環(huán)境脅迫下γ-氨基丁酸對(duì)植物生長(zhǎng)調(diào)控的研究進(jìn)展

李 穎， 魚小軍， 李 珍， 魏孔濤， 童永尚

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅省草業(yè)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

γ-氨基丁酸(GABA)，一種四碳非蛋白氨基酸類物質(zhì)，以自由態(tài)形式存在于各種生物中[1]，Steward等[2]于1949年的研究報(bào)告中提出GABA存在于馬鈴薯(Solanumtuberosum)塊莖中。之后諸多學(xué)者針對(duì)GABA在動(dòng)物和植物體中發(fā)揮的作用展開研究，研究證實(shí)GABA在動(dòng)物體內(nèi)是脊椎動(dòng)物抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，而在植物中是一種對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響的信號(hào)物質(zhì)，可作為未來新型植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑[3-5]。此外，諸多研究表明GABA在增強(qiáng)植物抗逆性方面有重要作用[4,6]，可通過參與信號(hào)傳遞，調(diào)節(jié)植物體抗氧化系統(tǒng)穩(wěn)定，保護(hù)光合器官以及維持植物碳氮平衡等方式參與逆境脅迫響應(yīng)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[4]。

GABA的產(chǎn)生主要有2種途徑，一是通過三羧酸循環(huán)的一個(gè)支路(GABA支路)進(jìn)行，正常環(huán)境條件下，植物體內(nèi)GABA含量極少，當(dāng)植物遭受長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境脅迫時(shí)，會(huì)導(dǎo)致植物發(fā)生代謝功能障礙、膜損傷和細(xì)胞成分降解，并發(fā)生胞質(zhì)酸化[7]，此過程使得細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高，繼而激活谷氨酸脫羧酶(Glutamate decarboxylase,GAD)，L-谷氨酸在GAD的催化作用下生成GABA，使得GABA含量大量提升，GABA能夠被存在于胞質(zhì)或線粒體中的γ-氨基丁酸轉(zhuǎn)氨酶(γ-aminobutyric acid transaminase,GABA-T)催化形成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸再在琥珀酸半醛脫氫酶作用下氧化為琥珀酸，最后進(jìn)入三羧酸(TCA)循環(huán)[8]。二是多胺降解途徑，植物體內(nèi)的腐胺(Putrescine,Put)、精胺(Spermine，Spm)和亞精胺(Spermidine,Spd)在多胺氧化酶(Polyamine oxidases. PAO)和二胺氧化酶(Diamine oxidase,DAO)作用下生成4-氨基丁醛、4-(3-氨丙基)-氨基丁醛，脫水后在吡咯啉脫氫酶的催化作用下轉(zhuǎn)化為GABA[9-10]。這兩種生成GABA的方式使其大量積累，保護(hù)脅迫下的植物免受傷害，同時(shí)在碳、氮和能量來源中起重要作用[11]。

目前，GABA對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育[4]，GABA產(chǎn)生途徑方式[12]和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用[13]的綜述較多，未見環(huán)境脅迫下GABA調(diào)控種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng)發(fā)育過程的總結(jié)，本研究綜合論述了GABA對(duì)于種子萌發(fā)、抗氧化作用、光合作用、氮代謝過程、GABA代謝和多胺代謝過程的調(diào)控作用，為讀者集中了解GABA在緩解環(huán)境脅迫中的作用提供理論參考。

