郭春芳 孫 云2

(1.福建教育學院，福建 福州 350025；2.福建農(nóng)林大學園藝學院,福建 福州 350002)

干旱脅迫下植物的滲透調(diào)節(jié)及脯氨酸代謝研究進展

郭春芳1孫 云21

(1.福建教育學院，福建 福州 350025；2.福建農(nóng)林大學園藝學院,福建 福州 350002)

滲透調(diào)節(jié)是植物適應干旱脅迫的重要機制，也是植物抗旱生理研究最活躍的領域。脯氨酸作為植物滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)，在植物滲透調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。文章綜述了干旱脅迫下植物的滲透調(diào)節(jié)作用、植物體內(nèi)脯氨酸的代謝特別是茶樹脯氨酸的代謝變化、植物體內(nèi)脯氨酸的合成途徑以及干旱脅迫下植物脯氨酸代謝相關酶基因的表達研究進展。

干旱脅迫；滲透調(diào)節(jié)；脯氨酸代謝；研究進展

植物適應干旱脅迫的滲透調(diào)節(jié)機制已得到廣泛的認同，并成為抗旱生理研究最活躍的領域之一[1-3]。作為植物防御干旱的一種重要方式，滲透調(diào)節(jié)的生理效應是增加細胞溶質(zhì)濃度，降低滲透勢，保持膨壓，緩和脫水脅迫，有利于保持水分和細胞各種生理過程的正常進行[4]。脯氨酸是植物滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)，對脯氨酸的代謝機制、脯氨酸代謝與植物抗旱性關系等方面的研究，是滲透調(diào)節(jié)研究的重要內(nèi)容。

1 干旱脅迫下植物的滲透調(diào)節(jié)作用

滲透調(diào)節(jié)(osmotic adjustment，OA)是植物忍耐和抵御干旱逆境的一種適應性反應，是一種重要的耐旱生理機制。水分脅迫下，細胞可通過累積可溶性物質(zhì)來維持一定的膨壓，使細胞生長、氣孔運動和光合作用等生理過程正常進行[5-7]。植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)包括兩大類：一類是由外界進入細胞的無機離子，可以通過離子泵調(diào)控細胞內(nèi)外的離子濃度，調(diào)節(jié)液泡的滲透勢，維持細胞的膨壓和細胞的形態(tài)、功能；一類是在細胞內(nèi)合成的有機溶質(zhì)，主要是蔗糖、甘露醇、海藻糖、山梨醇和偶極含氮化合物如脯氨酸和甜菜堿等，主要是調(diào)節(jié)細胞質(zhì)的滲透勢，同時對酶、蛋白質(zhì)和生物膜起保護作用[8-10]。在干旱脅迫下，礦質(zhì)元素的吸收能力下降，因此在滲透調(diào)節(jié)中起主要作用的可能是脯氨酸、可溶性糖和甜菜堿等小分子有機物[6，11]。

