李露露曲長(zhǎng)鳳鄭洲，2王以斌，2繆錦來，2張莉

（1. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；2. 海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266235；3. 北京聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院，北京 100011）

綜述與專論

藻類水通道蛋白的研究進(jìn)展

李露露1曲長(zhǎng)鳳1鄭洲1，2王以斌1，2繆錦來1，2張莉3

（1. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；2. 海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266235；3. 北京聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院，北京 100011）

目前，大量水通道蛋白已在古菌、細(xì)菌、真菌、動(dòng)物和植物中相繼被發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于低等植物——藻類水通道蛋白的研究相對(duì)較少。藻類與陸地高等植物在生長(zhǎng)環(huán)境方面存在較大差異，因此其體內(nèi)存在的水通道蛋白在功能作用機(jī)制方面與高等植物會(huì)有不同。所有藻類的生長(zhǎng)發(fā)育過程都與水分傳導(dǎo)息息相關(guān)，而藻類水通道蛋白不僅僅是水分運(yùn)輸?shù)耐ǖ赖鞍?，同時(shí)還具有其他生理生化功能，是一類多功能蛋白。與植物水通道蛋白相比，藻類水通道蛋白的研究起步較晚。在2004年從萊茵衣藻中得到第一個(gè)水通道蛋白后，越來越多的研究者開始對(duì)藻類體內(nèi)存在的水通道蛋白產(chǎn)生關(guān)注。近年來，在一些藻類全基因組測(cè)序完成的基礎(chǔ)之上，研究者對(duì)藻類水通道蛋白的探索也有了新的進(jìn)展。迄今為止，已有8個(gè)不同亞族的藻類水通道蛋白被確定出來，而且在近兩年內(nèi)，又有研究者從南極冰藻、條斑紫菜和羊棲菜中發(fā)現(xiàn)新的藻類水通道蛋白。綜述了當(dāng)前藻類水通道蛋白的分類和結(jié)構(gòu)特征等方面的研究進(jìn)展，并結(jié)合新發(fā)現(xiàn)的幾種藻類水通道蛋白，闡述了藻類處于脅迫環(huán)境時(shí)水通道蛋白的特異性表達(dá)和所發(fā)揮的生理功能，為后續(xù)相關(guān)藻類水通道蛋白的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)。

藻類；水通道蛋白；分類；結(jié)構(gòu)特征；生理功能

水通道蛋白（Aquaporins，AQPs），又稱為水孔蛋白，是細(xì)胞膜上高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的孔道蛋白，屬于主要內(nèi)在蛋白（Major intrinsic proteins，MIPs）超家族［1］，除對(duì)水具有跨膜運(yùn)輸作用外，也能促進(jìn)許多其他小分子極性物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，如甘油［2］、尿素［4］、H2O2［3］、NH3［5］、CO2［6］等。1988年，Denker和Agre等［7］最先從紅細(xì)胞和腎小管細(xì)胞膜上分離出第一個(gè)哺乳動(dòng)物的水通道蛋白AQP1，并基于該研究獲得2003年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)［8］。此后，因水通道蛋白在水分跨膜運(yùn)輸、滲透平衡等方面具有重要意義，逐漸成為研究熱點(diǎn)。到目前為止，已在古菌、細(xì)菌、真菌、動(dòng)物和植物中相繼發(fā)現(xiàn)大量水通道蛋白的存在［9］，但對(duì)低等植物——藻類水通道蛋白的關(guān)注度較低，相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道也很少。

與高等植物相比，藻類形態(tài)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，生活方式相對(duì)簡(jiǎn)單，因而藻體內(nèi)水通道蛋白數(shù)量相對(duì)較少。另外，藻類與陸地高等植物在生長(zhǎng)環(huán)境方面存在較大差異，特別是海洋藻類，生長(zhǎng)于低溫或高鹽的環(huán)境中，其體內(nèi)存在的水通道蛋白在功能作用機(jī)制方面與高等植物會(huì)有一定區(qū)別［10］。

