非結(jié)構(gòu)性糖在植物對(duì)干旱脅迫響應(yīng)與適應(yīng)中的作用

周 倩，曹家暢，崔明昆，龔 明

(云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 生物能源持續(xù)開(kāi)發(fā)利用教育部工程研究中心, 云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明 650500)

近年來(lái)，隨著全球氣候變化，世界各地干旱事件發(fā)生的強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時(shí)間不斷增加，植物也越來(lái)越容易受到干旱脅迫的影響，干旱脅迫導(dǎo)致大量的植物生長(zhǎng)不良甚至死亡，并且呈加劇趨勢(shì)，植物體內(nèi)代謝途徑受其影響很大，進(jìn)而影響碳水化合物的含量。碳水化合物廣泛存在于自然界中，且含量十分豐富，是植物光合作用的主要產(chǎn)物，也是植物維持生命活動(dòng)的基礎(chǔ)物質(zhì)[1-2]。按其存在形式可分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物，其中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要包括葡萄糖、果糖、蔗糖、棉子糖、淀粉、海藻糖等，是參與植株生命代謝的重要物質(zhì)[3]，在植物的抗性研究中具有重要地位。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這些非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫中發(fā)揮著重要作用。一是作為碳源緩沖物質(zhì)，暫時(shí)維持植物的生長(zhǎng)和代謝；二是當(dāng)作信號(hào)分子，參與調(diào)節(jié)植物體一系列代謝活動(dòng)，對(duì)植物的基因表達(dá)、逆境響應(yīng)、生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行調(diào)控[4]；三是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，保持膨壓而維持正常的代謝活動(dòng)[5]；四是充當(dāng)滲透保護(hù)劑，維持細(xì)胞質(zhì)膜、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子空間結(jié)構(gòu)和功能活性[6-7]。

1 干旱脅迫對(duì)植物的影響

干旱因?yàn)殚L(zhǎng)期缺少水源，使植物吸收的水分遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于植物體本身蒸騰散失的水分，致使植物體嚴(yán)重缺水，生理生化和形態(tài)都發(fā)生不良變化的現(xiàn)象。在干旱和半干旱地區(qū)，干旱脅迫會(huì)直接影響植物的生長(zhǎng)和生存。目前，為了適應(yīng)水分供應(yīng)不足，植物已經(jīng)發(fā)展形成不同的生理機(jī)制，包括滲透調(diào)節(jié)、氣孔開(kāi)閉機(jī)制以及根部形態(tài)特征的修飾等[8-9]。維持葉片水分狀況和高效光合作用對(duì)干旱條件下的可持續(xù)生長(zhǎng)是非常重要的。植物與環(huán)境的長(zhǎng)期相互作用，形成獨(dú)有的抗旱系統(tǒng)。植物現(xiàn)有3種不同的抗旱機(jī)理，一是逃避干旱，一般發(fā)生在生命周期短的植物中，它們?cè)诟珊得{迫前就完成生命周期，以逃避干旱的危害；二是抵御干旱，植物通過(guò)大量吸收水分并盡量降低水分流失來(lái)拮抗干旱；三是忍受干旱，即在水分嚴(yán)重不足的情況下仍然存活，這種在低等植物中比較常見(jiàn)[10]。

1.1形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化干旱脅迫下，植物在形態(tài)結(jié)構(gòu)上會(huì)有明顯的變化，其中葉片最為敏感，在輕度的水分脅迫下葉片的生長(zhǎng)都會(huì)受到抑制，另外植物的莖稈會(huì)變得矮小。已有研究表明，長(zhǎng)白山地區(qū)的紅松、槭樹(shù)等樹(shù)種為適應(yīng)當(dāng)?shù)氐母珊淡h(huán)境，反應(yīng)出降低葉片面積、根長(zhǎng)、側(cè)根等生理指標(biāo)[11]。葉具表皮毛，避免強(qiáng)光的照射，減少水分蒸騰；葉片表皮外壁的角質(zhì)層增厚，減少水分的散失。除此之外，植物的氣孔會(huì)下陷、關(guān)閉，葉片蠟質(zhì)也會(huì)增加等[12]。

