李 麗,孫 健,何雪梅,李昌寶,零東寧,饒川艷,肖占仕,盛金鳳,鄭鳳錦,易 萍
(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣西南寧530007;2.廣西果蔬貯藏與加工新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,廣西南寧530007)
磷脂酶D(phospholipase D,簡(jiǎn)稱PLD),全稱磷脂酰膽堿磷脂水解酶(EC3.1.4.4),是一類催化磷酸二酯鍵水解和堿基交換的酶的總稱,能水解不同膜磷脂產(chǎn)生磷脂酸(phosphatidic acid,簡(jiǎn)稱PA)和各種頭部基團(tuán),如膽堿或乙醇胺等。PLD可以在植物各個(gè)組織器官(根、莖、葉、種子、果實(shí)等)中廣泛表達(dá),且集中于生長(zhǎng)代謝旺盛的部位,如成熟初期的種子和萌芽初期的幼苗[1-2]。前期研究表明,PLD在脂類代謝和細(xì)胞調(diào)控方面有多重功能,參與了從激素信號(hào)傳遞到環(huán)境脅迫響應(yīng)的胞內(nèi)及亞細(xì)胞內(nèi)的各種動(dòng)態(tài)過(guò)程[3-4]。PLD水解磷脂產(chǎn)物PA還可作為第二信使,參與胞內(nèi)信號(hào)傳遞過(guò)程,觸發(fā)胞內(nèi)與抗性(抗逆性和抗病性等)相關(guān)的“程序化反應(yīng)”來(lái)響應(yīng)逆境[5]。因此,PLD是兼具水解作用和信息傳遞作用的雙重功能酶,在植物生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆過(guò)程中起到重要的作用。
PLD參與植物對(duì)環(huán)境逆境脅迫的響應(yīng),研究表明,逆境脅迫(機(jī)械損傷、冷害、干旱、高鹽、營(yíng)養(yǎng)不良及病蟲(chóng)害)等均能誘導(dǎo)植物PLD的活性發(fā)生變化,從而導(dǎo)致磷脂降解、膜通透性改變,最終造成植物傷害甚至死亡[6]。如果能在適當(dāng)范圍內(nèi)對(duì)PLD的活性進(jìn)行調(diào)控,能在一定程度上改變植物對(duì)逆境的響應(yīng),有助于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的保持和細(xì)胞內(nèi)區(qū)域化結(jié)構(gòu)的完整,減少植物受到的傷害。本文結(jié)合作者的研究工作,通過(guò)對(duì)磷脂酶D與植物逆境脅迫關(guān)系的論述,探討PLD在機(jī)械損傷、低溫、干旱和微生物等不同非生物、生物脅迫下的響應(yīng)機(jī)制,為進(jìn)一步針對(duì)植物逆境脅迫調(diào)控方法的研究提供參考。
磷脂既是生物膜的骨架成分,又能通過(guò)水解產(chǎn)物來(lái)參與多種生理過(guò)程和環(huán)境刺激誘發(fā)的細(xì)胞反應(yīng)。磷脂酶是催化磷脂水解第一步的關(guān)鍵酶,根據(jù)水解磷脂部位的不同將磷脂酶分為 5類,即磷脂酶 A1(PLA1)、磷脂酶 A2(PLA2)、磷脂酶 B(PLB)、磷脂酶 C(PLC)和磷脂酶 D(PLD)[7]。磷脂酶的催化活性表現(xiàn)在脂類代謝、膜再建、脂類信號(hào)分子(如三磷酸肌醇、二?;视汀⒘字幔┖陀坞x脂肪酸等的產(chǎn)生方面[8]。近年來(lái)的研究表明,磷脂酶幾乎在植物所有生命階段及對(duì)環(huán)境的應(yīng)答中起著非常重要的作用[9-14],而PLD在組織衰老及果實(shí)采后老化的細(xì)胞膜降解過(guò)程中起重要作用。在許多植物中,如黃瓜、蓖麻、番茄、獼猴桃、甘藍(lán)、煙草、玉米、豇豆、草莓、龍眼等老化的果實(shí)中都觀察到了PLD活性的增強(qiáng)和PA的形成[15]。前期研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)調(diào)節(jié)磷脂酶D活性,可降低水果果實(shí)貯藏期間的褐變與感病指數(shù),減緩果皮褐變及采后果實(shí)衰老劣變[16-17]。
