植物抗旱過(guò)程中脫落酸生理作用研究進(jìn)展12

1、 植物抗旱過(guò)程中脫落酸生理作用研究進(jìn)展丁 桔農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院 10316049摘 要：本文主要介紹了近年來(lái)研究脫落酸在植物抗旱中生理作用方面所取得的進(jìn)展，主要包括脫落酸在水分脅迫時(shí)調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)閉機(jī)理，對(duì)葉片伸展率的影響，及其脫落酸與抗旱特異性蛋白質(zhì)合成的關(guān)系。關(guān)鍵詞：植物、抗旱、脫落酸脫落酸（Abscisic acid）是植物五大激素之一，簡(jiǎn)稱(chēng)ABA。大量的試驗(yàn)證明：當(dāng)植物處于干旱、低溫、鹽堿等不利環(huán)境下（或外施ABA），植物體內(nèi)ABA會(huì)大量增加，產(chǎn)生水分虧缺反應(yīng)，從而充分利用水分，使植物對(duì)不利環(huán)境產(chǎn)生抗性，增加逆境存活機(jī)會(huì)1。ABA對(duì)植物的影響是多方面的，包括關(guān)閉氣孔2，調(diào)整保衛(wèi)細(xì)胞離子通道

2、3，誘導(dǎo)LER（葉片伸展率）下降4，誘導(dǎo)ABA反應(yīng)基因改變相關(guān)基因的表達(dá)5。尤其是ABA的增加和氣孔的關(guān)閉一致，這對(duì)植物抗旱非常有利6。近年來(lái)ABA與抗旱關(guān)系的研究重新受到重視，在其生理作用研究方面主要取得了以下進(jìn)展。1 ABA與干旱時(shí)氣孔導(dǎo)度的關(guān)系1.1 ABA導(dǎo)致氣孔關(guān)閉的原因氣孔關(guān)閉是植物對(duì)水分缺乏的一個(gè)重要反應(yīng)。它受氣孔周?chē)Ｐl(wèi)細(xì)胞膨壓水平的控制：保衛(wèi)細(xì)胞膨壓高時(shí)氣孔開(kāi)張，低時(shí)則導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。而保衛(wèi)細(xì)胞膨壓的下降是由ABA的增加引起的，因?yàn)锳BA改變了細(xì)胞膜的透性，導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)溶液濃度的降低7。另有研究認(rèn)為保衛(wèi)細(xì)胞膨壓的變化是ABA引起離子通道改變的快速反應(yīng)，ABA抑制K+進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)

3、胞，而引起K+和陰離子的外流，其結(jié)果降低了保衛(wèi)細(xì)胞的濃度和其膨壓，進(jìn)而導(dǎo)致氣孔關(guān)閉8。1.2 ABA與水勢(shì)相互作用控制氣孔導(dǎo)度 給向日葵葉片飼喂ABA后，外源ABA濃度和氣孔導(dǎo)度之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系。柳樹(shù)中加入外源ABA也會(huì)引起氣孔導(dǎo)度下降，除去ABA又可以逆轉(zhuǎn)這種現(xiàn)象，并且僅改變外源ABA濃度（在一定生理范圍內(nèi)）就能明顯造成氣孔導(dǎo)度的這種可逆變化，表明ABA可能是蒸騰流中影響氣孔的主要因素3。但是也有人認(rèn)為ABA對(duì)于誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉并不是必須的，ABA沒(méi)有直接參與。引起氣孔關(guān)閉的一個(gè)更重要得原因是葉片兩位點(diǎn)間的水勢(shì)9。氣孔對(duì)ABA的敏感性是可變的。Tardieu發(fā)現(xiàn)給玉米飼喂ABA后，若維持較高水勢(shì)

