亞精胺提高植物抗旱性作用機理的研究進展

林必博， 王 鋒， 周濟銘

(楊凌職業技術學院， 陜西 楊凌 712100)

多胺是廣泛存在于植物體內的一類低分子量脂肪族含氮堿，其存在形式包括游離態、高氯酸可溶性結合態和高氯酸不溶性結合態等3種類型。常見的多胺有腐胺(Put)、亞精胺(Spd)和精胺(Spm)等，其中，Put在亞精胺合成酶(SPDS)作用下生成Spd，Spd可進一步由精胺合成酶(SPMS)催化生成Spm。多胺廣泛參與植物的逆境脅迫調控[1]，尤其是Spd，因其具有獨特的分子結構，與植物抗逆性的關系更加密切[2-3]。為進一步深入研究Spd提高植物抗旱性的作用機理，促進其在農業生產上的應用提供參考，從Spd與植物抗旱性的關系、對干旱脅迫下植物生長發育的影響、提高植物抗旱性的生理機理和分子機理等方面對相關研究進展進行綜述。

1 植物抗旱性與內源Spd的關系

植物組織內的Spd與植物抗旱性以及對干旱脅迫的適應性關系密切。絲絨草在受到干旱脅迫時，組織內的Spd含量顯著上升，并隨之表現對干旱的適應性[4]。楊建昌等[5]研究發現，水分脅迫下抗旱性水稻品種劍葉中Spd含量累積較早且持續時間長，相對含量(脅迫處理/對照)與品種的抗旱系數呈極顯著正相關性。干旱脅迫可提高SPDS基因的表達量，表明干旱脅迫可促進Spd的生物合成[6]。通過對水稻、玉米和小麥的研究發現，在受到干旱脅迫時，植物體內的Spd含量相對于非脅迫狀態明顯提高，通常同一種植物抗旱性強的品種提高幅度明顯較抗旱性弱的品種大；在鳥嘌呤腙MGBG(Spd合成關鍵酶S-腺苷蛋氨酸脫羧酶的專一性抑制劑)存在情況下，雖然其對干旱脅迫時Spd的合成有抑制作用，但Spd含量相比非干旱脅迫狀態仍普遍提高[7-9]，暗示受到干旱脅迫時植物體內Spd含量增加并非生物合成單一途徑。周琳等[10]分析發現，玉米幼苗在PEG模擬干旱脅迫下葉片類囊體膜上非共價結合態Spd含量呈下降趨勢，且抗旱性弱的玉米品種下降幅度明顯大于抗旱性較強的品種。ALCZAR等[11]對多胺合成基因轉錄譜的分析顯示，干旱可誘導Put經Spd向Spm正向轉化，而植物對干旱脅迫的響應涉及Spm向Put的逆向轉化，二者形成多胺循環回路，而非Spm的分解代謝，表明Spd是植物響應干旱脅迫的一種重要生理物質。植物受到干旱脅迫時，組織內的Spd含量升高，變化的強弱與植物抗旱性呈正相關關系；而Spd水平的變化不僅與其生物合成和存在形式有關，而且與多胺庫中不同多胺物質的相互轉換也有關。

2 外源Spd對植物抗旱性的影響

作為一種典型的逆境脅迫，干旱可對植物生理生化代謝產生一系列影響，進而影響植物的正常生長發育。基于植物抗旱性與植物體內Spd含量的密切關系，周小梅等[12-13]研究表明，施用外源Spd可提高植物組織中Spd含量，緩解干旱脅迫對植物的傷害，提高植物的抗旱能力，促進植物在干旱逆境下的生長發育。PEG模擬水分脅迫條件下用Spd浸種可明顯增強水稻種子活力，促進幼苗生長[12]；滲透脅迫下用Spd浸種能夠顯著提高白三葉種子的萌發率和萌發指數，促進胚根伸長和單株鮮重增加[14]。根施外源Spd可顯著提高玉米幼苗干(鮮)重、葉片相對含水量和葉綠素含量，增加根系數量；對抗旱性弱的品種影響更為明顯[15]。在開花期噴施Spd可減輕干旱脅迫對玉米籽粒灌漿的抑制作用[16]。葉面噴施Spd對燕麥幼苗具有良好的抗旱效果，適宜濃度的Spd可增強燕麥幼苗根系活力，提高幼苗株高、根長及生物量積累[17]。外源噴施Spd能顯著增加滲透脅迫下烤煙幼苗的生物量、根長、根表面積、根平均直徑和根尖數[18]。在干旱脅迫初期噴施Spd，可提高水稻產量[5]。表明無論是脅迫前預處理還是脅迫時葉面噴施或根際施用外源Spd均可提高植物抗旱能力，增強植物對干旱的適應性，促進植物的正常生長發育。

