摘要:钾离子通道是植物钾离子吸收的重要途径之一。近年来,已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离到多种钾离子通道基因,包括内向整流型钾离子通道基因(如OsAKT1,DKT1,Ktrrl,KIll,KZM1,ZMK2等)和外向整流型钾离子通道基因(如CORK,PTORK ,STORK 等)。文章分别从结构、功能以及相关基因等三方面综述了关于植物钾离子通道的分子生物学研究进展,并对应用生物工程技术改良植物的钾营养性状进行了讨论。

关键词:钾离子通道;结构;基因

离子通道(ion channe1)是跨膜蛋白,每个蛋白分子能以高达l08个/秒的速度进行离子的被动跨膜运输,离子在跨膜电化学势梯度的作用下进行的运输,不需要加入任何的自由能。一般来讲,离子通道具有两个显着特征:

一是离子通道是门控的,即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节,并通过开关应答相应的信号。根据门控机制,离子通道可分为电压门控、配体门控、压力激活离子通道。

二是通道对离子的选择性,离子通道对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性。根据通道可通过的不同离子,可将离子通道分为钾离子(potassium ion,K )通道、钠离子(natrium ion,Na )通道、钙离子(calcium ion,Ca2 )通道等。其中,K 通道是种类最多、家族最为多样化的离子通道,根据其对电势依赖性及离子流方向的不同,可把K 通道分为两类:①内向整流型K 通道(inward rectifier K channel;Kin),② 外向整流型K 通道(outward rectifier Khannel;K out)。K 是植物细胞中含量最为丰富的阳离子,也是植物生长发育所必需的唯一的一价阳离子,它在植物生长发育过程中起着重要的作用,具有重要的生理功能。植物中可能存在K 通道,这一点早在20世纪6o年代植物营养学界就有人提出,而一直到80年代才被Schroeder等人[23证实,他们利用膜片钳(patch chmp)技术,首先在蚕豆(V/c/afaba)的保卫细胞中检测出了K 通道钾离子通道的结构单个钾离子通道是同源四聚体,4个亚基(subunit)对称的围成一个传导离子的中央孔道(pore),恰好让单个K 通过。对于不同的家族,4"亚基有不同数目的跨膜链(membrane。span。ning element)组成。两个跨膜链与它们之间的P回环(pore helix loop)是K 通道结构的标志2TM/P),不同家族的K 通道都有这样一个结目前从植物体中发现的K 通道几乎全是电压门控型的,如保卫细胞中的K 外向整流通道等,其结构模型如图2一a所示。离子通透过程中离子的选择性主要发生在狭窄的选择性过滤器(selectivity filter)中(图2一b),X射线晶体学显示选择性过滤器长1.2 nIll,孔径约nIll,K钾离子通道的作用.有关K 通道在植物体内的作用研究并不多。

从目前的结果来看,认为主要是与K 吸收和细胞中的信号传递(尤其是保卫细胞)有关。小麦根细胞中过极化激活的选择性内流K 通道的表观平衡常数Km值为8.8 mmol/L,与通常的低亲和吸收系统Km值相似[ 。近年来,大量K 通道基因的研究表明,K 通道是植物吸收转运钾离子的重要途径之一。保卫细胞中气孔的开闭与其液泡中的K 浓度有密切关系。质膜去极化激活的K 外向整流通道引起K 外流,胞质膨压降低,导致气孔的关闭。相反,质膜上H.ATPase激活的超极化(hyperpolarization)促使内向整流钾离子通道(K in)的打开,引起K 的内流,最终导致气孔的张开钾离子通道相关基因及其功能特征迄今,已从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离得到多种K 通道基因(图3),根据对其结构功能和DNA序列的分析,可以把它们分为5个大组:工,Ⅱ,Ⅳ组基因属于内向整流型通道;m组属于弱内向整流型通道(weakly inwardAKT1Arabidopsis K Transporter 1)是第一个克隆到的植物K 通道基因,采用酵母双突变体互补法从拟南芥cDNA文库中筛选出来cDNA序列分析表明,AKT1长2 649 bp,其中的阅读框为2 517 bp,编码838个氨基酸残基组成的多肽,相对分子质量约为95 400 Da。AKT1编码的K 通道,对K 有极高的选择性,其选择性依次是K Li 。

