植物中游離氨基酸在水淹脅迫下響應的研究進展

賴媛媛

(東華理工大學地球科學學院，江西南昌 330013)

水是植物生長的重要影響因子，不同植物對水深都有一定的耐受范圍，超過植物所承受的范圍，就會影響植物的生長及死亡[1]。

水淹脅迫是主要的非生物脅迫，環境中的水分含量決定了植物的生態分布，水分過多或過少均會對植物的生長產生不利的影響[2]。植物組織中游離氨基酸能直接或間接對環境中非生物脅迫做出響應[3]。對蘋果樹、番茄物種的研究結果支持應激條件下誘導氨基酸含量增加的這一結論[4-5]。接下來Koppitz等[6]的研究也證實，蘆葦在受到極端洪水的影響下氨基酸可以作為生理脅迫的指標，淹沒部分中生長的蘆葦植物顯示總氨基酸含量明顯增高，并且碳水化合物的總含量低于未淹沒區域。在水淹缺氧條件下，游離氨基酸含量的變化能反映植物的耐淹能力[7]。

雖然洪水是一種復合壓力，但大多數研究集中在阻礙氧化磷酸化和低光合速率引起的誘導能量和碳水化合物危機[8]，以及設置不同水位梯度來探討對植物生長的影響[9]，對游離氨基酸含量的變化來探討植物組織中氨基酸代謝機制的研究較少。綜述了植物在水淹脅迫下通過代謝途徑探討各個氨基酸之間的關系，了解植物組織中游離氨基酸在環境脅迫下的作用以及各游離氨基酸的代謝機制，為植物對水位的適應提供依據，為生態系統多樣性的保護提供理論基礎。

1植物體內氨基酸適應水淹脅迫環境的響應當植物遇到外界脅迫條件時，氨基酸、蛋白質、糖的代謝都會發生變化[10]，氨基酸主要通過參與改變植物體內某些生理代謝，或調節相關基因表達和關鍵酶活性等方式來增強植物對各種逆境的適應性反應[11]。洪水是一種非生物脅迫，會阻礙植物的正常生長，洪水脅迫會導致植物浸沒部分中的低光強并且處在缺氧的環境中，Bailey等[8]指出水淹會導致低光照強度，抑制光合作用；洪水是一種復合應激，ATP合成和碳水化合物資源的限制對植物的生長和存活具有重要的影響，在缺氧的條件下，能量短缺導致蛋白質合成速率下降，引起對氨基酸的需求也降低，這可能是游離氨基酸積累的原因[12]。Koppitz[13]指出在洪水下會造成植物缺氧，有限的氧氣導致呼吸磷酸化減少和糖酵解中間體(乙醇和丙酮酸)的累積，它們可以通過轉氨作用，形成氨基酸。有學者提出，缺氧下的游離氨基酸(提別是丙氨酸)在維持組織的滲透壓方面起作用，缺氧條件下氨基酸積累的能力似乎與組織存活相關[10-14]。

1.1植物組織中γ-氨基丁酸(GABA)在水淹脅迫下的響應GABA是一種四碳非蛋白質氨基酸，是大多數原核和真核生物中游離氨基酸的重要組成部分[15]。GABA來源于谷氨酸，然后轉化為琥珀半醛(SSA)和琥珀酸，進入三羧酸循環[16]。

GABA被認為是應激指標，可以在水淹、缺氧、寒冷等壓力脅迫下快速積累[13]。GABA在第8天洪水期間從最初的約10%增加到約55%[17]。Kreuzwieser等[18]指出，在洪水下，GABA在根中的濃度大量增加。Koppitz等[6]發現GABA含量與Asn負相關，即隨著天冬酰胺含量的增加，GABA下降；GABA含量又與Ala和Pro、Ser正相關。Mustroph等[19]發現，缺氧時植物根中大量積累GABA，而嫩芽中沒有大量累積。分析GABA積累的原因，有研究者認為應激條件下胞質酸化以及誘導谷氨酸脫羧酶活性的增強，加快了GABA的合成速率，導致GABA的積累[15]；或者GABA-T活性受限，從而導致GABA的積累[16]。GABA積累還可以參與細胞溶質pH平衡的調節(因為其產生消耗質子)，滲透調節或活性氧(ROS)的代謝[19]。綜上所述，GABA可以在不同應激條件下的各種植物組織中快速積累，以響應缺氧、寒冷和機械的影響。

1.2植物組織中谷氨酸在水淹脅迫下的響應機制在游離氨基酸中，谷氨酸發揮著重要的作用，被認為是植物氮代謝中“宇宙的中心”[20]，谷氨酸是厭氧代謝的一些特征化合物(丙氨酸、氨基丁酸)的前身[10]。植物從周圍環境獲得氮素后，被植物同化為氨基酸等有機含氮化合物，參與植物的蛋白質合成[21]。一般認為植物同化的主要途徑是[22]：

NR：硝酸還原酶；NiR：亞硝酸鹽還原酶；GS：谷氨酰胺合成酶；GOGAT：谷氨酸合成酶。

GS和GOGAT循環有助于氨的再同化作用和硝酸鹽的初級同化作用，并且不斷地合成谷氨酸用于合成其他化合物[10]。Glu和Gln是植物合成有機氮化合物的第一步，在其他有機氮化合物的合成中具有重要地位[21]。銨鹽在植物體內谷氨酰胺合成酶(GS)的作用下與谷氨酸(Glu)結合形成谷氨酰胺(Gln)，Gln又可以提供酰胺基，在谷氨酸合成酶(GOGAT)的作用下和α-酮戊二酸生成Glu；環境中的氨也可以直接與α-酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的作用下合成Glu[23]。谷氨酰胺合成酶(GS)有2種同工酶，即分別位于細胞質和葉綠體的GS1和GS2。GS2的主要功能是把葉綠體和光呼吸再合成的NH4+轉變為谷氨酰胺(Gln)[22]。氨同化及其循環的生化反應過程[22，24-25]如下：

