褪黑素在植物抵御逆境脅迫過(guò)程中的作用

王春林,王風(fēng)琴

(1.隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院,甘肅慶陽(yáng) 745000;2.隴東學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅慶陽(yáng) 745000)

生長(zhǎng)在自然界中的植物,經(jīng)常會(huì)受到物理、輻射性、化學(xué)、溫度及水分等非生物脅迫和病蟲(chóng)害及雜草等生物脅迫的影響,逆境條件下,植物體內(nèi)活性氧生成量增加,而清除能力降低,使細(xì)胞內(nèi)活性氧累積且超過(guò)傷害閾值,引起膜脂過(guò)氧化加劇及葉綠素和核酸等生物功能分子破壞,導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性破壞,選擇透性喪失,電解質(zhì)及某些小分子有機(jī)物大量滲漏,細(xì)胞質(zhì)的交換平衡被破壞,引起一系列生理生化代謝紊亂,短時(shí)間脅迫解除后,植物可繼續(xù)生長(zhǎng),長(zhǎng)時(shí)間脅迫可引起植物死亡。因此,研究外源物質(zhì)在植物抗逆生理方面的作用,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

褪黑素,化學(xué)名稱(chēng)為N-乙酰基-5-甲氧基色胺,是色氨酸的吲哚衍生物,1958年科學(xué)家從牛的松果體中首次發(fā)現(xiàn),因其能使蝌蚪皮膚由黑色變成淺白而命名為褪黑素[1]。經(jīng)過(guò)30多年研究,科學(xué)家陸續(xù)從其他動(dòng)物、植物和細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了褪黑素。在高等植物許多器官中都含有褪黑素,其含量因植物種類(lèi)和器官不同而異,一般情況下,種子>葉>根>花>果實(shí)[2]。褪黑素與植物激素吲哚乙酸(IAA)有相同的前體物質(zhì)和相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),二者也有部分相同的生理功能。研究表明,褪黑素作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,具有促進(jìn)種子萌發(fā)[3],調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育[4],調(diào)控果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育、促進(jìn)采后果實(shí)成熟和延緩果實(shí)衰老等作用[5],尤其參與植物對(duì)逆境響應(yīng)的調(diào)節(jié),能夠提高植物對(duì)非生物脅迫的抗性。近年來(lái),褪黑素在作物抗逆性方面研究成為一個(gè)熱點(diǎn),人們對(duì)褪黑素在糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、牧草、花卉等從抗旱性、抗鹽堿性、抗冷性、抗重金屬方面做了大量研究。筆者就褪黑素在植物抗逆過(guò)程中生理生化方面的影響進(jìn)行綜述,以期為該領(lǐng)域研究提供相關(guān)信息。

1 褪黑素與植物抗旱性

100 μmol/L褪黑素可提高干旱脅迫下棉花種子發(fā)芽能力[6];褪黑素可明顯改善PEG處理模擬干旱脅迫下小麥種子的發(fā)芽狀況,以300 μmol/L為有效濃度[7],說(shuō)明褪黑素在緩解干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響存在劑量效應(yīng),其有效濃度因作物種類(lèi)而異。馬旭輝等[8]研究表明,施加褪黑素顯著提高玉米幼苗根長(zhǎng)、根表面積、根體積和側(cè)根數(shù)目等根系參數(shù)。王貞升[9]研究了不同濃度的褪黑素對(duì)干旱脅迫下青綠薹草幼苗根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明,根施100 μmol/L褪黑素20 d時(shí)可顯著緩解干旱對(duì)根系結(jié)構(gòu)的影響,且根系解剖指標(biāo)最優(yōu)、結(jié)構(gòu)完整、染色體較為清晰。褪黑素可以緩解水分虧缺對(duì)春小麥葉片造成的傷害,維持了較高的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量,緩解了干旱脅迫下光合能力的下降,主要通過(guò)提高葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]。張明聰?shù)萚11]在大豆試驗(yàn)中也得到了相似的結(jié)果。趙成鳳等[12]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),褪黑素提高干旱脅迫下玉米葉片光合速率,主要是通過(guò)提高2個(gè)光系統(tǒng)量子產(chǎn)額,并降低葉片光系統(tǒng)I的非光化學(xué)能量耗散的量子產(chǎn)額。干旱脅迫下褪黑素對(duì)大豆鼓粒期葉片碳氮代謝調(diào)控的途徑分析表明,褪黑素通過(guò)調(diào)節(jié)氨基酸代謝和淀粉蔗糖代謝途徑,促進(jìn)干旱脅迫下β-葡萄糖苷酶基因表達(dá),提高了 L-天冬酰胺和6-磷酸葡萄糖代謝物的含量,最終提高了大豆的抗旱性[13]。

