何華勤,馮常青,魏曉玲,徐時長,邱福祥,李文卿

(1.福建農林大學 生命科學學院，福建 福州 350002；2.福建省煙草專賣局 煙草科學研究所，福建 福州 350000)

0 引言

鎂作為僅次于氮、磷、鉀的植物第四大營養(yǎng)元素,在植物生長發(fā)育、葉綠素合成、響應逆境脅迫等方面發(fā)揮重要作用。鎂營養(yǎng)的缺乏,會導致植物受到光抑制。前人研究發(fā)現(xiàn),植物為了獲取足夠的鎂營養(yǎng),進化出高效的鎂吸收、儲存和轉運系統(tǒng)。[1]

本文首先簡述煙草及其他幾種植物對鎂的吸收、運輸及其分子機制,進而著重綜述鎂營養(yǎng)對煙草光合作用、碳氮代謝、抗氧化還原活性及鉀、鈣含量的影響,在此基礎上提出了利用鎂營養(yǎng)緩解煙草產區(qū)尤其是福建地區(qū)的煙草植株受逆境脅迫傷害的研究方向。

1 植物對鎂離子吸收與轉運的分子機制

植物從土壤中吸收鎂離子(Mg2＋)并轉運到地上部主要有兩種方式,一種為主動吸收,一種為被動吸收。當土壤介質中Mg2＋濃度低于0.5 mol/L時,植物主要以主動方式吸收Mg2＋,且不受蒸騰速率的影響(見圖1)[2]。如圖1所示,受低鎂營養(yǎng)脅迫時,擬南芥Mg2＋轉運(MGT)基因高表達,介導高親和性Mg2＋的吸收。但當土壤介質中Mg2＋濃度高于0.5 mol/L時,植物主要以被動方式吸收Mg2＋,被動吸收受植物蒸騰速率的影響[3]。可見,植株吸收鎂的方式與外界環(huán)境中Mg2＋濃度息息相關。

圖1 植物細胞內外Mg2＋的運輸機制[2]

Mg2＋類二價陽離子能通過植物皮層中的一個自由質外體進入內皮層,但難以從外皮層進入內皮層。Sugiyama利用放射性技術研究發(fā)現(xiàn)菜豆從土壤中吸收Mg2＋后,Mg2＋可通過韌皮部在植株體內再循環(huán)[4]。隨著植株木質部蒸騰流的作用,進入植株內皮層的Mg2＋向地上部運輸,韌皮部的Mg2＋濃度較高而易移動,促使Mg2＋從植株的老組織轉運到新組織、從源運輸到庫中。這就是植株鎂營養(yǎng)缺乏時往往是老葉最先出現(xiàn)缺鎂癥狀的原因。在植物細胞中,一部分Mg2＋能與果膠結合,達到穩(wěn)定細胞壁的作用；另一部分Mg2＋則能與ATP、葉綠素等結合并轉運到其他細胞中。通常情況下,植物葉綠體中的Mg2＋濃度處于0.5~2.0 mmol/L間,線粒體中Mg2＋濃度在2.0~4.0 mmol/L間,而細胞質中Mg2＋濃度為0.2~0.4 mmol/L,葉綠體與線粒體中積累的Mg2＋濃度均高于細胞質,這是由于液泡中的Mg2＋積累量較大,Mg2＋轉運蛋白的存在能促進Mg2＋與胞質溶膠的交換,維持細胞質中Mg2＋的穩(wěn)定[5]。