關于耐旱滲透調(diào)節(jié)機制目前有3種解釋[12]：一是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)作為一種滲壓劑，進行滲透調(diào)節(jié)，穩(wěn)定體內(nèi)滲壓平衡，從而增強植物保水能力；二是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可能作為一種溶劑，代替水參與生化反應，這種情況下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)被稱為低分子量的分子伴侶；三是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在水分脅迫下與蛋白質(zhì)疏水表面結(jié)合，將疏水表面轉(zhuǎn)化成親水表面，可使更多的水分子結(jié)合在蛋白質(zhì)原來的疏水區(qū)域，穩(wěn)定了疏水表面，保證蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：滲透調(diào)節(jié)最初的細胞效應是降低細胞內(nèi)束縛水的自由能即降低了細胞內(nèi)的水勢，維持細胞內(nèi)外的水勢差，使細胞能在更低的外界水勢條件下吸水，從而維持細胞生長所必需的膨壓，這對維持中輕度水分虧缺條件下植物的生長是有益的。[13]無論在嚴重或輕度水分脅迫下，滲透調(diào)節(jié)能力強的遺傳群體籽粒產(chǎn)量高、收獲指數(shù)以及收獲時的水分利用率均高于滲透調(diào)節(jié)能力弱的群體[14-15]。滲透調(diào)節(jié)還可維持光合作用、光化學活性和光合速率。干旱脅迫導致葉片水勢降低，而滲透調(diào)節(jié)可通過維持膨壓使植物葉片維持一定的氣孔導度，有利于葉肉細胞間隙CO2含量保持較高水平，從而避免或減小光合器官受到的光抑制作用[16]。滲透調(diào)節(jié)還可維持光合作用光化學活性等。Downton研究發(fā)現(xiàn)[17]，葡萄葉片在水分快速散失時，葉綠素a的可見熒光迅速喪失，導致光系統(tǒng)受到傷害,而在緩慢水分脅迫時通過滲透調(diào)節(jié)維持膨壓保護了光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的正常功能；同時通過維持類囊體膜的穩(wěn)定性，促進了光合作用的正常進行。

植物通過滲透調(diào)節(jié)作用適應干旱逆境，且一般認為抗旱性強的品種滲透調(diào)節(jié)能力較強。裴英杰等的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫能引起玉米幼苗葉片細胞內(nèi)電解質(zhì)滲漏率增大，細胞滲透調(diào)節(jié)能力減弱，抗旱性強的品種電解質(zhì)滲漏率增加的幅度小于抗旱性弱的品種[25]。上官周平等研究表明[18-19]，滲透調(diào)節(jié)能力強的小麥品種在干旱條件下能維持較強的光合速率，與Ashima等研究結(jié)果一致[20]；武玉葉等研究表明[21]，抗旱性強的小麥品種在干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)能力高，葉片能維持較高的水勢，葉綠體的超微結(jié)構(gòu)解體慢。干旱脅迫下不同甘薯品種葉片中可溶性糖含量、游離氨基酸總量比對照均有明顯增加，同樣表現(xiàn)為品種抗旱性愈強，增加幅度愈大的趨勢[22]。

2 干旱脅迫下植物體內(nèi)脯氨酸的代謝

脯氨酸是植物體內(nèi)最有效的一種親和性滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有很強的水溶性，它的增加有助于植物細胞和組織的持水和防止脫水。干旱脅迫下植物體內(nèi)游離脯氨酸的大量累積現(xiàn)象最早是由Kramble等在萎蔫的黑麥草葉片中發(fā)現(xiàn)的，隨后在許多植物中都觀察到這一現(xiàn)象。實驗表明，水稻幼苗在干旱脅迫下脯氨酸含量增加，并與丙二醛(MDA)和質(zhì)膜透性呈極顯著相關[23-24]，脯氨酸還具有清除活性氧的作用[25]；水分脅迫下玉米葉片和根系脯氨酸大量累積[26]，高粱也表現(xiàn)出類似的情況[27]；檸條在受到干旱脅迫時，游離脯氨酸的含量有所增加，有助于檸條細胞或組織的持水作用，減少組織或細胞由于脫水造成的傷害[28]；而持續(xù)干旱可明顯促進刺槐無性系脯氨酸質(zhì)量分數(shù)增加，使葉片水勢降低[29]；干旱脅迫下，胡楊可以通過累積脯氨酸的方式來增強其抗旱能力。對沙冬青的水分生理指標測定表明，沙冬青中脯氨酸含量很高。劉瑞香等發(fā)現(xiàn)[30]，不同的干旱脅迫條件下，沙棘葉內(nèi)脯氨酸含量隨著干旱脅迫程度和干旱脅迫時間的延長而增加，且雌、雄株之間存在明顯差異，雌株明顯大于雄株。經(jīng)PEG模擬干旱脅迫處理后，水稻葉片中游離脯氨酸含量成倍增加[31]。

