杜氏鹽藻應對低滲脅迫的研究進展

彭秀曉，鄧占霞，鄒書婭

（1.西南民族大學 青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.西南民族大學 畜牧獸醫(yī)學院，四川 成都 610041）

由于受到干旱、光照、高溫和鹽堿地等環(huán)境影響，陸生植物和藻類植物的生長可能面臨大量的非生物脅迫[1]，目前，鹽度脅迫是抑制陸生植物和藻類生長和繁殖的主要限制因素之一。人們已經(jīng)非常深入地研究了高等植物對鹽度脅迫的反應機制[2]，然而在藻類上面的研究比較少。

杜氏鹽藻是最耐鹽的光合單細胞真核生物之一，于1838年在地中海海岸被發(fā)現(xiàn)，它能夠適應0.05～5.5 M氯化鈉濃度的環(huán)境[3]。因此，杜氏鹽藻被人們廣泛應用于耐鹽性的研究。杜氏鹽藻的細胞有一個很明顯的特征就是沒有剛性的細胞壁，并且被一層具有彈性的膜包圍，使細胞的形狀和體積能夠迅速變化，正是這一特點，它可以很好地適應周圍環(huán)境鹽度的變化[4]。近年來人們對于杜氏鹽藻的耐鹽性研究主要集中在杜氏鹽藻在高鹽脅迫下的響應機制，而對于低滲脅迫下杜氏鹽藻細胞應激反應機制的研究比較少，所以本文綜述了近年來人們對杜氏鹽藻響應低滲脅迫機制的研究，也為植物抗逆性的研究特別是應對滲透脅迫的機制研究提供思路，有利于改善農(nóng)作物在低滲土壤中的生長情況。

1 杜氏鹽藻在低滲脅迫下的生理機制研究

1.1 細胞形態(tài)變化

杜氏鹽藻在應對滲透脅迫時細胞形態(tài)結構會發(fā)生明顯變化。這種變化主要經(jīng)歷3個階段。

第一個階段是瞬時變化。就是杜氏鹽藻在受到滲透脅迫后幾秒到五分鐘之內(nèi)，細胞的體積和表面積會發(fā)生明顯變化。并且在不同滲透脅迫下會表現(xiàn)出完全不一樣的瞬時變化。Thompson等人[5]將杜氏鹽藻從正常的1.71 M NaCl生長培養(yǎng)基迅速稀釋到濃度為0.86 M NaCl的培養(yǎng)基中，2～4 min內(nèi)細胞的體積就迅速膨脹擴大到平均體積的1.76倍，稀釋幾乎導致細胞立即從典型的橢圓形膨脹為球體，細胞表面積也比正常細胞擴大了1.53倍。

第二階段是短期反應，通常是杜氏鹽藻在受到滲透脅迫后2～3 h細胞內(nèi)產(chǎn)生甘油開始調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外的滲透壓以維持平衡的過程，細胞形態(tài)逐漸恢復到開始的狀態(tài)。

第三個階段是長期效應。指的是在12～24 h內(nèi)進行的滲透反應，主要涉及一些滲透脅迫相關基因表達和蛋白合成等。

杜氏鹽藻在受到低鹽滲透脅迫后，細胞先是迅速增大而后在數(shù)小時內(nèi)逐漸恢復原來的大小，而在受到高鹽滲透脅迫后，細胞立刻縮小而在數(shù)小時后逐漸恢復到原來的體積。杜氏鹽藻可能存在一種特殊的膜轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠很好調(diào)節(jié)細胞體積的增大和縮小，以適應滲透脅迫，防止細胞破碎或死亡。

1.2 甘油代謝

環(huán)境中鹽濃度的變化會引起杜氏鹽藻細胞內(nèi)外滲透壓的變化，為了維持滲透平衡，杜氏鹽藻通過甘油代謝途徑調(diào)節(jié)細胞內(nèi)甘油的含量來適應細胞內(nèi)外滲透壓的變化[6]。低滲脅迫條件下，甘油含量迅速降低，反應趨向于甘油的分解；高滲脅迫條件下，甘油含量迅速增加，反應趨向于甘油的合成。

黃益群等人[7]將杜氏鹽藻從3 mol/L的NaCl培養(yǎng)液生長環(huán)境轉(zhuǎn)移到1 mol/L的NaCl培養(yǎng)液中進行低滲脅迫處理，細胞中甘油含量逐漸下降，由開始的3.6 mol/L減少到1.5 mol/L；將杜氏鹽藻從1.5 mol/L的NaCl培養(yǎng)液中轉(zhuǎn)移到3.5 mol/L的NaCl培養(yǎng)液中進行高滲處理，細胞內(nèi)甘油含量從2.2 mol/L增加到4.2 mol/L。周麗等人[8]的實驗也證明在一定范圍內(nèi)，杜氏鹽藻細胞內(nèi)甘油的含量與脅迫滲透劑NaCl的濃度呈正相關。

