空心莲子草MTP基因家族的鉴定、特征及表达分析
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锌、锰、镍、铁、钴、铜等重金属是植物生长发育所必需的微量元素。这些微量金属元素作为多种酶的活化剂以及调节蛋白结构的辅助因子参与植物的生命活动[1]。但是，重金属的浓度过高则会对植物产生毒害。例如，过量的锌、锰或铜会影响植物的光合作用并导致植株黄化，还会造成细胞损伤以及干扰其他离子的吸收[2-3]。而植物生长发育非必需的其他重金属元素，例如镉、铅和汞在低浓度下也会对植物产生毒害。这些金属元素会在植物体内运转并富集到作物的可食用部分，从而对人类和动物的健康造成严重威胁[4]。为了避免重金属毒害，植物进化出了多种重金属胁迫耐受机制，包括严格调控重金属的吸收、外排和运输以及细胞内螯合[1]。
多个基因家族的成员在重金属转运的调控过程发挥重要作用[5-6]。其中，阳离子转运蛋白家族(cation transporter family, CDF)是一类重要的金属转运蛋白，其功能是将重金属离子运出细胞质或运入特定的细胞器[7]。研究表明，CDF家族广泛存在于细菌、酵母、拟南芥(Arabidopsis thaliana)等原核和真核生物中[2, 8]。CDF蛋白的运转底物是二价金属离子，例如Zn2+、Mn2+、Fe2+、Cd2+、Co2+和Ni2+[2, 9]。大多数CDF蛋白具有水溶性的N末端和C末端，6个脂溶性的保守跨膜结构域(transmembrane domain，TMD)，其中I、II、V和VI跨膜区域最为保守，CDF蛋白的两亲性可能与金属转运密切相关[10]。Montanini等[9]曾对多个物种的典型CDF家族成员进行了初步的系统发育分析和功能研究，结合其对不同金属离子的转运特性，CDF家族分为Zn-CDF、Mn-CDF和Zn/Fe-CDF共3个亚家族。植物中的MTP基因主要分为7个组(G1、G5、G6、G7、G8、G9、G12)[8]。其中，G1、G5和G12属于Zn-CDF亚家族，G6和G7属于Fe/Zn-CDF亚家族，G8和G9属于Mn-CDF亚家族[8]。当前研究普遍认为，MTP蛋白有促进重金属积累的功能[7, 11-12]，并且大多数MTP蛋白在各种植物中都发挥其独特的功能。
迄今为止，G1的MTP1～MTP4、G8的MTP8以及G9的MTP9～MTP11是在植物中研究最多的MTP蛋白[12]。另外在G9的MTP9～MTP11蛋白中，MTP9和MTP10的同源性更高，且形成了一个内部独立的进化枝，表明MTP9、MTP910与MTP11蛋白之间可能会存在一些功能差异[8]。尽管G1的MTP蛋白属于Zn-CDF亚家族，但其也能将其他金属离子(包括Zn2+、Cd2+、Co2+、Ni2+、Fe3+)运输到植物细胞的液泡中[7, 11, 13-15]。研究表明，MTP5与MTP12可形成复合物行使其功能，将Zn2+转运到拟南芥高尔基体中[16]。G8的成员MTP8蛋白与维持Mn2+的稳态相关[12, 17-18]。在黄瓜(Cucumis sativus)中，位于液泡膜中的Mn转运蛋白CsMTP8几乎只在根中表达，并参与黄瓜根细胞中Mn稳态的维持。在拟南芥和水稻(Oryza sativa)中，MTP11转运蛋白可增强植物对Mn2+的耐受性[19-20]，尽管MTP9/10蛋白也被归类为Mn-CDF亚家族，但是目前尚缺乏关于MTP9和MTP10蛋白参与Mn2+转运或提高植物对Mn2+耐受性的证据[12]。MTP蛋白和其他金属转运蛋白对于重金属集聚的功能可能会提高植物的金属耐受能力[8, 11]。但是，关于植物MTP具体功能的研究仍然不足。例如，到目前为止，MTP蛋白G6和G7组的功能特性尚未明确。
空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)是原产于南美洲的多年生草本植物，后经扩散、蔓延传播，在世界各地，包括中国、澳大利亚、美国、越南、瑞典等国家均有发现[21]。作为外来入侵物种，空心莲子草在水体中密集生长，在水面上大量覆盖，造成其他水生植物死亡，最终改变周围生态系统的结构和功能[22-23]。研究表明，空心莲子草可以改变水体的化学成分及其养分循环[24]，且能够对土壤中的重金属离子进行富集[25]。徐丽等[26]报道，空心莲子草对一种或多种金属元素的积累有一定的耐性，且对6种重金属都有吸收，吸收能力依次为Zn2+ > Mn2+ > Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Cr3+。识别和鉴定空心莲子草的MTP家族基因，有助于研究者更好地了解其在重金属转运方面的作用。因此，本研究对空心莲子草的MTP基因进行了鉴定和系统的特征分析，包括多重序列比对、进化树构建、跨膜结构域、基因结构分析以及蛋白质结构和特征分析，旨为空心莲子草MTP基因功能的进一步研究提供理论基础。
1. 材料与方法
1.1 空心莲子草MTP基因家族的鉴定
从文献[2, 19-20]中收集模式物种拟南芥、玉米(Zea mays)和水稻中已知的MTP氨基酸序列，并作为种子序列BLASTP搜索空心莲子草氨基酸序列数据库(从EnsemblPlants网站下载，http://plants.bl.org/index.html)，鉴定空心莲子草MTP候选氨基酸序列(e-value < 10–5)。为了进一步确认鉴定结果，利用NCBI-CDD (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)对MTP候选的氨基酸序列进行结构域分析，将最终鉴定出来的空心莲子草的MTP基因命名为ApMTP基因。
1.2 ApMTP系统发育分析
使用ClustalW2软件将ApMTP与已知物种(拟南芥、玉米、水稻) MTP氨基酸序列进行多序列比对。然后利用MEGA7软件的最大似然法(maximum likelihood，ML)构建系统发育树(Bootstrap value = 1 000)。最后，在ITOL (V4.0，http://itol.embl.de/)中进一步美化系统发育树。
1.3 ApMTP蛋白质特征分析
利用ExPASy网站(http://web.expasy.org/compute_pi/)预测ApMTP蛋白的分子量(molecular weight，MWs)、等电点(isoelectric point，pIs)、跨膜结构域数量(number of transmembrane domains，TMDs)。利用TMHMM (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)对ApMTP蛋白进行跨膜结构域预测。
1.4 ApMTP保守结构域和基序分析
利用MEME(http://meme-suite.org/tools/meme)在线分析工具对ApMTP氨基酸序列进行保守基序(motif)分析(参数设置：最优氨基酸残基宽度6～50 aa；任意数量的重复次数；最多预测20个motif)。这些预测基序由InterPro分析并利用TBtools软件(https://github.com/CJ-Chen/TBtools)进行绘制。
1.5 ApMTP基因表达模式分析
从NCBI的SRA数据库收集4组空心莲子草的转录组测序数据(PRJNA256237、PRJNA256235、PRJNA268359、PRJNA263573)，通过sratoolkit子例程fastq-dump将获得的SRA格式数据转换为fastq格式，使用Trimmomatic过滤低质量数据，Trinity(v2.0.6)进行从头组装，TransDecoder(v5.3.0)进行开放阅读框预测，最后通过RSEM(v1.2.19)计算转录本表达水平，所有程序均使用默认参数进行计算。基因表达水平通过片段按每百万碱基对外显子每千克碱基数(FPKM)模型进行归一化[27]。利用R软件包pheatmap，根据FPKM值绘制热图。
2. 结果与分析
2.1 空心莲子草中MTP基因家族的鉴定
本研究利用已报道的25个拟南芥MTP氨基酸序列、10个水稻MTP (OsMTP)氨基酸序列、20个玉米MTP (ZmMTP)氨基酸序列，对空心莲子草氨基酸序列数据库进行BLASTP搜索，去除冗余序列和可变剪切后，经过NCBI-CD-Search筛选，鉴定得到空心莲子草的40个候选ApMTP氨基酸序列。生物信息学分析表明，所有的候选ApMTP氨基酸序列都含有特定的保守结构域，表明它们具有MTP家族的基本特征。根据它们与拟南芥的MTPs氨基酸序列的相似性，将空心莲子草的ApMTPs氨基酸序列命名为ApMTP1至ApMTP12 (表1)。
表 1 空心莲子草MTP基因家族序列特征及其分子特征Table 1. Metal transporter protein (MTP) genes identified in Alternanthera philoxeroides基因号
