蕨类植物应对干旱胁迫的表达调控策略

王晓楠，张 兴，朱延明，宋淑敏，刘伟伟

(1.黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319;2.东北农业大学 生命学院，哈尔滨 150040)

干旱胁迫是影响植物生长发育的重要非生物胁迫因子。目前普遍认为，植物在干旱条件下，能够诱发全部组织水平的应答。不仅涉及形态学水平的变化调整，还包括细胞水平的应答如膜系统的调整、细胞壁结构的变化与修饰以及细胞循环与细胞分裂的变化，另外通过不同通路的代谢调节促使脯氨酸、糖类、甜菜碱等物质生成，实现蛋白与细胞结构的稳定、渗透调节保持细胞膨压、氧化还原代谢祛除活性氧(ROS’reactive oxygen species)的过量积累并重新保持细胞内的氧化还原平衡等抵御胁迫损害。蕨类植物的地域分布十分广泛，对环境条件的适应能力差异显著，应对干旱环境胁迫也呈现了复杂与独特的响应机制。笔者就近年来蕨类植物抗旱性的研究结果进行分析，并阐述了蕨类植物的耐旱应答调控策略。

1 抗旱适应性变化

蕨类植物有孢子体和配子体两个独立生活植物体，生活史中有明显的世代交替现象。蕨类植物从孢子萌发到孢子体阶段具备不同的抗旱能力。研究者认为，蕨类孢子体与种子植物相比抗旱力较弱，但配子体比苔藓植物拥有更好的抗旱能力［1，2］。在进化过程中，蕨类植物的适应性也会发生变化，分布在热带地区的部分蕨类物种已经失去了其生活史中的孢子体阶段，而通过无性繁殖产生的配子体不但更适合在干冷的环境下存活，而且比通过无性繁殖产生的孢子体更具耐旱力［3］。

2 形态学应答策略

无论是蕨类植物孢子体还是配子体，还是快速或缓慢失水，都会对植物体造成损伤。干旱胁迫下的形态学变化通常表现为:萎蔫、干枯、叶色变化与内部结构变化等。通常，干旱条件下的植株叶片会逐渐卷曲或折叠，以期用最小叶面积暴露于光下［4－6］。因此笔者认为，蕨类植物的形态学变化也是一种干旱适应机制，即植物减小暴露于光下的叶面积避免对植物组织造成光损伤，同时也认为干旱初期叶片的动态变化是植物幼嫩地上部分阻止遭受过度辐射的有效手段。除叶片自主规避光照损伤外，植物在长期进化过程中也形成了特殊的结构用以抵御干旱。如在附生蕨类植物鹿角蕨属(Piatyceium)的多数种进化出两种典型形态差异的叶片:孢子叶和基叶。孢子叶主要作用是光合作用和产生孢子，并密被纤毛，具有防止水分过度流失功能。基叶中的含水量最高可达95%，可在植物缺水时提供水源［7，8］。除孢子体外，多数蕨类植物配子体表面不同程度分布毛状体［9，10］，其功能等同于高等植物叶片或蕨类孢子叶表面的纤毛［11］，对防止水分流失具有一定作用，但作用效果还需进一步研究。干旱胁迫也可引起植物细胞结构和大小的改变以及细胞容积的显著减少［12］。含水量良好的叶片细胞形状通常很规则，薄壁细胞内胞质充分，相比之下，脱水叶片细胞则有变形、折叠或发生严重的皱缩。干旱导致的氧化胁迫往往会间接造成叶绿体结构遭到破坏和数量减少［13］，进而影响光合作用效果，加剧胁迫损伤。气孔在干旱胁迫下的变形甚至损坏尤其明显，有些蕨类植物能够主动采取干旱规避方式适应环境变化，气孔对水分流失非常敏感，在叶片水分含量达到不利情况前即已经完全关闭，以确保在长时间的干旱条件下以保持水分平衡［14］。

3 生理学调控

干旱能够引起细胞质壁分离、膜结构紊乱和ROS积累造成氧化损伤，这些会导致光合受到抑制、代谢紊乱、细胞结构受损，最终表现为植物发育受阻、繁殖力降低和提前衰老甚至死亡，而渗透调节、渗透保护、抗氧化作用和防御系统的清除作用是植物抗旱的重要基础和保护策略。

