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多药和有毒化合物排出（multidrug and toxic compound extrusion，MATE）基因编码的蛋白是一类依靠Na+/H+跨膜电化学势转运底物的次级转运蛋白，对金属离子、次级代谢产物、抗生素及多种药物有转运作用。MATE是一个多基因家族，该家族成员最先在细菌中报道，此后真菌、动物和植物中也陆续有MATE基因得到鉴定。植物MATE家族成员主要参与金属离子、毒素物质和次级代谢产物的运输，进而在抗逆和毒素解毒中发挥作用；部分成员参与生长素的生物合成，调节植物的生长发育进程。
1 植物MATE基因家族及其功能
1.1 真核生物转运蛋白家族
生物的解毒机制主要包括氧化降解、固定化、水解反应、转化作用以及代谢排出体外等。其中，将自身代谢或外界产生的有毒物质排出体外是一种有效的解毒机制。研究表明，高等真核生物中该过程主要涉及三类转运蛋白家族：ATP结合盒（ATP-binding cassette，ABC）超家族、主要促进因子超家族（major facilitator superfamily，MFS）和MATE家族[1]。ABC超家族又可分为ABCB、ABCC、ABCG三个亚家族，分别参与植物生长素的极性运输调节[2]、囊泡运输[3-4]和植物自身的抗性保护等[5-6]。MFS超家族是一类典型的次级转运蛋白，利用H+渗透势能转运底物[7]，主要参与植物对营养物质及金属离子的转运吸收[8-9]。相较于MFS超家族和ABC超家族，人们对MATE家族的了解较晚。1998年，Morita等[10]鉴定到一个新的转运蛋白，由于其与MFS家族类似，均含有12个跨膜区域，人们最初把这一类蛋白划入MFS家族中。后来的研究表明，这类蛋白与MFS蛋白序列同源性很低，保守域也不相同，因此被划分到一个新的家族中，命名为多药和有毒化合物蛋白家族，即MATE家族。随着研究的深入，越来越多的MATE家族成员被鉴定出来。依据其序列相似性及亲缘关系的远近，已经鉴定到的约900个MATE家族蛋白又可分为三个亚类：NorM亚类、DinF亚类和真核亚类[11]。其中，NorM、DinF亚类为H+/Na+势驱动，真核亚类则全部为H+势驱动。
1.2 植物MATE家族
目前已知的植物MATE家族成员大部分属于真核亚类。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中预测到56个MATE家族基因[12]。这些基因根据系统进化关系大致可以分为5个簇，除第三簇为8-13个跨膜区外，其它簇均为12个跨膜区。在水稻（Oryza satviva）中预测到53个MATE基因[13]。
1.3 植物MATE基因的功能
目前对拟南芥MATE基因的研究相对深入，56个MATE基因中已有9个得到功能鉴定。水稻中也已鉴定出6个MATE基因[14]。这些基因的功能大致可分为三个方面：（1）转运生物碱、类黄酮、花色素苷等次级代谢产物和四甲胺、溴化乙锭等毒素物质。如AtTT12[15]、AtDTX1[12]、AtFFT等[16]，此类蛋白一般定位于质膜或液泡膜，在次级代谢物、毒素物质的液泡封装和细胞外排中发挥作用。（2）参与水杨酸介导的Fe3+、Al3+、Zn2+等金属离子的转运。这类蛋白包括AtEDS5[17]、FRD类MATE成员（AtFRD3[18]、OsFRDL1[19]、OsFRDL4[20]）、HvAACT1[21]等。（3）参与植物生长素的生物合成过程。在拟南芥激活标签
插入突变群体中鉴定到一个株型明显改变的突变体adp1[22]，该突变体具有株高矮、侧枝数目增多、莲座叶数目增多和顶端优势不显著的表型。后续分析表明，该突变表型为MATE家族基因ADP1（At4g29140）的过量表达所致。ADP1定位于内质网膜上，参与生长素的生物合成过程，过表达该基因引起植株生长素含量下降。拟南芥中与ADP1同属一个亚家族的其他7个MATE基因（At1g58340、At4g23030、At5g52050、At5g19700、At2g38510、At1g71870、At5g49130）的过量表达均能不同程度地产生该突变表型，推测该亚家族成员可能具有相似的功能。
