蕨類植物應對干旱脅迫的表達調控策略

王曉楠，張 興，朱延明，宋淑敏，劉偉偉

(1.黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319;2.東北農業大學 生命學院，哈爾濱 150040)

干旱脅迫是影響植物生長發育的重要非生物脅迫因子。目前普遍認為，植物在干旱條件下，能夠誘發全部組織水平的應答。不僅涉及形態學水平的變化調整，還包括細胞水平的應答如膜系統的調整、細胞壁結構的變化與修飾以及細胞循環與細胞分裂的變化，另外通過不同通路的代謝調節促使脯氨酸、糖類、甜菜堿等物質生成，實現蛋白與細胞結構的穩定、滲透調節保持細胞膨壓、氧化還原代謝祛除活性氧(ROS’reactive oxygen species)的過量積累并重新保持細胞內的氧化還原平衡等抵御脅迫損害。蕨類植物的地域分布十分廣泛，對環境條件的適應能力差異顯著，應對干旱環境脅迫也呈現了復雜與獨特的響應機制。筆者就近年來蕨類植物抗旱性的研究結果進行分析，并闡述了蕨類植物的耐旱應答調控策略。

1 抗旱適應性變化

蕨類植物有孢子體和配子體兩個獨立生活植物體，生活史中有明顯的世代交替現象。蕨類植物從孢子萌發到孢子體階段具備不同的抗旱能力。研究者認為，蕨類孢子體與種子植物相比抗旱力較弱，但配子體比苔蘚植物擁有更好的抗旱能力［1，2］。在進化過程中，蕨類植物的適應性也會發生變化，分布在熱帶地區的部分蕨類物種已經失去了其生活史中的孢子體階段，而通過無性繁殖產生的配子體不但更適合在干冷的環境下存活，而且比通過無性繁殖產生的孢子體更具耐旱力［3］。

2 形態學應答策略

無論是蕨類植物孢子體還是配子體，還是快速或緩慢失水，都會對植物體造成損傷。干旱脅迫下的形態學變化通常表現為:萎蔫、干枯、葉色變化與內部結構變化等。通常，干旱條件下的植株葉片會逐漸卷曲或折疊，以期用最小葉面積暴露于光下［4－6］。因此筆者認為，蕨類植物的形態學變化也是一種干旱適應機制，即植物減小暴露于光下的葉面積避免對植物組織造成光損傷，同時也認為干旱初期葉片的動態變化是植物幼嫩地上部分阻止遭受過度輻射的有效手段。除葉片自主規避光照損傷外，植物在長期進化過程中也形成了特殊的結構用以抵御干旱。如在附生蕨類植物鹿角蕨屬(Piatyceium)的多數種進化出兩種典型形態差異的葉片:孢子葉和基葉。孢子葉主要作用是光合作用和產生孢子，并密被纖毛，具有防止水分過度流失功能?；~中的含水量最高可達95%，可在植物缺水時提供水源［7，8］。除孢子體外，多數蕨類植物配子體表面不同程度分布毛狀體［9，10］，其功能等同于高等植物葉片或蕨類孢子葉表面的纖毛［11］，對防止水分流失具有一定作用，但作用效果還需進一步研究。干旱脅迫也可引起植物細胞結構和大小的改變以及細胞容積的顯著減少［12］。含水量良好的葉片細胞形狀通常很規則，薄壁細胞內胞質充分，相比之下，脫水葉片細胞則有變形、折疊或發生嚴重的皺縮。干旱導致的氧化脅迫往往會間接造成葉綠體結構遭到破壞和數量減少［13］，進而影響光合作用效果，加劇脅迫損傷。氣孔在干旱脅迫下的變形甚至損壞尤其明顯，有些蕨類植物能夠主動采取干旱規避方式適應環境變化，氣孔對水分流失非常敏感，在葉片水分含量達到不利情況前即已經完全關閉，以確保在長時間的干旱條件下以保持水分平衡［14］。

3 生理學調控

干旱能夠引起細胞質壁分離、膜結構紊亂和ROS積累造成氧化損傷，這些會導致光合受到抑制、代謝紊亂、細胞結構受損，最終表現為植物發育受阻、繁殖力降低和提前衰老甚至死亡，而滲透調節、滲透保護、抗氧化作用和防御系統的清除作用是植物抗旱的重要基礎和保護策略。

