基于海藻糖的生物節(jié)水抗逆農(nóng)業(yè)研究進(jìn)展

王 楠，高 靜，張歲岐，王根軒

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心， 陜西 咸陽 712083； 2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院， 陜西 咸陽 712046； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 4.浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 310058)

水資源緊缺是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要制約因素，未來全球干旱事件的頻率和影響面積會持續(xù)增加。我國水資源分布時(shí)空不均，農(nóng)業(yè)用水量大、浪費(fèi)嚴(yán)重且效率低下，加劇了水資源短缺。如何提高水資源利用效率對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。植物通過根部吸收的水分約有90%由氣孔蒸騰作用散失到大氣中，因此，通過生物技術(shù)降低蒸騰作用散失的水分，提高農(nóng)作物水分利用效率是可持續(xù)農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略措施之一，也是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要方向。

氣孔不僅是植物進(jìn)行蒸騰作用的重要器官，也是阻擋病原微生物入侵的第一道門戶，在植物免疫應(yīng)答中起到不可替代的作用[1-2]。氣孔的開閉與許多因素有關(guān)，例如：外界溫度、CO2濃度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、植物激素和Ca2+等各類信號物質(zhì)[1,3-4]。很多糖類信號(如幾丁質(zhì)、殼聚糖、脂多糖等)都是已知的能引起氣孔關(guān)閉的物質(zhì)[3,5]。海藻糖是廣泛存在于植物、細(xì)菌、真菌和無脊椎動物體內(nèi)的一種多糖[6]，因其獨(dú)特的理化特性，越來越受到科學(xué)家的關(guān)注，在食品工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、化妝品及農(nóng)業(yè)上已經(jīng)成為開發(fā)的熱點(diǎn)。Dittrich和Mayer[7]很早就發(fā)現(xiàn)海藻糖能明顯抑制氣孔關(guān)閉，然而海藻糖誘發(fā)氣孔免疫機(jī)理方面的研究仍然滯后。本文通過綜述海藻糖在植物抗逆性中的作用，旨在為生物節(jié)水農(nóng)業(yè)提供新的技術(shù)選擇。

1 生物節(jié)水農(nóng)業(yè)

1.1 生物節(jié)水農(nóng)業(yè)的生物學(xué)基礎(chǔ)

生物節(jié)水是通過調(diào)控作物水分生理，充分挖掘作物自身用水潛力，以作物高效用水為目標(biāo)而開發(fā)出的一種農(nóng)業(yè)節(jié)水新技術(shù)[8]。由于農(nóng)作物種類不同，其抗旱節(jié)水機(jī)制也不同。植物適應(yīng)干旱的機(jī)制分為3類：避旱(drought escape)、御旱(drought avoidance)和耐旱(drought tolerance)。其中，避旱是指植物能夠在嚴(yán)重的干旱來臨之前完成全部的生活史周期[9]；御旱主要是通過形態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整來增加根系吸水面積、調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動來維持體內(nèi)組織的水分；耐旱的主要機(jī)制是通過脫落酸等植物激素和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對水通道蛋白、氣孔開閉等進(jìn)行調(diào)控，提高植物忍耐干旱造成的暫時(shí)性傷害的能力[10]。在高等植物的御旱和耐旱機(jī)制中，其葉片保衛(wèi)細(xì)胞能對外界環(huán)境迅速響應(yīng)，通過信號物質(zhì)傳導(dǎo)調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動，使氣孔關(guān)閉，降低蒸騰失水。由此可見，合理調(diào)節(jié)氣孔開閉就能使作物在缺水條件下保持較高的產(chǎn)量。

1.2 生物節(jié)水農(nóng)業(yè)的研究方向

生物節(jié)水技術(shù)的一個(gè)重要方向就是通過基因工程研發(fā)抗旱新品種。通過基因的轉(zhuǎn)移和重組，對農(nóng)作物一系列與抗旱相關(guān)的基因進(jìn)行調(diào)控，開發(fā)高效節(jié)水抗旱的優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物新品種。與氣孔發(fā)育和運(yùn)動有關(guān)的基因是生物基因工程研發(fā)抗旱品種的研究方向之一。擬南芥中的ERECTA基因能影響葉片氣孔密度和葉片結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控植株的蒸騰效率，在改良作物的抗旱性及水分利用效率方面具有良好應(yīng)用前景[10]。將氣孔特異性啟動子-KST1轉(zhuǎn)入煙草體內(nèi)，可以增加煙草脫落酸的含量，提高其抗旱性[11]。高表達(dá)miR396的轉(zhuǎn)基因煙草氣孔密度和氣孔指數(shù)比野生型低，提高了其水分利用效率[12]。通過調(diào)控ZmSDD1基因從而減少氣孔密度，降低了由蒸騰作用導(dǎo)致的水分散失，提高了擬南芥的水分利用效率[13]。