Gene ID基因名
Name长度
Length/aa相对分子量
MW/kDa等电点
pI跨膜结构域数
TMDs同系物
Homolog相似度
Similarity/%TR112641|c0_g1_i1.p1 ApMTP1-1a 187 21.24 5.75 2 AtMTP1(AT2G46800) 82.39 TR112641|c0_g1_i2.p1 ApMTP1-1b 184 20.79 5.72 2 77.40 TR9621|c0_g1_i1.p1 ApMTP1-2 215 22.85 5.59 2 38.46 TR87830|c0_g1_i1.p1 ApMTP2a 223 24.18 6.21 4 AtMTP2(At3G61940) 68.83 TR87830|c0_g1_i3.p1 ApMTP2b 223 24.19 6.21 4 68.83 TR87830|c0_g1_i4.p1 ApMTP2c 223 24.22 6.21 4 68.83 TR114834|c0_g1_i1.p1 ApMTP3 337 37.51 6.17 5 AtMTP3(AT3G58810) 70.95 TR33041|c2_g1_i1.p1 ApMTP5a 379 42.13 8.78 6 AtMTP5a(AT3G12100) 67.78 TR33041|c2_g1_i2.p1 ApMTP5b 220 24.55 6.14 4 89.74 TR69867|c0_g5_i2.p1 ApMTP12-1 585 66.23 8.36 14 AtMTP12b(AT2G04620) 60.03 TR40874|c0_g3_i1.p1 ApMTP12-2a 313 35.36 6.57 2 66.67 TR40874|c0_g3_i2.p1 ApMTP12-2b 321 36.34 6.51 2 73.68 TR40874|c0_g3_i3.p1 ApMTP12-2c 313 35.35 6.58 2 59.07 TR45984|c2_g1_i2.p1 ApMTP6a 426 46.43 6.25 6 AtMTP6a(AT2G47830) 61.76 TR45984|c2_g1_i3.p1 ApMTP6b 426 46.38 6.31 6 61.76 TR45984|c2_g1_i4.p1 ApMTP6c 297 31.91 7.55 6 71.14 TR82237|c0_g1_i1.p1 ApMTP7a 459 51.09 7.39 6 AtMTP7(AT1G51610) 80.56 TR82237|c0_g1_i2.p1 ApMTP7b 459 50.96 7.09 6 80.56 TR82237|c0_g1_i3.p1 ApMTP7c 327 36.26 8.69 6 82.51 TR82237|c0_g1_i4.p1 ApMTP7d 336 37.25 9.02 6 82.67 TR106255|c8_g1_i1.p1 ApMTP8-1a 217 24.74 6.00 3 AtMTP8(AT3G58060) 60.62 TR106255|c8_g1_i2.p1 ApMTP8-1b 398 45.16 5.76 6 67.97 TR108025|c0_g1_i1.p1 ApMTP8-2a 204 22.85 4.65 3 63.64 TR108025|c0_g1_i2.p1 ApMTP8-2b 207 23.02 4.67 3 63.05 TR108025|c0_g1_i3.p1 ApMTP8-2c 204 22.87 4.61 3 65.15 TR120254|c0_g1_i2.p1 ApMTP8-3a 202 22.57 4.75 3 64.77 TR120254|c0_g1_i4.p1 ApMTP8-3b 230 25.74 4.85 3 65.20 TR120254|c0_g1_i5.p1 ApMTP8-3c 231 26.06 4.72 3 71.14 TR120254|c0_g2_i1.p1 ApMTP8-4a 185 20.97 5.96 2 78.92 TR120254|c0_g2_i2.p1 ApMTP8-4b 184 20.92 6.40 2 81.62 TR120254|c0_g2_i3.p1 ApMTP8-4c 183 20.73 6.07 2 80.43 TR120254|c0_g2_i5.p1 ApMTP8-4d 186 21.15 6.07 2 80.65 TR70117|c2_g2_i2.p1 ApMTP10a 403 46.24 5.98 6 AtMTP10b(AT1G16310) 80.00 TR70117|c2_g2_i3.p1 ApMTP10b 404 46.27 6.39 6 79.30 TR70117|c2_g2_i4.p1 ApMTP10c 257 29.75 6.73 4 80.89 TR70117|c2_g2_i5.p1 ApMTP10d 207 24.01 5.43 2 79.27 TR117430|c2_g1_i1.p1 ApMTP11a 343 38.68 5.07 6 AtMTP11(AT2G39450) 86.84 TR117430|c2_g1_i3.p1 ApMTP11b 408 45.66 4.87 6 83.47 TR117430|c2_g1_i5.p1 ApMTP11c 410 45.80 4.87 6 83.73 TR117430|c2_g1_i6.p1 ApMTP11d 410 45.95 4.88 6 83.52 MW: molecular weight; pI: isoelectric point; TMDs: number of transmembrane domains. 2.2 空心莲子草MTP家族成员的系统发育分析
为展示空心莲子草、拟南芥、玉米和水稻中MTP蛋白间的进化关系，构建了包含ApMTP、AtMTP、ZmMTP和OsMTP的系统发育树(图1)。根据Montanini等[9]的分类标准，将ApMTPs分为3个亚家族组，分别命名为Zn/Fe-CDF、Mn-CDF和Zn-CDF。除了MTP4和MTP9外，在空心莲子草中均发现了与拟南芥MTP同源的基因。例如，在Zn/Fe-CDF亚家族中，ApMTP6和ApMTP7分别与AtMTP6/OsMTP6/ZmMTP6和AtMTP7/OsMTP7/ZmMTP7同源性较高。在Mn-CDF亚家族中，ApMTP8至ApMTP11与AtMTP8/OsMTP8/ZmMTP8至AtMTP11/OsMTP11/ZmMTP11的进化关系最近。对于包含AtMTP1、AtMTP2、AtMTP3、AtMTP5和AtMTP12的亚组中，发现了进化关系最紧密的ApMTP，即ApMTP1、ApMTP2、ApMTP3、ApMTP5和ApMTP12，它们组成了Zn-CDF亚家族。本研究还发现，水稻MTP8中含有OsMTP8-1和OsMTP8-2这2个同源物，玉米MTP8中含有ZmMTP8-1a、ZmMTP8-1b和ZmMTP8-2这3个同源物，与水稻和玉米相似，空心莲子草中的MTP8也含有ApMTP8-1、ApMTP8-2、>ApMTP8-3和ApMTP8-4 这4个旁系同源物。
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图 1 空心莲子草、拟南芥、玉米和水稻中MTP基因家族系统发育分析Figure 1. Phylogenetic tree of metal transporter protein (MTP) sequences from various plant species2.3 空心莲子草MTP氨基酸序列分析
进一步的序列分析结果表明(表1)：1) ApMTP与AtMTP的相似性普遍较高(60%～90%)，暗示它们的功能具有潜在的相似性；2) 结构域预测发现，除ApMTP12-1含有14个跨膜结构域外，其余ApMTPs均含有2～6个跨膜结构域；3) 多重序列比对显示Zn-CDF、Mn-CDF和Zn/Fe-CDF亚家族的ApMTP之间的同源性非常低。Montanini等[9]在Mn-CDF和Zn/Fe-CDF 2个亚家族中分析发现，在第5个跨膜结构(TMDV)上或附近识别有高度保守的包含天冬氨酸(aspartic, D)和组氨酸(histidine, H)的HXXXD基序(X =任何氨基酸)或以天冬氨酸为主的DXXXD的基序。本研究中，在Zn-CDF亚家族ApMTP的TMD-II和TMD-V上鉴定到保守基序HXXXD，在Zn/Fe-CDF亚家族ApMTP的TMD-II和TMD-V附近鉴定到保守基序HXXXD，以及在Mn-CDFs亚家族的TMD-II和TMD-V上鉴定到保守基序DXXXD (图2)。此外，与Zn-CDF和Zn/Fe-CDF 2个亚家族相比，Mn-CDF亚家族的ApMTP保守性更高(图2)。