4、，氣孔導(dǎo)度下降了50%，但田間玉米遭受?chē)?yán)重干旱后氣孔導(dǎo)度可以下降90%，因此，他認(rèn)為可能低水勢(shì)使葉片對(duì)木質(zhì)部ABA的反應(yīng)更敏感。Zhang也發(fā)現(xiàn)水勢(shì)下降后，鴨趾草氣孔對(duì)ABA敏感性增強(qiáng)，可能ABA和水勢(shì)的相互作用對(duì)控制氣孔非常重要。為什么低水勢(shì)能增加氣孔對(duì)ABA的敏感性呢？Trejo認(rèn)為ABA的作用位點(diǎn)在表皮，積累在表皮的ABA與氣孔調(diào)節(jié)有關(guān)。水分脅迫后，對(duì)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)腁BA代謝減慢，導(dǎo)致ABA在表皮積累，從而對(duì)ABA信號(hào)更加敏感。Zhang發(fā)現(xiàn)鴨趾草葉片脫水處理后，表皮和葉肉組織之間ABA分布模式發(fā)生了很大變化,大量ABA轉(zhuǎn)移到表皮，與木質(zhì)部ABA濃度相近，可能因此影響了木質(zhì)部和表皮之間AB

5、A的作用機(jī)制，進(jìn)而改變了關(guān)閉保衛(wèi)細(xì)胞的ABA作用濃度。ABA的代謝是影響葉片積累ABA的重要因素，正常情況下葉片的代謝能力較強(qiáng)?？焖俅x除了使ABA迅速區(qū)室化，也防止繼續(xù)積累影響對(duì)當(dāng)前木質(zhì)部ABA濃度迅速做出反應(yīng)3。1.3 木質(zhì)部汁液pH升高誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉需要低濃度ABA參與Wilkinson和Davies所做的實(shí)驗(yàn)表明，土壤干旱使鴨趾草木質(zhì)部汁液pH升高。用pH為6.0（相當(dāng)于正常澆水植株汁液的pH）和pH7.0（相當(dāng)于干旱植株汁液的pH）且不含ABA的合成液處理鴨趾草完整的離體葉片，與pH6.0處理相比（對(duì)照），pH7.0處理使葉片的蒸騰速率、葉片導(dǎo)度和氣孔開(kāi)度分別下降50%、50%和67

6、%。PH升高使鴨趾草完整葉片的氣孔趨于關(guān)閉。把鴨趾草離體葉片放在去離子水中暗處理一夜，再用pH6.0和7.0的合成液處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，除非在合成液中加入108mol/L的ABA(此濃度在正常澆水植株中不足以降低葉片的蒸騰速率)，否則pH7.0不再使葉片的蒸騰速率降低。他們認(rèn)為，水預(yù)處理把葉片質(zhì)外體和木質(zhì)部導(dǎo)管中原有的低濃度內(nèi)源ABA清除掉了，而高pH（7.0）調(diào)控的氣孔關(guān)閉需要葉脈和質(zhì)外體中有相當(dāng)于澆水充足植株中存在的低濃度的ABA（大約108mol/L）參與4。Wilknson等研究了pH對(duì)野生番茄及其突變體葉片蒸騰速率的影響。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用不同pH的合成液（不含ABA）處理新鮮離體的野生番茄葉片

7、時(shí)，隨著合成液pH升高野生番茄葉片的蒸騰速率不斷下降。flacca是番茄的ABA生物合成缺陷性突變體，它不像野生番茄那樣能夠有效合成ABA，因而它的內(nèi)源ABA含量很低。當(dāng)用不同pH的合成液處理flacca葉片時(shí)，合成液pH升高不能使flacca葉片的蒸騰速率下降（反而升高），如果在合成液中加入正常澆水植株中含有的低濃度ABA（3108mol/L），pH升高即可降低flacca葉片的蒸騰速率10。pH升高有可能通過(guò)多種途徑關(guān)閉氣孔：1.pH升高可能（a）促進(jìn)ABA在葉片中的重新合成，（b）降低內(nèi)源ABA的降解或結(jié)合態(tài)的形成，（c）減少ABA輸出葉片，以提高葉片ABA總濃度的方式關(guān)閉氣孔。2.pH

