王一雯 權(quán)淑靜 馬煥

摘要：海藻糖是一種由α-糖苷鍵聯(lián)結(jié)葡萄糖分子組成的非還原性雙糖，這種可溶性物質(zhì)在綠藻及其他低等植物中發(fā)揮著重要的抗壓保護(hù)作用。它能幫助植物應(yīng)對(duì)嚴(yán)寒、干旱、高鹽漬等極端環(huán)境，調(diào)節(jié)植物的氣孔導(dǎo)度和水利用率，并作為信號(hào)分子參與植物的生長發(fā)育和代謝調(diào)節(jié)。作為一種非滲透性冷凍保護(hù)劑，海藻糖因無毒、高效而被廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)物細(xì)胞和組織器官的冷藏保護(hù)中。根據(jù)近年國內(nèi)外相關(guān)研究成果，將海藻糖對(duì)植物組織和動(dòng)物細(xì)胞的保護(hù)、調(diào)節(jié)及作用機(jī)制加以概述，以期為海藻糖的深入開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海藻糖;非生物脅迫;信號(hào)分子;凍存劑;作用機(jī)制

中圖分類號(hào)： S188 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）02-0014-05

海藻糖化學(xué)全稱為α-D-吡喃葡糖基-α-D-吡喃葡糖苷，是由2個(gè)葡萄糖分子通過半縮醛羥基縮合而成的非還原性雙糖，分子式為C12H22O11，分子量大小為342.3，分子結(jié)構(gòu)式見圖1[1]。這種對(duì)稱的雙葡萄糖分子結(jié)構(gòu)所具有的穩(wěn)定性遠(yuǎn)超麥芽糖、蔗糖、葡萄糖等其他糖類小分子，使其成為保持細(xì)胞活性、保濕類化妝品中的重要組成成分，更可作為防止食品劣化、保持食品新鮮風(fēng)味、提升食品品質(zhì)的獨(dú)特食品配料。海藻糖存在于所有生命體內(nèi)，是一種應(yīng)急代謝產(chǎn)物和信號(hào)分子，在細(xì)胞處于高溫、冷凍、輻射、干燥、高滲透壓等不良環(huán)境時(shí)會(huì)在細(xì)胞內(nèi)大量合成，危機(jī)解除后作為能源物質(zhì)迅速分解[2]，可幫助細(xì)菌、真菌、低等植物以及無脊椎動(dòng)物等生命體抵抗環(huán)境壓力，確保在高鹽、酸性等極端環(huán)境中長久生存[3-4]，從而保護(hù)生命體原有的形態(tài)結(jié)構(gòu)[5]。因此，保護(hù)性是海藻糖除作為甜味劑使用外的一個(gè)最主要功能，它可長效維持生物膜、蛋白質(zhì)等各種組織和生物大分子在非生物脅迫等極端環(huán)境下的穩(wěn)定性[6-7]，保護(hù)二者結(jié)構(gòu)完整、不發(fā)生降解或變性。這種保護(hù)特性備受關(guān)注，有關(guān)其作用機(jī)制的研究更是爭議不斷、層出不窮。筆者將對(duì)海藻糖在植物組織中的調(diào)控作用及增強(qiáng)植物抗逆的作用機(jī)制、海藻糖對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的冷凍保護(hù)作用機(jī)制進(jìn)行總結(jié)論述，更新海藻糖在種植、養(yǎng)殖、冷凍運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中的理論研究進(jìn)展和應(yīng)用范圍，為深入開發(fā)海藻糖提供理論依據(jù)和參考。