普通烟草（Nicotiana tabacum）、苜蓿（Medicago truncatula）、大麦（Hordeum vulgare）、高粱（Sorghum bicolor）中也有少量MATE基因的功能得到研究。
2 烟草MATE基因家族及其功能
2.1 烟草MATE基因家族
中国农业科学院烟草研究所利用茄科植物数据库中普通烟草的基因组信息，对该物种的MATE家族成员进行了基因组水平预测。预测结果表明，普通烟草MATE基因数目为131个，约为拟南芥的两倍。相似性极高的同源基因往往成对出现，分析其应为来源于绒毛状烟草（Nicotiana tomentosiformis）和林烟草（Nicotiana sylvestris）的直系同源基因。目前，普通烟草中共鉴定四个MATE基因，它们分别是NtMATE1、NtMATE2、Nt-JAT1和Nt-JAT2。
2.2 烟草MATE参与烟碱等生物碱的转运过程
植物在其生命周期中会合成多样的次级代谢产物以抵御外界环境胁迫对自身的伤害。作为烟草的重要次级代谢产物，烟碱可以在一定程度上抵御病原菌和昆虫对植株的侵害[14]。烟碱主要在烟草根部合成，通过木质部向上运输至叶肉细胞的液泡中发挥作用[23-24]。烟草体内多种转运蛋白相互协调参与该过程，以确保植株本身不受烟碱的毒害。现已证明，普通烟草中至少有四个MATE基因（NtMATE1、NtMATE2、Nt-JAT1、Nt-JAT2）参与到该过程中，其表达均受到损伤相关诱导激素-茉莉酸甲酯的强烈诱导。NtMATE1和NtMATE2是一对来源于绒毛状烟草和林烟草的直系同源基因，它们在根中特异表达。其表达除受茉莉酸甲酯诱导外，还受内、外源烟碱诱导。相较于野生型植株，两基因的RNAi干扰植株对烟碱胁迫更为敏感。转NtMATE1、NtMATE2基因的酵母细胞具有较高的尼古丁转运活性。亚细胞定位显示，NtMATE1定位于液泡膜中，分析其主要参与烟碱合成后的液泡封存过程[25]。Nt-JAT1基因在根、茎、叶中都有表达。该基因可以转运烟碱、小檗碱等内外源生物碱，但不能转运黄酮类物质。Nt-JAT1在不同组织中的亚细胞定位结果不同：在叶中，该基因定位于液泡膜；在根部，该基因定位于质膜。结合该蛋白耦合H+转运底物，且细胞质pH值高于质外体和液泡的情况，推测该基因在根部参与烟碱的细胞外排过程，在叶中参与烟碱的液泡封存过程[26]。Nt-JAT2基因在野生型植株中表达量很低，只在叶中微量表达。茉莉酸甲酯能显著提高该基因在叶中的表达。亚细胞定位结果显示，该基因定位于液泡膜。在茉莉酸甲酯响应的胁迫诱导下，该基因表达量的提高可加速叶肉细胞中液泡对烟碱的积累，进而提高植株的抗性[14]。 除烟草外，其它植物中也鉴定到一系列具有转运生物碱功能的MATE基因。拟南芥AtDTX1对黄连素、小檗碱等生物碱有转运作用[12]。黄连液泡膜上的MATE蛋白参与黄连素的运输[27]。
2.3 烟草MATE参与植株生长素的合成过程
中国农业科学院烟草研究所在烟草激活标签插入突变群体中鉴定到两个具有相似表型的突变株系，它们均具有株高矮、叶节间距短、早花等突变表型。进一步分析表明，尽管两个突变株系的激活标签插入位
置不同，但激活标签的一侧均存在一个MATE家族基因，且这两个基因与拟南芥ADP1基因同属于一个亚家族。表达分析结果表明，突变株系中MATE基因表达量明显升高。由此推测，这两个烟草中的MATE基因也有可能参与生长素的生物合成过程。
3 问题与展望
烟草作为一种特殊的嗜好性作物，其体内次级代谢物质的含量对品质及经济价值有重要影响。同时，植物MATE家族基因对次级代谢物质的运输、转运和积累发挥不可忽视的作用。因此，研究烟草中该家族基因具有重要的理论价值和实践意义。与拟南芥和水稻相比，烟草中得以鉴定的MATE基因数目较少，且功能主要集中在烟碱转运方面，人们对该家族功能的了解非常有限。随着烟草全基因组测序的完成和功能基因组学的开展，将有更多烟草MATE家族成员的功能及调控机制逐步被阐明，部分MATE基因可能会在新型烟制品烟叶原料的品种选育工作中发挥重要作用。
[1] Omote H， Hiasa M， Matsumoto T， et al. The MATE proteins as fundamental transporters of metabolic and xenobiotic organic cations[J]. Trends Pharmacol Sci， 2006， 27（11）： 587-593.
