外源性亞精胺對(duì)生物抗逆性的促進(jìn)作用研究進(jìn)展

張 鳳 何恩鵬 王國(guó)元 閆華偉

(新疆師范大學(xué)體育學(xué)院新疆師范大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830054)

亞精胺(spermidine，Spd)是一種多胺(polyamines,PAs)。PAs是一類(lèi)含有兩個(gè)或兩個(gè)以上氨基、具有強(qiáng)烈生物活性的低分子脂肪族化合物。常見(jiàn)的PAs主要包括二胺類(lèi)的腐胺(putrescine, Put)、三胺類(lèi)的精胺(spermine, Spm)和四胺類(lèi)的Spd。Spd也稱(chēng)精脒或N-(3-氨基丙基)-1,4-丁二胺，化學(xué)式為C7H22N3，分子量為145.2，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)分別為22℃～25℃、128℃～130℃，密度為0.925 kg/m3。Spd廣泛存在于各種動(dòng)物(包括人、大鼠、牛、羊、豬等[1])和植物(包括海洋浮游生物以及海藻等[2])的細(xì)胞中。是一種十分重要的痕量生物活性物質(zhì)，直接參與生物體的許多生理活動(dòng)，對(duì)動(dòng)植物細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖起著不可或缺的作用。本文綜述Spd對(duì)動(dòng)植物抗逆性的促進(jìn)作用研究進(jìn)展。

1 亞精胺可提高植物的抗逆性

1.1 亞精胺可提高植物抗高溫氧化的能力 瞿金旺等采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將Spd合成酶(MdSPDSI,來(lái)自蘋(píng)果)基因分別轉(zhuǎn)入9個(gè)品種的柑橘胚性愈傷，及金錢(qián)橘和冰糖橙上胚軸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)基pH等于5.4時(shí)，轉(zhuǎn)基因金錢(qián)橘葉片的電導(dǎo)率降低，植株的抗高溫、低溫脅迫性增強(qiáng)。該技術(shù)在美國(guó)、加拿大和中國(guó)等轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、油菜上已經(jīng)取得顯著成績(jī)，雖然農(nóng)桿菌介導(dǎo)柑橘基因的轉(zhuǎn)化率還比較低。今后應(yīng)該從多因素的角度進(jìn)行研究，即可從菌株、培養(yǎng)條件、基因結(jié)構(gòu)和篩選劑等方面著手，來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)化基因體系。

在此基礎(chǔ)上，田婧等[3,4]采用營(yíng)養(yǎng)液水培法，研究了高溫環(huán)境下對(duì)黃瓜葉片噴灑外源Spd對(duì)黃瓜抗氧化系統(tǒng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)外源Spd可有效緩解黃瓜幼苗在高溫脅迫下自由基對(duì)細(xì)胞膜的損傷程度，主要表現(xiàn)為：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)和抗壞血酸過(guò)氧化物酶(ascorbic acid peroxidase，APX)的活性增強(qiáng)，抗壞血酸(ascorbic acid，AsA)和類(lèi)胡蘿卜素(carotenoids，Car)的含量增多，植株的抗氧化能力相對(duì)提高[3]；在高溫脅迫下外源Spd處理的黃瓜葉片內(nèi)脯氨酸含量逐漸升高，促進(jìn)了維持氮素代謝和細(xì)胞質(zhì)酸堿平衡[4]；利用雙向電泳和質(zhì)譜分析的技術(shù)發(fā)現(xiàn)外源Spd處理的黃瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量增加，進(jìn)而可調(diào)控基因的表達(dá)。李秀等人則通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生姜片細(xì)胞內(nèi)的葉綠體在晝、夜溫度分別為38℃和28℃的脅迫下，細(xì)胞的ROS反應(yīng)加劇，而在生姜葉片噴灑0.5 mmol/L的Spd可降低高溫對(duì)生姜的損傷，表現(xiàn)為高溫下生姜葉綠體的生理功能更穩(wěn)定，內(nèi)源激素代謝維持正常[5]。

1.2 亞精胺可提高植物抗低氧脅迫的能力 李璟等[6]采用營(yíng)養(yǎng)液水培法，以“中農(nóng)8號(hào)”和“綠霸4號(hào)”為試材，測(cè)定低氧脅迫下兩個(gè)不同品種黃瓜根系中的SOD、POD和過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)的活性，發(fā)現(xiàn)根系中SOD、POD和CAT的活性均得以提高，幼苗鮮重和干重明顯增加，Spd和Spm含量上升，Put含量下降，提示水培法可提高酶的活性，從而提高黃瓜幼苗對(duì)低氧逆境的適應(yīng)能力。賈永霞等[7]將不同濃度的外源Spd處理低氧脅迫下黃瓜幼苗根部和葉片，發(fā)現(xiàn)當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中添加Spd的濃度為0.05 mmol/L時(shí)，在低氧脅迫下黃瓜植株的生長(zhǎng)速度加快，提示緩解了低氧脅迫對(duì)黃瓜植株的傷害，提高了黃瓜植株對(duì)低氧脅迫的抗逆性。

