非結構性糖在植物對干旱脅迫響應與適應中的作用

周 倩，曹家暢，崔明昆，龔 明

(云南師范大學生命科學學院, 生物能源持續開發利用教育部工程研究中心, 云南省生物質能與環境生物技術重點實驗室,云南昆明 650500)

近年來，隨著全球氣候變化，世界各地干旱事件發生的強度、頻率和持續時間不斷增加，植物也越來越容易受到干旱脅迫的影響，干旱脅迫導致大量的植物生長不良甚至死亡，并且呈加劇趨勢，植物體內代謝途徑受其影響很大，進而影響碳水化合物的含量。碳水化合物廣泛存在于自然界中，且含量十分豐富，是植物光合作用的主要產物，也是植物維持生命活動的基礎物質[1-2]。按其存在形式可分為結構性碳水化合物和非結構性碳水化合物，其中非結構性碳水化合物主要包括葡萄糖、果糖、蔗糖、棉子糖、淀粉、海藻糖等，是參與植株生命代謝的重要物質[3]，在植物的抗性研究中具有重要地位。

經研究發現，這些非結構性碳水化合物在植物應對干旱脅迫中發揮著重要作用。一是作為碳源緩沖物質，暫時維持植物的生長和代謝；二是當作信號分子，參與調節植物體一系列代謝活動，對植物的基因表達、逆境響應、生長發育進行調控[4]；三是作為滲透調節物質，保持膨壓而維持正常的代謝活動[5]；四是充當滲透保護劑，維持細胞質膜、蛋白質、核酸等生物大分子空間結構和功能活性[6-7]。

1 干旱脅迫對植物的影響

干旱因為長期缺少水源，使植物吸收的水分遠遠低于植物體本身蒸騰散失的水分，致使植物體嚴重缺水，生理生化和形態都發生不良變化的現象。在干旱和半干旱地區，干旱脅迫會直接影響植物的生長和生存。目前，為了適應水分供應不足，植物已經發展形成不同的生理機制，包括滲透調節、氣孔開閉機制以及根部形態特征的修飾等[8-9]。維持葉片水分狀況和高效光合作用對干旱條件下的可持續生長是非常重要的。植物與環境的長期相互作用，形成獨有的抗旱系統。植物現有3種不同的抗旱機理，一是逃避干旱，一般發生在生命周期短的植物中，它們在干旱脅迫前就完成生命周期，以逃避干旱的危害；二是抵御干旱，植物通過大量吸收水分并盡量降低水分流失來拮抗干旱；三是忍受干旱，即在水分嚴重不足的情況下仍然存活，這種在低等植物中比較常見[10]。

1.1形態結構的變化干旱脅迫下，植物在形態結構上會有明顯的變化，其中葉片最為敏感，在輕度的水分脅迫下葉片的生長都會受到抑制，另外植物的莖稈會變得矮小。已有研究表明，長白山地區的紅松、槭樹等樹種為適應當地的干旱環境，反應出降低葉片面積、根長、側根等生理指標[11]。葉具表皮毛，避免強光的照射，減少水分蒸騰；葉片表皮外壁的角質層增厚，減少水分的散失。除此之外，植物的氣孔會下陷、關閉，葉片蠟質也會增加等[12]。

此外，植物的根系會變大，不斷往下延伸變得密集，這是因為根系是連接土壤-植株-大氣間水循環過程中的重要步驟，是植株吸收水分的主要器官，能夠感知土壤環境水分的改變，從而調節自身體內的水分運輸和吸收[13]。同時木質部的導管直徑和數目也會增加，減少阻力提高運輸水分的效率等[14]；莖中機械組織發達，木質化高，機械支持增強，輸導組織得到保護，同時防止大風傷害幼莖，這些都是長期缺水形成的適應性特征[15]。

1.2對光合作用的影響植物光合作用和生長(生物量生產)是受干旱影響的主要過程[16]。干旱脅迫下光合作用會減弱，由于水分虧缺，葉片含水量會相應下降，隨之葉片表面保衛細胞失水，細胞膨壓降低，結果造成氣孔關閉，減少失水；然而植物正常進行光合作用所需的CO2不能保證，造成CO2虧缺，導致光合速率減弱[17]。

