非结构性碳水化合物参与茶树逆境胁迫响应的生理生化机制研究进展 梁士才，王缓，何珊，李波，丁兆堂，王玉，范凯，钱文俊*1.青岛农业大学园艺学院 山东省园艺作物基因改良工程实验室，山东 青岛 266109；2.山东省农业科学院茶叶研究所，山东 济南 250100碳水化合物是植物组成中的主要有机物之一，根据存在形式可将其分为结构性碳水化合物和非结构性碳水化合物其中，结构性碳水化合物主要包括纤维素、木质素和果胶等，主要参与植物形态建成；非结构性碳水化合物（NSC），主要包括可溶性糖（SS）和淀粉等，是植物光合作用的主要产物，主要在植物生长发育、能量代谢、调节“库-源”关系和逆境胁迫响应中发挥着重要作用众多研究表明，当植物面临低温、干旱和盐等逆境胁迫时，NSC 可作为重要的渗透保护剂、活性氧（ROS）清除剂和糖信号分子参与植物抗逆响应茶树[Camellia sinensis(L.)O.Kuntze]作为多年生常绿叶用植物，其适生于热带和亚热带温暖湿润环境作为典型的短日照植物，茶树生长发育常年遭受多种生物（病害和昆虫）和非生物（缺素、低温、干旱、涝害和高盐碱等）胁迫影响与其他植物一样，为了适应和抵御这些逆境胁迫，茶树在长期进化过程中逐渐形成了一套完整且复杂的防御响应机制。
NSC 作为茶树主要的光合产物，广泛参与到茶树逆境胁迫响应中本文系统总结了NSC 在茶树逆境胁迫响应中的生理生化功能研究进展，以期为深入探究NSC 在茶树抗逆响应中的作用提供理论支撑1 NSC作为渗透保护剂参与茶树抗逆响应大量研究表明，当植物处于水涝[1]、高盐[2]、干旱[3]、高温[4]和低温[5]等逆境条件下，体内会积累大量的脯氨酸（Pro）、SS、可溶性蛋白（SP）和甜菜碱（GB）等渗透调节物质，从而有效维持植物细胞渗透平衡，保证植物正常生长发育和增强抗逆能力其中，SS 作为一种主要的NSC 物质，是一类重要的渗透保护剂，能广泛参与植物各种逆境胁迫响应（图1）图1 NSC渗透调节模式图现有研究发现，植物在遭受冷害和冻害时，体内会积累大量蔗糖（Suc）、棉子糖（Rfo）和海藻糖（Tre）等NSC 物质，以降低细胞渗透势，减小植物脱水速率，从而避免植物细胞因脱水过多而死亡[6]；另外，NSC的积累还能起到降低细胞质冰点的作用，当温度低于0 ℃时能有效降低叶片结冰速率和叶片冻伤面积[7-8]同样，在干旱条件下，植物为适应干旱胁迫，体内会合成积累SS，能有效降低细胞渗透势，提高细胞保水能力，并维持细胞膨压，从而大大减轻叶片萎蔫程度[9]。
另外，高盐胁迫下植物生长发育受到抑制，为适应盐碱胁迫，植物在接收盐胁迫信号后，体内的可溶性物质含量会升高，其中NSC 类如葡萄糖（Glc）、果糖（Fru）和可溶性淀粉等含量升高较为显著，并且在胁迫过程中NSC 含量一直维持在相对较高的水平[10]同样，NSC 可作为重要的渗透保护剂参与茶树抗逆响应过程研究表明，在茶树冷驯化期间，茶树体内的NSC 含量显著增加，且在驯化后达最大值，是驯化前的3倍；同时，可溶性还原糖含量同样显著升高，其中，Suc 占可溶性总糖（TSS）的80%以上，在茶树抗寒响应中可能起关键作用，其可作为重要的细胞渗透物，参与茶树叶片细胞的渗透调节另外，在冷驯化期间，茶树中的Glc、Fru、Rfo 和半乳糖（Gal）含量均有不同程度的增加，而淀粉含量则显著降低综合表明，冷驯化期间，茶树体内淀粉降解产生NSC类物质，而NSC 含量升高能促进茶树抗寒性的提高[11]与上述研究相似，薄晓培等[12]比较了不同茶树品种越冬期和早春期的NSC 含量变化情况发现，茶树中NSC 含量的变化趋势与温度变化负相关，温度最低时NSC 含量最高，而当温度逐渐升高后，Suc 和Glc 等NSC 含量逐渐降低，说明茶树NSC与茶树抗寒性密切相关。
