植物表皮蠟質參與干旱脅迫的反應機制

韋百陽 徐小靜

（中央民族大學生命與環境科學學院，北京　100081）

植物表皮蠟質參與干旱脅迫的反應機制

韋百陽 徐小靜

（中央民族大學生命與環境科學學院，北京100081）

植物表皮是植物與外部環境直接接觸的部位，包括具有立體網狀結構的角質和填充其間并覆蓋其上的蠟質。植物在適應外界環境的過程中，表皮蠟質形成了特殊的結構和復雜的化學組成。植物表皮蠟質最重要的功能是參與阻止植物非氣孔性失水，提高植物對水分的利用效率，以實現對干旱環境的適應。干旱環境會導致植物表皮蠟質代謝的變化，這種變化最終通過調控基因表達來實現。目前已經發現了多個蠟質代謝相關基因參與了植物對干旱環境的適應，部分基因已經成功克隆并且用于改良農作物的抗旱性。但這些基因參與干旱響應的分子機制及其與ABA的關系并不很清楚。就植物適應水分脅迫而發生的包括蠟質組成和含量在內的代謝變化，以及該過程中所涉及的主要基因及其分子生物學研究進行綜述。探討表皮蠟質在植物適應干旱中的重要作用及其分子機制，可為農作物的抗旱育種提供新型的分子標記和重要靶基因，最終服務于農業生產實踐。

植物表皮；水分脅迫；蠟質代謝；分子生物學

植物表皮蠟質是指覆蓋在植物外表面的一類不溶于水而溶解于有機溶劑（氯仿、正己烷等）的脂類物質的總稱，它與位于表皮細胞外具有致密網狀結構的角質層共同組成了植物的表皮，構成了植物自我防護的最后一道屏障［1］。植物表皮控制著非氣孔性失水，在植物抵御干旱環境過程中發揮重要作用［2，3］。目前對于植物表皮蠟質參與抵御干旱的機制研究很多，但對于一些關鍵化學組分的尋找，以及蠟質代謝關鍵基因的克隆及功能研究仍然有待深入。本文就近年來國內外對表皮蠟質在植物應對干旱逆境中的功能的研究，從生物學特性、化學組成、生理生態及分子生物學的角度闡述植物表皮蠟質參與干旱逆境脅迫反應的機制。

1 表皮蠟質的生物學特性

植物表皮蠟質多具有獨特的三維結構，可分為外蠟質層和內蠟質層［1］，外蠟質層是覆蓋角質層外面的只有蠟質成分的結構，而內蠟質層是指填充在角質層網狀結構內的蠟質層。表皮蠟質中的外蠟質層主要由可溶性的超長鏈脂肪酸（Very long chain fatty acids，VLCFAs）、烷烴、一級醇、二級醇、脂肪醛、酮類和酯類組成。而內蠟質層為無定型態，用電子顯微鏡不易觀察到，除了主要含有VLCFAs及其衍生物外，還包括萜類和其它微量的次級代謝物，如固醇和類黃酮類物質［4］。植物表皮蠟質主要在植物表皮細胞中合成，然后被分泌到表皮細胞外，自發地形成柱狀、棒狀、管狀、垂直板狀、樹枝狀及傘狀等多種形態的蠟質晶體［5］。Barthlott等［6］利用掃描電子顯微鏡觀察了13 000多種植物的表皮蠟質的形態結構并進行了系統分類和命名發現，片狀和管狀是所有蠟質晶體結構中最主要的類型。蠟質的組成和形態結構與植物的種類及器官類型有關，還與植物的生長時期有關［7］。此外，環境的改變也會造成蠟質形態結構的改變，如光照、溫度、濕度等。苘麻在干旱和低溫的影響下，其葉表皮蠟質組分和形態也會發生改變［8］。生長在苯污染的水中的蘆葦表皮蠟質晶體結構會發生改變［4］。

植物表皮在植物中最重要的功能是阻止植物組織內水分的非氣孔性散失，有利于水分的保持［2］。此外，它還具有保護植物免受病蟲害侵襲［9，10］、降低紫外線傷害［11］、維持植物表面清潔與植物表面防水［12］等功能，在植物抵御環境脅迫中具有非常重要的作用。