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图 2 空心莲子草MTP基因家族保守结构域分析蓝色和粉色阴影表示相似的氨基酸(蓝色表示相似度大于90%，粉色表示相似度70%～90%)。跨膜结构域(TMDs)显示为这些序列上方的线，编号为I～VI。共有序列HXXXD(X = 任何氨基酸)用红色标示，DXXXD用黄色标示。Figure 2. Conserved domain analysis of MTP sequences from Arabidopsis thalianaBlue and pink highlighting indicate similarities of > 90% and 70%～90%, respectively, and transmembrane domains (TMDs) I through VI are labeled and designated using lines above these sequences. The two conserved domains (HXXXD and DXXXD) are highlighted in red and yellow, respectively.空心莲子草的MTP蛋白理化性质分析结果(表1)表明，氨基酸序列长度最短的为183 aa (ApMTP8-4c)，序列最长的为585 aa (ApMTP12-1)；分子量最小的是20.73 kDa (ApMTP8-4c)，最大的为66.23 kDa (ApMTP12-1)；等电点在4.61 (ApMTP8-2c)～9.02 (ApMTP7d)；与拟南芥相比，序列相似度最低的是38.46% (ApMTP1-2)，相似度最高为89.74% (ApMTP5b)。
2.4 MTP基因结构和保守基序(motif)分析
蛋白质中的保守基序是指高度保守的氨基酸残基，在活性蛋白质中可能具有功能和/或结构作用。本研究使用MEME程序分析了MTP蛋白的基序分布，并鉴定了20个保守基序，分别命名为Motif1到Motif 20(图3、图4)。
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图 3 MTP基因家族的保守基序分析Figure 3. Gene structure and evolutionary relationships of the metal transporter protein (MTP) gene family![]()
图 4 ApMTP基因家族的保守基序及基因结构分析Figure 4. Gene structure and evolutionary relationships of metal transporter protein (MTP) genes from Alternanthera philoxeroides与Pfam网站的种子序列对比发现，Motif 2和Motif 4与阳离子外排家族(Cation_efflux；PF01545)相似，而Motif 3与锌转运蛋白二聚结构域(ZT_dimer；PF16916)相似。空心莲子草MTP氨基酸序列中也都至少包含这3个Motif中的一个(图3)，类似结果在拟南芥[28]和水稻[15]中也有报道，说明在空心莲子草的MTP结构是比较保守的，可能具备重金属转运的功能。
为了更好展示空心莲子草的保守基序，本研究单独绘制了40个ApMTP氨基酸序列的基序分布(图4)。结果显示，同一亚组的大多数ApMTP蛋白通常具有相似的基序组成。例如MTP6、MTP7和MTP8的氨基酸序列具有高度相似性。另外，除MTP1外，在所有ApMTP中都识别到了Motif 5。一些亚家族中包含几个相对特有的Motif。例如，仅在亚家族ApMTP2中识别到Motif 19，而仅在亚家族ApMTP7中识别到Motif 9和Motif 17。在大多数情况下，ApMTP可变剪切转录本编码的氨基酸序列相似，通常第1个或结尾4～5个Motif有所不同(图4)，例如ApMTP8-1相比于ApMTP8-2，ApMTP8-1在结尾处多出6个Motif。
为了进一步解析ApMTP基因结构，对其内含子–外显子结构进行了分析。结果表明(图4)，Mn-CDF中包含20个ApMTP基因，长度分布在550 bp(ApMTP8-4c)至2 000 bp (ApMTP8-1b)，具有1个外显子，其中有3个基因包含5'-UTR区域(ApMTP8-2a、ApMTP8-2b、ApMTP8-2c)，1个基因包含5'-UTR和3'-UTR区域(ApMTP8-1b)；在Zn/Fe-CDF中，共有7个基因，长度分布在900 bp (ApMTP6c)至1 550 bp (ApMTP7a)；在Zn-CDF中，共有13个基因，长度分布在680 bp (ApMTP1-1b)至5 000 bp (ApMTP12-1)，其中有2个基因包含3'-UTR区域(ApMTP1-1a、ApMTP1-1b)。
2.5 空心莲子草MTP基因的表达模式分析
为了进一步展示MTP基因的表达特征，本研究绘制热图展示40个ApMTP基因的表达模式。如图5所示，ApMTP8-1a、ApMTP8-1b、ApMTP8-3a、ApMTP8-4a、ApMTP11a、ApMTP1-1a、ApMTP1-1b和ApMTP2a在不同处理下的表达水平普遍较高，而ApMTP3和ApMTP1-2在不同处理下表达水平普遍较低。此外，ApMTP基因的表达受到不同生长环境条件和处理的影响。例如，同Up_CK相比，随着处理时间的增加，ApMTP1-1a的表达水平先降低后升高，于Up_24 h时表达水平最低。Pond_CK处理下ApMTP1-1a的表达水平低于Up_CK，但是随着处理时间的延长，Pond处理下ApMTP1-1a的表达水平呈现先升高后降低的趋势，且始终高于Pond_CK处理(图5，NCBI项目编号PRJNA263573)。MTP基因在同K+转运的关系研究较少，通过热图数据可知，部分ApMTP的表达水平受到低钾胁迫的影响，ApMTP8-1a、ApMTP8-1b、ApMTP7a、ApMTP12-2c、ApMTP12-1、ApMTP12-1、ApMTP10d、ApMTP10b和ApMTP8-4c等基因的表达水平在受到低钾胁迫后有所上升，而ApMTP8-4a、ApMTP8-3a、ApMTP8-3c、ApMTP8-4b、ApMTP8-4c等基因的表达水平则有所降低，这些结果表明ApMTP的表达可能受到一定胁迫条件的诱导。对于空心莲子草的不同种群(山东济南收集的“北方”种群和上海收集的“中央”种群，NCBI项目编号PRJNA268359)，ApMTP表达水平相差不大。
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图 5 空心莲子草MTP基因表达水平热图Upland和Pond：从生长在陆地和池塘中采集的空心莲子草混合组织样本(NCBI项目编号PRJNA256235)。CK：根部对照；Low K+：根部低钾胁迫(NCBI项目编号PRJNA256237)。Pond_CK到Pond_288h：水中种植并且种植盆水面高度保持在50 cm，处理0～288 h的茎节组织样本(stem internode)；Up_CK到Up_288h：盆栽种植并且每天浇灌1 L自来水，处理0～288 h的茎节组织样本(stem internode) (NCBI项目编号PRJNA263573)。JN：山东济南收集的“北方”种群，上部第二和第三对叶片组织样本；SH：上海收集的“中央”种群，上部第二和第三对叶片组织样本(NCBI项目编号PRJNA268359)。Figure 5. Expression patterns of metal transporter protein (MTP) genes in Alternanthera philoxeroidesUpland and Pond: pooled samples of Alternanthera philoxeroides were collected from Upland and Pond environment (Bioproject ID PRJNA256235); CK: control, root; Low K+: low-potassium stress, root (Bioproject ID PRJNA256237); Pond_CK to Pond_288h: the potted plants were completely submerged in a series of plastic tanks containing tap water to a depth of 50 cm; Up_CK to Up_288h: Plants were supplied with 1 L water per day in the upland treatment and the soil was kept well-drained. Stem internode tissues were harvested for each treatment (Bioproject ID PRJNA268359). JN: “Northern” population (the top 2nd and 3rd leaf pairs) collected in Jinan, Shandong; SH: “central” population (the top 2nd and 3rd leaf pairs) collected in Shanghai.3. 讨论与结论
