高溫和干旱對木本植物碳代謝影響的研究進展

李良良，李 燕，丁貴杰*

(1.貴州省森林資源與環境研究中心/貴州省高原山地林木培育重點實驗室/貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

全球工業化的發展，溫室氣體的大量排放，導致全球氣溫逐年升高，1901—2015年亞洲地表平均氣溫上升了1.45 ℃，而中國年平均氣溫升高了0.5～0.8 ℃[1]，預計21世紀末，中國地表溫度將持續升高3.9～6.0 ℃。調查顯示，近20年來高溫和干旱導致全球范圍的不同森林類型死亡事件逐年增加[2-4]，包括中國東部和西南地區，預計未來這種趨勢仍將繼續[5]。高溫缺水是自然條件下最常見的非生物脅迫組合之一，預測森林生態系統未來的生長和生存亟需了解樹木對干旱和高溫的抗逆機制，所以研究高溫干旱脅迫對植物的影響已經成為當下農林業發展的重要方向之一。高溫干旱脅迫通常會導致植物光合作用和產能的下降，而糖作為光和碳同化的產物，不僅作為能源物質提供能量，也對植物的生長發育、代謝調控及脅迫抗性具有重要作用。本文主要從高溫和干旱對植物碳代謝的合成途徑和分解途徑兩個方面綜述其對植物碳代謝的影響，以期為相關研究工作提供參考。

1 植物碳代謝的作用和功能

植物體內碳可分為兩大類，一類是以纖維素、木質素等為代表用來進行形態建成的結構性碳，另一類是以可溶性糖和淀粉為代表的非結構性碳(NSC)，NSC是植物碳代謝的重要產物，不僅反應植物體內的生理狀況，而且還能在植物遭受環境脅迫時起到階段性緩沖作用[6]。相關研究發現，植物光合作用和呼吸作用對高溫干旱脅迫的響應具有先后順序，光合作用比呼吸作用可能有更高的敏感性[7]，高溫會增加植物的呼吸作用，減少可用于生長的碳源[8]。當植物在高溫干旱脅迫下通過光合碳固定合成的有機碳水化合物不能滿足分解代謝的需求時，只能對有限的碳水化合物進行重新分配和利用以提高利用效率，從而保證植物在逆境下的生長發育。重新分配利用的途徑之一就是合成較多的可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿等富含碳元素的滲透調節物質，從而調節細胞的滲透壓。隨著植物高溫干旱脅迫程度的不斷加劇，植物體內NSC及滲透調節物質均會顯著降低，表明滲透調節能力具有一定的局限性[9]，干旱持續的時間越長、強度越大，會導致植物光合作用生成的碳水化合物均持續性減少，最終導致植物產生碳饑餓，使植物面臨死亡的風險[10]。盡管關于高溫干旱對植物碳代謝的影響已經取得了相關進展[11]，但碳饑餓導致植物死亡的證據還不夠充分。因此，進一步了解高溫和干旱兩個因素對植物的相互作用對于預測森林生態系統對氣候變化的反應變得至關重要。

2 高溫和干旱對植物光和碳同化的影響

2.1 高溫和干旱對植物光合和呼吸的影響

光合作用是植物界最重要的生命活動之一，將碳元素從無機態向有機態轉變，是生物界碳水化合物的重要來源，是植物生產力重要的決定因素之一。植物光合速率主要受氣孔導度、葉肉導度和酶促生物化學三個因素的影響[12]，植物主要是通過根系感知干旱，當干旱降低到某一閾值時，脫落酸(ABA)驅動的激素信號促發葉片氣孔關閉，減少葉片的水分流失，二氧化碳進入葉肉細胞的濃度降低[13-16]，葉肉電導降低，導致葉綠體固定二氧化碳的含量降低[17-19]，伴隨干旱的高溫會加劇土壤的干燥，增加空氣中的水蒸氣壓力差(VPN)進一步降低氣孔導度，進一步加劇脅迫。因此，在干旱條件下，氣孔和葉肉導度被發現是光合作用的主要限制因素[18-21]。研究發現，高溫和干旱同樣會影響葉肉電導，但影響方式并不一致[17,22-23]。進一步研究發現，在正常的溫度范圍內，呼吸底物和相關酶含量等完全充足的情況下，呼吸速率短期內隨著溫度的升高呈現指數增長[24]，溫度進一步升高，植物增加的呼吸可能會消耗更多的組織碳，除非植物光合速率同步上升或呼吸速率通過熱適應性下降[25]。最近研究發現，植物的呼吸作用可能通過降低基本呼吸速率或降低對溫度反應的敏感性的過程來調節或適應溫度升高，而干旱等環境因素在影響這種反應中發揮著重要的作用。干旱首先會降低生長，然后降低光合作用，而呼吸作用可能會由于生長代謝或底物限制的降低而下降[20]。

