第 7 卷 第 3 期2021 年 6 月
生物化工
Biological Chemical Engineering
Vol.7 No.3
Jun. 2021植物金属硫蛋白的研究进展viable
邱颖胜1，刘燕敏1，魏超2，董舒乐1，刘骕骦1*
（1.湖州学院 生命科学与健康系，浙江湖州 313000；2.肇庆学院 生命科学学院，广东肇庆 526061）摘 要：金属硫蛋白（Metallothioneins，MTs）具有分子量低、富含半胱氨酸及能与金属离子结合的特点，其广泛分布于微生物和高等动植物中。本文从植物MTs的结构和分类、表达调控及其重要的功能3个方面进行论述，通过对植物金属硫蛋白研究现状以及存在问题的分析，对该蛋白今后的研究方向提供建议，并对其应用前景进行了展望。
关键词：植物金属硫蛋白；表达特性；自由基；非生物胁迫
中图分类号：Q946 文献标识码：A
Rearch Progress of Plant Metallothioneins
QIU Yingsheng1, LIU Yanmin1, WEI Chao2, DONG Shule1, LIU Sushuang1*
(1. Department of Life Sciences and Health, Huzhou College, Zhejiang Huzhou 313000;
2. College of Life Science, Zhaoqing University, Guangdong Zhaoqing 526061)
Abstract: Metallothioneins (MTs) are low molecular weight, cysteine-rich and metal-binding proteins, which are widely distributed in microorganisms, higher animals and plants and human. In this paper, the structures and classification of plant metallothioneins, the regulation of MTs gene expression and its functions were discusd. On the basis of analyzing the current rearch situation and existing problems of plant metallothioneins, suggestions for the future rearch direction of plant metallothioneins were provided, and its application prospect was prospected.
victim
Keywords: plant metallothioneins; expression characteristics; free radical; abiotic stress
金属硫蛋白（Metallothioneins，MTs）是一类低分子量（60~80个氨基酸）、含有大量半胱氨酸的蛋白质，能与大量金属离子（如Cd2+、Zn2+和Cu2+）相结合，在金属代谢调控中发挥着重要的调节作用[1]。近年来，对于植物MTs基因的结构特点，如晶体结构、启动子、内含子等方面的研究已经有了
比较深入的了解，同时针对植物MTs的时空表达特异性以及受各种胁迫的诱导表达特性方面也开展了大量的研究，然而对其功能的研究则较为滞后。本文对植物MTs的结构及分类、基因的表达调控、植物MTs的功能等方面的研究进展进行综述，以期为进一步阐明植物金属硫蛋白的功能特征以及新种质的创新奠定基础。1植物MTs的结构与分类
MTs具有分子量低（通常少于10 kD），能与二价金属离子相结合，富含半胱氨酸即含有大量的Cys-X-Cys序列结构域（Cys代表半胱氨酸，X代表其他氨基酸），芳香族氨基酸缺乏，组氨酸含量极少等特性[2]。Cobbett等[3]按照金属硫蛋白中的半胱氨酸位置及其排列方式，将植物金属硫蛋白分为Type 1 MTs、Type 2 MTs、Type 3 MTs、Type 4 MTs共4种类型。
致我们终将逝去的青春主题曲2植物MTs的表达调控
因类型、物种、组织和器官、生长发育时期和环境因子的不同，植物MTs基因呈现出不同的表达
基金项目：浙江省自然科学基金（LQ20C130003）；湖州学院大学生创新创业训练科研项目（2021CXCY06）。
作者简介：邱颖胜（2000—），男，浙江宁波人，本科在读，研究方向：种子生物学。
通信作者：刘骕骦（1990—），男，黑龙江绥化人，博士，讲师，研究方向：植物耐逆分子生物学。
E-mail：8387870552@ qq.com。
文章编号：2096-0387（2021）03-0170-03
第3期·171·
邱颖胜等：植物金属硫蛋白的研究进展