其次，通過施加外源有益物質(zhì)和植物激素協(xié)助植物抵御水分脅迫的相關(guān)理論和技術(shù)也在近些年實(shí)現(xiàn)再一次突破。硫脲作為一種含巰基的生物活性物質(zhì)能顯著提高植物的水分利用效率[14]。硅元素能在作物遭受到水分和營養(yǎng)脅迫時(shí)保持植株進(jìn)行正常的水分生理過程而鉀離子則能調(diào)控電解質(zhì)滲出，改變分解代謝過程，輔助遭受水分脅迫時(shí)植株的自我適應(yīng)和自我修復(fù)[15-16]。水楊酸和赤霉素等激素則能通過調(diào)控氣孔運(yùn)動、營養(yǎng)吸收、葉綠素與蛋白合成、阻止乙烯生成及促進(jìn)一些與生長發(fā)育相關(guān)的生理過程來幫助植物抵御水分脅迫[17]。

此外，還可將作物水分生理調(diào)控機(jī)制與作物高效用水技術(shù)緊密結(jié)合，利用作物不同時(shí)期需水量不同開發(fā)出諸如調(diào)虧灌溉、分根區(qū)交替灌溉等作物生理節(jié)水技術(shù)，可明顯地提高作物水分利用效率。其中，分根區(qū)交替灌溉是利用作物在一定生育階段，適當(dāng)?shù)乃痔澣笨梢蕴岣咚掷眯屎彤a(chǎn)量的原理，控制部分根系區(qū)域濕潤，而其余根區(qū)進(jìn)行干旱脅迫，使不同區(qū)域的根系交替經(jīng)受一定程度的水分脅迫鍛煉，刺激根系產(chǎn)生脫落酸等根源信號向上傳輸至葉片，調(diào)節(jié)氣孔開度，在不犧牲光合產(chǎn)物積累的前提下，減少蒸騰失水[18-19]。由此可見，氣孔在農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)作物氣孔形態(tài)和運(yùn)動是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要手段。

2 海藻糖的性質(zhì)

2.1 海藻糖的理化特性

早在1832年，Wiggers就從一種黑麥的麥角菌中發(fā)現(xiàn)了海藻糖，而到了1858年，Berthelot從昆蟲幼體中分離出一種二糖，并把它叫做“trehala manna”，隨后命名為海藻糖(trehalose)[20]。Koch在1925年從酵母的提取物中得到一種玻璃樣的物質(zhì)，后來證明也是海藻糖[6,21]。海藻糖又稱酵母糖，是一種由兩個(gè)葡萄糖分子以α,α,1,1-糖苷鍵構(gòu)成的非還原性二糖，分子式為C12H22O11，分子量378.3，它甜度低、耐熱、耐酸、不褐變以及具有較高的玻璃化相變溫度[21]，廣泛存在于植物、細(xì)菌、真菌和無脊椎動物體內(nèi)，特別是在酵母、霉菌等真菌中含量較多[6]。海藻糖的物理化學(xué)性質(zhì)使其成為一種特殊的糖，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，只被特定的海藻糖酶所分解[21]。由于海藻糖是非還原性糖，所以它不能與Fehling’s和Benedict’s試劑發(fā)生反應(yīng)，也不能引起食物褐色反應(yīng)，使得海藻糖在工業(yè)上的應(yīng)用尤其廣泛[21]。

2.2 海藻糖的形成途徑

海藻糖在植物體內(nèi)的合成需要兩步完成。首先是海藻糖-6-磷酸合成酶(TPS)將UDP-葡萄糖和6-磷酸葡萄糖催化合成6-磷酸海藻糖(T6P)。其次是T6P-磷酸酯酶(TPP)將T6P轉(zhuǎn)化為海藻糖和磷酸[22]。海藻糖能被海藻糖酶裂解為葡萄糖[21]。在大多數(shù)植物的提取物中海藻糖和T6P的含量很低，幾乎接近可檢測的極限，且T6P只能在亞細(xì)胞水平運(yùn)輸，因此限制了對它們功能的研究[23]。