Mg2＋的運輸與分配都離不開Mg2＋轉運蛋白,前人發(fā)現(xiàn)細菌中有3種不同類型的Mg2＋轉運蛋白,分別是鈷(Co2＋)抗性A(CorA)、MGT A/B和MGT E[6]。目前在植物中研究比較深入的是MRS2/MGT基因家族。細菌中MGT基因屬于CorA基因家族,最初是從鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhimurium)中分離鑒定獲得。目前已在酵母菌、動物、植物中都鑒定出CorA類型的同源蛋白,如酵母菌中的Alr1p蛋白、酵母核酸基因MRS2編碼的Mrs2p蛋白等都是CorA類型的同源蛋白。Mrs2p蛋白除了有運輸Mg2＋的能力,還對線粒體中內含子組分的剪接及維持功能性呼吸系統(tǒng)具有重要作用[7]。CorA類型的Mg2＋轉運蛋白的C端有兩個保守的跨膜結構域(Trans-Membrane,TM)。在第一個保守TM的末端附近共享一個保守的Gly-Met-Asn(GMN)三肽基序。GMN基序的存在是Mg2＋轉運蛋白對Mg2＋專一性的原因。但63Ni示蹤結果表明,Mg2＋轉運蛋白除了對Mg2＋有高度的親和力外,也能轉運其他二價陽離子,如Co2＋、Fe2＋等[8]。GMN三肽基序也可能突變?yōu)镚ly-Val-Asn(GVN)和Gly-Ile-Asn(GIN),而這兩種基序與其他陽離子更易結合,如Zn2＋、Cd2＋[8]。因此,GMN基序對于金屬離子的轉運可能是保守的。CorA對Mg2＋的運輸高度依賴于細胞內Mg2＋濃度,是一種自我調節(jié)機制。在細菌中,CorA的表達不受Mg2＋濃度的誘導,低Mg2＋濃度能高度誘導MGT A和MGT B的表達[5]。

到目前為止,研究人員已從許多植物中鑒定出Mg2＋轉運蛋白基因家族,如水稻、甘蔗、玉米、甘藍型油菜、巴西橡膠樹等[2,9]。其中,對擬南芥基因組中Mg2＋轉運蛋白基因的研究報道相對較多。前人已經從擬南芥基因組中鑒定出10個Mg2＋轉運蛋白基因和一個假基因(AtMRS2-9),并注釋為AtMRS2或AtMGT基因家族[10](見表1)。由表1可見,前人對AtMGT1基因研究最為深入,發(fā)現(xiàn)該基因蛋白定位于質膜,參與植株根中Mg2＋的吸收,并且對Mg2＋的轉運具有高親和性和專一性。AtMGT1還能轉運其他的二價陽離子,但要求與Mg2＋轉運不同。Mg2＋濃度只要在土壤生理濃度范圍內就可以被AtMGT1轉運,而AtMGT1對其他二價陽離子轉運的要求是其濃度需高出土壤生理濃度[5]。AtMGT2、AtMGT3定位于液泡膜,被認為參與維持葉肉細胞Mg2＋的穩(wěn)態(tài)[10]。研究人員發(fā)現(xiàn)AtMGT6是一種質膜局部轉運蛋白,可以介導局部Mg2＋的吸收和低Mg2＋耐受性。AtMGT6能與環(huán)狀核苷酸門控通道(CNGC)蛋白家族AtCNGC10協(xié)同吸收并轉運擬南芥根中的Mg2＋。AtCNGC10主要介導根中的遠端伸長區(qū)、分生組織的Mg2＋吸收[11]。擬南芥中的NtMHX編碼Mg2＋/H＋交換子,被證明與木質部裝載或回收Mg2＋有關[12]。AtMGT9則與木質部Mg2＋裝載有關,且AtMGT9也被證實能影響花粉發(fā)育[13]。AtMGT10位于擬南芥細胞的葉綠體包膜中,可能在Mg2＋轉運至葉綠體、葉綠素的代謝中起作用[14]。

表1 前人已鑒定獲得的擬南芥Mg2＋轉運蛋白基因信息

在水稻中,研究人員鑒定出了9個Mg2＋轉運蛋白基因家族成員(見表2)。OsMGT1是第一個被克隆到的水稻MRS2/MGT基因家族成員,定位于質膜中,參與Mg2＋的吸收、抗鹽脅迫、耐鋁脅迫等應激反應過程,并且介導根部的Mg2＋運輸[15]。水稻的OsMGT3、OsMGT5和OsMGT9基因被證明定位于水稻細胞的葉綠體中,前二者應該參與葉綠體中Mg2＋的運輸[11]。

