非結(jié)構(gòu)性碳水化合物參與茶樹逆境脅迫響應(yīng)的生理生化機制研究進(jìn)展

梁士才，王緩，何珊，李波，丁兆堂，王玉，范凱，錢文俊*

1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 山東省園藝作物基因改良工程實驗室，山東 青島 266109；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，山東 濟南 250100

碳水化合物是植物組成中的主要有機物之一，根據(jù)存在形式可將其分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物。其中，結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要包括纖維素、木質(zhì)素和果膠等，主要參與植物形態(tài)建成；非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC），主要包括可溶性糖（SS）和淀粉等，是植物光合作用的主要產(chǎn)物，主要在植物生長發(fā)育、能量代謝、調(diào)節(jié)“庫-源”關(guān)系和逆境脅迫響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。眾多研究表明，當(dāng)植物面臨低溫、干旱和鹽等逆境脅迫時，NSC 可作為重要的滲透保護(hù)劑、活性氧（ROS）清除劑和糖信號分子參與植物抗逆響應(yīng)。

茶樹[Camellia sinensis(L.)O.Kuntze]作為多年生常綠葉用植物，其適生于熱帶和亞熱帶溫暖濕潤環(huán)境。作為典型的短日照植物，茶樹生長發(fā)育常年遭受多種生物（病害和昆蟲）和非生物（缺素、低溫、干旱、澇害和高鹽堿等）脅迫影響。與其他植物一樣，為了適應(yīng)和抵御這些逆境脅迫，茶樹在長期進(jìn)化過程中逐漸形成了一套完整且復(fù)雜的防御響應(yīng)機制。NSC 作為茶樹主要的光合產(chǎn)物，廣泛參與到茶樹逆境脅迫響應(yīng)中。本文系統(tǒng)總結(jié)了NSC 在茶樹逆境脅迫響應(yīng)中的生理生化功能研究進(jìn)展，以期為深入探究NSC 在茶樹抗逆響應(yīng)中的作用提供理論支撐。

1 NSC作為滲透保護(hù)劑參與茶樹抗逆響應(yīng)

大量研究表明，當(dāng)植物處于水澇[1]、高鹽[2]、干旱[3]、高溫[4]和低溫[5]等逆境條件下，體內(nèi)會積累大量的脯氨酸（Pro）、SS、可溶性蛋白（SP）和甜菜堿（GB）等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而有效維持植物細(xì)胞滲透平衡，保證植物正常生長發(fā)育和增強抗逆能力。其中，SS 作為一種主要的NSC 物質(zhì)，是一類重要的滲透保護(hù)劑，能廣泛參與植物各種逆境脅迫響應(yīng)（圖1）。

圖1 NSC滲透調(diào)節(jié)模式圖

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，植物在遭受冷害和凍害時，體內(nèi)會積累大量蔗糖（Suc）、棉子糖（Rfo）和海藻糖（Tre）等NSC 物質(zhì)，以降低細(xì)胞滲透勢，減小植物脫水速率，從而避免植物細(xì)胞因脫水過多而死亡[6]；另外，NSC的積累還能起到降低細(xì)胞質(zhì)冰點的作用，當(dāng)溫度低于0 ℃時能有效降低葉片結(jié)冰速率和葉片凍傷面積[7-8]。同樣，在干旱條件下，植物為適應(yīng)干旱脅迫，體內(nèi)會合成積累SS，能有效降低細(xì)胞滲透勢，提高細(xì)胞保水能力，并維持細(xì)胞膨壓，從而大大減輕葉片萎蔫程度[9]。另外，高鹽脅迫下植物生長發(fā)育受到抑制，為適應(yīng)鹽堿脅迫，植物在接收鹽脅迫信號后，體內(nèi)的可溶性物質(zhì)含量會升高，其中NSC 類如葡萄糖（Glc）、果糖（Fru）和可溶性淀粉等含量升高較為顯著，并且在脅迫過程中NSC 含量一直維持在相對較高的水平[10]。