3 海藻糖在提高植物抗逆性中的作用

海藻糖已經(jīng)成為國際上開發(fā)的主要低聚糖之一，它能有效地保護(hù)細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使生物體在脫水、干旱、高溫、冷凍、高滲透勢以及有毒試劑等逆境脅迫下，保持正常的生命活動。新的研究表明，外源性的海藻糖具有良好的非特異性保護(hù)作用，有人把海藻糖稱為“生命之糖”[24]。通過將微生物海藻糖生物合成基因轉(zhuǎn)入煙草、水稻、西紅柿、馬鈴薯和擬南芥等植物體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)海藻糖是一種滲透保護(hù)劑和細(xì)胞膜及蛋白質(zhì)保護(hù)劑[25]。但是，在這些轉(zhuǎn)基因植物中，隨著耐受水平的增加，海藻糖在其體內(nèi)的水平仍然很低，兩者相關(guān)性不大，表明海藻糖除了直接保護(hù)植物以外可能還發(fā)揮了其它作用。

3.1 海藻糖的生物學(xué)保護(hù)作用及其機(jī)制

海藻糖對生物及一些大分子物質(zhì)具有非特異性的良好保護(hù)作用。(1) 保護(hù)酶活性：海藻糖可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)(酶)的結(jié)構(gòu)和功能，使其保持活性。海藻糖可被用來存儲耐熱的酶，例如脫氧核糖核酸聚合酶、限制性內(nèi)切酶和DNA連接酶等[21,26]。(2) 穩(wěn)定和保護(hù)復(fù)雜的分子：在海藻糖存在的情況下，對保存條件要求苛刻的病毒類疫苗、抗體可在室溫或37℃下保持其活性儲存幾個(gè)月之久[27]。(3) 作為細(xì)胞、組織和器官的保護(hù)劑：無論是在干燥或冷凍條件下，海藻糖都能用于保護(hù)植物細(xì)胞、血細(xì)胞、肝臟細(xì)胞、胰島細(xì)胞、小鼠胚胎組織和器官的活性[21,27-28]。在胰島細(xì)胞冷凍過程中加入二甲基亞砜(DMSO)和海藻糖，使得成熟胰島細(xì)胞的恢復(fù)率達(dá)到92%，比單獨(dú)使用DMSO高出34%，且功能與提取的新鮮胰島細(xì)胞無差別[28]。(4) 植物和食物保鮮劑：海藻糖能避免切割后的郁金香和唐菖蒲過度蒸發(fā)，增加鮮花的保鮮期[21]。由于海藻糖對植物細(xì)胞良好的保護(hù)作用，海藻糖處理后的脫水蔬菜和干燥水果仍可保留原有的風(fēng)味[26]。除此之外，海藻糖還被廣泛用于農(nóng)業(yè)植物育種、飼料添加劑和化妝品添加劑等[29]。

目前，有三種觀點(diǎn)可以解釋海藻糖如何起到保護(hù)作用：水替代，玻璃態(tài)形成和化學(xué)穩(wěn)定性。這些機(jī)制并不是相互獨(dú)立的，可能協(xié)同作用于海藻糖的保護(hù)作用。水替代理論認(rèn)為所有的生物大分子周圍通常與水形成氫鍵(水化層)而較穩(wěn)定，海藻糖在脫水或冷凍過程中會取代水分子中的水化層以保護(hù)生物結(jié)構(gòu)。這種機(jī)制有助于穩(wěn)定生物分子并抑制其不可逆的變性[21]。玻璃態(tài)理論認(rèn)為，海藻糖中連接兩個(gè)D-葡萄糖殘基的糖苷鍵與其它二糖相比有很大的靈活性。這個(gè)屬性可以讓海藻糖與其它不同大分子的不規(guī)則極性基團(tuán)相互作用[28]。在脫水的情況下，細(xì)胞內(nèi)積累的非還原性糖類和高親水的蛋白分子會形成一種玻璃態(tài)，從而固定細(xì)胞膜及大分子物質(zhì)免受損傷[30]。化學(xué)穩(wěn)定性假說認(rèn)為，海藻糖是唯一可以形成無定形、不吸濕的結(jié)晶，并在高溫下依然穩(wěn)定的糖類。在極端的溫度下與其它糖類相比，這個(gè)特性使得海藻糖能形成玻璃態(tài)的時(shí)間更長。該生物分子可以在玻璃態(tài)保持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年，使它們能夠在復(fù)水后恢復(fù)到它們的原始結(jié)構(gòu)[21]。

