植物液泡功能研究进展 - 石朝印

植物液泡功能研究进展

石朝印 2012级草业科学基地班

摘要：液泡（vacuole）植物细胞所特有的由膜包被的泡状结构。一般来说，液泡具有转运物质、吞噬和消化、调节细胞水势、吸收和积累物质、调节pH和离子稳态、使细胞呈色、抵御病虫害等一系列复杂功能。由于液泡功能的独特性，很多科学家家都对液泡保持着浓厚的兴趣，长期以来对其功能进行着孜孜不倦的探索。据了解，早在1844年Naegeli就对植物细胞中的液泡进行了研究（廖祥儒等 2002）。本文旨在综述近年来科学家们对植物液泡功能研究进展，以使人们对液泡的功能有一个更新的认识。

关键词：植物、液泡功能、多样性、H+-ATPase、离子通道

1.植物液泡膜的形成及液泡多样性研究

植物液泡膜的形成一般有两种，一种是通过细胞内的生物合成作用形成液泡膜，这种常见于液泡形成的初期，液泡较小；另一种则是通过内吞作用，这种多发生在植物细胞的成熟过程中，多个小液泡融合成一个中央大液泡。据国外相关研究结果显示，液泡的具体形成途径有：（1）定位到液泡的一些蛋白质在分泌途径的早期要与运送到细胞表面的蛋白质分开；（2）由质膜获取原料的内吞作用；（3）液泡形成过程中的自我吞噬作用；（4）直接由细胞质向液泡传递的过程（Marty F 1999）。例如，一些植物的营养性液泡的形成过程包括：（1）先由内质网对新合成的分泌蛋白质进行共价修饰，这种修饰可能会使蛋白质具有一定的定位信息，然后分泌蛋白质根据信息的定位作用进行转运，有的可能会继续停留在内质网中，而有的则会运送到高尔基体和后高尔基体组分中进行进一步的加工。其中，也可能会发生本应该继续停留在内质网的蛋白质从内质网中“逃离”而进入高尔基体中，这种蛋白质一般不会被高尔基体进一步加工，因为这种蛋白质含有一种内质网滞留信号序列（KDEL信号序列）即内质网结构和功能蛋白羧基端的一个四胎序列：Lys-Asp-Glu-COOH-，高尔基复合体膜上的这种信号受体蛋白会与“逃出”的ER蛋白结合，进而将其送回内质网；（2）经过一系列的修饰加工后，高尔基体中的TGN会伸出表面光滑的管状结构，大量的小泡从TGN出芽，这些小泡在液泡途径中形成一种介于晚期高尔基体反面的定位位点和液泡之间的一种中间囊腔，即所谓的前液泡囊腔（PVC）；（3）PVC经过自体吞噬后，便形成了一些小的液泡；（4）新形成的小液泡会融合形成一些大的液泡，最终通过γ-TIP调节，快速运送水分通过液泡膜，使液泡迅速增大（Maurel C，1997）。

植物的液泡可谓多种多样，不同部位的植物液泡，其液泡的类型也不同，可分为营养性和储存性的液泡；即使在同一个细胞内，也会有多个不同类型的中央大液泡，中央大液泡就属于植物营养性液泡的特殊形式，最近一些研究显示，在同一个细胞中不同类型的液泡可以同时发挥作用，不同类型的液泡组分分别具有特异性不同的TIP（所谓TIP即是指营养特异性液泡膜固有蛋白）。而种子和果实的贮藏组织中则多具有可贮存蛋白质的液泡（(Protein storage vacuolo简称PSV）。

2.植物液泡的功能研究现状

液泡是植物细胞最大的细胞器，占成熟细胞体积的90％以上，由于液泡的独特性，很多专家学者很早就展开了对液泡膜和液泡内含物的功能进行坚持不懈的研究，其中包括植物液泡膜 H+-ATPase在液泡实现其生理功能的作用、液泡的分离研究、液泡的离子通道以及液泡内硝态氮、硝酸盐方面的研究。