迄今为止已报道了许多植物中MTP成员的功能研究，例如拟南芥[17, 19, 28]、水稻[15, 20]、芥菜(Brassica juncea)[13-14]、黄瓜[7, 12]、遏蓝菜[11]和山茶(Camellia japonica)[18]，但对MTP家族功能和作用的理解仍然不是十分全面。基于不断增加的基因组信息，通过比较基因组学分析基因家族是现代功能基因组学研究的有效方法[13]。Gustin等[8]将植物MTP蛋白分为7个组，其中第1组(MTP1至MTP4)、第5组(MTP5)和第12组(MTP12)属于Zn-CDF亚家族，第6组(MTP6)和第7组(MTP7)属于Fe/Zn-CDF亚家族，第8组(MTP8)和第9组(MTP9至MTP11)属于Mn-CDF亚家族。已证明MTP基因参与耐受和转运各种重金属，包括植物微量元素和非必需元素[11, 13-14, 19]，因此它们可能在植物矿物质营养的维持和抗金属胁迫方面发挥重要作用。其中，在拟南芥、黄瓜和水稻中，AtMTP1[28]、AtMTP3[29]以及CsMTP4[7]被证实不仅可以转运Zn，还能够将Cd(CsMTP1[7]、CsMTP4[7]和OsMTP1[15])、Co(OsMTP1[15])、AtMTP3[29]以及HvMTP1[30]或Fe(OsMTP1[15])转运至植物细胞的液泡[30]。本研究筛选并鉴定了40个ApMTP基因，这些ApMTP基因编码的蛋白质长度为183～459个氨基酸不等(表1)。尽管不同空心莲子草MTP蛋白的氨基酸数目差异较大，但这对于MTP蛋白而言并不罕见。例如在拟南芥MTP蛋白中，氨基酸数目从398(AtMTP1)[28]～789(AtMTP12)个[31]氨基酸不等。有研究表明，预测MTP蛋白主要定位于含有6个TMDs液泡膜中上[32]，但6个TMDs也并非是绝对的，例如在小麦中TMD具有4～14个[33]。本研究中跨膜结构预测结果表明，在空心草中ApMTP6、ApMTP7和ApMTP11含有6个TMDs，ApMTP12-1含有14个TMDs，其余ApMTPs含有2～6个TMDs。在蛋白质的保守基序分析中，40个ApMTP与拟南芥、玉米和水稻相似，都含有阳离子外排家族结构域(Cation_efflux；PF01545)，大部分Mn-CDF亚家族和MTP7亚组含有锌转运蛋白二聚结构域(ZT_dimer；PF16916)，并且其中Zn-CDF和Mn-CDF的成员中存在保守序列HxxxD和DxxxD(图2)。在黄瓜中，CsMTP8含有保守结构DxxxD，并且经验证CsMTP8是位于液泡膜中的Mn转运蛋白，参与黄瓜根细胞中锰稳态的维持[12]，这表明Mn-CDF亚家族的ApMTP也可能参与维持植物中的锰稳态。
系统发育分析可用来比较鉴定出的ApMTP序列与已知物种，如水稻、玉米和拟南芥MTP序列的系统发育分布，并可以帮助研究者推测ApMTP潜在功能[33]。在系统发育树上，Mn-CDFs、Zn/Fe-CDFs和Zn-CDFs表现出清晰的分离，其中单子叶植物水稻和玉米中的MTP蛋白OsMTP8-11和ZmMTP8-11，以及双子叶植物拟南芥中的MTP蛋白AtMTP8-11被鉴定为ApMTP中Mn-CDF亚家族的功能性直系同源物；OsMTP6-7、ZmMTP6-7和AtMTP6-7被鉴定为ApMTP中Zn/Fe-CDF的功能性直系同源物；以及OsMTP1、5、12，ZmMTP5和AtMTP1-5被鉴定为Zn-CDF亚家族中12个ApMTP的功能性直系同源物。在拟南芥中，AtMTP5-AtMTP12蛋白仅包含MTP家族的一项功能，而AtMTP1-AtMTP4包含了所有MTP功能[34-35]，表明ApMTP整个家族可也能存在功能多样性。由此推测，可能与水稻、玉米和拟南芥中已有功能研究的MTP类似，空心莲子草MTP同样具有重金属离子转运功能，但这些通过生物信息学分析获得的ApMTPs的确切功能还需要进一步试验验证。
据报道，植物MTP的成员参与转运不同的金属，包括Zn、Cd、Co、Ni、Fe和Mn[7, 11-15, 17-18, 20]。因此，这些MTP基因在重金属污染土壤生长的植物修复中具有潜在的应用价值[8, 11]。拟南芥中MTP8提高了对缺铁诱导的萎黄病的耐受性[17]，该研究为MTP蛋白在植物中的功能提供了新的认识。然而，MTP家族是否有助于植物在缺乏离子及水分不同的生长条件下的作用尚不清楚。为了扩展有关这些问题的信息，本研究利用NCBI保存的转录组数据分析了揭示空心莲子草中ApMTPs可能的表达模式。数据分析显示，ApMTP基因的表达具有组织和处理的特异性，且随着处理时间点的不同而有所差异，表明ApMTP基因参与空心莲子草对环境变化和胁迫处理的响应。其中ApMTP1-1a、ApMTP2a、ApMTP1-1b、ApMTP11a、ApMTP8-1a、ApMTP8-4a、ApMTP8-3a在不同组织(叶片、根系、茎节、混合组织)和不同处理下(低钾胁迫、不同水分环境等)的表达水平普遍较高，且这些基因的表达随着处理种类和时间点的不同而有所波动。例如ApMTP1-1a、ApMTP8-4a、ApMTP11b等，其表达水平均受到Up和Pond处理的影响，且随着处理时间的延长而有所波动(图5，NCBI项目编号PRJNA263573)。这些结果表明ApMTPs基因的表达一定程度上受到水分条件的影响，这与空心莲子草容易在水中大面积覆盖生长的特性相吻合[36]。此外，低钾处理对ApMTP1-1a的表达水平影响不大。ApMTP1-1a的表达水平在不同组织中也有所不同，其中，该基因在茎节中的表达水平整体较高，而在叶片中表达水平最低(NCBI项目编号PRJNA268359)。类似结果在其他基因中也有表现，例如ApMTP10b、ApMTP10d和ApMTP10a只在根系中表达水平较高(NCBI项目编号PRJNA256237)，在其他组织中基本无表达或者表达水平较低。ApMTP2c在茎节中的表达水平较高(图5，NCBI项目编号PRJNA263573)，在根系和叶片中的表达水平较低，且低钾胁迫处理后进一步降低了ApMTP2c的表达水平。对于空心莲子草的不同种群(山东济南收集的“北方”种群和上海收集的“中央”种群，NCBI项目编号PRJNA268359)，ApMTP表达水平相差不大。尽管不同纬度环境条件，包括温度、湿度、光照、光周期等存在差异，但是大部分叶片中ApMTP基因表达水平变化不大，暗示ApMTP的表达可能受到特定环境条件的诱导。通过对NBCI上4组空心莲子草转录组数据分析，初步揭示了ApMTP基因的表达模式，其中ApMTP1-1a、ApMTP2a、ApMTP1-1b、ApMTP11a、ApMTP8-1a、ApMTP8-4a、ApMTP8-3a等在不同组织和不同处理下普遍较高表达，可作为候选基因开展后续的功能研究。但是ApMTP在重金属胁迫下的表达模式以及受到重金属处理后的可能响应机制需进一步试验验证。
本研究探讨了空心莲子草中ApMTP家族基因成员的生物信息学特征以及不同生长条件下的表达模式。本研究的分析结果与先前的研究结果部分一致，因此本研究为空心莲子草MTP成员的后续研究提供了一些重要的参考信息。然而，仅从基因表达反应来预测MTP转运蛋白转运的离子是不完全可信的，因为离子间的相互作用或受离子影响的生理代谢过程可能会间接引起其他离子的表达变化。因此，每个ApMTP基因成员需要通过现代分子生物学技术进行进一步的基因功能研究。
参考文献
[1] YUAN L, YANG S, LIU B, ZHANG M, WU K. Molecular characterization of a rice metal tolerance protein, OsMTP1. Plant Cell Reports, 2012, 31(1): 67-79. doi: 10.1007/s00299-011-1140-9
[2] RICACHENEVSKY F K, MENGUER P K, SPEROTTO R A, WILLIAMS L E, FETT J P. Roles of plant metal tolerance proteins (MTP) in metal storage and potential use in biofortification strategies. Frontiers in Plant Science, 2013, 4: 144.
