亞精胺提高植物抗旱性作用機(jī)理的研究進(jìn)展

林必博， 王 鋒， 周濟(jì)銘

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

多胺是廣泛存在于植物體內(nèi)的一類低分子量脂肪族含氮堿，其存在形式包括游離態(tài)、高氯酸可溶性結(jié)合態(tài)和高氯酸不溶性結(jié)合態(tài)等3種類型。常見的多胺有腐胺(Put)、亞精胺(Spd)和精胺(Spm)等，其中，Put在亞精胺合成酶(SPDS)作用下生成Spd，Spd可進(jìn)一步由精胺合成酶(SPMS)催化生成Spm。多胺廣泛參與植物的逆境脅迫調(diào)控[1]，尤其是Spd，因其具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，與植物抗逆性的關(guān)系更加密切[2-3]。為進(jìn)一步深入研究Spd提高植物抗旱性的作用機(jī)理，促進(jìn)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用提供參考，從Spd與植物抗旱性的關(guān)系、對(duì)干旱脅迫下植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響、提高植物抗旱性的生理機(jī)理和分子機(jī)理等方面對(duì)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 植物抗旱性與內(nèi)源Spd的關(guān)系

植物組織內(nèi)的Spd與植物抗旱性以及對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性關(guān)系密切。絲絨草在受到干旱脅迫時(shí)，組織內(nèi)的Spd含量顯著上升，并隨之表現(xiàn)對(duì)干旱的適應(yīng)性[4]。楊建昌等[5]研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下抗旱性水稻品種劍葉中Spd含量累積較早且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，相對(duì)含量(脅迫處理/對(duì)照)與品種的抗旱系數(shù)呈極顯著正相關(guān)性。干旱脅迫可提高SPDS基因的表達(dá)量，表明干旱脅迫可促進(jìn)Spd的生物合成[6]。通過對(duì)水稻、玉米和小麥的研究發(fā)現(xiàn)，在受到干旱脅迫時(shí)，植物體內(nèi)的Spd含量相對(duì)于非脅迫狀態(tài)明顯提高，通常同一種植物抗旱性強(qiáng)的品種提高幅度明顯較抗旱性弱的品種大；在鳥嘌呤腙MGBG(Spd合成關(guān)鍵酶S-腺苷蛋氨酸脫羧酶的專一性抑制劑)存在情況下，雖然其對(duì)干旱脅迫時(shí)Spd的合成有抑制作用，但Spd含量相比非干旱脅迫狀態(tài)仍普遍提高[7-9]，暗示受到干旱脅迫時(shí)植物體內(nèi)Spd含量增加并非生物合成單一途徑。周琳等[10]分析發(fā)現(xiàn)，玉米幼苗在PEG模擬干旱脅迫下葉片類囊體膜上非共價(jià)結(jié)合態(tài)Spd含量呈下降趨勢(shì)，且抗旱性弱的玉米品種下降幅度明顯大于抗旱性較強(qiáng)的品種。ALCZAR等[11]對(duì)多胺合成基因轉(zhuǎn)錄譜的分析顯示，干旱可誘導(dǎo)Put經(jīng)Spd向Spm正向轉(zhuǎn)化，而植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)涉及Spm向Put的逆向轉(zhuǎn)化，二者形成多胺循環(huán)回路，而非Spm的分解代謝，表明Spd是植物響應(yīng)干旱脅迫的一種重要生理物質(zhì)。植物受到干旱脅迫時(shí)，組織內(nèi)的Spd含量升高，變化的強(qiáng)弱與植物抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系；而Spd水平的變化不僅與其生物合成和存在形式有關(guān)，而且與多胺庫中不同多胺物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)換也有關(guān)。