與植物水通道蛋白相比，藻類水通道蛋白的研究起步較晚。2004年，Anderca等［11］首次從萊茵衣藻中得到第一個(gè)水通道蛋白后，研究者們逐漸把關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到藻類水通道蛋白上。近年來在完成了幾種藻類全基因組測(cè)序的基礎(chǔ)上［12］，研究者對(duì)藻類水通道蛋白的探索也開始有了新的進(jìn)展。本文綜述了當(dāng)前藻類水通道蛋白的分類和結(jié)構(gòu)特征等方面的研究進(jìn)展，并結(jié)合新發(fā)現(xiàn)的幾種藻類水通道蛋白，闡述了藻類處于脅迫環(huán)境時(shí)水通道蛋白的特異性表達(dá)和所發(fā)揮的生理功能，為后續(xù)相關(guān)藻類水通道蛋白的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 藻類水通道蛋白的分類

藻類水通道蛋白因其結(jié)構(gòu)特征的不同，可被劃歸為不同的分類。在高等植物水通道蛋白家族中，常見分類為質(zhì)膜內(nèi)在蛋白（Plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）、液泡膜內(nèi)在蛋白（Tonoplast intrinsic proteins，TIPs）、 類Nod26膜 內(nèi) 在 蛋 白（Nodulin 26-like intrinsic proteins，NIPs）和小分子堿性膜內(nèi)在蛋白（Small and basic intrinsic proteins，SIPs）［4］，另外還包括GlpF膜內(nèi)在蛋白（GlpF-like intrinsic proteins，GIPs）［13］、混合內(nèi)在蛋白HIPs（Hybrid intrinsic proteins，HIPs）和未被分類的XIPs（Uncategorized X intrinsic proteins，XIPs）內(nèi)在蛋白［14］。而在藻類水通道蛋白的分類中卻有所不同。

2011年，Anderberg等［15］在已完成測(cè)序的9種綠藻基因組基礎(chǔ)上，成功獲得了22條綠藻水通道蛋白基因，這其中包括萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、團(tuán)藻（Volvox carteri）、膠球藻C-169（Coccomyxa C-169）、 小 球 藻 CN64A（Chlorella CN64A）、 細(xì) 小 微 胞 藻CCMP1545（Micromonas pusilla CCMP1545）、微胞藻RCC299（Micromonas RCC299）、海洋真核微藻（Ostreococcus tauri）、綠色鞭毛藻（Ostreococcus lucimarinus）和單細(xì)胞球形綠藻RCC809（Ostreococcus RCC809）；將其各自所編碼的藻類水通道蛋白與已確定的動(dòng)、植物水通道蛋白參考序列進(jìn)行序列比對(duì)，進(jìn)而再基于最大似然法和貝葉斯法進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹分析發(fā)現(xiàn)，這22條藻類水通道蛋白可分為7個(gè)亞族，其中2個(gè)亞族分別與陸地植物中PIPs、GIPs存在相似之處，因而便采用其各自對(duì)應(yīng)的分類名，而另外的5個(gè)亞族與已知?jiǎng)印⒅参锏乃ǖ赖鞍状嬖谳^大差異，且沒有發(fā)現(xiàn)任何同系物的存在，因此認(rèn)為它們是綠藻獨(dú)有的亞族，研究者當(dāng)時(shí)隨機(jī)將它們命名為MIPA、MIPB、MIPC、MIPD和MIPE。

PIPs亞族包括膠球藻中的兩種蛋白CcPIP4；1和CcPIP4；GIPs亞族包括膠球藻C-169中的CcGIP1；1和小球藻CN64A中的CnGIP1；1兩種蛋白。MIPA亞族的蛋白包括膠球藻C-169中的CcMIPA1；1蛋白；MIPB亞族的蛋白包括綠色鞭毛藻中的OlMIPB1；1和單細(xì)胞球形綠藻RCC809中的OrMIPB1；1兩種；MIPC亞族的蛋白有3種，分別是來自細(xì)小微胞藻CCMP1545的MpMIPC1；1、微胞藻RCC299的MrMIPC1；1和海洋真核微藻的OtMIPC1；1；而MIPD作為5種藻類獨(dú)有的水通道蛋白分類中最大的一個(gè)亞族，包括8種蛋白，其中萊茵衣藻中有兩種，即CrMIPD1；1和CrMIPD2；1，團(tuán)藻中有3種，分別是VcMIPD1；1、VcMIPD2；1和VcMIPD4；1，膠球藻C-169中有兩種，即CcMIPD1；1和CcMIPD3；1，以及小球藻CN64A中的CnMIPD1；1；MIPE亞族蛋白有4種，其中3種存在于小球藻CN64A中，即CnMIPE1；1、CnMIPE1；2和CnMIPE1；3，另外一種是在單細(xì)胞球形綠藻RCC809中發(fā)現(xiàn)的OrMIPE1；1。

