植物抗非生物逆境分子机理研究

李 玲

（湖南科技学院 生命科学与化学工程系，湖南 永州 425100）

植物抗非生物逆境分子机理研究

李 玲

（湖南科技学院 生命科学与化学工程系，湖南 永州 425100）

在非生物逆境胁迫下，植物体内通过合成与积累渗透调节物质、抗逆相关蛋白质和活性氧的清除酶等来增强植物的抗逆性，这些物质在植物体内通过信号传导和基因表达调控途径构成了一个复杂的调控网络。文章对植物抗非生物逆境的分子机理进行了简要综述。

非生物逆境；分子机理；信号传导；基因表达调控

高等植物在生长发育过程中经常会受到如干旱、高盐、低温等各种不良环境的胁迫，引起植物体内发生一系列的生理代谢反应，抑制植物的代谢和生长，严重时引起植株不可

逆的伤害甚至死亡。据统计，我国干旱、半干旱地区占全国陆地面积的二分之一，约有15亿亩盐渍化土地，另外低温和冷害也严重的限制着早春植物的种植和晚秋作物的收获。这些不良环境是影响作物生长、限制作物产量的主要非生物胁迫因子。因此了解植物抗逆机制，提高植物抗逆性，培育抗逆新品种是解决这些问题的最有效的方法之一。然而植物的抗逆性不只是单一机制起作用的结果，而是一个十分复杂的过程。随着分子生物学的发展，使人们能够在基因组成、表达调控及信号传导等分子水平上认识植物对胁迫的抗性机理，尤其在植物受到非生物胁迫引发的分子反应方面，开展了广泛而深入的研究，取得了显著的进展。

一 渗透调节物质的合成与积累

当植物体受到外界逆境胁迫时，会积累一些与渗透调节有关的小分子物质来调节细胞内外的渗透压，以减缓胁迫的毒害作用。常用的渗透调节物质有脯氨酸、甜菜碱及其相关衍生物、糖类及多元醇等。

渗透胁迫下脯氨酸的积累，有助于细胞和组织的保水，调节渗透压，保护酶和细胞结构。植物受到渗透胁迫时，主要通过谷氨酸合成脯氨酸，合成过程主要涉及两种酶：毗咯琳-5-羧酸合成酶（P5CS）和毗咯琳-5-羧酸还原酶（P5CR），目前这两种酶已经从不同的植物中分离和克隆出来，Kishor等[1]将从乌头叶豇豆中克隆的p5cs基因与CaMV35S启动子连接后转入烟草中，发现转基因烟草的脯氨酸含量比对照高10-18倍，且抗旱性和抗盐性升高。

在高盐、低温及水分等胁迫条件下，生物体内通过合成甜菜碱，调节胞内渗透压，维持胞内稳态；保护细胞膜和稳定胞内一些酶类的生物活性。甜菜碱的生物合成通过氧化胆碱进行，胆碱单氧化酶（CMO）和甜菜碱醛脱氢酶（BADH）是关键酶。目前这两个酶都已得到了纯化和获得 cDNA克隆。Holmstrom等[2]将从大肠杆菌中克隆到的BDAH基因导入烟草中，使烟草的抗旱性得到提高。郭北海等[3]将BADH基因成功地导入小麦，获得外源BADH基因高效表达的转基因小麦。可见，向植物中导入与甜菜碱合成相关的基因，可以增加酶活性、提高植物甜菜碱积累水平，进而增强抗逆性。

植物受到渗透胁迫时，细胞通过积累很多糖类和多元醇，维持细胞的膨压。糖类包括海藻糖，果聚糖等。甘露醇、山梨醇、肌醇等都属于多元醇。编码甘露醇和山梨醇合成的关键基因已经被分离克隆，分别是 1-磷酸甘露醇脱氢酶（mtlD）基因和6-磷酸山梨醇脱氢酶(gutD)基因。己有多个研究组将海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS）基因导入烟草，证明了海藻糖的积累有利于植物抗旱性提高[4]。王慧中等[5]用农杆菌介导技术将mtlD/gutD基因转化水稻，转基因植株合成并积累了甘露醇和山梨醇，且耐盐性得到了明显的提高。