同樣，NSC 可作為重要的滲透保護(hù)劑參與茶樹抗逆響應(yīng)過程。研究表明，在茶樹冷馴化期間，茶樹體內(nèi)的NSC 含量顯著增加，且在馴化后達(dá)最大值，是馴化前的3倍；同時，可溶性還原糖含量同樣顯著升高，其中，Suc 占可溶性總糖（TSS）的80%以上，在茶樹抗寒響應(yīng)中可能起關(guān)鍵作用，其可作為重要的細(xì)胞滲透物，參與茶樹葉片細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)。另外，在冷馴化期間，茶樹中的Glc、Fru、Rfo 和半乳糖（Gal）含量均有不同程度的增加，而淀粉含量則顯著降低。綜合表明，冷馴化期間，茶樹體內(nèi)淀粉降解產(chǎn)生NSC類物質(zhì)，而NSC 含量升高能促進(jìn)茶樹抗寒性的提高[11]。與上述研究相似，薄曉培等[12]比較了不同茶樹品種越冬期和早春期的NSC 含量變化情況發(fā)現(xiàn)，茶樹中NSC 含量的變化趨勢與溫度變化負(fù)相關(guān)，溫度最低時NSC 含量最高，而當(dāng)溫度逐漸升高后，Suc 和Glc 等NSC 含量逐漸降低，說明茶樹NSC與茶樹抗寒性密切相關(guān)。葛菁等[13]運用高效液相色譜-蒸發(fā)光散射（HPLC-ELSD） 檢測技術(shù)對皖茶91、嘉茗1 號、龍井43、平陽特早茶中NSC進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示，氣溫在1—2 月達(dá)到最低點時，F(xiàn)ru、Glc和Suc含量均顯著增加，并且NSC含量由大到小依次為皖茶91、龍井43、平陽特早茶、嘉茗1號，與其抗寒性強弱一致，可見低溫條件下茶樹體內(nèi)積累Fru、Glc和Suc，并且NSC含量越高，其抗寒性越強。另外，Qian等[14]對茶樹進(jìn)行短時低溫處理，并測定NSC 含量后發(fā)現(xiàn)，茶樹葉片中NSC 類，TSS、Suc、Glc和Fru 含量均隨低溫處理時間延長而逐漸上升；恢復(fù)常溫后，這些糖類物質(zhì)含量又逐漸降低。楊小青等[15]研究發(fā)現(xiàn)，盆栽茶苗葉片中的Suc含量在低溫條件下呈上升趨勢，且隨處理時間延長含量逐漸升高。另外，外源噴施10.00 mmol/L γ-氨基丁酸（GABA）、0.22 mg/mL綠藻粉及2.50 mg/mL 竹醋液能顯著提高茶樹葉片中的Suc含量。這些滲透物質(zhì)的增加能顯著調(diào)節(jié)葉片細(xì)胞滲透壓，保護(hù)膜穩(wěn)定性，增強細(xì)胞抗逆能力。外源噴施5-氨基乙酰丙酸同樣能提高低溫脅迫下茶樹葉片中的NSC含量[16]。

除響應(yīng)低溫脅迫外，NSC 在茶樹干旱脅迫響應(yīng)中同樣具有重要作用。在輕度干旱脅迫下，茶樹原生質(zhì)體脫水會導(dǎo)致細(xì)胞彈性和黏度增加，從而增強茶樹抗旱性，但在重度干旱脅迫下，茶樹會因原生質(zhì)脫水過多而導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡。王小萍等[17]對福鼎大白茶、特早213，以及3 個野生茶樹品種S-1、T-1 和D-1 進(jìn)行自然干旱處理發(fā)現(xiàn)，福鼎大白茶、特早213、S-1、T-1 這4 個品種在干旱處理14 d后NSC含量達(dá)到最大值，分別為CK的1.80、1.12、1.45、4.52 倍，但隨處理時間延長，NSC 含量均逐漸降低；D-1 則在處理7 d 時達(dá)到最大值，約為CK的1.62倍，隨后，NSC含量逐漸降低。另外，羅靜等[18]對5個茶樹優(yōu)良品系進(jìn)行重度干旱處理時發(fā)現(xiàn)，5 個品系中NSC 含量分別為CK的1.75、1.51、2.36、2.08、1.40 倍，綜合評估發(fā)現(xiàn)茶樹NSC 含量與其抗旱性呈正相關(guān)。此外，干旱脅迫下，茶樹中的NSC 含量還受外源激素或無機物的調(diào)控。周琳等[19]對干旱脅迫下的茶樹進(jìn)行外源脫落酸（ABA）處理發(fā)現(xiàn)，NSC 含量在輕度干旱時升高不顯著，但重度干旱脅迫下茶樹中NSC含量顯著升高，且外源噴施ABA的茶樹中NSC含量較對照茶樹中要高，說明茶樹NSC 能響應(yīng)干旱脅迫，并且外源ABA能調(diào)控干旱脅迫下NSC含量的增加，從而提高茶樹抗旱能力。符姿[20]對干旱脅迫下的茶樹進(jìn)行外源硫化氫（H2S）處理后發(fā)現(xiàn)，茶樹扦插苗中NSC 含量受干旱脅迫顯著提高，且不同外源H2S 處理后，NSC 含量較干旱處理增加51.86%～101.65%，茶樹抗旱能力提高。