8、升高可能改變?nèi)~片的水分狀態(tài)，這將增強(qiáng)保衛(wèi)細(xì)胞對(duì)原有ABA的敏感性，從而使氣孔關(guān)閉。3.pH升高可能改變內(nèi)源ABA在葉片中的分布，提高ABA在保衛(wèi)細(xì)胞附近的質(zhì)外體中積累（a）通過(guò)誘導(dǎo)ABA從葉肉流向表皮，（b）引起共質(zhì)體（葉肉細(xì)胞、表皮細(xì)胞甚至保衛(wèi)細(xì)胞）貯藏的ABA向外釋放，或（c）抑制共質(zhì)體對(duì)ABA的分流使ABA在質(zhì)外體中積累從而導(dǎo)致氣孔關(guān)閉4。從pH升高誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的機(jī)理來(lái)看，其還主要是通過(guò)影響ABA進(jìn)而來(lái)影響氣孔的行為。以往研究大多使用外源ABA研究其對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響，而楊建昌等人還就內(nèi)源ABA對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響進(jìn)行了研究，試驗(yàn)以水稻的三個(gè)品種為材料，分別為鹽粳2號(hào)、汕優(yōu)63號(hào)和IR661。

9、結(jié)果表明:隨葉片中ABA含量的增加，葉片氣孔導(dǎo)度急劇下降，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，它們之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)鹽粳2號(hào)、汕憂(yōu)63和IR661葉片中ABA含量與氣孔導(dǎo)度的相關(guān)系數(shù)分別為0.9958、0.9690和0.969811。見(jiàn)下圖：2 ABA與干旱誘導(dǎo)LER下降的關(guān)系 干旱導(dǎo)致LER（葉片伸展率）明顯下降，這是植物的適應(yīng)性策略，因葉片面積減小可以降低水分喪失。Munns研究了ABA濃度與大麥和小麥葉片生長(zhǎng)的關(guān)系。結(jié)果顯示，正常澆水植株中ABA的濃度低于1109mol/L，土壤干旱使ABA濃度升高到4108mol/L，這是葉片生長(zhǎng)下降了50%。如果飼喂離體葉片108mol/L或107mol/L的ABA卻對(duì)葉

10、片的生長(zhǎng)無(wú)影響。只有當(dāng)飼喂?jié)舛葹?06mol/L或更高時(shí)，ABA才抑制葉片的生長(zhǎng)。要是葉片生長(zhǎng)下降50%，飼喂葉片的ABA濃度必須高于105mol/L。所以有人懷疑汁液中的ABA是最主要的或唯一的調(diào)控葉片生長(zhǎng)的逆境脅迫信號(hào)物質(zhì)4。Bacon等(1998)發(fā)現(xiàn)干旱可以使大麥木質(zhì)部汁液的pH值從5.9增加到6.9，用不同PH值緩沖液處理無(wú)根苗隨著PH值升高，LER下降，但大麥突變體Az34(缺乏鉬輔助因子，抑制ABA前體的氧化)在該P(yáng)H值范圍內(nèi)均有較高的LER。如果向緩沖液中添加3108mol/L的ABA，可以使Az34對(duì)PH值變化產(chǎn)生與野生型類(lèi)似的反應(yīng)。因此他認(rèn)為木質(zhì)部汁液pH值升高，通過(guò)依賴(lài)A

11、BA的機(jī)制降低LER12。Liu（1998）從柳樹(shù)中觀(guān)察到當(dāng)根含水量改變，葉片的生長(zhǎng)與木質(zhì)部汁液中ABA濃度的可逆動(dòng)力學(xué)是一致的。但是否可用木質(zhì)部ABA濃度來(lái)解釋LER下降，目前還存在爭(zhēng)議。給玉米飼喂ABA后，LER下降同生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)源ABA濃度密切相關(guān)13Bacon也發(fā)現(xiàn)干早引起木質(zhì)部汁液pH值增加后，使生長(zhǎng)區(qū)周?chē)馁|(zhì)外體積累大量的ABA。關(guān)于LER下降的機(jī)制也有不同意見(jiàn)，Cramer(1998)認(rèn)為ABA通過(guò)增加細(xì)胞壁表觀(guān)屈服閥值來(lái)抑制葉片生長(zhǎng)、并不影響其它生長(zhǎng)參數(shù)，而B(niǎo)acon(1998)則認(rèn)為植物通過(guò)減小細(xì)胞壁伸展和(或)細(xì)胞膨壓降低LER。3 ABA與抗旱特異性蛋白質(zhì)合成的關(guān)系3.1 L

