甜菜堿對(duì)植物鎘脅迫抗性影響的研究進(jìn)展

王潔敏，陳祖武，陳英姿，苗雪雪,龔浩如，陶曙華

（湖南省水稻研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游秈稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

鎘（Cd）是一種植物和人類非必需元素，但廣泛存在于土壤中。金屬鎘不溶于水，但其多種化合物溶于水，且易被植物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，在作物體內(nèi)富集并隨食物鏈的傳遞危害到整個(gè)生物圈及人類健康。根據(jù)我國(guó)2014 年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]顯示，全國(guó)土壤污染物總超標(biāo)率為16.1%，以無機(jī)型污染物為主，而其中鎘污染占比最重，高達(dá)7.0%，且重度污染點(diǎn)位比例遠(yuǎn)高于其他無機(jī)污染物。20 世紀(jì)60 年代，日本人長(zhǎng)期食用鎘污染水稻（Oryza sativa）最終導(dǎo)致骨痛病，而前幾年的湘米鎘超標(biāo)事件給湖南大米加工企業(yè)帶來巨大影響[2]。由此可見，鎘污染嚴(yán)重危害人類健康及損害經(jīng)濟(jì)。此外，鎘通過影響某些重要的生理生化過程嚴(yán)重抑制植物的生長(zhǎng)及發(fā)育[3]。

甜菜堿是廣泛分布在微生物、高等植物、動(dòng)物中一種無毒性的滲透調(diào)節(jié)劑，具有較穩(wěn)定的理化性質(zhì)。多項(xiàng)研究表明，在逆境脅迫下，植物體內(nèi)通過誘導(dǎo)甜菜堿及脯氨酸等小分子物質(zhì)，提高細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，降低因滲透失水造成的膜、酶、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的損傷，從而提高植物的抗逆性。但某些植物如水稻、番茄(Solanum lycopersicum)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)等體內(nèi)自身不能合成并積累甜菜堿，人們通過異源表達(dá)其他物種的甜菜堿合成基因或外源施加甜菜堿的方式來提高植物的抗逆性。甜菜堿緩解農(nóng)作物受重金屬脅迫的研究日益引起關(guān)注，文中將國(guó)內(nèi)外甜菜堿對(duì)植物鎘脅迫抗性的影響研究結(jié)果做一綜述。

1 甜菜堿對(duì)植物響應(yīng)鎘脅迫的影響

許多研究發(fā)現(xiàn)，甜菜堿可緩解植物鎘毒害。在5 μmol/L Cd 水培條件下，對(duì)Cd-敏感型及Cd-耐受型兩種基因型煙草(Nicotiana tabacum)葉面噴施500 μmol/L 甜菜堿，其體內(nèi)Cd 積累顯著降低，有效緩解了鎘脅迫對(duì)煙草株高及根長(zhǎng)的抑制作用，且對(duì)Cd-耐受型Yunyan2 的效果更好。他們還發(fā)現(xiàn)甜菜堿可使煙草在遭受鎘脅迫時(shí)維持葉/根細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的完整性[4]。在煙草培養(yǎng)細(xì)胞BY-2 中也獲得了相似結(jié)果[5]。Rasheed[6]等通過盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，外施甜菜堿可顯著減輕鎘脅迫兩個(gè)春小麥(Triticum aestivum)品種生長(zhǎng)抑制。施加適宜濃度的甜菜堿可提高鎘脅迫下黑麥草(Lolium perenne)的草坪品質(zhì)、歸一化相對(duì)蒸騰速率、地上部分生長(zhǎng)速率，可降低地上及地下部分Cd 的積累[7]。張根生等[8]發(fā)現(xiàn)外施甜菜堿后，超黑糯玉米(Zea mays)幼苗各器官的生長(zhǎng)狀況顯著優(yōu)于單獨(dú)Cd 處理組。路旭平等[9]發(fā)現(xiàn)葉施和根施30 mmol/L 的外源甜菜堿均可提高鎘脅迫下紫花苜蓿（Lotuscorniculatus）種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)，幼苗的根長(zhǎng)、株高增加值、根冠比、莖葉含水量。甜菜堿醛脫氫酶（BADH）是甜菜堿合成途徑中的一個(gè)關(guān)鍵酶，該酶由BADH 基因編碼，Shao 等[10]利用轉(zhuǎn)BADH 基因的水稻研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下轉(zhuǎn)基因植株的地上/地下部分鎘含量顯著低于其野生型對(duì)照。另有文獻(xiàn)表明，施加甜菜堿可明顯緩解鎘脅迫對(duì)綠豆（Vigna radiata）幼苗[11]、水稻幼苗[12]及棉花幼苗（Gossypium）[13]生長(zhǎng)的抑制作用。