2 表皮蠟質與植物抗旱性的研究

2.1 表皮蠟質對于植物蒸騰作用的控制

植物蒸騰作用包括氣孔蒸騰和角質蒸騰兩個方面，其中表皮蠟質對植物角質蒸騰的控制最為直接。角質蒸騰主要受葉片表面理化特性的影響，如蠟質的厚度、蠟質的超微結構、角質單體的結構等，這些都會影響水分的通透和運輸，使角質蒸騰受到影響［13，14］。郭彥軍等［15］對不同品種紫花苜蓿的研究發現干旱脅迫時，不同品種氣體交換參數與蠟質含量變化規律一致，說明葉表皮蠟質參與了控制水分散失的過程。氣孔蒸騰由氣孔導度控制，表皮蠟質可能也參與這個過程。張志飛等［16］對高羊茅的研究發現干旱脅迫下高羊茅的綜合抗旱性指標與水分利用效率的相關性極顯著，葉片表皮蠟質含量與水分利用效率存在顯著正相關，這可能是高羊茅蠟質含量通過對氣孔導度的調節來減少氣孔蒸騰，從而提高水分利用效率。植物嚴重缺水時，氣孔關閉，氣孔導度下降，這時植物的角質蒸騰將成為植物失水的主要方面。在耐旱性植物中，角質膜和蠟質構成的植物表皮可以減少角質蒸騰中的非氣孔性失水，能夠在干旱情況下保證體內含有足夠的水分［2，3，17］。

角質膜上蠟質分子的結構和排列是決定滲透性的主要因素［12］，這涉及到蠟質組分脂肪酸鏈的末端、極性功能基團以及一些脂肪簇組分等［18］。水分運輸的動力學研究表明，水分子作為一個小的、非離子性的、極性分子不僅能夠在極性通道（專供離子和小的極性分子）里擴散，還能在親脂性通道（專供親脂性的非電解質）里擴散［19-21］。植物表面蠟質晶體的大小和位置對于決定水分擴散途徑起非常重要的作用［22］。Mamrutha等［3］測定290個桑葚品種的表皮蠟質，探討表皮蠟質與葉片持水量的關系，結果發現不同品種之間葉片持水量變化很大，而且與葉片蠟質含量、蠟質晶體大小和密度之間存在明顯相關性。

2.2 表皮蠟質含量與抗旱性的關系

研究表明，表皮蠟質層在植物抗旱途徑中起著重要的作用。Premchandra等［23］發現表皮蠟質可以作為植物表皮細胞內水分或溶解物向外擴散的屏障，所以一般認為表皮蠟質的含量和厚度會影響植物的水分蒸騰。Burow等［24］從輻射誘變的高粱KFS2012突變體中發現蠟質含量降低，葉片滲透性增大，水分散失加快，植株抗旱能力隨之下降。Park等［25］用掃描電鏡觀察水稻WDL突變體葉表面，發現蠟質晶體形狀不規則，有斷裂現象和凝結現象，進一步分析發現該突變體角質蒸騰速率比野生型高2-3倍，抗旱能力較弱。Yang等［26］通過掃描電鏡發現轉CaMV35S∷BnLAS擬南芥葉表面覆蓋有較多的蠟質，表皮蠟質層厚度增加，與對照相比，過表達植株含有更多的葉綠素，失水率降低，對抗旱能力更強。Broun等［27］在轉蠟質相關基因WIN1的擬南芥和轉WXP1的紫花苜蓿的研究中分別發現，蠟質含量增加可有效提高植物的抗旱性。

