環境脅迫下γ-氨基丁酸對植物生長調控的研究進展

李 穎， 魚小軍， 李 珍， 魏孔濤， 童永尚

(甘肅農業大學草業學院， 草業生態系統教育部重點實驗室， 中-美草地畜牧業可持續發展研究中心， 甘肅省草業實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

γ-氨基丁酸(GABA)，一種四碳非蛋白氨基酸類物質，以自由態形式存在于各種生物中[1]，Steward等[2]于1949年的研究報告中提出GABA存在于馬鈴薯(Solanumtuberosum)塊莖中。之后諸多學者針對GABA在動物和植物體中發揮的作用展開研究，研究證實GABA在動物體內是脊椎動物抑制性神經遞質，而在植物中是一種對植物生長發育有重要影響的信號物質，可作為未來新型植物生長調節劑[3-5]。此外，諸多研究表明GABA在增強植物抗逆性方面有重要作用[4,6]，可通過參與信號傳遞，調節植物體抗氧化系統穩定，保護光合器官以及維持植物碳氮平衡等方式參與逆境脅迫響應，促進植物生長發育[4]。

GABA的產生主要有2種途徑，一是通過三羧酸循環的一個支路(GABA支路)進行，正常環境條件下，植物體內GABA含量極少，當植物遭受長時間的環境脅迫時，會導致植物發生代謝功能障礙、膜損傷和細胞成分降解，并發生胞質酸化[7]，此過程使得細胞內Ca2+升高，繼而激活谷氨酸脫羧酶(Glutamate decarboxylase,GAD)，L-谷氨酸在GAD的催化作用下生成GABA，使得GABA含量大量提升，GABA能夠被存在于胞質或線粒體中的γ-氨基丁酸轉氨酶(γ-aminobutyric acid transaminase,GABA-T)催化形成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸再在琥珀酸半醛脫氫酶作用下氧化為琥珀酸，最后進入三羧酸(TCA)循環[8]。二是多胺降解途徑，植物體內的腐胺(Putrescine,Put)、精胺(Spermine，Spm)和亞精胺(Spermidine,Spd)在多胺氧化酶(Polyamine oxidases. PAO)和二胺氧化酶(Diamine oxidase,DAO)作用下生成4-氨基丁醛、4-(3-氨丙基)-氨基丁醛，脫水后在吡咯啉脫氫酶的催化作用下轉化為GABA[9-10]。這兩種生成GABA的方式使其大量積累，保護脅迫下的植物免受傷害，同時在碳、氮和能量來源中起重要作用[11]。

目前，GABA對植物生長發育[4]，GABA產生途徑方式[12]和農業生產中作用[13]的綜述較多，未見環境脅迫下GABA調控種子萌發和植物生長發育過程的總結，本研究綜合論述了GABA對于種子萌發、抗氧化作用、光合作用、氮代謝過程、GABA代謝和多胺代謝過程的調控作用，為讀者集中了解GABA在緩解環境脅迫中的作用提供理論參考。

1 GABA對植物種子萌發的影響

種子萌發作為植物生命活動的重要過渡時期，容易受環境脅迫的影響，如在鹽[14]、低溫[15]、鋁[16]等脅迫情況下，種子的出苗率和幼苗長勢都會受到負面影響，表現為出苗不齊、出苗率低、苗長勢弱或胚根和胚芽發育不全等，進而使得植物正常生長受到阻礙。因此，植物如何成功度過這一時期顯得尤為關鍵。近年來，通過施加外源物質緩解植物受到環境脅迫的研究已成為熱點，相關研究表明GABA對植物種子萌發期的調控有重要作用[17]，GABA的主要施加方式為發芽前浸種處理，諸多研究試驗結果表明通過GABA浸種的方式可提高種子發芽率，加快發芽速度，增加貯藏物質轉化率值，促進胚根和胚芽伸長，增加植物早期幼苗鮮干重[18-19]。GABA對于種子萌發的影響大多具有“濃度效應”，表現為低濃度促進發芽，高濃度抑制的趨勢，不同物種對于GABA的最佳響應濃度各不相同，但在環境脅迫下均能產生一定的積極作用。鹽脅迫下，GABA浸種后種子貯藏物質轉化率增加，有效緩解由脅迫引起的種子發育較差的情況，通過提高種子活力，促進胚根發育，增加早期幼苗胚根長度[18]。低溫下，GABA浸種通過加快可溶性糖等貯藏物質的代謝，為種子萌發提供能量物質，從而有效緩解環境脅迫，增強植物種子抗性[20]。淀粉酶是種子萌發過程中將淀粉轉化為小分子營養物質的重要酶類，這一過程可為種子萌發提供能量[21]，當植物遭受環境脅迫時，淀粉分解代謝受到抑制，會嚴重影響種子萌發。GABA浸種后，淀粉酶(α-淀粉酶和β-淀粉酶)活性顯著增強，從而加快了淀粉分解代謝速率，可為種子萌發提供更多的碳水化合物，相比于未經過GABA浸種的種子能夠更快萌發，發芽率和種子活力也相應提高[22]。綜合來看，GABA調控植物種子萌發的主要策略為GABA提前浸種后，當種子遭受環境脅迫時，通過增強淀粉酶活性，加快可溶性糖等營養物質生成，提供能量加速種子萌發，提高種子活力，為后期幼苗的生長奠定基礎。同樣的調控方式在Al脅迫下白三葉(Trifoliumrepens)種子萌發[23]和鹽堿脅迫下甜瓜(Cucumismelo)種子的萌發[24]中也有證實。