3.2 海藻糖與鹽脅迫

海藻糖與植物抗逆性密切相關(guān)，當(dāng)擬南芥遇到非生物脅迫時(shí)，與海藻糖合成相關(guān)的基因其轉(zhuǎn)錄物水平會顯著增加，這種變化尤其是在寒冷、滲透壓和鹽脅迫下更加明顯[31]。Fougere等[32]發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下，雖然苜蓿的根和類菌體中海藻糖的含量顯著上升，但是對于海藻糖能夠發(fā)揮滲透保護(hù)劑作用的濃度而言，這個(gè)劑量水平偏低。這說明海藻糖可能通過其它方式改善了植物在鹽脅迫下的生長發(fā)育。Garcia等[33]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫3d后海藻糖在水稻根部有少量增加。雖然鹽脅迫能阻礙植物的正常生長發(fā)育，但是外源實(shí)施低劑量的海藻糖(1～10 mM)能減少Na+的積累和緩解其對生長的抑制作用。有實(shí)驗(yàn)證明較高濃度的海藻糖能防止葉綠素的流失，維持根部功能完整性，抑制鹽脅迫導(dǎo)致的不正常細(xì)胞分裂[25]。低濃度的海藻糖(2 g·L-1)就能緩解鹽脅迫對種子萌發(fā)造成的傷害，提高鹽脅迫下種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢，施加一定的外源海藻糖可以提高鹽脅迫下幼苗的鮮重，促進(jìn)其生長，使幼苗更加適應(yīng)鹽脅迫的環(huán)境[34]。徐婷等[35]以薄皮甜瓜為研究對象證明了在鹽脅迫下葉面噴施0.4%濃度的海藻糖可顯著降低其超氧根陰離子的產(chǎn)生速率，增加超氧化物歧化酶和過氧化物酶的活性，說明海藻糖可以減輕活性氧對細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，有效緩解鹽脅迫對甜瓜的傷害。海藻糖可能是通過保護(hù)離子泵協(xié)助植物抵御鹽脅迫，然而，海藻糖并沒有阻止鹽在植物細(xì)胞中的積累，因此，海藻糖作為一種激發(fā)子其保護(hù)特性可能主要作用于保持脂雙層結(jié)構(gòu)的完整性和酶活性[36]。閆道良和鄭炳松[37]發(fā)現(xiàn)施用2 mmol·L-1的海藻糖溶液可顯著提高鹽脅迫下楊麥19的脯氨酸含量，增強(qiáng)對鉀離子的吸收，以便快速適應(yīng)脅迫環(huán)境。此外，對于豆科植物而言，外源施加的海藻糖不但能促進(jìn)植株本身的抗鹽能力，而且還能提高共生固氮菌的抗鹽能力[38]，而施加柚苷配基(naringenin，4 μM)能促進(jìn)叢植菌根在根瘤結(jié)節(jié)中大量合成海藻糖從而抵御鹽脅迫[39]。