鹽脅迫處理下，茶樹中NSC 含量同樣會發(fā)生變化。胡國策[21]研究發(fā)現(xiàn)，酸、堿、鹽和鹽堿脅迫下茶樹葉片中的NSC 含量顯著提高，其中，鹽堿脅迫下NSC 含量增加最多，顯著高于酸、堿脅迫。南雪芹[22]研究也發(fā)現(xiàn)，NaCl 脅迫處理下茶樹葉片中NSC 含量升高，而且接種叢枝菌根真菌可顯著提高NaCl 脅迫下茶樹葉片中的可溶性物質(zhì)含量。

2 NSC作為ROS清除劑參與茶樹抗逆響應(yīng)

NSC 不僅是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，還是植物中重要的ROS 清除劑，可直接參與植物中ROS 清除，或通過介導(dǎo)植物中抗氧化物質(zhì)的合成間接參與植物逆境下積累的ROS清除[23]。如圖2所示，植物在遭受生物或非生物脅迫時，植物體內(nèi)的Suc、Glc 和Rfo 家族寡糖含量以及糖轉(zhuǎn)運體基因（SU-Ts和MSTs）表達(dá)量升高，從而促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)抗氧化物質(zhì)〔果聚糖、花青素、谷胱甘肽（GSH）和抗壞血酸〕含量的升高，進(jìn)而提高了ROS 的清除能力[24-29]。此外，外源Suc 不僅能夠調(diào)控植物體內(nèi)相關(guān)酶（苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶和芥子酶）的活性，而且能夠提高多酚類化合物的含量[30-32]。值得一提的是，Tre具有保護(hù)細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶活性、維持細(xì)胞正常生理功能以及穩(wěn)定脫水生物膜、干燥蛋白質(zhì)的作用，能有效防止自由基對細(xì)胞的損傷[33-34]。

