植物抗非生物逆境分子機(jī)理研究

李 玲

（湖南科技學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程系，湖南 永州 425100）

植物抗非生物逆境分子機(jī)理研究

李 玲

（湖南科技學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程系，湖南 永州 425100）

在非生物逆境脅迫下，植物體內(nèi)通過合成與積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗逆相關(guān)蛋白質(zhì)和活性氧的清除酶等來增強(qiáng)植物的抗逆性，這些物質(zhì)在植物體內(nèi)通過信號(hào)傳導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控途徑構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。文章對(duì)植物抗非生物逆境的分子機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述。

非生物逆境；分子機(jī)理；信號(hào)傳導(dǎo)；基因表達(dá)調(diào)控

高等植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中經(jīng)常會(huì)受到如干旱、高鹽、低溫等各種不良環(huán)境的脅迫，引起植物體內(nèi)發(fā)生一系列的生理代謝反應(yīng)，抑制植物的代謝和生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)引起植株不可

逆的傷害甚至死亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)占全國(guó)陸地面積的二分之一，約有15億畝鹽漬化土地，另外低溫和冷害也嚴(yán)重的限制著早春植物的種植和晚秋作物的收獲。這些不良環(huán)境是影響作物生長(zhǎng)、限制作物產(chǎn)量的主要非生物脅迫因子。因此了解植物抗逆機(jī)制，提高植物抗逆性，培育抗逆新品種是解決這些問題的最有效的方法之一。然而植物的抗逆性不只是單一機(jī)制起作用的結(jié)果，而是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，使人們能夠在基因組成、表達(dá)調(diào)控及信號(hào)傳導(dǎo)等分子水平上認(rèn)識(shí)植物對(duì)脅迫的抗性機(jī)理，尤其在植物受到非生物脅迫引發(fā)的分子反應(yīng)方面，開展了廣泛而深入的研究，取得了顯著的進(jìn)展。

一 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成與積累

當(dāng)植物體受到外界逆境脅迫時(shí)，會(huì)積累一些與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的小分子物質(zhì)來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，以減緩脅迫的毒害作用。常用的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有脯氨酸、甜菜堿及其相關(guān)衍生物、糖類及多元醇等。

滲透脅迫下脯氨酸的積累，有助于細(xì)胞和組織的保水，調(diào)節(jié)滲透壓，保護(hù)酶和細(xì)胞結(jié)構(gòu)。植物受到滲透脅迫時(shí)，主要通過谷氨酸合成脯氨酸，合成過程主要涉及兩種酶：毗咯琳-5-羧酸合成酶（P5CS）和毗咯琳-5-羧酸還原酶（P5CR），目前這兩種酶已經(jīng)從不同的植物中分離和克隆出來，Kishor等[1]將從烏頭葉豇豆中克隆的p5cs基因與CaMV35S啟動(dòng)子連接后轉(zhuǎn)入煙草中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草的脯氨酸含量比對(duì)照高10-18倍，且抗旱性和抗鹽性升高。

在高鹽、低溫及水分等脅迫條件下，生物體內(nèi)通過合成甜菜堿，調(diào)節(jié)胞內(nèi)滲透壓，維持胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)；保護(hù)細(xì)胞膜和穩(wěn)定胞內(nèi)一些酶類的生物活性。甜菜堿的生物合成通過氧化膽堿進(jìn)行，膽堿單氧化酶（CMO）和甜菜堿醛脫氫酶（BADH）是關(guān)鍵酶。目前這兩個(gè)酶都已得到了純化和獲得 cDNA克隆。Holmstrom等[2]將從大腸桿菌中克隆到的BDAH基因?qū)霟煵葜?，使煙草的抗旱性得到提高。郭北海等[3]將BADH基因成功地導(dǎo)入小麥，獲得外源BADH基因高效表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小麥。可見，向植物中導(dǎo)入與甜菜堿合成相關(guān)的基因，可以增加酶活性、提高植物甜菜堿積累水平，進(jìn)而增強(qiáng)抗逆性。

植物受到滲透脅迫時(shí)，細(xì)胞通過積累很多糖類和多元醇，維持細(xì)胞的膨壓。糖類包括海藻糖，果聚糖等。甘露醇、山梨醇、肌醇等都屬于多元醇。編碼甘露醇和山梨醇合成的關(guān)鍵基因已經(jīng)被分離克隆，分別是 1-磷酸甘露醇脫氫酶（mtlD）基因和6-磷酸山梨醇脫氫酶(gutD)基因。己有多個(gè)研究組將海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS）基因?qū)霟煵?，證明了海藻糖的積累有利于植物抗旱性提高[4]。王慧中等[5]用農(nóng)桿菌介導(dǎo)技術(shù)將mtlD/gutD基因轉(zhuǎn)化水稻，轉(zhuǎn)基因植株合成并積累了甘露醇和山梨醇，且耐鹽性得到了明顯的提高。

