在抗性条件下脯氨酸积累对苔藓植物的作用

谢 强，陈 莉

（西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州 730124）

苔藓植物能够在土壤、岩石、树干、腐木等不同土壤基质上生长，是生态系统中不可缺少的植被成分，用途广泛，在物质循环、防止水土流失、鉴定空气污染程度、制作园艺景观等方面都有着重要的应用[1]。但因苔藓植物体型微小，目前被人类熟识并开发利用的种类有限。全球各地区均有苔藓植物存在，其生存环境存在显著差异。要在区域内长期生存，需满足其生理特性，可利用苔藓植物体内的脯氨酸检验验证其在胁迫条件下的抗逆能力。脯氨酸以游离形式存在苔藓植物中，是构成植物蛋白的氨基酸。作为溶解度最高的氨基酸，在5℃时，100g 水中可溶性脯氨酸约为16g[2]。当植物处于不利条件下，如在干旱、高盐等条件下，苔藓植物体内脯氨酸较适应环境更多积累。脯氨酸具有高度可溶性、高度亲水性和无毒性。它在细胞内的积累不会干扰细胞内正常的生理生化反应，能稳定植物原生质体胶体和组织的代谢过程，从而降低冰点，抵抗不利条件对苔藓植物造成的伤害。低温下，苔藓植物脯氨酸含量增加，可提高植物的抗寒性[3]。植物体内积累的脯氨酸在稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解氨毒和调节细胞氧化还原反应等方面具有重要作用，可作为植物体内的胞质渗透调节剂、细胞结构保护剂、自由基清除剂、逆境胁迫信号物质，并参与氮代谢和能量代谢[4]。在干旱、盐胁迫、高温和铜胁迫下，利用脯氨酸试验验证其抗逆性，苔藓植物脯氨酸含量显著增加。因而苔藓植物脯氨酸含量的变化在一定程度上反映了苔藓植物的抗性。抗逆性强的苔藓植物在逆境下大量合成脯氨酸。

1 脯氨酸积累机制

脯氨酸可在苔藓植物体内进行合成、代谢、转运，在胁迫条件下，脯氨酸大量积累，脯氨酸合成与转运途径是植物逆境条件下植物信号转导作用导致的。

1.1 合成与降解途径

在胁迫条件下，大多数植物中脯氨酸累积大多受P5CS 酶的活性调控，脯氨酸在细胞质中合成，根据初始底物不同，可将脯氨酸合成途径分为2 种：一种是谷氨酸途径，初始底物是L-Glu，可以通过2 个步骤持续还原为脯氨酸，其中间产物为δ-吡咯啉-5-羧酸（P5C），催化反应的酶为P5CS 和P5cr。另一种为鸟氨酸途径，起始底物为L-Orn，GSA 通过转氨作用生成，然后P5C 生成，最终被P5CR 还原成脯氨酸，起催化作用的酶为δ-OAT。在渗透胁迫和低氮条件下，谷氨酸途径占优势，而在非胁迫和高氮条件下，鸟氨酸途径占优势。脯氨酸在苔藓植物体内的降解途径基本为合成途径的反向过程[5]。

1.2 转运途径

苔藓植物体内脯氨酸累积主要靠外源脯氨酸，脯氨酸转运蛋白将脯氨酸转运到植物体特定位置，属于AAP（amino acid/auxin permease）基因家族，是典型的Na+依赖型亚氨基酸转运蛋白[6]。

2 脯氨酸含量的测定

苔藓植物脯氨酸含量可作为检测其抗逆性最直接的生理指标。在胁迫条件下，大多抗逆性强的品种积累较多的脯氨酸，当苔藓植物处于抗逆条件下时，苔藓体内脯氨酸的含量显著增加。张殿忠等[7]利用磺基水杨酸方法对苔藓植物的脯氨酸含量进行测定，用磺基水杨酸提取植物样品，脯氨酸从植物体内游离出溶液中，利用酸性茚三酮进行加热处理，溶液即成红色，再用甲苯处理，所得产物颜色可表示脯氨酸含量，色素的深浅即显示出脯氨酸含量的大小，也可利用分光光度计在520nm 处比色，即可得到苔藓植物中脯氨酸含量。还可利用微透析法提取植物体内的脯氨酸含量，对样品高倍稀释再通过衍生化法，与高精细的HPLC 仪检测，既可对苔藓植物体内的脯氨酸进行测定[8]。

3 抗性条件下脯氨酸含量的变化

3.1 盐胁迫

苔藓植物因在高盐度生境而受到的高渗透势的威胁影响其正常的生长代谢。在植物体内生理发生变化所带来的应激反应，脯氨酸和蛋白质保护酶等会大量分泌以维持苔藓植物正常的代谢机制。盐胁迫为非生物因素胁迫。在盐度较高的地区苔藓植物的生长繁殖受到较大威胁，因而为高盐度地区开发利用耐盐胁迫的苔藓植物较为迫切。为应对高浓度的盐胁迫植物体内有与盐胁迫相关的基因和调节机制，一些基因的上调表达就是指表达量增加，相应的蛋白产物也增加，以此来度过高盐情况对植物可能产生的不利影响[9]。根据洪春桃等[10]以大灰藓进行盐胁迫的试验结果表明：不同浓度的盐胁迫，会显著提高大灰藓植物体内脯氨酸含量，盐胁迫还造成光合色素的降解、丙二醛的积累和保护酶活性的升高，在200mM 盐处理下，外施20mM脯氨酸使植物胁迫的各项生理指标稳定在50～100mM盐处理水平。因此，外源脯氨酸可以通过减轻光合色素降解以维持植株正常的光合作用，进而稳定保护酶活性，从而降低活性氧的产生速率，减缓丙二醛的积累来提高植物在逆境下的抗性，使苔藓植物在不利环境下的适应能力增强。