周晨楠等[14]通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液栽培的方法，以耐鹽性較弱的上?！昂献?03”番茄幼苗為試材，每天將濃度為1 mmol/L的Spd噴灑在75 mmol/L 的Ca(NO3)2脅迫下的番茄幼苗葉片上，并在連續(xù)噴灑9 d后與未處理的番茄植株作對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，Spd處理過(guò)的番茄植株在Ca(NO3)2脅迫下的生長(zhǎng)速度明顯比普通植株快，抗氧化酶活性增強(qiáng)，幼苗光合速度提高，提示Spd噴灑可以減少Ca(NO3)2對(duì)番茄幼苗的傷害。

1.4 亞精胺對(duì)提高植物抗鹽性和調(diào)節(jié)生理代謝的作用 江行玉等用外源鈣和Spd處理培養(yǎng)液，對(duì)NaCl脅迫下的玉米幼苗進(jìn)行栽培，發(fā)現(xiàn)鈣離子和外源Spd對(duì)鹽脅迫下的玉米可穩(wěn)定PAs的代謝、調(diào)控離子平衡和減少質(zhì)膜的傷害，說(shuō)明鈣和PAs代謝可能與鹽漬環(huán)境下玉米的生長(zhǎng)存在一定的關(guān)系。

1.5 亞精胺可提高植物抗干旱脅迫的能力 張春梅等[13,14]在模擬干旱脅迫的環(huán)境中，將“主粉802”和“皇冠”兩個(gè)不同番茄品種作為試材，進(jìn)行連續(xù)7d的營(yíng)養(yǎng)液水培，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了兩次。實(shí)驗(yàn)揭示，Spd促進(jìn)了番茄幼苗體內(nèi)糖類(lèi)的轉(zhuǎn)化和利用，幼苗代謝更加平衡，體內(nèi)合成碳水化合物的含量有明顯的變化；番茄幼苗的胞間CO2濃度顯著高于對(duì)照組，番茄幼苗的葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率顯著降低。這些結(jié)果表明，外源Spd可顯著提高番茄植株的抗氧化能力和光合能力。閆剛等[15]通過(guò)同樣的方法，發(fā)現(xiàn)外源Spd可使這兩種番茄幼苗產(chǎn)生超氧陰離子的速率降低，H2O2和MDA的含量下降，提高SOD、POD、CAT、APX、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)、AsA和谷胱甘肽(glutathione,GSH)的活性,抑制ROS的積累和膜脂過(guò)氧化，提示外源Spd可使番茄植株的抗氧化能力和抗旱性提高。

申璐等[17]的研究則發(fā)現(xiàn)，Pb2+脅迫下的龍井茶樹(shù)葉片上噴灑Spd可有效提高龍井植株的抗氧化能力，增加可溶性蛋白和葉綠體的含量，降低葉片丙二醛和脯氨酸含量和電導(dǎo)率，提示葉片上噴灑Spd可明顯提高茶樹(shù)抗Pb2+的能力。

徐勤松等[18]模擬南北地區(qū)環(huán)境，將槐葉萍植株置于盛有0.1 mmol/L 的Hoaglang營(yíng)養(yǎng)液的無(wú)底泥玻璃缸中培養(yǎng)，培養(yǎng)液用CdCl 2.2.5H2O處理，每天早8∶00和晚20∶00點(diǎn)各向葉片噴施5 mL Spd，且加少量吐溫和等體積的蒸餾水，每2 d換一次培養(yǎng)液，共7 d。結(jié)果發(fā)現(xiàn),外施Spd可明顯緩解植株對(duì)鎘脅迫的傷害，包括減緩及推遲葉片失綠癥的發(fā)生；葉綠素和可溶性蛋白含量均升高。該結(jié)果表明，噴施Spd可改善植株的光合作用，刺激蛋白表達(dá)，以及維持抗氧化系統(tǒng)等。李陽(yáng)等在此研究上對(duì)不同濃度鎘脅迫的荇菜進(jìn)行噴灑Spd，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎘脅迫可以破壞荇菜細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)，減少葉綠素含量，鎘離子濃度在1.1 mg/L和2 mg/L時(shí)，SOD、POD和CAT的活性達(dá)到高峰，而鎘離子的濃度下降時(shí)，其活性也隨之下降，從而表明Spd在一定程度上緩解了鎘脅迫對(duì)其的傷害[19]。

