水稻根部的水通道蛋白 OsPIP2;4：介导水与离子传导的关键角色及其意义

为探究水稻质膜内在蛋白（PIPs）中具有阳离子转运活性的离子传导水通道蛋白（icAQPs），研究人员对 11 种 OsPIPs 进行电生理实验。结果发现 OsPIP2;4 能介导单价碱金属阳离子的电生成转运，对 Na+和 K+具有非选择性阳离子电导。该研究为理解水稻离子转运提供新视角。

　　在植物的生命活动中，水和离子的跨膜运输至关重要，而水通道蛋白（AQP）在其中扮演着不可或缺的角色。植物 AQP 形成四聚体膜通道，助力底物的被动运输，不仅能运输水，还能运输多种物质，如类金属、气体、活性氧等。近年来，部分 AQP 被发现还可介导离子运输，这类 AQP 被称为离子传导水通道蛋白（icAQPs）。在人类中，已有 3 种 AQP 被认定为兼具水和离子运输功能的通道。在植物领域，拟南芥的 AtPIP2_;1 和 AtPIP2_;2、大麦的 HvPIP2_;8 等也被证实具有 icAQP 活性。

水稻作为重要的粮食作物，其生长发育与水分和离子的吸收、运输密切相关。然而，水稻中具有阳离子转运活性的 icAQPs 尚未完全明确。为深入探究这一问题，来自日本冈山大学植物科学与资源研究所、信州大学纺织科学与技术学院等机构的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在电生理实验方面，利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母细胞进行双电极电压钳（TEVC）实验，以此检测 OsPIPs 的离子通道活性；通过水膨胀实验评估水通道活性；运用实时定量 PCR（q-PCR）分析 OsPIP2_;4 基因在水稻不同组织和器官中的表达情况；借助免疫染色技术确定 OsPIP2_;4 在水稻根组织中的具体定位。

在对 icAQPs 的筛选中，研究人员将 3 种 OsPIP1s 和 8 种 OsPIP2s 在非洲爪蟾卵母细胞中表达，经 TEVC 记录发现，在 - 120mV 至 + 30mV 的膜电位范围内，仅 OsPIP2_;4 能引发卵母细胞产生较大的内向和外向电流，且在低 Ca²⁺（约 30μM）条件下表现明显。高 Ca²⁺虽会使离子电导略有降低，但差异不显著，因此后续实验默认采用 30μM Ca²⁺条件。这表明在众多被检测的 OsPIPs 中，只有 OsPIP2_;4 具备碱金属阳离子通透性的特征。

对 OsPIP2_;4 离子通道特性的研究发现，其介导的电流依赖于 Na⁺而非 Cl^-。在测试不同碱金属阳离子时，发现 KCl 和 NaCl 能使表达 OsPIP2_;4 的卵母细胞产生较大电流，RbCl 和 CsCl 引发的电流幅度相对较低，LiCl 引发的电流更弱。通过计算离子渗透率，得出其对离子的选择性顺序为 K⁺≈Na⁺>Rb⁺>Cs⁺>Li⁺。此外，改变 KCl 和 NaCl 浓度时，卵母细胞的反转电位会发生相应变化，进一步证明 OsPIP2_;4 可运输 K⁺和 Na⁺，是一种非选择性阳离子通道。

在研究 OsPIP2_;4 与 OsPIP1s 共表达的影响时，水膨胀实验显示，共表达并未使水渗透率（P_f）显著改变，表明 OsPIP1s 不会刺激 OsPIP2_;4 的水运输活性。但 TEVC 实验表明，共表达会使离子通道活性降低，电流幅度约为单独表达 OsPIP2_;4 时的 50%，说明 OsPIP1s 会抑制 OsPIP2_;4 的 icAQP 活性。

关于 OsPIP2_;4 基因的表达模式，q-PCR 分析表明，该基因在水稻根部优势表达，在伸长区和成熟区表达量较高，且在根中柱和外部区域的表达水平相近。免疫染色结果与之相符，在根的外皮层、厚壁组织、内皮层和中柱鞘中均检测到 OsPIP2_;4 的荧光信号，证实了其在这些组织中的表达。

综合来看，该研究首次明确了水稻中的 OsPIP2_;4 是一种 icAQP，它既能高效运输水分，又能介导 Na⁺和 K⁺等阳离子的跨膜运输。这一发现为深入理解水稻的水分和离子吸收机制提供了关键线索，有助于进一步探究水稻在不同环境条件下的生长适应性。例如，在盐渍土壤中，OsPIP2_;4 对 Na⁺的运输特性可能影响水稻的耐盐性；在缺钾土壤中，其对 K⁺的运输功能或许与水稻的钾营养获取密切相关。未来，通过对 OsPIP2_;4 更深入的研究，有望为提高水稻产量和抗逆性提供新的理论依据和技术手段。