張亞楠，歐斯艷，王金祥*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 根系生物學(xué)中心，廣東 廣州 510642）

在植物生長發(fā)育過程中，礦質(zhì)元素、營養(yǎng)物質(zhì)、信號分子等跨膜轉(zhuǎn)運和長短距離運輸是必不可少的，而承擔(dān)這些任務(wù)的主要成員便是轉(zhuǎn)運子（transporter）（或轉(zhuǎn)運蛋白）.有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)植物中有些轉(zhuǎn)運蛋白既有轉(zhuǎn)運子的功能，又具有養(yǎng)分受體的功能，如NRT1.1（nitrate transporter 1.1）和IRT1（iron-regulated transporter 1）.這類轉(zhuǎn)運蛋白被稱為轉(zhuǎn)運受體蛋白（transceptor）［1-2］.植物有機陽離子包括膽堿、肉堿、多胺，這些有機陽離子在植物生長發(fā)育和適應(yīng)逆境等方面起重要作用，但對有機陽離子如何進(jìn)出細(xì)胞還不清楚.動物四胺有機陽離子主要由SLC22 轉(zhuǎn)運［3］，SLC22 屬于MFS（major facilitator superfamily）超家族.這些膜蛋白參與動物周圍淋巴器官（peripheral organs）對一些藥物、外來物質(zhì)、或內(nèi)源物質(zhì)的吸收或排泄［4-9］.目前關(guān)于植物有機陽離子轉(zhuǎn)運體（Organic Cation Transporter，OCT）的研究相對較少，主要集中在模式植物擬南芥.本文從植物OCT 蛋白的結(jié)構(gòu)、OCT基因?qū)δ婢车捻憫?yīng)以及OCT 的功能等進(jìn)行了綜述.

1 植物OCT 家族

1.1 OCTs 家族蛋白結(jié)構(gòu)的特點

首先在菜豆中鑒定植物OCT基因.Torres 等人在菜豆根中克隆了一個受水分脅迫調(diào)控表達(dá)的基因，序列分析表明，其全長cDNA 為2 627 bp，含有1 644 個堿基的開放閱讀框，編碼一個長度為547 個氨基酸的蛋白質(zhì)，與哺乳動物OCT 轉(zhuǎn)運蛋白家族具有同源性，因此命名為PvOCT1［10］.另外，Lelandais-Briére 等人用PvOCT1 進(jìn)行的BLASTX 分析，在擬南芥中發(fā)現(xiàn)6 個OCT-like 蛋白，分別命名為AtOCT1～6（見表1），其中 AtOCT1 與PvOCT1 有71%的相似性［11］.這些擬南芥OCT 蛋白屬于MFS 轉(zhuǎn)運蛋白家族的“有機溶質(zhì)共轉(zhuǎn)運蛋白”的一個小分支.

TMPred 程序預(yù)測結(jié)果顯示PvOCT1 蛋白存在12 個跨膜結(jié)構(gòu)域（transmembrane domain，TMD），在TMD1 和TMD2 之間有一個由53 個氨基酸組成的大型胞外結(jié)構(gòu)域，TMD6 和TMD7 之間有一個71 個氨基酸組成的長的中心親水結(jié)構(gòu)域［10］.所有哺乳動物OCT 蛋白都屬于MFS 超家族且都顯示出糖轉(zhuǎn)運蛋白家族的特征，例如位于TMD6 末端的ESPRXL 基序［12］.植物OCT 蛋白也存在這個基序，如在PvOCT1 蛋白中可以觀察到該基序以及有機離子轉(zhuǎn)運蛋白的3 個特定結(jié)構(gòu)域［5］.此外，在PvOCT1 中發(fā)現(xiàn)了糖轉(zhuǎn)運蛋白家族和ASF 共有的保守基序，在第151 位發(fā)現(xiàn)了1 個cAMP/cGMP 依賴性蛋白激酶的潛在磷酸化位點，在第263、328、389、413、418 和523 位發(fā)現(xiàn)了另外6 個蛋白激酶C 位點，在80、81 和295 位發(fā)現(xiàn)了3 個可能的N-糖基化位點［10］.