2014年，Khabudaev等［16］將20種來自不等鞭毛門下屬的幾種藻類，包括硅藻、褐藻等的水通道蛋白與其他物種的水通道蛋白進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)除一些屬于PIPs亞族、GIPs亞族和MIPE亞族外，另外還有9種蛋白可劃歸為一個(gè)新的亞族LIPs（Large intrinsic proteins）。它們分別是來自抑食金球藻（Aureococcus anophagefferens）的AaMIP1［17］、假微型海鏈藻（Thalassiosira pseudonana）的TpMIP2［18］、大洋海鏈藻（Thalassiosira oceanica）的ToMIP1［30-19］、三角褐指藻（Phaedactylum tricbrnutum）的PtMIP5［20］、微擬球藻（Nannochloropsis gaditana）的Ng-MIP［21］、針尖桿藻亞種（Synedra acus subsp. radians）的SarMIP［22］、多列擬菱形藻（Pseudo-nitzschia multiseries）的PnmMIP［23］、柱狀脆桿藻（Fragilariopsis cylindrus）的FcMIP［24］、褐藻長(zhǎng)囊水云（Ectocarpus siliculousus）的EsMIP［17］的9種水通道蛋白。

2 藻類水通道蛋白的結(jié)構(gòu)特征

利用X射線技術(shù)研究水通道蛋白結(jié)晶的分子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明植物、動(dòng)物和微生物等水通道蛋白具有高度保守的結(jié)構(gòu)特征［25，26］。藻類水通道蛋白是一類分子量為24-34 kD的蛋白質(zhì)［27］，其一級(jí)結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)水通道家族中高度保守序列天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala，NPA）組成的單肽鏈，兩個(gè)NPA且呈180°對(duì)稱鏡像結(jié)構(gòu)。蛋白單體具有6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，并組成了該蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)，6個(gè)跨膜區(qū)域均為α螺旋（即H1-H6），中間由5個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)（即A-E環(huán)）相連，其中B環(huán)和D環(huán)位于胞內(nèi)側(cè)，A環(huán)、C環(huán)和E環(huán)位于胞外側(cè)，且在B環(huán)、E環(huán)的中間部分還包含有一個(gè)NPA模體［9］。三級(jí)結(jié)構(gòu)是由Jung等［28］提出的“沙漏”模型，即胞內(nèi)B環(huán)和胞外E環(huán)向模內(nèi)折疊，NPA膜體的一半以相反的方向嵌入膜中，最終形成一個(gè)可以運(yùn)輸水分的孔道［29］。藻類水通道蛋白的四聚體形式構(gòu)成其四級(jí)結(jié)構(gòu)，蛋白單體的6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)組成一個(gè)亞基，亞基中6個(gè)跨膜α螺旋形成一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)孔道［30］。近年來，Murata［31］等提出，水通道蛋白跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)水的途徑是蛋白亞基的中心通道，而非四聚體中四個(gè)亞基圍繞而成的中央孔洞。此外，在NPA模體外側(cè)存在一個(gè)收縮的芳香族化合物/精氨酸（Aromatic/Arg，ar/R）模型結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)四聚體，由跨膜螺旋H2和H5上各一個(gè)氨基酸殘基，以及E環(huán)上兩個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。NPA和Ar/R共同對(duì)藻類水通道蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)選擇性產(chǎn)生決定性影響［32-34］。