[2] Kaneda M， Schuetz M， Lin B S， et al. ABC transporters coordinately expressed during lignification of Arabidopsis stems include a set of ABCBs associated with auxin transport[J]. J Exp Bot， 2011， 62（6）： 2063-2077.
[3] Lu Y P， Li Z S， Drozdowicz Y M， et al. AtMRP2， an Arabidopsis ATP binding cassette transporter able to transport glutathione S-conjugates and chlorophyll catabolites： functional comparisons with Atmrp1[J]. Plant Cell， 1998， 10（2）： 267-282.
[4] Klein M， Geisler M， Suh S J， et al. Disruption of AtMRP4， a guard cell plasma membrane ABCC-type ABC transporter， leads to deregulation of stomatal opening and increased drought susceptibility[J]. Plant J， 2004， 39（2）： 219-236.
[5] Jasinski M， Stukkens Y， Degand H， et al. A plant plasma membrane ATP binding cassette-type transporter is involved in antifungal terpenoid secretion[J]. Plant Cell， 2001， 13（5）： 1095-1107.
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[16] Thompson E P， Wilkins C， Demidchik V， et al. An Arabidopsis flavonoid transport is required for anther dehiscence and pollen development[J]. J Exp Bot. 2010， 61（2）： 439-451.
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[18] Rogers， E E. FRD3， a member of the multidrug and toxin efflux family， controls iron deficiency responses in Arabidopsis[J]. Plant Cell， 2002， 14（8）： 1787-1799.
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[20] Yokosho K， Yamaji N， Ma J F. An Al-inducible MATE gene is involved in external detoxification of Al in rice[J]. Plant
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[25] Shoji T， Inai K， Yazaki Y， et al. Multidrug and toxic compound extrusion-type transporters implicated in vacuolar sequestration of nicotine in tobacco roots[J]. Plant Physiol， 2009， 149（2）： 708-718.
[26] Morita M， Shitan N， Sawada K， et al. Vacuolar transport of nicotine is mediated by a multidrug and toxic compound extrusion （MATE） transporter in Nicotiana tabacum[J]. Proc Natl Acad Sci USA， 2009， 106（7）： 2447-2452.
[27] Otani M， Shitan N， Sakai K， et al. Characterization of vacuolar transport of the endogenous alkaloid berberine in Coptis japonica[J]. Plant Physiol， 2005， 138（4）： 1939-1946.
1 植物MATE基因家族及其功能
1.1 真核生物转运蛋白家族