擬南芥基因組共有6 個OCT基因，如表1 所示，其中AtOCT1、AtOCT2、AtOCT3、AtOCT5 和AtOCT6位于1 號染色體，AtOCT4 位于3 號染色體；編碼的蛋白長度介于515～539 個氨基酸.

表1 擬南芥OCT 基因家族基本信息

對擬南芥AtOCT2～6 蛋白質(zhì)序列進(jìn)行分析，預(yù)測到其具有11～13 個跨膜結(jié)構(gòu)域，且這5 個蛋白的結(jié)構(gòu)非常相似. AtOCT1 結(jié)構(gòu)與其家族的其他成員有所不同［13］. AtOCT1 蛋白有539 個氨基酸，攜帶一些N-糖基化位點和蛋白激酶C 磷酸化位點，且擁有一個非胞質(zhì)N 端和一個顯著的細(xì)胞內(nèi)中央親水環(huán)［11］.AtOCT1蛋白具有SLC22 家族的大多數(shù)特征，如TM1 和TM2 之間有一個大環(huán)，以及TM2 之前的保守結(jié)構(gòu)域STIVTEWD/NLVC 和TM10 之后的ELYPT；AtOCT1 的TM2 之后的G（X）3G（X）4G（X）3DR/KFGRR/K， TM4 之后的E（X）6R，TM6 之后的PESPRWL，TM8 之后的D/NR/HLGRR，TM10 之后的E（X）6R，以及TM12 之后的PETGK 發(fā)揮作用［14-15］.

1.2 OCT 家族的分類

對6 個擬南芥OCTs 和普通菜豆OCT1 氨基酸序列進(jìn)行進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)6 個AtOCT 可以分為4 類，并且AtOCT1 和PvOCT1 聚在一起具有很強的同源性［11］. AtOCT2、AtOCT3 和AtOCT5、AtOCT6 分別聚在一起，AtOCT4 獨自成一類.這些結(jié)果說明，AtOCT2、AtOCT3、AtOCT5 和AtOCT6 具有相似的功能.

1.3 OCT 亞細(xì)胞定位、組織器官的特異性

OCT 蛋白屬于膜蛋白.對AtOCT1 進(jìn)行原生質(zhì)體瞬時表達(dá)實驗證實了AtOCT1 定位于質(zhì)膜上；此外，亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示其他5 個成員（AtOCT2～6）都定位于液泡膜［13］.

通過半定量RT-PCR 發(fā)現(xiàn)，擬南芥AtOCT1 在所有器官中表達(dá)，在生殖器官中含量最高，如花芽、花或未成熟的莢果［11］. PvOCT1 主要在根維管系統(tǒng)表達(dá)［10］.有研究發(fā)現(xiàn)菜豆PvOCT1 基因在根和莖中表達(dá)，在葉柄和莖中也檢測到非常低的轉(zhuǎn)錄水平［10］.

RNA 印跡分析顯示，擬南芥中5 個液泡OCT基因在不同的器官中有自己獨有的表達(dá)方式，AtOCT2一般情況下是弱表達(dá)；AtOCT3 的mRNA 僅在長莢果中存在；AtOCT4 的mRNA 在根中表達(dá)最強，而在其他器官僅有非常微弱的表達(dá)；AtOCT5 在庫葉和源葉表達(dá)最強［16］.AtOCT6 和AtOCT4 一樣，主要在根中高表達(dá)、莖中表達(dá)較弱［13］.