12、EA蛋白LEA是目前最受關(guān)注的脅迫響應(yīng)基因產(chǎn)物，最早是從種子脫水過(guò)程中分離出的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)在缺水情況下，它也存在于多種植物的營(yíng)養(yǎng)器官，已鑒定出含有LEA的植物超過(guò)65種之多5。LEA的分類(lèi)來(lái)源于對(duì)棉花中的LEA的研究結(jié)果，根據(jù)序列同源性比較，可將LEA蛋白分為五組。其中第二、三、四組顯示與抗逆性有關(guān)。在第二組中一類(lèi)稱(chēng)之為dehydrin的LEA蛋白，在許多逆境下均可被誘導(dǎo)14，在水稻根中有較高的含量，在A(yíng)BA和鹽處理下，dehydrin僅在耐鹽品種中積累，而鹽敏感品種中則不積累15。HVA1基因可為第三祖的代表。HVA1是從大麥糊粉層中分離的基因。它主要在種子發(fā)育后期表達(dá)。在幼苗中受ABA、脫水

13、、鹽等誘導(dǎo)。第四組LEA蛋白中的代表是番茄的LE25，該基因在種子成熟時(shí)期和缺水時(shí)表達(dá)并受ABA調(diào)節(jié)16。3.2 脫水蛋白目前對(duì)脫水蛋白進(jìn)行的研究較多，它在結(jié)構(gòu)上有一定保守性，這對(duì)于所起的保護(hù)功能非常重要。在羧基末端富含Lys序列中有15個(gè)保守氨基酸，形成螺旋，起離子孔作用，可以增加離子濃度(Han and Kermode，1996)，Close(1996)認(rèn)為脫水蛋白有去污和蛋白質(zhì)伴侶的特性，缺水時(shí)與親和溶液相互作用，維持高分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。ABA和水分脅迫通過(guò)不同的途徑和誘導(dǎo)不同的脫水蛋白來(lái)影響植物的分子進(jìn)程(Han and Kermode，1996)。許多植物脫水蛋白的產(chǎn)生都有一定的組織特

14、異性雖然已經(jīng)有人分析了特殊組織類(lèi)型表達(dá)的脫水蛋白，但目前還不清楚不同組織表達(dá)的脫水蛋白對(duì)水分脅迫和ABA是否存在相同的反應(yīng)。除了環(huán)境因素外發(fā)育時(shí)期對(duì)脫水蛋白的誘導(dǎo)也有調(diào)節(jié)作用，例如蓖麻種子在不同的生理階段受干旱誘導(dǎo)產(chǎn)生的脫水蛋白有定性和定量的差異，因此脫水蛋白具有兩種保護(hù)功能：一是保護(hù)發(fā)育成熟的種子，二是保護(hù)幼苗的組織(Han and Kermode，1996)3。以前人們?cè)J(rèn)為不抗旱種子對(duì)干旱敏感是由于脫水蛋白積累不充分(至少在定程度上)，但目前對(duì)這個(gè)問(wèn)題有不同的意見(jiàn)。Zizania palustris的種子表現(xiàn)出介于抗旱和不抗旱之間的中間特性，在胚和幼苗中都可以測(cè)到脫水蛋白，并且受到干旱后

15、(一定程度內(nèi))也可以積累ABA，但低溫使種子耐早性降低，似乎并不是由于缺乏脫水蛋白或不能積累ABA?？赡軆H靠脫水蛋白不足以抗旱(Bracford，1992)。還有一些證據(jù)也支持了Bracford的觀(guān)點(diǎn)，如Vertucci(1995)發(fā)現(xiàn)英國(guó)橡樹(shù)種子(不抗旱)可以用ABA或干旱處理誘導(dǎo)LEA蛋白的mRNA產(chǎn)生，F(xiàn)inchsavage(1994)也在5種不耐旱種子中都檢測(cè)到了脫水蛋白。但Han(1997)則認(rèn)為不抗旱種子至少在一定程度上是由于不能積累足夠的脫水蛋白，尤其萌發(fā)的干旱種子向生長(zhǎng)狀態(tài)過(guò)渡時(shí)。干旱忍耐是一個(gè)定量特征，可能脫水蛋白(或LEA蛋白)的水平或者積累率決定耐早程度，除了這類(lèi)蛋白外，

