在抗性條件下脯氨酸積累對苔蘚植物的作用

謝 強(qiáng)，陳 莉

（西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730124）

苔蘚植物能夠在土壤、巖石、樹干、腐木等不同土壤基質(zhì)上生長，是生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的植被成分，用途廣泛，在物質(zhì)循環(huán)、防止水土流失、鑒定空氣污染程度、制作園藝景觀等方面都有著重要的應(yīng)用[1]。但因苔蘚植物體型微小，目前被人類熟識并開發(fā)利用的種類有限。全球各地區(qū)均有苔蘚植物存在，其生存環(huán)境存在顯著差異。要在區(qū)域內(nèi)長期生存，需滿足其生理特性，可利用苔蘚植物體內(nèi)的脯氨酸檢驗驗證其在脅迫條件下的抗逆能力。脯氨酸以游離形式存在苔蘚植物中，是構(gòu)成植物蛋白的氨基酸。作為溶解度最高的氨基酸，在5℃時，100g 水中可溶性脯氨酸約為16g[2]。當(dāng)植物處于不利條件下，如在干旱、高鹽等條件下，苔蘚植物體內(nèi)脯氨酸較適應(yīng)環(huán)境更多積累。脯氨酸具有高度可溶性、高度親水性和無毒性。它在細(xì)胞內(nèi)的積累不會干擾細(xì)胞內(nèi)正常的生理生化反應(yīng)，能穩(wěn)定植物原生質(zhì)體膠體和組織的代謝過程，從而降低冰點，抵抗不利條件對苔蘚植物造成的傷害。低溫下，苔蘚植物脯氨酸含量增加，可提高植物的抗寒性[3]。植物體內(nèi)積累的脯氨酸在穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞酸性、解氨毒和調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原反應(yīng)等方面具有重要作用，可作為植物體內(nèi)的胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)劑、細(xì)胞結(jié)構(gòu)保護(hù)劑、自由基清除劑、逆境脅迫信號物質(zhì)，并參與氮代謝和能量代謝[4]。在干旱、鹽脅迫、高溫和銅脅迫下，利用脯氨酸試驗驗證其抗逆性，苔蘚植物脯氨酸含量顯著增加。因而苔蘚植物脯氨酸含量的變化在一定程度上反映了苔蘚植物的抗性?？鼓嫘詮?qiáng)的苔蘚植物在逆境下大量合成脯氨酸。

1 脯氨酸積累機(jī)制

脯氨酸可在苔蘚植物體內(nèi)進(jìn)行合成、代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)，在脅迫條件下，脯氨酸大量積累，脯氨酸合成與轉(zhuǎn)運(yùn)途徑是植物逆境條件下植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用導(dǎo)致的。

1.1 合成與降解途徑

在脅迫條件下，大多數(shù)植物中脯氨酸累積大多受P5CS 酶的活性調(diào)控，脯氨酸在細(xì)胞質(zhì)中合成，根據(jù)初始底物不同，可將脯氨酸合成途徑分為2 種：一種是谷氨酸途徑，初始底物是L-Glu，可以通過2 個步驟持續(xù)還原為脯氨酸，其中間產(chǎn)物為δ-吡咯啉-5-羧酸（P5C），催化反應(yīng)的酶為P5CS 和P5cr。另一種為鳥氨酸途徑，起始底物為L-Orn，GSA 通過轉(zhuǎn)氨作用生成，然后P5C 生成，最終被P5CR 還原成脯氨酸，起催化作用的酶為δ-OAT。在滲透脅迫和低氮條件下，谷氨酸途徑占優(yōu)勢，而在非脅迫和高氮條件下，鳥氨酸途徑占優(yōu)勢。脯氨酸在苔蘚植物體內(nèi)的降解途徑基本為合成途徑的反向過程[5]。

1.2 轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

苔蘚植物體內(nèi)脯氨酸累積主要靠外源脯氨酸，脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)到植物體特定位置，屬于AAP（amino acid/auxin permease）基因家族，是典型的Na+依賴型亞氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[6]。

2 脯氨酸含量的測定

苔蘚植物脯氨酸含量可作為檢測其抗逆性最直接的生理指標(biāo)。在脅迫條件下，大多抗逆性強(qiáng)的品種積累較多的脯氨酸，當(dāng)苔蘚植物處于抗逆條件下時，苔蘚體內(nèi)脯氨酸的含量顯著增加。張殿忠等[7]利用磺基水楊酸方法對苔蘚植物的脯氨酸含量進(jìn)行測定，用磺基水楊酸提取植物樣品，脯氨酸從植物體內(nèi)游離出溶液中，利用酸性茚三酮進(jìn)行加熱處理，溶液即成紅色，再用甲苯處理，所得產(chǎn)物顏色可表示脯氨酸含量，色素的深淺即顯示出脯氨酸含量的大小，也可利用分光光度計在520nm 處比色，即可得到苔蘚植物中脯氨酸含量。還可利用微透析法提取植物體內(nèi)的脯氨酸含量，對樣品高倍稀釋再通過衍生化法，與高精細(xì)的HPLC 儀檢測，既可對苔蘚植物體內(nèi)的脯氨酸進(jìn)行測定[8]。