1 海藻糖在植物組織中的調(diào)控作用及抗逆保護(hù)機(jī)制

1.1 海藻糖作為代謝物調(diào)控植物的生長和發(fā)育過程

在微生物和無脊椎動(dòng)物中，海藻糖主要參與碳水化合物的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及逆境保護(hù)等生理過程;植物中的海藻糖不僅直接參與代謝，還可作為植物生長發(fā)育的重要代謝產(chǎn)物參與到植物的代謝調(diào)控及基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)中[8]。其代謝前體物質(zhì)海藻糖-6-磷酸（T6P）能夠維持植物體內(nèi)碳含量平衡，延緩葉片衰老，影響果實(shí)坐果率，T6P參與的SnRK1信號(hào)通路對(duì)植物呼吸、淀粉合成、淀粉和蔗糖等多種代謝進(jìn)行雙向調(diào)控，對(duì)不同植物的生長環(huán)境、生長時(shí)期均會(huì)作出相應(yīng)的生長調(diào)節(jié)響應(yīng)方式，確保植物生長發(fā)育正常進(jìn)行，同時(shí)提高植物對(duì)旱害、冷害等逆境環(huán)境的適應(yīng)性[9-10]。

1.2 海藻糖作為脅迫保護(hù)劑提高植物抵抗非生物脅迫的能力

非生物脅迫是指在特定環(huán)境下，任何非生物因素對(duì)植物造成的不利影響。如鹽堿、干旱、高溫、嚴(yán)寒、洪澇、礦物質(zhì)缺乏以及不利的pH值等。其中，鹽堿和干旱是制約植物生長的2個(gè)主要的脅迫因素。而在非生物脅迫條件下，海藻糖可充當(dāng)碳源和脅迫保護(hù)劑用來提高植物的抗逆性，減少逆境脅迫對(duì)植物組織的傷害，維持植物正常生長[11]。

1.2.1 海藻糖提升植株高鹽漬脅迫的適應(yīng)性 鹽脅迫對(duì)植物生長發(fā)育及生理代謝均會(huì)造成影響。種子萌發(fā)時(shí)，土壤中的鹽分濃度越高，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都減小，最終抑制其萌發(fā)和幼苗長大;在植物生長發(fā)育過程中，鹽脅迫會(huì)造成植物發(fā)育遲緩，抑制植物組織和器官的生長和分化，使植物的發(fā)育進(jìn)程提前，最終抑制植物生長。鹽脅迫下，植物吸收不到足夠水分和礦質(zhì)營養(yǎng)，葉片中葉綠素含量降低，也會(huì)間接影響光合性能。此外，鹽脅迫還會(huì)打亂植株正常的呼吸代謝、破壞植株體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成等[12]。因此，提高植株耐鹽性對(duì)于促進(jìn)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

研究證實(shí)，將海藻糖合成酶相關(guān)基因轉(zhuǎn)入到不合成海藻糖的水稻、小麥等植株內(nèi)，可提高這些植株對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性，而外源海藻糖浸泡植株也同樣能減輕鹽脅迫對(duì)幼苗生長的抑制。閆道良等以揚(yáng)麥19為材料，研究低濃度海藻糖對(duì)鹽脅迫下?lián)P麥19幼苗生長及生理特性的影響，試驗(yàn)表明，經(jīng) 2 mmol/L的海藻糖浸種處理可提高揚(yáng)麥19幼苗干物質(zhì)的合成與積累，促進(jìn)揚(yáng)麥19植株碳水化合物的合成，緩解鹽脅迫對(duì)幼苗葉綠素的破壞，降低鹽害對(duì)葉片光合作用的抑制，使植物更快適應(yīng)鹽脅迫[13]。由此可見，海藻糖可作為植物適應(yīng)脅迫的一種誘導(dǎo)劑，誘導(dǎo)植物通過基因表達(dá)及生理變化以適應(yīng)后期的鹽脅迫;同時(shí)，作為一種信號(hào)分子，它可誘導(dǎo)揚(yáng)麥19植株內(nèi)某些氨基酸合成及吸收鉀離子，以平衡鈉離子積累對(duì)細(xì)胞造成的傷害，從而提高植株對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性。

