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1、植物耐盐的分子机理应天玉 ? 刘国生 ? 姜中珠( 东北林业大学, 哈尔滨, 150040)? ? 摘 ? 要? 综述了近年来国内外在植物耐盐分子方面的研究成果与最新进展, 详细说明了植物体内小分子物质 积累、 离子泵、 离子通道、 ABA、 大分子蛋白及耐盐调控因子对植物耐盐的作用, 揭示了植物耐盐的基本分子机理。 为植物耐盐机理的进一步研究及培育耐盐植物奠定了理论基础。 关键词? 植物; 耐盐; 分子机理 分类号? Q947. 113 Molecule Mechanism for Salt Tolerance of Plant/ Ying Tianyu, Liu Guosheng, Jia
2、ng Zhongzhu( Northeast Forestry Uni? versity, Harbin 150040, P. R. China) / Journal of Northeast Forestry University. - 2003, 31( 1) . - 31 33 T his paper summarizes the achievements and the new development of plant salt tolerance research at home and abroad, and also explains the function of small
3、molecule substance accumulation, ion pumps, ion channels, ABA, big molecule proteins and the effect of salt tolerance control factors on plant salt tolerance. Meanwhile reveals the salt toler? ance molecule mechanism of plant and establishes the theoretical base for the more research of plant salt t
4、olerance as well as culture of salt tolerance plant. Key words? Plant; Salt tolerance; Molecule mechanism? ? 当前, 植物耐盐机理研究已经深入到分子水平, 对植物耐 盐的分子机理进行深入研究, 必定能揭示出植物的耐盐本质, 为培育抗盐性能优良的植物新品系奠定良好的理论基础。 植物的耐盐机理涉及多种基因和大分子的协调作用, 与 小分子物质积累、 离子摄入和区域化以及基因表达等有关, 如 调渗蛋白、 通道蛋白、 质膜转运蛋白、 晚期胚胎发生富集蛋白 等 1。尽管植物对盐胁迫引起的水渗透势降低
5、的敏感性和反 应是不同的, 但所有的植物都具有识别胁迫, 启动转录信号, 并做出应答的能力 2。1? 小分子渗透调节物质的积累当植物受到盐胁迫时, 细胞内主动积累一些小分子有机 化合物和蛋白类保护剂来维持渗透平衡和体内水分, 一般称 之为渗透调节剂(Osmoprotectant)。渗透调节剂有如下几类: ? 无机离子, 主要有 Na+、 K+、 Cl- 3; ? 氨基酸及其衍生物, 如脯氨酸、 甘氨酸甜菜碱等; ? 糖类, 如蔗糖、 海藻糖等; ?多 元醇类, 如甘油、 山梨醇、 甘露醇等。它们能够维持细胞膨压, 稳定细胞质中酶活性构象, 保护其不受盐离子伤害 4。 1. 2? 脯氨酸( Pr