1.7 亞精胺可提高植物抗?jié)B透脅迫的能力 段輝國(guó)等[20]用外源Spd處理處于滲透脅迫中的小麥幼苗葉片，發(fā)現(xiàn)外源Spd可顯著延緩小麥葉片水分、葉綠素a、葉綠素b、非水溶性和水溶性蛋白質(zhì)含量的下降，能明顯降低脯氨酸和MDA的含量。史留功等[21]用外源Spd處理浸種的預(yù)麥18號(hào)和揚(yáng)麥9號(hào)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在小麥?zhǔn)苊{迫9 d后，揚(yáng)麥9號(hào)的葉片相對(duì)電解質(zhì)滲漏率上升幅度明顯大于預(yù)麥18號(hào)，而揚(yáng)麥9號(hào)的幼苗相對(duì)干重增長(zhǎng)速率和葉片相對(duì)含水量的下降幅度也明顯比預(yù)麥18號(hào)快，同時(shí)兩種小麥體內(nèi)的Spd含量也明顯增加。2010年，宋維賢[22]以玉米為試材，也證明外源Spd可緩解滲透脅迫對(duì)玉米植株的傷害，提高玉米幼苗的抗?jié)B透性。

2 亞精胺可提高動(dòng)物的抗逆性

2.1 亞精胺可提高動(dòng)物抗疲勞的能力 何恩鵬等對(duì)小鼠進(jìn)行了胃灌Spd實(shí)驗(yàn)，并附加每天45 min無(wú)負(fù)重游泳的研究，發(fā)現(xiàn)中劑量組和低劑量組Spd可以增加血清谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、肌酸激酶(creatine kinase, CK)、血清SOD、SDH的活性，明顯降低小鼠骨骼肌和血清中的MDA的含量，減少自由基的積累，提高骨骼肌細(xì)胞膜代謝能力和抗損傷能力，顯著推遲小鼠疲勞的發(fā)生。

2.2 亞精胺可提高動(dòng)物抗衰老的能力 Shakan給小鼠做了胃灌Spd實(shí)驗(yàn)，證明Spd可以升高小鼠的平均壽命。李琳等用不同濃度的鳙魚(yú)抗氧化肽處理果蠅和D-半乳糖致衰小鼠，發(fā)現(xiàn)鳙魚(yú)抗養(yǎng)化多肽可以顯著降低小鼠肝和腦組織中的MDA的含量，明顯提升小鼠肝、腦組織中的血清GSH-PX、SOD的活性，促進(jìn)線(xiàn)粒體內(nèi)Ga2+泵、Na+泵的活性，提示鳙魚(yú)抗氧化肽能延緩小鼠衰老。同年，SHaskan[23]則通過(guò)小鼠灌胃Spd實(shí)驗(yàn)，證明多肽中的Spd可升高小鼠平均壽命。

2.3 亞精胺可提高動(dòng)物對(duì)抗腫瘤的能力 楊聯(lián)河將藥效團(tuán)與多胺基結(jié)合形成的多胺綴合物單萘酰亞胺 - 亞精胺(MNISpd)誘導(dǎo)進(jìn)入人體宮頸癌Hela細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在48 h內(nèi)，MNISpd的濃度影響Hela細(xì)胞的增殖與凋亡。具體結(jié)果為：MNISpd濃度小于6 μmol/L時(shí)，可誘導(dǎo)Hela細(xì)胞的周期阻滯在分裂間期的S期，進(jìn)而可誘導(dǎo)Hela細(xì)胞在這個(gè)時(shí)期的增殖受到抑制；MNISpd濃度在6～9 μmol/L時(shí)，均可誘導(dǎo)Hela細(xì)胞凋亡；當(dāng)MNISpd濃度等于9 μmol/L時(shí)，達(dá)到細(xì)胞凋亡的最適濃度。以上結(jié)果說(shuō)明，MNISpd有望開(kāi)發(fā)為抗腫瘤藥品。張軍在研究中再次證明了Spd可以降低Hela細(xì)胞活力和誘導(dǎo)Hela細(xì)胞凋亡，且依賴(lài)于Spd的濃度。

3 小結(jié)

Spd在動(dòng)、植物生長(zhǎng)的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。研究表明，外源Spd能提高植物的抗逆性，能有效緩解各種脅迫對(duì)植株尤其是植物幼苗的傷害，對(duì)提高動(dòng)物對(duì)抗疲勞、衰老和腫瘤的能力等有明顯的作用。在全球溫室效應(yīng)加劇、環(huán)境污染問(wèn)題日益突出的今天，利用Spd的生物活性為人類(lèi)的動(dòng)植物生產(chǎn)服務(wù)顯得越來(lái)越重要和迫切。相信隨著越來(lái)越多的生物科技工作者投入這一研究領(lǐng)域，Spd研究定會(huì)對(duì)人類(lèi)的發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

(基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目，No.31160218；* 通訊作者)