脯氨酸存在于細胞質(zhì)中，在抗逆中的作用大致歸結(jié)為以下幾個方面：一是作為細胞的有效滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，保持原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡，防止失水；二是保護酶和膜的結(jié)構(gòu)。脯氨酸與蛋白質(zhì)結(jié)合能增強蛋白質(zhì)的水合作用，增加蛋白質(zhì)的可溶性和減少可溶性蛋白質(zhì)的沉淀，從而保護這些生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性；三是可直接利用無毒形式的氮源，作為能源和呼吸底物，參與葉綠素的合成等；四是從脯氨酸在逆境條件下積累的途徑來看，它既可能有適應性的意義，又可能是細胞結(jié)構(gòu)和功能受損傷的表現(xiàn)，是一種傷害反應[32-33]。

但也有人認為，脯氨酸的積累可能與細胞的存活狀況和蛋白質(zhì)代謝情況有關[34]。比如，隨土壤含水量的減少，白刺花葉片水勢在脅迫前期下降緩慢，隨脅迫時間的延長，水勢大幅度下降。在土壤干旱條件下，白刺花通過在葉片內(nèi)積累大量滲透保護性物質(zhì)可溶性糖和K+，增加細胞的保水力，維持細胞生長所需膨壓，游離脯氨酸含量變化與水分關系不大[35]。也有研究表明，梭梭同化枝在受到干旱脅迫時，其體內(nèi)脯氨酸含量只有少量增加[36]。

3 干旱脅迫下茶樹脯氨酸的代謝變化

干旱脅迫下茶樹滲透調(diào)節(jié)的研究主要集中在對脯氨酸變化的研究上，但茶樹抗旱性與葉片中脯氨酸含量的變化動態(tài)關系，研究結(jié)果不盡相同。楊躍華等[37]認為，新梢中單糖和脯氨酸的增加與茶樹的滲勢調(diào)節(jié)有關；王守生[38]的研究結(jié)果表明，在連晴高溫天氣對茶樹進行9 d水分脅迫，茶樹葉片中游離脯氨酸增加達到極顯著水平；而伍炳華等[39]的研究顯示，經(jīng)干旱處理的茶樹葉片中的游離脯氨酸含量變化不大，沒有明顯積累現(xiàn)象。李華均等[40]的實驗結(jié)果表明，滲透脅迫時，脯氨酸與水分含量的變化沒有必然的聯(lián)系；潘根生[41]研究干旱脅迫對茶樹脯氨酸積累的影響表明：干旱脅迫過程中耐旱性強的茶樹品種脯氨酸含量變化較小，耐旱性弱的茶樹品種在干旱加重或減輕時脯氨酸含量變化幅度最大。這一結(jié)果表明在茶樹體內(nèi)脯氨酸積累能力與抗旱性不十分明確；而吳伯千等[42]研究茶樹葉片脯氨酸含量在水分脅迫過程中持續(xù)上升，其含量的變化與葉片的含水量之間呈線性負相關。潘根生等[43]研究表明，在水分脅迫下脯氨酸的積累速率與茶樹的抗旱性有一定的相關性，耐旱品種累積速率相對較小且急劇增加出現(xiàn)的時間相對較遲；Handique AC等[44]研究者認為茶樹遭受干旱時，葉片脯氨酸的含量高，則茶樹的抗旱性強；而另一些研究結(jié)果則表明茶樹葉片脯氨酸含量在水分脅迫過程中迅速累積，但其變化與茶樹的抗旱性無明確的關系[45]。伍炳華[46]的研究結(jié)果認為，干旱脅迫下葉片相對含水量以及可溶性蛋白質(zhì)下降幅度較低，可溶性糖增加得較多的茶樹品種具有較強的抗旱能力。

