综述：ABCC转运蛋白在植物重金属胁迫耐受中作用的研究进展

《Discover Life》：A comprehensive review on the role of ABCC transporters in heavy metal stress tolerance in plants

　　

水体和土壤中的重金属（类金属）污染通过改变植物生理与分子活动，对污染耕地上的粮食作物造成严重损害，进而对食用此类作物的群体构成重大健康威胁。因此，培育能够应对这一严峻形势的重金属耐受植物具有重要必要性。通过利用转基因技术的分子手段创制此类植物，始终被认为是优于传统育种策略的方案。本研究系统阐释了ATP结合盒C亚型（ATP-binding cassette type C, ABCC）转运蛋白这类活性膜泵在重金属胁迫耐受中的功能。ABCC型转运蛋白家族又称多药耐药相关蛋白（multidrug resistance-associated proteins, MRPs），是植物中ABC型转运蛋白第三大亚家族。除金属解毒功能外，该类蛋白在特定磷酸化修饰存在的情况下，还参与植物细胞稳态维持与发育等多种生理过程。鉴于ABC转运蛋白普遍存在于所有高等植物中，利用该类转运蛋白开展基因工程改造，有望成为创制重金属耐受转基因植物的有效途径。研究人员旨在解析ABCC1转运蛋白在植物中的活性，以期阻断砷、铅、镉等特定重金属的毒害效应。相关研究主要在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中开展，以明确此类重金属砷的耐受机制。土壤中存在的砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）等多种重金属对植物生长具有抑制作用，部分研究聚焦于不同植物的重金属储存机制解析。

1 引言

ABC转运蛋白家族广泛分布于原核与真核生物中，通常行使活性膜泵功能。其转运底物涵盖氨基酸、糖类、核苷、维生素、金属簇等小分子无机与有机化合物，以及多肽、脂质分子、寡核苷酸、多糖等大分子有机化合物，是规模最大的蛋白家族之一。高等植物ABC超家族共包含8个亚家族：ABCA、ABCB、ABCC、ABCD、ABCE、ABCF、ABCG和ABCI，其中ABCH亚家族在植物中缺失。ABCC亚家族包含多个成员，对ABCC1亚家族的鉴定与功能表征研究表明，东南景天（Sedum alfredii Hance）中的SaABCC基因可通过介导镉（Cd）的超积累赋予植物镉耐受性，组织特异性表达分析显示部分SaABCC基因在根中表达水平显著升高，通过ABCC通路参与镉的超积累过程。早期研究认为ABCC转运蛋白仅定位于质膜与液泡膜，后续研究证实其还存在于线粒体、质体与过氧化物酶体膜上。传统观点认为植物ABCC转运蛋白可将核苷酸结合域（nucleotide-binding domain, NBD）一侧的物质转运至膜另一侧，近期研究则发现该家族也可反向转运。植物转运蛋白作为跨膜蛋白，不仅是细胞选择性离子吸收与转运的“守门人”，还在信号转导、离子平衡、渗透调节、解毒、氧化还原平衡等基础过程中发挥关键作用。本综述聚焦ATP结合盒（ABC）转运蛋白在重金属胁迫耐受中的功能，尽管该类蛋白在植物细胞中具有多重作用。ABCC型蛋白可转运谷胱甘肽结合物、叶酸、抗叶酸物质、花青素、其他黄酮类、多种异生物质与激素，还参与细胞信号转导、病原响应、气孔运动调控等发育途径。作物中的有害重金属不仅威胁植物生存，也通过食物链危害人类健康，清除砷、镉、铅等有害重金属对维持作物健康具有重要意义。超积累植物可在高浓度有毒离子（钠、氯、砷（As）、汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、硅（Si）、硼（B）、锑（Sb）、锗（Ge）、碲（Te））的严苛环境中存活，通过将离子区隔化至液泡实现适应。本综述重点探讨ABCC型转运蛋白在缓解重金属砷胁迫中的作用，系统梳理不同研究中植物ABC转运蛋白的重金属转运功能，揭示ABCC转运蛋白的丝氨酸三联体磷酸化修饰可介导植物细胞内砷向液泡转运，从而实现重金属胁迫消减，这也是本综述的核心创新点。该过程在拟南芥中依赖特定的丝氨酸三联体磷酸化修饰实现。酪蛋白激酶II（Casein Kinase II, CKII）在拟南芥中已被证实参与细胞分裂与分化的调控，ABCC转运蛋白的结构与功能仍需进一步解析，目前学界仍在持续挖掘植物ABCC蛋白的多重功能。