式中，α-Oxo為α-酮戊二酸；Pi為磷酸。

上述的第一個反應式為谷氨酸作為氨的受體而形成谷氨酰胺，該反應為谷氨酰胺合成酶(GS)催化；第二個反應式為谷氨酰胺在谷氨酸合成酶(GOGAT)的作用下轉變為谷氨酸，這2個反應式簡稱GS-GOGAT途徑；在葉綠體內GS途徑需要光合磷酸化產生的ATP才能進行，說明葉綠體中GS途徑是強烈需要光的[22]。谷氨酸是鳥氨酸、精氨酸、脯氨酸以及氨基丁酸、谷氨酰胺的前體[20](圖1)，Glutamate?Orn?Arg、Glu?Pro、Orn?Pro是可逆線路[20]。

圖1　植物中谷氨酸的合成和代謝途徑(改編自文獻[24，26])Fig.1　Synthesis and metabolic pathway of glutamate in plants(adapted from references[24，26])

Mustroph等[19]指出，在缺氧脅迫下，植物中的Glu會隨淹沒時間的增加而下降，在擬南芥和其他物種中也發現這個規律，指示植物在應激時氨基酸代謝延長變化，但Barding等[27]指出，在淹沒水稻的芽中，Glu會隨淹沒時間的增加而逐漸積累。說明物種間存在差異，導致氨基酸含量變化有差異。

1.3植物組織中其他游離氨基酸在水淹脅迫下的響應目前，關注較多的是GABA、Glu對水淹的響應，但是植物組織中其他游離氨基酸同樣也對水淹脅迫產生響應。

Asp是由Glu提供α-氨基在天冬氨酸轉氨酶(AST)的作用下合成的[21]。Asp在其他酶的作用下，形成其他氨基酸，如賴氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸、蛋氨酸和異亮氨酸[28]。Asp通過天冬氨酸半醛脫氫酶(ASADH)生成天冬氨酸半醛(aspartate semialdehyde)，在脫羧酶的作用下形成Lys，在高絲氨酸脫氫酶(HSDH)的作用下轉化為Met和Thr，Thr進而轉化為Val、Leu以及Ile[21]。Narsai等[26]提出，在缺氧脅迫下觀察到Asp會隨淹沒時間的增加而下降，在擬南芥和其他物種中也發現這個規律，指示植物在應激時氨基酸代謝延長的變化，但Barding等[27]指出，在淹沒水稻的芽中，Asp會隨淹沒時間的增加而逐漸積累。說明物種間存在差異，導致氨基酸含量變化有差異。

在缺氧條件下，丙氨酸增加的比例遠高于GABA[29]。Mustroph等[19]發現，根和嫩芽2種器官在缺氧時都積累丙氨酸(Ala)。植物在缺氧達120 h后會導致根和木質部汁液中丙氨酸的大量增加，根中丙氨酸的增加在4 h后就很明顯，但木質部中的丙氨酸明顯增加是在8 h后[30]。而Narsai等[26]研究指出，丙氨酸的積累與Ala AT的活性相關，水淹下，活性增強，造成Ala的累積。

甘氨酸(Gly)與幾種氨基酸(包括Ser和Thr)的代謝都直接相關，并且Gly的增加可能是由這些氨基酸的再循環產生[27]。精氨酸(Arg)壓力脅迫條件下積累[24]。脯氨酸(Pro)非生物脅迫(干旱，低溫和高溫)下逐漸增加[24]，Chanu等[29]認為植物組織在水分脅迫過程中脯氨酸的產生和積累是一種適應性反應，這可能是由于在過量水分脅迫的誘導下脯氨酸的從頭合成，或者是由于參與適應性機制以維持正常的滲透壓調節。

水淹會導致天冬酰胺(Asn)顯著減少，在經過1 d的洪水后，天冬酰胺從40%或更多降低至約10%，在8 d后，天冬酰胺降低至小于5%[17]。在植物中，天冬酰胺是由在谷氨酰胺作為氨基供體，天冬氨酸在天冬酰胺合成酶(AS)催化的反應中形成的[17]。Asn在蘆葦N代謝中是主要儲存器和運輸化合物[6]。Masclauxdaubresse等[23]發現天冬酰胺具有比谷氨酰胺更高的N/C比，尤其是在豆類中可以用作遠程運輸和儲存植物中的氮化合物。Lea等[14]提出，天冬酰胺在應激條件下會積累，這可能是對應激條件的直接生物反應，有助于維持滲透壓，也可能是在應激條件下限制蛋白質合成的間接結果。Kreuzwieser等[18]研究發現，在beech以及Oak物種的根中，Asp、Asn、Glu、Gln氨基酸濃度會隨著水淹時間的增加而顯著減少，而Oak的葉片在經過水淹后氨基酸濃度組成沒有變化。

2結語

植物受環境脅迫下體內的游離氨基酸會做出響應。在水淹脅迫下，植物體內谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)可能減少或者累積，而天冬酰胺(Asn)、γ-氨基丁酸(GABA)、絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)、精氨酸(Arg)大量累積。但因物種間存在差異，或者處理方式存在差異，會導致植物中氨基酸含量變化有差異。目前，國內外對水淹以及鹽脅迫下氨基酸濃度的研究較多，但復合壓力下氨基酸濃度研究較少，以后研究應多結合實際環境情況。

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