圖2 NSC作為ROS清除劑作用模式圖

與其他植物一樣，茶樹在逆境脅迫條件下同樣伴隨著ROS 的大量產(chǎn)生。為清除過量的ROS，茶樹體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。其中，NSC中的SS類物質(zhì)被報道可作為重要的ROS清除劑參與茶樹逆境響應(yīng)過程。石玉濤等[35]在對武夷名叢茶樹種質(zhì)資源中的茶多糖體外抗氧化活性研究中發(fā)現(xiàn)，茶多糖能夠參與清除DPPH·和·OH自由基。其中，茶多糖中起抗氧化作用的組分主要包括中性糖、糖醛酸以及一些蛋白質(zhì)成分，而中性糖主要包括Glc、阿拉伯糖、Gal 和鼠李糖，說明上述NSC 類物質(zhì)可能作為重要的抗氧化劑參與茶樹逆境脅迫響應(yīng)。另外，茶樹中的原花青素（PAs）屬于典型的抗氧化劑，具有極強的抗氧化能力。Wang等[36]通過對促進(jìn)PAs積累的MYB（SI-MYB）轉(zhuǎn)錄因子研究發(fā)現(xiàn)，茶樹中PAs 的生物合成受到MYB等多種MBW復(fù)合物的調(diào)控，其中Suc誘 導(dǎo) 的MYB （SIMYB） 轉(zhuǎn) 錄 因 子 基 因（Cs-MYB5b）在煙草中過表達(dá)后能上調(diào)表達(dá)關(guān)鍵靶基因LAR和ANRs，從而加速PAs的合成和積累；此外，在擬南芥tt2突變體中外源過表達(dá)該基因，能恢復(fù)擬南芥突變體種皮中PAs 的合成功能，表明Suc 能通過誘導(dǎo)CsMYB5b的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)PAs 的積累，從而提高茶樹的抗氧化能力和抗逆能力。同樣，Qian等[37]研究發(fā)現(xiàn)，外源Suc處理茶苗有利于多酚類物質(zhì)的積累，其中包括花青素、兒茶素和PAs 等，同時發(fā)現(xiàn)隨Suc 含量的增加，花青素、兒茶素和PAs總含量增加，并且在處理14 d后積累量最為顯著。此外，韓亞惠[38]在對Suc處理后的茶樹進(jìn)行RNA-Seq后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Suc誘導(dǎo)后，茶樹中類黃酮代謝途徑中的很多結(jié)構(gòu)基因和參與類黃酮生物合成的第五亞族的MYB 類轉(zhuǎn)錄因子基因上調(diào)表達(dá)，而第四亞族中的MYB 轉(zhuǎn)錄因子下調(diào)表達(dá)，其中CsMYB5a、CsMYB5b和 靶 基 因CsLAR、CsANR在Suc 處理后顯著上調(diào)表達(dá)。其進(jìn)一步通過sRNA-seq 和降解組測序分析發(fā)現(xiàn)，外源Suc 處理后共有26 個差異表達(dá)的miRNA。預(yù)測結(jié)果顯示， 差 異 表 達(dá)miRNA 中CsC4Hb、Cs4CLc、CsCHla和CsLARb基因參與調(diào)控兒茶素生物合成。綜合表明，外源Suc能通過誘導(dǎo)類黃酮合成代謝相關(guān)基因的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)茶樹兒茶素和PAs的合成積累，從而提高茶樹抗氧化能力。除此之外，岳川等[39]研究發(fā)現(xiàn)，茶樹谷胱甘肽還原酶基因Cs-GRs能夠響應(yīng)低溫（4 ℃）、10%PEG、NaCl 和ABA，并且在4 ℃和10%PEG 脅迫下茶樹細(xì)胞內(nèi)GSH 含量增加，同時，NSC 中的Glc、Suc、果聚糖和Tre等含量也呈上升趨勢，推測這些物質(zhì)可能參與了GSH 合成途徑或能夠誘導(dǎo)谷胱甘肽還原酶基因CsGRs表達(dá)，從而促進(jìn)茶樹中GSH 的積累，最終提高茶樹抗氧化能力。

3 NSC作為糖信號分子參與茶樹抗逆響應(yīng)

除上述功能外，NSC中的Suc、Glc和Fru等還能作為糖信號分子，通過調(diào)控基因表達(dá)以及相關(guān)酶活性參與植物抗逆響應(yīng)[40-41]。目前，糖信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機制是植物抗逆響應(yīng)研究的一大熱點。其中，海藻糖-6-磷酸（T-6-P）、葡萄糖感應(yīng)器——己糖激酶（HXK）、蔗糖非發(fā)酵激酶（SnRK1）、雷帕霉素（TOR） 是糖信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心元件[42-44]。不僅如此，在逆境脅迫下，蔗糖特異信號途徑能誘導(dǎo)果聚糖、花青素和Pro的積累，從而達(dá)到增強植物抗氧化能力的效果[45-46]，并且Suc 信號能夠調(diào)控果實成熟以及誘導(dǎo)抗寒基因COR78的表達(dá)上調(diào)[47-48]。