此外，植物的根系會(huì)變大，不斷往下延伸變得密集，這是因?yàn)楦凳沁B接土壤-植株-大氣間水循環(huán)過(guò)程中的重要步驟，是植株吸收水分的主要器官，能夠感知土壤環(huán)境水分的改變，從而調(diào)節(jié)自身體內(nèi)的水分運(yùn)輸和吸收[13]。同時(shí)木質(zhì)部的導(dǎo)管直徑和數(shù)目也會(huì)增加，減少阻力提高運(yùn)輸水分的效率等[14]；莖中機(jī)械組織發(fā)達(dá)，木質(zhì)化高，機(jī)械支持增強(qiáng)，輸導(dǎo)組織得到保護(hù)，同時(shí)防止大風(fēng)傷害幼莖，這些都是長(zhǎng)期缺水形成的適應(yīng)性特征[15]。

1.2對(duì)光合作用的影響植物光合作用和生長(zhǎng)(生物量生產(chǎn))是受干旱影響的主要過(guò)程[16]。干旱脅迫下光合作用會(huì)減弱，由于水分虧缺，葉片含水量會(huì)相應(yīng)下降，隨之葉片表面保衛(wèi)細(xì)胞失水，細(xì)胞膨壓降低，結(jié)果造成氣孔關(guān)閉，減少失水；然而植物正常進(jìn)行光合作用所需的CO2不能保證，造成CO2虧缺，導(dǎo)致光合速率減弱[17]。

水分脅迫下，導(dǎo)致光合作用減弱的2個(gè)影響因素分別是氣孔限制和非氣孔限制[18-19]。氣孔限制間接影響光合作用，因?yàn)樗秩笔г斐蓺饪钻P(guān)閉，氣孔對(duì)CO2的導(dǎo)性降低，導(dǎo)致光合速率降低；而非氣孔限制直接影響光合作用，通過(guò)影響葉綠體的顯微結(jié)構(gòu)、光化學(xué)反應(yīng)的活力、RuBP和PEP等酶的活性來(lái)減弱光合作用。在水分脅迫的早期，引起光合作用下降的主要是氣孔限制，當(dāng)脅迫加重到中度以上后，非氣孔因素成為主要因素。張仁和等[20]研究表明，玉米在重度干旱下，光合作用下降是受非氣孔限制的。不論是否是氣孔因素引起的光合作用減弱，最終都是降低碳同化速率，影響光合產(chǎn)物的積累。

1.3對(duì)滲透調(diào)節(jié)的影響滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)干旱脅迫的重要生理機(jī)制。研究表明，干旱脅迫能夠促進(jìn)植物體內(nèi)合成糖醇類、氨基酸及其衍生物如脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿和多胺等低分子量的有機(jī)溶質(zhì), 且耐旱性較強(qiáng)的品種較抗性弱的品種上升幅度大[21]。例如, 干旱脅迫下香橙生長(zhǎng)受到的抑制較小, 這與其葉片脯氨酸含量大幅積累有關(guān)[22]。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有2類，一是從外界環(huán)境中進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的無(wú)機(jī)離子，主要以K+為主，可維持體內(nèi)水分平衡，一些鹽生或喜鹽植物主要靠無(wú)機(jī)離子的積累進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)。例如檸條在受到干旱脅迫時(shí)，K+、可溶性糖、脯氨酸的含量增加，在檸條遭受干旱時(shí)有助于細(xì)胞或組織免遭脫水造成的傷害[23]。二是細(xì)胞合成的有機(jī)溶質(zhì)，主要以可溶性糖(蔗糖、葡萄糖、果糖、海藻糖、棉子糖等)甜菜堿和脯氨酸為主，可調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)的滲透勢(shì)，維持正常的生理活動(dòng)，并對(duì)蛋白質(zhì)和生物膜起保護(hù)作用，從而保證細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的相對(duì)穩(wěn)定。在干旱脅迫下，植物體內(nèi)甜菜堿會(huì)積累，是由于植物體內(nèi)的甜菜堿醛脫氫酶活性升高，從而增強(qiáng)植物的抗旱性[24]。

滲透調(diào)節(jié)是植物忍耐長(zhǎng)期干旱過(guò)程中的一種保命機(jī)制，只是為了使植物在極端干旱的環(huán)境中存活下來(lái)，等待水分狀況的改善。