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2.1液泡膜H-ATPase在实现液泡生理功能的研究

V型H-ATPase是一种多亚基的蛋白复合体,其分子量约为560-740kDa，全酶有十几种亚基组成，而亚基的种类和数目表现出种属、器官和发育阶段的特异性，而且个别亚基的表达和组装与逆境有关（Ratajczak R,2000）。它能够利用水解细胞质中ATP产生的能量把细胞

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质中的H泵入液泡中,从而建立一种跨液泡膜的驱动力，使得溶质在细胞质和液泡间跨液泡膜能够顺利的进行转运，维持植物细胞内环境的稳定，进而保证细胞的正常生命活动。由于

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V型 H-ATPase为十几个亚基组成的复合体,多数亚基由2个以上等位基因编码,而且基因表

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达及全酶组装都受环境因子调控,所以,V型 H-ATPase又有植物“生态酶”之称（Sze H,et

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al, 2002）。由此可见，H-ATPase在液泡膜的跨膜转运方面的重要地位。另外，H-ATPase的结构等并不是一直不变的，相关研究表明：随着植物的发育阶段和生长条件的变化，其+

H-ATPase的结构、亚基数及基因表达会发生相应的改变，从而调节细胞生理行为，作出对

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环境变化的应答（冯兰东等 2005）。拿小麦来说，其液泡膜上的H-ATPase的活性在受到胁迫的前期是增加的，在后期就会出现下降的现象。与此同时，A、B、C、D四种亚基的蛋白表达量也会增加，而且四种亚基的表达还存在协同增加的现象。随着科学技术水平的提高，

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人们对液泡膜的研究已经进入到一个分子水平，尤其是今年来，对H-ATPase在实现液泡膜

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生理功能的研究方面有了相当大的进展，但是在H-ATPase各亚基相关基因突变体植株的筛选及功能分析等方面的研究还比较少，有待进一步努力。 2.2液泡的分离研究

植物液泡是一种复杂的、动态的细胞器，是在组织分化过程中逐渐产生的（BETHKE P C, 2000）。人们最早是在显微镜下发现的，当时人们认为液泡知识细胞质中的一个空腔，直到1844年Naegeli提出：液泡是植物原生质体中正常的形态学组成部分。在意识到液泡不只是一个空腔后，人们很快对液泡的内部结构及其内含物产生了极大的兴趣，于是很多人设法将液泡从植物细胞中分离出来。我们知道，当质壁分离时，原生质体脱离细胞壁，胞间连丝 自行封闭。如果把质壁分离的细胞切开，有时可能切掉细胞壁而不损伤其内部结构，从而获得原生质体，这为机械方法分离原生质体提供了理论基础。1892年Klercker首先用这个方法从藻类中得到原生质体（门中华等 2003）。在此基础上，人们探索了四种液泡分离的方法：（1）原生质体渗透裂解法；（2）多元碱化合物诱导法；（3）机械破碎法；（4）不通过原生 质体，直接由剪切后的薄片组织在质壁分离介质中释放液泡。其中，多元碱化合物诱导法是目前分离液泡所普遍采用的方法，它是1977年Buser和 Mati首次报道并利用此法成功提取了酵母细胞的液泡。在1981年，Boudet等将该方法修改后将其推广至用于高等植物液泡分离并获得成功。虽然现在分离液泡的方法比较多，但从植物组织中大量分离液泡的技术仍然不够成熟，效率还是比较低下，因此，关于液泡分离技术的研究，还有待进一步探索。 2.3液泡的离子通道研究

所谓的离子通道，即是指生物膜上由蛋白质大分子组成的孔道，它通常由几个跨膜的大亲水区域构成，可以控制离子通过膜的顺势流动，在跨膜离子梯度的形成和维持以及信号转导等生理过程中起着非常重要的作用。自从在蚕豆保卫细胞膜上发现植物离子通道以来，人 们对植物细胞乃至作为细胞器的液泡膜上离子通道的认识迅速深入，到目前为止，已经发现植物细胞及其内膜上存在众多的离子通道（商艳芳等 2003）。从整体上来看，植物液泡的离子通道可以划分为两大类：阴离子通道和阳离子通道。目前，阳离子通道有：（1）慢液泡通道。该通道是高等植物液泡膜上普遍存在的通道，它对阳离子具有选择性，许多一价阳离子