6、oline) 细胞内脯氨酸的积累可以提高植物的耐盐性。在盐胁迫 条件下, 脯氨酸可以作为渗调剂、 氮源、 酶和细胞结构保护剂, 防止质膜通透性的变化, 保护质膜的完整性, 稳定膜结构 5。 植物体内脯氨酸合成途径有谷氨酸和鸟氨酸两种途径 6。在 盐胁迫下脯氨酸积累主要是通过谷氨酸途径。P5CR 和P5CS 是脯氨酸生物合成过程中的两个重要酶, 而后者是限速酶, 因 而在过量表达脯氨酸以提高植物耐盐性的基因工程中 P5CS 基因作为首选对象 2, 4。1995 年 Kishor 等人将 P5CS 基因导 入烟草, 发现在转基因烟草中脯氨酸的含量明显提高, 在干旱 胁迫下渗透保护作用增强 7。Li
7、u Jingpin 等在他们的研第一作者简介: 应天玉, 男, 1975 年 9 月生, 东北林业大学科学技 术处, 研究实习员。 收稿日期: 2002 年 11 月 16 日。 责任编辑: 李金荣。究工作中也发现拟南芥菜( A rabidopsis thaliana) Sosl( 钾摄取 基因) 突变体耐盐性高于野生型 8, 同时脯氨酸含量也高于野 生型。 1. 3? 甜菜碱(betaine) 盐胁迫条件下某些植物体内会积累大量甜菜碱, 外源甜 菜碱的施加也能够缓解植物盐的伤害, 它能够作为渗调剂、 酶 的构型保护剂, 保护质膜的完整性, 是无毒的细胞质调渗物 质。很低浓度的外源甜菜碱具有良
8、好的渗透调节保护作 用 9。 甜菜碱的生物合成途径为: 胆碱 ? 甜菜碱醛? 甘氨酸甜 菜碱。在高等植物中, 第一步由胆碱单加氧酶( CMO) 催化完 成, 第二步由甜菜碱醛脱氢酶( BADH) 催化完成。由于胆碱 脱氢酶( CDH) 和胆碱氧化酶( CodA) 可兼二者之功能合成甘 氨酸甜菜碱, 合成途径简单, 进行遗传操作方便, 因而这两种 甜菜碱合成酶基因被认为是最重要和最有希望的胁迫抗性 (stress resistance) 基因之一。刘凤华等 10和Hidenori等 11分 别对植物进行了 BADH 基因和 CodA 转基因研究, 转基因植 物都获得了较高的耐盐性。研究表明: 当
9、胁迫解除后, 叶片和 根中的脯氨酸含量立即下降, 而甜菜碱的含量基本上保持稳 定。这说明脯氨酸的积累可能是植物对胁迫的暂时反应, 而 甜菜碱的积累则可能是永久性或半永久性的 12。 1. 4? 多元醇(Polyol) 多元醇含有多个羟基, 亲水性强, 能够有效地维持细胞内 水活度, 从而有效地抵抗盐胁迫下的渗透脱水。多元醇包括 单链代谢物, 如甘露醇、 山梨醇、 环状多元醇、 肌醇和它的甲基 化衍生物。多元醇的积累与植物对干旱和盐胁迫的耐受性有 关。多元醇在植物抗盐中起两方面作用: 一是渗透调节, 一是 渗透保护。甘露醇和肌醇生物合成所需的酶基因 mtlD 和 In? ol已从冰草中成功地克隆
10、到, 其只在盐胁迫或低温下才被诱 导表达。mtlD( 1- 磷酸甘露醇脱氢酶基因) 是由 Tarczynski 等人 1993 年从大肠杆菌中克隆到的。随后将该基因转入烟 草中, 在高浓度盐分下, 通过导入 1- 磷酸甘露醇脱氢酶基因 的转基因植株检测到了甘露醇的积累, 与对照组相比有较高第 31 卷 第 1 期东? 北? 林? 业? 大? 学? 学? 报Vol. 31 No. 1 2003 年 1 月JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYJan. 2003的盐耐受性, 如长新根、 新花, 植株鲜质量和株高都有所提 高 13。 多元醇除了对细胞起到渗透
11、保护作用外, 还能清除活性 氧, 在这方面甲基肌醇比甘氨酸甜菜碱更为有效(Smirnoff 等 1989; Orthen等 1994) , 尤其在高毒性羟基存在下, 甲基肌醇 及肌醇能保护对活性氧敏感的酶和细胞膜 14。 1. 5? 糖类(Glucide) 糖类物质也是植物受到盐胁迫时常常积累的小分子有机 物, 如海藻糖、 果聚糖、 蔗糖等。它们既是一种贮藏性碳水化 合物, 又能作为渗透调节剂保护生物细胞和生物活性物质在 不良环境条件下免遭破坏。其中, 海藻糖( trehalose) 是一种国 际上新近开发的主要低聚糖之一, 广泛存在于海藻、 昆虫及高 等植物体内, 保护生物细胞在脱水、 干旱