1.2.2 海藻糖增強(qiáng)植株的抗旱脅迫能力 擴(kuò)展生長是環(huán)境和植物內(nèi)部代謝活動(dòng)相互作用的結(jié)果，在各種和植物有關(guān)的環(huán)境因素中，水的有效性占主導(dǎo)地位。不論是細(xì)胞分裂分化或體積擴(kuò)大，都與水分吸收、溶質(zhì)積累和胞壁松弛有關(guān)，任何能直接或間接影響三者之一的因素均能影響植物生長。缺水環(huán)境下，短期內(nèi)植物通過降低葉的生長速率和使老葉脫落等途徑來減少葉面積從而減少蒸騰失水，長期缺水則會(huì)引起根系生長速率降低、各莖間活動(dòng)受抑、伸長遲緩、株高降低、稈變細(xì)等。干旱還會(huì)對(duì)植物的碳循環(huán)、氮代謝以及信息傳遞等物質(zhì)代謝過程造成不同程度的干擾破壞[14]。因此，提高植物遭受干旱逆境后的生存能力有助于減少作物的產(chǎn)量損失。

在實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測木薯海藻糖合成酶基因（MeTPS1-3）干旱脅迫下的表達(dá)試驗(yàn)中[15]，木薯遭受干旱脅迫時(shí)，其根部海藻糖合成酶基因上調(diào)表達(dá)最為明顯，說明木薯在受到抗干旱脅迫時(shí)海藻糖發(fā)揮了重要的調(diào)控作用。將該基因轉(zhuǎn)錄至本生煙草葉片中，并對(duì)該植株葉片進(jìn)行海藻糖含量測定，發(fā)現(xiàn)MeTPS1-3基因已經(jīng)在受體植株中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄并開始表達(dá)合成海藻糖?？购敌栽囼?yàn)證實(shí)，轉(zhuǎn)基因本生煙草株系在干旱脅迫下的保水能力和復(fù)水后的恢復(fù)能力增強(qiáng)，電解質(zhì)滲出率低于對(duì)照，種子萌發(fā)力強(qiáng)于對(duì)照，自然抗旱能力得到增強(qiáng)[16]。由此可見，海藻糖對(duì)于提升植物的抗旱能力具有十分重要的意義。

1.2.3 海藻糖提高植株耐高溫脅迫的抗性 高溫脅迫易破壞光合機(jī)構(gòu)，降低光合能力，從而抑制光合作用并造成作物減產(chǎn)。在作物的生長季節(jié)，溫度平均每提升1 ℃，作物產(chǎn)量將下降17%。生物體在熱脅迫條件下會(huì)產(chǎn)生熱激反應(yīng)，對(duì)溫度的升高作出應(yīng)答，具有一定的耐熱特性。但隨著脅迫程度的不斷增強(qiáng)，高溫會(huì)破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，降解葉綠素，降低CO2的溶解度，最終影響植物的光合速率;持續(xù)高溫更是直接影響了呼吸酶的活力，使其發(fā)生不可逆失活，抑制植物的呼吸作用;同時(shí)，當(dāng)溫度升高到對(duì)植物造成脅迫時(shí)，葉片上的氣孔開度減小，蒸騰作用下降，降低植物對(duì)礦質(zhì)離子的運(yùn)輸和對(duì)水分的需求。此外，高溫對(duì)植物的細(xì)胞膜系統(tǒng)、滲透壓和植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞[17]。因此，高溫脅迫是限制植物分布、生長和生產(chǎn)力的一個(gè)主要的環(huán)境脅迫因子。

在高溫脅迫下，植物細(xì)胞產(chǎn)生過量超氧陰離子（ O-2 · ?）、過氧化氫（H2O2）等活性氧（ROS），這些成分會(huì)損傷細(xì)胞DNA、蛋白質(zhì)、脂膜等組分，引起脂質(zhì)過氧化[18-21]。研究發(fā)現(xiàn)，適量濃度的活性氧在細(xì)胞中作為信號(hào)分子可以抵御疾病或者調(diào)控生理過程，如病原體防御、細(xì)胞程序性死亡。但當(dāng)其濃度達(dá)到毒性水平后，如果不及時(shí)清除就會(huì)對(duì)機(jī)體造成氧化性損傷，卷柏復(fù)蘇過程中其抗氧化系統(tǒng)含量隨脫水上升、隨復(fù)水下降[22]正是應(yīng)對(duì)活性氧的及時(shí)體現(xiàn)。海藻糖則可有效抵御這些氫氧自由基的傷害。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海藻糖磷酸合成酶1基因（TPS1）在煙草和番茄中過表達(dá)后，植株明顯提高了氧脅迫下的耐受性。毫克分子級(jí)別的海藻糖含量就可以保護(hù)超氧化物歧化酶免遭熱激失活[23]，這種保護(hù)機(jī)制能夠很好推廣在小麥作物等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提升農(nóng)作物抗高溫、抗氧脅迫的能力。

