唐桃霞，孔維萍，任凱麗，程 鴻

(甘肅省農業(yè)科學院 蔬菜研究所，蘭州 730070)

ABC轉運蛋白，又名ATP結合盒式蛋白(ATP-binding cassette transporter，ABC)，得名于含有一個腺苷三磷酸(ATP)結合盒，且依賴于 ATP 水解產生的能量而實現(xiàn)底物在細胞內外的跨膜轉運，是目前已知數(shù)量和功能最多的一類蛋白[1]。據(jù)報道，ABC轉運蛋白家族在所有生物中廣泛存在，已在人類、酵母和大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了數(shù)量不等的ABC轉運蛋白及其基因，而在陸生植物中鑒定到的 ABC 轉運蛋白數(shù)量遠高于其他生物[2-3]，其中，模式作物擬南芥和水稻基因組中分別存在130個和128個 ABC 轉運蛋白[4-5]，此外，玉米(Zeamays)[6]、小麥(Triticumaestivum)[7]、甘藍型油菜(Brassicanapus)[8]、百脈根(Lotuscorniculatus)[9]、菠蘿(Ananascomosus)[10]以及番茄(Solanumlycopersicum)[11]中均有報道，而研究最多的擬南芥僅有一小部分ABC 轉運蛋白被鑒定出來[12]，還有大部分成員的轉運底物及其功能尚不清楚，而有關其他作物ABC轉運蛋白及其功能還未見報道。因此，本文通過對已鑒定的植物ABC轉運蛋白成員及功能進行歸類總結，旨在為研究其他作物ABC轉運蛋白及功能提供思路和依據(jù)。

1 ABC轉運蛋白的結構及分類

典型的ABC轉運蛋白由親水核苷酸結合結構域(Nucleotide-binding domain, NBD)和疏水跨膜結構域(Transmembrane domain, TMD)組成[13]，其中親水性的 NBDs 包含3個保守的特征基序：Walker A，Walker B 和ABC 標簽序列(又稱 Walker C)[4]，因此，其結構和序列在 ABC 轉運蛋白家族中高度保守，而疏水的TMD是由數(shù)個跨膜 α- 螺旋構成，形成跨膜運輸通道[14]，轉運時NBDs負責結合并水解 ATP 使其構象發(fā)生改變，從而激活轉運過程，而 TMDs則形成通道使得底物通過脂質雙分子層，二者共同參與實現(xiàn)物質轉運[15]。ABC 轉運蛋白家族的轉運分為向外和向內兩種轉運方式，大多數(shù)的ABC向內轉運蛋白還包括一個可溶性的位于細胞外或是錨定在膜上的胞外區(qū)結合蛋白(Substrate-binding protein，SBP)，SBP 可以結合不同種類的底物并把底物傳遞到相應的 TMDs 中。圖1展示了ABC 轉運蛋白轉運過程中依靠構象改變的轉運機制[16]。

A.向內轉運機制；B.向外轉運機制A.Import mechanism; B.Export mechanism

由于 ABC 蛋白包含的NBD 和 TMD 數(shù)量以及排列方式存在差異，其又被分為全分子 ABC 蛋白、半分子ABC 蛋白和可溶性ABC蛋白，全分子 ABC 蛋白由 2 個 NBD 和 2 個 TMD構成，4 個結構域結合在一起才可執(zhí)行轉運功能，而半分子 ABC 蛋白僅由 1 個 NBD 和 1個 TMD 構成，從而排列形成 TMD-NBD 或NBD-TMD，任一的 TMD-NBD 或 NBD-TMD 是沒有功能的，它們必須形成同源或者異源二聚體才能發(fā)揮功能[17]。通常，研究者們按照國際命名系統(tǒng)將植物ABC分為8個亞族(ABCA～ABCG和ABCI)，植物中未發(fā)現(xiàn)ABCH 亞族成員，但存在一類特殊的細菌類型 ABC 轉運蛋白，被命名為 ABCI 亞族[1]。目前，研究較多的為 ABCG、ABCB和ABCC[18]。ABC 轉運蛋白參與植物體中多種重要的轉運過程，其轉運功能需要NBD和TMD的共同參與。由于NBD的高度保守性和每個亞族結構的相似性，導致其轉運功能具有專一性，也具有相似性。