3 抗性條件下脯氨酸含量的變化

3.1 鹽脅迫

苔蘚植物因在高鹽度生境而受到的高滲透勢的威脅影響其正常的生長代謝。在植物體內(nèi)生理發(fā)生變化所帶來的應(yīng)激反應(yīng)，脯氨酸和蛋白質(zhì)保護(hù)酶等會大量分泌以維持苔蘚植物正常的代謝機(jī)制。鹽脅迫為非生物因素脅迫。在鹽度較高的地區(qū)苔蘚植物的生長繁殖受到較大威脅，因而為高鹽度地區(qū)開發(fā)利用耐鹽脅迫的苔蘚植物較為迫切。為應(yīng)對高濃度的鹽脅迫植物體內(nèi)有與鹽脅迫相關(guān)的基因和調(diào)節(jié)機(jī)制，一些基因的上調(diào)表達(dá)就是指表達(dá)量增加，相應(yīng)的蛋白產(chǎn)物也增加，以此來度過高鹽情況對植物可能產(chǎn)生的不利影響[9]。根據(jù)洪春桃等[10]以大灰蘚進(jìn)行鹽脅迫的試驗結(jié)果表明：不同濃度的鹽脅迫，會顯著提高大灰蘚植物體內(nèi)脯氨酸含量，鹽脅迫還造成光合色素的降解、丙二醛的積累和保護(hù)酶活性的升高，在200mM 鹽處理下，外施20mM脯氨酸使植物脅迫的各項生理指標(biāo)穩(wěn)定在50～100mM鹽處理水平。因此，外源脯氨酸可以通過減輕光合色素降解以維持植株正常的光合作用，進(jìn)而穩(wěn)定保護(hù)酶活性，從而降低活性氧的產(chǎn)生速率，減緩丙二醛的積累來提高植物在逆境下的抗性，使苔蘚植物在不利環(huán)境下的適應(yīng)能力增強(qiáng)。

3.2 干旱脅迫

干旱脅迫對苔蘚植物生長具有很大的影響，水是其生長代謝必不可少的介質(zhì)和原料。在水分不足情況下苔蘚植物的敏感性變強(qiáng)，在形態(tài)上發(fā)生改變以維持水分。但干旱時間較長，苔蘚植物則表現(xiàn)為干枯形態(tài)。當(dāng)其在遇到水分時會迅速恢復(fù)生機(jī)，植株形態(tài)恢復(fù)正常，生長代謝旺盛。但干旱使植物正常生長發(fā)育受到一定程度影響。在我國部分地區(qū)降水量較少，氣候較為干燥，苔蘚植物的生長受到干旱的威脅。不同苔蘚植物的抗旱性不同，為選擇干旱脅迫生長良好的苔蘚植物進(jìn)行育種，測定它們體內(nèi)脯氨酸含量是一種很直觀的方法。高旭[11]對15 種苔蘚植物進(jìn)行干旱脅迫處理，對苔蘚植物體內(nèi)脯氨酸含量測定，并進(jìn)行了主成分分析。對15 種苔蘚植物的抗旱性指標(biāo)進(jìn)行了分類，每種苔蘚植物的抗旱性由大到小依次為：葫蘆蘚＞泥炭蘚＞真蘚＞小墻蘚＞大灰蘚＞山地墻蘚＞仙鶴蘚＞狹葉小羽蘚＞刺葉墻蘚＞黑扭口蘚＞提燈蘚＞大帽蘚＞曲柄蘚＞小葉蘚＞鳳尾蘚。設(shè)立干旱脅迫條件從而篩選出在干旱條件下生長良好的苔蘚品種，對干旱區(qū)生態(tài)演替困難的問題提供了新的種植方向。