然而在亞熱帶地區(qū)熱季對(duì)含Cd 土壤培養(yǎng)的盆栽莧菜（Amaranthus tricolor）施加甜菜堿，地上/地下部分的Cd 積累及Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均高于對(duì)照組，這可能是因?yàn)樘鸩藟A促進(jìn)了光合作用，增加了根際土壤中可溶性糖、溶解性有機(jī)碳及低分子量有機(jī)酸的含量，為根際微生物提供更多營(yíng)養(yǎng)從而調(diào)動(dòng)更多Cd 供植物吸收。另外施加甜菜堿能顯著增加葉片中葉綠素及果膠的含量，這使得植株對(duì)Fe、Mg、Ca 的需求增加，而大量的Cd 借助這些重金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)通道被運(yùn)送至植物體內(nèi)。該項(xiàng)研究暗示在亞熱帶地區(qū)熱季外施甜菜堿會(huì)加重莧菜植株所受到的鎘脅迫作用[14]。雷永康等[15]研究了在鹽脅迫下外源甜菜堿對(duì)莧菜吸收累積重金屬的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉面噴施甜菜堿顯著增強(qiáng)了莧菜對(duì)Ca、Mg、K 等鹽分離子的轉(zhuǎn)移，F(xiàn)e、Zn 離子的吸收和Ca 通道的開啟，這有助于Cd 等非必需重金屬元素借助這些鹽離子通道或載體進(jìn)入植物體內(nèi)，導(dǎo)致植株體內(nèi)Cd 含量增高。

2 甜菜堿影響植物鎘脅迫抗性的調(diào)節(jié)機(jī)制

2.1 甜菜堿在鎘脅迫下增強(qiáng)植物光系統(tǒng)的保護(hù)，提高光合速率

多項(xiàng)研究表明，鎘抑制植物光合作用，顯著降低多種植物的光合速率。高濃度鎘抑制5-氨基乙酰丙酸的合成及光敏原葉綠素酸酯還原酶復(fù)合體的組成，從而導(dǎo)致植物葉片中葉綠素含量降低[16-17]。鎘破壞葉綠體膜系統(tǒng)的完整性、葉綠體結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致其功能受影響[18]。鎘還可與蛋白質(zhì)中的巰基結(jié)合，取代鋅鎂等元素，使光合作用中關(guān)鍵酶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其失去活性[19]。鎘脅迫下植物往往表現(xiàn)氣孔導(dǎo)度（Gs）及胞間CO2濃度下降，影響光合作用的暗反應(yīng)[20]。此外，鎘脅迫下植株蒸騰速率下降，蒸騰拉力減弱，導(dǎo)致水分運(yùn)輸受阻，葉片中由于水分供應(yīng)不足抑制原初反應(yīng)[21]。這些結(jié)果最終導(dǎo)致植物在遭受鎘脅迫時(shí)凈光合速率明顯下降。