2.2 高溫和干旱對植物氣孔的影響

植物通過蒸騰作用來減少熱損傷，但隨著干旱程度的不斷加劇，氣孔調節水分流失的動態行為決定了植物脫水的速率[26]。因此了解氣孔的高溫響應對于預測樹木因高溫干旱而死亡至關重要[27]。先前的研究表明，氣孔隨著溫度的升高由開放到關閉[28]，其變化的原因除受到環境溫度的調控外，無法排除空氣中的飽和水汽壓差(VPD)的影響。同時，氣孔溫度敏感性的種內和種間差異也存在，并導致觀察到的氣孔對高溫的反應并不一致。研究發現，干旱導致植物碳同化下降55%的主要原因可能為氣孔對二氧化碳的擴散限制，同時，二氧化碳的擴散限制還包括氣孔下腔到葉綠體核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)羧化位點的通路阻力，即葉肉細胞和葉綠體的細胞間隙、細胞壁和細胞膜的阻力[29]。因此，氣孔導度是限制植物光合速率的關鍵因素之一，而氣孔的開合除了受到保衛細胞的含水量及離子濃度調控外[30]，還受到植物激素的調控。植物對高溫和干旱的適應與植物激素的積累密切相關，尤其是水楊酸(SA)和ABA[31]。高溫干旱脅迫相比單一脅迫能促進植物SA的積累，SA可以更好的調節植物耐熱機制，如維持膜完整性[32]和保護光系統Ⅱ(PSⅡ)復合物[33]。除SA外，ABA同樣在高溫干旱脅迫中發揮著關鍵的作用，植物在遭受干旱達到一定閾值后，ABA驅動的激素信號被轉導到葉片，觸發氣孔關閉，以減少蒸騰作用造成的水分損失[34]，降低了二氧化碳從氣孔到葉綠體中Rubisco羧化位點以及細胞間隙、細胞壁、葉肉細胞和葉綠體的細胞膜之間的擴散，也就是降低了植物葉肉的傳導率[35]。研究發現，干旱脅迫導致了植物ABA的積累，進一步導致葉片氣孔的關閉[36]，而高溫脅迫有可能抑制了ABA的積累，從而避免了氣孔關閉，并保持較高的蒸騰速率以冷卻葉片表面。部分研究發現高溫干旱疊加脅迫下，盡管ABA水平降低，但氣孔的導度并沒有下降。同時，過氧化氫可以通過提高一氧化氮水平而不依賴ABA信號調控氣孔的關閉[36]。由此說明，高溫干旱疊加脅迫下氣孔響應的調節有可能涉及其他機制的調控還需要進一步的深入挖掘。

2.3 高溫和干旱對植物Rubisco活性的影響

Rubisco是植物C3途徑中重要的羧化酶，也是光呼吸中不可缺少的加氧酶，在光合作用卡爾文循環里催化第一個主要的碳固定反應。干旱脅迫下，CO2通過氣孔或沿葉肉途徑的有限擴散降低了Rubisco的羧化速率(Vcmax)，同時卡爾文循環中其他參與催化反應的酶同樣受到不同程度的影響，進一步限制了Rubisco的羧化速率和再生速率[37]。進一步研究發現，干旱下光合作用的電子傳輸速率的下降引起ATP合成受損進而造成代謝限制[38]，ATP的可用性降低又會反向影響1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)的再生，限制二氧化碳的固定速率。干旱脅迫對Rubisco的影響因植物種類和脅迫強度相關，部分研究發現Rubisco活性顯著降低[39-40]，Pelloux等[41]研究發現Rubisco活性表現出很少或沒有影響。高溫脅迫導致光合作用的下降主要原因是中度高溫削弱Rubisco的催化伴侶Rubisco活化酶(Rca)[42-44]的活性，適度的高溫還能抑制電子傳遞活性、ATP合成和RuBP再生[42,45]。隨著溫度進一步升高，超過了植物生理條件，光合作用可能會由于光合裝置中電子傳遞元件的物理完整性的損害而受到越來越大的限制[42]。磷酸糖是Rubisco活性的重要抑制因子，Rca能促進抑制性磷酸糖的降解從而調控Rubisco的活性。Rca的活性對熱敏性極強，在中等高溫下變得不活躍從而減少凈二氧化碳同化速率。研究發現，高溫干旱交互脅迫對植物具有明顯的生化限制作用，高溫下生化限制的增加主要歸因于Rubisco活化狀態的降低，Rubisco活化的減少與Rca的改變量無關，而與電子傳遞速率的改變相關，并最終與光合二氧化碳同化相關。因此，是否可以通過提高Rca活性的耐受性在高溫下增加光合作用還需要進一步的研究。