1 GABA對(duì)植物種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)作為植物生命活動(dòng)的重要過渡時(shí)期，容易受環(huán)境脅迫的影響，如在鹽[14]、低溫[15]、鋁[16]等脅迫情況下，種子的出苗率和幼苗長(zhǎng)勢(shì)都會(huì)受到負(fù)面影響，表現(xiàn)為出苗不齊、出苗率低、苗長(zhǎng)勢(shì)弱或胚根和胚芽發(fā)育不全等，進(jìn)而使得植物正常生長(zhǎng)受到阻礙。因此，植物如何成功度過這一時(shí)期顯得尤為關(guān)鍵。近年來，通過施加外源物質(zhì)緩解植物受到環(huán)境脅迫的研究已成為熱點(diǎn)，相關(guān)研究表明GABA對(duì)植物種子萌發(fā)期的調(diào)控有重要作用[17]，GABA的主要施加方式為發(fā)芽前浸種處理，諸多研究試驗(yàn)結(jié)果表明通過GABA浸種的方式可提高種子發(fā)芽率，加快發(fā)芽速度，增加貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)化率值，促進(jìn)胚根和胚芽伸長(zhǎng)，增加植物早期幼苗鮮干重[18-19]。GABA對(duì)于種子萌發(fā)的影響大多具有“濃度效應(yīng)”，表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)發(fā)芽，高濃度抑制的趨勢(shì)，不同物種對(duì)于GABA的最佳響應(yīng)濃度各不相同，但在環(huán)境脅迫下均能產(chǎn)生一定的積極作用。鹽脅迫下，GABA浸種后種子貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)化率增加，有效緩解由脅迫引起的種子發(fā)育較差的情況，通過提高種子活力，促進(jìn)胚根發(fā)育，增加早期幼苗胚根長(zhǎng)度[18]。低溫下，GABA浸種通過加快可溶性糖等貯藏物質(zhì)的代謝，為種子萌發(fā)提供能量物質(zhì)，從而有效緩解環(huán)境脅迫，增強(qiáng)植物種子抗性[20]。淀粉酶是種子萌發(fā)過程中將淀粉轉(zhuǎn)化為小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要酶類，這一過程可為種子萌發(fā)提供能量[21]，當(dāng)植物遭受環(huán)境脅迫時(shí)，淀粉分解代謝受到抑制，會(huì)嚴(yán)重影響種子萌發(fā)。GABA浸種后，淀粉酶(α-淀粉酶和β-淀粉酶)活性顯著增強(qiáng)，從而加快了淀粉分解代謝速率，可為種子萌發(fā)提供更多的碳水化合物，相比于未經(jīng)過GABA浸種的種子能夠更快萌發(fā)，發(fā)芽率和種子活力也相應(yīng)提高[22]。綜合來看，GABA調(diào)控植物種子萌發(fā)的主要策略為GABA提前浸種后，當(dāng)種子遭受環(huán)境脅迫時(shí)，通過增強(qiáng)淀粉酶活性，加快可溶性糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生成，提供能量加速種子萌發(fā)，提高種子活力，為后期幼苗的生長(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。同樣的調(diào)控方式在Al脅迫下白三葉(Trifoliumrepens)種子萌發(fā)[23]和鹽堿脅迫下甜瓜(Cucumismelo)種子的萌發(fā)[24]中也有證實(shí)。

2 GABA對(duì)植物形態(tài)建成的調(diào)控作用

植物遭受環(huán)境脅迫的一個(gè)重要表現(xiàn)是生長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致地上和地下植物株高下降、莖粗減少、鮮重和干重降低[21]，若長(zhǎng)期處于不良環(huán)境中，將嚴(yán)重抑制幼苗的正常生長(zhǎng)發(fā)育，甚至發(fā)生死亡的現(xiàn)象，阻礙幼苗的建成[25]。環(huán)境脅迫下適度的GABA噴施處理對(duì)植物的株高，根系發(fā)育，生物量等各種生長(zhǎng)指標(biāo)均有一定的恢復(fù)作用。比如，干旱條件下，GABA噴施緩解了甜瓜幼苗葉片與根系的生長(zhǎng)抑制，提高了葉綠素含量、葉面積比及各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)，從而促進(jìn)幼苗葉片的伸展和根系的發(fā)育[26]；鹽脅迫下，0.5 mmol·L-1的GABA可促進(jìn)根系根毛的產(chǎn)生，從而增加根長(zhǎng)，根表面積和根體積，促進(jìn)根系發(fā)育[27]；高溫脅迫下，施用GABA后可促進(jìn)莖葉生長(zhǎng)，增加根長(zhǎng)[28]。GABA在調(diào)控環(huán)境脅迫下植物形態(tài)方面對(duì)各個(gè)器官和組織的生長(zhǎng)發(fā)育都發(fā)揮重要作用。目前對(duì)于幼苗期GABA的施用方式主要為葉片噴施或根系灌施，GABA之所以能夠緩解逆境下植物的形態(tài)變化，是因?yàn)镚ABA是一種極易被根系吸收的氨基酸態(tài)氮源，它參與硝酸鹽吸收過程，施加適量濃度的GABA后可促進(jìn)植物體硝酸鹽的吸收，刺激根系伸長(zhǎng)[29]，之后GABA被根系吸收后轉(zhuǎn)移至葉片，有效促進(jìn)植物多胺合成[30]，緩解環(huán)境脅迫。