水分脅迫下，導致光合作用減弱的2個影響因素分別是氣孔限制和非氣孔限制[18-19]。氣孔限制間接影響光合作用，因為水分缺失造成氣孔關閉，氣孔對CO2的導性降低，導致光合速率降低；而非氣孔限制直接影響光合作用，通過影響葉綠體的顯微結構、光化學反應的活力、RuBP和PEP等酶的活性來減弱光合作用。在水分脅迫的早期，引起光合作用下降的主要是氣孔限制，當脅迫加重到中度以上后，非氣孔因素成為主要因素。張仁和等[20]研究表明，玉米在重度干旱下，光合作用下降是受非氣孔限制的。不論是否是氣孔因素引起的光合作用減弱，最終都是降低碳同化速率，影響光合產物的積累。

1.3對滲透調節的影響滲透調節是植物適應干旱脅迫的重要生理機制。研究表明，干旱脅迫能夠促進植物體內合成糖醇類、氨基酸及其衍生物如脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿和多胺等低分子量的有機溶質, 且耐旱性較強的品種較抗性弱的品種上升幅度大[21]。例如, 干旱脅迫下香橙生長受到的抑制較小, 這與其葉片脯氨酸含量大幅積累有關[22]。

滲透調節物質主要有2類，一是從外界環境中進入細胞內的無機離子，主要以K+為主，可維持體內水分平衡，一些鹽生或喜鹽植物主要靠無機離子的積累進行滲透調節。例如檸條在受到干旱脅迫時，K+、可溶性糖、脯氨酸的含量增加，在檸條遭受干旱時有助于細胞或組織免遭脫水造成的傷害[23]。二是細胞合成的有機溶質，主要以可溶性糖(蔗糖、葡萄糖、果糖、海藻糖、棉子糖等)甜菜堿和脯氨酸為主，可調節細胞質的滲透勢，維持正常的生理活動，并對蛋白質和生物膜起保護作用，從而保證細胞結構和功能的相對穩定。在干旱脅迫下，植物體內甜菜堿會積累，是由于植物體內的甜菜堿醛脫氫酶活性升高，從而增強植物的抗旱性[24]。

滲透調節是植物忍耐長期干旱過程中的一種保命機制，只是為了使植物在極端干旱的環境中存活下來，等待水分狀況的改善。

2 非結構性碳水化合物代謝

2.1蔗糖代謝大多數綠色植物光合作用的終產物之一就是蔗糖，作為主要的可溶性糖，是植物體內可溶性糖的主要運輸形式，對于植物生長起關鍵作用，面對干旱脅迫，蔗糖代謝中的非結構性糖具有重要作用，一是作為滲透調節物質，提高植物細胞的滲透勢[25]。二是充當信號物質，調節轉運蛋白，誘導植物體內抗性基因的表達[26]。三是作為抗氧化劑發揮作用[27]。同時，蔗糖還能影響調控花的誘導、組織分化、種子發育等過程[28-30]。

蔗糖的代謝途徑是以磷酸二羥丙酮(Dihydroxyacetone phosphate，DHAP)為底物先合成磷酸甘油醛(Glyceraldehyde 3-phosphate，GAP)，在醛縮酶催化下形成果糖-1，6-二磷酸，再由果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)水解形成F-6P；F-6P在磷酸葡萄糖異構酶和變位酶作用下，形成G-6P和G-1P，此3種磷酸己糖處于動態平衡狀態，然后UDPG焦磷酸化酶催化G-1P和UTP合成葡萄糖供體UDPG；蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)可促進形成蔗糖，而蔗糖合成酶(sucrose synthase，SS)主要是催化蔗糖分解生成果糖和UDPG，最終蔗糖在轉化酶(invertase，InV)作用下分解生成果糖和葡萄糖。

蔗糖磷酸合酶(SPS)是蔗糖生物合成中的關鍵限速酶[31]。其是一種低豐度蛋白，含量低，且不穩定，一般與蔗糖磷酸酯酶以復合體的形式存在。蔗糖合成酶(SS)是植物細胞中蔗糖代謝的關鍵酶，它的催化反應是可逆的，優先將蔗糖和UDP轉化為果糖和UDP-葡萄糖，UDP-葡萄糖(UDPG)是核苷酸糖在許多糖基化反應中作為葡萄糖殘基的供體，并且對于蔗糖的胞質形成和參與細胞壁纖維素的合成是必需的。轉化酶(InV)又稱β呋喃果糖苷酶，是能夠將蔗糖分解為葡萄糖和果糖的酶。它調控糖的積累和流向，是非常重要的酶之一。