16、也許還需要其它保護(hù)性物質(zhì)(如保護(hù)性多糖)的結(jié)合和相互作用，才能在水分虧缺條件下穩(wěn)定高分子結(jié)構(gòu)(Close et al，1996)3。3.3 ABA在水分脅迫誘導(dǎo)基因表達(dá)中的調(diào)節(jié)作用正如前文所述，植物受到干旱脅迫后ABA含量升高，ABA積累的作用還在于作為抗旱性誘導(dǎo)激發(fā)機(jī)制的部分，抑制與活躍生長(zhǎng)有關(guān)的基因，同時(shí)活化與抗旱誘導(dǎo)有關(guān)的基因17。但少數(shù)基因的表達(dá)卻不受ABA的誘導(dǎo)。前者稱(chēng)為ABA依賴(lài)型基因，后者稱(chēng)為ABA獨(dú)立型基因這兩類(lèi)啟動(dòng)子的研究都是目前研究基因表達(dá)調(diào)節(jié)的重要內(nèi)容。啟動(dòng)子又可分為順式和反式活動(dòng)元件Cisor transacting element)。在水分脅迫響應(yīng)中已鑒定出的最具特點(diǎn)

17、的順式元件為ABA響應(yīng)元件(ABAresponsive element，ABRE)，它含有帶回文結(jié)構(gòu)的CACGTG，其中的ACGT為其核心稱(chēng)為G盒（Gbox)5。ACGT元件存在于許多環(huán)境和生理誘導(dǎo)的多種植物基因中，與基因的表達(dá)有密切的關(guān)系。由于A(yíng)CGT核廣泛存在于A(yíng)BA誘導(dǎo)基因的啟動(dòng)子中，推測(cè)它是對(duì)ABA響應(yīng)的元件18。許多于旱誘導(dǎo)蛋白可以通過(guò)外源ABA進(jìn)行模擬。如正常玉米幼苗經(jīng)ABA(103mol/L)溶液處理時(shí)，胚軸中合成的蛋白類(lèi)型與PEG處理的結(jié)果相同。PEG誘導(dǎo)水稻幼苗產(chǎn)生的Mr為23000的蛋白及在種子脫水時(shí)產(chǎn)生的1ea蛋白均可被ABA誘導(dǎo)。高鹽、干旱和ABA都可使cdsp34的合

18、成顯著升高。因此推測(cè)干旱和高鹽導(dǎo)致植物體內(nèi)ABA含量升高，而ABA又誘導(dǎo)編碼水分脅迫蛋白基因的表達(dá)。但有些試驗(yàn)的結(jié)果卻與此相反。如馬鈴薯中的cdsp32雖然可以被干旱和高鹽所誘導(dǎo)但其合成不受外源ABA的影響。編碼擬南芥類(lèi)受體蛋白的基因均可被脫水、ABA、高鹽所誘導(dǎo)，但脫水誘導(dǎo)此基因的表達(dá)與ABA無(wú)關(guān)19。4 展望雖然在A(yíng)BA的研究中取得一些進(jìn)展，但是關(guān)于其在植物抗旱中的生理作用還存在大量未能解決的問(wèn)題，進(jìn)一步研究其作用機(jī)理及其有關(guān)的調(diào)控基因和蛋白，對(duì)于作物育種，外源ABA噴施等來(lái)提高植物的抗旱能力有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1 梁建生，張建華. 植物生理學(xué)通訊，1998，34（5）：3293382 Guan LQ,Scanelalios JG. Physiol Plant，1998，104：4134223 譚云，葉慶生，李玲. 植物學(xué)通報(bào)，2001，18（2）：1972014 田秀紅，李廣敏. 植物學(xué)通報(bào)，2001，18（4）：4664725 陳新建，陳占寬. 熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào)，2000，8（1）：81906 王偉. 植物生理學(xué)通訊，1998，34（5）：3883937 A.P