藻類水通道蛋白的分類不同，其所具有的結(jié)構(gòu)特征也各不相同。其中，藻類水通道蛋白的PIPs亞族蛋白的ar/R模型氨基酸殘基組成與植物水通道蛋白的PIPs高度相似，與擬南芥水通道蛋白AtPIP2；3相比，只是第三個(gè)堿基發(fā)生了變化，由F-H-T-R變成了F-H-C-R［15］。另外，GIPs亞族蛋白的ar/R模型氨基酸組成與小立碗蘚（Physcomitrella patens）的PpGIP1；1很相似，而PpGIP1；1已被證實(shí)具有甘油運(yùn)輸功能［13］，因此推測(cè)該亞族的蛋白同樣對(duì)甘油具有一定的滲透性。MIPA亞族水通道蛋白的第一個(gè)NPA模體發(fā)生堿基變化，被替換為NPM（Asn-Pro-Met），經(jīng)過同源性比對(duì)發(fā)現(xiàn)，該亞族的蛋白與植物的HIPs、TIPs及哺乳動(dòng)物的AQP8s同源性最為接近。MIPB亞族蛋白沒有保守的NPA序列，在B環(huán)和E環(huán)處出現(xiàn)的是NPS（Asn-Pro-Ser）和 NAA（Asn-Ala-Ala）序列［15］。MIPC亞族的蛋白存在較大差異，該類蛋白的保守序列發(fā)生也不同進(jìn)化，亞族中前兩個(gè)蛋白的NPA膜體進(jìn)化為NPT（Asn-Pro-Thr）和NPA，后一個(gè)卻進(jìn)化為NPV（Asn-Pro-Val）和NPS（Asn-Pro-Ser），而且ar/R模型的4種氨基酸組成也與其他水通道蛋白家族差別較大。MIPD亞族的蛋白基本都保留了兩個(gè)高度保守的NPA模體，且基于ar/R結(jié)構(gòu)，這8種蛋白被分為兩組，VcMIPD1；1、CcMIPD1；1、CnMIPD1；1和CrMIPD1；1為一組，具有典型的N-A-A-R氨基酸組成，且CrMIPD1；1證實(shí)對(duì)甘油具有轉(zhuǎn)運(yùn)特性［11］；其余4種ar/R組成與水稻水通道蛋白OsTIP4；1相似［35］，而且最主要的特點(diǎn)是在VcMIPD4；1的ar/R結(jié)構(gòu)中第4個(gè)氨基酸殘基由精氨酸R替換為組氨酸H。MIPE亞族的四種蛋白中ar/R氨基酸殘基組成與藻類水通道蛋白PIPs的相同，在環(huán)E處擁有一個(gè)保守序列DGCS（Asp-Gly-Cys-Ser），另外，MIPE亞族的蛋白和藻類PIPs在C-端處的氨基酸序列也較為相似［15］。Khabudaev等［16］2014年發(fā)現(xiàn)的LIPs亞族蛋白雖然在系統(tǒng)發(fā)育樹分析中發(fā)現(xiàn)與PIPs和MIPC亞族最為接近，但它們?cè)谒ǖ赖鞍准易逯懈叨缺Ｊ氐募易逍蛄蟹矫娲嬖陲@著差異，即這些蛋白的第一個(gè)NPA高度保守，但第二個(gè)卻改變?yōu)镹PM（Asn-Pro-Met），而在植物水通道蛋白家族中，通常是第二個(gè)NPA高度保守，前一個(gè)NPA的可變性較高，且這一類新的蛋白分子量較植物SIPs大。

3 幾種新的藻類水通道蛋白的研究

2004年，Anderca等［11］首次從萊茵衣藻中得到第一個(gè)藻類水通道蛋白CrMIP1，該蛋白含有水通道蛋白家族中高度保守的兩個(gè)NPA膜體和6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，但與已知的植物水通道蛋白氨基酸同源性較低，而后通過酵母突變體功能互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)與同位素14C標(biāo)記甘油的實(shí)驗(yàn)，證明該蛋白能夠選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)甘油而對(duì)水沒有轉(zhuǎn)運(yùn)功能。2007年，隨著萊茵衣藻全基因組測(cè)序［36］的完成，其對(duì)應(yīng)的CrMIP1序列也進(jìn)一步得到證實(shí)。之后在另外幾種綠藻基因組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，Anderberg等［15］于2011年共發(fā)現(xiàn)22條綠藻水通道蛋白，其中CrMIP1在文章中用CrMIPD1；1名稱代替。2013年和2014年在單針藻Monoraphidium neglectum和小球藻各自完成測(cè)序的基因組又發(fā)現(xiàn)了Glps蛋白同源基因的存在［37，38］。