fwa模式[4]。Guo等[5]利用Northern印记技术分析了拟南芥中4种类型MTs的组织表达特性，结果表明：AtMT1a在植株根部表达量最高，AtMT2a和AtMT3在叶片中表达量最高，AtMT4则在种子中表达最高，其他组织几乎不表达。在水稻中，OsMT2c在根、叶鞘和叶片中表达，而在种子中微量表达[6]。Yuan 等[7]的研究发现，OsMT2b与水稻根的发育及种子的萌发有关。番茄中，SlMT1在根中高表达，SlMT2在叶片中高表达，SlMT3在根、叶片和果实中高表达，SlMT4主要在果实中高表达[8]。瓜尔豆中，CtMT1在根中高表达，CtMT2和CtMT3在叶片中高表达，而CtMT4则在种子中高表达[9]。
3植物MTs的功能
3.1解除重金属离子毒害作用
OsMT1b和OsMT2c可通过清除活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）和激活金属螯合作用提高
水稻对Cr的解毒效果[10]。甘蔗的ScMT2-1-3基因受Cu2+胁迫诱导表达，并且转大肠杆菌结果表明其可能参与了Cu2+的解毒过程[11]。枣中，ZjMT基因过表达能增强大肠杆菌对Cu2+、Zn2+和Cd2+等重金属离子的耐受性[12]。PaMT3-1能提高美洲商陆对Cd2+胁迫的耐受性[13]。蕹菜中，IaMT1、IaMT2和IaMT3都受到Cd的诱导表达，其中IaMT2提高了大肠杆菌对Cd的耐受性[14]。
3.2清除自由基
在野生西瓜中，ClMT2具有很强的清除HO·的能力[15]。Mir等[16]研究发现，栓皮栎中的QsMT蛋白可能具有清除ROS的活性。研究表明，棉花GhMT3a 的表达受多种逆境胁迫诱导上调表达。海蓬子中SbMT-2基因能调节转基因烟草的ROS清除能力。大豆GmMTs对自由基（HO·及H·）胁迫具有良好的耐受性[17]。MT具有极强的自由基清除能力，其清除HO·的能力是超氧化物歧化酶（Superoxide dismuta，SOD）的10 000倍，清除O2·-的能力是谷胱甘肽（Glutathione，GSH）的几十倍。
3.3参与响应干旱、高盐和低温等非生物胁迫过程
许多研究表明，植物MT可能在响应干旱、高盐、低温、激素、热激和紫外照射等胁迫过程中发挥重要作用。Dubey等[18]对鹰嘴豆MT基因参与干旱胁迫响应的研究中发现，干旱胁迫处理后，转CarMT基因拟南芥植株中脯氨酸以及半胱氨酸含量也显著高于野生型，说明MT基因在缓解干旱胁迫方面起着积极的作用。Liu等利用酵母双杂交和双分子荧光互补（BiFC）实验发现大豆基质金属蛋白酶Gm1-MMP
与GmMT4存在互作关系，并推测Gm1-MMP与GmMT4可能通过互作共同调控大豆参与响应高温高湿胁迫[6]。
4结语
本文概述了植物MTs的结构及分类、基因的表达调控、在重金属离子的运输和解毒及清除氧自由基、参与多种抗胁迫等方等方面的研究进展。在40多年的研究中，学者们对MTs在不同发育阶段的表达特性以及响应各种非生物胁迫进行了研究，然而在分子机制等方面的研究尚处于推测阶段。因此，今后植物MTs功能的研究可以从以下几个方面开展：（1）深入研究植物MTs基因的基因组结构，分析其顺式作用元件，利用酵母单杂交以及凝胶迁移实验（EMSA）等技术手段，找到调控MTs表达的上游反式作用因子；（2）通过筛选酵母双杂交文库或利用生物信息学找到能与MTs相互作用的蛋白，研究其相互作用的机理；（3）分离纯化更多的植物MTs，研究其结构、结合金属离子以及清除自由基的机制；（4）通过转基因或基因沉默技术调控植MTs的表达、分离筛选突变体等。
希望英语官网参考文献
[1] APDEVILA M,ATRIAN S.Metallothionein Protein Evolution:A
Miniassay[J].Journal of Biological Inorganic Chemistry,2011,16(7): 977-989.
[2] PATANKAR H V,AL-HARRASI I,AL KHARUSI L, et al.Overexpression
of a Metallothionein 2A Gene from Date Palm Confers Abiotic Stress Tolerance to Yeast and Arabidopsis thaliana[J].International Journal of Molecular Sciences,2019,20(12):2871.
were[3] C O B B E T T C,G O L D S B R O U G H P.P h y t o c h e l a t i n s a n d
Metallothioneins: Roles in Heavy Metal Detoxification and Homeostasis[J].Annual Review of Plant Biology,2002,53:159-182．[4] 全先庆，张洪涛，单雷，等.植物金属硫蛋白及其重金属解毒机
·172·生物化工2021年
制研究进展[J].遗传,2006,28(3):375-382.