3.3 海藻糖與干旱脅迫

當(dāng)植物缺水時(shí)，大量海藻糖累積在組織中能通過保護(hù)細(xì)胞膜而協(xié)助其抵御干旱[40]，例如在干旱條件下水稻中海藻糖的含量是正常生長條件下的兩倍[41]。高等植物體中已證明海藻糖代謝的存在，在一些復(fù)蘇植物如卷柏、密羅木中就發(fā)現(xiàn)含有高濃度的海藻糖[42]。但在絕大多數(shù)維管植物中其含量相當(dāng)?shù)?，所以可以利用外源的海藻糖來改善植物在逆境條件下的生長發(fā)育[43]。Alam等[44]發(fā)現(xiàn)海藻糖能通過增加還原型谷胱甘肽的含量，提高抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、過氧化氫酶的活性改善蕓薹屬植物在干旱逆境下的生長發(fā)育。經(jīng)過海藻糖處理的綠豆幼苗，在干燥和冷凍條件下，其質(zhì)膜上的Mg2+、K+-ATPase活性顯著提高[45]。Ilhan等[42]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫提高了刺山柑中海藻糖的含量以及海藻糖合成途徑中的組分TPS、TPP的酶活性和基因表達(dá)量，這種海藻糖酶活性和基因表達(dá)量提高的現(xiàn)象進(jìn)一步在煙草干旱脅迫實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí)[46]。在干旱脅迫下，根瘤中大量積累海藻糖的大豆，其葉片相對含水量較高且耐旱性也強(qiáng)[47]，而惡臭假單胞菌KT2440則能在番茄和辣椒根際大量表達(dá)ostAB基因用于海藻糖的生物合成從而幫助植株抵御干旱脅迫[48]。荷蘭植物生物技術(shù)公司研究人員將大腸桿菌的海藻糖合成酶基因?qū)胩鸩?、馬鈴薯中，他們在獲得大量海藻糖的同時(shí)，也增強(qiáng)了其抗旱性和耐寒性[26]。而含有海藻糖合成酶的轉(zhuǎn)基因甘蔗在干旱復(fù)水后恢復(fù)的比非轉(zhuǎn)基因植株好[49]。近期也有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過海藻糖預(yù)浸種處理的蘿卜，其通過提高葉綠素a含量、光合速率、水分利用效率、可溶性糖含量、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶的活性來抵御干旱脅迫[50]。

3.4 海藻糖與其它非生物脅迫

海藻糖除了應(yīng)用于抵抗鹽脅迫和干旱脅迫外，也被應(yīng)用于植物抵御其它逆境脅迫[25]，例如低溫寒害[51]。利用0.1%的海藻糖溶液浸泡水稻種子后進(jìn)行低溫處理，水稻幼苗的細(xì)胞電解質(zhì)滲出率顯著降低，淀粉酶的活性及幼苗可溶性糖含量明顯提高，對寒害的修復(fù)能力也得到提高，而且處理溫度越低，海藻糖的相對效應(yīng)就越明顯[52]。謝冬微等[53]在低溫脅迫下將小麥用海藻糖處理后，可以降低丙二醛含量，提高脯氨酸和可溶性糖含量，提高冬小麥的抗寒性。海藻糖可以改善種子組分構(gòu)成，提高其抗氧化的能力[40]。AtTPS5與轉(zhuǎn)錄輔激活物MBF1c互作則能提高擬南芥的耐熱性[54]。海藻糖除了能在生理過程上起到抵御非生物脅迫的作用，也能在形態(tài)調(diào)控上幫助植物度過脅迫時(shí)期。西紅柿導(dǎo)入酵母TPS1基因后，能通過增加葉片厚度、強(qiáng)化分支、促進(jìn)根部生長來抵御逆境[55]。綜上所述，海藻糖是植物體中重要的抗逆物質(zhì)，是開發(fā)植物抗逆生長調(diào)節(jié)劑的良好選擇。

3.5 海藻糖與生物脅迫

近年來，海藻糖的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)及其應(yīng)用研究頗為活躍，其相關(guān)酶的生物工程研究也較多。對昆蟲和真菌而言，海藻糖相關(guān)酶對其生命過程具有重要的影響[56]，通過抑制海藻糖相關(guān)酶的活性，就能達(dá)到殺死害蟲和防治病害的目的。