二 抗逆相關(guān)蛋白質(zhì)的合成

植物在干旱、高鹽等逆境脅迫下，一些基因表達(dá)會(huì)發(fā)生改變，原來一些蛋白的合成受到抑制，同時(shí)又會(huì)新合成一些蛋白。這些蛋白質(zhì)除了滲透調(diào)節(jié)劑（如脯氨酸、甜菜堿和糖類）的合成酶外，還包括一些重要的功能蛋自和一些調(diào)控因子，它們主要為L(zhǎng)EA蛋白、水通道蛋白、轉(zhuǎn)錄因子等。

LEA蛋白廣泛存在于高等植物中，且受發(fā)育階段、干早、高鹽、低溫、脫落酸（ABA）等的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)已在近 20種高等植物發(fā)育種子中檢測(cè)到LEA蛋白。目前推測(cè)LEA蛋白可能有以下3個(gè)方面的作用：（1）作為脫水保護(hù)劑；（2）作為一種調(diào)節(jié)蛋白而參與植物滲透調(diào)節(jié)；（3）通過與核酸結(jié)合而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)其它基因的表達(dá)。

水通道蛋白（AQP）可增加質(zhì)膜和液泡膜對(duì)水的通透性，參與逆境條件下水分的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞水分平衡的維持。在植物中，Maurel等[6]最早從擬南芥中分離出第一個(gè)植物AQP-rTIP。研究表明，水通道蛋自的活性受蛋白磷酸化及基因表達(dá)的調(diào)節(jié)[7]。水通道蛋白的表達(dá)受到環(huán)境因素的影響，如在高鹽脅迫下冰草中水通道蛋白的mRNA水平迅速下降，隨著細(xì)胞中滲透物質(zhì)如蔗糖、多胺等積累，其mRNA水平將逐漸恢復(fù)到原先或更高水平[8]。

在高溫脅迫下可產(chǎn)生熱激蛋自（HSP），使細(xì)胞或機(jī)體免受熱脅迫的傷害，提高植物的耐熱水平。目前在細(xì)菌、真菌、動(dòng)物和植物中都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這類蛋白，它們的序列高度保守。根據(jù)分子質(zhì)量大小將HSPs分成HSP110s、HSP70s、HSP60s、LMW HSPs或smHSPs。它們的主要功能是參與新生肽的折疊以及蛋白質(zhì)變性后的復(fù)性、降解，維持胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，避免細(xì)胞結(jié)構(gòu)崩潰[9]。

在植物低溫誘導(dǎo)蛋白中，抗凍蛋白最早發(fā)現(xiàn)于極地海洋魚類中，它能非連續(xù)地降低體液冰點(diǎn)，并通過吸附于冰晶的特殊表面有效地阻止和改變冰晶的生長(zhǎng)。研究表明，將極地海魚中的抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)入番茄，其果實(shí)的冷藏性得到提高[10]。

植物在逆境脅迫下，轉(zhuǎn)錄因子不斷合成，并將信號(hào)傳遞和放大調(diào)控下游基因的表達(dá)，從而引起植物生理生化的改變。轉(zhuǎn)錄因子根據(jù)表達(dá)的特點(diǎn)可以分為兩種，一種是組成型轉(zhuǎn)錄因子，無論在逆境還是正常狀況下基因都表達(dá)，如大麥HvCBF2無論在逆境還是正常狀況下基因都表達(dá)[11]；一種是誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子，只有在逆境下基因才會(huì)表達(dá)，絕大部分的轉(zhuǎn)錄因子都是這種自身的反饋調(diào)節(jié)。與植物逆境抗性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子主要有4類：AP2／EREBP類、bZIP類、WRKY類和MYB／MYC類。

三 活性氧的清除

許多環(huán)境脅迫都能誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS)，如過氧化氫、過氧化物、羥基自由基等。但過多的活性氧容易引起氧化逆境，對(duì)植物造成傷害。在植物體內(nèi)，存在一系列的活性氧清除酶類和一些非酶物質(zhì)，可以清除過多的活性氧。研究表明，超氧化物歧化酶（SOD）作為植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，其含量和活性與植物的抗逆性有很大的關(guān)系。轉(zhuǎn)基因煙草ChlSOD的過量表達(dá)，提高了植株對(duì)冷害的耐受性[12]；抗壞血酸過氧化物酶（APX）是清除過氧化氫的主要酶類，其過量表達(dá)提高了植株對(duì)除草劑的抗性[13]；胞內(nèi)Ca2+/CaM 水平的提高可以刺激過氧化氫酶（CAT）活性，降低胞內(nèi)H2O2的水平[14]。

抗壞血酸、谷胱甘肽和類黃酮都屬于非酶活性氧清除劑，抗壞血酸和谷胱甘肽可直接同ROS反應(yīng)，將其還原，又可作為酶的底物在活性氧的清除過程中發(fā)揮一定的作用。類黃酮也是重要的活性氧清除劑。體外研究表明類黃酮可以直接清除活性氧，如超氧化物、過氧化氫、氫氧根離子或單氧，推測(cè)類黃酮在過氧化氫的清除中扮演極為重要的角色[15]。

