干旱胁迫下植物的渗透调节及脯氨酸代谢研究进展

2015-04-17郭春芳云2

福建教育学院学报 2015年1期

关键词：抗旱性脯氨酸茶树

郭春芳孙云2

(1.福建教育学院，福建福州 350025；2.福建农林大学园艺学院,福建福州 350002)

干旱胁迫下植物的渗透调节及脯氨酸代谢研究进展

郭春芳1孙云21

(1.福建教育学院，福建福州 350025；2.福建农林大学园艺学院,福建福州 350002)

渗透调节是植物适应干旱胁迫的重要机制，也是植物抗旱生理研究最活跃的领域。脯氨酸作为植物渗透调节的重要物质，在植物渗透调节中发挥重要作用。文章综述了干旱胁迫下植物的渗透调节作用、植物体内脯氨酸的代谢特别是茶树脯氨酸的代谢变化、植物体内脯氨酸的合成途径以及干旱胁迫下植物脯氨酸代谢相关酶基因的表达研究进展。

干旱胁迫；渗透调节；脯氨酸代谢；研究进展

植物适应干旱胁迫的渗透调节机制已得到广泛的认同，并成为抗旱生理研究最活跃的领域之一[1-3]。作为植物防御干旱的一种重要方式，渗透调节的生理效应是增加细胞溶质浓度，降低渗透势，保持膨压，缓和脱水胁迫，有利于保持水分和细胞各种生理过程的正常进行[4]。脯氨酸是植物渗透调节的重要物质，对脯氨酸的代谢机制、脯氨酸代谢与植物抗旱性关系等方面的研究，是渗透调节研究的重要内容。

1 干旱胁迫下植物的渗透调节作用

渗透调节(osmotic adjustment，OA)是植物忍耐和抵御干旱逆境的一种适应性反应，是一种重要的耐旱生理机制。水分胁迫下，细胞可通过累积可溶性物质来维持一定的膨压，使细胞生长、气孔运动和光合作用等生理过程正常进行[5-7]。植物渗透调节物质包括两大类：一类是由外界进入细胞的无机离子，可以通过离子泵调控细胞内外的离子浓度，调节液泡的渗透势，维持细胞的膨压和细胞的形态、功能；一类是在细胞内合成的有机溶质，主要是蔗糖、甘露醇、海藻糖、山梨醇和偶极含氮化合物如脯氨酸和甜菜碱等，主要是调节细胞质的渗透势，同时对酶、蛋白质和生物膜起保护作用[8-10]。在干旱胁迫下，矿质元素的吸收能力下降，因此在渗透调节中起主要作用的可能是脯氨酸、可溶性糖和甜菜碱等小分子有机物[6，11]。

关于耐旱渗透调节机制目前有3种解释[12]：一是渗透调节物质作为一种渗压剂，进行渗透调节，稳定体内渗压平衡，从而增强植物保水能力；二是渗透调节物质可能作为一种溶剂，代替水参与生化反应，这种情况下渗透调节物质被称为低分子量的分子伴侣；三是渗透调节物质在水分胁迫下与蛋白质疏水表面结合，将疏水表面转化成亲水表面，可使更多的水分子结合在蛋白质原来的疏水区域，稳定了疏水表面，保证蛋白质结构的稳定性。研究结果表明：渗透调节最初的细胞效应是降低细胞内束缚水的自由能即降低了细胞内的水势，维持细胞内外的水势差，使细胞能在更低的外界水势条件下吸水，从而维持细胞生长所必需的膨压，这对维持中轻度水分亏缺条件下植物的生长是有益的。[13]无论在严重或轻度水分胁迫下，渗透调节能力强的遗传群体籽粒产量高、收获指数以及收获时的水分利用率均高于渗透调节能力弱的群体[14-15]。渗透调节还可维持光合作用、光化学活性和光合速率。干旱胁迫导致叶片水势降低，而渗透调节可通过维持膨压使植物叶片维持一定的气孔导度，有利于叶肉细胞间隙CO2含量保持较高水平，从而避免或减小光合器官受到的光抑制作用[16]。渗透调节还可维持光合作用光化学活性等。Downton研究发现[17]，葡萄叶片在水分快速散失时，叶绿素a的可见荧光迅速丧失，导致光系统受到伤害,而在缓慢水分胁迫时通过渗透调节维持膨压保护了光系统Ⅱ(PSⅡ)的正常功能；同时通过维持类囊体膜的稳定性，促进了光合作用的正常进行。

