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植物对氨基酸和肽的吸收

作者:Joshua R. WidhalmJoshua R. Widhalm,美国普渡大学园艺和景观设计系,美国

电子邮件: jwidhalm@purdue.edu

 

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氨基酸是所有生物体内合成蛋白质的重要组成部分。在植物中,游离的 "蛋白源 "氨基酸在氮的同化和运输中发挥着额外的作用,作为信号化合物,作为渗透压,以及作为制造各种激素、辅助因子和其他主要化合物如叶绿素的前体。植物还利用氨基酸集体生产成千上万的特殊化合物,以促进生态相互作用,并提供对环境压力的适应性反应。

植物中的氨基酸也可以以聚合形式结合成小肽,通常由5到60个氨基酸组成。某些小肽在植物生长和发育中起着类似激素的作用(Roy等人,2018)。其他的小肽在应对创伤、病原体感染、营养失衡、干旱或高盐度时发挥作用(Chen等人,2020)。虽然许多内源性的小肽是基因编码的,但有些是通过前蛋白的裂解和翻译后修饰产生的(Matsubayashi, 2014)。外部应用的肽作为蛋白质水解物的成分或用随机序列合成的肽也被发现能引起生物活性(Roy等人,2018)。然而,对游离氨基酸及其聚合形式--肽和蛋白质--如何从环境中被吸收的分子机制的理解最近才开始出现。

对介导氨基酸和肽的吸收和运输的生化过程的调查始于20世纪80年代和90年代,利用从各种植物组织中分离出来的膜囊泡进行吸收试验。使用放射性标记的底物和荧光标记方法,揭示了多种氨基酸和多肽运输系统的出现(Tegeder和Rentsch,2010)。从那时起,在非根茎类的模式物种拟南芥中,至少有十几个转运体家族的成员被确认。功能研究--结合使用异源表达系统、基因敲除和过表达系,以及表达分析来确定器官/组织定位--已经揭示了转运体在土壤氨基酸吸收、细胞进出口和/或整个植物维管系统长距离运输中的作用(Tegeder, 2014)。

参与根部氨基酸摄取的质膜定位转运体属于氨基酸-多胺-胆碱(APC)转运体超家族中的三个家族。(i) 氨基酸渗透酶(AAPs),作为具有中等亲和力的广泛底物转运体;(ii) 赖氨酸/组氨酸样转运体(LHTs),进口中性和酸性氨基酸;(iii) 脯氨酸和甘氨酸甜菜碱转运体(ProTs),运输渗透性物质脯氨酸和甘氨酸甜菜碱(Tegeder和Masclaux-Daubresse, 2018)。

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肽转运体/硝酸盐转运体1(PTR)家族的成员AtPTR1参与了二肽在根部的吸收(Komarova等人,2008)(图1)。除此之外,虽然其他PTR和ATP结合盒式(ABC)转运体和寡肽转运体(OPT)家族的成员可能参与其中,但对根部多肽的吸收知之甚少(Tegeder和Rentsch,2010;Roy等人,2018)。

在菌根植物中,真菌共生体有助于氨基酸和肽的吸收。菌根还表现出蛋白质分解活动,与土壤中自由生活的微生物一起,使绑定在蛋白质和肽中的氨基酸被植物吸收(Näsholm等人,2009)(图1)。

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图1.在植物中集体发现的潜在的氨基酸摄取途径。在根部,氨基酸可以以其游离(单体)形式或以小肽或蛋白质的聚合形式被吸收。一些植物释放蛋白酶将土壤中的蛋白质和肽转化为游离氨基酸,而其他植物则依靠真菌共生体的活动进行蛋白质分解和摄取。新的证据表明,某些植物可能能够获得施加在气生组织上的外源性氨基酸,尽管推定的吸收途径尚不清楚。