表2 前人已鑒定獲得的水稻Mg2＋轉運蛋白基因信息

由上綜述可見,當前人們對植物MGT基因家族的研究結果僅是冰山一角,尚有許多植物的MGT家族研究還存在空白。例如,尚未見從煙草中鑒定出MGT家族成員的研究報道。而有些植物雖然已克隆出部分MGT家族成員,但對MGT成員轉運和分配Mg2＋的機理尚不明確,如水稻的OsMGT4和OsMGT6。

2 鎂影響煙草生長發(fā)育的生理機制

鎂是煙株可循環(huán)利用的元素,在韌皮部中具有較高的流動性。當煙株得不到鎂素營養(yǎng)補充時,為確保營養(yǎng)生長和生殖生長,Mg2＋就被轉移到植株的生長活躍部位,促進葉綠素、蛋白質等的合成,導致老葉缺鎂癥狀加重,表現(xiàn)為老葉失綠,葉緣枯萎,呈向下翻卷狀態(tài),葉片出現(xiàn)明顯的網狀脈紋,葉肉部分顏色也由最初的淡綠色轉為黃綠色或者白色。同時煙株葉片減少,葉面積變小,植株生長變緩,根系發(fā)育差,煙株整體呈現(xiàn)矮小狀態(tài)[16]。有研究表明,光照過強會加重葉片的缺鎂癥狀,使得煙株更易失綠壞死[17]。

研究表明,適當提高鎂營養(yǎng)水平可提高煙葉的產量與品質,改善煙葉中化學成分的組成。呂世保等的研究表明,適量施鎂肥可使煙株長高、葉面積增加,煙葉產量產值提高[18]。韋翔華等的研究發(fā)現(xiàn),適量施用鎂肥,煙葉的葉面積可提高24%~27%,葉片厚度增加[19]。鎂肥的合理施用還能提高烤煙葉片的總糖、還原糖含量,降低煙堿濃度[20]。

2.1 鎂對煙草植株光合作用的影響

Mg2＋作為植物葉綠素的中心金屬離子,能促進葉綠素的合成,維持葉綠體結構,保持葉綠體中的基粒與類囊體數目。鎂營養(yǎng)缺乏將直接影響植物的光合作用,阻礙碳水化合物的合成與轉化。前人研究表明,適宜的鎂營養(yǎng)能誘導葉綠體中的類囊體膜形成基粒[21]?；档脑黾幽艽龠M能量在光合膜色素間的傳遞,使得植株吸收的光量子被高效利用。逆境脅迫易造成光合膜上的亞麻酸游離,從而破壞光合膜,適量提供Mg2＋可以逆轉這種傷害,讓葉綠體中的基粒重新形成[22]。白羽祥等的研究發(fā)現(xiàn),適量施用鎂肥可以提高煙株葉片中的葉綠素含量,提高煙株光合作用能力,增強光系統(tǒng)PsⅡ的活性和原初光能轉化效率[23]。即鎂營養(yǎng)調節(jié)激發(fā)能在煙草光系統(tǒng)PsⅡ和PsI間的分配,以維持煙株較高的光合作用效率。在其他植物的研究中也得到類似結論。李延等對龍眼的研究表明,缺鎂導致龍眼葉片的葉綠素熒光動力學參數Fv/Fo、Fv/Fm和Fd/Fs顯著下降[24]。楊廣東等分析發(fā)現(xiàn),強光缺鎂脅迫導致黃瓜葉片的Fv/Fo、Fv/Fm顯著降低[25]?？梢?適量的Mg2＋供應能促進煙草植株的生長發(fā)育,增加葉片的葉綠素與類胡蘿卜素等含量,提高光合強度,明顯提升煙草的產量與品質。