然而，Anderberg等［15］當(dāng)時(shí)得到的22條綠藻水通道蛋白僅僅是從綠藻門的共球藻綱（Trebouxiophyceae）、青綠藻clade II（Mamiellophyceae）和綠藻綱（Chlorophyceae）中選取藻來進(jìn)行的分析，只因當(dāng)時(shí)石莼綱（Ulvophyceae）的全基因組測(cè)序工作還未完成，所以并未包含在內(nèi)。2015年，Permyakov等［39］首次在石莼綱絲藻目（Ulotrichales）環(huán)絲藻（Ulothrix zonata）中發(fā)現(xiàn)一種水通道蛋白PIP1的存在，而PIPs蛋白相關(guān)基因雖然已在部分共球藻綱中有所發(fā)現(xiàn)，但卻是第一次在石莼綱中發(fā)現(xiàn)。該蛋白與高等植物水通道蛋白PIPs亞族同源性較高，而且對(duì)于環(huán)絲藻適應(yīng)低溫生長(zhǎng)環(huán)境有重要作用，為研究淡水極端藻類的生理生化適應(yīng)機(jī)制提供了一定幫助。

南極冰藻是生存在南極海水、海冰及冰川融水等極端環(huán)境中各類微藻的總稱［40］，生長(zhǎng)在低溫、季節(jié)性光照、強(qiáng)紫外輻射和高鹽度等極端環(huán)境下，其環(huán)境適應(yīng)機(jī)制是各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。目前，南極冰藻中衣藻（Chlamydomonas sp.）種屬的環(huán)境適應(yīng)機(jī)制已有廣泛和深入的研究［41，42］，且南極衣藻ICE-L與萊茵衣藻親緣關(guān)系最近，加上已完成Chlamydomonas sp. ICE-L該藻的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，因而此基礎(chǔ)上，我們成功獲得該藻的第一條水通道蛋白基因CiMIP1（GenBank注冊(cè)號(hào)：KY326061）。經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育樹分析，其編碼的蛋白CiMIP1與萊茵衣藻的CrMIPD1；1親緣關(guān)系最近，同從屬于MIPD蛋白亞族，除擁有兩個(gè)保守的NPA模體外，兩蛋白的ar/R模型氨基酸殘基組成也完全相同，因而推測(cè)南極衣藻ICE-L的CiMIP1其轉(zhuǎn)運(yùn)功能與CrMIPD1；1相同［43］。當(dāng)處于不同逆境脅迫時(shí)，藻類水通道蛋白也發(fā)生特異性表達(dá)。低溫適應(yīng)性是南極冰藻ICE-L最基本的適應(yīng)特性。在低溫脅迫下，為維持藻體細(xì)胞的活力，藻類水通道蛋白在轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)量增加，并隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加；在高鹽脅迫下，其表達(dá)量同樣高于正常組。另外，還發(fā)現(xiàn)在南極衣藻ICE-L中的水通道蛋白CiMIP1的C末端出現(xiàn)了第三個(gè)NPA模體［43］，推測(cè)其與該藻適應(yīng)獨(dú)特的南極極端環(huán)境有關(guān)，后續(xù)還需深入探索。

此外，2016年楊俊卿等［44］從條斑紫菜Pyropia yezoensis中克隆得到水通道蛋白基因PyAQP1，編碼的蛋白含有高度保守的NPA結(jié)構(gòu)，屬于GIPs亞族；在失水、鹽度、溫度脅迫下，該水通道蛋白基因都表現(xiàn)出一定的特異性表達(dá)以適應(yīng)其逆境下生長(zhǎng)。同年內(nèi)，錢衛(wèi)國(guó)等［10］也成功從褐藻羊棲菜Sargassum fusiforme中克隆得到水通道蛋白基因SfLIP，并發(fā)現(xiàn)其編碼的蛋白屬于LIPs亞族；在特異性表達(dá)中發(fā)現(xiàn)該基因?qū)Φ{迫存在瞬時(shí)應(yīng)激反應(yīng)，即剛開始基因表達(dá)量迅速上調(diào)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，基因表達(dá)受到顯著抑制，表達(dá)量急劇下調(diào)，但更長(zhǎng)時(shí)間的脅迫則又使得其表達(dá)量逐漸恢復(fù)，推測(cè)這可能與該基因所行使的功能有關(guān)［10］。