3.2 干旱胁迫

干旱胁迫对苔藓植物生长具有很大的影响，水是其生长代谢必不可少的介质和原料。在水分不足情况下苔藓植物的敏感性变强，在形态上发生改变以维持水分。但干旱时间较长，苔藓植物则表现为干枯形态。当其在遇到水分时会迅速恢复生机，植株形态恢复正常，生长代谢旺盛。但干旱使植物正常生长发育受到一定程度影响。在我国部分地区降水量较少，气候较为干燥，苔藓植物的生长受到干旱的威胁。不同苔藓植物的抗旱性不同，为选择干旱胁迫生长良好的苔藓植物进行育种，测定它们体内脯氨酸含量是一种很直观的方法。高旭[11]对15 种苔藓植物进行干旱胁迫处理，对苔藓植物体内脯氨酸含量测定，并进行了主成分分析。对15 种苔藓植物的抗旱性指标进行了分类，每种苔藓植物的抗旱性由大到小依次为：葫芦藓＞泥炭藓＞真藓＞小墙藓＞大灰藓＞山地墙藓＞仙鹤藓＞狭叶小羽藓＞刺叶墙藓＞黑扭口藓＞提灯藓＞大帽藓＞曲柄藓＞小叶藓＞凤尾藓。设立干旱胁迫条件从而筛选出在干旱条件下生长良好的苔藓品种，对干旱区生态演替困难的问题提供了新的种植方向。

3.3 铜胁迫

我国是一个工业生产大国，与之对应的是带来了环境压力。在科技发展的同时，工业化生产增加了土质和水中铜含量，当铜过量时，易造成土壤重金属铜含量的超标，铜作为苔藓植物生长发育所必需的微量矿物质元素，参与构成植物体内代谢酶所必需的成分，促进酶催化，而且还作为有效电子供体与受体存在于诸多氧化还原反应的蛋白质活性位点上[12]，在光合作用、呼吸作用、抗氧化作用、细胞壁代谢和激素反应等方面起着重要的作用，会威胁破坏植物所处的生存环境。通过铜胁迫对苔藓植物体内脯氨酸含量的变化进行探究。霍垲[13]以果灰藓和丛本藓为材料，采用室内模拟培养方法，研究了铜胁迫对2 种苔藓植物生理生化特性的影响。结果表明，在Cu2+的作用下，苔藓植物和苔藓植物体内与逆境密切相关的物质和保护酶发生了一系列变化，并存在明显的量效关系和时效关系。随着浓度和处理时间的增加，游离脯氨酸和丙二醛含量逐渐增加。说明面对铜量的增加，苔藓植物体内的脯氨酸含量也随之增加，对苔藓植物生理机能起保护作用。

3.4 温度胁迫

当环境温度超过苔藓植物适温区，就会对苔藓植物产生温度胁迫，温度高于、低于适温区或产生剧烈变温都会损伤苔藓植物内正常生理生化反应。长期温度胁迫，则会对苔藓植物产生不同程度的损害。对苔藓类植物来说，致死高温一般为85℃～110℃，因而通过脯氨酸含量的变化来选择耐高温的苔藓植物品种具有深远的意义。贾宇婷等[16]以砂藓和毛尖紫萼藓为材料，研究了高温胁迫对其细胞膜透性、保护酶活性和渗透调节物质的影响，探讨了2 种苔藓植物对高温胁迫的适应性。结果表明，随着胁迫温度的升高，毛尖紫萼藓的脯氨酸含量一直持续上升，而砂藓的脯氨酸含量在一定程度内出现下降。由此可见不是所有苔藓植物体内的脯氨酸含量都能随着温度胁迫强度增加而增加的。通过选择耐高温胁迫的苔藓品种可以更加适应环境的变化。而脯氨酸含量的增加能使苔藓植物更加适应高温胁迫带来的威胁，抗逆性强。对于温度的适应，应该是苔藓在温度胁迫下具有适合温度变化的光合作用机制和呼吸作用机制。因此，对苔藓植物在高温逆境环境下，既可以通过形态上的变化来降低水分的散失，也可以通过生理上脯氨酸含量的增加来应付高温环境的危害[16]。

4 讨论

苔藓植物是物种多样性的重要组成部分，其在大自然扮演开拓土地维系水分等重要角色。在人类生活中，苔藓植物在园艺和微缩景观设计有着巨大价值。将苔藓植物作为绿化工程选项已是进行时。但对苔藓植物的利用还面临着生境的差异性，对苔藓植物抗逆性的研究是其必要的前提保证。而脯氨酸作为植物体抗逆性重要的蛋白质，以脯氨酸积累为指标的抗逆性研究已应用在各种植物领域。对在抗逆条件下苔藓植物脯氨酸含量的变化进行探讨研究，发现在盐胁迫、干旱胁迫、铜胁迫和高温胁迫条件下，抗逆性强的苔藓植物脯氨酸含量明显增加。研究的重点是探究苔藓植物脯氨酸积累在胁迫作用下与其抗逆性的关系，苔藓植物脯氨酸含量在抗逆条件下的增减可在一定程度上反映苔藓植物的抗逆性。大多数抗逆性强的苔藓植物能在胁迫条件下合成更多游离脯氨酸。以脯氨酸为生理指标研究苔藓植物的抗逆性，为不利环境的恢复和开发、维持生态系统平衡、解决生态经济问题等方面提供了科学依据。