植物對低溫和干旱脅迫的生理響應及5-氨基乙酰丙酸緩解脅迫響應的研究進展

吳玲玲　朱哲逸　雷宇航　朱宗河

摘 要：5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一種植物體內廣泛存在的非蛋白質類氨基酸，是參與植物葉綠素合成十分重要的物質，具有緩解逆境脅迫的重要作用。為進一步了解ALA在植物抗低溫和干旱逆境過程中的作用，該文綜述了低溫和干旱脅迫對植物理化過程影響的研究進展，分析了外源ALA緩解低溫和干旱脅迫的積極響應，為今后植物抗低溫和干旱研究提供參考。

關鍵詞：低溫;干旱;5-氨基乙酰丙酸;研究進展

中圖分類號 S311 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）17-0026-04

Research Progress on Physiological Responses of Plants to Low Temperature and Drought Stress and 5-aminolevulinic acid Response to Stress Mitigation

WU Lingling et al.

（College of Agronomy， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China）

Abstract： 5-Aminolevulinic Acid （ALA） is a non-protein amino acid widely found in plants. It is a very important substance in chlorophyll synthesis and plays an important role in alleviating stress.In order to further understand the role of ALA in plant resistance to low temperature and drought stress， this review focused on the effects of low temperature and drought stress on plant physical and chemical processes， and analyzed the positive response of exogenous ALA in alleviating low temperature and drought stress， so as to provide reference for future research on plant resistance to low temperature and drought.

Key words： Low temperature; Drought; 5-aminolevulinic acid; Research progress

植物在自然環境中生長和發育，不可避免地會受到極端溫度、水分脅迫、鹽漬等不利環境因素的影響。近年來，低溫和干旱逆境的頻繁出現，導致作物產量降低、品質下降，嚴重時可引起植株死亡，從而給農業生產造成了巨大損失。隨著農業科學技術的進步，為應對作物生產過程中的各種逆境脅迫，我國逐漸形成了從抗逆品種選育到抗逆栽培技術研制等應對災害性天氣的方法，其中通過噴施外源化學物質，挖掘和提高作物自身的抗逆潛力，促使植物開啟自我保護機制是一種重要的抗逆途徑。近年來國內外的一些研究發現，噴施外源5-氨基乙酰丙酸（ALA）可以增強植物應對逆境的能力，提高作物產量和品質。因此，通過研究總結植物對低溫和干旱脅迫的反應及外源ALA緩解逆境脅迫的反應機制，對于提高作物抗低溫和干旱的能力，制定行之有效的農業措施，降低災害性天氣對農業生產的影響具有重要的現實意義。

1 植物對低溫和干旱脅迫的生理響應

1.1 低溫和干旱脅迫對植物膜脂過氧化的影響 植物代謝所產生的活性氧（ROS）是一種非常重要的信號分子，參與植物細胞的多個反應過程，但是ROS具有較高的毒性，含量過多對細胞有毒害作用，也會抑制植物正常生長。當遭遇冷害時，植物對O2的利用率降低，細胞內ROS的產生速率大于清除速率，兩者之間不能維持動態平衡，O2-和H2O2的含量持續增加，從而加劇了膜脂過氧化程度，導致丙二醛（MDA）大量積累，膜的完整性被破壞，細胞受到嚴重損傷，進而影響植物的生長發育[1]。干旱會導致植物對O2的利用率降低，細胞內活性氧（ROS）的產生速率大于清除速率。一般情況下，自由基在植物細胞內的含量較低，且處于一個產生和消除的動態平衡，干旱導致細胞內ROS大量積累，植物細胞膜脂過氧化，引起生理變化和代謝紊亂。正常情況下，植物體內存在清除保護酶系統，當細胞內ROS增加時，抗氧化酶的防御體系就會清除過量的活性氧[2]。