AtOCT1 啟動子在生殖器官中表現(xiàn)出相對較強的活性，尤其是在花藥、萼片、花瓣和花?；钚詮姡辉谟酌珉A段，啟動子僅限于維管系統(tǒng)，在葉和根中活性高，在根的伸長區(qū)和根毛區(qū)表達(dá)活性最高；此外，20%的植物在根冠表現(xiàn)出GUS 活性；發(fā)育后期，在葉和莖中的活性下降，但在根中保持較高的活性；根橫切面證實AtOCT1 啟動子活性僅限于維管組織［11］.在菜豆中，通過原位雜交實驗檢測PvOCT1 的組織特異性表達(dá)，與莖切片的原位RNA 雜交證實PvOCT1 特異性地定位于韌皮部細(xì)胞［10］.AtOCT2 啟動子在花粉粒和柱頭活性高；在成熟莢果的維管組織和幼嫩莢果的種皮中均有表達(dá)；對整個擬南芥進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)AtOCT2 啟動子活性與葉齡相關(guān)，AtOCT2 啟動子在除維管系統(tǒng)外的幼葉上表皮、下層細(xì)胞、幼葉維管系統(tǒng)的薄壁細(xì)胞中，在成熟葉片的韌皮部，在根的維管束、側(cè)根的起始點和根尖中均具有活性［5］.和AtOCT2 啟動子不同，AtOCT3 啟動子主要在莢果中表達(dá)，特別是發(fā)育較早的種子，而不是在莢果皮或較老的種子中；在莖的皮層以下的皮質(zhì)細(xì)胞和實質(zhì)細(xì)胞、在葉的下表皮和上表皮，表皮毛基部、次生花序的基部均有表達(dá).AtOCT4啟動子在幼嫩莢果和莢果的維管組織中都有表達(dá)，不同的是，AtOCT4 啟動子在次生花序韌皮部細(xì)胞和木質(zhì)部薄壁組織細(xì)胞中也有表達(dá)；與AtOCT4 相似的是，AtOCT6 啟動子在次生花序的韌皮部表達(dá)，另外AtOCT6 啟動子在花的雄蕊、花絲和藥隔中均有表達(dá)；在蓮座葉中，表達(dá)僅限于成熟葉的主脈［13］.AtOCT5啟動子活性表達(dá)部位還不是很清楚.

2 植物OCT 基因?qū)γ{迫的響應(yīng)

2.1 對水分脅迫的響應(yīng)

植物OCT1 響應(yīng)干旱脅迫. Torres 等人的實驗結(jié)果表明，脫水1 h 后觀察到的PvOCT1 在根中轉(zhuǎn)錄水平增加，發(fā)生在從頭合成ABA 之前，這說明PvOCT1 對早期干旱的響應(yīng)不依賴于ABA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，而相反，脫水2、5 和8 h 后PvOCT1 的mRNA 豐度減少可能與ABA 合成有關(guān)［10］.推測PvOCT1 可能轉(zhuǎn)運溶質(zhì)或信號分子參與對缺水的早期反應(yīng)，它的反應(yīng)調(diào)控機制和脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白對寒冷或脫水脅迫響應(yīng)類似［10，17］.AtOCT1 在干旱脅迫下不會被誘導(dǎo)反而會減低積累量，而AtOCT2 和AtOCT3 則完全不響應(yīng)［13］，AtOCT4～6的轉(zhuǎn)錄本在干旱處理20 min 后開始積累，持續(xù)8 h，在2～4 h 左右累積量最高.

2.2 對冷脅迫響應(yīng)

植物OCTs響應(yīng)冷脅迫.植物對低溫信號的響應(yīng)，目前沒有明確的結(jié)論，普遍認(rèn)為是由于低溫會增加膜的黏性，改變膜的流動性所致.將擬南芥幼苗轉(zhuǎn)移到4 ℃進(jìn)行冷處理，RNA 定量分析表明，AtOCT3和AtOCT5 的轉(zhuǎn)錄水平在誘導(dǎo)后20 min 開始升高，在2 h 以上短暫升高，4 h 后下降.AtOCT1、AtOCT2、AtOCT4 和AtOCT6 對冷脅迫沒有反應(yīng)［13］.這些結(jié)果說明，AtOCT3 和AtOCT5 在轉(zhuǎn)錄水平響應(yīng)冷害，但其具體生理功能有待深入研究.

2.3 對鹽脅迫的響應(yīng)

植物OCTs響應(yīng)鹽脅迫.AtOCT1 在鹽脅迫下不會被誘導(dǎo)反而會被抑制，AtOCT2 和AtOCT3 對鹽脅迫沒有響應(yīng)；AtOCT4～6 對鹽脅迫有響應(yīng)，其中AtOCT4 在鹽脅迫24 h 后達(dá)到最高水平，AtOCT5 和AtOCT6的表達(dá)量在6 h 后達(dá)到最高水平［13］.目前缺乏擬南芥OCT 蛋白水平對鹽脅迫響應(yīng)的證據(jù)，這值得開展研究.鹽脅迫下會引起植物產(chǎn)生滲透脅迫、離子毒害、膜透性改變和生理代謝紊亂等一系列的問題，而植物本身可通過自身的滲透調(diào)節(jié)進(jìn)而使自身損害降到最低.AtOCTs是否能通過避鹽機制或耐鹽機制調(diào)節(jié)植物對鹽害的響應(yīng)還不清楚.