2.2 鎂對煙草植株碳氮代謝的影響

Mg2＋在煙草植株光合碳同化與光合產物的運輸與利用方面也有重要作用。作為多種酶的輔助因子,Mg2＋能激活幾乎所有的激酶與磷酸化酶,能調控二磷酸核酮糖羧化酶活性,增強CO2的固定,促進碳水化合物的合成與轉化,調節(jié)碳水化合物在源庫間的分配[26]。研究表明缺鎂使蔗糖在植物韌皮部的運輸受阻,導致新葉干物重與可溶性碳水化合物降低,而老葉中蔗糖含量卻增加[27]。這說明缺鎂影響植株碳水化合物的代謝。鎂也與核糖體的結構功能密切相關。核糖體作為蛋白質合成的場所,當Mg2＋供應量不足時,植株合成蛋白質與核酸的途徑就會受阻。李延等在龍眼上的研究表明,缺鎂的龍眼葉片的非蛋白態(tài)氮含量升高,而蛋白態(tài)氮含量下降[24]。同時,鎂也是蛋白質合成相關酶的活化劑,如谷氨酰胺合成酶(GS)、硝酸還原酶(NR)等。因此鎂能影響煙株的氮代謝,從而影響煙株的產量與品質。鎂營養(yǎng)的缺乏會導致植物葉片中NR活性降低,NR是氮代謝過程的限速酶,如果NR的活性降低,將使植物吸收的NO3－在根部累積,無法同化成有機氮化物向葉片運輸[28]?？梢?鎂與植株的碳氮代謝有著密切聯(lián)系。

2.3 鎂對煙草植株抗逆活性的影響

在非逆境脅迫環(huán)境下,煙草植株體內的活性氧代謝處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)。逆境脅迫會破壞這種動態(tài)平衡,造成煙株體內活性氧的累積,從而阻礙煙草植株正常的生長發(fā)育。鎂對調節(jié)煙草植株活性氧代謝平衡有一定的作用。缺鎂使煙株的卡爾循環(huán)降低,減少了對還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的利用,光合作用中過剩的激發(fā)能產生的電子傳遞給O2后產生活性氧。與此同時,缺鎂也造成煙株CO2的固定減少,影響氧化還原酶活性,無法清除累積的活性氧,使煙株的葉綠體受到損傷[20]。在缺鎂初期,植株抗氧化酶系統(tǒng)的過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)的活性升高,有能力清除活性氧。但嚴重缺鎂會造成活性氧代謝失衡,膜脂過氧化,植株表現(xiàn)為明顯的缺鎂癥狀,即葉片失綠。這些缺鎂的研究結果可以與從唇萼薄荷、小白菜中獲得的結果相比較。唇萼薄荷在缺鎂初期抗氧化還原防御系統(tǒng)能力增強；但嚴重缺鎂時,抗氧化還原防御系統(tǒng)無法阻止活性氧的進一步攻擊,脂質過氧化程度加劇[29]。小白菜缺鎂時,POD活性升高,SOD活性降低,位于其葉片中的柵欄和海綿組織細胞的排列呈現(xiàn)紊亂的狀態(tài)[30]。