PLD參與細(xì)胞膜的降解及生物合成,因而它對(duì)保持細(xì)胞膜穩(wěn)定性及生理功能起著重要的調(diào)控作用。植物中包含多個(gè)不同類別的PLD基因,但各種PLD在不同植物種類、器官、組織和細(xì)胞類型中表現(xiàn)出特異性和不同的作用調(diào)控機(jī)制,如不同的PLD能特異性地降解不同的膜磷脂。此外,PLD參與膜的生物合成及降解,它被激活后能夠改變細(xì)胞膜中脂質(zhì)組分,從而影響細(xì)胞膜在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性[6]。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),植物中PLD的總體結(jié)構(gòu)域相似,但是在某些單元上不同類型之間存在重要的差異,它們各具獨(dú)特的生物化學(xué)特性,因此,不同的PLD在不同脅迫條件下表現(xiàn)出特異的功能[18]。Katagiri等在對(duì)擬南芥PLD活性的研究中發(fā)現(xiàn),PLDδ與質(zhì)膜緊密相連,并在老葉、莖、花及根中具有相對(duì)高的表達(dá)活性[19]。You等研究表明,PLDδ基因在不同組織中的有明顯的特異性表達(dá)(花芽<花、幼葉<老葉),其中在相對(duì)表達(dá)差異最大的成花組織中,花的相對(duì)表達(dá)量為花芽的2.86倍[20]。綜合上述結(jié)果表明,PLD在植物生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段及響應(yīng)外界環(huán)境因子刺激的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中均起著重要的調(diào)節(jié)作用。
植物在受到病原微生物逆境脅迫時(shí),通常也會(huì)發(fā)生一系列的抗逆反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),PLD會(huì)富集于微生物與質(zhì)膜的接觸部位,引起酶活性及亞細(xì)胞定位發(fā)生變化,以抵御病原菌的侵染,PLD在植物抵御病害的防衛(wèi)信號(hào)產(chǎn)生中不可或缺[21]。在植物與病原菌的相互作用過(guò)程中,短時(shí)間內(nèi)改變PLD活性可能會(huì)引起植物對(duì)病原菌的敏感性發(fā)生變化,而長(zhǎng)期改變PLD活性則可能會(huì)引起細(xì)胞骨架改變和膜的重新組裝(或降解)。
病原菌侵染植物體時(shí),會(huì)激活植物的PLD,使其活性發(fā)生變化,并且參與到植物抵御病原侵染時(shí)的超敏反應(yīng)(hypersensitive response)過(guò)程中[22-23]。Young等用黃單胞菌侵染水稻抗性株和敏感株時(shí),敏感株的PLD蛋白在第5天就很難被檢測(cè)到,此時(shí)植株表現(xiàn)出病斑擴(kuò)大、葉片發(fā)黑干枯的感病表型,而抗性株的PLD活性則一直保持較高水平[22]。王蓮蓮采用熒光標(biāo)記PLD觀察的結(jié)果表明,在病原菌侵染敏感性水稻葉片后24 h內(nèi),PLD在質(zhì)膜內(nèi)側(cè)均勻分布,而侵染抗性植株12 h后,PLD在病原菌侵染的細(xì)胞質(zhì)膜一側(cè)集中分布,這表明PLD的分布和表達(dá)差異可能造成植株抗病性的差異[24]。當(dāng)白葉枯病病原菌侵染水稻時(shí),PLDα活性明顯提高,且抗病性品種更為顯著,PLDα聚集于病原菌與植物接觸的質(zhì)膜部位,暗示PLDα可能在抵御病菌的過(guò)程中起作用[25]。用真菌激發(fā)子木聚糖酶處理煙草細(xì)胞時(shí),PLDβ和PLDγ水解的產(chǎn)物N-乙酰乙醇胺(N-acetylethanolamine,簡(jiǎn)稱NAE)很快釋放,說(shuō)明PLDβ和PLDγ在抗病中具有一定的作用[26-27]。在豆類幼苗期,致瘤因素(包括病原菌微生物)能激活PLD,通過(guò)減少受n-丁醇抑制根毛的變形而促進(jìn)PA的合成[28]。