4 植物體內(nèi)脯氨酸合成的途徑

Delauney和Verma[47]的研究認為，植物體內(nèi)存在兩條脯氨酸合成的途徑，即谷氨酸途徑和鳥氨酸途徑。前者的初始底物是谷氨酸(Glu)，而后者的初始底物是鳥氨酸(Orn)。在滲透脅迫和氮素缺乏情況下，谷氨酸途徑是合成脯氨酸的主要途徑，存在于個體發(fā)育的整個階段；而氮素供應充足情況下及植物個體發(fā)育早期，鳥氨酸途徑在脯氨酸合成過程中占主導地位。干旱誘發(fā)的脯氨酸累積有三個原因：①失去了脯氨酸合成的反饋抑制作用，脯氨酸合成加強；②脯氨酸氧化作用受抑制,而且蛋白質(zhì)氧化的中間產(chǎn)物還會逆轉(zhuǎn)為脯氨酸；③抑制了蛋白質(zhì)的合成，也就抑制了脯氨酸摻入蛋白質(zhì)。其中脯氨酸積累以①為主。吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)和吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是脯氨酸合成過程的兩個重要的酶，而脯氨酸脫氫酶(ProDH)是脯氨酸氧化降解的關鍵酶。由于催化脯氨酸合成的酶位于胞質(zhì)或葉綠體中，而氧化降解酶定位于線粒體中，從而能避免谷氨酸和脯氨酸之間的無效循環(huán)。在正常生長的葉片中，脯氨酸的氧化被誘導，脯氨酸的含量下降；當植物受到干旱脅迫時，線粒體破裂，脯氨酸的氧化受阻，脯氨酸的含量增加。

5 干旱脅迫下植物脯氨酸代謝相關酶基因的表達

脯氨酸代謝過程相關酶基因的研究是研究者關注的熱點之一[48]。吡咯啉—5—羧酸合成酶(P5CS)是催化脯氨酸生物合成的谷氨酸途徑的關鍵酶，其活性受脯氨酸反饋抑制。Hu等從娥豆(Vigna coniti fol ia)中分離得到編碼P5CS的cDNA，滲透脅迫誘導P5CS基因高水平表達，表明P5CS是脯氨酸生物合成中起關鍵作用的酶。脯氨酸生物合成的最后一步是由吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)催化的。在擬南芥(Arabidopsis thal iana)中，脯氨酸的合成和代謝被水分虧缺控制。P5CS基因由干旱脅迫、鹽和ABA誘導，而P5CR基因則不被干旱脅迫、鹽和ABA誘導。催化鳥氨酸轉(zhuǎn)氨基生成谷氨酰-γ-半醛(GSA)，繞過了從谷氨酸生成GSA的前兩步反應。蛾豆(Vigna coniti fol ia)鳥氨酸δ-氨基轉(zhuǎn)移酶(δ-OAT) cDNA也得到克隆，其編碼多肽的分子質(zhì)量為48.1 kD，是植物脯氨酸生物合成中另一個關鍵酶。滲透脅迫解除后，植物體脯氨酸含量能夠恢復至正常狀態(tài)，在此過程中，脯氨酸脫氨酶(PDH)起著重要作用。Peng等克隆了擬南芥PDH cDNA，在干旱脅迫條件下，P5CS基因表達水平提高，PDH基因轉(zhuǎn)錄水平很低，此時游離脯氨酸水平提高約10倍。解除脅迫后，P5CS基因表達水平下降，8h后恢復常態(tài)。相反，PDH mRNA水平則上升，6h后達到峰值，脯氨酸水平隨之降低。可見，P5CS基因和PDH基因的相反方向調(diào)節(jié)著植物脅迫與恢復狀態(tài)下控制脯氨酸水平的關鍵機制。

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J522.3

A

1673-9884(2015)01-0114-05

2014-12-10

福建省自然科學基金項目(2011J01091),福建省教育廳科技項目(JA10279)

郭春芳(1965- )，男，福建廈門人，福建教育學院教授，博士。