3.1 滲透調節物的保護作用

對腎蕨(Nephrolepis auriculata)、鳳尾蕨(Pteris nervosa)、蜈蚣草(Pteris vittat)、鐵線蕨(Adiantum capiuaris)、毛蕨(Cyclosorus interruptus)進行干旱處理，發現葉片相對電導率、葉綠素含量及游離脯氨酸含量等相關生理指標都有顯著變化，隨著干旱脅迫時間延長，葉綠素含量均呈下降趨勢，而相對電導率和游離脯氨酸含量升高，說明脯氨酸在干旱脅迫下有重要調控功能［13］。對開蕨在PEG6000脅迫后，細胞膜透性與脅迫程度呈正相關，可溶性糖和脯氨酸含量也隨脅迫的時間延長而累積，說明脯氨酸和可溶性糖是參與對開蕨(Phyllitis japonica)滲透調節的主要物質［6］。近年來，研究發現海藻糖在蕨類抗旱過程中的功能逐漸突顯。海藻糖是植物在逆境脅迫條件下大量積累的一類物質，具有穩定細胞結構和蛋白質的功能。自然界，海藻糖的合成是細菌、真菌、低等植物等有機體在脅迫應答中形成的［15］，早期的研究認為在高等植物中不存在海藻糖的形成，但目前已發現被子植物密羅木(Myrothamnus flabellifolia)中存在海藻糖的積累［16］，在抗旱力極強的蕨類植物Selaginella lepidophylla［17］與卷柏(Selaginella tamariscina)［18］中也被發現，尤其在卷柏抗旱過程中海藻糖含量持續偏高，成為干旱和復水階段可溶性糖的主要成分。有研究證明，海藻糖在酵母的糖酵解途徑和脅迫應答中作為一個重要的調控組分［15］，干旱也能誘導轉基因煙草(Nicotiana Tabacum)海藻糖的合成，起到滲透保護和穩定細胞結構。這些都說明，海藻糖對蕨類植物抗旱具有重要調控作用，但調控方式很可能是通過海藻糖代謝間接實現的［19］。

3.2 光合作用的變化

干旱造成的重要影響之一就是光合作用受到抑制，主要因為干旱下氣孔關閉、葉片膨大率減小、光合代謝減弱、葉片提前衰老和相關養分供應率下降［20］。

干旱能夠誘導氣孔關閉，植物對水分供應反應敏銳。氣體交換測定分析表明，附生蕨類要比陸生蕨類植物有更高的光合水分利用率［14］，如附生的巢蕨(Neottopteris nidus)和星蕨(Microsorium punctatum)相對含水量達到70%左右時氣孔會完全關閉，此時也保持著比較恒定的Fv/Fm，而陸生的網脈鐵角蕨(Asplenium finlaysonianum)和似薄唇蕨(Paraleptochilus decurrens)直至脅迫后期相對含水量至45%，Fv/Fm降低時，氣孔才會關閉。干旱能夠引起蕨類植物光合原件受損和光合參數的變化［21］，而光合原件被破壞同時限制了CO2的吸收和轉運，CO2的不足很可能降低植物對光合損傷的敏感性［22］。樹蕨(Dicksonia antarctica)和桫欏(Cyathea australis)在高光和干旱脅迫下，對水分流失非常敏感，表現在光合參數如最大羧化速率、最大電子傳遞速率、光飽和凈光合速率和氣孔導度的顯著降低［23］。干旱脅迫期內，多數蕨類植物的光合代謝通路會受到抑制［24，25］，但對于某些特殊生境和特殊形態的蕨類植物如附生蕨類的光合代謝變化會有不同。附生蕨類最重要的適應性之一即在水分流失時啟動光合代謝中的景天酸代謝(CAM，crassulacean acid metabolism)。CAM是熱帶及亞熱帶干旱及半干旱地區的一些肉質植物所具有的一種光合固定二氧化碳的附加途徑，研究者在干旱和高輻射脅迫下的二歧鹿角蕨(Platycerium bifurcatum)中發現此代謝表達［26］，并且只在基葉中檢測到。雖然二歧鹿角蕨中的功能性CAM比較弱，而且僅限于基葉而不是孢子葉，但蘋果酸的晝夜代謝變化也為高等植物中存在古老的CAM系統提供了進一步證據，同時也表明蕨類植物耐旱過程中光合代謝的復雜性。

3.3 ABA調節和抗氧化酶系統的激活

干旱脅迫下內源激素水平的變化調節不可忽視。研究表明，水含量的輕微下降即可導致復蘇被子植物Craterostigma wilmsii內源ABA的急速應答［5］，極度耐旱的密羅木的離體葉片在脫水條件下ABA含量會顯著增加［27］。在復蘇蕨類卷柏中，干旱條件下內源ABA的含量提高了3倍多［18］，ABA作為卷柏類植物干旱調控的重要因素，在干旱期內的顯著積累，也可能是促使可溶性糖和脯氨酸的含量升高的誘因之一，同時也可能參與過氧化水平的調控與氣孔的開閉［24，28］。但最新研究中對于蕨類植物內源ABA是否介導氣孔的關閉還有一定爭議［29］。干旱導致的氧化脅迫往往會促使ROS的積累。ROS是導致核酸、蛋白、膜質損傷的重要物質，并可造成細胞結構的變化［24］，抗氧化酶系統的啟動對消除ROS作用巨大。植物中的SOD構成了消除體內ROS的第一防線，在對井欄邊草(Pteris multifida)、紅蓋鱗毛蕨(Dryopteris erythrosora)、闊鱗鱗毛蕨(Dryopteris championii)和貫眾(Cyrtomium fortunei)進行干旱脅迫，葉片SOD活性即會顯著提高，同時因為SOD可以消除自由基對質膜的損傷，故而筆者也認為適度的干旱能起到“煉苗”的作用［30］。卷柏在干旱和復水處理下，同時啟動的四種抗氧化酶(SOD、POD、CAT、GR)活性變化都有助于清除ROS的積累和對植物體的過度損傷［24］。