干旱脅迫導(dǎo)致的植物代謝紊亂與PLD活性變化密切相關(guān),但是其作用機(jī)制與機(jī)械損傷和低溫脅迫相比又有所不同。植物激素脫落酸(簡(jiǎn)稱ABA)在調(diào)節(jié)植物滲透脅迫應(yīng)答中起著重要作用。在滲透脅迫下,會(huì)誘導(dǎo)植物內(nèi)源脫落酸濃度增加并激活PLD(圖1),而PLD活性的增加主要是為了響應(yīng)脫落酸信號(hào)[29]。脫落酸濃度增加的同時(shí)誘導(dǎo)葉片保衛(wèi)細(xì)胞氣孔關(guān)閉,這一過(guò)程有利于維持干旱脅迫下葉片水勢(shì)和植物的存活[30]。保衛(wèi)細(xì)胞中脫落酸促進(jìn)鈣離子通道對(duì) Ca2+的攝入,Ca2+作為植物PLD活性的一個(gè)調(diào)節(jié)因子,能夠激活PLD并促進(jìn)PLDα與質(zhì)膜的結(jié)合[31]。研究表明,脫落酸可誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中PLD活性的增強(qiáng)[32]。由此可見(jiàn),PLD可能是Ca2+濃度發(fā)生變化后作用的底物之一,而該變化響應(yīng)植物干旱脅迫并使細(xì)胞中脫落酸水平增加。因此,PLDα通過(guò)參與脫落酸誘導(dǎo)的氣孔運(yùn)動(dòng)而正調(diào)控植物對(duì)水分脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。ABA、Ca2+等信號(hào)分子在應(yīng)對(duì)不同逆境脅迫響應(yīng)中的作用方向一致,而PLDα在響應(yīng)干旱和低溫脅迫應(yīng)答中的作用截然相反,這源于PLDα在這2種逆境脅迫反應(yīng)中有著不同的作用機(jī)制。在干旱脅迫應(yīng)答中,PLDα主要通過(guò)轉(zhuǎn)導(dǎo)脫落酸信號(hào)來(lái)調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)進(jìn)而影響植物的抗旱性。
許多植物在高滲透脅迫環(huán)境下,例如番茄、紫花苜蓿、綠藻和擬南芥脫水葉片中的PLD活性及其產(chǎn)物PA均會(huì)增加[33]。高滲透誘導(dǎo)PLD活性增加有可能是對(duì)脫落酸的響應(yīng),也可能是PLD參與了脫落酸信號(hào)傳遞途徑。滲透脅迫與PA水平升高有關(guān)[34]。在綠藻、番茄和紫花苜蓿的懸浮細(xì)胞系中,在鹽(NaCl)脅迫情況下,PA會(huì)迅速積累;采用其他滲透物,如蔗糖、甘露醇等也有類似作用,說(shuō)明高滲透壓是導(dǎo)致PA快速累積的效應(yīng)器。當(dāng)綠藻處于干旱脅迫下時(shí),數(shù)分鐘內(nèi)能特異地誘導(dǎo)PLD表達(dá),同時(shí)增強(qiáng)其活性[35-36]。用脫落酸處理植物時(shí)則沒(méi)有相似現(xiàn)象發(fā)生,表明脫落酸處理和干旱激活不同類型的PLD。外源脫落酸的施加可將干燥條件下果實(shí)失水率降低近30%,此時(shí)PLD基因的表達(dá)也有所增強(qiáng)。