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和二价阳离子都可通过此通道，不过，虽然它属于阳离子通道，但是极少量的cl也能够通过。而且，因为慢液泡通道具有强烈的钙依赖性，故有的学者认为该通道可能与气孔关闭期

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间钙诱导的K和Ca从液泡内的释放有关；（2）快液泡通道。目前认为，该通道可以促进气

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孔关闭期间保卫细胞液泡K的释放，并且可能会促进液泡的酸化；（3）向内整流K离子通道；（4）电压激活的液泡钙通道；（5）cADPR门控的液泡通道。对于阴离子通道，有：（1）苹

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果酸通道。它主要存在于景天科酸代谢植物、甜菜和拟南芥的液泡上，值得一提的是:在拟

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南芥中，其它二价有机阴离子如琥珀酸离子和延胡索酸离子也具有MAL相当的通透能力,而草酸乙酰离子的通透能力相对较弱；（2）氯离子通道。氯离子通道主要与保卫细胞气孔运动的控制有关。

2.3液泡内硝态氮、硝酸盐方面的研究

一般情况下，植物液泡内斗会累积一定量的硝态氮，一个重要的原因就是在植物细胞中--NO3-N与植物的硝酸还原酶存在着非一致性。而NO3-N的累积是有一定的生理学意义的。比

-如，在营养充足的情况下，植物过量吸收NO3-N是为了保证在介质中的 NO3--N供应下降时，

--叶柄及根系中的NO3-N可被运往叶片,同时，贮存于液泡中的NO3-N可流出液泡,透过液泡膜

-进入细胞质,以维持其中 NO3-N同化作用的进行(Datta R,et,al 1999)。

3.总结及展望

作为植物细胞内一个重要细胞器，液泡功能的复杂性和多功能性逐渐被人们所了解，如今对液泡的认识也达到分子水平。但是我们对液泡的研究还有待进一步提高，比如，在植物液泡膜上硝酸盐运输蛋白基因克隆、基因转移和功能表达方面的研究，目前也只是停留在拟南芥等少数植物上，仍需要这方面的专家学者们拓宽研究范围，在研究方法上不断创新，以加深对液泡功能的了解，进一步提高人们对液泡的认识水平。相信以后在液泡方面的研究还会进一步加深，研究的范围也会进一步扩大，尤其是液泡功能与基因有关的研究将会成为一个热门课题，也定会对人们生活水平的提高产生积极影响。

参考文献：

廖祥儒，陈彤，刘小丽 植物液泡的形成及其功能 细胞生物学杂志 2002年； Marty F, Plant Cell,11:587-600 1999年；

Maurel C, Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Bivl, 48:399-429;

Ratajczak R, Structure function and regulation of the plant vacuolar Htranslocating ATPase[J] Nat Rev Mol Cell Bi 20023, 1514-1526;

Sze H, Schumacher K, Muller ML. A simple nomcnclature a complex proton pump:VHA genes encode the vacuolar H-ATPase [J]. Trenda Plant Sci，2fl02，7(4)：157-161.

冯兰东，丁同楼，王宝山 植物液泡膜H-ATPase及其在胁迫中的响应 湛江师范学院学报 2005年12月 第 26卷 第6期;

BETHKE P C．JONES R L Vacuoles and prevacuolea compartments[J]. Curr. Opin. Plant Biology, 2000, 3(6)：469—475;

门中华，李生秀 高等植物液泡分离的研究进展 西北植物学报 2003，23(12)：2216～2222; 商艳芳，杨频 高等植物液泡离子通道 《生命的化学》2003年第23卷第6期 453-455;

Datta R，Sharma R．Temporal and spatial regulation of nitrate reductase and nitrite reductase in greening maize leaves, Plant sci. 1999, 144:77-83;

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