張艷艷，王 倩，劉貫山

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101）

多藥和有毒化合物排出（multidrug and toxic compound extrusion，MATE）基因編碼的蛋白是一類依靠Na+/H+跨膜電化學(xué)勢轉(zhuǎn)運底物的次級轉(zhuǎn)運蛋白，對金屬離子、次級代謝產(chǎn)物、抗生素及多種藥物有轉(zhuǎn)運作用。MATE是一個多基因家族，該家族成員最先在細(xì)菌中報道，此后真菌、動物和植物中也陸續(xù)有MATE基因得到鑒定。植物MATE家族成員主要參與金屬離子、毒素物質(zhì)和次級代謝產(chǎn)物的運輸，進而在抗逆和毒素解毒中發(fā)揮作用；部分成員參與生長素的生物合成，調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育進程。

1 植物MATE基因家族及其功能

1.1 真核生物轉(zhuǎn)運蛋白家族

生物的解毒機制主要包括氧化降解、固定化、水解反應(yīng)、轉(zhuǎn)化作用以及代謝排出體外等。其中，將自身代謝或外界產(chǎn)生的有毒物質(zhì)排出體外是一種有效的解毒機制。研究表明，高等真核生物中該過程主要涉及三類轉(zhuǎn)運蛋白家族：ATP結(jié)合盒(ATP-binding cassette，ABC)超家族、主要促進因子超家族(major facilitator superfamily，MFS)和MATE家族[1]。ABC超家族又可分為ABCB、ABCC、ABCG三個亞家族,分別參與植物生長素的極性運輸調(diào)節(jié)[2]、囊泡運輸[3-4]和植物自身的抗性保護等[5-6]。MFS超家族是一類典型的次級轉(zhuǎn)運蛋白，利用H+滲透勢能轉(zhuǎn)運底物[7]，主要參與植物對營養(yǎng)物質(zhì)及金屬離子的轉(zhuǎn)運吸收[8-9]。相較于MFS超家族和ABC超家族，人們對MATE家族的了解較晚。1998年，Morita等[10]鑒定到一個新的轉(zhuǎn)運蛋白，由于其與MFS家族類似，均含有12個跨膜區(qū)域，人們最初把這一類蛋白劃入MFS家族中。后來的研究表明，這類蛋白與 MFS蛋白序列同源性很低，保守域也不相同，因此被劃分到一個新的家族中，命名為多藥和有毒化合物蛋白家族，即MATE家族。隨著研究的深入，越來越多的MATE家族成員被鑒定出來。依據(jù)其序列相似性及親緣關(guān)系的遠近，已經(jīng)鑒定到的約900個MATE家族蛋白又可分為三個亞類：NorM亞類、DinF亞類和真核亞類[11]。其中，NorM、DinF亞類為H+/Na+勢驅(qū)動，真核亞類則全部為H+勢驅(qū)動。

1.2 植物MATE家族

目前已知的植物MATE家族成員大部分屬于真核亞類。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中預(yù)測到56個MATE家族基因[12]。這些基因根據(jù)系統(tǒng)進化關(guān)系大致可以分為5個簇，除第三簇為8-13個跨膜區(qū)外，其它簇均為12個跨膜區(qū)。在水稻（Oryza satviva）中預(yù)測到53個MATE基因[13]。

1.3 植物MATE基因的功能

目前對擬南芥MATE基因的研究相對深入，56個MATE基因中已有9個得到功能鑒定。水稻中也已鑒定出6個MATE基因[14]。這些基因的功能大致可分為三個方面：（1）轉(zhuǎn)運生物堿、類黃酮、花色素苷等次級代謝產(chǎn)物和四甲胺、溴化乙錠等毒素物質(zhì)。如AtTT12[15]、AtDTX1[12]、AtFFT等[16]，此類蛋白一般定位于質(zhì)膜或液泡膜，在次級代謝物、毒素物質(zhì)的液泡封裝和細(xì)胞外排中發(fā)揮作用。（2）參與水楊酸介導(dǎo)的Fe3+、Al3+、Zn2+等金屬離子的轉(zhuǎn)運。這類蛋白包括AtEDS5[17]、FRD類MATE成員(AtFRD3[18]、OsFRDL1[19]、OsFRDL4[20])、HvAACT1[21]等。（3）參與植物生長素的生物合成過程。在擬南芥激活標(biāo)簽插入突變?nèi)后w中鑒定到一個株型明顯改變的突變體adp1[22]，該突變體具有株高矮、側(cè)枝數(shù)目增多、蓮座葉數(shù)目增多和頂端優(yōu)勢不顯著的表型。后續(xù)分析表明，該突變表型為MATE家族基因ADP1（At4g29140）的過量表達所致。ADP1定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，參與生長素的生物合成過程，過表達該基因引起植株生長素含量下降。擬南芥中與ADP1同屬一個亞家族的其他7個MATE基因（At1g58340、At4g23030、At5g52050、At5g19700、At2g38510、At1g71870、At5g49130）的過量表達均能不同程度地產(chǎn)生該突變表型，推測該亞家族成員可能具有相似的功能。

普通煙草（Nicotiana tabacum）、苜蓿（Medicago truncatula）、大麥（Hordeum vulgare）、高粱（Sorghum bicolor）中也有少量MATE基因的功能得到研究。