生物的解毒机制主要包括氧化降解、固定化、水解反应、转化作用以及代谢排出体外等。其中，将自身代谢或外界产生的有毒物质排出体外是一种有效的解毒机制。研究表明，高等真核生物中该过程主要涉及三类转运蛋白家族：ATP结合盒（ATP-binding cassette，ABC）超家族、主要促进因子超家族（major facilitator superfamily，MFS）和MATE家族[1]。ABC超家族又可分为ABCB、ABCC、ABCG三个亚家族，分别参与植物生长素的极性运输调节[2]、囊泡运输[3-4]和植物自身的抗性保护等[5-6]。MFS超家族是一类典型的次级转运蛋白，利用H+渗透势能转运底物[7]，主要参与植物对营养物质及金属离子的转运吸收[8-9]。相较于MFS超家族和ABC超家族，人们对MATE家族的了解较晚。1998年，Morita等[10]鉴定到一个新的转运蛋白，由于其与MFS家族类似，均含有12个跨膜区域，人们最初把这一类蛋白划入MFS家族中。后来的研究表明，这类蛋白与MFS蛋白序列同源性很低，保守域也不相同，因此被划分到一个新的家族中，命名为多药和有毒化合物蛋白家族，即MATE家族。随着研究的深入，越来越多的MATE家族成员被鉴定出来。依据其序列相似性及亲缘关系的远近，已经鉴定到的约900个MATE家族蛋白又可分为三个亚类：NorM亚类、DinF亚类和真核亚类[11]。其中，NorM、DinF亚类为H+/Na+势驱动，真核亚类则全部为H+势驱动。
1.2 植物MATE家族
目前已知的植物MATE家族成员大部分属于真核亚类。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中预测到56个MATE家族基因[12]。这些基因根据系统进化关系大致可以分为5个簇，除第三簇为8-13个跨膜区外，其它簇均为12个跨膜区。在水稻（Oryza satviva）中预测到53个MATE基因[13]。
1.3 植物MATE基因的功能
目前对拟南芥MATE基因的研究相对深入，56个MATE基因中已有9个得到功能鉴定。水稻中也已鉴定出6个MATE基因[14]。这些基因的功能大致可分为三个方面：（1）转运生物碱、类黄酮、花色素苷等次级代谢产物和四甲胺、溴化乙锭等毒素物质。如AtTT12[15]、AtDTX1[12]、AtFFT等[16]，此类蛋白一般定位于质膜或液泡膜，在次级代谢物、毒素物质的液泡封装和细胞外排中发挥作用。（2）参与水杨酸介导的Fe3+、Al3+、Zn2+等金属离子的转运。这类蛋白包括AtEDS5[17]、FRD类MATE成员（AtFRD3[18]、OsFRDL1[19]、OsFRDL4[20]）、HvAACT1[21]等。（3）参与植物生长素的生物合成过程。在拟南芥激活标签
插入突变群体中鉴定到一个株型明显改变的突变体adp1[22]，该突变体具有株高矮、侧枝数目增多、莲座叶数目增多和顶端优势不显著的表型。后续分析表明，该突变表型为MATE家族基因ADP1（At4g29140）的过量表达所致。ADP1定位于内质网膜上，参与生长素的生物合成过程，过表达该基因引起植株生长素含量下降。拟南芥中与ADP1同属一个亚家族的其他7个MATE基因（At1g58340、At4g23030、At5g52050、At5g19700、At2g38510、At1g71870、At5g49130）的过量表达均能不同程度地产生该突变表型，推测该亚家族成员可能具有相似的功能。
普通烟草（Nicotiana tabacum）、苜蓿（Medicago truncatula）、大麦（Hordeum vulgare）、高粱（Sorghum bicolor）中也有少量MATE基因的功能得到研究。
2 烟草MATE基因家族及其功能
2.1 烟草MATE基因家族
中国农业科学院烟草研究所利用茄科植物数据库中普通烟草的基因组信息，对该物种的MATE家族成员进行了基因组水平预测。预测结果表明，普通烟草MATE基因数目为131个，约为拟南芥的两倍。相似性极高的同源基因往往成对出现，分析其应为来源于绒毛状烟草（Nicotiana tomentosiformis）和林烟草（Nicotiana sylvestris）的直系同源基因。目前，普通烟草中共鉴定四个MATE基因，它们分别是NtMATE1、NtMATE2、Nt-JAT1和Nt-JAT2。
2.2 烟草MATE参与烟碱等生物碱的转运过程
植物在其生命周期中会合成多样的次级代谢产物以抵御外界环境胁迫对自身的伤害。作为烟草的重要次级代谢产物，烟碱可以在一定程度上抵御病原菌和昆虫对植株的侵害[14]。烟碱主要在烟草根部合成，通过木质部向上运输至叶肉细胞的液泡中发挥作用[23-24]。烟草体内多种转运蛋白相互协调参与该过程，以确保植株本身不受烟碱的毒害。现已证明，普通烟草中至少有四个MATE基因（NtMATE1、NtMATE2、Nt-JAT1、Nt-JAT2）参与到该过程中，其表达均受到损伤相关诱导激素-茉莉酸甲酯的强烈诱导。NtMATE1和NtMATE2是一对来源于绒毛状烟草和林烟草的直系同源基因，它们在根中特异表达。其表达除受茉莉酸甲酯诱导外，还受内、外源烟碱诱导。相较于野生型植株，两基因的RNAi干扰植株对烟碱胁迫更为敏感。转NtMATE1、NtMATE2基因的酵母细胞具有较高的尼古丁转运活性。亚细胞定位显示，NtMATE1定位于液泡膜中，分析其主要参与烟碱合成后的液泡封存过程[25]。Nt-JAT1基因在根、茎、叶中都有表达。该基因可以转运烟碱、小檗碱等内外源生物碱，但不能转运黄酮类物质。Nt-JAT1在不同组织中的亚细胞定位结果不同：在叶中，该基因定位于液泡膜；在根部，该基因定位于质膜。结合该蛋白耦合H+转运底物，且细胞质pH值高于质外体和液泡的情况，推测该基因在根部参与烟碱的细胞外排过程，在叶中参与烟碱的液泡封存过程[26]。Nt-JAT2基因在野生型植株中表达量很低，只在叶中微量表达。茉莉酸甲酯能显著提高该基因在叶中的表达。亚细胞定位结果显示，该基因定位于液泡膜。在茉莉酸甲酯响应的胁迫诱导下，该基因表达量的提高可加速叶肉细胞中液泡对烟碱的积累，进而提高植株的抗性[14]。 除烟草外，其它植物中也鉴定到一系列具有转运生物碱功能的MATE基因。拟南芥AtDTX1对黄连素、小檗碱等生物碱有转运作用[12]。黄连液泡膜上的MATE蛋白参与黄连素的运输[27]。