許多植物的蠟質缺失突變體（如擬南芥的cer突變體）都表現出了對環境中水分含量的敏感性，但目前對蠟質防止水分散失的詳細機制還不很清楚。表皮蠟質對于植物的蒸騰起著至關重要的作用，但表皮蠟質的屏障保護作用不僅僅取決于它的厚度。Oliveira等［28］對巴西卡廷加群落植被和熱帶高草草原植被的抗旱性進行研究發現，前者的保水能力強于后者。對它們的蠟質組分分析后發現，卡廷加群落植被葉片角質層蠟質的主要成分是極性較低的三萜醇和C27-C33烷烴類物質，而熱帶高草草原植被的蠟質含有大量的極性較高的棕櫚酮和熊果酸。推測不同的蠟質成分對植物水分蒸騰的影響是不同的，低極性物質能更有效的防止水分散失。Weng等［29］發現擬南芥lacs1 lacs2雙缺失突變體葉表皮C29烷烴嚴重缺失。葉綠素浸提實驗顯示lacs1 lacs2雙缺失突變體角質滲透率是野生型的4倍，其失水率也比野生型快，對干旱更為敏感。說明蠟質組分中烷類物質可能主要起著限制水分散失的作用。Seo等［30］研究發現擬南芥活化myb96-1D突變體葉表面顯著增加的蠟質含量中以醛類和烷烴類物質增加最為明顯，而擬南芥缺失突變體myb96-1蠟質總量則明顯減少。另發現與對照組相比，myb96-1D葉綠素浸提率和角質蒸騰較慢，而myb96-1葉綠素浸提率和角質蒸騰較快，表明角質層蠟質中醛類和烷烴類物質的增加提高了擬南芥的抗旱能力。Bourdenx等［31］研究發現在轉CaMV35S∷CER1擬南芥植株中烷烴類的含量大幅增加，而其在CER1突變體中的含量則大幅減少。轉CaMV35S∷CER1擬南芥植株角質層通透性比野生型和突變體的低，對干旱有更強的耐受力，這表明蠟質中烷烴類成分可能在擬南芥抗旱中發揮著重要作用。Xu等［32］的研究結果發現兩種生態型的鹽芥表皮脂類的厚度無明顯差別，但表皮滲透性和耐旱性方面存在著明顯的差異，主要原因可能在兩種生態型鹽芥在表皮脂類中的C24和C26酸含量上存在著明顯差異。Vogg等［33］的研究結果顯示，去除番茄外層蠟質對表皮水分的散失影響較小，而內表層蠟質脂肪族化合物比野生型低50%的突變體其表層水分散失比野生型高出4倍。由此認為限制角質蒸騰的因子可能是內表層蠟質的脂肪族化合物，而外表層蠟質則扮演著次要角色。

2.3 表皮蠟質與干旱脅迫相關的代謝基因

許多蠟質代謝相關基因的鑒定是通過篩選擬南芥的EMS突變體獲得，普通植株表皮覆蓋有一層粉白的蠟質，突變體的表面則變為亮綠色，通過觀察表型獲得了21種突變體，稱為CER1-21（Eceriferum）［34］。CER1編碼醛脫羰酶，導致蠟質成分中脂肪烴、二級醇、酮的含量急劇下降而醛的含量上升［35］。CER2主要在器官的表皮細胞中表達，它是酰基轉移酶大家族中的一員，蠟質成分的變化表明它阻斷C26［36］。CER3編碼的蛋白與泛素連接酶有一定的同源性，CER3突變體中一級醇、一級烴的鏈長急劇上升，說明它不能從延伸復合體中釋放出來，CER3能在所有組織中表達［37］。CER6基因編碼一個在莖中和花粉中合成長鏈脂肪酸所需的延伸縮合酶，CER6基因參與了比C24長的脂肪酸延伸途徑［38］。擬南芥中80%的蠟質組分由脫羰基途徑產生。參與催化這條途徑包含4個酶依次參與的酶促反應，包括β-酮脂酰-CoA 合酶（3-ketoacyl-CoA synthase，KCS）、β-酮脂酰-CoA 還原酶（β-ketoacyl-CoA reductase，KCR）、β-羥 脂 酰 -CoA 脫 水 酶（β-hydroxacyl-CoA dehydratase，HCD）和反式烯脂酰-CoA 還 原 酶（trans-2，3-enoyl-CoA reductase，ECR）［39］。KCS在蠟質合成的脫羧和酰基還原中起作用，第一個被分離的KCS基因是用轉座子標簽法從擬南芥突變體中克隆到的種子特異性基因FAE1［40］。擬南芥KCS基因家族有21個基因成員，根據氨基酸序列同源性可劃分為FAE1、KCS1、FDH、CER6四個亞組［41］。第一個被分離的KCR基因是從玉米突變體glossy8中獲得的，GLOSSY8在所有發育階段與組織器官中均有表達［42］。

干旱脅迫引起植物表皮蠟質的變化主要是通過改變蠟質合成相關基因的表達來實現的。目前，已從擬南芥、水稻、苜蓿等多種植物中克隆出與抗旱相關的蠟質代謝基因，見表1［43］。

