植物中游离氨基酸在水淹胁迫下响应的研究进展

赖媛媛

(东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013)

水是植物生长的重要影响因子，不同植物对水深都有一定的耐受范围，超过植物所承受的范围，就会影响植物的生长及死亡[1]。

水淹胁迫是主要的非生物胁迫，环境中的水分含量决定了植物的生态分布，水分过多或过少均会对植物的生长产生不利的影响[2]。植物组织中游离氨基酸能直接或间接对环境中非生物胁迫做出响应[3]。对苹果树、番茄物种的研究结果支持应激条件下诱导氨基酸含量增加的这一结论[4-5]。接下来Koppitz等[6]的研究也证实，芦苇在受到极端洪水的影响下氨基酸可以作为生理胁迫的指标，淹没部分中生长的芦苇植物显示总氨基酸含量明显增高，并且碳水化合物的总含量低于未淹没区域。在水淹缺氧条件下，游离氨基酸含量的变化能反映植物的耐淹能力[7]。

虽然洪水是一种复合压力，但大多数研究集中在阻碍氧化磷酸化和低光合速率引起的诱导能量和碳水化合物危机[8]，以及设置不同水位梯度来探讨对植物生长的影响[9]，对游离氨基酸含量的变化来探讨植物组织中氨基酸代谢机制的研究较少。综述了植物在水淹胁迫下通过代谢途径探讨各个氨基酸之间的关系，了解植物组织中游离氨基酸在环境胁迫下的作用以及各游离氨基酸的代谢机制，为植物对水位的适应提供依据，为生态系统多样性的保护提供理论基础。

1植物体内氨基酸适应水淹胁迫环境的响应当植物遇到外界胁迫条件时，氨基酸、蛋白质、糖的代谢都会发生变化[10]，氨基酸主要通过参与改变植物体内某些生理代谢，或调节相关基因表达和关键酶活性等方式来增强植物对各种逆境的适应性反应[11]。洪水是一种非生物胁迫，会阻碍植物的正常生长，洪水胁迫会导致植物浸没部分中的低光强并且处在缺氧的环境中，Bailey等[8]指出水淹会导致低光照强度，抑制光合作用；洪水是一种复合应激，ATP合成和碳水化合物资源的限制对植物的生长和存活具有重要的影响，在缺氧的条件下，能量短缺导致蛋白质合成速率下降，引起对氨基酸的需求也降低，这可能是游离氨基酸积累的原因[12]。Koppitz[13]指出在洪水下会造成植物缺氧，有限的氧气导致呼吸磷酸化减少和糖酵解中间体(乙醇和丙酮酸)的累积，它们可以通过转氨作用，形成氨基酸。有学者提出，缺氧下的游离氨基酸(提别是丙氨酸)在维持组织的渗透压方面起作用，缺氧条件下氨基酸积累的能力似乎与组织存活相关[10-14]。

1.1植物组织中γ-氨基丁酸(GABA)在水淹胁迫下的响应GABA是一种四碳非蛋白质氨基酸，是大多数原核和真核生物中游离氨基酸的重要组成部分[15]。GABA来源于谷氨酸，然后转化为琥珀半醛(SSA)和琥珀酸，进入三羧酸循环[16]。

GABA被认为是应激指标，可以在水淹、缺氧、寒冷等压力胁迫下快速积累[13]。GABA在第8天洪水期间从最初的约10%增加到约55%[17]。Kreuzwieser等[18]指出，在洪水下，GABA在根中的浓度大量增加。Koppitz等[6]发现GABA含量与Asn负相关，即随着天冬酰胺含量的增加，GABA下降；GABA含量又与Ala和Pro、Ser正相关。Mustroph等[19]发现，缺氧时植物根中大量积累GABA，而嫩芽中没有大量累积。分析GABA积累的原因，有研究者认为应激条件下胞质酸化以及诱导谷氨酸脱羧酶活性的增强，加快了GABA的合成速率，导致GABA的积累[15]；或者GABA-T活性受限，从而导致GABA的积累[16]。GABA积累还可以参与细胞溶质pH平衡的调节(因为其产生消耗质子)，渗透调节或活性氧(ROS)的代谢[19]。综上所述，GABA可以在不同应激条件下的各种植物组织中快速积累，以响应缺氧、寒冷和机械的影响。

1.2植物组织中谷氨酸在水淹胁迫下的响应机制在游离氨基酸中，谷氨酸发挥着重要的作用，被认为是植物氮代谢中“宇宙的中心”[20]，谷氨酸是厌氧代谢的一些特征化合物(丙氨酸、氨基丁酸)的前身[10]。植物从周围环境获得氮素后，被植物同化为氨基酸等有机含氮化合物，参与植物的蛋白质合成[21]。一般认为植物同化的主要途径是[22]：

NR：硝酸还原酶；NiR：亚硝酸盐还原酶；GS：谷氨酰胺合成酶；GOGAT：谷氨酸合成酶。

GS和GOGAT循环有助于氨的再同化作用和硝酸盐的初级同化作用，并且不断地合成谷氨酸用于合成其他化合物[10]。Glu和Gln是植物合成有机氮化合物的第一步，在其他有机氮化合物的合成中具有重要地位[21]。铵盐在植物体内谷氨酰胺合成酶(GS)的作用下与谷氨酸(Glu)结合形成谷氨酰胺(Gln)，Gln又可以提供酰胺基，在谷氨酸合成酶(GOGAT)的作用下和α-酮戊二酸生成Glu；环境中的氨也可以直接与α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的作用下合成Glu[23]。谷氨酰胺合成酶(GS)有2种同工酶，即分别位于细胞质和叶绿体的GS1和GS2。GS2的主要功能是把叶绿体和光呼吸再合成的NH4+转变为谷氨酰胺(Gln)[22]。氨同化及其循环的生化反应过程[22，24-25]如下：