3.3 銅脅迫

我國是一個工業(yè)生產(chǎn)大國，與之對應(yīng)的是帶來了環(huán)境壓力。在科技發(fā)展的同時，工業(yè)化生產(chǎn)增加了土質(zhì)和水中銅含量，當(dāng)銅過量時，易造成土壤重金屬銅含量的超標(biāo)，銅作為苔蘚植物生長發(fā)育所必需的微量礦物質(zhì)元素，參與構(gòu)成植物體內(nèi)代謝酶所必需的成分，促進(jìn)酶催化，而且還作為有效電子供體與受體存在于諸多氧化還原反應(yīng)的蛋白質(zhì)活性位點上[12]，在光合作用、呼吸作用、抗氧化作用、細(xì)胞壁代謝和激素反應(yīng)等方面起著重要的作用，會威脅破壞植物所處的生存環(huán)境。通過銅脅迫對苔蘚植物體內(nèi)脯氨酸含量的變化進(jìn)行探究?；魤N[13]以果灰蘚和叢本蘚為材料，采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)方法，研究了銅脅迫對2 種苔蘚植物生理生化特性的影響。結(jié)果表明，在Cu2+的作用下，苔蘚植物和苔蘚植物體內(nèi)與逆境密切相關(guān)的物質(zhì)和保護(hù)酶發(fā)生了一系列變化，并存在明顯的量效關(guān)系和時效關(guān)系。隨著濃度和處理時間的增加，游離脯氨酸和丙二醛含量逐漸增加。說明面對銅量的增加，苔蘚植物體內(nèi)的脯氨酸含量也隨之增加，對苔蘚植物生理機(jī)能起保護(hù)作用。

3.4 溫度脅迫

當(dāng)環(huán)境溫度超過苔蘚植物適溫區(qū)，就會對苔蘚植物產(chǎn)生溫度脅迫，溫度高于、低于適溫區(qū)或產(chǎn)生劇烈變溫都會損傷苔蘚植物內(nèi)正常生理生化反應(yīng)。長期溫度脅迫，則會對苔蘚植物產(chǎn)生不同程度的損害。對苔蘚類植物來說，致死高溫一般為85℃～110℃，因而通過脯氨酸含量的變化來選擇耐高溫的苔蘚植物品種具有深遠(yuǎn)的意義。賈宇婷等[16]以砂蘚和毛尖紫萼蘚為材料，研究了高溫脅迫對其細(xì)胞膜透性、保護(hù)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響，探討了2 種苔蘚植物對高溫脅迫的適應(yīng)性。結(jié)果表明，隨著脅迫溫度的升高，毛尖紫萼蘚的脯氨酸含量一直持續(xù)上升，而砂蘚的脯氨酸含量在一定程度內(nèi)出現(xiàn)下降。由此可見不是所有苔蘚植物體內(nèi)的脯氨酸含量都能隨著溫度脅迫強(qiáng)度增加而增加的。通過選擇耐高溫脅迫的苔蘚品種可以更加適應(yīng)環(huán)境的變化。而脯氨酸含量的增加能使苔蘚植物更加適應(yīng)高溫脅迫帶來的威脅，抗逆性強(qiáng)。對于溫度的適應(yīng)，應(yīng)該是苔蘚在溫度脅迫下具有適合溫度變化的光合作用機(jī)制和呼吸作用機(jī)制。因此，對苔蘚植物在高溫逆境環(huán)境下，既可以通過形態(tài)上的變化來降低水分的散失，也可以通過生理上脯氨酸含量的增加來應(yīng)付高溫環(huán)境的危害[16]。

4 討論

苔蘚植物是物種多樣性的重要組成部分，其在大自然扮演開拓土地維系水分等重要角色。在人類生活中，苔蘚植物在園藝和微縮景觀設(shè)計有著巨大價值。將苔蘚植物作為綠化工程選項已是進(jìn)行時。但對苔蘚植物的利用還面臨著生境的差異性，對苔蘚植物抗逆性的研究是其必要的前提保證。而脯氨酸作為植物體抗逆性重要的蛋白質(zhì)，以脯氨酸積累為指標(biāo)的抗逆性研究已應(yīng)用在各種植物領(lǐng)域。對在抗逆條件下苔蘚植物脯氨酸含量的變化進(jìn)行探討研究，發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫、干旱脅迫、銅脅迫和高溫脅迫條件下，抗逆性強(qiáng)的苔蘚植物脯氨酸含量明顯增加。研究的重點是探究苔蘚植物脯氨酸積累在脅迫作用下與其抗逆性的關(guān)系，苔蘚植物脯氨酸含量在抗逆條件下的增減可在一定程度上反映苔蘚植物的抗逆性。大多數(shù)抗逆性強(qiáng)的苔蘚植物能在脅迫條件下合成更多游離脯氨酸。以脯氨酸為生理指標(biāo)研究苔蘚植物的抗逆性，為不利環(huán)境的恢復(fù)和開發(fā)、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、解決生態(tài)經(jīng)濟(jì)問題等方面提供了科學(xué)依據(jù)。