[3] CAMBROLLE J, GARCIA J L, FIGUEROA M E, CANTOS M. Evaluating wild grapevine tolerance to copper toxicity. Chemosphere, 2015, 120: 171-178. doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.06.044
[4] CLEMENS S. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie, 2006, 88: 1707-1719. doi: 10.1016/j.biochi.2006.07.003
[5] CLEMENS S, PALMGREN M G, KRAMER U. A long way ahead: Understanding and engineering plant metal accumulation. Trends Plant Science, 2002, 7: 309-315. doi: 10.1016/S1360-1385(02)02295-1
[6] HALL J L. Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance. Journal of Experimental Botany, 2002, 53: 1-11. doi: 10.1093/jexbot/53.370.0
[7] MIGOCKA M, KOSIERADZKA A, PAPIERNIAK A, MACIASZCZYK-DZIUBINSKA E, POSYNIAK E, GARBIEC A, FILLEUR S. Two metal-tolerance proteins, MTP1 and MTP4, are involved in Zn homeostasis and Cd sequestration in cucumber cells. Journal of Experimental Botany, 2015, 66(3): 581-596.
[8] GUSTIN J L, ZANIS M J, SALT D E. Structure and evolution of the plant cation diffusion facilitator family of ion transporters. BMC Evolutionary Biology, 2011, 11(1): 76. doi: 10.1186/1471-2148-11-76
[9] MONTANINI B, BLAUDEZ D, JEANDROZ S, SANDERS D, CHALOT M. Phylogenetic and functional analysis of the Cation Diffusion Facilitator (CDF) family: Improved signature and prediction of substrate specificity. BMC Genomics, 2007, 8(1): 107. doi: 10.1186/1471-2164-8-107
[10] HANEY C J, GRASS G, FRANKE S, RENSING C. New developments in the understanding of the cation diffusion facilitator family. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 2005, 32(6): 215-226. doi: 10.1007/s10295-005-0224-3
[11] KIM D, GUSTIN J L, LAHNER B, PERSANS M W, BAEK D, YUN D J, SALT D E. The plant CDF family member TgMTP1 from the Ni/Zn hyperaccumulator <italic>Thlaspi goesingense</italic> acts to enhance efflux of Zn at the plasma membrane when expressed in <italic>Saccharomyces cerevisiae</italic>. Plant Journal, 2004, 39: 237-251. doi: 10.1111/j.1365-313X.2004.02126.x
[12] MIGOCKA M, PAPIERNIAK A, LEWICKA A, POSYNIAK E, MACIASZCZYK-DZIUBINSKA E, BISKUP R, GARBIEC A, MARCHEWKA T. Cucumber Metal Transport Protein CsMTP9 is a plasma membrane H<sup>+</sup>-coupled antiporter involved in the Mn<sup>2+</sup> and Cd<sup>2+</sup> efflux from root cells. Plant Journal for Cell and Molecular Biology, 2015, 84(6): 1045-1058. doi: 10.1111/tpj.13056
[13] XU J, CHAI T Y, ZHANG Y X, LANG M L, HAN L. The cation-efflux transporter BjCET2 mediates zinc and cadmium accumulation in <italic>Brassica juncea</italic> L. leaves. Plant Cell Reports, 2009, 28(8): 1235-1242. doi: 10.1007/s00299-009-0723-1
[14] LANG M L, HAO M Y, FAN Q W, WANG W, MO S J, ZHAO W C, ZHOU J. Functional characterization of BjCET3 and BjCET4, two new cation-efflux transporters from <italic>Brassica juncea</italic> L. Journal of Experimental Botany, 2011(13): 13.
[15] MENGUER P K, FARTHING E, PEASTON K A, RICACHENEVSKY F K, FETT J P, WILLIAMS L E. Functional analysis of the rice vacuolar zinc transporter OsMTP1. Journal of Experimental Botany, 2013, 64: 2871-2883. doi: 10.1093/jxb/ert136
[16] FUJIWARA T, KAWACHI M, SATO Y, MORI H, KUTSUNA N, HASEZAWA S, MAESHIMA M. A high molecular mass zinc transporter MTP12 forms a functional heteromeric complex with MTP5 in the Golgi in <italic>Arabidopsis thaliana</italic>. FEBS Journal, 2015, 282: 1965-1979. doi: 10.1111/febs.13252
[17] EROGLU S, GIEHL R F H, MEIER B, TAKAHASHI M, TERADA Y, IGNATYEV K, ANDRESEN E, KÜPPER H, PEITER E, WIRÉN N. Metal Tolerance Protein 8 mediates manganese homeostasis and iron re-allocation during seed development and germination. Plant Physiology, 2017, 174(3): 1633-1647. doi: 10.1104/pp.16.01646
[18] LI Q, LI Y, WU X Y, ZHOU L, ZHU X J, FANG W P. Metal transport protein 8 in <italic>Camellia sinensis</italic> confers superior manganese tolerance when expressed in yeast and <italic>Arabidopsis thaliana</italic>. Scientific Reports, 2017, 7: 39915. doi: 10.1038/srep39915
[19] DELHAIZE E, GRUBER B D, PITTMAN J K, WHITE R G, LEUNG H, MIAO Y, JIANG L, RYAN P R, RICHARDSON A E. A role for the AtMTP11 gene of <italic>Arabidopsis</italic> in manganese transport and tolerance. Plant Journal, 2007, 51: 198-210. doi: 10.1111/j.1365-313X.2007.03138.x
[20] ZHANG M, LIU B. Identification of a rice metal tolerance protein OsMTP11 as a manganese transporter. PLoS One, 2017, 4(12): e0174987.
[21] CAMERON P J, HILL R L, BAIN J, THOMAS W P. A Review of biological control of invertebrate pests and weeds in New Zealand 1874-1987. Florida Entomologist, 1989, 74(3): 67-72.
[22] JULIEN M H, SKARRATT B, MAYWALD G F. Potential geographical distribution of alligator weed and its biological control by <italic>Agasicles hygrophila</italic>. Journal of Aquatic Plant Management, 1995, 33: 55-60.
[23] HOLM L R, SCHMID R, DOLL J, HOLM E, PANCHO J, HERBERGER J. World weeds: Natural histories and distribution. Taxon, 1998, 47(1): 209.
[24] BASSETT I, PAYNTER Q, HANKIN R, BEGGS J R. Characterising alligator weed (<italic>Alternanthera philoxeroides</italic>; Amaranthaceae) invasion at a northern New Zealand lake. New Zealand Journal of Ecology, 2012, 36: 216-222.