2.4 鎂對煙草植株中鉀、鈣含量的影響

鉀、鈣、鎂都是煙草生長所必需的元素。在正常生長情況下,煙株內的各種離子間保持動態(tài)平衡。但是在缺鎂情況下,煙株的代謝紊亂,離子間的平衡被打破。植株對Mg2＋的吸收取決于土壤中有效鎂的含量,也取決于煙株內各種離子間的相互作用,尤其是K＋、Ca2＋、Mg2＋間的協(xié)同或拮抗作用。目前尚不明確煙株內K＋、Ca2＋、Mg2＋間是如何相互作用的,但已認識到K＋、Ca2＋、Mg2＋間的相互作用不是簡單的協(xié)同或者拮抗。晉艷等認為,在煙株中Ca2＋對Mg2＋具有拮抗作用,Ca2＋對K＋有促進作用；而Mg2＋對K＋、Ca2＋具有拮抗作用[31]。在李娟等的研究結果中,K＋、Ca2＋、Mg2＋間存在交互作用,使用鎂肥、鉀肥或者鈣肥都能提高煙株的K＋、Ca2＋、Mg2＋含量,但是三者之間不僅僅是單一的拮抗作用,K＋能抑制煙株吸收Ca2＋和Mg2＋,Ca2＋也能抑制煙株吸收鎂養(yǎng)分,而促進煙株吸收鉀養(yǎng)分[32]。也有研究表明,K＋與Mg2＋間既存在協(xié)同又存在拮抗作用,K＋濃度過高會抑制根中的Mg2＋向地上部運輸,同時產生的稀釋效應降低了植株中的Mg2＋濃度,而在甜菜中,缺鎂能提高甜菜對K＋和Mg2＋的吸收[32]。K＋、Ca2＋、Mg2＋在植物中具有不同的生理生化功能,但K＋、Ca2＋和Mg2＋的動態(tài)平衡是緊密相連的,可能部分由共同的信號網絡所調節(jié)。

3 小結與展望

綜上可知,首先,當前有許多研究關注鎂對煙草植株生長發(fā)育的影響機制,但對煙草植株如何吸收與轉運Mg2＋、以及鎂營養(yǎng)如何影響煙株抗逆能力的研究報道尚不多見。在福建,從煙苗移栽期到采收期,均會遭遇早期低溫和后期高溫的逆境脅迫；尤其是在生長后期,福建煙草植株面臨高溫強光的環(huán)境條件。鎂營養(yǎng)能否緩解高溫強光對煙草植株的傷害,這方面研究還鮮見報道。其次,雖然前人從一些植物中鑒定獲得了部分Mg2＋轉運蛋白成員,但對煙草MGT家族成員的研究未見報道,而且對煙草MGT蛋白在組織間轉運與分配Mg2＋的機制也需深入探究。因此,筆者認為應加強如下3個方面研究。

(1)分析鎂營養(yǎng)對煙草植株抗逆能力的影響機制,尤其是要篩選出適宜煙草植株生長和抗逆的Mg2＋供應濃度。在福建,要探究能否通過鎂營養(yǎng)緩解高溫強光逆境對煙株生長和煙草品質的影響。為此,可通過設置不同的Mg2＋供應濃度,分析鎂營養(yǎng)緩解高溫強光對煙株傷害的可能及其作用機理,為福建地區(qū)煙草高產優(yōu)質栽培提供理論指導。

(2)鑒定煙草中Mg2＋轉運蛋白基因并分析其功能。煙草植株從土壤中吸收Mg2＋后要通過Mg2＋轉運蛋白將Mg2＋轉運到不同組織部位,但對煙草植株中MGT的研究未見報道。當前,煙草基因組從頭測序工作已經完成,使研究人員從基因組水平上鑒定Mg2＋轉運蛋白基因的研究成為可能。因此,應加強煙草中Mg2＋轉運蛋白基因鑒定及其克隆與功能研究,探究煙草吸收與轉運Mg2＋的分子機制。

(3)探究植物中K＋、Ca2＋、Mg2＋間的相互作用機制。迄今,雖然前人研究尚未能明確界定植物內K＋、Ca2＋、Mg2＋間的相互作用關系,但已認識到K＋、Ca2＋、Mg2＋間的穩(wěn)態(tài)是相互關聯(lián)的,這可能是由于K＋、Ca2＋、Mg2＋的代謝受到共同的信號網絡調控。如植物Mg2＋的缺乏會激活Ca2＋信號通路,而Ca2＋是植物內第二信使。綜合前人的研究成果,可以認為K＋、Ca2＋、Mg2＋間是拮抗還是協(xié)同作用,與該3種離子的供應濃度水平有關。因此,應設計新的篩選方法,分析在K＋、Ca2＋、Mg2＋供應狀態(tài)變化下的K＋、Ca2＋和Mg2＋轉運過程的信號網絡。