藻類植物多胺研究進(jìn)展

劉 翠，劉 艷，朱慧瑩，孫 璇，王昶皓，崔亞萍

(臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276000)

1 多胺

多胺(ployamines，PAs)是廣泛分布在生物體內(nèi)的一類短鏈脂肪胺。1911年, Ciamician和Revenna首次在高等植物中發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的二元胺腐胺(putrescine，PUT)，此后，人們開(kāi)始對(duì)多胺展開(kāi)深入研究。目前，在自然界大多數(shù)生物體內(nèi)均已檢測(cè)出它的存在[1]。多胺是生理代謝過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)物，例如調(diào)節(jié)酶活性、新陳代謝和基因表達(dá)、保持細(xì)胞內(nèi)離子平衡[2]，還能消除活性氧自由基、維持生命體的正常生理活動(dòng)，提高植物的逆境抗性，其一些功能與植物激素類似。研究表明，多胺在對(duì)抗逆境脅迫中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，提高植物耐受性，對(duì)抗逆境脅迫。研究多胺在藻類中的作用機(jī)制將會(huì)對(duì)培養(yǎng)有利藻類、制約有害藻類以及整治由藻類引起的環(huán)境問(wèn)題起到十分重要的幫助。

2 藻類中的多胺

藻類中多胺的研究早就在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了，但僅限于單細(xì)胞藻類[3]。此后，高等植物中常見(jiàn)的二胺和多胺，以及一些不常見(jiàn)的多胺在海洋微藻以及大型海藻中被發(fā)現(xiàn)。

目前研究表明，海藻中的多胺主要為腐胺(Putrescine，PUT)、亞精胺(spermidine， SPD)和精胺(spermine，SPM)[4]，研究還表明大型海藻在鳥(niǎo)氨酸脫羧酶(ODC)和精氨酸脫羧酶(ADC)作用下可以合成PUT等在Ecklonia maxima褐色海藻中發(fā)現(xiàn)了游離態(tài)(Free)的PUT和SPM，但卻無(wú)法檢測(cè)到游離態(tài)的SPD。其原因是其合成的SPD處于束縛態(tài)(Bound)或結(jié)合態(tài)(Conjugated)，或者在合成后立即轉(zhuǎn)化成為SPM。自然界中高等植物中含有的多胺含量有很大差異，藻類也是一樣。目前研究表明，紅藻中的多胺含量高于綠藻。

與高等植物相比，藻類中PAs的合成途徑尚未得到深入明確的研究，大多數(shù)研究是在藍(lán)藻和單細(xì)胞綠藻上進(jìn)行的。研究表明，與高等植物類似，在藍(lán)藻、微藻和大型海藻中PUT的合成可以通過(guò)ADC或ODC進(jìn)行，這兩種酶的活性似乎都取決于藻類在測(cè)定時(shí)所處的發(fā)育狀態(tài)和環(huán)境條件。例如，當(dāng)單細(xì)胞藍(lán)細(xì)菌集胞藻暴露于10 d的滲透脅迫時(shí)，ADC活性和SPD含量均增加，而PUT水平保持在對(duì)照水平。SPD含量增加而PUT含量保持不變，表明PUT快速轉(zhuǎn)化為SPD，這表明了山梨醇脅迫下多胺最高累積水平[5]。

2.1 多胺對(duì)藻類生理作用的影響

人們對(duì)于多胺在藻類生理過(guò)程中的影響知之甚少。藻類中的多胺可以影響酶活性、維持離子平衡、調(diào)節(jié)激素等。目前已經(jīng)證實(shí)長(zhǎng)鏈多胺在硅藻的生長(zhǎng)過(guò)程中參與硅殼的合成，并起到調(diào)節(jié)硅化的作用；游離態(tài)的SPD是兩種赤潮異灣藻(raphido-phyceae)[6，7]生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中最主要的多胺。