[5] GUO W J,BUNDITHYA W,GOLDSBROUGH P B.Characterization
of the Arabidopsis Metallothionein Gene Family:Tissue-Specific Expression and Induction During Senescence and in Respon to Copper[J].New Phytologist,2003,159:369-381.
胎教故事视频[6] LIU J,SHI X,QIAN M,et al.Copperinduced Hydrogen Peroxide
Upregulation of a Metallothionein Gene,OsMT2c,from Oryza fers Copper Tolerance in Arabidopsis thaliana[J].Journal of Hazardous Materials,2015,294:99-108.
[7] YUAN J,CHEN D,REN Y,et al.Characteristic and Expression
Analysis of a Metallothionein Gene,OsMT2b,Down-Regulated by Cytokinin Suggests Functions in Root Development and Seed Embryo Germination of Rice[J].Plant Physiology,2008,146(4):1637-1650. [8] KISA D, ÖZTURK L, DOKER S, et al. Expression Analysis of
Metallothioneins and Mineral Contents in Tomato (Lycopersicon esculentum) under Heavy Metal Stress[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2017,97:1916-1923.
[9] JAISWAL P S, MITTAL N, RANDHAWA G S. Cyamopsis
Tetragonoloba Type 1 Metallothionein (CtMT1) Gene is Upregulated under Drought Stress and Its Protein Product has an Additional C-X-C motif and Unique Metal Binding Pattern[J].International Journal of Biological Macromolecules,2018,119:1324-1334.
[10] YU X Z, LIN Y J, ZHANG Q. Metallothioneins Enhance Chromium
athlete
Detoxification Through Scavenging ROS and Stimulating Metal Chelation in Oryza sativa[J].Chemosphere,2019,220:300-313. [11] GUO J,XU L,SU Y,et al.ScMT2-1-3,a Metallothionein Gene
of Sugarcane,Plays an Important Role in the Regulation of Heavy Metal Tolerance/Accumulation[J].Biomed Rearch International,2013,2013:904769.[12] LI L S,MENG Y P,CAO Q F,et al.Type 1 Metallothionein (ZjMT)
is Responsible for Heavy Metal Tolerance in Ziziphus jujube[J].
Biochemistry (Mosc),2016,81(6):565-573.
[13] CHEN Y,ZHI J,LI X,et al.Diversity in Cadmium Accumulation and
Resistance Associated with Various Metallothionein genes (typeⅢ)in Phytolacca americana L[J].International Journal of Biological Macromo lecules,2018,108:704-709.
[14] HUANG Y Y,GONG F Y,SHEN C,et al.Cloning,Characterization
and Expression Analysis of Metallothioneins from Ipomoea aquatica and their Cultivar-Dependent R
oles in Cd Accumulation and Detoxification[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2018,165: 450-458.
[15] AKASHI K,NISHIMURA N,ISHIDA Y,et al.Potent Hydroxyl Radical-
Scavenging Activity of Drought-Induced Type-2 Metallothionein in Wild Watermelon[J].Biochemical and Biophysical Rearch Communi cations,2004,323(1):72-78.
[16] MIR G,DOMENECH J,HUGUET G,et al.A Plant Type 2
Metallothionein (MT) from Cork Tissue Responds to Oxidative Stress[J].
yue什么意思
Journal of Experimental Botany,2004,55(408):2483-2493.
[17] TOMAS M,PAGANI M A,ANDREO C S,et al.His-Containing Plant
Metallothioneins:Comparative Study of Divalent Metal-Ion Binding by Plant MT3 and MT4 Isoforms[J].Journal of Biological Inorganic Chemistry,2014,19(7):1149-1164.
[18] DUBEY A K,KUMAR N,KUMAR A,et al.Over-Expression of CarMT
英文名女Gene Modulates the Physiological Performance and Antioxidant Defen System to Provide Tolerance Against Drought Stress in Arabidopsis thaliana L[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2019,171:54-65.