1.2.4 海藻糖提升植株的抗寒性 植物遭受零上低溫傷害，生理脫水引起生物膜脂從液晶相變?yōu)槟z相，使膜出現(xiàn)孔道和龜裂，膜的透性增大，膜內(nèi)電解質(zhì)及其他可溶性物質(zhì)大量外滲，細(xì)胞內(nèi)酶反應(yīng)系統(tǒng)及物質(zhì)失去平衡，造成一系列代謝紊亂，從而引起組織嚴(yán)重?fù)p害或死亡。鄧如福等發(fā)現(xiàn)，經(jīng)0.1%海藻糖處理植株2 d后，水稻幼苗在低溫下細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)滲漏率遠(yuǎn)低于對(duì)照，游離于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的淀粉酶活性則遠(yuǎn)高于對(duì)照，低溫傷害后修復(fù)也比對(duì)照快[24]。由此認(rèn)為，水稻在低溫脫水時(shí)，海藻糖可能在細(xì)胞膜表面形成類似的水取代層結(jié)構(gòu)，從而維持低溫脫水時(shí)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，保護(hù)細(xì)胞內(nèi)酶反應(yīng)系統(tǒng)及物質(zhì)平衡，使植物顯示出較強(qiáng)的抗寒性。

外源性海藻糖對(duì)植物在抗逆環(huán)境中的保護(hù)作用，應(yīng)與其較高的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和脂膜互作有關(guān)[25]。當(dāng)植物個(gè)體和組織表面應(yīng)對(duì)高溫或嚴(yán)寒環(huán)境時(shí)，海藻糖較小的自由體積、受限制的分子流動(dòng)性、抵抗相互分離和結(jié)晶能力等固有特性使被其包圍的樣品避免發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞、細(xì)胞脫水等各種不可逆性損害;當(dāng)個(gè)體應(yīng)對(duì)鹽堿地、洪澇、礦物質(zhì)缺乏等惡劣環(huán)境時(shí)，海藻糖固有的對(duì)稱性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)幫助樣品穩(wěn)定組織內(nèi)外滲透壓，避免內(nèi)環(huán)境發(fā)生紊亂;當(dāng)植物遭遇干旱等缺水環(huán)境時(shí)，海藻糖與脂膜的親水端互作共同保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整，避免發(fā)生形變等機(jī)械性損害。

2 海藻糖作為冷凍劑提高動(dòng)物細(xì)胞低溫凍存的存活率

精子的低溫保存是保障雄性動(dòng)物生殖能力的一種重要技術(shù)手段。低溫凍存過程中會(huì)產(chǎn)生大量活性氧，這些物質(zhì)會(huì)破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和能動(dòng)性，對(duì)精子具有致命性破壞[26]。海藻糖具有穩(wěn)定脂膜、蛋白以及生物膜系統(tǒng)的特性，在精細(xì)胞低溫保存過程中海藻糖作為保護(hù)劑能夠減少胞內(nèi)冰晶的形成、維持蛋白結(jié)構(gòu)，顯著提高精細(xì)胞的流動(dòng)性、頂體和細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，減少精細(xì)胞畸變或者病變[27]。因此，在冷凍保護(hù)劑中添加抗氧化劑有助于保護(hù)精細(xì)胞免受活性氧迫害，提高精細(xì)胞復(fù)蘇存活率。目前，海藻糖已被加入到兔子、公羊、野豬、山羊、公牛[26，28-31]等各種哺乳動(dòng)物精細(xì)胞的低溫凍存保護(hù)中，用于提高生殖細(xì)胞復(fù)蘇的成活率。