1.1 重金属的效应

植物生理系统中ABCC转运蛋白的功能对解析重金属效应至关重要。镉、砷、铅等重金属对植物无有益效应，且具有极强毒害作用。砷作为类金属，会严重干扰植物生理过程，除参与砷胁迫响应外，ABCC转运蛋白还介导叶酸与抗叶酸物质的转运。植物根系从环境中吸收砷酸盐（As^V）与亚砷酸盐（As^III），胞内砷酸盐通过磷酸盐转运系统摄取，并在组蛋白乙酰转移酶（Histone Acetyl Transferase, HAT）组分HAC酶的催化下还原为亚砷酸盐。胞内亚砷酸盐可与植物螯合肽（phytochelatins, PCs）结合形成复合物，降低其毒性。拟南芥AtMRP1（AtABCC1）的功能受磷酸化调控，尤其受其C端核苷酸结合域（NBD2）丝氨酸三联体的调控，酪蛋白激酶II（CKII）介导的AtMRP1磷酸化可增强其向液泡转运砷复合物的能力，从而贡献砷胁迫耐受性。ABCC转运蛋白负责将As(III)-PC复合物转运至液泡，其中AtMRP1（AtABCC1）与AtABCC2共同参与该过程，将砷复合物隔离至液泡，使其与胞质分离以降低毒害。综上，拟南芥中的砷转运过程包括：根系从土壤吸收砷酸盐与亚砷酸盐，通过植物螯合肽结合实现解毒，再由ABCC转运蛋白（如受磷酸化调控增强活性的AtMRP1）介导区隔化至液泡，在砷胁迫条件下实现耐受。

镉是工业生产中的重要重金属，却存在多重环境与健康风险。镉主要通过产生活性氧（reactive oxygen species, ROS）造成细胞损伤，导致DNA单链断裂，抑制蛋白质与核酸合成。土壤镉过量会引起植物褪绿、叶片褐化、生长受阻甚至死亡，还会抑制地上部铁(III)还原酶活性，导致铁(II)缺乏并影响光合作用；降低硝酸还原酶活性，减少硝酸盐吸收及向地上部的转运；阻碍植物对水分及钙、镁、钾等元素的摄取；抑制小麦与向日葵根细胞膜ATP酶活性。拟南芥中镉可诱导AtABC3表达，通过植物螯合肽介导提高镉耐受性，目前针对植物镉胁迫的识别研究仍在持续开展。

铬在自然界中以化合态存在，氧化态介于Cr(II)至Cr(VI)之间，其高氧化态是毒性的主要来源。Cr(VI)易穿过质膜并转化为活性中间产物，具有细胞毒性，可诱发染色体畸变、DNA链断裂、DNA片段化与大鼠氧化应激。铬胁迫常导致根长缩短，抑制种子萌发，其机制与铬抑制淀粉酶活性和糖分向胚各部位的运输有关。

1.2 植物中ABCC转运蛋白的丰度

与其他真核生物（如人与酵母）相比，植物编码ABCC转运蛋白的基因数量更多。陆地植物演化过程中ABCC亚家族成员数量增加，表明该家族发生了扩张，维管植物比其他类群（如藻类、苔藓）拥有更多独特的转运蛋白成员。转运蛋白的倍增帮助植物适应多样的陆生环境条件，不断获得新功能。拟南芥基因组包含15个ABCC（或MRP）基因（AtMRP1-15），其中14个在植物器官中表达，AtMRP15为假基因。番茄基因组中154个ABC转运蛋白编码基因中有26个为ABCC型；大豆（Glycine max）基因组中261个ABC转运蛋白中，ABCC型占48个，是第三大亚家族；水稻（Oryza sativa）与百脉根（Lotus japonicus）基因组各含17个ABCC转运蛋白；白菜（Brassica rapa）与甘蓝型油菜（Brassica napus）基因组分别含21与28个ABCC基因；菠萝（Ananas comosus）基因组中100个ABC基因中有16个属于ABCC亚家族；玉米（Zea mays）ABCC亚家族有13个成员（ZmABCC1-13）；葡萄（Vitis vinifera）中ABCC是ABC转运蛋白第三大亚家族，含26个成员（VvABCC1-26）；小麦（Triticum aestivum）鉴定出18个ABCC亚类蛋白（TaABCC1-18）；草莓（Fragaria vesca）基因组中115个候选ABC基因中有16个属于ABCC亚家族；橡胶树（Hevea brasiliensis）基因组中仅含3个ABCC基因，可能与该物种缺乏典型中央液泡有关；高粱（Sorghum bicolor）基因组中含26个ABCC型基因，其中24个为全长，2个为3/4长度。