2 外源Spd對(duì)植物抗旱性的影響

作為一種典型的逆境脅迫，干旱可對(duì)植物生理生化代謝產(chǎn)生一系列影響，進(jìn)而影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育?；谥参锟购敌耘c植物體內(nèi)Spd含量的密切關(guān)系，周小梅等[12-13]研究表明，施用外源Spd可提高植物組織中Spd含量，緩解干旱脅迫對(duì)植物的傷害，提高植物的抗旱能力，促進(jìn)植物在干旱逆境下的生長(zhǎng)發(fā)育。PEG模擬水分脅迫條件下用Spd浸種可明顯增強(qiáng)水稻種子活力，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)[12]；滲透脅迫下用Spd浸種能夠顯著提高白三葉種子的萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)，促進(jìn)胚根伸長(zhǎng)和單株鮮重增加[14]。根施外源Spd可顯著提高玉米幼苗干(鮮)重、葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量，增加根系數(shù)量；對(duì)抗旱性弱的品種影響更為明顯[15]。在開花期噴施Spd可減輕干旱脅迫對(duì)玉米籽粒灌漿的抑制作用[16]。葉面噴施Spd對(duì)燕麥幼苗具有良好的抗旱效果，適宜濃度的Spd可增強(qiáng)燕麥幼苗根系活力，提高幼苗株高、根長(zhǎng)及生物量積累[17]。外源噴施Spd能顯著增加滲透脅迫下烤煙幼苗的生物量、根長(zhǎng)、根表面積、根平均直徑和根尖數(shù)[18]。在干旱脅迫初期噴施Spd，可提高水稻產(chǎn)量[5]。表明無論是脅迫前預(yù)處理還是脅迫時(shí)葉面噴施或根際施用外源Spd均可提高植物抗旱能力，增強(qiáng)植物對(duì)干旱的適應(yīng)性，促進(jìn)植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。

3 外源Spd提高植物抗旱性的機(jī)理

3.1 生理機(jī)理

3.1.1 提高植物抗氧化系統(tǒng)活性 植物在受到干旱脅迫時(shí)，組織內(nèi)NADPH氧化酶活性增強(qiáng)，活性氧(ROS)水平上升，植物通過提高自身超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等抗氧化酶活性和抗壞血酸(ASA)、谷胱甘肽(GSH)等非酶抗氧化物質(zhì)含量，加快ROS清除，適應(yīng)干旱逆境。大量研究表明，無論是干旱脅迫前預(yù)處理還是干旱過程中施用外源Spd，均可降低干旱脅迫下植株組織中NADPH氧化酶活性，進(jìn)一步增強(qiáng)SOD、POD、CAT及APX活性[16，19-21]；同時(shí)還可增強(qiáng)ASA-GSH循環(huán)，提高谷胱甘肽還原酶(GR)活性，促使ASA和GSH含量上升[13，22-24]。可見，外源Spd具有強(qiáng)化植物抗氧化能力以響應(yīng)干旱脅迫的作用。當(dāng)Spd的生物合成受到抑制時(shí)(采用MGBG處理)，植物組織中SOD、CAT和APX活性明顯降低，ASA和GSH含量明顯被抑制，NADPH氧化酶活性、過氧化氫酶活性和MDA含量明顯提高[8]，從反面印證Spd可提高植物干旱脅迫下抗氧化能力的作用。綜上，外源Spd可通過降低ROS生成速率，提高抗氧化酶活性和非酶抗氧化物質(zhì)含量，加快清除ROS，緩解干旱脅迫下高水平ROS對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的不利影響。

3.1.2 緩解光合作用受到的抑制 植物在受到短期干旱脅迫時(shí)，葉片水分供應(yīng)不足引起氣孔關(guān)閉，阻礙CO2吸收，干擾葉綠素合成，破壞光合機(jī)構(gòu)，引起光合作用下降；而長(zhǎng)期干旱脅迫則阻礙CO2擴(kuò)散，降低葉綠體光合活性，同樣引起光合作用下降，即干旱脅迫降低光合作用既有氣孔因素也有非氣孔因素[25]。RAJASEKARAN等[26]認(rèn)為，Spd可使干旱脅迫的松樹幼苗維持較高的光合特性，有效緩解光合作用的降低。LIU等[27]認(rèn)為，Spd通過調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上K+通道調(diào)控氣孔關(guān)閉，減輕氣孔因素對(duì)光合作用的限制。李冬等[18，28-29]研究發(fā)現(xiàn)，噴施Spd能顯著提高干旱脅迫下烤煙、番茄及玉米等作物幼苗葉綠素的相對(duì)含量、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率，促進(jìn)CO2吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高光合電子傳遞效率，使植物在干旱脅迫下維持光合系統(tǒng)的穩(wěn)定和相對(duì)較高的光合作用，對(duì)非氣孔因素引起的光合限制也具有緩解作用，該作用在冷脅迫和鹽脅迫等非生物脅迫中也得到印證[2，30]。