3.1 渗透调节物的保护作用

对肾蕨(Nephrolepis auriculata)、凤尾蕨(Pteris nervosa)、蜈蚣草(Pteris vittat)、铁线蕨(Adiantum capiuaris)、毛蕨(Cyclosorus interruptus)进行干旱处理，发现叶片相对电导率、叶绿素含量及游离脯氨酸含量等相关生理指标都有显著变化，随着干旱胁迫时间延长，叶绿素含量均呈下降趋势，而相对电导率和游离脯氨酸含量升高，说明脯氨酸在干旱胁迫下有重要调控功能［13］。对开蕨在PEG6000胁迫后，细胞膜透性与胁迫程度呈正相关，可溶性糖和脯氨酸含量也随胁迫的时间延长而累积，说明脯氨酸和可溶性糖是参与对开蕨(Phyllitis japonica)渗透调节的主要物质［6］。近年来，研究发现海藻糖在蕨类抗旱过程中的功能逐渐突显。海藻糖是植物在逆境胁迫条件下大量积累的一类物质，具有稳定细胞结构和蛋白质的功能。自然界，海藻糖的合成是细菌、真菌、低等植物等有机体在胁迫应答中形成的［15］，早期的研究认为在高等植物中不存在海藻糖的形成，但目前已发现被子植物密罗木(Myrothamnus flabellifolia)中存在海藻糖的积累［16］，在抗旱力极强的蕨类植物Selaginella lepidophylla［17］与卷柏(Selaginella tamariscina)［18］中也被发现，尤其在卷柏抗旱过程中海藻糖含量持续偏高，成为干旱和复水阶段可溶性糖的主要成分。有研究证明，海藻糖在酵母的糖酵解途径和胁迫应答中作为一个重要的调控组分［15］，干旱也能诱导转基因烟草(Nicotiana Tabacum)海藻糖的合成，起到渗透保护和稳定细胞结构。这些都说明，海藻糖对蕨类植物抗旱具有重要调控作用，但调控方式很可能是通过海藻糖代谢间接实现的［19］。

3.2 光合作用的变化

干旱造成的重要影响之一就是光合作用受到抑制，主要因为干旱下气孔关闭、叶片膨大率减小、光合代谢减弱、叶片提前衰老和相关养分供应率下降［20］。

干旱能够诱导气孔关闭，植物对水分供应反应敏锐。气体交换测定分析表明，附生蕨类要比陆生蕨类植物有更高的光合水分利用率［14］，如附生的巢蕨(Neottopteris nidus)和星蕨(Microsorium punctatum)相对含水量达到70%左右时气孔会完全关闭，此时也保持着比较恒定的Fv/Fm，而陆生的网脉铁角蕨(Asplenium finlaysonianum)和似薄唇蕨(Paraleptochilus decurrens)直至胁迫后期相对含水量至45%，Fv/Fm降低时，气孔才会关闭。干旱能够引起蕨类植物光合原件受损和光合参数的变化［21］，而光合原件被破坏同时限制了CO2的吸收和转运，CO2的不足很可能降低植物对光合损伤的敏感性［22］。树蕨(Dicksonia antarctica)和桫椤(Cyathea australis)在高光和干旱胁迫下，对水分流失非常敏感，表现在光合参数如最大羧化速率、最大电子传递速率、光饱和净光合速率和气孔导度的显著降低［23］。干旱胁迫期内，多数蕨类植物的光合代谢通路会受到抑制［24，25］，但对于某些特殊生境和特殊形态的蕨类植物如附生蕨类的光合代谢变化会有不同。附生蕨类最重要的适应性之一即在水分流失时启动光合代谢中的景天酸代谢(CAM，crassulacean acid metabolism)。CAM是热带及亚热带干旱及半干旱地区的一些肉质植物所具有的一种光合固定二氧化碳的附加途径，研究者在干旱和高辐射胁迫下的二歧鹿角蕨(Platycerium bifurcatum)中发现此代谢表达［26］，并且只在基叶中检测到。虽然二歧鹿角蕨中的功能性CAM比较弱，而且仅限于基叶而不是孢子叶，但苹果酸的昼夜代谢变化也为高等植物中存在古老的CAM系统提供了进一步证据，同时也表明蕨类植物耐旱过程中光合代谢的复杂性。

3.3 ABA调节和抗氧化酶系统的激活

干旱胁迫下内源激素水平的变化调节不可忽视。研究表明，水含量的轻微下降即可导致复苏被子植物Craterostigma wilmsii内源ABA的急速应答［5］，极度耐旱的密罗木的离体叶片在脱水条件下ABA含量会显著增加［27］。在复苏蕨类卷柏中，干旱条件下内源ABA的含量提高了3倍多［18］，ABA作为卷柏类植物干旱调控的重要因素，在干旱期内的显著积累，也可能是促使可溶性糖和脯氨酸的含量升高的诱因之一，同时也可能参与过氧化水平的调控与气孔的开闭［24，28］。但最新研究中对于蕨类植物内源ABA是否介导气孔的关闭还有一定争议［29］。干旱导致的氧化胁迫往往会促使ROS的积累。ROS是导致核酸、蛋白、膜质损伤的重要物质，并可造成细胞结构的变化［24］，抗氧化酶系统的启动对消除ROS作用巨大。植物中的SOD构成了消除体内ROS的第一防线，在对井栏边草(Pteris multifida)、红盖鳞毛蕨(Dryopteris erythrosora)、阔鳞鳞毛蕨(Dryopteris championii)和贯众(Cyrtomium fortunei)进行干旱胁迫，叶片SOD活性即会显著提高，同时因为SOD可以消除自由基对质膜的损伤，故而笔者也认为适度的干旱能起到“炼苗”的作用［30］。卷柏在干旱和复水处理下，同时启动的四种抗氧化酶(SOD、POD、CAT、GR)活性变化都有助于清除ROS的积累和对植物体的过度损伤［24］。