葛菁等[13]运用高效液相色谱-蒸发光散射（HPLC-ELSD） 检测技术对皖茶91、嘉茗1 号、龙井43、平阳特早茶中NSC进行了检测，结果显示，气温在1—2 月达到最低点时，Fru、Glc和Suc含量均显著增加，并且NSC含量由大到小依次为皖茶91、龙井43、平阳特早茶、嘉茗1号，与其抗寒性强弱一致，可见低温条件下茶树体内积累Fru、Glc和Suc，并且NSC含量越高，其抗寒性越强另外，Qian等[14]对茶树进行短时低温处理，并测定NSC 含量后发现，茶树叶片中NSC 类，TSS、Suc、Glc和Fru 含量均随低温处理时间延长而逐渐上升；恢复常温后，这些糖类物质含量又逐渐降低杨小青等[15]研究发现，盆栽茶苗叶片中的Suc含量在低温条件下呈上升趋势，且随处理时间延长含量逐渐升高另外，外源喷施10.00 mmol/L γ-氨基丁酸（GABA）、0.22 mg/mL绿藻粉及2.50 mg/mL 竹醋液能显著提高茶树叶片中的Suc含量这些渗透物质的增加能显著调节叶片细胞渗透压，保护膜稳定性，增强细胞抗逆能力外源喷施5-氨基乙酰丙酸同样能提高低温胁迫下茶树叶片中的NSC含量[16]除响应低温胁迫外，NSC 在茶树干旱胁迫响应中同样具有重要作用。
在轻度干旱胁迫下，茶树原生质体脱水会导致细胞弹性和黏度增加，从而增强茶树抗旱性，但在重度干旱胁迫下，茶树会因原生质脱水过多而导致细胞损伤或死亡王小萍等[17]对福鼎大白茶、特早213，以及3 个野生茶树品种S-1、T-1 和D-1 进行自然干旱处理发现，福鼎大白茶、特早213、S-1、T-1 这4 个品种在干旱处理14 d后NSC含量达到最大值，分别为CK的1.80、1.12、1.45、4.52 倍，但随处理时间延长，NSC 含量均逐渐降低；D-1 则在处理7 d 时达到最大值，约为CK的1.62倍，随后，NSC含量逐渐降低另外，罗静等[18]对5个茶树优良品系进行重度干旱处理时发现，5 个品系中NSC 含量分别为CK的1.75、1.51、2.36、2.08、1.40 倍，综合评估发现茶树NSC 含量与其抗旱性呈正相关此外，干旱胁迫下，茶树中的NSC 含量还受外源激素或无机物的调控周琳等[19]对干旱胁迫下的茶树进行外源脱落酸（ABA）处理发现，NSC 含量在轻度干旱时升高不显著，但重度干旱胁迫下茶树中NSC含量显著升高，且外源喷施ABA的茶树中NSC含量较对照茶树中要高，说明茶树NSC 能响应干旱胁迫，并且外源ABA能调控干旱胁迫下NSC含量的增加，从而提高茶树抗旱能力。
符姿[20]对干旱胁迫下的茶树进行外源硫化氢（H2S）处理后发现，茶树扦插苗中NSC 含量受干旱胁迫显著提高，且不同外源H2S 处理后，NSC 含量较干旱处理增加51.86%～101.65%，茶树抗旱能力提高盐胁迫处理下，茶树中NSC 含量同样会发生变化胡国策[21]研究发现，酸、碱、盐和盐碱胁迫下茶树叶片中的NSC 含量显著提高，其中，盐碱胁迫下NSC 含量增加最多，显著高于酸、碱胁迫南雪芹[22]研究也发现，NaCl 胁迫处理下茶树叶片中NSC 含量升高，而且接种丛枝菌根真菌可显著提高NaCl 胁迫下茶树叶片中的可溶性物质含量2 NSC作为ROS清除剂参与茶树抗逆响应NSC 不仅是重要的渗透调节物质，还是植物中重要的ROS 清除剂，可直接参与植物中ROS 清除，或通过介导植物中抗氧化物质的合成间接参与植物逆境下积累的ROS清除[23]如图2所示，植物在遭受生物或非生物胁迫时，植物体内的Suc、Glc 和Rfo 家族寡糖含量以及糖转运体基因（SU-Ts和MSTs）表达量升高，从而促进了细胞内抗氧化物质〔果聚糖、花青素、谷胱甘肽（GSH）和抗坏血酸〕含量的升高，进而提高了ROS 的清除能力[24-29]。