此外，植物體中存在一種依賴于TOR 激酶的Glc信號，該信號能通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控和翻譯后修飾兩種方式參與調(diào)控細(xì)胞自噬水平[49]。與之類似，Glc信號途徑能夠依賴于HXK 介導(dǎo)多種植物激素的合成和代謝。如圖3所示，HXK接收Glc信號后，基因HXK1上調(diào)表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)ABA 合成相關(guān)基因（NCED、ABAs、CYP707s和AAOs等）表達(dá)上調(diào)，并促進(jìn)了ABA的生物合成。ABA含量的升高一方面能通過誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉增加脫水抗性以及抗病性，另一方面能通過誘導(dǎo)很多抗性基因（DREB、ABI3、FKBP12、PUBP12、PUBP13和SARK等）的上調(diào)表達(dá)以參與植物抗逆響應(yīng)。此外，HXK能抑制細(xì)胞分裂素（CK）生物合成，且HXK1的上調(diào)表達(dá)可能還會影茉莉酸（JA）和水楊酸（SA）的生物合成，從而影響下游基因的表達(dá)調(diào)控，最終介導(dǎo)植物的抗逆響應(yīng)過程[50-51]。

圖3 葡萄糖信號-植物激素信號互作及植物激素響應(yīng)逆境脅迫模式圖

目前，有關(guān)茶樹中NSC 作為糖信號分子參與抗逆響應(yīng)的分子調(diào)控機制研究還不夠深入，尚處于NSC 代謝相關(guān)基因的鑒定、表達(dá)分析和功能初探階段，而糖信號與激素等的交互研究也相對較少。其中，馮霞等[52]研究發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下，茶樹中的CsCIPK12和CsKIN110在成熟葉中的表達(dá)顯著上調(diào)，同時對茶樹成熟葉進(jìn)行外源Glc 以及Suc 處理發(fā)現(xiàn)，CsCIPK12與CsKIN110表達(dá)上調(diào)，表明二者可能通過糖信號途徑參與了茶樹抗寒響應(yīng)。另外，陳江飛等[53]和李娜娜等[54]對茶樹己糖激酶基因CsHXK1和CsHXK2啟動子進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，二者啟動子中均含有糖信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的順式作用元件，推測茶樹中Glc 或Fru 信號可以誘導(dǎo)抗逆基因CsHXK1和CsHXK2的表達(dá)，從而提高茶樹抗逆性。岳川[11]對CsHXK3啟動子分析發(fā)現(xiàn)，該基因啟動子中包含糖抑制響應(yīng)元件和多種逆境響應(yīng)元件，表明該基因可能受己糖信號調(diào)控并參與茶樹抗逆響應(yīng)。

此外，蔗糖非發(fā)酵蛋白激酶2（SnRK2）基因能通過ABA 依賴和非依賴途徑參與植物非生物脅迫響應(yīng)。目前，茶樹中已克隆獲得8 個SnRK2基因。其中，CsSnRK2s基因能響應(yīng)高鹽和干旱脅迫， 而CsSnRK2.1、CsSnRK2.5、CsSnRK2.6、CsSnRK2.7、CsSnRK2.8能響應(yīng)ABA信號[55]。盡管茶樹中有關(guān)糖信號與SnRK2基因之間關(guān)系的研究較少，但前期有研究發(fā)現(xiàn)己糖信號能調(diào)控CsSnRKs表達(dá)以參與抗逆響應(yīng)，而且CsHXKs能與ABA 信號協(xié)同參與抗逆響應(yīng)，推測茶樹中糖信號可能也能通過CsSnRKs基因達(dá)到與ABA 信號協(xié)同參與茶樹抗逆響應(yīng)的作用。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，NSC 參與茶樹逆境響應(yīng)的生理生化機制研究已取得一系列成果。本文從生理生化層面系統(tǒng)綜述了NSC 在茶樹逆境響應(yīng)中的滲透保護(hù)、ROS 清除以及糖信號分子功能。然而，如本文所述，茶樹中關(guān)于NSC 作為ROS 清除劑和糖信號分子的研究尚淺，主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是關(guān)于Suc、Tre 和果聚糖等自身具有抗氧化能力的NSC 在茶樹中的抗氧化機制尚未深入研究；另一方面是茶樹中一些糖信號途徑，如蔗糖特異信號途徑、HXK 介導(dǎo)的ABA 信號途徑和Glc-TOR信號途徑等均與茶樹逆境脅迫響應(yīng)息息相關(guān)，但目前上述信號途徑在茶樹中的研究尚未開展。因此，為全面解析NSC的抗逆功能，未來應(yīng)注重探究茶樹中糖信號對逆境響應(yīng)的精細(xì)調(diào)控機制。