4 分子生物学机制

植物细胞失水会造成基因的上调或下调表达，不同类型的基因会被干旱诱导，基因表达也可能被胁迫间接启动，但干旱胁迫应答是一个复杂的过程，也是多基因联合作用的过程。

4.1 胁迫蛋白和基因表达

胁迫蛋白和基因的合成是植物对失水的普遍应答反应。研究表明，复苏植物干旱条件下细胞壁的塑化是该类植物的普遍策略，富阿拉伯多聚体(Arabinose－rich polymers)如阿拉伯果胶(Pectin－arabinans)、阿拉伯半乳糖蛋白(Arabinogalactan proteins)和阿拉伯木聚糖(Arabinoxylans)对保持细胞壁弹性作用巨大。复苏蕨类植物(Mohria caffrorum)干旱条件下的阿拉伯果胶与阿拉伯半乳糖蛋白的表达为保证细胞的完整性提供了保障［31］。热激蛋白属于分子伴侣中的一大类，很多热激蛋白会被干旱胁迫诱导，对胁迫下植物蛋白的折叠和防止蛋白变性有一定作用［32］，该作用在复苏卷柏和S.lepidophylla的抗旱过程中有显著体现［24，28］。膜蛋白和胚发育晚期丰富蛋白是另一类干旱胁迫应答蛋白，无论从蛋白表达水平还是转录水平，这两类蛋白都在蕨类植物的抗旱过程中表达，这些蛋白和基因的表达同时也有助于防止伴侣蛋白的降解［22］。东北多足蕨(Polypodium virginianum)［33］中的光合酶、M.caffrorum中的热稳定蛋白以及卷柏抗旱过程中主要涉及的光合、能量代谢和细胞结构等功能类群蛋白的表达都为蕨类植物的抗旱性分析提供了大量分子信息。

4.2 干旱胁迫的信号调节

蕨类植物在中度缺水的情况下即可诱导内源ABA浓度的快速升高［24］，而ABA又作为信号会介导胁迫相关基因的表达变化。ABA介导的基因表达高度复杂，涉及转录调控因子的正负调控，最终导致干旱条件下植物生长发育受到抑制［34］。S.lepidophylla中与 ABA响应元件(ABA－responsive elements)和AP2结构域转录因子(AP2 domaincontaining transcription factor)绑定的bZIP转录因子(bZIP transcription factor)的表达，表明S.lepidophylla内存在着依赖ABA和非依赖ABA两种基因调控［28］，卷柏的转录组与蛋白质组学研究结果也证实了这一点［18，24］，这些研究结果似乎也表明蕨类植物在脱水应答过程中采取了与高等维管植物相似的分子调控策略。另外，ABA缺失突变体的遗传学分析表明，ABA在水分流失过程中对于气孔的调控是必须的，而且无论是内源还是外源ABA，均可作为胁迫信号诱导基因表达。二歧鹿角蕨中的外源ABA诱导了净光合速率和气孔导度的下降［26］，进而可以推测，外源ABA也介导了气孔的关闭和相关基因的调控。

通常条件下，胁迫信号的表达也发生在氧化还原系统和代谢循环的关键时期。信号表达途径的复杂性与蛋白激酶表达、胁迫的敏感性、ROS积累等的密切相关。如干旱胁迫可促使蕨类植物中第二信使如蛋白激酶、14－3－3蛋白等基因的表达调节干旱胁迫应答［24］。目前，具有耐旱能力的垫状卷柏(Selaginella pulvinata)海藻糖－6－磷酸合成酶基因已被克隆［35］，其信号调节功能在很多高等植物中已得到验证，其在蕨类植物中信号通路的作用不可忽视，更需要进一步深入研究。

蕨类植物在生境、形态、习性等方面具有极大差异性，系统分类中居于特殊的分类位置，对环境胁迫的响应也表现了更为复杂和独特的特性。虽然在形态学、生理学、分子生物学等领域对蕨类植物的耐旱性分析有一定研究借鉴，但今后利用新的技术手段如功能基因组学、蛋白组学和代谢组学等技术，将为我们了解蕨类植物的抗旱力和应答策略提供更有力的技术平台。

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