2.4 對養(yǎng)分脅迫的響應(yīng)

利用已公開的轉(zhuǎn)錄組和基因芯片分析數(shù)據(jù)（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/gene），對AtOCTs養(yǎng)分脅迫的響應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)AtOCT1 在根和葉均受低磷強烈誘導(dǎo)，分別上調(diào)5.95 倍和4.48 倍，而AtOCT5 只在根部受低磷誘導(dǎo)，AtOCT1 受蔗糖下調(diào)（表2）.有趣的是，AtOCTs在低氮和低硫脅迫下都無響應(yīng).這些結(jié)果說明，AtOCT1 和AtOCT5 基因可能在調(diào)節(jié)植物適應(yīng)低磷養(yǎng)分脅迫方面發(fā)揮作用.磷在植物生長發(fā)育中必不可少，廣泛參與植物體內(nèi)物質(zhì)合成和能量代謝過程，也是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的主要肥料成分之一［18］.植物根系可直接吸收利用土壤中無機態(tài)可溶性磷酸鹽，而土壤中大量存在的磷酸酯、磷酸酐等有機磷無法被植物直接吸收.很顯然，多胺如何調(diào)節(jié)植物響應(yīng)低磷脅迫，以及AtOCT1 和AtOCT5 在調(diào)節(jié)根細(xì)胞多胺平衡和磷吸收轉(zhuǎn)運方面所起的作用值得深入研究.

表2 擬南芥OCT 基因家族對非生物逆境的響應(yīng)

3 植物OCTs 的生理功能

3.1 參與植物體內(nèi)肉堿和尸胺的轉(zhuǎn)運

Lelandais-Briére 等人間接證明AtOCT1 介導(dǎo)肉堿的轉(zhuǎn)運［5，11，16，19］. Strohm 等人發(fā)現(xiàn)AtOCT1 的失活可能影響植物細(xì)胞中的肉堿循環(huán)［20］. T-DNA 插入的AtOCT1 突變體對尸胺（Cad）敏感性增加，而過表達(dá)AtOCT1 的擬南芥對Cad 具有抗性，說明AtOCT1 可能是一個Cad 輸出載體［11］. Sagor 等人提出一個模型，在含有較高精胺（Spm）的植物中，Spm 會抑制AtOCT1 肉堿轉(zhuǎn)運蛋白的活性，從而導(dǎo)致Cad 的積累量更高；若Spm 水平下降，則AtLAT1 和AtOCT1 的肉堿轉(zhuǎn)運蛋白活性將會發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致Cad 進(jìn)入減少和Cad 外排增加，從而導(dǎo)致Cad 凈積累量降低.

可在根、幼葉和生殖器官的維管組織中檢測到AtOCT1 啟動子的活性，證明了AtOCT1 在長距離運輸中起作用.此外，AtOCT1 在葉脈、花梗、葉頸和側(cè)根基部的高水平表達(dá)，表明它也可能參與了韌皮部/木質(zhì)部的物質(zhì)交換［11］.值得注意的是，氨基酸類化合物的雙向交換已有報道［21-22］.

3.2 OCT 調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育

AtOCT1 調(diào)節(jié)側(cè)根的發(fā)育.AtOCT1 可能通過直接或間接參與負(fù)調(diào)控側(cè)根發(fā)育的化合物的轉(zhuǎn)運而影響側(cè)根的發(fā)育.AtOCT1 在側(cè)根的維管組織中高表達(dá)，并且AtOCT1 功能的喪失導(dǎo)致擬南芥幼苗的側(cè)根顯著增加［11］. Strohm 等人對不同品種的擬南芥進(jìn)行Cad 處理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cad 濃度增加時抑制主根生長、側(cè)根分枝和根部波動的改變［20］.有趣的是，對7 日齡幼苗的半定量RT-PCR 結(jié)果顯示，AtOCT3、AtOCT4 和AtOCT6與AtOCT1 存在交叉調(diào)控，至少有4 個基因（另外3 個AtOCTs基因和bou）在突變體中的表達(dá)受到了 影響［11］.