2 GABA對植物形態建成的調控作用

植物遭受環境脅迫的一個重要表現是生長緩慢，導致地上和地下植物株高下降、莖粗減少、鮮重和干重降低[21]，若長期處于不良環境中，將嚴重抑制幼苗的正常生長發育，甚至發生死亡的現象，阻礙幼苗的建成[25]。環境脅迫下適度的GABA噴施處理對植物的株高，根系發育，生物量等各種生長指標均有一定的恢復作用。比如，干旱條件下，GABA噴施緩解了甜瓜幼苗葉片與根系的生長抑制，提高了葉綠素含量、葉面積比及各項生長指標，從而促進幼苗葉片的伸展和根系的發育[26]；鹽脅迫下，0.5 mmol·L-1的GABA可促進根系根毛的產生，從而增加根長，根表面積和根體積，促進根系發育[27]；高溫脅迫下，施用GABA后可促進莖葉生長，增加根長[28]。GABA在調控環境脅迫下植物形態方面對各個器官和組織的生長發育都發揮重要作用。目前對于幼苗期GABA的施用方式主要為葉片噴施或根系灌施，GABA之所以能夠緩解逆境下植物的形態變化，是因為GABA是一種極易被根系吸收的氨基酸態氮源，它參與硝酸鹽吸收過程，施加適量濃度的GABA后可促進植物體硝酸鹽的吸收，刺激根系伸長[29]，之后GABA被根系吸收后轉移至葉片，有效促進植物多胺合成[30]，緩解環境脅迫。

3 GABA對植物抗氧化作用的調控

4 GABA對植物光合作用的調控

非生物脅迫通過破壞光合作用的主要成分(如類囊體膜和葉綠素)影響光合作用[37]，導致光合系統遭受破壞，光合速率降低[38]，植物葉片光合電子傳遞受阻，光合色素將光能轉化成化學能的速率降低，耗能增加[39]，最終對植物的生長產生影響。有研究表明GABA能夠通過減少葉綠體內羥自由基含量，穩定和保護葉綠體的類囊體，使得細胞避免遭受低溫傷害。另外，GABA也能起到清除細胞體外過量羥自由基的作用，同等條件下，其清除作用要強于脯氨酸和甜菜堿[40]。在王馨等[41]對西伯利亞白刺(Nitrariasibirica)研究試驗中發現，噴施適量的GABA可以提高NaCl脅迫下植物的凈光合速率(Pn)和氣孔導度(Gs)，降低胞間CO2濃度(Ci)，此結果也說明了適量外源GABA可通過降低NaCl脅迫下葉肉細胞光合活性的下降速度，使得西伯利亞白刺的光合效率與未施用GABA處理相比得到顯著提升[18]。在高溫脅迫下對水稻(Oryzasativa)幼苗進行外源GABA施加后發現GABA會緩解高溫脅迫對幼苗光合特性的損傷，減少逆境下葉綠素含量、最大光量子效率(Fv/Fm)的降低速率，從而減小了高溫脅迫對光合作用的損害[28]。環境脅迫下使得植物體內分解葉綠素酶活性增強，葉綠素分解速率加快，最終導致葉綠素含量下降[42]。外源GABA的施用雖不能消除環境脅迫所導致的葉綠素含量下降，但可減緩葉綠素含量的下降速度，從而緩解不良環境對光合組織所造成的傷害，同樣的研究在陳梓健[43]的研究中也有證實。因此，GABA預處理能夠通過減輕光合色素分解，促進葉綠素合成，提高光合速率等方式減輕環境脅迫對于植物光合系統的損傷[44]，從而促進植物的生長。