1.3 ABCC（或MRP）转运蛋白的结构特征

典型ABC转运蛋白至少包含4个结构域：两个核苷酸结合域/折叠（nucleotide-binding domains/folds, NBD或NBF）与两个跨膜结构域（transmembrane domains, TMDs），核心元件还可添加额外结构域以实现调控功能。NBD包含参与ATP结合与水解的保守基序，两个NBD共同在界面处形成两个ATP结合位点。ABC转运蛋白可分为 importer 与 exporter 两类，根据结构与机制进一步分为I型与II型。细菌同时使用两类，真核生物多为exporter（罕见例外）。细菌的4个结构域可由单个亚基、成对相同亚基或融合的NBD/TMD组合排列而成。NBD（又称ATP结合域）在两个Walker A与Walker B基序之间包含ABC特征基序（又称C基序或LSGGQ基序），此外还存在H环与Q环。除细菌必需的4个核心结构域外，importer还需要辅助亚基负责捕获底物并将其转运至TMD的结合位点。真核生物大多数ABC转运蛋白为单条多肽链，包含所有4个功能单元，部分成员由相同或不同的“半转运蛋白”组装而成。ATP结合状态下，跨膜结构域通常呈外向构象，水解产物解离后转变为内向构象。

1.4 ABCC转运蛋白的功能依赖不同结构域

ABCC（或MRP）亚家族通常为正向结构（TMD-NBD），一般由1100—1600个氨基酸残基组成，主要定位于质膜或液泡膜。ABCC转运蛋白特有3个额外结构域：（1）N端疏水跨膜结构域TMD0，长约200个氨基酸，含5个跨膜结构域；（2）富含带电氨基酸的连接域细胞质环CL3，与NBF结构域连续；（3）C端亲水延伸域。TMD0结构域是ABC蛋白滞留于质膜或定位所必需的。拟南芥AtMRP11与AtMRP12是该结构的例外，不含TMD0结构域，目前已知其参与砷、汞、镉、铅的转运，这些重金属对植物生长、生理与遗传具有高度毒害作用。ABCC基因可为全长、半长或1/4长度，全长转运蛋白可独立行使功能，半长转运蛋白通常需要与其他伙伴形成同源或异源二聚体才能发挥功能。拟南芥基因组中仅含全长ABCC蛋白，多数定位于液泡膜。番茄中ABCC包含12个全长、6个半长、8个1/4长成员，SlABCC13结构独特（TMD-NBD-TMD），SlABCC18为反向结构（NBD-TMD），其余均为TMD-NBD取向。需注意结构相似性与命名一致性不代表功能相同，例如AtABCC7与OsABCC7、HsABCC7的功能并不一致。ABCC蛋白可转运离子、糖类、氨基酸、多肽、重金属等多种物质，还可转出毒素、水解酶、S层蛋白、细菌素，通过向外泵出药物介导细胞对抗癌剂与抗生素的抗性。除转运重金属外，ABCC1还可转运叶酸类化合物与谷胱甘肽类化合物。

1.5 重金属胁迫下ABCC转运蛋白的转运机制

所有ABC转运蛋白家族中，仅MRP与PDR两个亚家族主动参与重金属向液泡的转运。过量重金属暴露会激活植物的氧化应激防御机制，诱导产生多种胁迫响应蛋白，如胞内ROS水平升高、脂质过氧化加剧。植物ABCC（或MRP）转运蛋白功能多样，可通过金属解毒或切割参与非生物与生物胁迫耐受，还作为液泡泵参与离子通道调控、分解代谢产物转运与除草剂抗性。ABCC（或MRP）转录本对氧化胁迫具有响应特异性。重金属转运蛋白（如ABCC/MRP蛋白）的通用机制为：植物感知金属胁迫后，通过限制金属离子吸收、金属螯合、区室化等策略维持正常生长发育，其中关键策略是将类金属泵出细胞，或将重金属离子隔离至液泡等细胞器，避免损伤其他细胞区室。液泡是重金属的主要储存库，其中的质子ATP酶（V-ATPase）与焦磷酸酶（V-PPase）可借助各类通道与转运蛋白，高效将重金属离子转运至液泡内，TMD0结构域的存在也在一定程度上决定了液泡定位。