1.2 低溫和干旱脅迫對光合生理的影響 光合作用是構成農作物產量的重要環節，低溫會影響植物細胞進行光合作用，而在干旱脅迫下，缺水是植物遭遇的最直接的影響。前人的很多研究表明，植物缺水時，其光合速率通常也會降低。低溫脅迫也會使植物葉片中的葉綠體受到損傷，若溫度過低，葉綠體甚至有被降解的可能[3]。有學者在黃瓜[4]、番茄[5]、玉米[6]等作物中發現低溫脅迫會降低某些光合作用所需酶的酶活性[7]，光合作用暗反應階段需要多種催化酶參與反應，低溫環境下這些酶的活性會受到影響，導致暗反應被抑制，從而抑制了光合作用。Zhao等[8]研究發現，低溫脅迫會使水稻葉片中葉綠素的含量降低，葉片中參與光系統II（PSII）和光系統I（PSI）的蛋白含量明顯下降。低溫脅迫對植物葉片結構和反應的影響與對其他相關物質的影響，最終都會降低植物葉片的凈光合速率，導致植物的干物質積累減少，最終影響產量。在干旱脅迫下，缺水是植物遭遇的最直接的影響。許多研究表明，植物缺水時，其光合速率通常也會降低[9-12]，干旱脅迫下，植物的吸水小于失水，為了減少植物失水，葉片氣孔打開程度減少甚至全部關閉，蒸騰速率降低，但氣孔的關閉降低了CO2的吸收速率，暗反應階段受阻，從而光合作用受到抑制。也有研究表明，干旱脅迫會抑制植物葉片細胞中葉綠素等光合色素的合成[13，14]，也會破壞葉綠體的結構，最終導致植物的光合作用被抑制。

1.3 低溫和干旱脅迫對酶活性的影響 正常條件下，植物能清理體內產生的有毒物質以維持正常的生理代謝，但在低溫和干旱脅迫下，植物不能及時有效地清理有毒物質，導致其受到損傷。當細胞內ROS增加時，植物的保護酶系統就會清除過量的活性氧[2]。SOD作為參與抗氧化作用的第一個酶，能及時有效地清除超氧根離子O2-，減輕細胞膜脂過氧化以保證細胞膜的完整性，從而保護植物;CAT和POD能有效地將有毒的H2O2轉變成水（H2O）和氧氣（O2），從而保護植物免遭毒害;APX是葉綠體中清除H2O2的關鍵酶，能有效保護植物葉片細胞，從而保障光合作用的進行[1]。白靜[15]發現在低溫脅迫下，SOD酶活性高的油菜比活性低的油菜更耐寒。Li等[16]研究發現，低溫脅迫后，小麥體內的SOD、CAT、POD的酶活性隨之提高，達到最高之后開始下降。低溫脅迫下，小麥體內的保護酶系統會發揮作用來保護小麥細胞，但長期的低溫脅迫還是會使小麥受到傷害。

張朋飛[17]等研究表明，油菜受到干旱脅迫時，其體內CAT、POD和SOD活性總體都有所升高，酶活性呈先下降后上升趨勢，其原因可能是在干旱脅迫初期，其膜系統所受傷害較小。鐘飛燕[18]研究表明，在干旱脅迫下，抗氧化酶活性呈上升趨勢，升至最高值后開始呈下降趨勢，說明持續的干旱會使酶活性降低，最終失活，植物細胞內過量的ROS不能被清除，從而對植物產生危害。

1.4 低溫和干旱脅迫對植物內源激素的影響 低溫脅迫會使植物內源激素發生變化，抑制型激素的含量明顯增加，生長促進型激素的含量明顯減少[19]。研究表明，低溫脅迫下植物可以通過調節內源激素的含量來適應低溫環境[20]。許耀照[19]等研究表明，低溫脅迫下，抗寒性越強的品種油菜體內的IAA含量越低，GA含量下降幅度越大，ABA含量上升速度越快。Zhang等[21]研究發現，低溫處理會抑制冬小麥IAA和GA的合成，同時促進ABA的合成，說明低溫下小麥會通過抑制自身的生長來適應低溫，在大田生產中，有利于小麥安全越冬。干旱脅迫也會影響植物體內的內源激素含量。有研究顯示，干旱脅迫下的植物，其體內促進生長類的激素含量明顯減少，如生長素（IAA）、細胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA），抑制生長類的激素含量明顯增多，如脫落酸（ABA）、乙烯（ETH）等[22，23]。

