【正文】 . . . .植物鉀離子通道的分子生物學(xué)研究進(jìn)展 閔水珠 (浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州， 310029) 摘要 ： 鉀離子通道是植物鉀離子吸收的重要途徑之一 。近年來(lái) ， 已從多種植物或同種植物的不同組織器官 中分離到多種鉀離子通道基因， 包括內(nèi)向整流型鉀離子通道基因( 如 OsAKT1， DKT1， Ktrrl ， KIl l ， KZM1， ZMK2 等) 和外向整流型鉀離子通道基因(如 CORK ， PTOR K ， STOR K等) 。文章分別從結(jié)構(gòu)、 功能以及相關(guān)基因等三 方面綜述了關(guān)于植物鉀離子通道的分子生物學(xué)研究進(jìn)展， 并對(duì)應(yīng)用生物工程技術(shù)改良植物的鉀營(yíng)養(yǎng)性狀進(jìn) 行 了討論。 關(guān)鍵詞 ： 鉀離子通道 ； 結(jié)構(gòu) ； 基因 中圖分類號(hào) ： Q945； Q735 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： A 文章編號(hào) ： 1 004 —1 524(2005)03— 01 63— 07 T he progress on the m olecular biology of t h e K channels in plants M G Shui— zhu ( Co／ e ge o f Li fe Science ， 慨Un ive rsity ， Ha． ~ hou 310029 ， China ) A bstract ： Tif s review summar i zed recent progresses on molecular biology of K channels in plants ，including structure and their elevant genes in specialty． The latter is d i v i ded into inwardrectifying K channel(K in) genes(OsAKT 1， DKT1， KFrl ， KDC1， KZM1， ZMK2， etc． ) and o utward~ tifyin g K channel(K out) gene s (C O R K ， FIDR K ， STOR K ， etc． ) ． The possibilit y of impr o v i n g potassium nutr i tion of pla n t by bioengineerin g is also d i scussed in this paper． K ey words ： K channel；structure ； gene 離子通道 (ion channe1) 是跨膜蛋 白， 每個(gè)蛋 白分子能以高達(dá) l08個(gè)／ 秒的速度進(jìn)行離子的被 動(dòng)跨膜運(yùn)輸 ， 離子在跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度的作用下 進(jìn)行的運(yùn)輸 ， 不需要加入任何的 自由能。一般來(lái) 講 ， 離子通道具有兩個(gè)顯著特征 ： 一是離子通道 是門控的 ， 即離子通道的活性 由通道開(kāi)或關(guān)兩種 構(gòu)象所調(diào)節(jié) ， 并通過(guò)開(kāi)關(guān)應(yīng)答相應(yīng)的信號(hào)。根據(jù) 門控機(jī)制 ， 離子通道可分為電壓門控 、 配體門控、 壓力激活離子通道。二是通道對(duì)離子的選擇性 ， 離子通道對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)離子的大小與電荷都有高度 的選擇性。根據(jù)通道可通過(guò)的不同離子 ， 可將離 子通道分為鉀離子(po tassium ion， K )通道 、 鈉離 收稿 日期12005 — 01— 25 作者簡(jiǎn)介： 閔水珠( 1950 一) ， 女 ， 浙江湖州人 ， 主要從事植物化學(xué) 研究。 子 (natrium ion， Na )通道 、 鈣離 子 (calcium ion， Ca2 )通道等。其中 ， K 通道是種類最多 、 家族 最為多樣化的離子通道 ， 根據(jù)其對(duì) 電勢(shì)依賴性及 離子流方向的不同， 可把 K 通道分為兩類 ： ①內(nèi) 向整流型 K 通道(inward rectif i er K channel ； K in) ， ② 外 向整流型 K 通道 (outward rectif i er K channel； K out) 。 K 是植物細(xì)胞 中含量最 為豐富的陽(yáng)離子 ， 也是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的唯一的一價(jià)陽(yáng)離子 ， 它在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著重要的作用 ， 具有 重要的生理功能。