2 ABC轉運蛋白功能

2.1 ABCA亞族

迄今為止，在人類基因組中已鑒定出12個ABCA亞族成員，主要與身體各部位的脂質轉運有關[19]，而擬南芥中的 ABCA1 與人類 ABCA1具有高度的序列同源性，推測植物ABCA1 也可能具有脂質運輸功能[20]。目前，在擬南芥中也發(fā)現(xiàn)12個ABCA成員，且只有 At ABCA9的功能被鑒定出來，并發(fā)現(xiàn)其過量表達可促進種子三酰甘油 (Triacylglycerol，TAG)的生物合成，表明AtABCA9 可能是增加油籽脂質產量的有力工具[12,21]，隨后李健春[22]在大豆中發(fā)現(xiàn)GmABCA7轉運蛋白，并將其定位于過氧化物酶體，表明其在擬南芥中的過量表達影響脂肪酸的 β氧化并促進種子萌發(fā)；此外，擬南芥根的轉錄組分析表明 AtATH14 和 AtATH15 表達對鹽脅迫有反應[23]，也有報道AtABCA1 與花粉萌發(fā)、種子萌發(fā)和種子成熟有關[9,24]，但具體功能未做解析。

ABCA包括全分子的AOH和半分子的ATH兩種類型。在蔬菜作物番茄中發(fā)現(xiàn)，SlABCA1 是唯一全分子ABCA 和最大的 ABC 蛋白，由1 910 個氨基酸殘基組成，另一主要特征是 ABCA 亞族在雙子葉植物中存在一個全分子的ABCA (AOH)，包括番茄[11]、擬南芥[4]、百脈根[9]和葡萄[24]，截至目前還未在水稻[25]、玉米[6]等單子葉植物中發(fā)現(xiàn)，這表明這種全分子 ABCA可能特定于雙子葉植物；據(jù)番茄[11]的基因表達譜顯示 SlABCA1 和 SlABCA2 優(yōu)先在根中表達，它們可能參與根的分泌活動，SlABCA4-7 在花中特異性表達，表明在花器官中具有特定功能。此外，吳鵬等[26]在黃瓜中克隆到控制ABCA19轉運蛋白的基因，通過功能分析發(fā)現(xiàn)黃瓜果實中的AB-CA19對霜霉威脅迫的響應比較迅速。以上研究只是對ABCA 成員做了初步表達，其轉運底物可能比較多樣，具體功能還需進一步解析驗證。

表1 植物ABCB轉運蛋白功能Table 1 Function of plant ABCB transporters

2.2 ABCB亞族

ABCB是僅次于ABCG的第二大亞族，擬南芥中發(fā)現(xiàn)29個ABCB成員[4]。據(jù)表1可知，已鑒定的大多數(shù)ABCB成員主要與激素類物質(生長素)的運輸及調控有關，且部分成員功能冗余，均能轉運生長素；其次，ABCB還參與離子及重金屬轉運，如在番茄中研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù) SlABCBs 在根中高度表達，這可能表明這些 SlABCB 參與根中的離子和重金屬運輸[11]。除上述功能外，ABCB還具有轉運生物堿和維持鐵穩(wěn)態(tài)的作用。綜上可知，還需加大對ABCBs功能的研究，以期為闡釋植物對激素和非生物脅迫響應的生理機制奠定基礎。