2 外源ALA緩解植物低溫和干旱脅迫的效應

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一種非蛋白質類氨基酸，在動植物、微生物中廣泛存在，它是四氫吡咯（四氫吡咯是植物生成血紅素、細胞色素和維生素B12等必需物質）的前綴化合物，是植物葉綠素合成過程中十分重要的物質。

2.1 外源ALA緩解低溫和干旱脅迫下膜脂過氧化的效應 正常情況下，植物體內存在清除保護酶系統，當細胞內ROS增加，抗氧化酶的防御體系就會清除過量的活性氧，低溫和干旱會導致ROS過量積累以及細胞膜脂過氧化。許多研究表明，低溫或干旱脅迫下，外源噴施ALA能通過調控不同作物的生理生化特性來提高作物的耐寒性或者耐旱性[24-28]，從而保證作物在低溫環境下能正常生長和發育，以確保產量不會受到太大影響。

用不同濃度的ALA溶液對玉米葉面進行噴施處理，再進行低溫處理48h，結果表明，葉面噴施ALA能減少葉片細胞內MDA含量和相對電導率以保護葉片細胞膜系統[29]。Ali Anwar等[30]研究表明，將黃瓜幼苗種在摻有不同濃度ALA的育苗盤基質中，ALA處理降低了ROS和MDA積累，提高了黃瓜幼苗的耐低溫弱光能力，使得ALA處理黃瓜幼苗長勢明顯優于低溫對照。

ALA處理可以降低細胞內活性氧和丙二醛的積累[31]，從而提高植物的耐旱性。王發展等研究表明，干旱脅迫會導致烤煙幼苗葉片中H2O2含量、O2-含量以及電解質滲透率大幅增加，分別增加96.14%、79.77%和112.55%。與對照相比有顯著差異，外源ALA處理明顯降低了葉片中H2O2含量、O2-含量以及電解質滲透率。當ALA濃度為20mg/L時效果最佳，分別比干旱對照組降低35.93%、35.18%和42.15%[32]。

2.2 外源ALA緩解低溫和干旱脅迫下光合作用的效應 低溫和干旱不僅會使葉綠體受到損傷，還會抑制光合作用酶的活性，前人的許多研究發現，外源ALA能緩解低溫和干旱脅迫對植物光合作用造成的傷害。張治平等[33]研究表明，葉面噴施ALA可以抑制低溫脅迫下油菜葉片中葉綠素含量的減少。Liu等研究發現，外源性ALA能緩解低溫脅迫下番茄葉片中尿卟啉原III（UROIII）轉化為原卟啉IX（Proto IX）的葉綠素合成障礙，并增強葉綠素及其前體的產生[34]。Ali Anwar等[30]研究表明，ALA處理可以使得葉片中葉綠素Chl a、Chl b和Chl a+b的含量增加。有學者發現，干旱脅迫下，ALA處理過的小麥幼苗的光系統II（PSII）功能指數比對照高，psbA和psbD基因轉錄相比對照均上調，說明ALA處理可以誘導葉綠素合成以及psbA和psbD轉錄以增強PSII功能，從而提高小麥的耐旱性[35]。有研究發現，與無干旱對照相比，單獨干旱脅迫改變了87個葉綠體蛋白的含量，而與單獨干旱脅迫相比，在干旱脅迫下外源ALA的施用改變了469個葉綠體蛋白的含量;ALA預處理小麥可調節某些生物途徑，例如代謝途徑以及光合作用和核糖體所涉及的途徑，以增強葉綠體的抗旱性;H2O2累積和O2 -生產葉綠體是由ALA的外源預處理減輕，而過氧化物酶（POD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）的活性被上調，這與葉綠體蛋白質組數據一致，說明ALA通過調節酶促過程促進葉綠體中的活性氧（ROS）清除，從而提高小麥的耐旱性[36]。