4 結(jié)語

水通道蛋白參與藻類生長(zhǎng)過程中多種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，是重要的膜功能性蛋白。本文綜述了目前藻類水通道蛋白的研究現(xiàn)狀，包括其結(jié)構(gòu)特征和分類亞族。因藻類生活環(huán)境與陸生高等植物之間存在巨大差異，所以在不同逆境脅迫下，藻體需通過多種模式對(duì)水通道蛋白進(jìn)行轉(zhuǎn)錄、表達(dá)的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞中多種生物膜通道活性的調(diào)節(jié)。另外，高等植物被認(rèn)為是起源于藻類等低等植物，因此，探究藻類水通道蛋白對(duì)于更好的認(rèn)識(shí)水通道蛋白的整體進(jìn)化過程有重要幫助。

目前，隨著多種藻類基因組測(cè)序工作的完成，研究者對(duì)藻類水通道蛋白的關(guān)注越來越高。迄今為止，人們對(duì)藻類水通道蛋白的研究涉及綠藻、紅藻、褐藻和硅藻等，雖然更多的藻類水通道蛋白基因被找到，但是對(duì)其結(jié)構(gòu)、功能的研究還不夠深入，整個(gè)藻類水通道蛋白之間的進(jìn)化關(guān)系也不夠明了，所以，還需要從基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組學(xué)等多層次、多方面深入探索，而且研究藻類水通道蛋白的表達(dá)特性和生理功能有助于揭示不同藻類植物耐受各種環(huán)境脅迫的應(yīng)對(duì)機(jī)制，這可能為未來植物抗逆性研究提供一定的理論支持。

［1］Hohmann I, Bill RM, Kayingo I, et al. Microbial MIP channels［J］. Trends Microbiol, 2000, 8（1）：33-38.

［2］Schuurmans JA, van Dongen JT, Rutjens BPW, et al. Members of the aquaporin family in the developing pea seed coat include representatives of the PIP, TIP, and NIP subfamilies［J］. Plant of the Molecular Biology, 2003, 53（5）：655-667.

［3］Bienert GP, Mφller AL, et al. Specific aquaporins facilitate the diffusion of the hydrogen peroxide across membranes［J］. Journal of Biological Chemistry, 2007, 282（2）：1183-1192.

［4］Maurel C, Verdoucq L, Luu DT, et al. Plant aquaporins：membrane channels with multiple integrated functions［J］. Annu Rev Plant Biol, 2008, 59：595-624.

［5］Holm LM, Jahn TP, Mφller AL, et al.andpermeability in aquaporin-expressing Xenopus oocytes［J］. Pflugers Archiv：European Journal of Physiology, 2005, 450（6）：415-428.

［6］Hove RM, Bhave M. Plant aquaporins with non-aqua functions：deciphering the signature sequences［J］. Plant Molecular Biology, 2011, 75：413-430.

［7］Denker BM, Smith BL, Kuhajda FP, et al. Identification, purification, and partial characterization of a novel Mr 28, 000 integral membrane protein from erythrocytes and renal tubules［J］. Journal of Biological Chemistry, 1988, 263（30）：15634-15642.

［8］Schrier RW. Aquaporin-lated disorders of water homeostasis［J］. Drug News Perspect, 2007, 20（7）：447-453.

［9］Abascal F, Irisarri I, Zardoya R. Diversity and evolution of membrane intrinsic proteins［J］. Biochimica et Biophysica Acta, 2014, 1840（5）：1468-1481.

［10］錢衛(wèi)國(guó), 王麗華, 王芳, 等. 褐藻羊棲菜水通道蛋白基因SfLIP的克隆及其在淡水浸泡下的表達(dá)分析［J］. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2016, 11：228-231.

［11］Anderca MI, Suga S, Furuichi T, et al. Functional identification of the glycerol transport activity of Chlamydomonas reinhardtii CrMIP1［J］. Plant Cell Physiol. 2004, 45（9）：1313-1319.

［12］DOE Joint Genome Institute［DB/OL］. http://222. igi. doe. gov. 2016-01-16.

［13］Gustavsson S, Lebrun AS, et al. A novel plant major intrinsic protein in Physcomitrella patens most similar to bacterial glycerol channels［J］. Plant Physiology, 2005, 139（1）：287-295.