表1 與植物抗旱相關的蠟質代謝基因

2.4 ABA誘導表皮蠟質代謝相關基因的表達

干旱脅迫下，植物會產生包括氣孔關閉、積累表皮蠟質和植物激素脫落酸（abscisic acid，ABA）等在內的一系列反應，這些反過來又會進一步提高植物的抗旱性。其中蠟質的代謝變化是植物響應干旱環境，進行自我調節的一種重要機制，這個過程中有諸多基因參與，這些基因與ABA的關系密切。缺水會誘導植物產生ABA，接著氣孔會發生關閉并誘導非生物脅迫相關基因的表達［48］。ABA的合成受干旱的誘導，但許多蠟質有關基因受ABA誘導，卻并不受干旱脅迫的誘導［49］。CER6參與長鏈（大于24C）脂肪酸的延伸，合成烴和醛，增加蠟質的合成，受離子脅迫（PEG）、鹽和ABA強烈誘導，在有些情況下，CER6甚至比人們熟悉的RD29A基因表達更強烈［50］。來自蒺藜苜蓿的WXP1編碼AP2/EREBP類型的轉錄因子，受冷害和ABA的強烈誘導，相比之下，受脫水誘導較弱［51］。而同為編碼AP2/EREBP類型的轉錄因子WIN，在ABA和干旱脅迫下，表達量卻下降。在紫苜蓿中過量表達WXP1，蠟質有關基因的表達與擬南芥中的同源基因存在變化，CER2和LCR同源基因表達上升，而WAX2和CER1表達下降；相反，在擬南芥中過量表達WIN1導致CER1、CER2和KCS1的積累［27］。在擬南芥中過量表達WIN1和在紫苜蓿中過量表達WXP1均造成葉片蠟質含量的增加，擬南芥葉片滲透性增加，而紫苜蓿葉片滲透性降低。與擬南芥不同的是，紫苜蓿的蠟質中醇類占優勢，在這些植物中可能存在不同的蠟質合成途徑。Rowland 等［52］報道蠟質相關的25個基因中受ABA誘導的達10個，而受離子和鹽脅迫誘導的分別為6個和4個，所有受離子或鹽脅迫誘導的基因均受ABA的誘導。篩選基因表達數據庫發現有幾個角質相關基因能夠受ABA的誘導，但僅有極少數得到實驗證實［43］。Kosma等［53］報道ABA能夠誘導蠟質和角質有關基因的表達，包括ACC1、CER1、CER2、CER5、CER6、CER60、CYP86A2（ATT1）、KCS1和LACS2，其中受ABA誘導上調水平最高的為CER1。來自鹽芥的EsWAX1基因受干旱和ABA的快速誘導，EsWAX1的表達會誘導CER1、KCS2、KCR1等基因的表達，導致蠟質的積累。擬南芥轉入EsWAX1后，在RD29A啟動子的驅動下EsWAX1的過表達植株中，葉正面表皮蠟質晶體的密度明顯加大，抗旱性明顯增強［44］。水稻干旱脅迫24 h后，DWA1基因表達急劇上調（24倍），ABA的處理下也明顯上調。水稻dwa1突變體中，蠟質代謝轉向脫羧基方向從而積累大量的烷烴，在長時間干旱脅迫下，葉表皮和蠟質產生明顯缺陷，垂直片狀晶體明顯減少，有些區域甚至看不到晶體，葉片的失水速率和葉綠素透過率明顯提高［45］。近年來，隨著蠟質代謝相關基因的不斷被分離，對它們的功能及其與ABA的關系也在深入研究之中，相信不久的將來蠟質代謝的分子機制將會逐步清晰。

3 表皮蠟質與鹽脅迫所致的生理干旱的研究

鹽脅迫可造成植物發生生理性干旱，這是由于高濃度的鹽分降低了土壤水勢，使植物吸水困難，甚至使體內水分外滲。一般植物在土壤含鹽量達0.2%-0.25%時，吸水困難，高于0.4%時就外滲脫水。這種危害與土壤缺乏有效水分一樣，是一種旱害，所以一般受鹽分影響的植物都表現出植株矮小，葉小而蒸騰弱等干旱的癥狀。由于鹽堿土的低滲透或植物表面的長期存在的鹽霧，使得鹽生植物適應了缺水的環境。許多海濱鹽沼植物，如馬蘭草、黑松和鹽芥等都積累了厚厚的蠟質層。這種加厚的蠟質層不僅對生長在鹽堿地中的植物的水分缺失提供一個地上屏障，還可能會擊退鹽水的水滴［43］。