近年來，多項(xiàng)研究表明甜菜堿可以有效緩解鎘脅迫對(duì)植物光合作用的破壞。外施甜菜堿可提高小麥葉綠素a 和葉綠素b 的含量[22]，在春小麥中也得到相似結(jié)果[6]；用100 μmol/L 甜菜堿預(yù)處理可以將鎘脅迫的水稻幼苗葉綠素a、b 的含量恢復(fù)到對(duì)照組[12]；對(duì)鎘污染土壤中的莧菜葉面噴施5、10、50 mmol/L 甜菜堿，處理后莧菜葉片中的葉綠素含量均高于為處理組[14]；外源甜菜堿能夠提高鎘脅迫下煙草葉片葉綠素含量SPAD 值，甜菜堿同時(shí)是PSⅡ的有效穩(wěn)定劑，噴施甜菜堿有效緩解了Cd 處理后煙草葉片熒光參數(shù)的下降[5]；在0.5 mmol/L Cd 處理下，轉(zhuǎn)BADH 煙草在鎘脅迫下積累的甜菜堿能使植株維持較高的葉綠素含量，降低鎘脅迫對(duì)葉肉光合機(jī)構(gòu)的破壞、減少氣孔導(dǎo)度的降低從而維持較高的胞間CO2濃度，同時(shí)緩解了鎘脅迫對(duì)PSⅡ電子傳遞的抑制，維持較高的PSⅠ活性，提高光合速率[23]。張根生[8]研究發(fā)現(xiàn)，外源施加甜菜堿時(shí)，鎘脅迫下超黑糯玉米植株一系列光合參數(shù)指標(biāo)、最大光合效率及葉綠素含量均顯著提高。綜上所述，甜菜堿可以減少鎘脅迫對(duì)葉綠體結(jié)構(gòu)遭受破壞，促進(jìn)葉綠素的合成，減輕鎘對(duì)電子傳遞的抑制。此外，甜菜堿可保護(hù)和維持植物亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、大分子蛋白質(zhì)等復(fù)合物的高級(jí)結(jié)構(gòu)、生物膜的穩(wěn)定，如甜菜堿可保護(hù)PS Ⅱ顆粒[24-25]，水分脅迫下甜菜堿可進(jìn)入類囊體膜間腔穩(wěn)定光合機(jī)構(gòu)[26]；體外和體內(nèi)研究表明，甜菜堿可維持RuBP 羧化酶的活性[27]。因此，甜菜堿通過多種途徑提高植物在鎘脅迫下的光合效率，增強(qiáng)光合作用。

2.2 甜菜堿增強(qiáng)鎘脅迫下對(duì)活性氧的清除，緩解氧化脅迫

盡管Cd 不是氧化還原活性金屬離子，但會(huì)擾亂細(xì)胞內(nèi)多個(gè)代謝平衡，從而造成植物體內(nèi)積累大量的活性氧ROS，如超氧陰離子（O2-·）和過氧化氫（H2O2）[28]。過多的ROS 積累會(huì)對(duì)許多生物大分子如DNA、RNA、色素、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)等造成實(shí)質(zhì)性的傷害，進(jìn)一步引起丙二醛MDA 和電子滲透率的增加，即反應(yīng)出生物膜受到損傷[29-30]。多種植物研究表明，甜菜堿可以降低鎘脅迫積累的膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 的含量，緩解植物體內(nèi)的氧化脅迫。為抵御氧化脅迫的毒害，植物進(jìn)化出一系列抗氧化保護(hù)酶，如超氧化物歧化酶（SOD），抗壞血酸過氧化物酶（APX），過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等。研究發(fā)現(xiàn)，在一定濃度的鎘脅迫下抗氧化保護(hù)酶顯著升高，更高濃度鎘脅迫下則降低[13,31-32]，這表明植物在面對(duì)嚴(yán)重的鎘脅迫時(shí)，自身的抗氧化酶不足以解除重金屬的毒性。甜菜堿可以通過間接提高抗氧化酶系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)酶活的提高[7,23,33-34]，對(duì)ROS 的清除具有積極作用。對(duì)超黑糯玉米、紫花苜蓿外源施加甜菜堿，SOD、POD、CAT 酶活性均高于對(duì)應(yīng)的鎘脅迫對(duì)照組[8-9]。轉(zhuǎn)BADH 煙草在鎘脅迫下抗氧化酶活性均高于野生型植株[23]。甜菜堿還可以通過調(diào)控抗壞血酸（ASC）-谷胱甘肽(GSH)循環(huán)幫助植物應(yīng)對(duì)鎘脅迫。張根生等在研究超黑糯玉米時(shí)發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下，甜菜堿可使植株體內(nèi)維持較高的ASC-GSH 循環(huán)酶的活性、抗氧化劑ASC 及GSH 的含量，以此保護(hù)植株不受ROS 的損害。研究甜菜堿對(duì)鎘脅迫下煙草BY-2 細(xì)胞及綠豆ASC-GSH 循環(huán)的影響時(shí)得到類似結(jié)果[5,11]。因此，甜菜堿可通過增加總抗氧化劑及抗氧化酶活性，提高鎘脅迫下植株活性氧的清除能力，減輕氧化脅迫。