1.6 拟南芥中参与重金属耐受的ABCC转运蛋白

尽管拟南芥并非研究ABCC转运蛋白重金属胁迫响应的模式植物，但AtABCC1与AtABCC2可作为液泡植物螯合肽转运蛋白，参与砷等重金属的解毒，过表达这两个转运蛋白可提高植物砷耐受性。研究发现，AtMRP1（AtABCC1）C端核苷酸结合域（NBD）的丝氨酸三联体磷酸化参与亚砷酸盐（As(III)）胁迫耐受机制的增强。亚砷酸盐胁迫下植物发生丝氨酸磷酸化，提示砷可启动特异的转运机制。此外，Tyr682、Tyr709、Tyr822、Ser846、Ser1278与Thr140位点的丙氨酸磷酸化是植物获得砷抗性的必要条件。这两个转运蛋白还可通过两步过程介导锌、镉（Cd(II)）、汞（Hg(II)）胁迫耐受：第一步植物螯合肽与金属离子结合，第二步金属-植物螯合肽复合物被转运至液泡内降解。植物螯合肽合成增加与根、地上部镉积累升高相关，过表达植物螯合肽合成酶基因可提高镉耐受性。AtABCC6（又称AtMRP6）位于AtMRP3与AtMRP7之间，是重金属胁迫耐受基因簇的组成部分。AtMRP3负责拟南芥中镉（Cd(II)）的转运，可同时转运谷胱甘肽结合物与叶绿素分解产物两类物质，根部MRP仅在土壤镉胁迫下上调，而叶片AtMRP3可被镉胁迫、异生物质与其他氧化胁迫共同诱导。烟草中镉调控基因的研究显示，硫添加可提高根与茎的镉浓度，但叶片基因表达无显著变化。AtMRP4与AtMRP7在镉胁迫下仅轻微上调，AtMRP3则显著诱导；短期镉暴露下，成熟植物镉主要积累在根中，幼龄植物镉在根与地上部均匀分布，表明幼龄植物镉从根向地上部的转运更活跃。AtMRP7在烟草中表达可促进镉从根向地上部转运，并提高根的镉滞留能力。AtMRP3启动子与GUS报告基因融合后在拟南芥与烟草中表达，镉、镍、砷、钴、铅暴露可显著诱导转录，锌与铁暴露则无影响。AtABCC3（或AtMRP3）作为植物螯合肽-镉（PC-Cd）复合物转运蛋白，与AtABCC1、AtABCC2协同发挥作用，二者已证实可通过转运PC-Cd复合物至液泡参与镉胁迫耐受。MRP基因既可通过直接隔离Cd²⁺离子，也可通过清除活性氧（AOS）而非Cd²⁺本身实现镉解毒。AtMRP4定位于质膜，可能参与植物新型镉解毒途径。

1.7 小麦中参与重金属胁迫耐受的ABCC转运蛋白

普通小麦（Triticum aestivum）中，TaABCC3、TaABCC4、TaABCC11、TaABCC14在镉暴露下显著上调，其中TaABCC3被认为是赋予重金属积累耐受的重要基因。TaABCC13与AtMRP1、AtMRP2等镉解毒基因具有相似的膜定位能力，可作为镉解毒候选基因，其以腺嘌呤生物合成中间产物为底物。TaABCC1与OsABCC1类似，在镉存在下无差异表达，但OsABCC1可被砷诱导，推测TaABCC1可能具有类似功能。高产品种Pirsabak 2004中，TaABCC2、TaABCC3、TaABCC4等金属解毒ABCC转运蛋白在铅、镉、锌胁迫下显著上调。波兰矮秆小麦（Triticum polonicum L.）中，TpABCC1在镁、锌、铁、镉胁迫下的根系中显著上调，TpABCC9仅在铜与铁胁迫的不同处理时长下上调，提示矮秆小麦中部分ABCC转运蛋白的表达对重金属耐受具有重要作用。TaMRP3参与植酸（phytic acid, PA）的转运，PA可螯合铁、锌、钙等微量元素，因此TaMRP3可通过转运PA减少其在小麦籽粒中的积累，避免影响这些营养元素的有效性。

1.8 水稻中参与重金属耐受的ABCC转运蛋白

水稻中AtABCC1的同源蛋白OsABCC1可将砷隔离至散生维管束韧皮部伴细胞的液泡中，减少籽粒砷积累，实现砷解毒。高浓度镉胁迫下，仅1个ABCC基因上调，OsABCC4下调。镉调控基因的时间进程分析显示，上调表达的ABCC基因在镉暴露3–48 h内即被诱导，响应迅速。铬胁迫下，4个ABCC转运蛋白上调，1个下调。砷酸盐（As^V）在胞内通过组蛋白乙酰转移酶（HAT）组分HAC酶快速还原为亚砷酸盐（As^III），后者可通过植物螯合肽（PC）结合，由ABCC转运蛋白介导隔离至液泡。此外，自然抗性相关巨噬细胞蛋白1（Natural Resistance Associated Macrophage Protein 1, NRAMP1）参与As(III)的吸收与转运。