［14］Danielson JAH, Johanson U. Unexpected complexity of the aquaporin gene family in the moss Physcomitrella patens［J］. BMC Plant Biology, 2008, 8（2）：1-15.

［15］Anderberg H, Danielson J, et al. Algal MIPs, high diversity and conserved motifs［J］. BMC Evolutionary Biology, 2011, 11：110.

［16］Khabudaev KV, Petrova DP, Grachev MA, et al. A new subfamily LIP of the major intrinsic proteins［J］. BMC Genomics, 2014, 15（1）：173.

［17］A datebase dedicated to major intrinsic proteins［DB/OL］. http:// mipdb. genouest. org. 2015-11-12.

［18］Armbrust EV, Berges JA, Bowler C, et al. The Genome of the diatom Thalassiosira pseudonana：ecology, evolution, and metabolism［J］. Science, 2004, 306：79-86.

［19］Lommer M, Specht M, Roy AS, et al. Genome and low-iron response of an oceanic diatom adapted to chronic iron limitation［J］.Genome Biology, 2012, 13（7）：R66.

［20］Bowler C, Allen AE, Badger JH, et al. The Phaeodactylum genome reveals the evolutionary history of diatom genomes［J］. Nature, 2008, 456（7219）：239-244.

［21］Radakovits R, Jinkerson R, et al. Draft genome sequence and genetic transformation of the oleaginous alga Nannochloropis gaditana［J］. Nature Communications, 2012, 3：686.

［22］Petrova DP, Khabudaev KV, Marchenkov AM, et al. The quaporinlike protein of the diatom Syndra acus［C］. Doklady Biochemistry and Biophysics, 2013, 448（2）：1-4.

［23］JGI P. Multiseries v1［DB/OL］. http://genome. jgi. doe. gov/ Psemu1/Psemu1. home. html. 2015-11-21.

［24］JGI F. cylindrus v1［DB/OL］. http://genome. igi-psf. org/Fracy1/ Fracy1. home. html. 2015-12-01.

［25］Fujiyoshi Y, Mitsuoka K, de Groot BL, et al. Structure and function of water channels［J］. Current Opinion in Structural Biology, 2002, 12（4）：5 09-515.

［26］Tornroth-Horsefield S, Wang Y, Hedfalk K, et al. Structural mechanism of plant aquaporin gating［J］. Nature, 2006, 439（7077）：688-694.

［27］Dennke BM, Smith BL, Kuhaida FP, et al. Identification, purification and partial characterization of a novel Mr 28000 integral membrane protein from erythrocytes and renal tubules［J］. J Biol Chem, 1998, 263（30）：15634-15642.

［28］Jung JS, Preston GM, Smith BL, et al. Molecular structure of the water channel trough aquaporin CHIP［J］. Journal of Biological Chemistry, 1994, 269（20）：14648-14654.

［29］Gomes D, Agasse A, et al. Aquaporins are multifunctional water and solute transporters highly divergent in living organisms［J］. Biochim Biophys Acta, 2009, 1788（6）：1213-1228.

［30］鄧鵬, 楊曉霜. 說說“水通道蛋白”［J］. 生物學(xué)教學(xué), 2015, 40（6）：60-62.

［31］Murata K, Mitsuoka K, Hirai T, et al. Structural determinants of water permeation through aquaporin-1［J］. Nature, 2010, 407（10）：599-605.

［32］Fu D, Libson A, Miercke LJW, et al. Structure of a glycerol conducting channel and the basis for its selectivity［J］. Science, 2000, 290：481-486.

［33］Sui H, Han B-G, Lee JK, et al. Structural basis of water specific transport through the AQP1 water channel［J］. Nature, 2001, 414：872-878.

［34］Thomas D, Bron P, Ranchy G, et al. Aquaglyceroporins, on channel for two molecules［J］. Biochimica et Biophysica Acta：Bioenergetics, 2002, 1555：181-186.

［35］Li GW, Peng YH, Yu X, et al. Transport functions and expression analysis of vacuolar membrane aquaporins in response to various stresses in rice［J］. Journal of Plant Physiology, 2008, 165（18）：1879-1888.

［36］Merchant SS, Prochnik SE, Vallon O, et al. The Chlamydomonas genome reveals the evolution of key animal and plant functions［J］. Science, 2007, 318（5848）：245-250.