[25] 黄永杰. 外来杂草水花生的重金属耐性研究. 芜湖: 安徽师范大学硕士学位论文, 2006. HUANG Y J. The study on endurance of exotic weed (Gynura crepidioides Benth) to heavy metal pollution. Master Thesis. Wuhu: Anhui Normal University, 2006.
[26] 徐丽, 张震, 张鹏, 王育鹏, 檀根甲. 喜旱莲子草对重金属元素的耐性试验研究. 安徽农业科学, 2010, 38(13): 6831-6832. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2010.13.081 XU L, ZHANG Z, ZHANG P, WANG Y P, TAN G J. Study on tolerance of <italic>Alternanthera philoxeroides</italic> to heavy metals. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(13): 6831-6832. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2010.13.081
[27] KIM S A, GUERINOT M L. Phylogenetic relationships within cation transporter families of <italic>Arabidopsis</italic>. Plant Physiology, 2001, 126: 1646-1667. doi: 10.1104/pp.126.4.1646
[28] DESBROSSES-FONROUGE A G, VOIGT K, SCHRODER A, ARRIVAULT S, THOMINE S, KRAMER U. <italic>Arabidopsis thaliana</italic> MTP1 is a Zn transporter in the vacuolar membrane which mediates Zn detoxification and drives leaf Zn accumulation. Febs Letters, 2005, 579: 4165-4174. doi: 10.1016/j.febslet.2005.06.046
[29] ARRIVAULT S, SENGER T, KRÄMER U. The <italic>Arabidopsis</italic> metal tolerance protein AtMTP3 maintains metal homeostasis by mediating Zn exclusion from the shoot under Fe deficiency and Zn oversupply. Plant Journal, 2006, 46: 861-879. doi: 10.1111/j.1365-313X.2006.02746.x
[30] PEDAS P. Barley metal ion transport proteins involved in manganese acquisition and homeostasis. American: California Digital Library, 2009: 1-5.
[31] LU M, FU D. Structure of the zinc transporter YiiP. Science, 2007, 317: 1746-1748. doi: 10.1126/science.1143748
[32] VATANSEVER R, FILIZ E, EROGLU S. Genome-wide exploration of metal tolerance protein (MTP) genes in common wheat (<italic>Triticum aestivum</italic>): Insights into metal homeostasis and biofortification. Biometals, 2017, 30: 217-235. doi: 10.1007/s10534-017-9997-x
[33] VATANSEVER R, KOC I, OZYIGIT Ⅱ, SEN U, URAS M E, ANJUM N A, FILIZ E. Genome-wide identification and expression analysis of sulfate transporter (SULTR) genes in potato (<italic>Solanum tuberosum</italic> L.). Planta, 2016, 244(6): 1167-1183. doi: 10.1007/s00425-016-2575-6
[34] PAULSEN I T, SAIER M H. A novel family of ubiquitous heavy metal ion transport proteins. The Journal of Membrane Biology, 1997, 156: 99-103. doi: 10.1007/s002329900192
[35] ZHANG B J, ZHANG X X, LUO L G. The major gene families related to cadmium absorption and transportation in plants. Genomics and Applied Biology, 2013, 32: 127-134.
[36] 许凯扬, 叶万辉, 李静, 黄忠良, 李国民. 入侵种喜旱莲子草对土壤水分的表型可塑性反应. 华中师范大学学报(自然科学版), 2005, 39(1): 100-103. XU K Y, YE W H, LI J, HUANG Z L, LI G M. Phenotypic plasiticity in response to soil water content in the invasive species <italic>Alternanthera philoxeroides</italic>. Journal of Central China Normal University (Natural Sciences), 2005, 39(1): 100-103.
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图 1 空心莲子草、拟南芥、玉米和水稻中MTP基因家族系统发育分析
Figure 1. Phylogenetic tree of metal transporter protein (MTP) sequences from various plant species
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图 2 空心莲子草MTP基因家族保守结构域分析
蓝色和粉色阴影表示相似的氨基酸(蓝色表示相似度大于90%，粉色表示相似度70%～90%)。跨膜结构域(TMDs)显示为这些序列上方的线，编号为I～VI。共有序列HXXXD(X = 任何氨基酸)用红色标示，DXXXD用黄色标示。
Figure 2. Conserved domain analysis of MTP sequences from Arabidopsis thaliana
Blue and pink highlighting indicate similarities of > 90% and 70%～90%, respectively, and transmembrane domains (TMDs) I through VI are labeled and designated using lines above these sequences. The two conserved domains (HXXXD and DXXXD) are highlighted in red and yellow, respectively.
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图 3 MTP基因家族的保守基序分析
Figure 3. Gene structure and evolutionary relationships of the metal transporter protein (MTP) gene family
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图 4 ApMTP基因家族的保守基序及基因结构分析
Figure 4. Gene structure and evolutionary relationships of metal transporter protein (MTP) genes from Alternanthera philoxeroides
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图 5 空心莲子草MTP基因表达水平热图
Upland和Pond：从生长在陆地和池塘中采集的空心莲子草混合组织样本(NCBI项目编号PRJNA256235)。CK：根部对照；Low K+：根部低钾胁迫(NCBI项目编号PRJNA256237)。Pond_CK到Pond_288h：水中种植并且种植盆水面高度保持在50 cm，处理0～288 h的茎节组织样本(stem internode)；Up_CK到Up_288h：盆栽种植并且每天浇灌1 L自来水，处理0～288 h的茎节组织样本(stem internode) (NCBI项目编号PRJNA263573)。JN：山东济南收集的“北方”种群，上部第二和第三对叶片组织样本；SH：上海收集的“中央”种群，上部第二和第三对叶片组织样本(NCBI项目编号PRJNA268359)。
Figure 5. Expression patterns of metal transporter protein (MTP) genes in Alternanthera philoxeroides
Upland and Pond: pooled samples of Alternanthera philoxeroides were collected from Upland and Pond environment (Bioproject ID PRJNA256235); CK: control, root; Low K+: low-potassium stress, root (Bioproject ID PRJNA256237); Pond_CK to Pond_288h: the potted plants were completely submerged in a series of plastic tanks containing tap water to a depth of 50 cm; Up_CK to Up_288h: Plants were supplied with 1 L water per day in the upland treatment and the soil was kept well-drained. Stem internode tissues were harvested for each treatment (Bioproject ID PRJNA268359). JN: “Northern” population (the top 2nd and 3rd leaf pairs) collected in Jinan, Shandong; SH: “central” population (the top 2nd and 3rd leaf pairs) collected in Shanghai.