2 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物代謝

2.1蔗糖代謝大多數(shù)綠色植物光合作用的終產(chǎn)物之一就是蔗糖，作為主要的可溶性糖，是植物體內(nèi)可溶性糖的主要運(yùn)輸形式，對(duì)于植物生長(zhǎng)起關(guān)鍵作用，面對(duì)干旱脅迫，蔗糖代謝中的非結(jié)構(gòu)性糖具有重要作用，一是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高植物細(xì)胞的滲透勢(shì)[25]。二是充當(dāng)信號(hào)物質(zhì)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗性基因的表達(dá)[26]。三是作為抗氧化劑發(fā)揮作用[27]。同時(shí)，蔗糖還能影響調(diào)控花的誘導(dǎo)、組織分化、種子發(fā)育等過(guò)程[28-30]。

蔗糖的代謝途徑是以磷酸二羥丙酮(Dihydroxyacetone phosphate，DHAP)為底物先合成磷酸甘油醛(Glyceraldehyde 3-phosphate，GAP)，在醛縮酶催化下形成果糖-1，6-二磷酸，再由果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)水解形成F-6P；F-6P在磷酸葡萄糖異構(gòu)酶和變位酶作用下，形成G-6P和G-1P，此3種磷酸己糖處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，然后UDPG焦磷酸化酶催化G-1P和UTP合成葡萄糖供體UDPG；蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)可促進(jìn)形成蔗糖，而蔗糖合成酶(sucrose synthase，SS)主要是催化蔗糖分解生成果糖和UDPG，最終蔗糖在轉(zhuǎn)化酶(invertase，InV)作用下分解生成果糖和葡萄糖。

蔗糖磷酸合酶(SPS)是蔗糖生物合成中的關(guān)鍵限速酶[31]。其是一種低豐度蛋白，含量低，且不穩(wěn)定，一般與蔗糖磷酸酯酶以復(fù)合體的形式存在。蔗糖合成酶(SS)是植物細(xì)胞中蔗糖代謝的關(guān)鍵酶，它的催化反應(yīng)是可逆的，優(yōu)先將蔗糖和UDP轉(zhuǎn)化為果糖和UDP-葡萄糖，UDP-葡萄糖(UDPG)是核苷酸糖在許多糖基化反應(yīng)中作為葡萄糖殘基的供體，并且對(duì)于蔗糖的胞質(zhì)形成和參與細(xì)胞壁纖維素的合成是必需的。轉(zhuǎn)化酶(InV)又稱β呋喃果糖苷酶，是能夠?qū)⒄崽欠纸鉃槠咸烟呛凸堑拿?。它調(diào)控糖的積累和流向，是非常重要的酶之一。

2.2淀粉代謝淀粉是植物中主要的碳水化合物儲(chǔ)存庫(kù)。它是由葡萄糖殘基組成的簡(jiǎn)單分子，它們通過(guò)a-1,4鍵與偶聯(lián)的a-1,6分支相互連接，形成滲透惰性、半結(jié)晶和致密顆粒[32]。淀粉最常見(jiàn)的儲(chǔ)存器官如根、根莖、塊莖、莖和種子，不僅代表人類飲食中碳水化合物的主要來(lái)源，而且還為工業(yè)生產(chǎn)提供原料[33]。在儲(chǔ)存器官中，淀粉由運(yùn)輸?shù)恼崽呛铣桑梢栽谏L(zhǎng)季節(jié)中儲(chǔ)存，也可經(jīng)過(guò)多年時(shí)間儲(chǔ)存，促進(jìn)再生長(zhǎng)或幼苗生長(zhǎng)。