2.3 烟草MATE参与植株生长素的合成过程
中国农业科学院烟草研究所在烟草激活标签插入突变群体中鉴定到两个具有相似表型的突变株系，它们均具有株高矮、叶节间距短、早花等突变表型。进一步分析表明，尽管两个突变株系的激活标签插入位
置不同，但激活标签的一侧均存在一个MATE家族基因，且这两个基因与拟南芥ADP1基因同属于一个亚家族。表达分析结果表明，突变株系中MATE基因表达量明显升高。由此推测，这两个烟草中的MATE基因也有可能参与生长素的生物合成过程。
3 问题与展望
烟草作为一种特殊的嗜好性作物，其体内次级代谢物质的含量对品质及经济价值有重要影响。同时，植物MATE家族基因对次级代谢物质的运输、转运和积累发挥不可忽视的作用。因此，研究烟草中该家族基因具有重要的理论价值和实践意义。与拟南芥和水稻相比，烟草中得以鉴定的MATE基因数目较少，且功能主要集中在烟碱转运方面，人们对该家族功能的了解非常有限。随着烟草全基因组测序的完成和功能基因组学的开展，将有更多烟草MATE家族成员的功能及调控机制逐步被阐明，部分MATE基因可能会在新型烟制品烟叶原料的品种选育工作中发挥重要作用。
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[2] Kaneda M， Schuetz M， Lin B S， et al. ABC transporters coordinately expressed during lignification of Arabidopsis stems include a set of ABCBs associated with auxin transport[J]. J Exp Bot， 2011， 62（6）： 2063-2077.
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[5] Jasinski M， Stukkens Y， Degand H， et al. A plant plasma membrane ATP binding cassette-type transporter is involved in antifungal terpenoid secretion[J]. Plant Cell， 2001， 13（5）： 1095-1107.
[6] Krattinger S G， Lagudah E S， Spielmeyer W， et al. A putative ABC transporter confers durable resistance to multiple fungal pathogens in wheat[J]. Science， 2009， 323（5919）： 1360-1363.
[7] 孙林峰， 王佳伟， 颜宁. MFS超家族转运蛋白结构与分子机制的研究[J]. 生命科学，2011，23（11）：1052-1056.
[8] Haydon M J， Cobbett C S. A novel major facilitator superfamily protein at the tonoplast influences zinc tolerance and accumulation in Arabidopsis[J]. Plant Physiol， 2007， 143（4）： 1705-1719.
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[18] Rogers， E E. FRD3， a member of the multidrug and toxin efflux family， controls iron deficiency responses in Arabidopsis[J]. Plant Cell， 2002， 14（8）： 1787-1799.
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[21] Zhou G， Delhaize E， Zhou M， et al. The barley MATE gene， HvAACT1， increases citrate efflux and Al3+ tolerance when expressed in wheat and barley[J]. Ann Bot， 2013， 112（3）： 603-612.
[22] Li R， Li J， Li S， et al. ADP1 affects plant architecture by regulating local auxin biosynthesis[J]. PLoS Genet， 2014， 10（1）： e1003954.
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