除了直接殺死害蟲外，外源實(shí)施海藻糖也能調(diào)節(jié)植物自身對生物脅迫的響應(yīng)。比如，外源噴施海藻糖后可以誘導(dǎo)小麥對白粉病的抗性。海藻糖并沒有直接影響病原真菌的生長，而是誘導(dǎo)植物產(chǎn)生一些特殊反應(yīng)來有效地抑制真菌的侵入和生長[57]。海藻糖噴施于小麥葉片雖然能有效抑制白粉病的侵染，但是海藻糖并沒有抑制病原真菌分生孢子的萌發(fā)和附著胞的分化，這表明海藻糖對植物的保護(hù)作用是誘導(dǎo)了其防御反應(yīng)[57-58]。海藻糖可以誘發(fā)幾丁質(zhì)酶(chi,chi1和chi4前體)和脂肪氧化酶(lox)的基因表達(dá)來抵御白粉病[57]。Singh等[58]表明TPS11基因通過PAD4(phytoalexin-deficient4)基因的表達(dá)介導(dǎo)了擬南芥抵御綠桃蚜。與對照相比，在TPS11缺失的突變體中海藻糖的含量沒有增加且植株也沒有針對綠桃蚜的抗性。外源實(shí)施海藻糖后，植株重新恢復(fù)對綠桃蚜的抗性，而且海藻糖超積累突變體對綠桃蚜的抗性更高，這表明海藻糖在植物防御系統(tǒng)中是個(gè)重要的信號物質(zhì)[58]。Hofmann等[59]通過代謝分析和基因靶向表達(dá)分析，證明海藻糖的積累可以幫助擬南芥抵御線蟲感染。擬南芥TPS11基因的表達(dá)在感染煙草花葉病毒后增加[60]，說明海藻糖參與了抗性過程。盡管海藻糖在植物抵御病蟲害過程中發(fā)揮了重要作用，但是海藻糖介導(dǎo)的生物應(yīng)激反應(yīng)還沒有被充分認(rèn)識，目前蛋白質(zhì)組學(xué)分析證明在這些應(yīng)激反應(yīng)中海藻糖可以誘導(dǎo)一些關(guān)鍵組分的表達(dá)，如在海藻糖處理后的幼苗能誘導(dǎo)AIG2，EDS1，EDS5，PAD4，WAK1和WAK2的表達(dá)[61]。研究者同時(shí)認(rèn)為在植物中海藻糖的積累量不足以發(fā)揮其保護(hù)劑的作用。相反，海藻糖和T6P在營養(yǎng)和逆境代謝中發(fā)揮著重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用[61]。糖類信號有助于植物對病原菌的免疫反應(yīng)，并且可能作為啟動子介導(dǎo)了病原相關(guān)分子模式(PAMP)和效應(yīng)子誘發(fā)的免疫[57]。

4 海藻糖與氣孔免疫

4.1 氣孔免疫的概念

植物的葉面作為一個(gè)獨(dú)立的微環(huán)境域，常常被真菌、細(xì)菌、酵母菌等微生物棲息，人們把微生物群落附著的葉面微環(huán)境域稱作“葉際”，生存在其上并可以定居和繁殖的微生物群體為“葉際微生物”[62]。葉際微生物可以通過植物表面的孔口進(jìn)入植物體內(nèi)，如排水器、蜜腺、皮孔和氣孔等。氣孔是在植物表面控制光合作用氣體交換和蒸騰作用水分散失的重要通道，它在葉面上分布廣泛，也是微生物入侵植物的一條重要途徑。研究表明氣孔并不是被動的作為微生物進(jìn)入植物體內(nèi)的通道，當(dāng)植物感應(yīng)到葉際微生物的存在時(shí)，氣孔發(fā)生主動關(guān)閉的現(xiàn)象稱為氣孔免疫[1]。真菌的激發(fā)子半乳糖醛酸、幾丁質(zhì)和殼聚糖都是已知的能引起氣孔關(guān)閉的物質(zhì)。因此，氣孔在植物固有免疫反應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用[3]。

4.2 氣孔免疫信號通路

保衛(wèi)細(xì)胞能整合環(huán)境和內(nèi)源信號從而調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動?？缒るx子的流動(K+、Cl-和蘋果酸鹽等)、細(xì)胞骨架的再組織、中間代謝物的產(chǎn)生、蛋白質(zhì)翻譯后修飾以及基因表達(dá)的調(diào)節(jié)都能決定氣孔開度[2，63]。大量的實(shí)驗(yàn)證明許多植物激素也參與氣孔開度的調(diào)節(jié)，如脫落酸(abscisic acid，ABA)、植物生長素(auxin，IAA)、乙烯(ethylene，ET)、細(xì)胞分裂素(cytokinin，CTK)、茉莉酸(jasmonic acid，JA)、水楊酸(salicylic acid，SA)、茉莉酮酸酯(jasmonate)、油菜素內(nèi)酯(brassinosteroid)等[64]。其中ABA信號傳導(dǎo)途徑是研究最多的，最近幾年也取得了很大的進(jìn)展。在生物或非生物脅迫下，植物均可以通過ABA促使氣孔關(guān)閉，抑制氣孔開張來減少植物的水分蒸騰散失或抵御病原菌入侵，這一過程包括許多細(xì)胞生化反應(yīng)：G蛋白和S型陰離子通道(SLAC1)的活化、活性氧(reactive oxygen species，ROS)、一氧化氮(nitric oxide，NO)和過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)的產(chǎn)生、細(xì)胞質(zhì)pH的升高、細(xì)胞內(nèi)Ca2+的振蕩、蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化以及細(xì)胞骨架的再組織[65,66]。其它的植物激素SA、Jasmonate和Brassinosteroid也已經(jīng)被證實(shí)能促使氣孔關(guān)閉，ABA和SA相互作用使氣孔關(guān)閉可以使植物抵御微生物入侵，基因分析顯示ABA和Jasmonate在調(diào)節(jié)氣孔開張的信號傳導(dǎo)途徑上有相似性[64]。