淀粉代謝在葉中最為清楚(圖1)，其中淀粉在白天被合成，并在第二夜被動(dòng)員，以確保在不可能進(jìn)行光合作用時(shí)穩(wěn)定地供應(yīng)碳和能量。在光合作用過(guò)程中，淀粉從過(guò)量的糖質(zhì)中產(chǎn)生，和淀粉代謝有關(guān)的酶包括ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase polypetide，AGPase)、淀粉合成酶(starch synthase，SSS)、分支酶(starch branching enzyme，SBE)和脫支酶(starch debranching enzyme，DBE)、β-淀粉酶(β-amylase，BMY)等。其是由6-磷酸果糖(fructose 6-phosphate，F(xiàn)6P)轉(zhuǎn)變成6-磷酸葡萄糖(glucose 6-phosphate，G6P)和1-磷酸葡萄糖(glucose 1-phosphate，G1P)。G1P在AGPase作用下形成腺苷二磷酸葡萄糖(adenosine diphosphate glucose，ADPG)之后, 在SSS、SBE和DBE的作用下合成直鏈淀粉和支鏈淀粉[34]；在夜間，通過(guò)葡聚糖-水雙激酶(glucan,water dikinase，GWD)和磷酸葡聚糖-水雙激酶(phosphoglucan, water dikinase，PWD)磷酸化淀粉顆粒刺激淀粉降解，β-淀粉酶可將葡聚糖轉(zhuǎn)化成麥芽糖，在細(xì)胞溶質(zhì)中，麥芽糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖，隨后形成果糖和蔗糖[35-36]。

淀粉由排列成滲透惰性顆粒的葡萄糖聚合物組成，它在大多數(shù)植物中作為主要的碳水化合物儲(chǔ)存庫(kù)，可以被快速調(diào)動(dòng)，以提供可溶性糖，并且它的新陳代謝對(duì)環(huán)境的變化非常敏感。淀粉作為調(diào)節(jié)植物對(duì)非生物脅迫如水分虧缺、高鹽度或極端溫度反應(yīng)的關(guān)鍵分子。在這些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下，當(dāng)光合作用可能受到限制時(shí)，植物通常會(huì)將淀粉再生，以提供能量和碳。釋放的糖和其他衍生的代謝物支持植物在脅迫下的生長(zhǎng)，并且作為滲透保護(hù)劑和相容性溶質(zhì)起作用，以減輕壓力的負(fù)面影響[37]。糖也可以作為信號(hào)分子，與ABA依賴性信號(hào)通路串?dāng)_以激活應(yīng)激反應(yīng)級(jí)聯(lián)中的下游組分[38]。另外在控制水和CO2與環(huán)境交換的氣孔上的保護(hù)細(xì)胞中，淀粉在光照下會(huì)非常迅速地降解，有助于產(chǎn)生有機(jī)酸和糖，以增加保衛(wèi)細(xì)胞的膨脹和促進(jìn)氣孔開(kāi)放[39]。

圖1 淀粉代謝途徑[40]Fig.1 Pathway of starch metabolism

2.3棉子糖代謝棉子糖系列寡糖(raffinose family oligosaccha-rides，RFOs)是由一系列半乳糖基轉(zhuǎn)移到半乳糖基受體上，并以α-1,6 半乳糖苷鍵相連而成。棉子糖、水蘇糖和毛蕊花糖等是主要可溶性碳水化合物。其中棉子糖是家族中的最小成員，在植物的葉、根、種子中都有分布[41]。

棉子糖在植物體內(nèi)是以葡萄糖和半乳糖為底物生成UDP-半乳糖，肌醇半乳糖苷合酶(Galaetinol synthase，GS)催化由UDP-半乳糖和肌醇合成肌醇半乳糖苷(Galactinol)。隨后肌醇半乳糖苷在棉子糖合酶(raffinose synthase, RS)的作用下與蔗糖反應(yīng)生成棉子糖，而后在水蘇糖合酶作用下生成水蘇糖，最后通過(guò)α-半乳糖苷酶作用下繼續(xù)生成半乳糖和葡萄糖(圖2)。

研究表明棉子糖系列寡糖作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物面對(duì)非生物脅迫時(shí)能夠穩(wěn)定光合系統(tǒng)，作為保護(hù)劑保護(hù)細(xì)胞[42-43]。此外，棉子糖系列寡糖還具有清除自由基的功能[44]；而且還被公認(rèn)參與種子的脫水性和貯藏性[45]。雖然RFOs途徑在響應(yīng)應(yīng)激耐受方面的作用尚未被完全了解，但植物體內(nèi)RFOs合成相關(guān)基因在脅迫應(yīng)答中的作用越來(lái)越被重視。