2 煙草MATE基因家族及其功能

2.1 煙草MATE基因家族

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所利用茄科植物數(shù)據(jù)庫中普通煙草的基因組信息，對該物種的MATE家族成員進行了基因組水平預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明，普通煙草MATE基因數(shù)目為131個，約為擬南芥的兩倍。相似性極高的同源基因往往成對出現(xiàn),分析其應(yīng)為來源于絨毛狀煙草（Nicotiana tomentosiformis）和林煙草（Nicotiana sylvestris）的直系同源基因。目前，普通煙草中共鑒定四個MATE基因，它們分別是NtMATE1、NtMATE2、Nt-JAT1和Nt-JAT2。

2.2 煙草MATE參與煙堿等生物堿的轉(zhuǎn)運過程

植物在其生命周期中會合成多樣的次級代謝產(chǎn)物以抵御外界環(huán)境脅迫對自身的傷害。作為煙草的重要次級代謝產(chǎn)物，煙堿可以在一定程度上抵御病原菌和昆蟲對植株的侵害[14]。煙堿主要在煙草根部合成，通過木質(zhì)部向上運輸至葉肉細(xì)胞的液泡中發(fā)揮作用[23-24]。煙草體內(nèi)多種轉(zhuǎn)運蛋白相互協(xié)調(diào)參與該過程，以確保植株本身不受煙堿的毒害。現(xiàn)已證明，普通煙草中至少有四個MATE基因（NtMATE1、NtMATE2、Nt-JAT1、Nt-JAT2）參與到該過程中,其表達均受到損傷相關(guān)誘導(dǎo)激素-茉莉酸甲酯的強烈誘導(dǎo)。NtMATE1和NtMATE2是一對來源于絨毛狀煙草和林煙草的直系同源基因，它們在根中特異表達。其表達除受茉莉酸甲酯誘導(dǎo)外，還受內(nèi)、外源煙堿誘導(dǎo)。相較于野生型植株，兩基因的RNAi干擾植株對煙堿脅迫更為敏感。轉(zhuǎn)NtMATE1、NtMATE2基因的酵母細(xì)胞具有較高的尼古丁轉(zhuǎn)運活性。亞細(xì)胞定位顯示，NtMATE1定位于液泡膜中，分析其主要參與煙堿合成后的液泡封存過程[25]。Nt-JAT1基因在根、莖、葉中都有表達。該基因可以轉(zhuǎn)運煙堿、小檗堿等內(nèi)外源生物堿，但不能轉(zhuǎn)運黃酮類物質(zhì)。Nt-JAT1在不同組織中的亞細(xì)胞定位結(jié)果不同：在葉中，該基因定位于液泡膜；在根部，該基因定位于質(zhì)膜。結(jié)合該蛋白耦合H+轉(zhuǎn)運底物，且細(xì)胞質(zhì)pH值高于質(zhì)外體和液泡的情況，推測該基因在根部參與煙堿的細(xì)胞外排過程，在葉中參與煙堿的液泡封存過程[26]。Nt-JAT2基因在野生型植株中表達量很低，只在葉中微量表達。茉莉酸甲酯能顯著提高該基因在葉中的表達。亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示，該基因定位于液泡膜。在茉莉酸甲酯響應(yīng)的脅迫誘導(dǎo)下，該基因表達量的提高可加速葉肉細(xì)胞中液泡對煙堿的積累，進而提高植株的抗性[14]。

除煙草外，其它植物中也鑒定到一系列具有轉(zhuǎn)運生物堿功能的MATE基因。擬南芥AtDTX1對黃連素、小檗堿等生物堿有轉(zhuǎn)運作用[12]。黃連液泡膜上的MATE蛋白參與黃連素的運輸[27]。

2.3 煙草MATE參與植株生長素的合成過程

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所在煙草激活標(biāo)簽插入突變?nèi)后w中鑒定到兩個具有相似表型的突變株系，它們均具有株高矮、葉節(jié)間距短、早花等突變表型。進一步分析表明，盡管兩個突變株系的激活標(biāo)簽插入位置不同，但激活標(biāo)簽的一側(cè)均存在一個MATE家族基因，且這兩個基因與擬南芥ADP1基因同屬于一個亞家族。表達分析結(jié)果表明，突變株系中 MATE基因表達量明顯升高。由此推測，這兩個煙草中的 MATE基因也有可能參與生長素的生物合成過程。

3 問題與展望

煙草作為一種特殊的嗜好性作物，其體內(nèi)次級代謝物質(zhì)的含量對品質(zhì)及經(jīng)濟價值有重要影響。同時，植物MATE家族基因?qū)Υ渭壌x物質(zhì)的運輸、轉(zhuǎn)運和積累發(fā)揮不可忽視的作用。因此，研究煙草中該家族基因具有重要的理論價值和實踐意義。與擬南芥和水稻相比，煙草中得以鑒定的MATE基因數(shù)目較少，且功能主要集中在煙堿轉(zhuǎn)運方面,人們對該家族功能的了解非常有限。隨著煙草全基因組測序的完成和功能基因組學(xué)的開展，將有更多煙草MATE家族成員的功能及調(diào)控機制逐步被闡明，部分MATE基因可能會在新型煙制品煙葉原料的品種選育工作中發(fā)揮重要作用。

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