除了生殖細(xì)胞，海藻糖也會(huì)用于原生生物以及其他細(xì)胞的低溫保護(hù)中[32]。研究結(jié)果表明，海藻糖存在于所有生命體內(nèi)[2，33]，是一種應(yīng)急代謝產(chǎn)物，在細(xì)胞處于高溫、冷凍、輻射、干燥、高滲透壓等不良環(huán)境時(shí)會(huì)在胞內(nèi)大量合成，危機(jī)解除后可作為能源物質(zhì)迅速分解。因此，保護(hù)性成為海藻糖除作為甜味劑使用外的最主要功能，它可長效維持生物膜、蛋白質(zhì)等各種生物組織和生物大分子的穩(wěn)定性[6]。有關(guān)海藻糖對(duì)動(dòng)物細(xì)胞保護(hù)作用機(jī)制的研究主要體現(xiàn)在以下兩大類：一是玻璃化的海藻糖因其黏性特點(diǎn)抑制脂膜分子動(dòng)能產(chǎn)生、防止脂膜分子運(yùn)動(dòng)，維護(hù)生物膜系統(tǒng)的完整性[34-35];二是一定濃度的海藻糖與脂質(zhì)特異性結(jié)合，保護(hù)脂質(zhì)體在冷凍干燥環(huán)境中不發(fā)生有害相變，維持生物膜通透性與穩(wěn)態(tài)[36-37]。經(jīng)過多年的反復(fù)研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，玻璃態(tài)的海藻糖并不能改變脂膜脫水時(shí)的相變溫度且高濃度保護(hù)劑極易產(chǎn)生細(xì)胞毒性[38]，同時(shí)認(rèn)定只有抑制膜脂相變、保證細(xì)胞膜的選擇透過性才是海藻糖發(fā)揮保護(hù)功能的主要因素。

至于糖類小分子如何發(fā)揮保護(hù)作用避免生物膜系統(tǒng)發(fā)生相變，科學(xué)家又相繼提出了水替代假說、優(yōu)先排阻假說和水合力作用等三大學(xué)說[39]。在水替代假說中，假定生命體處于干燥缺水環(huán)境，細(xì)胞膜完全失水。原先與磷脂極性頭部結(jié)合的水分子被糖分子替代，使親水性的頭部基團(tuán)與糖分子發(fā)生互作維持原有的膜脂形態(tài)[40-42]。如在有側(cè)向壓力（大小為 0.1～25 MPa）、海藻糖濃度為2 mol/L時(shí)[43]，或者在增大單分子膜層表面張力[44]等條件下，部分海藻糖分子可置換出通過氫鍵與脂膜親水基團(tuán)相連的水分子，進(jìn)而將自身與脂膜極性頭部特異性結(jié)合，維持脂膜水合狀態(tài)來防止脂膜相變。但在以上相關(guān)所描述的試驗(yàn)中，沒有試驗(yàn)是在完全失水條件下完成且單分子膜型不足以代表真實(shí)生物膜系統(tǒng)中的多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)造;同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)論也局限于一些推斷或可能性原因，這些推測性結(jié)論難以讓人完全信服。優(yōu)先排阻假說通常用來解釋海藻糖與蛋白質(zhì)大分子之間的互作關(guān)系，該學(xué)說通過分子動(dòng)力學(xué)模擬試驗(yàn)證實(shí)了蛋白質(zhì)更易于與水分子結(jié)合，海藻糖用于穩(wěn)定天然態(tài)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，避免其化學(xué)勢升高發(fā)生變性[45]。但此類模擬試驗(yàn)構(gòu)建的三肽分子與實(shí)際溶液中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)差別較大，且生物膜的主要成分為磷脂雙分子層而非蛋白分子，因而該學(xué)說無法有力支持海藻糖的膜保護(hù)機(jī)制。另外一種解釋——水合作用力，是目前最有說服力的作用機(jī)制研究理論：當(dāng)脂膜親水面的水分子發(fā)生波動(dòng)時(shí)，兩性分子聚合物會(huì)自然地產(chǎn)生張力去黏結(jié)水分子，成百上千的水分子被嵌入到雙分子層的極性表面，科學(xué)家稱這種張力為水合力。這種位于多層脂膜間的水合力作用范圍長達(dá)20或更遠(yuǎn)，主要用來阻止不同脂膜間因彼此過分靠近而發(fā)生交叉識(shí)別。在脫水狀態(tài)下，不斷增大的水合力會(huì)加大脂雙層內(nèi)部的橫向壓力，導(dǎo)致相鄰的脂分子相互靠近，使液態(tài)的磷脂雙分子層變?yōu)槟z態(tài)。此時(shí)位于膜系統(tǒng)之間的糖分子（糖環(huán) ∶ 脂=1 ∶ 1），憑借其非特異性的滲透效應(yīng)和體積結(jié)構(gòu)，可有效減小膜脂間水合力的大小以及膜脂受壓產(chǎn)生的抗壓應(yīng)力，進(jìn)而降低膜發(fā)生相變所需的轉(zhuǎn)變溫度，盡可能維持液相脂膜間距，以此達(dá)到保護(hù)生物膜的目的[46]。因此，水合力作用認(rèn)為，一定濃度下，海藻糖能夠?qū)Ρ鶅錾锲鸬接行ПＷo(hù)作用，這種保護(hù)主要來源于海藻糖非特異性的滲透壓和體積效應(yīng)，它與脂膜的親水端結(jié)合以替代水分子的關(guān)系并不大。