Northern blot分析表明,AKT1组织特异性较强,主要在根组织中表达ZMK1(Zea mays K channel 1)是从玉米胚芽鞘中分离出的K 通道基因,在皮层表达。在卵母细胞中的表达表明,ZMK1编码的K 通道是通过外部酸化激活的。有研究表明,蓝光对ZMK1通道在玉米胚芽鞘中的分布有一定影响[3 2l。1组KAT1组基因编码内向整流钾离子通道,其与AKT1组基因产物结构上的最大区别是在COOH端没有锚蛋白相关区(枷n—related do—main,ANKY)。KAT1组基因主要包括KAT1,KST1,SIRK,KZM1,KPT1等。KAT1(Arabidopsis inward rectifier K channel1)是与AKT1同时从拟南芥cDNA文库中筛选出来的植物K 通道基因。KAT1基因的阅读框含有2 031个核苷酸,编码的多肽由677个氨基酸残基组成,相分子质量约为78 000 Da。KAT1的表达具有组织特异性,KAT1在拟南芥植株中的主要表达部位是保卫细胞,在根和茎中也有少量的表达。人们认为KAT1通道可能参与了气孔开放,并向维管组织中转运K ,而不是直接从土壤中吸收KJ。

以KAT1为探针,又能从拟南芥cDNA文库中筛选出KAT2等功能类似的内向整流型K 通道基因通过基因工程技术,人们已相继开展了将KATI和AKTI基因导人到拟南芥、烟草和水稻的研究,并获得了一些转基因植株。比如,施卫明等利用根癌农杆菌介导法已成功地把KAT1和AKT1导人拟南芥和野生型烟草中,并获得了转基因植株及其纯合株系,发现转基因植株的吸钾速率和对K 的累积能力都比对照的有明显的提高,而且,经过分子检测,也证实711和AKT1基因在转基因植株中得到了整合和表达。因此,运用现代分子生物学手段和基因工程技术筛选高效利用钾的作物品种或利用现有的钾离子通道基因改良作物品种,从而提高作物本身的钾吸收利用能力应该是目前主要的研究方向。可以相信,随着分子生物学技术、基因工程技术和有关分析测试技术的发展和应用。随着研究工作的不断深入,有关钾离子通道基因的分离、克隆和利用会取得更大的进展。

参考文献:

1.J Langer K,Ache P,Geiger D,et a1.Polar potassiumⅡalIspclnerscapable of controlling Khomec~tasis and K 一dependent圳0gm—esislJJ,ThePlant Journal,2OO2,32:997—1009.

2 .Schroeder JI,Hedrich R.Potassium-selective single channels inguard cell protoplasts of Vicia ba[J].nature,1984,312:361— 363.

3 . Jacqueline MG,Declan AD.Potassium channel structures:do theycomform[J].Current Opinion in Structural Biology,20O4,14:440—446.

4 . Mackinnon R,Zhou YF.The occupancy of ions in the K selec—tivity filter:ch~se balance and coupling of ion binding to a proteinconformational change undedie hish conduction rates[J].JMB,2003,333:965—975.

5. Mackinnon R,Zhou M.A mutant KcsA K channel with alteredconduction properties and selectivity filter ion distribution[J].JMB,2O04,338:839—846.

6. Elide F,Serena V,Alex C,et a1.DKT1,a novel K channel fromcarrot,forms functionalheteromeric channels with KDC1[J J.FEBS Letters,20O4,573:61—67

7. SentenacH,BormeaadN,MinerM,eta1.Cloningand expressionin yeast of a plant potassium ion transport system[J].Science,1992,256:663.