甜菜堿自身是一種良好的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可迅速滲透到植物器官，提高細(xì)胞吸水或保水能力。此外，在植物遭受逆境脅迫時(shí)，甜菜堿可通過提高植物體內(nèi)其他滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白的含量，增強(qiáng)自身對(duì)不良環(huán)境的抵抗力[8,35]。

2.3 甜菜堿通過調(diào)節(jié)重金屬的積累維持植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的平衡

Cd2+能與土壤中的其他二價(jià)陽離子如Zn2+、Fe2+、Ca2+、Mn2+、Cu2+、Mg2+競(jìng)爭(zhēng)交換位點(diǎn)。且植物沒有Cd 這種非必需元素的專門轉(zhuǎn)運(yùn)體，一般Cd 的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)需要借助Zn2+、Fe2+、Ca2+等離子的轉(zhuǎn)運(yùn)體。當(dāng)處在高Cd 環(huán)境時(shí)，Cd 降低植物對(duì)這些營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，且Cd 會(huì)抑制轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)金屬元素的裝載，影響植物螯合肽的形成，造成葉片和根系營(yíng)養(yǎng)元素的缺乏。外施甜菜堿增加了玉米種子對(duì)Cd、Cr、Zn 等重金屬離子的吸收[36]，葉面噴施甜菜堿也顯著增強(qiáng)莧菜對(duì)重金屬元素Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 等離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[15]。可能是因?yàn)樘鸩藟A激活了Ca 離子的通道，改變了Ca、Mg、Na 等離子的吸收和轉(zhuǎn)移，增加了重金屬離子通過Ca 通道進(jìn)入植物細(xì)胞的機(jī)會(huì)。同時(shí)，甜菜堿增加了Fe、Zn 的吸收，可促進(jìn)重金屬Cd 通過Fe、Zn 的轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入植物體內(nèi)[14-15]。而對(duì)水稻種子用甜菜堿預(yù)處理后再進(jìn)行鎘脅迫，測(cè)定地上/地下部分重金屬元素的含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理后的植株Cd 含量顯著低于對(duì)照組，可能與甜菜堿降低了地上/地下部分Fe 含量相關(guān)。外源甜菜堿可提高根系質(zhì)膜H+-ATPase活性，增加對(duì)K+的選擇吸收[37]，而K+的增加能抑制Cd2+進(jìn)入植物體內(nèi)[38]。封鵬雯等利用非損傷微測(cè)技術(shù)對(duì)煙草根尖的Cd2+進(jìn)出進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下，甜菜堿降低植株對(duì)Cd2+的吸收，同時(shí)加強(qiáng)Cd2+的外排。甜菜堿能夠降低鎘脅迫引起的K+的外流，維持較高K+含量，緩解鎘脅迫造成的毒害[23]。

3 展 望

盡管甜菜堿提高植物抗逆性的研究已取得一定進(jìn)展，但與重金屬脅迫抗性尤其是與鎘脅迫的關(guān)系研究尚處于起步階段。關(guān)于甜菜堿滲透調(diào)節(jié)、保護(hù)功能的研究很多，但是在細(xì)胞及分子生物學(xué)水平上還需對(duì)其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究；關(guān)于外源甜菜堿對(duì)作物不同品種、同一品種的不同生育期、不同施加方式及最優(yōu)作用濃度的選擇要予以細(xì)致探討；甜菜堿在提高植物重金屬脅迫抗性的同時(shí)，對(duì)其農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量是否有影響，還應(yīng)將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與大田實(shí)踐結(jié)合，以期能夠應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。