式中，α-Oxo为α-酮戊二酸；Pi为磷酸。

上述的第一个反应式为谷氨酸作为氨的受体而形成谷氨酰胺，该反应为谷氨酰胺合成酶(GS)催化；第二个反应式为谷氨酰胺在谷氨酸合成酶(GOGAT)的作用下转变为谷氨酸，这2个反应式简称GS-GOGAT途径；在叶绿体内GS途径需要光合磷酸化产生的ATP才能进行，说明叶绿体中GS途径是强烈需要光的[22]。谷氨酸是鸟氨酸、精氨酸、脯氨酸以及氨基丁酸、谷氨酰胺的前体[20](图1)，Glutamate↔Orn↔Arg、Glu↔Pro、Orn↔Pro是可逆线路[20]。

图1　植物中谷氨酸的合成和代谢途径(改编自文献[24，26])Fig.1　Synthesis and metabolic pathway of glutamate in plants(adapted from references[24，26])

Mustroph等[19]指出，在缺氧胁迫下，植物中的Glu会随淹没时间的增加而下降，在拟南芥和其他物种中也发现这个规律，指示植物在应激时氨基酸代谢延长变化，但Barding等[27]指出，在淹没水稻的芽中，Glu会随淹没时间的增加而逐渐积累。说明物种间存在差异，导致氨基酸含量变化有差异。

1.3植物组织中其他游离氨基酸在水淹胁迫下的响应目前，关注较多的是GABA、Glu对水淹的响应，但是植物组织中其他游离氨基酸同样也对水淹胁迫产生响应。

Asp是由Glu提供α-氨基在天冬氨酸转氨酶(AST)的作用下合成的[21]。Asp在其他酶的作用下，形成其他氨基酸，如赖氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸[28]。Asp通过天冬氨酸半醛脱氢酶(ASADH)生成天冬氨酸半醛(aspartate semialdehyde)，在脱羧酶的作用下形成Lys，在高丝氨酸脱氢酶(HSDH)的作用下转化为Met和Thr，Thr进而转化为Val、Leu以及Ile[21]。Narsai等[26]提出，在缺氧胁迫下观察到Asp会随淹没时间的增加而下降，在拟南芥和其他物种中也发现这个规律，指示植物在应激时氨基酸代谢延长的变化，但Barding等[27]指出，在淹没水稻的芽中，Asp会随淹没时间的增加而逐渐积累。说明物种间存在差异，导致氨基酸含量变化有差异。

在缺氧条件下，丙氨酸增加的比例远高于GABA[29]。Mustroph等[19]发现，根和嫩芽2种器官在缺氧时都积累丙氨酸(Ala)。植物在缺氧达120 h后会导致根和木质部汁液中丙氨酸的大量增加，根中丙氨酸的增加在4 h后就很明显，但木质部中的丙氨酸明显增加是在8 h后[30]。而Narsai等[26]研究指出，丙氨酸的积累与Ala AT的活性相关，水淹下，活性增强，造成Ala的累积。

甘氨酸(Gly)与几种氨基酸(包括Ser和Thr)的代谢都直接相关，并且Gly的增加可能是由这些氨基酸的再循环产生[27]。精氨酸(Arg)压力胁迫条件下积累[24]。脯氨酸(Pro)非生物胁迫(干旱，低温和高温)下逐渐增加[24]，Chanu等[29]认为植物组织在水分胁迫过程中脯氨酸的产生和积累是一种适应性反应，这可能是由于在过量水分胁迫的诱导下脯氨酸的从头合成，或者是由于参与适应性机制以维持正常的渗透压调节。

水淹会导致天冬酰胺(Asn)显著减少，在经过1 d的洪水后，天冬酰胺从40%或更多降低至约10%，在8 d后，天冬酰胺降低至小于5%[17]。在植物中，天冬酰胺是由在谷氨酰胺作为氨基供体，天冬氨酸在天冬酰胺合成酶(AS)催化的反应中形成的[17]。Asn在芦苇N代谢中是主要储存器和运输化合物[6]。Masclauxdaubresse等[23]发现天冬酰胺具有比谷氨酰胺更高的N/C比，尤其是在豆类中可以用作远程运输和储存植物中的氮化合物。Lea等[14]提出，天冬酰胺在应激条件下会积累，这可能是对应激条件的直接生物反应，有助于维持渗透压，也可能是在应激条件下限制蛋白质合成的间接结果。Kreuzwieser等[18]研究发现，在beech以及Oak物种的根中，Asp、Asn、Glu、Gln氨基酸浓度会随着水淹时间的增加而显著减少，而Oak的叶片在经过水淹后氨基酸浓度组成没有变化。

2结语

植物受环境胁迫下体内的游离氨基酸会做出响应。在水淹胁迫下，植物体内谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)可能减少或者累积，而天冬酰胺(Asn)、γ-氨基丁酸(GABA)、丝氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)、精氨酸(Arg)大量累积。但因物种间存在差异，或者处理方式存在差异，会导致植物中氨基酸含量变化有差异。目前，国内外对水淹以及盐胁迫下氨基酸浓度的研究较多，但复合压力下氨基酸浓度研究较少，以后研究应多结合实际环境情况。

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