3.1.3 調(diào)控碳水化合物代謝 外源Spd可調(diào)控碳水化合物代謝。閆剛等[31]研究表明，施用外源Spd可提高干旱脅迫下番茄幼苗葉片中蔗糖合成酶(SS)和磷酸蔗糖合成酶(SPS)活性，增加其蔗糖、葡萄糖和果糖含量，降低淀粉含量。王顯瑞等[32]研究發(fā)現(xiàn)，外源Spd處理干旱脅迫谷子，可提高谷子幼苗中蔗糖磷酸合成酶和淀粉合成酶的酶活性，并促進(jìn)蔗糖、可溶性總糖及淀粉等碳水化合物的積累。在種子萌發(fā)過程中采用Spd浸種，可提高干旱脅迫下萌發(fā)種子的淀粉酶活性，降低淀粉含量，增加還原糖和葡萄糖含量，促進(jìn)種子萌發(fā)[33]。盡管外源Spd對(duì)干旱脅迫下植物葉片中碳水化合物代謝的研究結(jié)果存在差異，但總體上，外源Spd可調(diào)控干旱脅迫下植物組織中的碳水化合物代謝，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.1.4 提高滲透調(diào)節(jié)能力 植物通過積累更多的脯氨酸(Pro)、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，增強(qiáng)保水能力，維持水分代謝平衡，這是植物響應(yīng)干旱逆境的重要機(jī)制。干旱脅迫時(shí)，噴施Spd可進(jìn)一步提高植物組織中Pro、可溶性糖和可溶性蛋白等有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，降低電解質(zhì)滲透率，進(jìn)而強(qiáng)化該機(jī)制[17，19]。Pro含量的高低取決于其氧化速度和合成速度，其合成包含谷氨酸和鳥氨酸2個(gè)途徑。對(duì)Pro合成代謝有關(guān)酶活性變化的研究發(fā)現(xiàn)，外源Spd可提高Pro合成代謝關(guān)鍵酶Δ'-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)、Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)和分解代謝關(guān)鍵酶脯氨酸脫氫酶(ProDH)活性，但對(duì)Pro合成代謝鳥氨酸途徑關(guān)鍵酶——鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶(OAT)活性沒有影響[34-35]。推測(cè)干旱脅迫下外源Spd通過調(diào)控谷氨酸途徑中關(guān)鍵酶活性促進(jìn)Pro合成。此外，多胺與Pro合成途徑中存在同一種底物，外源Spd施用可增加Pro合成的底物含量，可能是外源Spd提高Pro含量的另一個(gè)原因[36]。而可溶性糖含量的增加，與外源Spd對(duì)植物光合作用和碳水化合物代謝的調(diào)控有密切關(guān)系。

3.2 分子機(jī)理

3.2.1 Spd具有廣泛的分子修飾作用 在生理pH條件下，多胺可以聚合陽離子的形式存在，也可與攜帶負(fù)電荷的核酸、蛋白質(zhì)酸性殘基或磷脂生物膜通過非共價(jià)鍵形成復(fù)合體，或與羥基肉桂酸共價(jià)結(jié)合形成水溶或脂溶性物質(zhì)，或與蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子共價(jià)結(jié)合形成高分子結(jié)合態(tài)[37-38]。Spd本身即是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，也具有多胺物質(zhì)與其他生物分子相結(jié)合的普遍特征，其廣泛的分子修飾作用具有多種功能，如穩(wěn)定質(zhì)膜及類囊體等細(xì)胞內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)，提高酶活性及生物大分子穩(wěn)定性，調(diào)控生理代謝和基因表達(dá)等，可能是Spd增強(qiáng)植物抗旱性的分子基礎(chǔ)。Spd與葉綠體捕光色素蛋白LHCII、CP24、CP26和CP29交聯(lián)，提高葉綠體光合特性，維持光合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[39]；與質(zhì)膜上蛋白質(zhì)等大分子結(jié)合，穩(wěn)定質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，降低膜的流動(dòng)性，促進(jìn)三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生，維持酸堿平衡[40]；促進(jìn)SOD、CAT、POD及APX基因的表達(dá)[35]。