2.3 外源ALA緩解低溫和干旱脅迫下酶活性的效應 當植物遭遇低溫和干旱脅迫時，細胞內ROS含量增加，抗氧化酶的防御體系就會清除過量的活性氧，前人的許多研究結果表明，外源ALA可以提高抗氧化酶的活性，緩解低溫和干旱對植物造成的傷害。Wang[29]對2個品種玉米幼苗進行了4種處理，結果表明，在ZD958中，與低溫對照相比，ALA處理的玉米幼苗干重得到了顯著提高，說明ALA處理能有效緩解低溫脅迫對玉米幼苗生長的抑制作用。在低溫脅迫下，ALA的預施用改善了SY13中的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性。此外，在2個品種的低溫脅迫下，用ALA處理玉米幼苗均增強了核糖-1，5-雙磷酸（RuBP）羧化酶活性，對比4種處理的結果發現，ALA預處理可相對減輕低溫脅迫對玉米幼苗造成的損害，特別是在對低溫敏感的品種。因此，可以使用適當濃度的ALA來防止因低溫脅迫而導致玉米減產。研究人員認為，ALA激活了GSTU43編碼的GST活性，上調了GSTU43基因和蛋白質表達，并可能在抗壞血酸和谷胱甘肽再生循環的輔助下提高了番茄對低溫誘導的氧化脅迫的耐受性，并積極調節了植物的氧化還原穩態，從而提高了番茄的耐寒性[34]。ALA處理可以提高細胞內抗氧化酶活性[37]，從而提高植物的耐旱性。王發展[32]等在干旱脅迫下對烤煙進行葉面噴施不同濃度梯度的ALA溶液，結果表明，濃度為20mg/L的ALA溶液處理對烤煙的耐旱效果最為顯著，抗氧化物酶POD、CAT以及APX活性均提高60%以上，SOD的活性也提升49%。

2.4 外源ALA緩解低溫和干旱脅迫下內源激素的效應 低溫和干旱脅迫會使植物體內的內源激素含量發生變化，一些植物激素通過參與復雜的反應來調節植物的逆境響應，外源ALA可以通過調控內源激素來促進植物對逆境的響應。劉濤[38]研究表明，低溫脅迫導致番茄葉片中ABA、SA和JA有明顯增加，顯著高于常溫對照組，而用濃度為25mg/L ALA處理后，葉片中JA和GA3含量相對于低溫對照顯著增加21.6%、100.8%、ABA含量相對于低溫對照顯著降低17.2%。Anwar[25]研究認為，低溫降低了黃瓜苗期葉片中內源激素的積累，外源ALA處理相比CK則顯著增加了黃瓜苗期葉片中JA、IAA、BR、iPA和玉米素核糖苷（ZR）的含量，相比于對照分別增加6.54%、25.87%、19.43%、23.53%和16.34%，而GA4和ABA相比CK分別下降15.95%、24.61%。這些結果表明，ALA可以誘導內源性激素積累，以提高低溫脅迫耐受性，并促進黃瓜幼苗的生長。干旱脅迫下，羊草葉片中ABA和IAA含量相較于對照來說顯著升高，GA3和ZR含量顯著降低，使用不同濃度的ALA溶液對干旱脅迫下的羊草進行處理，結果表明，濃度為50mg/L的ALA處理對羊草的耐旱效果最好，ABA含量相較于干旱無ALA處理對照顯著降低，而IAA、GA3及ZR的含量與干旱無ALA處理對照相比顯著提高，尤其是IAA[39]。

3 結語

作物生長發育的不同時期遭遇低溫和干旱，都會對其最終產量造成不同程度的影響。在了解不同作物在不同時期對低溫和干旱的差異反應的基礎上，通過化控的方法提高作物應對低溫和干旱脅迫，緩解低溫和干旱對作物的影響，將對產量損失降到最低，是從事相關研究的農業工作者遇到低溫和干旱極端天氣時首要考慮的問題。這就需要運用科學的方法來揭示不同作物對低溫和干旱的響應機制，探索有效應對低溫和干旱等災害天氣的方法，研制可行的緩解低溫和干旱脅迫的技術手段。在此基礎上篩選抗低溫和干旱種質，并開展抗低溫和干旱育種，同時也需要在挖掘耐低溫和干旱相關基因的基礎上，從分子水平上揭示植物耐低溫和干旱的機理，提高植物耐寒性、耐旱性，最終應用于生產實際。

基金項目：國家重點研發計劃（2018YFD0100602-4）。

作者簡介：吳玲玲（1997—），女，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：油菜抗逆育種。 通訊作者? 收稿日期：2021-05-18

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（責編：張宏民）