除植物激素外，ROS類物質(zhì)如H2O2、NO及Ca2+也都參與氣孔運(yùn)動的信號調(diào)節(jié)。ROS的功能是作為ABA的第二信使。H2O2可以作用于K+通道、Ca2+通道以及MAPK信號通路等介導(dǎo)ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉[67]。H2O2能誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)NO的生成，且Ca2+也參與其中。黑暗和UV-B誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中NO的生成都要依賴于H2O2[68]。NO誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉需要MAPKs，cGMP和Ca2+。NO通過MAPKs激活抗氧化基因和酶活性。MAPKs在ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中是NO和H2O2信號的一個(gè)收斂點(diǎn)[5]。細(xì)胞質(zhì)Ca2+作為信號物質(zhì)在ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中同樣發(fā)揮了重要作用[69]。實(shí)驗(yàn)證明Ca2+和H2O2是相互依存的。H2O2能調(diào)節(jié)Ca2+流動，Ca2+參與H2O2的代謝[67]。在ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中，H2O2能增加細(xì)胞質(zhì)Ca2+從而促使氣孔關(guān)閉[70]。而H2O2合成酶要靠Ca2+激活。Ca2+還能通過蛋白激酶調(diào)節(jié)水通道蛋白的功能，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動[71]。

4.3 海藻糖誘發(fā)氣孔免疫可能的信號途徑

糖類之前僅僅被認(rèn)為是一種基本的代謝物質(zhì)，但隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)糖類也是一種重要的信號分子。它在植物受到生物和非生物逆境脅迫時(shí)起到重要的作用。糖類能激發(fā)一系列信號傳導(dǎo)反應(yīng)，使細(xì)胞做出響應(yīng)。如前所述，表達(dá)海藻糖合成基因的轉(zhuǎn)基因植物體內(nèi)含有高水平的海藻糖，并且它們抵御脅迫的能力也因此提高[72]。在高等植物中海藻糖或者海藻糖代謝衍生物都是植物基因表達(dá)的重要調(diào)節(jié)者，但是海藻糖增強(qiáng)植物抗性的機(jī)理還不是很清楚，有研究推測氣孔作為一個(gè)重要因素發(fā)揮了作用，如海藻糖可以改變氣孔發(fā)育，將TPS1基因轉(zhuǎn)入玉米體內(nèi)，TPS1基因通過增加SDD1(stomatadensityanddistribution1)基因表達(dá)使玉米氣孔密度下降，進(jìn)而玉米抗旱性增加[73]。除了對植物氣孔形態(tài)方面的調(diào)節(jié)外，海藻糖也能調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動。Gao等[74]研究表明ROS參與了海藻糖誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉。Schluepmann等[31]發(fā)現(xiàn)海藻糖能通過ABA調(diào)節(jié)氣孔。而且，海藻糖誘導(dǎo)的基因與JA/ET依賴的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有關(guān)，被外源海藻糖處理后轉(zhuǎn)錄物水平的表達(dá)與ET、茉莉酸甲酯信號通路有關(guān)[23]。在逆境條件下JA、ET和ROS之間有著復(fù)雜的聯(lián)系[64]。與ABA一樣，JA和ET也參與了對氣孔運(yùn)動的調(diào)節(jié)。JA在干旱條件下能促進(jìn)氣孔關(guān)閉[75]。用JA前體12-OPDA處理擬南芥會誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。提高12-OPDA的濃度會增強(qiáng)擬南芥的抗旱性[76-77]。依賴ABA和不依賴ABA的信號途徑都對JA有響應(yīng)[76]。與JA不同的是，ET調(diào)節(jié)氣孔開度方面會因環(huán)境和植物物種的不同體現(xiàn)出雙重作用[64]。一方面，ET抑制ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉。另一方面，ET會通過促進(jìn)NADPH氧化酶介導(dǎo)產(chǎn)生的ROS促進(jìn)氣孔關(guān)閉[78]。ROS是ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中的第二信使，ROS同樣也能影響氣孔開度[70]。因此，海藻糖誘發(fā)氣孔關(guān)閉的信號傳導(dǎo)途徑與ABA、JA、ET的信號途徑有聯(lián)系，Ca2+、NO等信號物質(zhì)也參與其中[74]。