3 高溫和干旱對植物碳分解代謝的影響

3.1 高溫和干旱對植物蔗糖代謝的影響

蔗糖作為植物中重要的碳水化合物之一，在信號轉導和逆境應答方面發揮著重要的作用[46]。蔗糖是植物組織中的果糖-6-磷酸和尿苷二磷酸葡糖(UDPG)在蔗糖磷酸合酶(SPS)和磷酸蔗糖磷酸酶(SPP)的作用下合成[47]。反之，通過蔗糖合成酶(SUS)或蔗糖轉化酶(INV)降解為己糖(葡萄糖和果糖)或其衍生物[48]。SUS是一種糖基轉移酶，可以在UDP存在的情況下可逆的將蔗糖轉化為UDPG和果糖，而INV則不可逆的將蔗糖水解為葡萄糖和果糖。高溫和干旱對蔗糖代謝相關酶的影響很大，研究報道，高溫處理能通過提高SPS活性來增加植物蔗糖的含量[49]。而在干旱或高溫干旱下，蔗糖含量顯著降低，因為SPS活性受限，SUS和INV活性升高，加劇了蔗糖的降解，且兩者在聯合脅迫下降低的幅度更大，干旱脅迫初期，SUS和INV活性的增加，促進了植物葡萄糖和果糖含量和碳源的增加，說明干旱能激活植物降解蔗糖的能力[50]。因此，高溫處理能促進植物蔗糖的積累，但抑制了蔗糖的降解，降低了碳源，抑制了貯藏物質的積累。而在高溫干旱復合脅迫下，由于溫度升高的不利影響，SUS和INV的活性降低，導致己糖含量低于干旱脅迫，但高于高溫脅迫，所以，高溫干旱復合脅迫下，干旱依然占據主導地位[51]。此外，對一些耐受性較強的植物研究發現，高溫環境下蔗糖代謝關鍵酶基因發生響應，但蔗糖代謝處于平衡狀態[52]，說明耐受性植物通過調節蔗糖代謝相關酶的變化最終保證對高溫的適應性，但起到主導作用的酶基因還需要進一步的深入挖掘。另有研究表明，SUS和INV裂解蔗糖后產生的己糖通過信號通路在植物發育過程中發揮重要作用[47,53]。然而，到目前為止，糖信號轉譯的研究主要集中在葡萄糖上[54-55]。雖然果糖也是一種豐富的己糖，由INV和SUS催化蔗糖降解產生，但對其潛在的信號轉導作用知之甚少。在擬南芥中對果糖進行了系統的研究，發現果糖信號在幼苗發育中發揮重要作用，果糖-1,6-二磷酸酶被確定為信號通路中的果糖傳感器[55]。除了上述糖信號系統(蔗糖、葡萄糖和果糖)外，一些糖源性信號系統在植物抗逆脅迫中有可能同樣發揮著重要性的作用，這些系統包括海藻糖6磷酸(T6P)信號、雷帕霉素(TOR)激酶靶標系統、snf1相關蛋白激酶(SnRK)和bZIP轉錄因子[56]。最近研究發現，植物在干旱脅迫下，細胞積累大量的脯氨酸，而在高溫脅迫下，積累大量的蔗糖[57]，這種差異有可能是不同的脅迫組合加劇了植物不同類型的內部脅迫，或者脯氨酸在組合脅迫下對細胞有毒，蔗糖取代其作為細胞的主要滲透保護劑，其調節機理還需要進一步的深入研究。

3.2 高溫和干旱對植物淀粉代謝的影響

淀粉是植物一級和二級代謝的主要底物，包括能量代謝、運輸和滲透調節等功能[58]。在植物的整個生長發育時期，淀粉緩沖了碳供需的異步性，即同化、呼吸和生長之間的時間差，即使在無光合作用的情況下，淀粉的降解利用能更好的保證機體的生長[59]。在樹木中，碳長期存儲在木本組織的薄壁組織枝、莖和根[57]中，當植物對碳有需求時，淀粉和其他碳源被降解為可溶性糖，再通過樹木的木質部和內部樹皮進行運輸[60]。蔗糖經過幾個階段轉化為葡萄糖-6-磷酸，被腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)轉化為ADP-葡萄糖，最后被顆粒結合淀粉合酶(GBSS)等合成直鏈淀粉和淀粉合成酶(SS)、淀粉分支酶(SBEs)和淀粉去分支酶(DBEs)等合成支鏈淀粉[61-62]，此外，淀粉磷酸化酶(PHO)將蔗糖代謝為碳前體，也是淀粉生物合成所必須的[63]。淀粉的降解可能有多種途徑，比如α-淀粉酶、β-淀粉酶等多種酶[64]。