2.2淀粉代謝淀粉是植物中主要的碳水化合物儲存庫。它是由葡萄糖殘基組成的簡單分子，它們通過a-1,4鍵與偶聯的a-1,6分支相互連接，形成滲透惰性、半結晶和致密顆粒[32]。淀粉最常見的儲存器官如根、根莖、塊莖、莖和種子，不僅代表人類飲食中碳水化合物的主要來源，而且還為工業生產提供原料[33]。在儲存器官中，淀粉由運輸的蔗糖合成，可以在生長季節中儲存，也可經過多年時間儲存，促進再生長或幼苗生長。

淀粉代謝在葉中最為清楚(圖1)，其中淀粉在白天被合成，并在第二夜被動員，以確保在不可能進行光合作用時穩定地供應碳和能量。在光合作用過程中，淀粉從過量的糖質中產生，和淀粉代謝有關的酶包括ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase polypetide，AGPase)、淀粉合成酶(starch synthase，SSS)、分支酶(starch branching enzyme，SBE)和脫支酶(starch debranching enzyme，DBE)、β-淀粉酶(β-amylase，BMY)等。其是由6-磷酸果糖(fructose 6-phosphate，F6P)轉變成6-磷酸葡萄糖(glucose 6-phosphate，G6P)和1-磷酸葡萄糖(glucose 1-phosphate，G1P)。G1P在AGPase作用下形成腺苷二磷酸葡萄糖(adenosine diphosphate glucose，ADPG)之后, 在SSS、SBE和DBE的作用下合成直鏈淀粉和支鏈淀粉[34]；在夜間，通過葡聚糖-水雙激酶(glucan,water dikinase，GWD)和磷酸葡聚糖-水雙激酶(phosphoglucan, water dikinase，PWD)磷酸化淀粉顆粒刺激淀粉降解，β-淀粉酶可將葡聚糖轉化成麥芽糖，在細胞溶質中，麥芽糖轉化成葡萄糖，隨后形成果糖和蔗糖[35-36]。

淀粉由排列成滲透惰性顆粒的葡萄糖聚合物組成，它在大多數植物中作為主要的碳水化合物儲存庫，可以被快速調動，以提供可溶性糖，并且它的新陳代謝對環境的變化非常敏感。淀粉作為調節植物對非生物脅迫如水分虧缺、高鹽度或極端溫度反應的關鍵分子。在這些具有挑戰性的環境條件下，當光合作用可能受到限制時，植物通常會將淀粉再生，以提供能量和碳。釋放的糖和其他衍生的代謝物支持植物在脅迫下的生長，并且作為滲透保護劑和相容性溶質起作用，以減輕壓力的負面影響[37]。糖也可以作為信號分子，與ABA依賴性信號通路串擾以激活應激反應級聯中的下游組分[38]。另外在控制水和CO2與環境交換的氣孔上的保護細胞中，淀粉在光照下會非常迅速地降解，有助于產生有機酸和糖，以增加保衛細胞的膨脹和促進氣孔開放[39]。

圖1 淀粉代謝途徑[40]Fig.1 Pathway of starch metabolism

2.3棉子糖代謝棉子糖系列寡糖(raffinose family oligosaccha-rides，RFOs)是由一系列半乳糖基轉移到半乳糖基受體上，并以α-1,6 半乳糖苷鍵相連而成。棉子糖、水蘇糖和毛蕊花糖等是主要可溶性碳水化合物。其中棉子糖是家族中的最小成員，在植物的葉、根、種子中都有分布[41]。

棉子糖在植物體內是以葡萄糖和半乳糖為底物生成UDP-半乳糖，肌醇半乳糖苷合酶(Galaetinol synthase，GS)催化由UDP-半乳糖和肌醇合成肌醇半乳糖苷(Galactinol)。隨后肌醇半乳糖苷在棉子糖合酶(raffinose synthase, RS)的作用下與蔗糖反應生成棉子糖，而后在水蘇糖合酶作用下生成水蘇糖，最后通過α-半乳糖苷酶作用下繼續生成半乳糖和葡萄糖(圖2)。