2 褪黑素與植物抗鹽堿性

土壤鹽堿化是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境惡化的全球性問(wèn)題。鹽堿混合脅迫下,作物面臨著高pH、滲透脅迫和營(yíng)養(yǎng)失衡等多重傷害[14]。外源施用褪黑素可有效緩解鹽堿對(duì)植物造成的傷害,提升作物抗鹽堿能力。左月桃等[15]研究發(fā)現(xiàn),200 μmol/L褪黑素可顯著緩解鹽堿脅迫下小黑麥種子萌發(fā)滯緩現(xiàn)象,增加地上部分和地下部分生物量,增加葉片和根系保護(hù)酶和抗氧化活性,通過(guò)提高小黑麥抗氧化系統(tǒng)的運(yùn)行效率[主要提高抗壞血酸(AsA)/脫氫抗壞血酸(DHA)和還原性谷胱甘肽(GSH)/氧化性谷胱甘肽(GSSG)比值]和抗氧化能力提高其抗鹽堿能力。褪黑素也可以通過(guò)減少高硝酸鹽引起黃瓜幼苗體內(nèi)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的積累,提高硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶、谷氨酸脫氫酶等與氮代謝相關(guān)酶的活性,促進(jìn)黃瓜葉片氮同化,提高氮代謝[16]。硝酸鹽脅迫下,100 μmol/L褪黑素處理亦可提高番茄幼苗葉片中脯氨酸、游離氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,有效緩解硝酸鹽對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜的傷害,從而增強(qiáng)植株的抗鹽堿性[17]。

葉片解剖結(jié)構(gòu)方面,有研究發(fā)現(xiàn)外源褪黑素可以增加鹽堿脅迫下越橘葉片、上、下表皮、柵欄組織和海綿組織厚度,比鹽堿脅迫下依次增加34.81%、34.11%、92.48%、35.11%、30.74%,表明改變?nèi)~片結(jié)構(gòu),增強(qiáng)越橘對(duì)鹽堿環(huán)境的適應(yīng)性,以200 μmol/L為最佳濃度[18]。

光合作用方面,褪黑素處理可有效緩解鹽堿脅迫引起越橘葉片光合色素含量的降低,200 μmol/L褪黑素處理可使越橘葉片光合色素含量恢復(fù)無(wú)鹽堿脅迫水平,提高了葉片凈光合速率(Pn)[18],范海霞等[19]在研究褪黑素對(duì)鹽脅迫金盞菊的光合及生理特性的影響中得到了相似的結(jié)論。對(duì)黃瓜和越橘的研究顯示,褪黑素可提高葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo,維持葉片內(nèi)在光能的轉(zhuǎn)化和利用過(guò)程,維持PSⅡ光化學(xué)活性,提高光能轉(zhuǎn)化率[16,18]。褪黑素雖然能夠緩解鹽堿脅迫對(duì)植物光合能力的下降,但是不能使其恢復(fù)到正常的水平。

3 褪黑素與植物抗冷性

溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的最主要因素[20],高于或者低于植物生長(zhǎng)的最適溫度都會(huì)使植物的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程受到障礙。大量研究表明,褪黑素可以減輕低溫對(duì)于作物造成的傷害。李賀[21]在研究褪黑素對(duì)大豆苗期低溫脅迫抗性調(diào)控中發(fā)現(xiàn),褪黑素處理可促進(jìn)大豆苗期的生長(zhǎng)發(fā)育,增強(qiáng)幼苗抗冷性的同時(shí),通過(guò)提高抗氧化系統(tǒng)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,正向調(diào)控抗氧化系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng),使植物細(xì)胞在低溫脅迫下維持正常的功能,保證光合作用的正常進(jìn)行,促進(jìn)大豆幼苗正常生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累。李欠敏等[22]、唐鴻呂等[23]在研究褪黑素對(duì)低溫脅迫下大白菜幼苗、甘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)及生理特性上也得到了類(lèi)似的結(jié)論。