SS是淀粉生物合成中對干旱最敏感的酶。研究發現SS活性與淀粉合成速率高度相關，SS活性的變化可能在很大程度上解釋了干旱脅迫下植物淀粉含量的降低[12]。重度干旱下，AGPase活性的降低超過SS，導致了淀粉積累提前停止[65]。干旱同樣會導致SBE活性下降，但對GBSS活性的影響較弱。溫度對相關酶活的研究發現，SS活性在20～25 ℃之間最大，但在40 ℃時，97%的活性喪失。高溫同樣顯著降低了SS和GBSS的活性，也導致了AGPase、SS、GBSS和SBE基因的相對表達量的降低[66]。關于高溫導致植物淀粉含量下降的原因，爭議點較多，有研究發現，高溫降低了與蔗糖轉化為淀粉過程相關的代謝產物水平和酶活性[67]。淀粉生物合成過程中某些酶的失活抑制了蔗糖在高溫條件下轉化為淀粉，是淀粉含量降低的主要原因[68]。另有其他研究發現，高溫降低淀粉含量是因為淀粉積累提前停止而不是淀粉生物合成酶受到抑制[69]。近期研究發現，高溫下，植物蔗糖分解會受到阻礙，減少了植物淀粉的積累，而外源施加蔗糖可以促進植物淀粉的積累[70]。關于高溫干旱脅迫對植物淀粉的影響多集中在谷類等淀粉含量高的物種，高溫與干旱加快了淀粉合成相關酶基因的表達速率[71]，但降低了其表達量，導致淀粉積累時間縮短、積累量減少，并且高溫和干旱均能導致直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量的下降，但對支鏈淀粉的影響比直鏈淀粉更加顯著，由GBSS酶活的影響較小也能得出同樣的結論[72]。關于植物淀粉和蔗糖對高溫和干旱的響應已經開展了大量的研究，因為植物品種和脅迫程度的差異等因素導致爭議點較多。比如，蔗糖對淀粉合成和分解等過程中是否同樣發揮了重要的作用還需要進一步的深入研究。

4 結語與展望

本文綜述了近年來有關高溫和干旱對植物碳代謝的影響，包括合成代謝途徑——光和碳同化、分解代謝途徑——蔗糖和淀粉代謝。探討了植物碳代謝對高溫和干旱的響應。總而言之，相對于高溫和干旱單一脅迫對植物的影響，交互脅迫影響更為顯著。盡管對高溫和干旱下植物碳代謝的研究取得了很大的進展，但由于復合脅迫下碳代謝機制極其復雜，很難分清脅迫過程中的因果關系，其中的不少細節依然存在爭議或有待進一步揭示，比如光和碳同化中氣孔響應的調節有可能涉及其他機制的調控、Rca對Rubisco活性的調控機制及其他糖原物質在響應高溫干旱過程的作用等。

綜上所述，對以后的研究提出幾點建議：(1)當前研究多是集中在高溫和干旱單一脅迫對少數樹種的影響且多集中在北美和澳洲等地區。以后應進一步以本地鄉土樹種為主要研究對象，挖掘高溫干旱的影響機制，以期為物種多樣性對高溫干旱的對比研究奠定基礎；(2)代謝組的誕生為研究植物對高溫和干旱的響應提供了一種敏感和系統的技術來識別內源性低分子量化合物的改變，內部代謝物的大規模定量已經成為可能，通過代謝產物途徑的生化網絡和互作途徑，深入了解不同代謝途徑之間的互作關系；(3)多種組學的聯合分析，包括轉錄組、蛋白質組、代謝組、表觀基因組以及單細胞轉錄組等，能構建生物系統的綜合視角，對脅迫機制的認知提供更高層次的理解；(4)熱敏蛋白的生物合成是否和碳代謝相關以及相關性的強弱，依然缺乏實驗驗證；(5)當前關于己糖的研究多是集中在葡萄糖和果糖方面，而T6P、TOR、SnRK和bZIP信號網絡在植物抗逆過程中如何發揮核心作用以及它們的分子功能和調控機制仍不清楚。因此，需要在以上幾個領域開展更多的工作，將有助于我們了解植物糖代謝調節對高溫和干旱的信號級聯。