在甘油代謝調(diào)節(jié)過程中，3-磷酸甘油磷酸酶和二羥丙酮還原酶可能是直接參與甘油合成和轉(zhuǎn)化的關鍵酶[8]。杜氏鹽藻在低滲脅迫下短期響應階段，3-磷酸甘油磷酸酶迅速失去活性，二羥丙酮還原酶催化甘油轉(zhuǎn)化為二羥丙酮（逆反應）的活性增加，而催化甘油合成的活性降低（正反應），進而降低細胞內(nèi)甘油含量，約1 h，細胞滲透壓都會恢復到最初水平[7]。另外，杜氏鹽藻胞內(nèi)甘油含量迅速下降還可能與催化甘油轉(zhuǎn)化的其他酶的活性或通過離子通道外運有關[9]。

3-磷酸甘油脫氫酶（glycerol-3-phosphate dehydrogenase，GPDH）也被認為是甘油代謝中的關鍵酶，Chen等[10]發(fā)現(xiàn)GPDH在鹽藻中存在5種異構體，其中GPDH2在高鹽中起作用，另外的4種GPDH異構體均在低鹽中起作用。He等人[11]研究報道了一種嵌合的GPDH（DsGPDH）蛋白的結構具有磷酸絲氨酸磷酸酶樣結構域可以融合到經(jīng)典的甘油三磷酸（G3P）脫氫酶結構域當中，DsGPDH可以直接將二羥丙酮轉(zhuǎn)化為甘油，而不需要經(jīng)過甘油三磷酸途徑。

另外，低滲脅迫也會引起杜氏鹽藻甘油代謝過程中的能量變化。李紅萍等人[6]發(fā)現(xiàn)低滲處理下的杜氏鹽藻的呼吸效率提高60%以上，高滲處理則對呼吸效率沒有明顯影響，但是會通過影響光合作用大大刺激放氧速率。低滲調(diào)節(jié)過程中，細胞內(nèi)甘油轉(zhuǎn)化為淀粉進行儲存，合成反應，需要消耗大量能量，所需要的能量主要由正常呼吸鏈和交替氧化酶途徑同時介入；但是在高滲調(diào)節(jié)過程中，細胞內(nèi)的淀粉降解形成甘油，是一個分解過程，釋放大量能量，因此，從呼吸鏈需要的能量很少。光照下甘油合成的ATP、NADPH主要由光合電子傳遞鏈提供，黑暗中甘油合成的能量則由正常呼吸鏈提供。

綜上所述，杜氏鹽藻應對滲透脅迫的甘油代謝存在一個復雜的調(diào)控機制，各個部分具體是怎樣關聯(lián)和影響的還有待進一步探究。

1.3 光合作用

植物生命活動都離不開能量，許多的生化反應所需要的能量都由植物的光合作用產(chǎn)生提供。

為了研究低滲脅迫對杜氏鹽藻光合反應狀態(tài)的影響，LIU等人[12]發(fā)現(xiàn)，將杜氏鹽藻從1.5 mol/L的NaCl培養(yǎng)液突然轉(zhuǎn)移到0.5 mol/L的NaCl培養(yǎng)液中，使杜氏鹽藻受到低滲脅迫，20 min后對杜氏鹽藻各項指標進行測定，杜氏鹽藻的光合速率下降，氧的釋放效率比對照降低了28%，但是呼吸速率增加了18%而且細胞內(nèi)ATP含量大量增加，這與Bental等人[13]的觀點一致。并且光捕獲葉綠素結合蛋白（LHCP）磷酸化水平下降。FPSⅡ/FPSⅠ高于正常值表明低滲對PSⅡ的激發(fā)能更多。LHCP磷酸化水平下降并不是因為LHCP的降解，可能是由于已經(jīng)磷酸化的LHCP去磷酸化。文韜等人[14]的實驗也證實了這一點，LHCⅡ的組成是一類結構相似、進化相關、由核基因（lhcb）編碼的蛋白與色素所形成的色素蛋白復合體家族（LHCB），在低滲脅迫下，lhcb3和葉綠素a加氧酶CAO基因的表達活性在短期應激表現(xiàn)出迅速降低的趨勢，并且還發(fā)現(xiàn)，在低鹽條件下，類囊體膜蛋白在前期磷酸化水平的降低與磷酸酯酶的活性的降低有關。

杜氏鹽藻這種特有的光合反應在應對低滲脅迫時的自我調(diào)節(jié)方式可能不同于高等植物，光系統(tǒng)階段的轉(zhuǎn)化是如何變化的，LHCP磷酸化水平下降與LHCP去磷酸化或者磷酸酯酶活性的降低又是否有直接關系，這些問題在生物進化的研究中都有重要意義。