多胺的代謝在細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)過(guò)程中非常重要，多胺的濃度與藻類生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中DNA和RNA的合成有關(guān)。去亞精胺、RNA以及蛋白質(zhì)的含量在小球藻的生長(zhǎng)周期中呈線性增長(zhǎng)，沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而PUT、SPD和DNA含量在S期早期呈明顯上升趨勢(shì)。通過(guò)添加二氟甲基鳥(niǎo)氨酸(DFMO)抑制ODC活性后，細(xì)胞中多胺含量增加量減小，同時(shí)細(xì)胞分裂被抑制，在第二個(gè)細(xì)胞周期中更為明顯。這說(shuō)明細(xì)胞中PUT和SPD含量可以調(diào)節(jié)小球藻的細(xì)胞分裂。

2.2 多胺抵抗逆境脅迫的作用

Richards和Coleman在1952年首次報(bào)道了在缺鉀環(huán)境下生長(zhǎng)的大麥植株中的多胺含量的變化。此后非生物脅迫下多胺含量的變化和多胺合成酶的活性問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)。在高等植物中，抵抗環(huán)境脅迫的普遍反應(yīng)是PUT的含量升高，SPD和SPM的含量也有所變化[8]。

藻類經(jīng)常遭受外界環(huán)境的脅迫，尤其是在潮間帶。像高等植物一樣，多胺在海藻抵抗逆境脅迫中發(fā)揮重要作用[9]。在鹽度脅迫下，海藻內(nèi)多胺含量有很大差異。在低鹽脅迫下，潮間帶海藻體內(nèi)PUT含量會(huì)有所增加，紅藻體內(nèi)游離態(tài)PUT、SPD和SPM含量升高。當(dāng)鹽度逐漸升高，達(dá)到一定濃度時(shí)，中肋骨條藻內(nèi)游離態(tài)SPD和SPM含量逐漸升高，其它的呈現(xiàn)先升高后降低或先降低后升高的趨勢(shì)，東海原甲藻內(nèi)多胺含量都首先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，部分多胺含量會(huì)回升[10]。在Cd脅迫條件下，中肋骨條藻通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)Put和Spm的含量，來(lái)促進(jìn)自身的生長(zhǎng)[11]。

脅迫交叉耐受性是指在暴露于某種特定壓力后適應(yīng)新環(huán)境的能力或適應(yīng)一系列脅迫源的能力。通過(guò)對(duì)脅迫源的綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)，在滲透脅迫(NACL和山梨醇)作用下，集胞藻PCC6803在滲透脅迫(NaCl或山梨糖醇)下可以積累PA，并且暴露于UV-B輻射及其后都會(huì)保持這些高水平。在鹽脅迫下，SPD水平增加，SPD：PUT比率增加2倍，以此來(lái)應(yīng)對(duì)額外增加的UV-B輻射。相反，在未經(jīng)過(guò)NaCl處理的情況下，應(yīng)對(duì)UV-B輻射的反應(yīng)下降。雖然對(duì)壓力交叉耐受性的研究很少，但是對(duì)于它的研究卻很重要，因?yàn)橥ㄟ^(guò)它或許能確定PA的作用[12]。

2.3 多胺調(diào)節(jié)葉綠體和類囊體膜的結(jié)構(gòu)和功能

多胺對(duì)光合作用參與膜形成的重要作用已經(jīng)在單細(xì)胞綠藻中得到證明[13，14]。研究表明，多胺在光合作用細(xì)胞器適應(yīng)光的過(guò)程中起重要作用。 Kotzabasis 等發(fā)現(xiàn)PUT、SPD和SPM存在于所有光合作用亞復(fù)合物中，光捕獲復(fù)合物主要含有PUT，但僅在PSII的核中發(fā)現(xiàn)了SPM，SPM一般位于反應(yīng)中心。