1.9 芸薹属中参与重金属耐受的ABCC转运蛋白

甘蓝型油菜（Brassica napus）在100 μM铜胁迫初期，ABCC基因MRP1强烈诱导，随处理时间延长表达逐渐下降；50 μM铜胁迫下ABCC3基因显著诱导，高浓度铜下无差异表达，提示这些基因可能参与铜离子解毒。另一项甘蓝型油菜研究显示，其基因组共28个ABCC基因，其中12个在镉胁迫下差异表达。

1.10 其他植物物种中参与重金属耐受的ABCC转运蛋白

水生蕨类槐叶萍（Salvinia minima Baker）中，MRP基因SmABCC在铅胁迫下上调，且根系表达量与铅吸收量正相关，是其铅吸收与耐受能力提升的原因之一。普通荞麦（Fagopyrum esculentum）中分离的FeABCC1可提高铅胁迫耐受与积累能力，且该过程不依赖谷胱甘肽螯合。烟草中表达人源多药耐药相关蛋白（hMRP1）可通过液泡隔离机制获得镉耐受，但不改变器官中的镉积累量。亚麻（Linum usitatissimum L.）中LuABCC9与LuABCC10在镉胁迫下差异表达。草莓（Fragaria vesca）中16个ABCC基因在不同非生物胁迫下差异表达，将FvABCC11导入拟南芥可增强转基因植株的镉耐受性，表明其参与镉胁迫耐受。高粱（Sorghum bicolor）中SbABCC5被认为可转运镉等重金属。辣椒（Capsicum chinense）中CcABCC12可通过解毒H₂O₂耐受氧化胁迫，由于H₂O₂常由金属毒性诱导，该基因也可能参与金属胁迫耐受。大麦（Hordeum vulgare L.）中MRP3在镉胁迫下上调。欧美杨（Populus deltoides）中PxABCC2与美洲黑杨（P. × canadensis）中PdABCC3分别与AtABCC2、AtABCC3序列高度相似，铜胁迫下两者均显著诱导，验证了其与拟南芥金属解毒同源蛋白的功能一致性。桦树（Betula pendula）耐铜克隆中分离的MRP4基因在根中表达量高于地上部。酵母MRP蛋白ScYcf1与ScYHL035C在杨树上表达后，转基因植株对镉、铅的抗性显著提高，可用于镉、铅污染的植物修复。毛果杨（Populus trichocarpa）中PtABCC1在汞耐受与积累中发挥关键作用。

1.11 超积累植物中参与重金属耐受的ABCC转运蛋白

超积累植物Thlaspi caerulescens中，部分MRP转运蛋白（TcMRP10s）在高浓度锌条件下诱导表达，还参与铜、镉胁迫耐受。极端环境植物Noccaea caerulescens的金属超积累与高耐受特性依赖多个基因，其中ABCC/MRP基因家族是重要组成部分。东南景天中也已鉴定到参与镉耐受与积累的ABCC转运蛋白。

2 结论与展望

ABC型蛋白不仅定位于膜上，还具有更广泛的生物学功能，植物ABC转运蛋白的功能研究是当前快速发展的领域，其不同亚家族可行使多样化的功能，但亚家族间缺乏清晰的功能界限，无法为每个亚家族指定唯一功能。本综述聚焦ABCC（或MRP）亚家族及其在金属解毒或区隔化中的作用，阐明其对植物重金属耐受的贡献——这是植物应对重金属的第二道防线，第一道防线则是通过细胞与根系分泌物减少土壤重金属吸收。对拟南芥、水稻、小麦、葡萄、大豆等多种植物ABC型转运蛋白的全基因组鉴定显示，ABCC（或MRP）亚家族成员数量众多，是ABC家族第三大亚家族，其在重金属胁迫耐受中的参与可对植物产生显著增益。本综述系统梳理了不同植物中ABCC转运蛋白在重金属胁迫消减中的研究进展，相关技术的规模化应用将对食品产业产生积极效益。近年来，ABC转运蛋白的功能表征已取得诸多进展，但多数转运蛋白的特异底物与磷酸化修饰尚未明确，这可能与其能够转运结构迥异、无关联的分子有关。未来仍需深入开展ABCC功能与其他特性的研究，以进一步阐明其在植物重金属抗性中的作用机制。