有關(guān)海藻糖對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子或與脂膜互作的凍存保護(hù)機(jī)制的研究通常需借助電子顯微鏡、X射線衍射技術(shù)以及電子順磁共振等設(shè)備對(duì)低溫下的脂膜和小分子糖的分子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行觀察，評(píng)估和計(jì)算相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)以分析它們的運(yùn)動(dòng)軌跡和變化[47]，進(jìn)而闡釋其可能的保護(hù)機(jī)制。近期動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在海藻糖水溶液中，蛋白分子周圍的水分子數(shù)量明顯減少，海藻糖環(huán)繞成籠狀結(jié)構(gòu)，使陷入其中的水分子移動(dòng)速率降低，避免蛋白結(jié)構(gòu)在降溫過程中發(fā)生結(jié)晶等形態(tài)變化[48]，從而起到冷凍保護(hù)效應(yīng)。這種新的保護(hù)機(jī)制再次否定了優(yōu)先排阻假說。

3 結(jié)論與展望

植物海藻糖信號(hào)途徑被認(rèn)為是連接代謝與生長發(fā)育信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的中樞，它通過介導(dǎo)植物內(nèi)部與外部信號(hào)來調(diào)控植物的生長發(fā)育進(jìn)程，其前體物質(zhì)T6P信號(hào)調(diào)節(jié)途徑直接參與多種植物生理活動(dòng)，逐步闡明T6P信號(hào)調(diào)節(jié)方式、分子機(jī)制與植物信號(hào)響應(yīng)等，可以更清晰地了解植物對(duì)逆境的多種適應(yīng)性。

近年來，土壤鹽漬度升高成為農(nóng)業(yè)種植方面的主要威脅，海藻糖在植物遭受鹽脅迫時(shí)起到很好的保護(hù)作用。低濃度海藻糖可減少鈉離子在細(xì)胞中的積累，高濃度時(shí)則能預(yù)防由氯化鈉引起的葉綠素缺失、保護(hù)植物根部的完整性[49-51]。當(dāng)植株受到鹽脅迫時(shí)，海藻糖酶表達(dá)量降低，使得機(jī)體內(nèi)海藻糖不斷積累，發(fā)揮雙糖具有的保護(hù)性來抵抗高鹽腐蝕。