當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí),為了維持體內(nèi)充足的水分,脫落酸誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉的敏感性將會(huì)提高,從而降低蒸騰并減少水分的流失。前期研究表明,PLD在脫落酸介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中也起著重要作用。干旱脅迫會(huì)激活PLD,進(jìn)而促進(jìn)脫落酸誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉,減少植株體內(nèi)的水分流失,從而適應(yīng)干旱條件。Sang等研究表明,干涉PLD的植株葉片的蒸騰失水率顯著高于野生型對(duì)照[33]。孫磊研究表明,PLD的活性增強(qiáng)能顯著降低植物的氣孔導(dǎo)度,減少水分喪失,從而提高抗旱能力[37]。由此可見(jiàn),PLD主要通過(guò)參與調(diào)節(jié)水分脅迫條件下的氣孔導(dǎo)度來(lái)影響植物的抗旱性。
機(jī)械損傷是造成采后果蔬品質(zhì)劣變的最嚴(yán)重脅迫之一,可使果蔬細(xì)胞組織受到嚴(yán)重的破壞,引起品質(zhì)下降,貯藏期縮短。機(jī)械損傷能夠改變果蔬的生理代謝過(guò)程,使細(xì)胞膜受到破壞,導(dǎo)致磷脂降解產(chǎn)生自由脂肪酸和大量的磷脂酸的積累。番木瓜鮮切后,PLD、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)蛋白基因表達(dá)量增加并伴隨酶活性增加,導(dǎo)致細(xì)胞壁軟化加速,進(jìn)而加快果實(shí)軟化[38]。趙宇瑛對(duì)黃瓜的研究表明,機(jī)械損傷誘導(dǎo)黃瓜的PLD基因表達(dá)量增加[39]。
機(jī)械損傷會(huì)激活PLD并導(dǎo)致磷脂的水解。PLD的激活促進(jìn)其產(chǎn)物PA的生成,并伴隨游離膽堿水平的升高,表明磷脂酰膽堿是反應(yīng)的底物。研究表明,抑制擬南芥PLDα的活性可同時(shí)減少機(jī)械損傷誘導(dǎo)的PA及參與調(diào)控許多防御反應(yīng)的茉莉酸(簡(jiǎn)稱JA)的積累[5]。在大豆中,PA能誘導(dǎo)一種機(jī)械損傷激活的49 ku分裂素激活的蛋白激酶(簡(jiǎn)稱MAPK),通過(guò)n-丁醇降低PA的形成可以抑制這種誘導(dǎo)作用,該結(jié)果表明PLD的產(chǎn)物PA在MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有信使的功能[40-41]。受到機(jī)械損傷刺激后,胞質(zhì)中的PLD會(huì)聚集到膜上,導(dǎo)致膜結(jié)合PLD瞬間增加,該過(guò)程與磷脂的減少密切相關(guān)[42]。進(jìn)一步研究表明,與膜結(jié)合PLD的增加會(huì)加速脂質(zhì)降解。例如,輻射處理后的花椰菜小花會(huì)快速引起膜結(jié)合PLD活性的增強(qiáng),并進(jìn)一步加速細(xì)胞膜的降解。蓖麻葉片中膜結(jié)合PLD的增加也會(huì)影響磷脂降解的速率及葉片的衰老[43]。由此可見(jiàn),機(jī)械傷害引起的PLD活性增強(qiáng)是由膜結(jié)合的PLD聚集引起的,其原因可能是PLD與膜的結(jié)合會(huì)增加其與底物結(jié)合的機(jī)會(huì),進(jìn)而促進(jìn)其作用底物脂質(zhì)的水解。
PLD活性的增強(qiáng)不是由其mRNA轉(zhuǎn)錄或蛋白水平的提高造成的,而是PLD蛋白質(zhì)由胞質(zhì)向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移造成的[21]。向原生質(zhì)體培養(yǎng)緩沖液中添加生理濃度的Ca2+可以增強(qiáng)這種向微粒體的轉(zhuǎn)移作用,原因之一可能是機(jī)械傷害誘導(dǎo)原生質(zhì)膜中PLD、PLA的協(xié)同激活,進(jìn)而增加了葉綠體中游離脂肪酸的釋放量、促進(jìn)茉莉酸的生物合成并激活其下游防御基因。近年來(lái)的研究表明,受到機(jī)械傷害的蓖麻葉游離亞麻酸的增加與由PLD介導(dǎo)的磷脂水解有關(guān),間接說(shuō)明PLD與PLA在蓖麻葉在受到機(jī)械傷害后的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中起著協(xié)同作用。該結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致,表明多種植物在受到機(jī)械傷害的數(shù)分鐘內(nèi)PLA、PLD的作用產(chǎn)物均會(huì)增加[33]。