OCT可能調(diào)節(jié)花的發(fā)育.和其他OCT基因相比，AtOCT2、AtOCT4 基因在花粉優(yōu)先表達(dá)，并且發(fā)現(xiàn)AtOCT4 屬于花粉特異性轉(zhuǎn)運蛋白.在花粉發(fā)育過程中，AtOCT2 基因在晚期花粉中表達(dá)，只是在三細(xì)胞期達(dá)到峰值，而在成熟花粉中急劇下降［23］.AtOCT4 基因表達(dá)在配子發(fā)生過程中首先出現(xiàn)在三細(xì)胞或成熟花粉中［24］.這些結(jié)果暗示，AtOCT2 和AtOCT4 可能參與調(diào)節(jié)花的發(fā)育.

OCT參與激素互作. AtOCT3 蛋白作為新定位的液泡膜蛋白，其功能尚不清楚，它也可能是葉綠體蛋白，但是需要進(jìn)一步的實驗來確定其亞細(xì)胞定位［24-25］.另外，有研究證實AtOCT3 可能還是二糖轉(zhuǎn)運蛋白［26］.有趣的是，全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association studies，GWAS）發(fā)現(xiàn)AtOCT3 影響抗性激素ABA 和JA（jasmonic acid，JA）的對話（crosstalk）和對甘藍(lán)夜蛾（Mamestra brassicae）的抗性，T-DNA 插入的AtOCT3 突變體對ABA 的敏感性下降，JA 響應(yīng)基因VSP2 在AtOCT3 突變體的表達(dá)水平明顯比野生型Col-8 的低，用AtOCT3 的葉子飼喂的甘藍(lán)夜蛾比用Col-8 飼喂的體重大，這些結(jié)果說明AtOCT3 通過參與ABA-JA 互作而調(diào)節(jié)植物的抗蟲性，但具體的生理機制不清楚；和AtOCT3 不同，雖然GWAS 分析揭示AtOCT6 可能是參與ABA-JA 互作的基因，但AtOCT6 的T-DNA 插入突變體和Col-8 的表型沒有區(qū)別［27］.

OCT可能參與植物解毒. 2-苯并噁唑酮（Benzoxazolin-2（3H）-one，BOA）是一種有機污染物，BOA可顯著誘導(dǎo)AtOCT5 基因表達(dá)［28］.但目前缺乏AtOCT5 突變體和過表達(dá)材料對BOA 抗性的實驗結(jié)果.擬南芥是否是通過上調(diào)AtOCT5 而促進(jìn)有機陽離子向液泡轉(zhuǎn)運，進(jìn)而降低BOA 的毒性還有待深入研究.綜上所述，植物OCT 在生長發(fā)育和響應(yīng)逆境脅迫方面起重要的調(diào)控作用.

4 展望

目前來看，對植物OCT基因家族的研究還不夠深入，還有一些科學(xué)問題有待回答.AtOCT1～6 在轉(zhuǎn)錄水平分別由哪些轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進(jìn)行調(diào)控還不清楚.此外，在蛋白水平OCT 是如何進(jìn)行調(diào)控的，是否受磷酸化、泛素化等修飾也需要進(jìn)行深入研究.在表觀遺傳學(xué)的層面，OCT基因是否受DNA 甲基化和組蛋白層面的修飾調(diào)控也值得開展研究.特別是基因編輯技術(shù)的運用，創(chuàng)造多重OCT突變體，來解析OCT的功能是今后研究的方向.目前對植物OCT基因功能的研究還集中在模式植物擬南芥，而對于有機陽離子轉(zhuǎn)運體農(nóng)作物如水稻、玉米、小麥和大豆等作物的OCT基因功能還不清楚.顯然對這些作物OCT基因開展深入研究將有助于全面理解植物OCT基因的功能.

（注：文中OCT 表示蛋白為正體，表示基因為斜體）