5 GABA對植物氮代謝過程的調控

6 GABA對內源GABA代謝和多胺代謝過程的調控

GABA調控植物抗逆性與植物體內源GABA的大量積聚有關，環境脅迫下，GABA支路代謝和多胺代謝加快，有研究表明，逆境下GABA的積累量中有61%來自于GAD催化的谷氨酸降解途徑，39%來自于多胺降解途徑[55]。GAD是GABA支路代謝途徑中最重要的酶，GAD的活性與GABA的產生量成正相關[56]，因此，GABA對于環境脅迫下植物的緩解效應可通過增加GAD活性，增加GABA含量以提高植物抗性。比如，在王春燕等[40]對甜瓜的研究中顯示，甜瓜幼苗的生長受到低氧條件的極大限制，但通過噴施GABA后，使得GAD活性增加，催化谷氨酸形成GABA，從而緩解了低氧脅迫對于甜瓜的傷害。夏慶平等[44]在低氧脅迫下及李杰等[57]在干旱脅迫下的研究表明細胞GAD活性升高促進GABA的合成是植物應對脅迫條件的重要適應機制。同時，Morteza等[58]提出耐寒的關鍵是增強GABA分流途徑的活性，通過提高GABA-T酶活性，可能會導致低溫下消耗GABA，提供較高ATP，降低H2O2的積累，使植物避免其傷害。另外，也有學者認為GABA支路所生成的底物最終進入TCA循環，提供給植物NADH和琥珀酸鹽，這一過程可為ATP的產生提供線粒體電子傳遞鏈，并在非生物脅迫下阻止H2O2的積累，保證TCA循環不間斷進行，從而增強了植株抗性[59]。在GABA通過多胺代謝方式調控環境脅迫下植物生長發育時，外施GABA可通過促進多胺(PAs)中的Put,Spm和Spd的游離態轉換為結合態與束縛態，使得3種形態的Spm和Spd積累，以誘導Put向Spm和Spd的方式來增強植物抗性，促進植物生長發育[60]。DAO和PAO是催化多胺降解的關鍵酶類，通過調節細胞內多胺水平和生成物濃度參與植物體對環境脅迫的反應，環境脅迫下DAO和PAO的活性受到顯著抑制[61-62]，而GABA可以緩解這種抑制作用并通過調控多胺含量來影響植物發育。Hu等[63]報道Ca(NO3)2脅迫下，甜瓜植物體內多胺含量減少，外施GABA可通過提高PAs和GABA的生物合成以及防止PAs降解來提高甜瓜幼苗對Ca(NO3)2脅迫的耐受性。另外，外源GABA可以通過維持較高的PA水平和抑制PA降解來減少缺氧應激的損傷[64]，這些關于GABA調控多胺代謝的研究可反映GABA可能通過維持多胺含量參與植物生長發育過程。

7 結語和展望

綜上所述，GABA對種子萌發的影響是通過浸種增強淀粉酶活性，增加貯藏物質轉化率，從而提高種子萌發指標，促進種子早發、快發；GABA對植物幼苗生長的影響是通過GABA噴施的方式調節抗氧化系統，減少ROS生成速率，提高植物光合速率，保護光合組織免受傷害，調控谷氨酸降解和多胺降解過程，促進GABA含量增加，為TCA循環提供底物，緩解植物在逆境下的生長發育，最后增強植物抗逆性。

雖然現如今有大量研究在GABA對植物抗逆性進行了探究，但是GABA對低溫下草類植物的研究較少，GABA的實際應用成功案例較少，只是在室內試驗中研究了GABA這種物質，沒有將其與農業生產有效聯系等問題。未來的研究方向可以從以下幾個方面著手：(1) 以高寒草甸優勢草種為目標展開探究GABA對高寒草甸地區草種的調控作用，這對高寒草甸地區草地的補播和緩解家畜矛盾有重要價值；(2) GABA是一種信號物質，但是信號通路的運作方式亟待研究；(3) GABA的大田應用方式，施用時間和成本效益需要進一步的實踐探索；(4)將GABA與農業生產進行聯系，研發一種新型GABA增效復合肥，在農業生產中實現減肥增效的作用。

我們希望未來的研究能夠對GABA的分子調控機理和農業生產應用給與更深更實際的研究，這將進一步理解GABA在植物抗逆性中的作用機理，為豐富GABA應用于實際生產，更有效地提高植物抗逆性提供科學依據。