最近才发现,几种不同的非根茎类植物的根部渗出属于半胱氨酸蛋白酶家族的蛋白质分解酶(Adamczyk等人,2010),可以分解根部表面和根部皮层的腹膜中的蛋白质(Paungfoo-Lonhienne等人,2008)。然后,释放的小肽和自由氨基酸可被质膜定位的运输工具吸收。植物细胞膜还含有富含亮氨酸的重复受体激酶(LRR-RKs),感知肽和蛋白质配体(Hohmann等人,2017)。这些受体形成植物免疫系统的第一层,在根部表达的成员有助于控制卡斯帕里安条带的扩散屏障的形成(Okuda等人,2020)。据报道,完整的蛋白质也能通过内吞作用进入根毛,然后在植物细胞内被消化(Paungfoo-Lonhienne等人,2008)。

在土壤中,植物很容易被微生物争夺有机氮。微生物有更快的周转率和更大的表面积与体积比,使它们更容易获得土壤中的底物。这就提出了氨基酸、肽和蛋白质作为植物氮的重要来源的程度问题(Näsholm等人,2009)。由于外源性的氨基酸、肽和蛋白质具有超出氮代谢的有益作用(Colla等人,2017b),这可能表明从土壤中吸收的氨基酸和肽的其他作用。

虽然许多研究集中在从土壤中获取氨基酸,但一些植物能够通过气生组织摄取它们。例如,在肉食植物(如尼泊尔植物)的陷阱中,从消化的猎物中释放的营养物质,包括氨基酸、肽和蛋白质,被植物回收。消化后,分子通过孔隙穿透角质层,进入细胞膜,在那里被内吞到细胞中,然后向中叶转移,进一步纳入新陈代谢中(Adlassnig等人, 2012)。

附生植物(也称为 "空气植物")主要从空气和周围的其他非土壤碎片中获取水分和营养。这些非寄生植物生长在其他植物的顶部,包括许多类型的苔藓、蕨类、兰花和凤梨科植物。附生植物没有角质层障碍,缺乏发达的根系和维管系统,15N标记的研究显示,它们可以通过叶面施用吸收甘氨酸(Song等人,2016)。附生凤梨科植物,如 "西班牙苔藓"(Tillandsia usneoides)和 "盆栽气生植物"(T. paucifolia),是非寄生性的单子叶植物,其维管系统减少,利用其根部附着在附近的植物上,然后通过专门的叶毛体收集营养物质,包括氨基酸(Nyman等人,1987)。

其他类型的植物呢?用15N标记的氨基酸进行的示踪研究表明,匍匐翦股颖(Stiegler等人,2013)和桃树(Furuya和Umemiya,2002)的叶片能够通过其叶片吸收氨基酸。麦考伊等人(McCoy et al., 2020)最近的一项研究进一步证明,15N,13C双标记的谷氨酸外施于匍匐茎叶,被纳入脯氨酸和γ-氨基丁酸(GABA)。这项工作很重要,因为它表明叶子表面的矿化作用是应用氨基酸的次要结果,并表明外源性氨基酸可以被纳入植物的新陈代谢中。

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已经观察到叶面施用蛋白水解物可以提高一些农业相关物种的生产力、环境压力耐受性和其他生理特性,包括番茄(Colla等人,2017a)、果树(Tanou等人,2017)和大豆(Teixeira等人,2018)。虽然应用通常含有表面活性剂,以增加亲水氨基酸和小肽穿过疏水角质层的渗透性,但其他因素,如气候(Pecha等人,2012)和水孔的存在(Schönherr,2006)也影响吸收。

一旦氨基酸和肽穿过角质层屏障,它们就会进入细胞壁空间(根皮层),在那里它们可以被一个或多个质膜定位的运输器吸收。从这里,它们也可以--先验地--与LRR-RKs结合或被运输到植物的其他部分。最有可能的长距离运输途径是通过凋落物韧皮部途径,将氨基酸从凋落物导入韧皮部(Tegeder和Masclaux-Daubresse, 2018)。涉及的运输器包括来自同一AAP类的成员,有助于根部从土壤中吸收氨基酸(Santiago和Tegeder,2016)。有意思的是,植物的凋谢性韧皮部途径的运作通常依赖于氨基酸从叶源细胞输出到凋谢体中。因此,可以设想,通过叶面外源性供应氨基酸实际上绕过了这一步骤,从而影响了应用基于蛋白质水解物的生物刺激剂时看到的果实质量和根系结构方面(Colla等人,2015)。

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