3 外源Spd提高植物抗旱性的機理

3.1 生理機理

3.1.1 提高植物抗氧化系統活性 植物在受到干旱脅迫時，組織內NADPH氧化酶活性增強，活性氧(ROS)水平上升，植物通過提高自身超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等抗氧化酶活性和抗壞血酸(ASA)、谷胱甘肽(GSH)等非酶抗氧化物質含量，加快ROS清除，適應干旱逆境。大量研究表明，無論是干旱脅迫前預處理還是干旱過程中施用外源Spd，均可降低干旱脅迫下植株組織中NADPH氧化酶活性，進一步增強SOD、POD、CAT及APX活性[16，19-21]；同時還可增強ASA-GSH循環，提高谷胱甘肽還原酶(GR)活性，促使ASA和GSH含量上升[13，22-24]。可見，外源Spd具有強化植物抗氧化能力以響應干旱脅迫的作用。當Spd的生物合成受到抑制時(采用MGBG處理)，植物組織中SOD、CAT和APX活性明顯降低，ASA和GSH含量明顯被抑制，NADPH氧化酶活性、過氧化氫酶活性和MDA含量明顯提高[8]，從反面印證Spd可提高植物干旱脅迫下抗氧化能力的作用。綜上，外源Spd可通過降低ROS生成速率，提高抗氧化酶活性和非酶抗氧化物質含量，加快清除ROS，緩解干旱脅迫下高水平ROS對植物生長發育的不利影響。

3.1.2 緩解光合作用受到的抑制 植物在受到短期干旱脅迫時，葉片水分供應不足引起氣孔關閉，阻礙CO2吸收，干擾葉綠素合成，破壞光合機構，引起光合作用下降；而長期干旱脅迫則阻礙CO2擴散，降低葉綠體光合活性，同樣引起光合作用下降，即干旱脅迫降低光合作用既有氣孔因素也有非氣孔因素[25]。RAJASEKARAN等[26]認為，Spd可使干旱脅迫的松樹幼苗維持較高的光合特性，有效緩解光合作用的降低。LIU等[27]認為，Spd通過調節保衛細胞質膜上K+通道調控氣孔關閉，減輕氣孔因素對光合作用的限制。李冬等[18，28-29]研究發現，噴施Spd能顯著提高干旱脅迫下烤煙、番茄及玉米等作物幼苗葉綠素的相對含量、氣孔導度及蒸騰速率，促進CO2吸收和轉運，提高光合電子傳遞效率，使植物在干旱脅迫下維持光合系統的穩定和相對較高的光合作用，對非氣孔因素引起的光合限制也具有緩解作用，該作用在冷脅迫和鹽脅迫等非生物脅迫中也得到印證[2，30]。

3.1.3 調控碳水化合物代謝 外源Spd可調控碳水化合物代謝。閆剛等[31]研究表明，施用外源Spd可提高干旱脅迫下番茄幼苗葉片中蔗糖合成酶(SS)和磷酸蔗糖合成酶(SPS)活性，增加其蔗糖、葡萄糖和果糖含量，降低淀粉含量。王顯瑞等[32]研究發現，外源Spd處理干旱脅迫谷子，可提高谷子幼苗中蔗糖磷酸合成酶和淀粉合成酶的酶活性，并促進蔗糖、可溶性總糖及淀粉等碳水化合物的積累。在種子萌發過程中采用Spd浸種，可提高干旱脅迫下萌發種子的淀粉酶活性，降低淀粉含量，增加還原糖和葡萄糖含量，促進種子萌發[33]。盡管外源Spd對干旱脅迫下植物葉片中碳水化合物代謝的研究結果存在差異，但總體上，外源Spd可調控干旱脅迫下植物組織中的碳水化合物代謝，促進植物的生長發育。

3.1.4 提高滲透調節能力 植物通過積累更多的脯氨酸(Pro)、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調節物質，增強保水能力，維持水分代謝平衡，這是植物響應干旱逆境的重要機制。干旱脅迫時，噴施Spd可進一步提高植物組織中Pro、可溶性糖和可溶性蛋白等有機滲透調節物質的含量，降低電解質滲透率，進而強化該機制[17，19]。Pro含量的高低取決于其氧化速度和合成速度，其合成包含谷氨酸和鳥氨酸2個途徑。對Pro合成代謝有關酶活性變化的研究發現，外源Spd可提高Pro合成代謝關鍵酶Δ'-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)、Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)和分解代謝關鍵酶脯氨酸脫氫酶(ProDH)活性，但對Pro合成代謝鳥氨酸途徑關鍵酶——鳥氨酸轉氨酶(OAT)活性沒有影響[34-35]。推測干旱脅迫下外源Spd通過調控谷氨酸途徑中關鍵酶活性促進Pro合成。此外，多胺與Pro合成途徑中存在同一種底物，外源Spd施用可增加Pro合成的底物含量，可能是外源Spd提高Pro含量的另一個原因[36]。而可溶性糖含量的增加，與外源Spd對植物光合作用和碳水化合物代謝的調控有密切關系。