二 抗逆相关蛋白质的合成

植物在干旱、高盐等逆境胁迫下，一些基因表达会发生改变，原来一些蛋白的合成受到抑制，同时又会新合成一些蛋白。这些蛋白质除了渗透调节剂（如脯氨酸、甜菜碱和糖类）的合成酶外，还包括一些重要的功能蛋自和一些调控因子，它们主要为LEA蛋白、水通道蛋白、转录因子等。

LEA蛋白广泛存在于高等植物中，且受发育阶段、干早、高盐、低温、脱落酸（ABA）等的调节。现已在近 20种高等植物发育种子中检测到LEA蛋白。目前推测LEA蛋白可能有以下3个方面的作用：（1）作为脱水保护剂；（2）作为一种调节蛋白而参与植物渗透调节；（3）通过与核酸结合而调节细胞内其它基因的表达。

水通道蛋白（AQP）可增加质膜和液泡膜对水的通透性，参与逆境条件下水分的吸收、转运和细胞水分平衡的维持。在植物中，Maurel等[6]最早从拟南芥中分离出第一个植物AQP-rTIP。研究表明，水通道蛋自的活性受蛋白磷酸化及基因表达的调节[7]。水通道蛋白的表达受到环境因素的影响，如在高盐胁迫下冰草中水通道蛋白的mRNA水平迅速下降，随着细胞中渗透物质如蔗糖、多胺等积累，其mRNA水平将逐渐恢复到原先或更高水平[8]。

在高温胁迫下可产生热激蛋自（HSP），使细胞或机体免受热胁迫的伤害，提高植物的耐热水平。目前在细菌、真菌、动物和植物中都已经发现了这类蛋白，它们的序列高度保守。根据分子质量大小将HSPs分成HSP110s、HSP70s、HSP60s、LMW HSPs或smHSPs。它们的主要功能是参与新生肽的折叠以及蛋白质变性后的复性、降解，维持胞内环境的稳定，避免细胞结构崩溃[9]。

在植物低温诱导蛋白中，抗冻蛋白最早发现于极地海洋鱼类中，它能非连续地降低体液冰点，并通过吸附于冰晶的特殊表面有效地阻止和改变冰晶的生长。研究表明，将极地海鱼中的抗冻蛋白基因转入番茄，其果实的冷藏性得到提高[10]。

植物在逆境胁迫下，转录因子不断合成，并将信号传递和放大调控下游基因的表达，从而引起植物生理生化的改变。转录因子根据表达的特点可以分为两种，一种是组成型转录因子，无论在逆境还是正常状况下基因都表达，如大麦HvCBF2无论在逆境还是正常状况下基因都表达[11]；一种是诱导型转录因子，只有在逆境下基因才会表达，绝大部分的转录因子都是这种自身的反馈调节。与植物逆境抗性相关的转录因子主要有4类：AP2／EREBP类、bZIP类、WRKY类和MYB／MYC类。

三 活性氧的清除

许多环境胁迫都能诱导产生大量的活性氧(ROS)，如过氧化氢、过氧化物、羟基自由基等。但过多的活性氧容易引起氧化逆境，对植物造成伤害。在植物体内，存在一系列的活性氧清除酶类和一些非酶物质，可以清除过多的活性氧。研究表明，超氧化物歧化酶（SOD）作为植物抗氧化系统的第一道防线，其含量和活性与植物的抗逆性有很大的关系。转基因烟草ChlSOD的过量表达，提高了植株对冷害的耐受性[12]；抗坏血酸过氧化物酶（APX）是清除过氧化氢的主要酶类，其过量表达提高了植株对除草剂的抗性[13]；胞内Ca2+/CaM 水平的提高可以刺激过氧化氢酶（CAT）活性，降低胞内H2O2的水平[14]。