3 GABA對(duì)植物抗氧化作用的調(diào)控

4 GABA對(duì)植物光合作用的調(diào)控

非生物脅迫通過破壞光合作用的主要成分(如類囊體膜和葉綠素)影響光合作用[37]，導(dǎo)致光合系統(tǒng)遭受破壞，光合速率降低[38]，植物葉片光合電子傳遞受阻，光合色素將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的速率降低，耗能增加[39]，最終對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。有研究表明GABA能夠通過減少葉綠體內(nèi)羥自由基含量，穩(wěn)定和保護(hù)葉綠體的類囊體，使得細(xì)胞避免遭受低溫傷害。另外，GABA也能起到清除細(xì)胞體外過量羥自由基的作用，同等條件下，其清除作用要強(qiáng)于脯氨酸和甜菜堿[40]。在王馨等[41]對(duì)西伯利亞白刺(Nitrariasibirica)研究試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，噴施適量的GABA可以提高NaCl脅迫下植物的凈光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(Gs)，降低胞間CO2濃度(Ci)，此結(jié)果也說明了適量外源GABA可通過降低NaCl脅迫下葉肉細(xì)胞光合活性的下降速度，使得西伯利亞白刺的光合效率與未施用GABA處理相比得到顯著提升[18]。在高溫脅迫下對(duì)水稻(Oryzasativa)幼苗進(jìn)行外源GABA施加后發(fā)現(xiàn)GABA會(huì)緩解高溫脅迫對(duì)幼苗光合特性的損傷，減少逆境下葉綠素含量、最大光量子效率(Fv/Fm)的降低速率，從而減小了高溫脅迫對(duì)光合作用的損害[28]。環(huán)境脅迫下使得植物體內(nèi)分解葉綠素酶活性增強(qiáng)，葉綠素分解速率加快，最終導(dǎo)致葉綠素含量下降[42]。外源GABA的施用雖不能消除環(huán)境脅迫所導(dǎo)致的葉綠素含量下降，但可減緩葉綠素含量的下降速度，從而緩解不良環(huán)境對(duì)光合組織所造成的傷害，同樣的研究在陳梓健[43]的研究中也有證實(shí)。因此，GABA預(yù)處理能夠通過減輕光合色素分解，促進(jìn)葉綠素合成，提高光合速率等方式減輕環(huán)境脅迫對(duì)于植物光合系統(tǒng)的損傷[44]，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。