植物通过渗透调节作用适应干旱逆境，且一般认为抗旱性强的品种渗透调节能力较强。裴英杰等的研究发现，干旱胁迫能引起玉米幼苗叶片细胞内电解质渗漏率增大，细胞渗透调节能力减弱，抗旱性强的品种电解质渗漏率增加的幅度小于抗旱性弱的品种[25]。上官周平等研究表明[18-19]，渗透调节能力强的小麦品种在干旱条件下能维持较强的光合速率，与Ashima等研究结果一致[20]；武玉叶等研究表明[21]，抗旱性强的小麦品种在干旱胁迫下渗透调节能力高，叶片能维持较高的水势，叶绿体的超微结构解体慢。干旱胁迫下不同甘薯品种叶片中可溶性糖含量、游离氨基酸总量比对照均有明显增加，同样表现为品种抗旱性愈强，增加幅度愈大的趋势[22]。

2 干旱胁迫下植物体内脯氨酸的代谢

脯氨酸是植物体内最有效的一种亲和性渗透调节物质，具有很强的水溶性，它的增加有助于植物细胞和组织的持水和防止脱水。干旱胁迫下植物体内游离脯氨酸的大量累积现象最早是由Kramble等在萎蔫的黑麦草叶片中发现的，随后在许多植物中都观察到这一现象。实验表明，水稻幼苗在干旱胁迫下脯氨酸含量增加，并与丙二醛(MDA)和质膜透性呈极显著相关[23-24]，脯氨酸还具有清除活性氧的作用[25]；水分胁迫下玉米叶片和根系脯氨酸大量累积[26]，高粱也表现出类似的情况[27]；柠条在受到干旱胁迫时，游离脯氨酸的含量有所增加，有助于柠条细胞或组织的持水作用，减少组织或细胞由于脱水造成的伤害[28]；而持续干旱可明显促进刺槐无性系脯氨酸质量分数增加，使叶片水势降低[29]；干旱胁迫下，胡杨可以通过累积脯氨酸的方式来增强其抗旱能力。对沙冬青的水分生理指标测定表明，沙冬青中脯氨酸含量很高。刘瑞香等发现[30]，不同的干旱胁迫条件下，沙棘叶内脯氨酸含量随着干旱胁迫程度和干旱胁迫时间的延长而增加，且雌、雄株之间存在明显差异，雌株明显大于雄株。经PEG模拟干旱胁迫处理后，水稻叶片中游离脯氨酸含量成倍增加[31]。

脯氨酸存在于细胞质中，在抗逆中的作用大致归结为以下几个方面：一是作为细胞的有效渗透调节物质，保持原生质与环境的渗透平衡，防止失水；二是保护酶和膜的结构。脯氨酸与蛋白质结合能增强蛋白质的水合作用，增加蛋白质的可溶性和减少可溶性蛋白质的沉淀，从而保护这些生物大分子的结构和功能的稳定性；三是可直接利用无毒形式的氮源，作为能源和呼吸底物，参与叶绿素的合成等；四是从脯氨酸在逆境条件下积累的途径来看，它既可能有适应性的意义，又可能是细胞结构和功能受损伤的表现，是一种伤害反应[32-33]。

但也有人认为，脯氨酸的积累可能与细胞的存活状况和蛋白质代谢情况有关[34]。比如，随土壤含水量的减少，白刺花叶片水势在胁迫前期下降缓慢，随胁迫时间的延长，水势大幅度下降。在土壤干旱条件下，白刺花通过在叶片内积累大量渗透保护性物质可溶性糖和K+，增加细胞的保水力，维持细胞生长所需膨压，游离脯氨酸含量变化与水分关系不大[35]。也有研究表明，梭梭同化枝在受到干旱胁迫时，其体内脯氨酸含量只有少量增加[36]。