5 海藻糖在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用前景及展望

5.1 節(jié)水減排

利用海藻糖可以調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動的特性，有效誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，對增強(qiáng)植物抗逆性，減少蒸騰水分散失，提高農(nóng)作物水分利用效率有重要意義。氣候變化對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響日漸凸現(xiàn)，迫切需要采取應(yīng)對措施，減少溫室氣體排放。CH4是僅次于CO2的重要溫室氣體，中國水稻種植面積占世界水稻總面積的22%，稻田CH4排放是全球大氣CH4重要排放源[79]。中國科學(xué)院南京土壤研究所的蔡祖聰?shù)萚80]通過分析大量實(shí)地觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬季土壤水分是控制稻田水稻生長期CH4排放量最為關(guān)鍵的因素，冬季淹水稻田(冬灌田)水稻生長季CH4排放量要遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)囟九潘咎?。因此，淹水灌溉易造成水稻根系的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生較多的CH4。因此，有效控制氣孔的過度蒸騰作用，是避免溫室氣體過度排放的重要方法。用海藻糖作為節(jié)水劑，可以減少稻田的淹水灌溉，從而減少CH4的排放。另外，在遇到旱情時(shí)，也可以通過調(diào)節(jié)氣孔開閉來提高水分利用效率，達(dá)到節(jié)水減排的效果。

5.2 優(yōu)化農(nóng)業(yè)抗蒸騰劑的研發(fā)

在過去半個(gè)世紀(jì)中，人們已經(jīng)研發(fā)了多種通過改變植物葉片氣孔運(yùn)動進(jìn)而減少蒸騰作用的抗蒸騰劑。這些抗蒸騰劑已經(jīng)大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，但同時(shí)也暴露出了一系列問題，如毒性過大，對環(huán)境污染嚴(yán)重，造價(jià)昂貴，水溶性差，黏附力低，影響光合作用等。因此，迫切需要研制生態(tài)安全，造價(jià)低廉，適用性廣和效果明顯的新型抗蒸騰劑。未來可以利用氣孔免疫原理研發(fā)出相關(guān)抗蒸騰劑，其在理論上利用細(xì)菌、真菌、酵母中所含有的激發(fā)子物質(zhì)，完全可以開發(fā)出生物氣孔調(diào)控劑，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的?；谶@個(gè)研究思路，可以用海藻糖為原料，制作安全環(huán)保的抗蒸騰節(jié)水劑。對于啤酒產(chǎn)生過程中出現(xiàn)的廢酵母，很多啤酒廠會將其烘干，然后加工為各種牲畜、魚類的飼料。這種產(chǎn)品不僅浪費(fèi)資源，而且附加值非常低。將酵母中的海藻糖加以利用，生產(chǎn)高附加值的抗蒸騰節(jié)水劑制品，對于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)林和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中植物水分利用效率，增加生物固碳，實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

盡管對生物節(jié)水農(nóng)業(yè)的研究已有很多，但是其調(diào)控技術(shù)不夠完善。海藻糖是國際上開發(fā)研究的熱點(diǎn)糖類之一，其在植物體內(nèi)含量并不高，卻能在調(diào)控基因表達(dá)、調(diào)節(jié)植物生理變化、提高植物抗逆性上發(fā)揮重要作用，它在氣孔運(yùn)動調(diào)節(jié)中的作用也日益受到重視，如果將海藻糖與氣孔運(yùn)動相互聯(lián)系，將其在農(nóng)作物栽培和育種上進(jìn)行更細(xì)致的研究，達(dá)到既能有效節(jié)水又能抗蟲防病，對節(jié)水農(nóng)業(yè)、全球變暖等問題具有重要科學(xué)意義。

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