5 GABA對(duì)植物氮代謝過程的調(diào)控

6 GABA對(duì)內(nèi)源GABA代謝和多胺代謝過程的調(diào)控

GABA調(diào)控植物抗逆性與植物體內(nèi)源GABA的大量積聚有關(guān)，環(huán)境脅迫下，GABA支路代謝和多胺代謝加快，有研究表明，逆境下GABA的積累量中有61%來自于GAD催化的谷氨酸降解途徑，39%來自于多胺降解途徑[55]。GAD是GABA支路代謝途徑中最重要的酶，GAD的活性與GABA的產(chǎn)生量成正相關(guān)[56]，因此，GABA對(duì)于環(huán)境脅迫下植物的緩解效應(yīng)可通過增加GAD活性，增加GABA含量以提高植物抗性。比如，在王春燕等[40]對(duì)甜瓜的研究中顯示，甜瓜幼苗的生長(zhǎng)受到低氧條件的極大限制，但通過噴施GABA后，使得GAD活性增加，催化谷氨酸形成GABA，從而緩解了低氧脅迫對(duì)于甜瓜的傷害。夏慶平等[44]在低氧脅迫下及李杰等[57]在干旱脅迫下的研究表明細(xì)胞GAD活性升高促進(jìn)GABA的合成是植物應(yīng)對(duì)脅迫條件的重要適應(yīng)機(jī)制。同時(shí)，Morteza等[58]提出耐寒的關(guān)鍵是增強(qiáng)GABA分流途徑的活性，通過提高GABA-T酶活性，可能會(huì)導(dǎo)致低溫下消耗GABA，提供較高ATP，降低H2O2的積累，使植物避免其傷害。另外，也有學(xué)者認(rèn)為GABA支路所生成的底物最終進(jìn)入TCA循環(huán)，提供給植物NADH和琥珀酸鹽，這一過程可為ATP的產(chǎn)生提供線粒體電子傳遞鏈，并在非生物脅迫下阻止H2O2的積累，保證TCA循環(huán)不間斷進(jìn)行，從而增強(qiáng)了植株抗性[59]。在GABA通過多胺代謝方式調(diào)控環(huán)境脅迫下植物生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)，外施GABA可通過促進(jìn)多胺(PAs)中的Put,Spm和Spd的游離態(tài)轉(zhuǎn)換為結(jié)合態(tài)與束縛態(tài)，使得3種形態(tài)的Spm和Spd積累，以誘導(dǎo)Put向Spm和Spd的方式來增強(qiáng)植物抗性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[60]。DAO和PAO是催化多胺降解的關(guān)鍵酶類，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多胺水平和生成物濃度參與植物體對(duì)環(huán)境脅迫的反應(yīng)，環(huán)境脅迫下DAO和PAO的活性受到顯著抑制[61-62]，而GABA可以緩解這種抑制作用并通過調(diào)控多胺含量來影響植物發(fā)育。Hu等[63]報(bào)道Ca(NO3)2脅迫下，甜瓜植物體內(nèi)多胺含量減少，外施GABA可通過提高PAs和GABA的生物合成以及防止PAs降解來提高甜瓜幼苗對(duì)Ca(NO3)2脅迫的耐受性。另外，外源GABA可以通過維持較高的PA水平和抑制PA降解來減少缺氧應(yīng)激的損傷[64]，這些關(guān)于GABA調(diào)控多胺代謝的研究可反映GABA可能通過維持多胺含量參與植物生長(zhǎng)發(fā)育過程。

7 結(jié)語(yǔ)和展望

綜上所述，GABA對(duì)種子萌發(fā)的影響是通過浸種增強(qiáng)淀粉酶活性，增加貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)化率，從而提高種子萌發(fā)指標(biāo)，促進(jìn)種子早發(fā)、快發(fā)；GABA對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)的影響是通過GABA噴施的方式調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)，減少ROS生成速率，提高植物光合速率，保護(hù)光合組織免受傷害，調(diào)控谷氨酸降解和多胺降解過程，促進(jìn)GABA含量增加，為TCA循環(huán)提供底物，緩解植物在逆境下的生長(zhǎng)發(fā)育，最后增強(qiáng)植物抗逆性。

雖然現(xiàn)如今有大量研究在GABA對(duì)植物抗逆性進(jìn)行了探究，但是GABA對(duì)低溫下草類植物的研究較少，GABA的實(shí)際應(yīng)用成功案例較少，只是在室內(nèi)試驗(yàn)中研究了GABA這種物質(zhì)，沒有將其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有效聯(lián)系等問題。未來的研究方向可以從以下幾個(gè)方面著手：(1) 以高寒草甸優(yōu)勢(shì)草種為目標(biāo)展開探究GABA對(duì)高寒草甸地區(qū)草種的調(diào)控作用，這對(duì)高寒草甸地區(qū)草地的補(bǔ)播和緩解家畜矛盾有重要價(jià)值；(2) GABA是一種信號(hào)物質(zhì)，但是信號(hào)通路的運(yùn)作方式亟待研究；(3) GABA的大田應(yīng)用方式，施用時(shí)間和成本效益需要進(jìn)一步的實(shí)踐探索；(4)將GABA與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行聯(lián)系，研發(fā)一種新型GABA增效復(fù)合肥，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)減肥增效的作用。

我們希望未來的研究能夠?qū)ABA的分子調(diào)控機(jī)理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用給與更深更實(shí)際的研究，這將進(jìn)一步理解GABA在植物抗逆性中的作用機(jī)理，為豐富GABA應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，更有效地提高植物抗逆性提供科學(xué)依據(jù)。