3.2.2 Spd作為信號(hào)分子參與激素調(diào)控 Spd與植物激素具有密切的關(guān)聯(lián)性。參與植物逆境響應(yīng)的脫落酸(ABA)可上調(diào)SPDS基因的轉(zhuǎn)錄水平，Spd對(duì)ABA轉(zhuǎn)錄水平具有“正反饋”調(diào)控作用[41]，在ABA缺陷型植物中，干旱并不能提高SPDS基因的表達(dá)水平[42]，表明，Spd可能與ABA共同協(xié)作應(yīng)對(duì)逆境脅迫，且ABA位于Spd上游發(fā)揮作用。與ABA相似，Spd可誘導(dǎo)擬南芥根尖伸長(zhǎng)區(qū)釋放NO[43]，二者在逆境響應(yīng)中也具有協(xié)同效應(yīng)[44]。此外，有報(bào)道認(rèn)為，Spd不僅可提高干旱脅迫下小麥灌漿過程中ABA含量，且可提高玉米素(ZT)和玉米素核苷(ZR)含量，降低乙烯(ETH)含量，進(jìn)而促進(jìn)小麥籽粒灌漿[45]。此外，也有外源Spd增加干旱脅迫下玉米中吲哚乙酸(IAA)和赤霉素(GA3)含量，降低水楊酸(SA)和茉莉酸(JA)濃度的報(bào)道[29]?？梢?，Spd作為信號(hào)分子廣泛參與各種激素代謝，進(jìn)而調(diào)控植物干旱逆境下的生長(zhǎng)發(fā)育。

4 小結(jié)

總體看，Spd提高植物抗旱性的作用機(jī)理可概括為2個(gè)方面，一是基于Spd特殊的分子結(jié)構(gòu)，與DNA、蛋白質(zhì)及磷脂等生物分子相結(jié)合，提高生物分子和植物組織膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以減輕干旱脅迫引起的生物分子活性降低和膜結(jié)構(gòu)破壞；二是作為“信號(hào)分子”參與基因表達(dá)、蛋白質(zhì)修飾和激素調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)控一系列生理生化反應(yīng)，提高植物抗氧化能力、光合作用及滲透調(diào)節(jié)能力，緩解干旱脅迫引起的生理代謝失衡。蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究也表明，外源Spd可引起干旱脅迫下與蛋白質(zhì)生物合成、氨基酸合成、碳和能量代謝、抗氧化和脅迫防御及激素信號(hào)通道有關(guān)的一系列蛋白質(zhì)的差異性表達(dá)[46]。

盡管如此，Spd提高植物抗旱性的作用機(jī)理還存在不盡明確之處。目前的大多數(shù)研究集中于生理代謝調(diào)控方面，而在分子層面是如何具體發(fā)揮作用的尚不清楚。一些研究發(fā)現(xiàn)，Spd提高植物抗旱性存在濃度效應(yīng)，過高的濃度反而抑制幼苗生長(zhǎng)[17-18]，其作用機(jī)理是什么；作為信號(hào)分子，參與激素調(diào)控又是怎樣的具體途徑；不同的多胺物質(zhì)在抗逆性方面發(fā)揮的作用存在一定差異，Spd在抗旱性方面的作用與其他多胺物如何相互關(guān)聯(lián)，上述問題都有待進(jìn)一步深入揭示。

干旱作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期面臨的一個(gè)世界性難題，也是一直以來研究的重點(diǎn)，研究如何在實(shí)際生產(chǎn)中提高植物抗旱性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于Spd在提高植物抗旱性方面毋庸置疑的積極作用，以Spd為活性成分，開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的新型抗旱功能種子引發(fā)劑和肥料等農(nóng)資產(chǎn)品，可作為干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一條新途徑。此外，基因?qū)用娴难芯勘砻?，將亞精氨合成酶cDNA導(dǎo)入擬南芥中，轉(zhuǎn)基因植株葉片中亞精胺合成酶活性和Spd含量顯著增加，抗旱性增強(qiáng)[47]；將辣椒中分離得到的Spd合成關(guān)鍵基因SAMDC(S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶基因)導(dǎo)入擬南芥，擬南芥轉(zhuǎn)基因純合系的抗旱性顯著增強(qiáng)[48]；通過RNA干擾下調(diào)水稻SAMDC的表達(dá)，則水稻抗旱性減弱[49]，證明通過基因工程技術(shù)增強(qiáng)Spd表達(dá)以提高植物抗旱性的可行性。上述研究為抗旱性作物品種選育提供了新的思路。