近日，我院郑海雷教授课题组在国际期刊Plant, Cell & Environment 上发表了题为“Genome-wide identification and characterization of aquaporins in mangrove plant Kandelia obovata and its role in response to intertidal environment”的研究论文，揭示了红树植物秋茄水通道蛋白AQP的表达模式，转运水和过氧化氢的功能以及对几种环境胁迫（盐、水淹和冷）的响应。

研究背景

水是生命之源，植物的生长和发育依赖水的吸收和运输。水在植物中的流动包括质外体和共质体途径。水通道蛋白(AQPs)跨膜运输水分子，它属于主要内在蛋白(MIP)家族，在调节植物细胞和组织的水分平衡中起着重要作用。植物水通道蛋白已被证明是水和其他小分子如CO₂、H₂O₂、尿素、氨、甘油、硅、硼和砷的运输通道。

作为一个典型的真红树林植物，秋茄对沿海湿地的极端潮间带环境具有高度的适应性，表现出对高盐、水淹、高光和高温等环境压力的耐受性。此外，在红树林植物中，秋茄在中国有最高的自然分布纬度，这表明秋茄与其他红树林相比有更强的耐寒性。尽管秋茄能够在海水中吸收水分并维持水分平衡，但秋茄AQP基因家族的信息和生理功能仍不清楚。

研究结果

该研究在秋茄全基因组中鉴定到了34个水通道蛋白基因，这些基因被分为五个亚家族，包括PIP、TIP、NIP、SIP和XIP。系统发育、基因结构、保守序列、蛋白质结构分析表明KoAQP（秋茄水通道蛋白）在进化上是保守的，具有水通道蛋白的一般特征。顺式元件分析显示在KoAQPs基因的启动子区域有胁迫和激素类的响应元件，表明 KoAQP 可能对胁迫和激素有响应。亚细胞定位和功能分析表明，KoAQPs在细胞膜或亚细胞器膜上起转运 H₂O 和 H₂O₂ 的功能。组织特异性表达谱显示KoAQPs在根、茎、叶、花和果实发育的各个阶段中的有不同的表达模式，表明KoAQPs在植物生长发育和生殖发育过程中发挥重要作用。此外，实时荧光定量PCR分析结合转录组数据表明，环境改变会导致KoAQPs的表达量发生变化，它对环境因素具有复杂的响应，包括盐度、水淹和寒冷。总的来说，KoAQPs 对水和溶质的运输有助于秋茄适应沿海潮间带环境。

图1：KoAQPs的亚细胞定位和KoAQPs转运水的功能

图2：在含H 2O2的培养基上表达KoAQP基因的酵母细胞的毒性生长测定

图3：KoAQP响应环境压力和对H₂O和H₂O₂运输的模型

通常植物在受到胁迫后细胞中会积累过量的H₂O₂，红树植物秋茄在经历盐、水淹和冷刺激后，也会导致叶绿体、线粒体、细胞质和质外产生过量的H₂O₂，同时这些环境胁迫也会导致一些KoAQPs的表达量上升，其中一些表达量上升的水通道蛋白可以将过量的H₂O₂运输到液泡中降解，最终减少胁迫造成的损伤。

研究团队

我院博士生郭泽军为论文的第一作者，郑海雷教授、李庆顺教授和沈英嘉教授为论文的共同通讯作者，博士生马东娜、李静、魏明月、张露丹、何姗姗和，硕士周丽春、王琳和工程技术人员周晓旋也参加了研究工作。本研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金的支持。

论文来源：Guo, Z., Ma, D., Li, J., Wei, M., Zhang, L., Zhou, L., Zhou, X., He, S., Wang, L., Shen, Y., Li, Q.Q., and Zheng, H.L. (2022). Genome-wide identification and characterization of aquaporins in mangrove plant Kandelia obovata and its role in response to the intertidal environment. Plant, Cell & Environment 45: 1698-1718.

论文连接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14286