4 分子生物學機制

植物細胞失水會造成基因的上調或下調表達，不同類型的基因會被干旱誘導，基因表達也可能被脅迫間接啟動，但干旱脅迫應答是一個復雜的過程，也是多基因聯合作用的過程。

4.1 脅迫蛋白和基因表達

脅迫蛋白和基因的合成是植物對失水的普遍應答反應。研究表明，復蘇植物干旱條件下細胞壁的塑化是該類植物的普遍策略，富阿拉伯多聚體(Arabinose－rich polymers)如阿拉伯果膠(Pectin－arabinans)、阿拉伯半乳糖蛋白(Arabinogalactan proteins)和阿拉伯木聚糖(Arabinoxylans)對保持細胞壁彈性作用巨大。復蘇蕨類植物(Mohria caffrorum)干旱條件下的阿拉伯果膠與阿拉伯半乳糖蛋白的表達為保證細胞的完整性提供了保障［31］。熱激蛋白屬于分子伴侶中的一大類，很多熱激蛋白會被干旱脅迫誘導，對脅迫下植物蛋白的折疊和防止蛋白變性有一定作用［32］，該作用在復蘇卷柏和S.lepidophylla的抗旱過程中有顯著體現［24，28］。膜蛋白和胚發育晚期豐富蛋白是另一類干旱脅迫應答蛋白，無論從蛋白表達水平還是轉錄水平，這兩類蛋白都在蕨類植物的抗旱過程中表達，這些蛋白和基因的表達同時也有助于防止伴侶蛋白的降解［22］。東北多足蕨(Polypodium virginianum)［33］中的光合酶、M.caffrorum中的熱穩定蛋白以及卷柏抗旱過程中主要涉及的光合、能量代謝和細胞結構等功能類群蛋白的表達都為蕨類植物的抗旱性分析提供了大量分子信息。

4.2 干旱脅迫的信號調節

蕨類植物在中度缺水的情況下即可誘導內源ABA濃度的快速升高［24］，而ABA又作為信號會介導脅迫相關基因的表達變化。ABA介導的基因表達高度復雜，涉及轉錄調控因子的正負調控，最終導致干旱條件下植物生長發育受到抑制［34］。S.lepidophylla中與 ABA響應元件(ABA－responsive elements)和AP2結構域轉錄因子(AP2 domaincontaining transcription factor)綁定的bZIP轉錄因子(bZIP transcription factor)的表達，表明S.lepidophylla內存在著依賴ABA和非依賴ABA兩種基因調控［28］，卷柏的轉錄組與蛋白質組學研究結果也證實了這一點［18，24］，這些研究結果似乎也表明蕨類植物在脫水應答過程中采取了與高等維管植物相似的分子調控策略。另外，ABA缺失突變體的遺傳學分析表明，ABA在水分流失過程中對于氣孔的調控是必須的，而且無論是內源還是外源ABA，均可作為脅迫信號誘導基因表達。二歧鹿角蕨中的外源ABA誘導了凈光合速率和氣孔導度的下降［26］，進而可以推測，外源ABA也介導了氣孔的關閉和相關基因的調控。

通常條件下，脅迫信號的表達也發生在氧化還原系統和代謝循環的關鍵時期。信號表達途徑的復雜性與蛋白激酶表達、脅迫的敏感性、ROS積累等的密切相關。如干旱脅迫可促使蕨類植物中第二信使如蛋白激酶、14－3－3蛋白等基因的表達調節干旱脅迫應答［24］。目前，具有耐旱能力的墊狀卷柏(Selaginella pulvinata)海藻糖－6－磷酸合成酶基因已被克隆［35］，其信號調節功能在很多高等植物中已得到驗證，其在蕨類植物中信號通路的作用不可忽視，更需要進一步深入研究。

蕨類植物在生境、形態、習性等方面具有極大差異性，系統分類中居于特殊的分類位置，對環境脅迫的響應也表現了更為復雜和獨特的特性。雖然在形態學、生理學、分子生物學等領域對蕨類植物的耐旱性分析有一定研究借鑒，但今后利用新的技術手段如功能基因組學、蛋白組學和代謝組學等技術，將為我們了解蕨類植物的抗旱力和應答策略提供更有力的技術平臺。

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