3.2 分子機理

3.2.1 Spd具有廣泛的分子修飾作用 在生理pH條件下，多胺可以聚合陽離子的形式存在，也可與攜帶負電荷的核酸、蛋白質酸性殘基或磷脂生物膜通過非共價鍵形成復合體，或與羥基肉桂酸共價結合形成水溶或脂溶性物質，或與蛋白質、核酸等生物大分子共價結合形成高分子結合態[37-38]。Spd本身即是滲透調節物質，也具有多胺物質與其他生物分子相結合的普遍特征，其廣泛的分子修飾作用具有多種功能，如穩定質膜及類囊體等細胞內膜的結構，提高酶活性及生物大分子穩定性，調控生理代謝和基因表達等，可能是Spd增強植物抗旱性的分子基礎。Spd與葉綠體捕光色素蛋白LHCII、CP24、CP26和CP29交聯，提高葉綠體光合特性，維持光合結構穩定性[39]；與質膜上蛋白質等大分子結合，穩定質膜結構，降低膜的流動性，促進三磷酸腺苷(ATP)的產生，維持酸堿平衡[40]；促進SOD、CAT、POD及APX基因的表達[35]。

3.2.2 Spd作為信號分子參與激素調控 Spd與植物激素具有密切的關聯性。參與植物逆境響應的脫落酸(ABA)可上調SPDS基因的轉錄水平，Spd對ABA轉錄水平具有“正反饋”調控作用[41]，在ABA缺陷型植物中，干旱并不能提高SPDS基因的表達水平[42]，表明，Spd可能與ABA共同協作應對逆境脅迫，且ABA位于Spd上游發揮作用。與ABA相似，Spd可誘導擬南芥根尖伸長區釋放NO[43]，二者在逆境響應中也具有協同效應[44]。此外，有報道認為，Spd不僅可提高干旱脅迫下小麥灌漿過程中ABA含量，且可提高玉米素(ZT)和玉米素核苷(ZR)含量，降低乙烯(ETH)含量，進而促進小麥籽粒灌漿[45]。此外，也有外源Spd增加干旱脅迫下玉米中吲哚乙酸(IAA)和赤霉素(GA3)含量，降低水楊酸(SA)和茉莉酸(JA)濃度的報道[29]?？梢?，Spd作為信號分子廣泛參與各種激素代謝，進而調控植物干旱逆境下的生長發育。

4 小結

總體看，Spd提高植物抗旱性的作用機理可概括為2個方面，一是基于Spd特殊的分子結構，與DNA、蛋白質及磷脂等生物分子相結合，提高生物分子和植物組織膜結構的穩定性，以減輕干旱脅迫引起的生物分子活性降低和膜結構破壞；二是作為“信號分子”參與基因表達、蛋白質修飾和激素調節，進而調控一系列生理生化反應，提高植物抗氧化能力、光合作用及滲透調節能力，緩解干旱脅迫引起的生理代謝失衡。蛋白質組學方面的研究也表明，外源Spd可引起干旱脅迫下與蛋白質生物合成、氨基酸合成、碳和能量代謝、抗氧化和脅迫防御及激素信號通道有關的一系列蛋白質的差異性表達[46]。

盡管如此，Spd提高植物抗旱性的作用機理還存在不盡明確之處。目前的大多數研究集中于生理代謝調控方面，而在分子層面是如何具體發揮作用的尚不清楚。一些研究發現，Spd提高植物抗旱性存在濃度效應，過高的濃度反而抑制幼苗生長[17-18]，其作用機理是什么；作為信號分子，參與激素調控又是怎樣的具體途徑；不同的多胺物質在抗逆性方面發揮的作用存在一定差異，Spd在抗旱性方面的作用與其他多胺物如何相互關聯，上述問題都有待進一步深入揭示。

干旱作為農業生產長期面臨的一個世界性難題，也是一直以來研究的重點，研究如何在實際生產中提高植物抗旱性具有重要的現實意義?；赟pd在提高植物抗旱性方面毋庸置疑的積極作用，以Spd為活性成分，開發經濟、高效的新型抗旱功能種子引發劑和肥料等農資產品，可作為干旱半干旱地區農業生產的一條新途徑。此外，基因層面的研究表明，將亞精氨合成酶cDNA導入擬南芥中，轉基因植株葉片中亞精胺合成酶活性和Spd含量顯著增加，抗旱性增強[47]；將辣椒中分離得到的Spd合成關鍵基因SAMDC(S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶基因)導入擬南芥，擬南芥轉基因純合系的抗旱性顯著增強[48]；通過RNA干擾下調水稻SAMDC的表達，則水稻抗旱性減弱[49]，證明通過基因工程技術增強Spd表達以提高植物抗旱性的可行性。上述研究為抗旱性作物品種選育提供了新的思路。