表 1 空心莲子草MTP基因家族序列特征及其分子特征
Table 1 Metal transporter protein (MTP) genes identified in Alternanthera philoxeroides
基因号
Gene ID基因名
Name长度
Length/aa相对分子量
MW/kDa等电点
pI跨膜结构域数
TMDs同系物
Homolog相似度
Similarity/%TR112641|c0_g1_i1.p1 ApMTP1-1a 187 21.24 5.75 2 AtMTP1(AT2G46800) 82.39 TR112641|c0_g1_i2.p1 ApMTP1-1b 184 20.79 5.72 2 77.40 TR9621|c0_g1_i1.p1 ApMTP1-2 215 22.85 5.59 2 38.46 TR87830|c0_g1_i1.p1 ApMTP2a 223 24.18 6.21 4 AtMTP2(At3G61940) 68.83 TR87830|c0_g1_i3.p1 ApMTP2b 223 24.19 6.21 4 68.83 TR87830|c0_g1_i4.p1 ApMTP2c 223 24.22 6.21 4 68.83 TR114834|c0_g1_i1.p1 ApMTP3 337 37.51 6.17 5 AtMTP3(AT3G58810) 70.95 TR33041|c2_g1_i1.p1 ApMTP5a 379 42.13 8.78 6 AtMTP5a(AT3G12100) 67.78 TR33041|c2_g1_i2.p1 ApMTP5b 220 24.55 6.14 4 89.74 TR69867|c0_g5_i2.p1 ApMTP12-1 585 66.23 8.36 14 AtMTP12b(AT2G04620) 60.03 TR40874|c0_g3_i1.p1 ApMTP12-2a 313 35.36 6.57 2 66.67 TR40874|c0_g3_i2.p1 ApMTP12-2b 321 36.34 6.51 2 73.68 TR40874|c0_g3_i3.p1 ApMTP12-2c 313 35.35 6.58 2 59.07 TR45984|c2_g1_i2.p1 ApMTP6a 426 46.43 6.25 6 AtMTP6a(AT2G47830) 61.76 TR45984|c2_g1_i3.p1 ApMTP6b 426 46.38 6.31 6 61.76 TR45984|c2_g1_i4.p1 ApMTP6c 297 31.91 7.55 6 71.14 TR82237|c0_g1_i1.p1 ApMTP7a 459 51.09 7.39 6 AtMTP7(AT1G51610) 80.56 TR82237|c0_g1_i2.p1 ApMTP7b 459 50.96 7.09 6 80.56 TR82237|c0_g1_i3.p1 ApMTP7c 327 36.26 8.69 6 82.51 TR82237|c0_g1_i4.p1 ApMTP7d 336 37.25 9.02 6 82.67 TR106255|c8_g1_i1.p1 ApMTP8-1a 217 24.74 6.00 3 AtMTP8(AT3G58060) 60.62 TR106255|c8_g1_i2.p1 ApMTP8-1b 398 45.16 5.76 6 67.97 TR108025|c0_g1_i1.p1 ApMTP8-2a 204 22.85 4.65 3 63.64 TR108025|c0_g1_i2.p1 ApMTP8-2b 207 23.02 4.67 3 63.05 TR108025|c0_g1_i3.p1 ApMTP8-2c 204 22.87 4.61 3 65.15 TR120254|c0_g1_i2.p1 ApMTP8-3a 202 22.57 4.75 3 64.77 TR120254|c0_g1_i4.p1 ApMTP8-3b 230 25.74 4.85 3 65.20 TR120254|c0_g1_i5.p1 ApMTP8-3c 231 26.06 4.72 3 71.14 TR120254|c0_g2_i1.p1 ApMTP8-4a 185 20.97 5.96 2 78.92 TR120254|c0_g2_i2.p1 ApMTP8-4b 184 20.92 6.40 2 81.62 TR120254|c0_g2_i3.p1 ApMTP8-4c 183 20.73 6.07 2 80.43 TR120254|c0_g2_i5.p1 ApMTP8-4d 186 21.15 6.07 2 80.65 TR70117|c2_g2_i2.p1 ApMTP10a 403 46.24 5.98 6 AtMTP10b(AT1G16310) 80.00 TR70117|c2_g2_i3.p1 ApMTP10b 404 46.27 6.39 6 79.30 TR70117|c2_g2_i4.p1 ApMTP10c 257 29.75 6.73 4 80.89 TR70117|c2_g2_i5.p1 ApMTP10d 207 24.01 5.43 2 79.27 TR117430|c2_g1_i1.p1 ApMTP11a 343 38.68 5.07 6 AtMTP11(AT2G39450) 86.84 TR117430|c2_g1_i3.p1 ApMTP11b 408 45.66 4.87 6 83.47 TR117430|c2_g1_i5.p1 ApMTP11c 410 45.80 4.87 6 83.73 TR117430|c2_g1_i6.p1 ApMTP11d 410 45.95 4.88 6 83.52 MW: molecular weight; pI: isoelectric point; TMDs: number of transmembrane domains. 
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[1] YUAN L, YANG S, LIU B, ZHANG M, WU K. Molecular characterization of a rice metal tolerance protein, OsMTP1. Plant Cell Reports, 2012, 31(1): 67-79. doi: 10.1007/s00299-011-1140-9
[2] RICACHENEVSKY F K, MENGUER P K, SPEROTTO R A, WILLIAMS L E, FETT J P. Roles of plant metal tolerance proteins (MTP) in metal storage and potential use in biofortification strategies. Frontiers in Plant Science, 2013, 4: 144.
[3] CAMBROLLE J, GARCIA J L, FIGUEROA M E, CANTOS M. Evaluating wild grapevine tolerance to copper toxicity. Chemosphere, 2015, 120: 171-178. doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.06.044
[4] CLEMENS S. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie, 2006, 88: 1707-1719. doi: 10.1016/j.biochi.2006.07.003
[5] CLEMENS S, PALMGREN M G, KRAMER U. A long way ahead: Understanding and engineering plant metal accumulation. Trends Plant Science, 2002, 7: 309-315. doi: 10.1016/S1360-1385(02)02295-1
[6] HALL J L. Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance. Journal of Experimental Botany, 2002, 53: 1-11. doi: 10.1093/jexbot/53.370.0
[7] MIGOCKA M, KOSIERADZKA A, PAPIERNIAK A, MACIASZCZYK-DZIUBINSKA E, POSYNIAK E, GARBIEC A, FILLEUR S. Two metal-tolerance proteins, MTP1 and MTP4, are involved in Zn homeostasis and Cd sequestration in cucumber cells. Journal of Experimental Botany, 2015, 66(3): 581-596.
[8] GUSTIN J L, ZANIS M J, SALT D E. Structure and evolution of the plant cation diffusion facilitator family of ion transporters. BMC Evolutionary Biology, 2011, 11(1): 76. doi: 10.1186/1471-2148-11-76
[9] MONTANINI B, BLAUDEZ D, JEANDROZ S, SANDERS D, CHALOT M. Phylogenetic and functional analysis of the Cation Diffusion Facilitator (CDF) family: Improved signature and prediction of substrate specificity. BMC Genomics, 2007, 8(1): 107. doi: 10.1186/1471-2164-8-107
[10] HANEY C J, GRASS G, FRANKE S, RENSING C. New developments in the understanding of the cation diffusion facilitator family. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 2005, 32(6): 215-226. doi: 10.1007/s10295-005-0224-3
[11] KIM D, GUSTIN J L, LAHNER B, PERSANS M W, BAEK D, YUN D J, SALT D E. The plant CDF family member TgMTP1 from the Ni/Zn hyperaccumulator <italic>Thlaspi goesingense</italic> acts to enhance efflux of Zn at the plasma membrane when expressed in <italic>Saccharomyces cerevisiae</italic>. Plant Journal, 2004, 39: 237-251. doi: 10.1111/j.1365-313X.2004.02126.x
[12] MIGOCKA M, PAPIERNIAK A, LEWICKA A, POSYNIAK E, MACIASZCZYK-DZIUBINSKA E, BISKUP R, GARBIEC A, MARCHEWKA T. Cucumber Metal Transport Protein CsMTP9 is a plasma membrane H<sup>+</sup>-coupled antiporter involved in the Mn<sup>2+</sup> and Cd<sup>2+</sup> efflux from root cells. Plant Journal for Cell and Molecular Biology, 2015, 84(6): 1045-1058. doi: 10.1111/tpj.13056
[13] XU J, CHAI T Y, ZHANG Y X, LANG M L, HAN L. The cation-efflux transporter BjCET2 mediates zinc and cadmium accumulation in <italic>Brassica juncea</italic> L. leaves. Plant Cell Reports, 2009, 28(8): 1235-1242. doi: 10.1007/s00299-009-0723-1
[14] LANG M L, HAO M Y, FAN Q W, WANG W, MO S J, ZHAO W C, ZHOU J. Functional characterization of BjCET3 and BjCET4, two new cation-efflux transporters from <italic>Brassica juncea</italic> L. Journal of Experimental Botany, 2011(13): 13.