1.4 氧化還原反應

郭金耀等人[15]發(fā)現(xiàn)在適當?shù)柠}度（60～90）g/L生長條件下，杜氏鹽藻過氧化物酶的活性很低，但是在低鹽（30～60）g/L或者高鹽（90～150）g/L生長環(huán)境中，杜氏鹽藻過氧化物酶的活性顯著增加。并且，在鹽藻過氧化氫酶的活性與NaCl質(zhì)量濃度分別具有負相關性和正相關性。

CHEN等人[16]提出，鹽度變化引起的滲透脅迫會對鹽藻細胞質(zhì)膜上的氧化還原系統(tǒng)造成影響。低鹽造成的低滲脅迫會增加鹽藻細胞質(zhì)膜上細胞呼吸速率，促進H+的排出，這與質(zhì)膜上ATP合酶有關，低滲脅迫會迅速抑制質(zhì)膜上的氧化還原系統(tǒng)的活性，但是一段時間后，氧化還原活性慢慢恢復到正常水平。杜氏鹽藻自身氧化還原調(diào)控機制在起作用，同時，在低滲脅迫下的短期響應還表現(xiàn)在H+轉(zhuǎn)運出細胞的速率迅速提高409.7%，這與質(zhì)膜上氧化還原系統(tǒng)被抑制息息相關。

1.5 信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)

植物為應對外界環(huán)境改變有一套復雜的信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)，包括感知外界環(huán)境各種刺激（低滲、高鹽、高溫、強光等），然后將這些信號轉(zhuǎn)化為不同的生物信號，進而將信號在細胞內(nèi)逐漸擴大，最后反應到植物的生理生化過程的變化上。

在低鹽環(huán)境下，低鹽所導致的低滲脅迫，對杜氏鹽藻來說是一種非生物脅迫，低滲脅迫信號的信號傳導機制很有意思，它不同于高滲脅迫，高滲脅迫細胞蛋白質(zhì)磷酸化程度低于正常細胞。但是在低滲脅迫時，它很可能通過蛋白磷酸化的方式將信號逐級放大傳遞[17]。正常情況下，Ca2+是細胞內(nèi)蛋白磷酸化所必須的物質(zhì)，但是增加Ca2+濃度可以增加低滲脅迫下的24kD蛋白磷酸化程度，降低胞質(zhì)中Ca2+濃度，低滲脅迫下24kD蛋白磷酸化強度也表現(xiàn)出很高。所以，信號傳遞的主要途徑可能就是外界刺激導致Ca2+的跨膜內(nèi)流。蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化可能參與了鹽藻細胞的滲透調(diào)節(jié)，而低滲脅迫所誘導的蛋白磷酸化則可能與Ca2+依賴的信號轉(zhuǎn)導過程有關。細胞膜上由于膜流動性牽張導致的Ca2+通道打開，從胞外吸收Ca2+是滲透脅迫信號傳導所必須的[18]。

4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）是一種分布在質(zhì)膜內(nèi)測的肌醇磷脂，占膜脂的極小部分。它是在磷脂酰肌醇（PI）激酶和4-磷酸磷脂酰肌醇（PIP）激酶先后催化下，使PI和PIP磷酸化而形成的。PIP2在磷脂酶（PLC）的催化作用下，水解形成三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。Einspahr等人[19]發(fā)現(xiàn)鹽藻在低滲脅迫下，PIP2和PIP快速分解，形成大量的IP3和DAG，IP3導致細胞質(zhì)中的Ca2+濃度迅速上升，作為第二信使的Ca2+將信號繼續(xù)傳遞擴大。

2 結束語

在低滲脅迫下，杜氏鹽藻細胞迅速變大，一段時間后逐漸恢復到原來的大小。細胞內(nèi)甘油含量降低，呼吸效率提高，杜氏鹽藻應對滲透脅迫的甘油代謝存在一個復雜的調(diào)控機制，但是各個部分具體是怎樣關聯(lián)和影響的還不是非常清楚。杜氏鹽藻光合反應在低滲脅迫時特有的應對方式跟高等植物可能存在不同，另外，低滲時質(zhì)膜上面氧化還原系統(tǒng)活性的變化以及信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)是如何將外界環(huán)境的低滲信號轉(zhuǎn)化為生物信號并且進一步反應到生理活動上的，這一復雜的過程是如何調(diào)控的，也有待進一步探索。

這些研究也可以為植物應對低滲脅迫反應的研究提供參考和理論支持，也可以為植物應對非生物脅迫反應提供思路，有利于改善一些農(nóng)作物在惡劣環(huán)境中特別是在低滲土壤環(huán)境下的生存能力。