2.4海藻糖代謝海藻糖(trehalose)是一種非還原性二糖，在自然界中廣泛分布于動(dòng)植物及細(xì)菌、真菌體內(nèi)，作為應(yīng)激保護(hù)劑分子對(duì)多種生物活性物質(zhì)具有非特異性保護(hù)作用。大量研究表明在海藻糖豐富的生物體中，其不但可作為碳庫(kù)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育，還可充當(dāng)滲透保護(hù)劑維持細(xì)胞質(zhì)膜、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子空間結(jié)構(gòu)和功能活性[46-47]，同時(shí)還有助于降低高溫、滲透、脫水應(yīng)激和有毒化學(xué)物質(zhì)等多種脅迫造成的損傷，提高植物的耐受性[48]。

海藻糖和蔗糖生物合成途徑具有共同的特征，但其也具有與它們?cè)诩?xì)菌、真菌、藻類、植物、昆蟲(chóng)和哺乳動(dòng)物等生物中的存在和作用相伴隨的不同性質(zhì)和調(diào)節(jié)[49]。與葡萄糖和蔗糖相比，不僅生物合成不同，而且海藻糖的分子性質(zhì)都不同。海藻糖具有最高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(所有二糖中最高)，高度黏稠，在極端溫度下保持玻璃狀結(jié)構(gòu)，并在干燥和冷凍條件下覆蓋生物分子，從而增加這些生物分子的穩(wěn)定性[48]。此外一種糖信號(hào)分子調(diào)節(jié)碳水化合物的分配，并與其他糖類的代謝途徑相互作用[50]。

在植物體內(nèi)海藻糖合成途徑主要是OtsA-OtsB途徑，以葡萄糖為底物，通過(guò)海藻糖-6-磷酸合成酶(Trehalose-6-phosphate synthase，TPS)將尿苷二磷酸葡萄糖與葡萄糖-6-磷酸結(jié)合，從而形成海藻糖6-磷酸；海藻糖-6-磷酸磷酸酶(Trehalose-6-phosphate phosphatase，TPP)催化海藻糖6-磷酸去磷酸化合成海藻糖，海藻糖最終在海藻糖酶(Trehalase，THase)作用下分解為葡萄糖[51]，該途徑廣泛存在于生物體內(nèi)(圖3)。

最近的研究強(qiáng)調(diào)海藻糖途徑在脅迫耐受中的作用，作為滲透保護(hù)劑或信號(hào)傳導(dǎo)分子。但迄今為止，還沒(méi)有記錄海藻糖途徑在植物脅迫耐性中的具體作用或作用模式，因?yàn)楫?dāng)作為滲透保護(hù)劑分子時(shí)，積累的水平通常較低，并且與該途徑有關(guān)的基因的過(guò)表達(dá)可能導(dǎo)致不希望的特征。故海藻糖途徑在提供植物抗逆性方面的確切機(jī)制仍不清楚，有待深入研究。

圖2 RFOs合成途徑[52]Fig.2 Synthesis pathway of RFOs

圖3 海藻糖代謝[53]Fig.3 Metabolism of trehalose

3 結(jié)語(yǔ)

隨著全球氣候不斷變暖，干旱的情況越來(lái)越突出，目前地球上1/3土地已是干旱或者半干旱，水資源的缺乏已影響農(nóng)作物和森林的保護(hù)，干旱對(duì)植物的非生物脅迫占首位。植物在進(jìn)化過(guò)程中已形成多種響應(yīng)和適應(yīng)干旱的方式，通過(guò)形態(tài)、生理、代謝和細(xì)胞水平上的多種變化來(lái)抵御干旱。糖是小分子化合物，在植物生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，而且植物體內(nèi)糖類的合成與分解會(huì)影響細(xì)胞的滲透勢(shì)，調(diào)控細(xì)胞的吸水能力或保水能力，在植物適應(yīng)干旱環(huán)境中起重要作用。隨著植物抗逆性機(jī)理研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)滲透調(diào)節(jié)是各種逆境脅迫中的共同作用，非結(jié)構(gòu)性糖作為一種重要的逆境調(diào)節(jié)物質(zhì)，在保護(hù)植物細(xì)胞膜功能性、碳源定向運(yùn)輸、ROS清除、穩(wěn)定酶分子、調(diào)節(jié)細(xì)胞多空間滲透勢(shì)等方面起重要的作用。