此外，外源Suc 不仅能够调控植物体内相关酶（苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶和芥子酶）的活性，而且能够提高多酚类化合物的含量[30-32]值得一提的是，Tre具有保护细胞内抗氧化酶活性、维持细胞正常生理功能以及稳定脱水生物膜、干燥蛋白质的作用，能有效防止自由基对细胞的损伤[33-34]图2 NSC作为ROS清除剂作用模式图与其他植物一样，茶树在逆境胁迫条件下同样伴随着ROS 的大量产生为清除过量的ROS，茶树体内的抗氧化系统发挥着重要作用其中，NSC中的SS类物质被报道可作为重要的ROS清除剂参与茶树逆境响应过程石玉涛等[35]在对武夷名丛茶树种质资源中的茶多糖体外抗氧化活性研究中发现，茶多糖能够参与清除DPPH·和·OH自由基其中，茶多糖中起抗氧化作用的组分主要包括中性糖、糖醛酸以及一些蛋白质成分，而中性糖主要包括Glc、阿拉伯糖、Gal 和鼠李糖，说明上述NSC 类物质可能作为重要的抗氧化剂参与茶树逆境胁迫响应另外，茶树中的原花青素（PAs）属于典型的抗氧化剂，具有极强的抗氧化能力Wang等[36]通过对促进PAs积累的MYB（SI-MYB）转录因子研究发现，茶树中PAs 的生物合成受到MYB等多种MBW复合物的调控，其中Suc诱 导 的MYB （SIMYB） 转 录 因 子 基 因（Cs-MYB5b）在烟草中过表达后能上调表达关键靶基因LAR和ANRs，从而加速PAs的合成和积累；此外，在拟南芥tt2突变体中外源过表达该基因，能恢复拟南芥突变体种皮中PAs 的合成功能，表明Suc 能通过诱导CsMYB5b的表达进而促进PAs 的积累，从而提高茶树的抗氧化能力和抗逆能力。
同样，Qian等[37]研究发现，外源Suc处理茶苗有利于多酚类物质的积累，其中包括花青素、儿茶素和PAs 等，同时发现随Suc 含量的增加，花青素、儿茶素和PAs总含量增加，并且在处理14 d后积累量最为显著此外，韩亚惠[38]在对Suc处理后的茶树进行RNA-Seq后发现，经Suc诱导后，茶树中类黄酮代谢途径中的很多结构基因和参与类黄酮生物合成的第五亚族的MYB 类转录因子基因上调表达，而第四亚族中的MYB 转录因子下调表达，其中CsMYB5a、CsMYB5b和 靶 基 因CsLAR、CsANR在Suc 处理后显著上调表达其进一步通过sRNA-seq 和降解组测序分析发现，外源Suc 处理后共有26 个差异表达的miRNA预测结果显示， 差 异 表 达miRNA 中CsC4Hb、Cs4CLc、CsCHla和CsLARb基因参与调控儿茶素生物合成综合表明，外源Suc能通过诱导类黄酮合成代谢相关基因的表达进而促进茶树儿茶素和PAs的合成积累，从而提高茶树抗氧化能力除此之外，岳川等[39]研究发现，茶树谷胱甘肽还原酶基因Cs-GRs能够响应低温（4 ℃）、10%PEG、NaCl 和ABA，并且在4 ℃和10%PEG 胁迫下茶树细胞内GSH 含量增加，同时，NSC 中的Glc、Suc、果聚糖和Tre等含量也呈上升趋势，推测这些物质可能参与了GSH 合成途径或能够诱导谷胱甘肽还原酶基因CsGRs表达，从而促进茶树中GSH 的积累，最终提高茶树抗氧化能力。
3 NSC作为糖信号分子参与茶树抗逆响应除上述功能外，NSC中的Suc、Glc和Fru等还能作为糖信号分子，通过调控基因表达以及相关酶活性参与植物抗逆响应[40-41]目前，糖信号调控网络机制是植物抗逆响应研究的一大热点其中，海藻糖-6-磷酸（T-6-P）、葡萄糖感应器——己糖激酶（HXK）、蔗糖非发酵激酶（SnRK1）、雷帕霉素（TOR） 是糖信号调控网络的核心元件[42-44]不仅如此，在逆境胁迫下，蔗糖特异信号途径能诱导果聚糖、花青素和Pro的积累，从而达到增强植物抗氧化能力的效果[45-46]，并且Suc 信号能够调控果实成熟以及诱导抗寒基因COR78的表达上调[47-48]此外，植物体中存在一种依赖于TOR 激酶的Glc信号，该信号能通过转录调控和翻译后修饰两种方式参与调控细胞自噬水平[49]与之类似，Glc信号途径能够依赖于HXK 介导多种植物激素的合成和。