在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)節(jié)內(nèi)源激素水平方面,在大豆抗冷性上研究表明,褪黑素處理提高了信號(hào)物質(zhì)NO、Ca2+含量,增強(qiáng)NO、Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),誘導(dǎo)一些與抗低溫相關(guān)基因的表達(dá),提高大豆幼苗的抗冷性[21]。植物激素在低溫脅迫應(yīng)答中具有重要作用,褪黑激素顯著上調(diào)了水楊酸(SA),乙烯(ETH)和茉莉酸(JA)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因,促進(jìn)內(nèi)源激素 SA、JA、IAA 水平升高,促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育,同時(shí)降低了脫落酸(ABA)、乙烯(ETH)和赤霉素(GA)水平[21]。對(duì)褪黑素處理抑制低溫脅迫下內(nèi)源ABA和ETH含量的增加,Fu等[24]在不同冷敏感黑麥草上,Nicols等[25]在羽扇豆中得到了相似的結(jié)果,但對(duì)于外源褪黑素對(duì)低溫條件下植物體內(nèi)GA含量的變化,Li等[26]在西瓜的耐冷性研究中卻有相反的結(jié)果。對(duì)于褪黑素誘導(dǎo)植物耐冷性過(guò)程中內(nèi)源GA到底升高還是降低,還需進(jìn)一步研究。

褪黑素可以通過(guò)維持逆境條件下植物一定的生物節(jié)律性來(lái)增強(qiáng)植物對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)性。趙毅[27]研究了在低溫條件下,褪黑素對(duì)模式植物擬南芥生物鐘基因和抗氧化基因的節(jié)律性表達(dá)模式的影響,發(fā)現(xiàn)10 μmol/L的褪黑素可以通過(guò)改善細(xì)胞內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài),進(jìn)而與過(guò)氧化還原蛋白A(Prx-A)基因協(xié)同維持或重建關(guān)鍵生物鐘基因CCA1、TOC1和抗氧化酶基因CAT2的節(jié)律性表型;在生理水平上,褪黑素通過(guò)誘導(dǎo)抗氧化酶的活性,協(xié)調(diào)生長(zhǎng)和抗逆反應(yīng)之間的能量分配來(lái)提高擬南芥的低溫耐受性。

研究表明,褪黑素可以通過(guò)調(diào)節(jié)光合效率提高番茄對(duì)低溫抗性,外源褪黑素處理顯著提高光合氣體交換速率、光系統(tǒng)活性和電子傳遞;也可以誘導(dǎo)與光合作用和葉綠體質(zhì)量相關(guān)的基因和蛋白表達(dá),包括423個(gè)基因、77個(gè)蛋白質(zhì)上調(diào)表達(dá),115個(gè)基因、49個(gè)蛋白質(zhì)下調(diào)表達(dá)。通過(guò)研究獲得番茄褪黑素分解酶基因M3H的過(guò)表達(dá)T1代材料發(fā)現(xiàn),其Fv/Fm和Pm在常溫和低溫下均顯著低于褪黑素處理的材料,且光合色素含量顯著降低表明過(guò)表達(dá)M3H降低了番茄光化學(xué)反應(yīng)效率[28]。

4 褪黑素與植物抗重金屬性

土壤中重金屬污染可影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育,并且可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,危害人體健康。近年來(lái),關(guān)于褪黑素提高植物抗重金屬能力已有眾多報(bào)道,研究表明,褪黑素不但可以緩解小白菜[29]、水稻[30]、豌豆幼苗[31]、葡萄扦插苗[32]、紫蘇[33]、大頭菜[34]、番茄[35]、黑麥草[36]、豆瓣菜[37]對(duì)重金屬鎘(Cd)的脅迫,還可以提高狗牙根[38]、莜麥[39]對(duì)重金屬鉛(Pb),油菜對(duì)重金屬鋁(Al)[40],西瓜對(duì)重金屬釩(V)[41]的耐性。