［37］Christian B, Arwa AD, Andreas A, et al. Reconstruction of the lipid metabolism for the microalga Monoraphidium neglectum from its genome sequence reveals characteristics suitable for biofuel production［J］. BMC Genomics, 2013, 14：926.

［38］Gao CF, Wang Y, Shen Y, et al. Oil accumulation mechanisms of the oleaginous microalga Chlorella protothecoides revealed through its genome, transcriptomes, and proteomes［J］. BMC Genomics, 2014, 15：582.

［39］Permyakov A, Osipova S, Bondarenko N, et al. Proteins homologous to aquaporins of higher plants in the freshwater alga Ulothrix zonata（Ulotrichales, Chlorophyta）［J］. European Journal of Phycology, 2016, 51（1）：99-106.

［40］Bunt JS, Wood EJF. Microbiology of Antarctic sea-ice：microalgae and Antarctic sea-ice［J］. Nature, 1963, 199：1254-1255.

［41］Lyon BR, Mock T. Polar Microalgae：New approaches towards understanding adaptations to an extreme and changing environment［J］. Biology, 2014, 3（1）：56-80.

［42］王以斌, 張愛軍, 劉芳明, 等. 南極冰藻對(duì)南極極端環(huán)境的適應(yīng)性研究進(jìn)展［J］. 生物技術(shù)通報(bào), 2016, 32（10）：128-134.

［43］Li LL, An ML, Qu CF, et al. Molecular cloning and expression of major intrinsic protein gene in Chlamydomonas sp. ICE-L from Antarctica［J］. Extremophiles, 2017, 21（4）：817-827.

［44］楊俊卿, 孔凡娜, 李超, 等. 條斑紫菜水通道蛋白PyAQP1基因的克隆及功能分析［J］. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2016, 46（8）：79-86.

（責(zé)任編輯 李楠）

Study Advances on the Algal Aquaporins

LI Lu-lu1QU Chang-feng1ZHENG Zhou1，2WANG Yi-bin1，2MIAO Jin-lai1，2ZHANG Li3
（1. First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061；2. Laboratory for Marine Drugs and Bioproducts of Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266235；3. Teachers’ College of Beijing Union University，Beijing 100011）

At present，a lot of aquaporins（AQPs）have been found in archaea，bacteria，fungi，animals and plants，but relatively few studies on aquaporins of lower plants have been carried out，especially on the algae. It is well known that there is a great difference in the growth environment between algae and terrestrial higher plants，naturally the functional mechanisms of aquaporins between them differ. The entire growth and development process of algae are closely related to water conduction，and the aquaporins in algae are not only the water transport channel but also a type of multifunctional proteins，for instance physiological and biochemical functions. Compared with the plant aquoporins，the studies on algal aquaporins were initiated later. Since the identification of the first algal aquaporin from Chlamydomonas reinhardtii in 2004，increasingly researchers began to focus on the aquaporins in algae. In recent years，on the basis of the complete genome sequences of some algae，researchers have made some new progresses in the exploration of algal aquaporins. Moreover，eight different subfamilies of algal aquaporins have been identified；and in the last two years，researchers have also found some new algal aquaporins from the Chlamydomonas sp. ICE-L，Sargassum fusiforme and Pyropia yezoensis. This paper summarizes the research advances on the classification and structure of algal aquaporins，and expounds the specific expression and physiological functions of aquaporins when the algae are in a stressenvironment while combined with several newly discovered algal aquaporins. This study will provide a theoretical basis for further studies on algal aquaporins

algae；aquaporin；subfamilies；structural characteristics；physiological function

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0152

2017-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41576187），中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2016Q10，2015G10），中國(guó)極地科學(xué)戰(zhàn)略研究基金（20150303），國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府海洋科學(xué)研究中心聯(lián)合資助項(xiàng)目（U1406402），國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201405015），青島市創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃（15-10-3-15-(44）-zch），山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016ZDJS06A03），青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃（2015ASKJ02）

李露露，碩士研究生，研究方向：極地海洋生物學(xué)；E-mail: dlandbl@sina.com

繆錦來，研究員，研究方向：極地海洋生物學(xué)；E-mail: miaojinlai@fio.org.cn張莉，女，副教授，研究方向：海洋生物學(xué)；E-mail: confidencezh@sina.com