抗坏血酸、谷胱甘肽和类黄酮都属于非酶活性氧清除剂，抗坏血酸和谷胱甘肽可直接同ROS反应，将其还原，又可作为酶的底物在活性氧的清除过程中发挥一定的作用。类黄酮也是重要的活性氧清除剂。体外研究表明类黄酮可以直接清除活性氧，如超氧化物、过氧化氢、氢氧根离子或单氧，推测类黄酮在过氧化氢的清除中扮演极为重要的角色[15]。

四 逆境胁迫信号的传导途径

植物在胁迫条件下，所产生的胁迫信号经调控分子间的传递，最终激活效应分子，引起植物抗逆应答。研究表明，植物在干旱、高盐和低温逆境条件下主要的信号传导途径有3条[16]。（1）MAPK信号传导途径：不依赖于Ca2+的MAPK路径，渗透胁迫或者一些氧化逆境信号可通过该路径进行信号的传导，最终产生许多渗透调节因子和抗氧化因子，同时与逆境条件下的细胞周期调控也有关系。（2）CDPK信号传导途径：依赖于Ca2+的CDPK信号路径。研究表明，过量表达OsCDPK7会提高转基因水稻的耐低温、干旱和高盐胁迫的能力[17]。（3）SOS信号传导途径：依赖于 Ca2+的信号路径，该信号主要调控细胞内离子平衡。

五 逆境胁迫应答的基因表达调控途径

渗透胁迫诱导基因的表达模式是非常复杂的。干旱、高盐和胁迫间存在着明显的信号传导途径交叉。目前的研究表明，至少存在二条基因表达调控途径：（1）依赖ABA的基因表达调控途径：ABA依赖型基因的表达依赖于内源ABA的积累或外源ABA的处理，其表达量随内源ABA的变化而变化。（2）不依赖ABA的基因表达调控途径：ABA非依赖型基因的表达受干早、高盐或低温胁迫的诱导，这些基因在胁迫条件下的表达并不需要ABA的参与，但有些基因对外源的ABA产生应答，有些对于外源的ABA处理不产生应答。另外，在胁迫诱导表达的基因中还发现了许多转录因子，受胁迫诱导的转录因子在植物防卫反应和逆境胁迫应答过程中相互作用，组成一个相互制约，相互协调的转录因子调控网络，从而调控下游基因的表达。

六 基因工程的应用

随着植物基因工程技术的不断完善，植物抗逆基因工程的研究方向主要为：对植物抗逆有关的功能性基因的研究不断加强；从单基因向多基因抗性方向的研究；抗性基因由生物抗性到非生物抗性的转移。目前，己有很多与抗旱、抗盐和抗低温有关的基因被分离克隆，并利用基因工程，转入植物体内，提高了植物的抗逆性，这些都为抗逆新品种的筛选提供了良好的基础。研究表明，将合成渗透调节物质的关键酶转到烟草中，在低温胁迫下，野生型植株受到严重损害，而转基因植株降低了对低温胁迫造成的损伤[18]。用基因枪法将大麦HVA1(LEA3)导入水稻悬浮细胞，使转基因水稻的抗旱性和抗盐性明显升高[19]。利用基因工程，使多个功能基因发挥作用，使植株性状获得综合改良效果，从而提高作物的抗逆性具有重要的意义。

总之，干旱、高盐和低温是影响作物生长、限制作物产量的重要的环境因素，严重时可以引起植株不可逆的伤害甚至死亡。应用分子生物学、分子遗传学等方法研究作物抗逆机制，找出抗逆基因，并通过基因工程手段对植物进行遗传改造，并培育优良的抗逆新品种，是抗非生物逆境的主要途径。

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（责任编校：傅宏星）

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1673-2219（2012）09-0173-03

2012－04－20

李玲（1982－），女，山西长治人，湖南科技学院生命科学与化学工程系教师，博士，研究方向为植物逆境生理。