多胺通過(guò)幫助形成光合膜復(fù)合物而在構(gòu)建光合組織中起重要作用，其為斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)色素突變體的研究提供了證據(jù)。研究通過(guò)在黑暗中培養(yǎng)兩種色素突變體(C-2A'&C-6D)和S. obliquus的野生型(WT)，然后使其接受光照，發(fā)現(xiàn)其PUT含量立即降低且該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。在葉綠體的質(zhì)體膜發(fā)育的各個(gè)階段都發(fā)現(xiàn)了多胺，不同的發(fā)育途徑(WT和C-2A'&C-6D)表明了類囊體結(jié)合的多胺的特定變異性。

單細(xì)胞綠藻(Scenedesmusobliquus)的攝取實(shí)驗(yàn)研究了“SPM可能參與光合色素的生物合成”。高濃度的外源性SPM導(dǎo)致類囊體膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致葉綠素減少。由于SPM的結(jié)合，LHCII的構(gòu)象變化可能導(dǎo)致更大的非光化學(xué)猝滅并且增加能量耗散[15]。

2.4 編碼與PA代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶的基因

在高等植物中，存在ADC和ODC基因和其他基因，例如編碼SAM生物合成催化酶SAM合酶的基因和編碼SAMDC的基因[16]。Urano等確認(rèn)了8種參與擬南芥中PAs生物合成的基因。根據(jù)脅迫的不同，植物表達(dá)不同的基因，例如，在寒冷條件下，AtSAMDC2 mRNA增加，而在滲透脅迫下，AtADC2和AtSPMS mRNA增加。同樣，基因表達(dá)具有器官特異性，表明了PA在有性生殖和植物發(fā)育過(guò)程中的重要性。

迄今為止，只有3個(gè)完整的大型藻類基因組已完全測(cè)序。與基因的表達(dá)編碼以及PA代謝相關(guān)的酶在正常生長(zhǎng)和繁殖的條件下的大型藻類中尚未有詳細(xì)研究，也沒(méi)有在脅迫應(yīng)激下的大型藻類中進(jìn)行研究。在單細(xì)胞綠藻中，例如萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)，盡管已經(jīng)檢測(cè)出前體合成酶AIH和N-氨基甲酰基PUT酰胺水解酶的基因，但還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與其他生物體ADC基因具有顯著同源性的基因。

3 外源多胺對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

Lee & J gensen在1995年[17]研究發(fā)現(xiàn)，外源多胺可以被動(dòng)物、植物、海草、細(xì)菌以及浮游植物吸收利用，它們是溶解有機(jī)氮庫(kù)的重要貢獻(xiàn)者。浮游生物大量繁殖時(shí)水體中多胺量明顯升高，其生長(zhǎng)代謝等生命過(guò)程都會(huì)向水體中釋放一定量的多胺；人為向水體中釋放多胺是水體中多胺的另一個(gè)重要來(lái)源，例如養(yǎng)殖場(chǎng)等高腐敗蛋白廢水排入水體。外源多胺在植物體中的影響研究比較普遍，早在1995年檀建新等就發(fā)現(xiàn)給玉米幼苗施加亞精胺會(huì)增加其抗旱能力。周玉萍等給香蕉施加外源亞精胺可以可增強(qiáng)過(guò)氧化物酶的活性，提高其抗寒能力。高濃度的2-苯基乙胺對(duì)中肋骨條藻生長(zhǎng)起明顯抑制作用，而對(duì)塔瑪亞歷山大藻生長(zhǎng)卻起到顯著的促進(jìn)作用[18]。中肋骨條藻在鎘和銅脅迫條件下生長(zhǎng)受到抑制，而添加多胺有利于促進(jìn)其生長(zhǎng)[19]。

4 結(jié)語(yǔ)

與高等植物相比，藻類中通常含有高等植物中不常見(jiàn)的多胺，但一般情況下多胺在藻類和高等植物中的作用類似。多胺貫穿藻類生長(zhǎng)過(guò)程，藻類通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)多胺的量調(diào)節(jié)自己的生理代謝、應(yīng)對(duì)不同的逆境脅迫。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于多胺在藻類中的影響方面的研究較少，多胺在藻類生長(zhǎng)過(guò)程中的作用與機(jī)理還需進(jìn)一步研究。