四 逆境脅迫信號(hào)的傳導(dǎo)途徑

植物在脅迫條件下，所產(chǎn)生的脅迫信號(hào)經(jīng)調(diào)控分子間的傳遞，最終激活效應(yīng)分子，引起植物抗逆應(yīng)答。研究表明，植物在干旱、高鹽和低溫逆境條件下主要的信號(hào)傳導(dǎo)途徑有3條[16]。（1）MAPK信號(hào)傳導(dǎo)途徑：不依賴于Ca2+的MAPK路徑，滲透脅迫或者一些氧化逆境信號(hào)可通過該路徑進(jìn)行信號(hào)的傳導(dǎo)，最終產(chǎn)生許多滲透調(diào)節(jié)因子和抗氧化因子，同時(shí)與逆境條件下的細(xì)胞周期調(diào)控也有關(guān)系。（2）CDPK信號(hào)傳導(dǎo)途徑：依賴于Ca2+的CDPK信號(hào)路徑。研究表明，過量表達(dá)OsCDPK7會(huì)提高轉(zhuǎn)基因水稻的耐低溫、干旱和高鹽脅迫的能力[17]。（3）SOS信號(hào)傳導(dǎo)途徑：依賴于 Ca2+的信號(hào)路徑，該信號(hào)主要調(diào)控細(xì)胞內(nèi)離子平衡。

五 逆境脅迫應(yīng)答的基因表達(dá)調(diào)控途徑

滲透脅迫誘導(dǎo)基因的表達(dá)模式是非常復(fù)雜的。干旱、高鹽和脅迫間存在著明顯的信號(hào)傳導(dǎo)途徑交叉。目前的研究表明，至少存在二條基因表達(dá)調(diào)控途徑：（1）依賴ABA的基因表達(dá)調(diào)控途徑：ABA依賴型基因的表達(dá)依賴于內(nèi)源ABA的積累或外源ABA的處理，其表達(dá)量隨內(nèi)源ABA的變化而變化。（2）不依賴ABA的基因表達(dá)調(diào)控途徑：ABA非依賴型基因的表達(dá)受干早、高鹽或低溫脅迫的誘導(dǎo)，這些基因在脅迫條件下的表達(dá)并不需要ABA的參與，但有些基因?qū)ν庠吹腁BA產(chǎn)生應(yīng)答，有些對(duì)于外源的ABA處理不產(chǎn)生應(yīng)答。另外，在脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的基因中還發(fā)現(xiàn)了許多轉(zhuǎn)錄因子，受脅迫誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子在植物防衛(wèi)反應(yīng)和逆境脅迫應(yīng)答過程中相互作用，組成一個(gè)相互制約，相互協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而調(diào)控下游基因的表達(dá)。

六 基因工程的應(yīng)用

隨著植物基因工程技術(shù)的不斷完善，植物抗逆基因工程的研究方向主要為：對(duì)植物抗逆有關(guān)的功能性基因的研究不斷加強(qiáng)；從單基因向多基因抗性方向的研究；抗性基因由生物抗性到非生物抗性的轉(zhuǎn)移。目前，己有很多與抗旱、抗鹽和抗低溫有關(guān)的基因被分離克隆，并利用基因工程，轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)，提高了植物的抗逆性，這些都為抗逆新品種的篩選提供了良好的基礎(chǔ)。研究表明，將合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的關(guān)鍵酶轉(zhuǎn)到煙草中，在低溫脅迫下，野生型植株受到嚴(yán)重?fù)p害，而轉(zhuǎn)基因植株降低了對(duì)低溫脅迫造成的損傷[18]。用基因槍法將大麥HVA1(LEA3)導(dǎo)入水稻懸浮細(xì)胞，使轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱性和抗鹽性明顯升高[19]。利用基因工程，使多個(gè)功能基因發(fā)揮作用，使植株性狀獲得綜合改良效果，從而提高作物的抗逆性具有重要的意義。

總之，干旱、高鹽和低溫是影響作物生長(zhǎng)、限制作物產(chǎn)量的重要的環(huán)境因素，嚴(yán)重時(shí)可以引起植株不可逆的傷害甚至死亡。應(yīng)用分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等方法研究作物抗逆機(jī)制，找出抗逆基因，并通過基因工程手段對(duì)植物進(jìn)行遺傳改造，并培育優(yōu)良的抗逆新品種，是抗非生物逆境的主要途徑。

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（責(zé)任編校：傅宏星）

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1673-2219（2012）09-0173-03

2012－04－20

李玲（1982－），女，山西長(zhǎng)治人，湖南科技學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)工程系教師，博士，研究方向?yàn)橹参锬婢成怼?/p>