植物中可能存在 K 通道 ， 這 一點(diǎn)早在 20世紀(jì) 6o年代植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)界就有人 提出， 而一直到 80 年代才被 Schro eder 等人[23證 實(shí) ， 他們利用膜片鉗(patch chmp)技術(shù) ， 首先在蠶 豆( V／ c／ afaba )的保衛(wèi)細(xì)胞中檢測(cè)出了 K 通道 維普資訊 164 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)第 l7 卷 (2O 05) 的存在。后來(lái) ， 人們又陸續(xù)在其它植物及細(xì)胞中 發(fā)現(xiàn)了多種類型的 K 通道。 1 鉀離子通道的結(jié)構(gòu) 單個(gè)鉀離子通道是 同源 四聚體 ， 4 個(gè)亞基 (subu nit)對(duì)稱的圍成一個(gè)傳導(dǎo)離子的中央孔道 (p ore) ， 恰好讓單個(gè) K 通過(guò)。對(duì)于不同的家族 ， g 4 亞基有不 同數(shù) 目的跨膜鏈 ( m embrane。 span。 ning elem ent)組成。兩個(gè)跨膜鏈與它們之間的 P_ 回環(huán) ( p o r e helix loop) 是 K 通 道 結(jié) 構(gòu) 的標(biāo) 志 (2TM／ P) ， 不同家族 的 K 通道都有這樣一個(gè)結(jié) 構(gòu)。電壓門控 K 通道在 2TM／ P 之前有 四條跨 膜鏈 (Sl— S4) ， 使得通道具有感受并響應(yīng)膜 電位 的能力(sensor) 。S4跨膜鏈每隔兩個(gè)殘基就有一 個(gè)帶正電荷的精氨酸或賴氨酸 ， 其他位置都是疏 水性殘基 ， 正是這些特殊結(jié)構(gòu)使得 S4 片段在 門 控過(guò)程中起著重要的作用(圖 1)。 目前從植物體中發(fā)現(xiàn)的 K 通道幾乎全是電 壓門控型的， 如保衛(wèi)細(xì)胞 中的 K 外 向整流通道 等 ， 其結(jié)構(gòu)模型如圖 2 一a 所示。離子通透過(guò)程 中離子的選擇性主要發(fā)生在狹窄的選擇性過(guò)濾 器(s e lectivity filter)中(圖 2一 b) ， X 射線晶體學(xué)顯 示選擇性過(guò)濾器長(zhǎng) 1． 2 nIll ， 孔徑約為 0． 3 n Ill， K 很多鉀離子通道亞基都由6 個(gè)跨膜鏈組成( s1～S6) ， 其中 s S6 之間的多肽鏈屬于孔道區(qū)， sl ～S4 是電壓敏感 區(qū)( Sensor) ， S4 上的一 些特殊結(jié)構(gòu)使其在電壓門控中起到特殊作用 。 圖 1植物鉀 離子通道亞基結(jié)構(gòu)示意圖 F ig ． 1 Sketch map of potassium channel of subunits structures in the plant (a) (a)圖中只標(biāo)出直徑上對(duì)置的兩個(gè)亞基(tw0 d iametrically opp osite su bmits) ， 每個(gè)亞基上 的 P． 回環(huán)形成狹窄的選擇性過(guò)濾器(selectivity f i lter)， 在其胞內(nèi)側(cè)， 細(xì)胞膜的中間， 是一個(gè)中I 39。． ,e ／ ~ (cav i ty)。(b)選擇性過(guò)濾器結(jié)構(gòu)示意圖， 過(guò)濾器中每一個(gè)亞基都存在一個(gè)保守的 TVGYG序列 (圖中藍(lán)色部分)， 圖中綠色圓球?yàn)? 個(gè)鉀離子的結(jié)合位點(diǎn)(1～ 4) ， 紅色小球則為形成結(jié)合位點(diǎn)的氧原子。 圖 2電壓門控鉀 離子通道結(jié)構(gòu)示意圖(根據(jù) Jacquehne等[’]改編) F ig ． 2 Sketch m a p of p o tassiu m channel structures[’ ] 維普資訊 閔水珠等： 植物鉀離子通道的分子生物學(xué)研究進(jìn)展 165 脫水后(直徑約為 0． 26 nm)恰好可以通過(guò)。過(guò)濾 器中每一個(gè)亞基都存在一個(gè)保 守的 TVGYG 序 列 ， 每一個(gè)序列氨基酸上的羰基氧原子都指向孔 道。每 8 個(gè)氧原子以一個(gè)近似方形棱鏡的形式 包圍成 一 個(gè) K 適 宜 的結(jié) 合 位點(diǎn) ( ion． binding site) ， 過(guò)濾器中存在 4 個(gè)這樣的位點(diǎn)。前面第 1 ～3 個(gè)位點(diǎn)處于細(xì)胞外側(cè) ， 由8 個(gè) TVGYG 序列氨 基酸上的羰基氧原子組成 ， 第 4個(gè)位點(diǎn)處于最靠 近細(xì)胞內(nèi)側(cè)的位置 ， 由 4 個(gè)羰基氧原子和 4