大量研究結(jié)果表明,褪黑素可以提高重金屬脅迫下種子的發(fā)芽率,增加植物地上部和根系的生物量,增加光合色素含量[30,40,42]。褪黑素處理可以通過(guò)提高植物葉片抗氧化保護(hù)酶系活性,增加抗氧化物質(zhì)含量來(lái)減少膜脂過(guò)氧化程度,同時(shí)提高脯氨酸、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來(lái)提高對(duì)重金屬的耐受性。在Pb脅迫下,褪黑素處理后增加了狗牙根幼苗二醛酶系統(tǒng)(GlyI 和 GlyII)的活性,從而減少甲基乙二醛積累造成的毒害[38]。賀瑾瑾[39]研究發(fā)現(xiàn),鎘、鉛脅迫下外施褪黑素后,莜麥幼苗葉片中的脂質(zhì)過(guò)氧化物酶基因LOX表達(dá)量卻開(kāi)始下調(diào),但POX的基因表達(dá)量、促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的基因、轉(zhuǎn)錄因子NAC和WRKY1得到顯著上調(diào),表明在鎘、鉛脅迫下莜麥幼苗的MAPK會(huì)介導(dǎo)H2O2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,提高抗氧化酶活性,同時(shí)調(diào)控與重金屬脅迫相關(guān)的基因的表達(dá)緩解莜麥幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中的重金屬形成的不利環(huán)境。

關(guān)于褪黑素對(duì)重金屬積累和運(yùn)轉(zhuǎn)方面,研究表明,200 μmol/L褪黑素浸種能夠顯著降低豌豆幼苗對(duì)鎘的吸收[31],小白菜葉片噴施褪黑素可影響其Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)降低對(duì)小白菜Cd的積累[29],姚歡等[34]在褪黑素對(duì)大頭菜幼苗生長(zhǎng)及鎘積累的影響研究中也得到了同樣的結(jié)果。但Md Kamrul Hasan[35]研究發(fā)現(xiàn),褪黑素可顯著降低鎘脅迫下番茄葉片Cd含量,但對(duì)根系Cd含量沒(méi)有影響,而王均等[32]研究發(fā)現(xiàn),褪黑素浸枝雖可促進(jìn)葡萄的生長(zhǎng),但也造成鎘的積累,因此,關(guān)于褪黑素對(duì)植物體內(nèi)重金屬積累和運(yùn)轉(zhuǎn)的影響因植物種類(lèi)和器官而異。有研究表明,褪黑素可以通過(guò)改變紫蘇根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu),比如根系長(zhǎng)度變長(zhǎng),中柱變細(xì),皮層占比增加,同時(shí)通過(guò)增加鋅和鐵元素吸收,降低紫蘇根系對(duì)鎘的吸收以及向地上部位的轉(zhuǎn)運(yùn)[33]。也有研究表明,褪黑素可改變油菜Cd和Al的積累部位,增強(qiáng)了細(xì)胞壁和可溶性部分 Cd 和 Al 的含量,減少了液泡和細(xì)胞器部分的含量[40]。但在番茄上研究發(fā)現(xiàn),褪黑素增加了細(xì)胞壁、液泡中的Cd含量,將Cd局限在液泡中以對(duì)抗Cd對(duì)植物的傷害[35]。

5 展望

褪黑素作為植物新的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì),近年來(lái)已成為研究熱點(diǎn)。目前發(fā)現(xiàn)其在非生物脅迫過(guò)程中起著調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢(shì)、保護(hù)細(xì)胞膜、清除活性氧自由基等作用,作為信號(hào)分子誘導(dǎo)非生物脅迫應(yīng)答基因來(lái)提高植物抗逆性。褪黑素在植物逆境脅迫方面的研究取得了較多進(jìn)展,但對(duì)于褪黑素提高非生物脅迫抗性的作用機(jī)制和相關(guān)的信號(hào)通路之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步探索。在今后的研究中,一方面,可應(yīng)用現(xiàn)有的研究結(jié)果,通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù),選育高褪黑素含量的作物品種,以提高植物的抗逆性;另一方面,可將實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)踐生產(chǎn)有效結(jié)合起來(lái),以期盡快在生產(chǎn)中應(yīng)用,將科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。