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1、 植物学专题讨论高等植物高等植物厌氧适应的生理及分子机制厌氧适应的生理及分子机制氧是细胞线粒体膜上电子传递的最终受体，驱动能量梭 子ATP合成，构成整个植物生命体代谢的核心，所以植物 活细胞生长代谢等需要适当浓度的氧。但在自然界有不 少植物能够适应持续或间断性的根际厌氧环境，如水稻 和许多生长繁茂的湿生植物。水分变化常常影响植物类 型与种的分布，过多的降雨与灌溉不均匀也都影响农田 作物的产量。前 言探 讨 的 问 题 通过遗传改良和农艺措施怎样克服旱生植物由于渍 水造成的产量损失?湿生植物如何适应根际厌氧环境?如何解释植物细胞的厌氧胁迫机理？ 探 讨 的 意 义这些研究在生态学与生产上都有一定
2、的意义。植物 细胞在感受厌氧信号后，启动和关闭一些基因，引发 一系列的生化、生理及形态结构变化，以持续个体存 活。这些反应大致可以分为主动适应和被动适应两个 方面。渍水导致植物生长量及营养元素吸收能力的减 低；某些物质如酶类，激素水平的下降等次级过程已 有不少报道。本文侧重于讨论植物在厌氧下以缓减胁 迫为目的的主动适应机制。1 厌氧下的植物根际变化及厌氧胁迫机理 1.1 根际变化 通常由于土壤渍水造成氧的迅速耗竭并 引发相关的物理、化学、电化学、生物 区系及土壤肥力的综合变化。氧在水中 的运动速率为空气中的万分之一。由于 缺氧，土壤电化势(Eh)下降，还原性金 属离子特别是Fe2+、Mn2+积
3、累，CO2浓度升 高，有机还原性物质产生。厌氧后根际 微生物种群发生演变，好气性微生物为 嫌气性微生物代替，细菌繁殖快于真菌 及放线菌，植物的促生性菌根类一般受 到抑制。总之，从植物根系与土壤关系 看，厌氧除O2本身的胁迫外，还导致营 养元素无效化，以致土壤肥力下降。1.2 厌氧胁迫对根系生理代谢的影响 以水稻为例，水稻在长期的系统发育过程中,在结构和功能上 都形成了对少氧或缺氧环境的特殊适应能力,但长期淹灌同样 不利稻根的生长和发育。当根表氧浓度低于0.001mol/m3时, 根停止伸长。铁毒、H2S、有机酸等对稻根生长及代谢均有极 大的影响,而这些有毒物质量与土壤含氧量是密切相关的。许多研
4、究表明,缺氧提高自由氨基酸的浓度和转变，这些自由 氨基酸的增加,是由于缺氧条件下蛋白质分解和有机酸代谢改 变的结果。丙氨酸、-氨基丁酸、脯氨酸的积累是水稻在缺 氧条件下减少酸中毒的重要因素。淹水缺氧抑制原来的蛋白 质的合成产生新的蛋白质和多肽。实验证明，玉米苗缺氧时形成两类新的蛋白：首先是过渡多 肽，后来形成厌氧多肽。后者中有一些是糖酵解酶或与糖代 谢有关的酶。这些酶的出现会催化产生ATP，供应能量；也通 过调节碳代谢以避免有毒物质的形成和累积。图1 水涝缺氧主要限制了有氧呼吸，促进了无氧呼吸，产生大量无氧呼吸产物 ，如乙醇、乳酸等，使代谢紊乱，受到毒害。无氧呼吸还使根系缺乏能量，阻 碍矿质的
5、正常吸收。图2 缺氧种子糖酵解的次要产物 。糖酵解途径可以将蔗糖转变为 磷酸烯醇式丙酮酸，它可以脱氢 生成ATP，也可以脱羧生成草酰乙 酸盐和无机磷，丙酮酸转换产生 丙氨酸。OAA进入三羧酸循环转变 为-酮戊二酸或琥珀酸盐。前者 可以转变形成谷氨酸，然后它可 以脱羧生成-氨基丁酸盐。淹水缺氧还促使植物体内 形成通气组织，例如，水 稻的根和茎有发达的通气 组织，能把地上部吸收的 氧输送到根部，所以抗涝 性就强。而小麦的茎和根 缺乏这样的通气组织，所 以对淹水胁迫的适应能力 弱。但小麦、玉米等根部 缺氧,也可诱导形成通气组 织。淹水缺氧之所以能诱 导根部通气组织形成，主 要因为缺氧刺激乙烯的生 物