植物受到機(jī)械損傷后,其損傷信號(hào)可從損傷部位傳遞至未損傷部位,同時(shí)誘發(fā)一系列生理生化反應(yīng)。其中最主要的生理反應(yīng)之一是細(xì)胞膜完整性的損壞,機(jī)械損傷后會(huì)加快植物膜脂分解代謝,通過(guò)增強(qiáng)PLD對(duì)產(chǎn)物的水解來(lái)響應(yīng)機(jī)械脅迫。有關(guān)黃瓜果實(shí)機(jī)械損傷的研究表明,機(jī)械損傷會(huì)導(dǎo)致黃瓜細(xì)胞膜結(jié)合的Ca2+含量降低,從而促進(jìn)PLD基因的表達(dá),同時(shí)PLD活性的增強(qiáng),進(jìn)一步造成其底物PI、PC含量下降和產(chǎn)物PA含量快速上升,并在10 h增長(zhǎng)速率達(dá)到56.49%[44]。機(jī)械損傷會(huì)促進(jìn)植物細(xì)胞膜中的Ca2+向細(xì)胞質(zhì)中的流動(dòng),從而誘導(dǎo)PLD基因的表達(dá),提高PLD的活性,最終破壞細(xì)胞膜的完整性。此外,黃瓜對(duì)機(jī)械損傷的響應(yīng)程度因果實(shí)部位的不同而存在一定的差異,采后果蔬的成熟度對(duì)機(jī)械損傷所引起的PLD的響應(yīng)程度具有明顯影響,越是成熟的部位PLD變化對(duì)損傷越敏感[39,45]。
低溫條件能夠降低植物細(xì)胞的代謝速率,延緩果蔬等植物的成熟衰老過(guò)程,然而,某些植物由于對(duì)溫度的敏感性,不能適應(yīng)低溫而容易遭受冷害[46]。冷害信號(hào)同樣能夠從損傷組織傳遞到未損傷組織,從而誘發(fā)植物一系列的生理反應(yīng)。前期研究表明,細(xì)胞膜是維持細(xì)胞正常代謝和功能的關(guān)鍵亞細(xì)胞器,而PLD是細(xì)胞膜磷脂水解的起始酶類,它既能通過(guò)水解細(xì)胞膜磷脂調(diào)節(jié)膜的結(jié)構(gòu)和功能,也能通過(guò)其反應(yīng)產(chǎn)物如PA、二?;视停ê?jiǎn)稱DAG)等參與低溫脅迫條件下細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[47-48]。黃瓜受到低溫及冷害脅迫時(shí),PLD通過(guò)降解細(xì)胞膜及其產(chǎn)物參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以響應(yīng)冷害[49]。黃瓜冷害初始反應(yīng)的首要步驟是激活PLD,隨后PLD活性增強(qiáng),PLD基因表達(dá)與其活性呈現(xiàn)平行關(guān)系,且當(dāng)PLD的轉(zhuǎn)錄水平達(dá)到峰值時(shí),相應(yīng)的PLD活性大大提高,這時(shí)黃瓜對(duì)低溫脅迫的感應(yīng)非常強(qiáng)烈,最終結(jié)果就是冷害的形成。黃瓜微粒體膜中與線粒體膜中的PLD基因在接受熱處理時(shí)會(huì)受到抑制,從而使該基因的表達(dá)及活性均有所降低[50-51]。黃瓜果實(shí)PLD底物磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰膽堿(PC)含量會(huì)在低溫貯藏過(guò)程中下降,其產(chǎn)物PA含量則升高,且在冷害開(kāi)始發(fā)生時(shí)PA含量會(huì)有一個(gè)大幅度升高的過(guò)程。