蠟質層可能會阻止有毒鈉離子滲透到葉片中，適應了阻止鹽離子進入葉片的植物的蠟質層可能具有獨特的極性擴散途徑［43］。高鹽環境生長的堿蓬的蠟質層亞顯微結構和蠟晶體形態發生了顯著改變［43］。Waisely［54］認為鹽脅迫下不僅可使表皮細胞壁增厚，而且可以誘導角質層增厚。鄧彥斌等［55］對藜科植物葉片鹽生結構的研究發現，在鹽脅迫環境中生長的植物葉表皮蠟質化程度高。周波［56］研究發現，羅布麻能在干旱、鹽堿環境中大量生存，是與其表皮細胞外被有大量的蠟質層密切相關。這種厚厚的蠟質層有利于植物減少水分蒸騰，從而適應其生長環境中含有大量鹽分而造成的生理干旱。但Ristic等［57］的研究結果表明僅憑蠟質含量并不能權衡植物耐鹽能力，還需考慮蠟質的晶體及其化學組成等生化性質。韋存虛等［58］利用掃描電鏡和X射線電子探針對星星草的葉表皮及其與生境高鹽的關系進行研究發現，表皮細胞外存在豐富的蠟質紋飾和蠟質顆粒，這些蠟質包含鹽離子，具有泌鹽的功能。這些特征表明星星草受外界生態因素的影響，而演化出具有泌鹽功能的蠟質層來適應所生長的高鹽生境。這與章英才［59］的觀點一致，即認為在鹽漬環境下蠟質層是否增厚要看鹽生植物是否具有特殊的泌鹽結構，即如果鹽生植物葉表皮分化出特殊的泌鹽結構——鹽腺或鹽毛，則其角質層無明顯的增厚。

4 結語

表皮蠟質與植物對干旱環境的適應性之間存在密切聯系，適應性研究的主要內容包括形態適應、生理和代謝適應［60］，近年來這些方面的研究已經取得了很大進展。隨著電鏡技術和分析檢測技術的發展，對蠟質形態結構和組成的研究已經取得了很大進展，并且在包括番茄［17，61］、辣椒［62］等在內的更多植物上進行了深入研究。在植物適應干旱環境過程中的一些關鍵代謝組分已經逐步被揭示，如擬南芥中的烷烴［53］、鹽芥中的酸［32］等。植物能夠適應干旱環境的本質是環境對基因表達的調控作用，其導致基因和蛋白質的差異表達和代謝水平的變化。雖然目前已經獲得了一系列蠟質代謝相關基因，對這些基因的詳細功能及表達調控方式仍然需要進一步研究，尤其是對蠟質代謝的關鍵基因開展深入研究，包括它們參與蠟質代謝調控中的具體作用及調控方式。ABA如何參與表皮蠟質的代謝調控也將是未來的一個重要研究方向。對參與蠟質代謝的酶和轉運器等蛋白質方面的研究相對比較薄弱，尤其是轉運器的詳細功能有待揭示。對蠟質參與植物抗旱的機制研究具有重要意義，與抗旱相關的表皮蠟質中有效化學組分的獲得，有望篩選到新型的抗旱相關的分子標記，用于植物遺傳育種；候選基因的獲得對于植物抗旱基因工程的發展具有重要作用，并具有生產和應用上的價值。總體來講，植物表皮蠟質的研究是一個古老而又年青的領域，很多方面需要去深入探討，我們相信對這個領域的研究也將會更好地為人類服務。

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（責任編輯 狄艷紅）

Response M echanism of Plant Cuticular W ax Involving in Drought Stress Response

Wei Baiyang Xu Xiaojing
（College of Life and Environmental Sciences，Minzu University of China，Beijing100081）

The plant cuticle， which connects with the external environment directly， is composed of an intermeshed cutin polyester membrane overlaid with free waxes. Plant cuticle forms specific structure and complex chemical composition in the long-term process of adaptation to outer environment. The most important function of cuticular wax is recognized as involving in blocking water loss through nonstomatal transpiration， thus improving the use efficiency of water in plant， and finally adapting to the drought environment. Drought stress can lead to metabolic changes in cuticular wax， which is eventually conducted through the regulation of gene expression. Recently， many wax metabolism-related genes involving in plant adaptation to drought stress have been discovered. Some genes have been cloned and used to improve the drought tolerance of crops. However， it is still not clear that the molecular mechanisms of these genes involve in drought tolerance as well as the relationship with ABA. Here， we review the changes of metabolism， including the composition and content of wax while plants adapting to water deficit conditions， and the main genes involved and their molecular biology. Understanding the role and molecular mechanism of cuticular wax in the adaptation of plants to drought may provide new molecular markers and important target genes for breeding the drought tolerance of agricultural crops， i.e.， better service for agricultural practices.

plant cuticular；water deficit；wax metabolism； molecular biology

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.08.001

2014-12-02

國家自然科學基金項目（31470392），中央民族大學一流大學一流學科建設項目（YLDX01013）

韋百陽，男，碩士研究生，研究方向：植物次生代謝與調控；E-mail：weibaiyang777777@163.com

徐小靜，女，副教授，碩士生導師，研究方向：植物次生代謝與調控；E-mail：xuxiaojing@muc.edu.cn