6、合成，乙烯的增加刺激 纤维素酶活性加强，于是 把皮层细胞的胞壁溶解， 最后形成通气组织。图3 氧气缺乏时玉 米根皮层中通气组 织的发育。图4 扬稻6号淹水4d 后距根尖1.5cm处形 成通气空腔。图5 珍汕97淹水6d后距 根尖1.5cm处形成大面 积通气空腔。图6 渍水10d以上小麦 根成熟区皮层内均匀 形成气腔。1.3 厌氧胁迫的生理机制植物厌氧胁迫机理的学说有6种：q能量耗竭学说； q糖酵解与发酵代谢末端产物积累学说； q细胞质酸化学说； q厌氧后氧自由基伤害假说； q土壤还原性物质毒害学说； q能源物质缺乏说。支持这一理论的证据有:长期耐 厌氧环境的白菖(Acoruscalamus)根
7、 中积累的大量碱性氨基酸精氨酸可有 效缓解胞质中pH下降；玉米乙醇脱氢 酶(ADH1)缺失突变体的发酵能力减低 ，根细胞中pH值下降快，死亡早于野 生型等。特别是Roberts用13C与31P核 磁共振(NMR)法，原位测出厌氧下玉 米根中细胞质与液泡中pH下降的结果 支持了这一学说。 厌氧下根细胞中乳酸发酵产 生初始酸化，随之ATP水平和液 泡膜上的H+-ATP酶活性下降，于 是发生质子渗漏，导致细胞质酸 化。一般认为这些就是细胞厌氧 下死亡的主要原因。 2 植物厌氧适应的策略 2.1 形态适应 2.1.1 通气组织的形成 通气组织（aerenchyma）是植物薄壁组织内一些气腔或空 腔的集
8、合。在厌氧下植物根皮层细胞常发生编程性死亡， 生成通气组织，把氧气运送到根基部，以保证根的代谢需 要，这一过程对于植物在缺氧条件下的生长具有重要的意 义，是植物的一种重要的避缺氧机制。图7 通气组织的形成可以不是被缺氧而是低氧刺激。ACC到乙烯的转化 需要氧的存在。乙烯产生导致根皮层细胞中一系列相关酶厌氧诱导表达 ，细胞液泡化，细胞壁微纤丝断裂重接，使中皮层细胞中央贯通，形成 大的通气腔。且周围仍有细胞质流，并不影响离子吸收和运输。2.1.2 形成不定根 在厌氧下许多植物初生根 受到伤害或死亡，但在靠近地面 处能产生许多新生的不定根。这 一现象乃是由于近地表O2分压较 高所致，也可由乙烯诱导生
9、成， 但不同植物之间的差异很大。不 定根产生的多寡反映了植物的适 应能力，是许多旱生植物中耐渍 基因型的重要标志。图8 岑树幼苗淹水后茎的不定根和过度生 长的皮孔。黑色箭头表示淹水的深度。2.1.3 水生植物茎叶的延伸生长 这完全受乙烯调节，茎叶延伸可使水生植物获得更多 的光合面积，伸出水面完成生殖过程，也是避缺氧的一种机 制(如深水稻或称浮生稻)。图9 水稻秧苗对淹水深度的生长反应示意图。秧苗在每年度洪水淹没之前定植好。淹水可以促 进节间的快速伸长和不定根的发育。一旦洪水减退秧苗的不定根会向土壤中伸长生长，生活在 空气中的植株部分向上生长。2.2 代谢适应2.2.1无氧呼吸的启动缺氧触发旱生
10、植物的糖酵解过程，首先表现为乳酸脱氢酶(LDH)活性升高，乳酸发酵。当胞 质中pH值达到6.8时，乙醇脱氢酶(ADH)与丙酮 酸脱羧酶(PDC)被激活，迅速进入乙醇发酵途径 。无氧呼吸是植物潜在的代谢功能，当根细胞 中氧浓度低于某一个阈值-称临界氧分压(COP) ，植物自动以还原性中间代谢产物为末端电子 受体，能效率显著降低，每分子6-碳糖，只产 生2个分子ATP。它可作为一种补救途径以维持 细胞存活。物种间以及同一种不同基因型之间 无氧呼吸速率有很大的差异。湿生植物除了其 它适应机制以外，其无氧呼吸功能强，酶活性 高，可以维持较高的能荷水平而正常生长。图10 由于缺氧的影响，糖酵解 中的丙酮
11、酸首先发酵为乳酸。2.2.2 代谢途径的平衡 除了糖酵解与发酵代谢外，目前发现一些耐渍类型植 物在厌氧条件下还存在多条呼吸代谢途径。这种方式能缓 冲细胞质的酸化和避免单一代谢末端产物的积累。主要有 以下几种类型: 琥珀酸(Suc)合成谷氨酸(Glu)转化丙氨酸(Ala)产生苹果酸(Mal)代谢2.2.3 抗氧化机制的启动 主要是一些湿生植物在自然状态下存有较强的抵御缺氧后伤害的机能。Crawford和Braendle将这种内在机理分为诱导酶和抗氧 化剂两类。许多湿生植物中有多种抗氧化剂如抗坏血酸(Vc)、- 生育酚(VE)及谷胱甘肽(GSH)等。酶类有超氧物岐化酶(SOD)以及 与抗氧化物质合