2.3 ABCC亞族

根據(jù)國內外研究報道發(fā)現(xiàn)，C亞族目前已鑒定的功能之一是轉運代謝產物(花青素、植酸、葉酸等物質)，有研究表明，玉米ZmMRP3和葡萄VvABCC1均具有運輸液泡中花青素的功能[43-44]；擬南芥的AtABCC2可能與其他的ABCC轉運蛋白共同介導營養(yǎng)組織中花青素和其他類黃酮的液泡運輸[45]；還有研究表明，部分ABCC轉運蛋白具有多種功能，如擬南芥AtABCC5/AtMRP5[46]和水稻 OsABCC13[47]參與種子植酸的轉運和含磷產物的積累，其中AtABCC5/AtMRP5還是保衛(wèi)細胞脫落酸和 Ca2+信號轉導過程中保衛(wèi)細胞離子通道的中央調節(jié)器[48]；而擬南芥AtABCC4/AtMRP4不僅參與葉酸轉運[49]，還介導氣孔孔徑的復雜調節(jié)[50]。

二是具有解毒功能，擬南芥AtABCC1、AtABCC2和AtABCC3均定位于液泡膜，其中AtABCC1和AtABCC2被證明賦予對砷、鎘和汞的耐受性[51-53]，是因為植物螯合素 (PC) 與Cd需要以 PC-Cd 復合物的形式運輸?shù)揭号葜衅鸬浇舛咀饔?，而AtABCC3是一種PC-Cd 復合物的轉運蛋白，其活性受Cd 調節(jié)并與AtABCC1/AtABCC2 的活性協(xié)調；此外，AtABCC6 在重金屬Cd脅迫下表達上調，也參與重金屬解毒作用[54]；苦蕎FtABCC9在重金屬Pb脅迫下表達上調，說明此蛋白也響應重金屬脅迫[40]。這些轉運蛋白為植物基因工程提供了有用的工具，可使植物增強對金屬耐受性和積累，這是植物修復的理想特征[52]。

2.4 ABCG亞族

在ABC轉運蛋白家族中，ABCG是其中最大的一個亞族，其功能廣泛，有全分子的PDR和半分子的WBC兩種類型。已知的擬南芥、亞麻、水稻、玉米、鐵皮石斛、毛果楊、二穗短柄草、葡萄、番茄、菠蘿及蜜柚中分別有43、85、50、54、37、74、44、71、70、42和22個ABCG轉運蛋白(表2)，分別占ABC蛋白的33.08%、42.93%、39.06%、41.54%、42.05%、38.54%、33.08%、39.23%、45.45%、42%和44%，平均數(shù)量占ABC家族的40%以上，說明ABCG是ABC家族最為重要的成員。從已報道的研究來看，已鑒定ABCG成員的功能多樣，具體類別見表3。

表2 部分植物中ABC轉運蛋白數(shù)量Table 2 Number of ABC transporters in some plants

由表3可知，ABCG是植物體生命活動的重要參與者。首先，可轉運植物體內的代謝物，包括脂類、烯類，生物堿類等，還調節(jié)花散發(fā)揮發(fā)性化合物的功能，除轉運內源代謝物外，還可轉運外源物質百草枯等除草劑。其次，介導激素類物質的運輸(ABA)，如AtABCG25、AtABCG31、AtABCG30、AtABCG40、AtPDR12/AtABCG40均具有轉運脫落酸(ABA)的作用。此外，ABCG參與重金屬脅迫/逆境脅迫響應，可提高植物對非生物脅迫的抗逆性。

表3 植物ABCG轉運蛋白功能Table 3 Functions of plant ABCG transporters

植物角質層不僅減少水分流失，還具有化學防御功能，研究發(fā)現(xiàn)AtABCG32/PEC1和AtABCG11/WBC11均參與角質層的形成[68-70]，ABCG9 和 ABCG31 通過促進甾醇在花粉表面的積累而支持花粉外殼的成熟，從而增強花粉的適應性[71]；木質素作為植物細胞壁的重要組成部分，其轉運機制還未可知，Alejandro等[72]研究發(fā)現(xiàn)AtABCG29參與擬南芥中木質素合成，填補了人們對木質素生物合成理解的關鍵空白，這可能為木質素工程開辟新的方向。