耐旱類植物體內(nèi)通常儲(chǔ)存大量的海藻糖，這類植物可以暫停新陳代謝幾年之久，直至遇到水源。在代謝停滯期間，海藻糖用于保護(hù)細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)以及其他細(xì)胞成分[52]。但在農(nóng)作物中，海藻糖的含量卻少之又少，幾乎檢測不到濃度變化或者差異。因此，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)外源添加海藻糖[53]或者借助海藻糖合成酶生物合成海藻糖[54]以提高植物抗逆性是目前較為有效的植物保護(hù)方式。研究人員培育出的轉(zhuǎn)基因水稻，能有效抵御干旱、寒冷和多鹽，且產(chǎn)量高、產(chǎn)值高[55]。王彬等通過RNA干擾技術(shù)，利用葉盤侵染法將帶有擬南芥海藻糖酶基因干擾載體（iTre-1285）的農(nóng)桿菌導(dǎo)入花煙草中，成功干擾海藻糖酶基因的表達(dá)，抑制了花煙草中海藻糖酶的活性，以此來減少海藻糖的降解，從而增加內(nèi)源海藻糖含量，提高轉(zhuǎn)基因植株的抗脅迫能力，有效地保護(hù)農(nóng)作物抵抗環(huán)境災(zāi)害，提高作物產(chǎn)量[56]。這些應(yīng)用對(duì)種植業(yè)尤其在應(yīng)對(duì)北方寒冷干燥氣候?qū)r(nóng)作物的影響，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

在植物應(yīng)對(duì)溫度壓力時(shí)，其內(nèi)生性海藻糖在發(fā)生新陳代謝過程中會(huì)產(chǎn)生不同形式的變化，植物也相應(yīng)被引發(fā)復(fù)雜的生理生化反應(yīng)，如轉(zhuǎn)錄因子和蛋白分子表達(dá)量的增減、代謝物糖類和脂質(zhì)以及次級(jí)代謝物含量的改變、膜結(jié)構(gòu)和組成上的改變等。此時(shí)海藻糖會(huì)與其他溶質(zhì)分子相互結(jié)合共同抵抗嚴(yán)寒或高溫環(huán)境。蛋白組數(shù)據(jù)分析顯示，高溫時(shí)海藻糖磷酸合成酶5（TPS5）和轉(zhuǎn)錄輔激活子MBF1c蛋白發(fā)生互作反應(yīng)，MBF1c蛋白是植物抵抗高溫的關(guān)鍵調(diào)控因子，TPS5缺失則會(huì)導(dǎo)致植物對(duì)高溫敏感。而在低溫環(huán)境中，AtTPPA基因的高表達(dá)又會(huì)引發(fā)海藻糖、海藻糖-6-磷酸含量的增加[4，57]。由此可見，海藻糖在植物應(yīng)對(duì)極寒或高溫氣候時(shí)會(huì)參與到植物的新陳代謝和各種理化反應(yīng)中，幫助植物應(yīng)對(duì)極端溫度。

海藻糖作為保護(hù)劑參與動(dòng)植物細(xì)胞或組織的低溫保存過程已廣為人知，但因其是雙糖分子結(jié)構(gòu)，不能快速擴(kuò)散、任意進(jìn)出細(xì)胞而未能取代二甲基亞砜或甘油作為獨(dú)立保護(hù)劑單獨(dú)使用。目前，借助高分子材料等載體或電穿孔技術(shù)介導(dǎo)海藻糖穿過細(xì)胞膜[58-60]，使其均勻分布于細(xì)胞內(nèi)外已成為現(xiàn)階段研究較為關(guān)注的保護(hù)劑應(yīng)用領(lǐng)域，攻克該項(xiàng)難題不僅能減小海藻糖凍存液對(duì)細(xì)胞造成的滲透壓、提升細(xì)胞凍存復(fù)蘇的存活率，更能有效解決醫(yī)藥、生態(tài)養(yǎng)殖、食品加工等行業(yè)中的運(yùn)輸和保藏問題，有望實(shí)現(xiàn)海藻糖取代二甲基亞砜作為一種獨(dú)立的新型無毒保護(hù)劑應(yīng)用于細(xì)胞、組織、酶制劑保護(hù)等凍存行業(yè)[61-62]。有關(guān)海藻糖對(duì)高等植物、脊椎動(dòng)物、工業(yè)酶制劑在代謝調(diào)節(jié)、抗逆、抗病原體、毒性大小、凍存保護(hù)等相關(guān)性質(zhì)與功能的研究依然在繼續(xù)[33，63]，不斷深入探究海藻糖在動(dòng)植物保護(hù)過程中的作用機(jī)制對(duì)其在凍存保護(hù)劑產(chǎn)業(yè)的開發(fā)、應(yīng)用、推廣等領(lǐng)域都將產(chǎn)生重要現(xiàn)實(shí)意義。

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