3 干旱胁迫下茶树脯氨酸的代谢变化

干旱胁迫下茶树渗透调节的研究主要集中在对脯氨酸变化的研究上，但茶树抗旱性与叶片中脯氨酸含量的变化动态关系，研究结果不尽相同。杨跃华等[37]认为，新梢中单糖和脯氨酸的增加与茶树的渗势调节有关；王守生[38]的研究结果表明，在连晴高温天气对茶树进行9 d水分胁迫，茶树叶片中游离脯氨酸增加达到极显著水平；而伍炳华等[39]的研究显示，经干旱处理的茶树叶片中的游离脯氨酸含量变化不大，没有明显积累现象。李华均等[40]的实验结果表明，渗透胁迫时，脯氨酸与水分含量的变化没有必然的联系；潘根生[41]研究干旱胁迫对茶树脯氨酸积累的影响表明：干旱胁迫过程中耐旱性强的茶树品种脯氨酸含量变化较小，耐旱性弱的茶树品种在干旱加重或减轻时脯氨酸含量变化幅度最大。这一结果表明在茶树体内脯氨酸积累能力与抗旱性不十分明确；而吴伯千等[42]研究茶树叶片脯氨酸含量在水分胁迫过程中持续上升，其含量的变化与叶片的含水量之间呈线性负相关。潘根生等[43]研究表明，在水分胁迫下脯氨酸的积累速率与茶树的抗旱性有一定的相关性，耐旱品种累积速率相对较小且急剧增加出现的时间相对较迟；Handique AC等[44]研究者认为茶树遭受干旱时，叶片脯氨酸的含量高，则茶树的抗旱性强；而另一些研究结果则表明茶树叶片脯氨酸含量在水分胁迫过程中迅速累积，但其变化与茶树的抗旱性无明确的关系[45]。伍炳华[46]的研究结果认为，干旱胁迫下叶片相对含水量以及可溶性蛋白质下降幅度较低，可溶性糖增加得较多的茶树品种具有较强的抗旱能力。

4 植物体内脯氨酸合成的途径

Delauney和Verma[47]的研究认为，植物体内存在两条脯氨酸合成的途径，即谷氨酸途径和鸟氨酸途径。前者的初始底物是谷氨酸(Glu)，而后者的初始底物是鸟氨酸(Orn)。在渗透胁迫和氮素缺乏情况下，谷氨酸途径是合成脯氨酸的主要途径，存在于个体发育的整个阶段；而氮素供应充足情况下及植物个体发育早期，鸟氨酸途径在脯氨酸合成过程中占主导地位。干旱诱发的脯氨酸累积有三个原因：①失去了脯氨酸合成的反馈抑制作用，脯氨酸合成加强；②脯氨酸氧化作用受抑制,而且蛋白质氧化的中间产物还会逆转为脯氨酸；③抑制了蛋白质的合成，也就抑制了脯氨酸掺入蛋白质。其中脯氨酸积累以①为主。吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)和吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是脯氨酸合成过程的两个重要的酶，而脯氨酸脱氢酶(ProDH)是脯氨酸氧化降解的关键酶。由于催化脯氨酸合成的酶位于胞质或叶绿体中，而氧化降解酶定位于线粒体中，从而能避免谷氨酸和脯氨酸之间的无效循环。在正常生长的叶片中，脯氨酸的氧化被诱导，脯氨酸的含量下降；当植物受到干旱胁迫时，线粒体破裂，脯氨酸的氧化受阻，脯氨酸的含量增加。

5 干旱胁迫下植物脯氨酸代谢相关酶基因的表达

脯氨酸代谢过程相关酶基因的研究是研究者关注的热点之一[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径的关键酶，其活性受脯氨酸反馈抑制。Hu等从娥豆(Vigna coniti fol ia)中分离得到编码P5CS的cDNA，渗透胁迫诱导P5CS基因高水平表达，表明P5CS是脯氨酸生物合成中起关键作用的酶。脯氨酸生物合成的最后一步是由吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)催化的。在拟南芥(Arabidopsis thal iana)中，脯氨酸的合成和代谢被水分亏缺控制。P5CS基因由干旱胁迫、盐和ABA诱导，而P5CR基因则不被干旱胁迫、盐和ABA诱导。催化鸟氨酸转氨基生成谷氨酰-γ-半醛(GSA)，绕过了从谷氨酸生成GSA的前两步反应。蛾豆(Vigna coniti fol ia)鸟氨酸δ-氨基转移酶(δ-OAT) cDNA也得到克隆，其编码多肽的分子质量为48.1 kD，是植物脯氨酸生物合成中另一个关键酶。渗透胁迫解除后，植物体脯氨酸含量能够恢复至正常状态，在此过程中，脯氨酸脱氨酶(PDH)起着重要作用。Peng等克隆了拟南芥PDH cDNA，在干旱胁迫条件下，P5CS基因表达水平提高，PDH基因转录水平很低，此时游离脯氨酸水平提高约10倍。解除胁迫后，P5CS基因表达水平下降，8h后恢复常态。相反，PDH mRNA水平则上升，6h后达到峰值，脯氨酸水平随之降低。可见，P5CS基因和PDH基因的相反方向调节着植物胁迫与恢复状态下控制脯氨酸水平的关键机制。

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