12、成有关的脱氢抗坏血酸酶(DHAR)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MR)等。MR能催化丙二醛(MDA)还原，DHAR则在H2O2的解 毒系统中起作用。此外，Biemelt等最近报道，不同耐渍小麦品种 之间的抗氧化剂及氧化还原酶水平有显著差异。这说明植物厌氧 下抗氧化能力发生改变具有普遍性。厌氧胁迫下植物体的能量供应骤减，在此情况下植株通过收缩 生长或设法增加供氧以获得能量。这一作用是由激素行使的。厌氧 下首先触发乙烯增生，诱导通气组织和次生根的形成，以缓解缺氧 。根中CTK与GA迅速下降，根的生长速率因此下降；CTK向地上部的 运输量减少，以致整株生长速率下降。叶片中ABA积累乃是老叶合 成增加的一种
13、反映，转运到幼叶中诱导气孔关闭，蒸腾减少，生长 受抑，老叶萎枯以适应存活。在个体水平上，由于根系厌氧的胁迫 ，地上部光合作用受阻，糖合成减少，因而茎叶及生殖生长均减慢 。叶片在缺氧3040min的时间内生长即减慢，如此快的反应乃是 激素控制的主动调节反应。2.3 细胞和个体生长发育的激素调节2.4 植物的低氧诱导适应有许多证据表明，旱生植物的厌氧适应能力受低氧预处理的诱导。植物种间 耐厌氧性的遗传差异乃是植物根系长期适应不同氧分压进化的结果，湿生植 物的这一适应能力强于旱生植物。同一种植物品种间的遗传差异亦有类似的 适应过程。但植物具有潜在的适应厌氧环境的能力，低氧信号能激活某些厌 氧反应基因
14、的表达，使同一种基因型的耐渍能力得到很大的改善。Xia与Saglio通过对玉米根部控制氧浓度，研究了低氧驯化适应的可能原因。指出低氧诱导呼吸酶类(如ADH和PDC)活性升高，从而维持较高的ATP与能荷水 平，且也有利于控制细胞质中pH的稳定。有人在大田淹水及实验室控制供氧 下，研究芝麻根结构和呼吸酶活性变化的结果表明，低氧锻炼可以诱导与根 结构变化相关的基因表达，产生通气组织与不定根，从而使根中有氧呼吸速 率增加，ATP与AEC维持高水平。ADH活性虽有升高，但其升高幅度与品种耐渍 强度无一致性。有关植物厌氧适应的机制可归纳如下图。图11 植物耐渍适应图解3 植物厌氧适应的分子生物学 3.1
15、厌氧多肽的分离鉴定3.1.1 旱生植物中的厌氧多肽 Sachs首次揭示严格厌氧条件下旱生植物根尖合成蛋白质数量锐减的现象 。他用双向电泳技术观察到玉米幼苗在缺氧下约有20种多肽(ANPS)，其中10 种分子量较大，10种较小。对照则有90余种多肽。ANPS合成在01h出现， 20h达到最大，此后不再增加，96h玉米幼苗死亡。此后人们相继证明在大麦 、木棉、番茄、豌豆和大豆等作物中也有类似的厌氧多肽合成模式，并发现 厌氧下某些有氧蛋白的合成受抑制与多聚体的解体有关。再后10余年，人们 又通过纯化和测序，证明ADH、PDC、葡萄糖-6-磷酸异构酶(GPI)、淀粉合成 酶(SUC)、甘油醛3-磷酸脱
16、氢酶(GAPDH)、烯醇化酶(ENO)、乳酸脱氢酶(LDH) 、木葡聚糖转葡糖苷酶(XET)及甲酸脱氢酶(FDH)等为厌氧蛋白组分。其中大 多数为糖酵解与发酵代谢的调节酶，XET是细胞壁松弛有关的酶，它的转录子 在淹水12内的玉米幼苗中有积累，表明该酶参与通气组织的形成 。FDH在 生物氧化与细胞pH稳定中有专一的作用。Mujer等分离了湿生植物稗草(Echinochloacomplex)的6 个种及水稻根中的厌氧蛋白，发现它们的ANPS不同于旱生 植物，数量较多。根据它们产生的条件分为5类:(1)厌氧下合成增强的913种；(2)仅在厌氧下产生的15种；(3)有氧无氧下均合成；(4)有氧下合成，厌氧下抑制有37种；(5)仅在有氧下合成的14种。除了ADH与PDC外，这些厌氧多肽鉴定的报道尚未见， 这对揭示湿生植物的耐厌氧机制极为重要。 3.1.2 湿生植物中的厌氧多肽 3.2 厌氧诱导表达基因的cDNA克隆 Gerlach等在玉米上获得第一个厌氧诱导表达基因 的cDNA克隆，为乙醇脱氢酶ADH1的cDNA，全长900bp，C -