12、、 高温、 冷冻、 高渗透 压等环境下免遭破坏; 海藻糖还能在干燥状态下保持细胞组 织的脂类、 蛋白质、 碳水化合物和核酸等不受破坏。 在许多微生物中相继克隆了海藻糖代谢途径的各种酶基 因, 如酵母中海藻糖合成酶基因 tsp1、 tsp2 及两种海藻糖酶的 基因 nth1和 ath1; 大肠杆菌中海藻糖合成酶基因 ostA、 ostB 及海藻糖酶基因 treB/C 等。已有报道将大肠杆菌的 ostA 基 因和 ostB 基因转化烟草和马铃薯。期望这些植物能积累海 藻糖而获得抗渗透胁迫的特性 15。2? 脱落酸脱落酸是一种植物激素, 起到使叶子脱落和芽休眠作用, 并且还可以调节多种植物生理发育过
13、程, 在植物受到干旱、 盐 渍和寒冷等胁迫时, 植物体内脱落酸水平增加 16, 同时相应 基因被诱导表达; 如果这些组织没有上述胁迫而加入外源脱 落酸, 这些基因也可以被诱导表达。因此, 脱落酸的积累被认 为是启动水缺乏诱导表达基因转录的一个重要环节。3? 离子摄入和区域化盐胁迫下的渗透调节只是植物耐盐机制的一个方面。这 些物质独自对耐盐性的贡献并不十分显著, 而且, 在某些情况 下渗透保护物质的积累与耐盐性并无关联, 渗透保护物质所 起的作用在一定程度上也能由离子在细胞内的积累完成, 这 种调节方式也不会破坏细胞内离子的平衡。对盐胁迫最适应 的基因型是能够协调离子跨膜吸收与液泡分隔作用的类型
14、。 植物重要的耐盐机制之一就是离子平衡和区域化。离子 平衡是组织或细胞保持内部稳定状态的一种方式, 这种方式 使植物在外界环境刺激下有效地降低细胞内 Na+的浓度, 增 加 K+的吸收, 恢复 Na+/ K+比例, 使细胞获得耐盐性。这一 功能的行使主要是通过细胞质膜来完成的。 高等植物质膜上的 4类转运蛋白: ? 泵(pumps)是指直接 消耗代谢能量进行溶质跨膜转运的蛋白质, 植物膜上的泵仅 局限于几种阳离子, 如 H+( 质膜质子 AT Pase, 又称质子泵, 简 写成 PM H+- ATPase) , Ca2+- ATPase 和 Na+- AT Pase 等; ? 质膜离子通道(
15、PM ion chnels) ; ? 质膜氧化还原系统( PM redox system) ; ?质膜载体。目前研究比较深入的是前两种 转运蛋白 17。 3. 1? 质子泵( PM H+- ATPase) PM H+- AT Pase 是植物和真菌的基本离子泵, 通过泵 出H+所形成的质子跨膜电化学势为细胞内所有次级转运 ( 如 Na+的外排) 提供能量, 当植物受到一定程度干旱和盐渍 等环境因子胁迫时细胞膨压下降, 诱导 H+- ATPase 活性增加, 从而激活一系列与渗透调节有关的过程。因此, H+- ATPase在高等植物渗透调节过程中起关键作用。脂膜和液 泡上的 H+- AT Pas
16、e 起到维持细胞内的 Na+、 Cl-离子浓度 的作用。1996 年进一步对表达 H+- AT Pase 的细胞进行定 位, 采用 RNA 原位杂交技术确定该基因在盐诱导下在根尖 细胞和叶鞘细胞中的表达 18。 3. 2? 离子通道(Ion chnels) 离子通道是细胞膜上由大分子组成的孔道, 这些孔道能 被化学的或电化学方式激活, 控制离子的顺势流动。植物细 胞正常生理状态为细胞内高 K+低 Na+, 盐胁迫下 Na+大量 进入细胞内, 破坏离子平衡而导致细胞功能丧失, 从而对植物 造成伤害, 因此, 盐胁迫下植物维持正常 Na+/K+比是生存必 需的。目前, 已经从拟南芥中克隆出了高等植物第一个 K+ 的运输基因, 叫作 KAT1 和 AKT1 K+运输的 cDNAs。4 ? 大分子蛋白类的积累4. 1? 调渗蛋白(Osmotin, OSM) 调渗蛋白是在盐胁迫、 脱水或低水势条件下, 植物在对渗 透压力适应的过程中所合成的一类蛋白, 它是蛋白质渗透胁 迫保护剂。它由 1983 年 Singh等人在