PA會(huì)破壞膜脂的穩(wěn)定性,其過(guò)量積累會(huì)直接導(dǎo)致冷害發(fā)生[52]。對(duì)桃PLDα基因表達(dá)的分析表明,低溫會(huì)誘導(dǎo)果實(shí)中PLD的表達(dá),因此推測(cè)PLD可能作為一種信號(hào)分子在果實(shí)對(duì)低溫、冷害信號(hào)的感應(yīng)與識(shí)別中起著重要作用[23]。在植物低溫馴化過(guò)程中,會(huì)積累大量脯氨酸、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),降低細(xì)胞滲透勢(shì),以保護(hù)細(xì)胞免受胞間結(jié)冰導(dǎo)致的原生質(zhì)的脫水脅迫。
PLD參與了植物脅迫信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)并在該過(guò)程中起著重要作用。細(xì)胞膜上的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)途徑以及磷脂代謝途徑均具有一定程度的復(fù)雜多樣性,現(xiàn)階段針對(duì)于外界脅迫和傳遞信號(hào)過(guò)程中的PLD具體功能與途徑并沒(méi)有得到確定。采用最新分子生物學(xué)方法,深入探究PLD在植物生長(zhǎng)和成熟衰老中的作用機(jī)制,既能揭示PLD的調(diào)控機(jī)制及生理功能,又能闡明植物感應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境因子的機(jī)制。但是由于PLD基因表達(dá)調(diào)控模式及其作用機(jī)制的復(fù)雜性,PLD的亞型鑒定、純化及其表達(dá)模式與組織細(xì)胞或生長(zhǎng)階段的相關(guān)性還未得到闡明,各亞型的調(diào)控機(jī)制及其參與到其他信號(hào)系統(tǒng)的作用方式有待深入探究。通過(guò)整合基因編輯技術(shù)、生化分析,轉(zhuǎn)錄組結(jié)合蛋白組及脂質(zhì)代謝組等現(xiàn)代生物技術(shù),將明確各個(gè)PLD基因在某一特異信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑或者特異細(xì)胞過(guò)程中的功能,從而系統(tǒng)地揭示PLD在植物中的生物學(xué)功能和作用機(jī)制,這也將為我們對(duì)脂質(zhì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制及其在逆境或激素的信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)作用中的進(jìn)一步解析奠定基礎(chǔ)。植物受到逆境脅迫時(shí),會(huì)在基因表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、代謝物形成和蛋白表達(dá)等多個(gè)層次進(jìn)行響應(yīng),隨著高通量測(cè)序技術(shù)、現(xiàn)代分析技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展,在未來(lái)研究中將基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與代謝組學(xué)有機(jī)結(jié)合,能夠更全面和系統(tǒng)地闡述植物在逆境脅迫下、成熟衰老過(guò)程中生理生化過(guò)程的關(guān)系及相關(guān)分子機(jī)制,對(duì)控制水果、蔬菜等采后品質(zhì)、探索有效的采后保鮮技術(shù)具有重要的科學(xué)意義。
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