活化與吸收中發(fā)揮重要的生理功能。鑒于PMA在植物營(yíng)養(yǎng)中的重要功能，通過(guò)生物技術(shù)手段改造作物PMA基因的表達(dá)以提高作物對(duì)養(yǎng)分獲取的能力和對(duì)營(yíng)養(yǎng)逆境的抗性，是提高農(nóng)業(yè)資源的有效利用以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一種有效策略。然而，我們對(duì)PMA在植物營(yíng)養(yǎng)中的作用和分子調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)還非常有限。目前，仍有很多問(wèn)題尚待回答，比如，PMA基因如何受缺磷、缺鐵等營(yíng)養(yǎng)信號(hào)誘導(dǎo)，調(diào)控PMA基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子有哪些，它們和養(yǎng)分信號(hào)是如何關(guān)聯(lián)的，PMA是否以及如何在翻譯后水平上受到營(yíng)養(yǎng)信號(hào)的調(diào)控。此外，PMA在其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與利用中是否發(fā)揮作用還不明確。比如，硫、硅等養(yǎng)分的吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)也需要H+的協(xié)同作用，但PMA在這些營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)中是否發(fā)揮作用仍不清楚。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物往往面臨土壤中的多種養(yǎng)分逆境，比如同時(shí)出現(xiàn)缺氮和缺磷、缺磷和缺鉀、缺磷和鋁毒等問(wèn)題。通過(guò)遺傳途徑改良作物PMA基因，促進(jìn)作物對(duì)多種養(yǎng)分的獲取、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，是增強(qiáng)作物抵抗多重營(yíng)養(yǎng)逆境的一種有效策略。通過(guò)根系特異表達(dá)的強(qiáng)啟動(dòng)子或營(yíng)養(yǎng)脅迫誘導(dǎo)型啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)特定的PMA基因，或通過(guò)CRISPR/Cas9系統(tǒng)對(duì)特定PMA基因的啟動(dòng)子進(jìn)行編輯[123–124]，是提高作物在營(yíng)養(yǎng)逆境下PMA活性，增強(qiáng)作物養(yǎng)分吸收與利用效率的有效辦法。改變PMA上游的調(diào)控因子，如轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶、蛋白磷酸酶等基因的表達(dá)量，也可以調(diào)節(jié)植物PMA的活性。此外，對(duì)PMA蛋白的某些氨基酸位點(diǎn) (含磷酸化位點(diǎn))進(jìn)行突變，也可以改變PMA活性。值得注意的是，PMA是一種具有多重生理功能的消耗ATP的酶，其活性如果過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)能量消耗過(guò)大、生長(zhǎng)受到抑制、離子毒害、氣孔無(wú)法正常關(guān)閉等負(fù)面效應(yīng)[125]。由于植物所需的碳水化合物來(lái)源于光合作用，因此植物養(yǎng)分吸收和碳同化之間具有相互協(xié)同的關(guān)系。最近的一項(xiàng)研究表明，過(guò)表達(dá)水稻OSA1可以促進(jìn)水稻光合作用，同時(shí)提高氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收，達(dá)到既增加產(chǎn)量又減少肥料使用的效果[85]。如何通過(guò)調(diào)節(jié)PMA活性，將碳同化和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與同化高效的協(xié)同起來(lái)，既提高植物生長(zhǎng)又提高養(yǎng)分利用效率是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。