[15] MENGUER P K, FARTHING E, PEASTON K A, RICACHENEVSKY F K, FETT J P, WILLIAMS L E. Functional analysis of the rice vacuolar zinc transporter OsMTP1. Journal of Experimental Botany, 2013, 64: 2871-2883. doi: 10.1093/jxb/ert136
[16] FUJIWARA T, KAWACHI M, SATO Y, MORI H, KUTSUNA N, HASEZAWA S, MAESHIMA M. A high molecular mass zinc transporter MTP12 forms a functional heteromeric complex with MTP5 in the Golgi in <italic>Arabidopsis thaliana</italic>. FEBS Journal, 2015, 282: 1965-1979. doi: 10.1111/febs.13252
[17] EROGLU S, GIEHL R F H, MEIER B, TAKAHASHI M, TERADA Y, IGNATYEV K, ANDRESEN E, KÜPPER H, PEITER E, WIRÉN N. Metal Tolerance Protein 8 mediates manganese homeostasis and iron re-allocation during seed development and germination. Plant Physiology, 2017, 174(3): 1633-1647. doi: 10.1104/pp.16.01646
[18] LI Q, LI Y, WU X Y, ZHOU L, ZHU X J, FANG W P. Metal transport protein 8 in <italic>Camellia sinensis</italic> confers superior manganese tolerance when expressed in yeast and <italic>Arabidopsis thaliana</italic>. Scientific Reports, 2017, 7: 39915. doi: 10.1038/srep39915
[19] DELHAIZE E, GRUBER B D, PITTMAN J K, WHITE R G, LEUNG H, MIAO Y, JIANG L, RYAN P R, RICHARDSON A E. A role for the AtMTP11 gene of <italic>Arabidopsis</italic> in manganese transport and tolerance. Plant Journal, 2007, 51: 198-210. doi: 10.1111/j.1365-313X.2007.03138.x
[20] ZHANG M, LIU B. Identification of a rice metal tolerance protein OsMTP11 as a manganese transporter. PLoS One, 2017, 4(12): e0174987.
[21] CAMERON P J, HILL R L, BAIN J, THOMAS W P. A Review of biological control of invertebrate pests and weeds in New Zealand 1874-1987. Florida Entomologist, 1989, 74(3): 67-72.
[22] JULIEN M H, SKARRATT B, MAYWALD G F. Potential geographical distribution of alligator weed and its biological control by <italic>Agasicles hygrophila</italic>. Journal of Aquatic Plant Management, 1995, 33: 55-60.
[23] HOLM L R, SCHMID R, DOLL J, HOLM E, PANCHO J, HERBERGER J. World weeds: Natural histories and distribution. Taxon, 1998, 47(1): 209.
[24] BASSETT I, PAYNTER Q, HANKIN R, BEGGS J R. Characterising alligator weed (<italic>Alternanthera philoxeroides</italic>; Amaranthaceae) invasion at a northern New Zealand lake. New Zealand Journal of Ecology, 2012, 36: 216-222.
[25] 黄永杰. 外来杂草水花生的重金属耐性研究. 芜湖: 安徽师范大学硕士学位论文, 2006. HUANG Y J. The study on endurance of exotic weed (Gynura crepidioides Benth) to heavy metal pollution. Master Thesis. Wuhu: Anhui Normal University, 2006.
[26] 徐丽, 张震, 张鹏, 王育鹏, 檀根甲. 喜旱莲子草对重金属元素的耐性试验研究. 安徽农业科学, 2010, 38(13): 6831-6832. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2010.13.081 XU L, ZHANG Z, ZHANG P, WANG Y P, TAN G J. Study on tolerance of <italic>Alternanthera philoxeroides</italic> to heavy metals. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(13): 6831-6832. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2010.13.081
[27] KIM S A, GUERINOT M L. Phylogenetic relationships within cation transporter families of <italic>Arabidopsis</italic>. Plant Physiology, 2001, 126: 1646-1667. doi: 10.1104/pp.126.4.1646
[28] DESBROSSES-FONROUGE A G, VOIGT K, SCHRODER A, ARRIVAULT S, THOMINE S, KRAMER U. <italic>Arabidopsis thaliana</italic> MTP1 is a Zn transporter in the vacuolar membrane which mediates Zn detoxification and drives leaf Zn accumulation. Febs Letters, 2005, 579: 4165-4174. doi: 10.1016/j.febslet.2005.06.046
[29] ARRIVAULT S, SENGER T, KRÄMER U. The <italic>Arabidopsis</italic> metal tolerance protein AtMTP3 maintains metal homeostasis by mediating Zn exclusion from the shoot under Fe deficiency and Zn oversupply. Plant Journal, 2006, 46: 861-879. doi: 10.1111/j.1365-313X.2006.02746.x
[30] PEDAS P. Barley metal ion transport proteins involved in manganese acquisition and homeostasis. American: California Digital Library, 2009: 1-5.
[31] LU M, FU D. Structure of the zinc transporter YiiP. Science, 2007, 317: 1746-1748. doi: 10.1126/science.1143748
[32] VATANSEVER R, FILIZ E, EROGLU S. Genome-wide exploration of metal tolerance protein (MTP) genes in common wheat (<italic>Triticum aestivum</italic>): Insights into metal homeostasis and biofortification. Biometals, 2017, 30: 217-235. doi: 10.1007/s10534-017-9997-x
[33] VATANSEVER R, KOC I, OZYIGIT Ⅱ, SEN U, URAS M E, ANJUM N A, FILIZ E. Genome-wide identification and expression analysis of sulfate transporter (SULTR) genes in potato (<italic>Solanum tuberosum</italic> L.). Planta, 2016, 244(6): 1167-1183. doi: 10.1007/s00425-016-2575-6
[34] PAULSEN I T, SAIER M H. A novel family of ubiquitous heavy metal ion transport proteins. The Journal of Membrane Biology, 1997, 156: 99-103. doi: 10.1007/s002329900192
[35] ZHANG B J, ZHANG X X, LUO L G. The major gene families related to cadmium absorption and transportation in plants. Genomics and Applied Biology, 2013, 32: 127-134.
[36] 许凯扬, 叶万辉, 李静, 黄忠良, 李国民. 入侵种喜旱莲子草对土壤水分的表型可塑性反应. 华中师范大学学报(自然科学版), 2005, 39(1): 100-103. XU K Y, YE W H, LI J, HUANG Z L, LI G M. Phenotypic plasiticity in response to soil water content in the invasive species <italic>Alternanthera philoxeroides</italic>. Journal of Central China Normal University (Natural Sciences), 2005, 39(1): 100-103.
-
期刊类型引用(6)
1. 韩硕，韩晓文，胡义锋，陈中义，朱永兴，尹军良. 空心莲子草SOD基因家族鉴定和表达模式分析. 草业学报. 2024(01): 102-116 . 
百度学术
2. 韩硕，韩晓文，胡义锋，杨静美，陈中义，朱永兴，尹军良. 入侵杂草喜旱莲子草WRKY转录因子家族鉴定及其除草剂胁迫表达特征. 草业科学. 2024(11): 2517-2534 . 本站查看
3. 韩晓文，韩硕，胡义锋，王梦如，陈中义，朱永兴，尹军良. 喜旱莲子草AP2/ERF基因家族的鉴定及其在除草剂胁迫下的表达模式. 中国农业科学. 2023(20): 4021-4034 . 百度学术
4. 韩晓文，韩硕，胡义锋，王梦如，陈中义，朱永兴，尹军良. 空心莲子草ApCAT基因家族鉴定和表达模式. 草业科学. 2023(11): 2889-2901 . 本站查看
5. 张亚丽，王楠，张岗，何懿菡，颜永刚，高静. 甘草AQPs基因家族的鉴定及表达分析. 草业科学. 2022(10): 2127-2144 . 本站查看
6. 朱雄萌，蒋昕晨，席克勇，杨静，尹军良，朱永兴. 黄瓜MTP基因家族分析及重金属胁迫下表达特征. 西北植物学报. 2021(06): 933-943 . 百度学术
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