此外，ABCG還具有抗菌方面的作用，如白花丹葉煙草(Nicotianaplumbaginifolia)中NpPDR1/NpABC1 通過參與次級代謝物的分泌，在防御真菌病原體中起作用[78-79]；煙草NtPDR1通過介導抗真菌二萜的外排，在植物的化學防御中發(fā)揮作用[80]，這為植物抗菌方面的進一步研究奠定了基礎。

2.5 其余亞族

除亞族 B、C、G研究較多外，其他亞家族的報道相對較少，它們是否具有與其他亞族相似的功能未有明確的報道。根據(jù)模式作物擬南芥的研究，推測蔬菜作物番茄ABCD可能參與長鏈脂肪酸的過氧化物酶體輸入，ABCE可能在核糖體生物發(fā)生、翻譯控制和基因沉默調節(jié)中發(fā)揮作用，ABCI在果實發(fā)育期表達，表明其可能在果實發(fā)育中有特定功能[11]，擬南芥ABCF 亞家族成員 AtABCF3 參與根系生長發(fā)育[82]；水稻OsABCI7可能涉及到多種葉綠體發(fā)育調控網絡[83]，具體功能還有待驗證。

3 總結與展望

綜上發(fā)現(xiàn)，植物ABC蛋白家族體系龐大，成員眾多，這些 ABC 蛋白存在于各類細胞器中，大多定位于質膜和液泡膜、還有些定位于線粒體、葉綠體、內質網等細胞器上，其轉運底物形式多樣，有激素、離子、重金屬、代謝產物等，通過介導底物的轉運及平衡，隨時調控植物的生理狀態(tài)。就目前研究可知，ABCB參與生長素及重金屬轉運，ABCC參與轉運代謝產物(花青素、植酸、葉酸等物質)、還具有重金屬解毒功能，ABCG功能較多，參與代謝產物和激素轉運、植物器官形成和細胞發(fā)育、逆境脅迫、化學防御等過程，ABCA報道較少，初步表明其與脂質代謝有關，其余亞族功能還有待進一步研究?？偠灾珹BC是一類值得深入研究的轉運蛋白，研究其可解析生理機制，研究其可輔助植物育種。通過總結上述進展的同時，也發(fā)現(xiàn)以下不足。

研究作物種類單一：目前研究主要集中在模式作物和個別作物中，如蔬菜僅有番茄ABC 轉運蛋白進行了全基因組分析[11]。

研究深度不夠：大多研究只對某些成員做了初步的鑒定和表達，其轉運底物尚不明確，具體功能還有待驗證[11,23]。

與應用研究結合不緊密：如品質育種已成為研究熱點，代謝產物是影響果實品質的關鍵因素[84]，而ABC家族中有許多成員參與轉運代謝產物，但未見到關于此類問題的研究報道。

基于上述研究現(xiàn)狀，筆者認為未來研究，需從以下方向著手：(1)開展蛋白互作，挖掘未知功能。對目前功能未知的其他亞族建議開展蛋白互作研究，可有助于加快ABC轉運蛋白的研究進程；(2)橫向研究，由此及彼。利用已有模式作物的研究基礎，加快其他作物ABC蛋白的研究，如擬南芥AtABCA9過量表達可促進種子三酰甘油 (TAG)的生物合成，從而增加油籽脂質產量，這是一種源庫調控效應，若應用于其他油料作物，可能有助于提高其品質；(3)深度研究，明確機制，加以應用。針對目標蛋白加深研究，掌握其生理功能，并延伸至實踐應用，如NpPDR1/NpABC1在抗菌方面起作用， AtATH14 和 AtATH15響應鹽脅迫，MsABCG1響應干旱，若加以深度研究，則可應用于植物抗逆育種；(4)多學科聯(lián)合，準確解析具體功能。由于其結構的相似性，有許多蛋白功能冗余[27-31]，大多研究只是通過模式作物進行推測，應通過代謝組學、轉錄組學、生物信息學及結構生物學等多學科聯(lián)合，準確具體的鑒定其功能。