研究表明棉子糖系列寡糖作為滲透調節物質，在植物面對非生物脅迫時能夠穩定光合系統，作為保護劑保護細胞[42-43]。此外，棉子糖系列寡糖還具有清除自由基的功能[44]；而且還被公認參與種子的脫水性和貯藏性[45]。雖然RFOs途徑在響應應激耐受方面的作用尚未被完全了解，但植物體內RFOs合成相關基因在脅迫應答中的作用越來越被重視。

2.4海藻糖代謝海藻糖(trehalose)是一種非還原性二糖，在自然界中廣泛分布于動植物及細菌、真菌體內，作為應激保護劑分子對多種生物活性物質具有非特異性保護作用。大量研究表明在海藻糖豐富的生物體中，其不但可作為碳庫調節生長發育，還可充當滲透保護劑維持細胞質膜、蛋白質、核酸等生物大分子空間結構和功能活性[46-47]，同時還有助于降低高溫、滲透、脫水應激和有毒化學物質等多種脅迫造成的損傷，提高植物的耐受性[48]。

海藻糖和蔗糖生物合成途徑具有共同的特征，但其也具有與它們在細菌、真菌、藻類、植物、昆蟲和哺乳動物等生物中的存在和作用相伴隨的不同性質和調節[49]。與葡萄糖和蔗糖相比，不僅生物合成不同，而且海藻糖的分子性質都不同。海藻糖具有最高的玻璃化轉變溫度(所有二糖中最高)，高度黏稠，在極端溫度下保持玻璃狀結構，并在干燥和冷凍條件下覆蓋生物分子，從而增加這些生物分子的穩定性[48]。此外一種糖信號分子調節碳水化合物的分配，并與其他糖類的代謝途徑相互作用[50]。

在植物體內海藻糖合成途徑主要是OtsA-OtsB途徑，以葡萄糖為底物，通過海藻糖-6-磷酸合成酶(Trehalose-6-phosphate synthase，TPS)將尿苷二磷酸葡萄糖與葡萄糖-6-磷酸結合，從而形成海藻糖6-磷酸；海藻糖-6-磷酸磷酸酶(Trehalose-6-phosphate phosphatase，TPP)催化海藻糖6-磷酸去磷酸化合成海藻糖，海藻糖最終在海藻糖酶(Trehalase，THase)作用下分解為葡萄糖[51]，該途徑廣泛存在于生物體內(圖3)。

最近的研究強調海藻糖途徑在脅迫耐受中的作用，作為滲透保護劑或信號傳導分子。但迄今為止，還沒有記錄海藻糖途徑在植物脅迫耐性中的具體作用或作用模式，因為當作為滲透保護劑分子時，積累的水平通常較低，并且與該途徑有關的基因的過表達可能導致不希望的特征。故海藻糖途徑在提供植物抗逆性方面的確切機制仍不清楚，有待深入研究。

圖2 RFOs合成途徑[52]Fig.2 Synthesis pathway of RFOs

圖3 海藻糖代謝[53]Fig.3 Metabolism of trehalose

3 結語

隨著全球氣候不斷變暖，干旱的情況越來越突出，目前地球上1/3土地已是干旱或者半干旱，水資源的缺乏已影響農作物和森林的保護，干旱對植物的非生物脅迫占首位。植物在進化過程中已形成多種響應和適應干旱的方式，通過形態、生理、代謝和細胞水平上的多種變化來抵御干旱。糖是小分子化合物，在植物生長發育的過程中發揮著重要的作用，而且植物體內糖類的合成與分解會影響細胞的滲透勢，調控細胞的吸水能力或保水能力，在植物適應干旱環境中起重要作用。隨著植物抗逆性機理研究的逐漸深入，發現滲透調節是各種逆境脅迫中的共同作用，非結構性糖作為一種重要的逆境調節物質，在保護植物細胞膜功能性、碳源定向運輸、ROS清除、穩定酶分子、調節細胞多空間滲透勢等方面起重要的作用。