镁营养影响烟草等植物生长的研究进展

何华勤,冯常青,魏晓玲,徐时长,邱福祥,李文卿

(1.福建农林大学 生命科学学院，福建 福州 350002；2.福建省烟草专卖局 烟草科学研究所，福建 福州 350000)

0 引言

镁作为仅次于氮、磷、钾的植物第四大营养元素,在植物生长发育、叶绿素合成、响应逆境胁迫等方面发挥重要作用。镁营养的缺乏,会导致植物受到光抑制。前人研究发现,植物为了获取足够的镁营养,进化出高效的镁吸收、储存和转运系统。[1]

本文首先简述烟草及其他几种植物对镁的吸收、运输及其分子机制,进而着重综述镁营养对烟草光合作用、碳氮代谢、抗氧化还原活性及钾、钙含量的影响,在此基础上提出了利用镁营养缓解烟草产区尤其是福建地区的烟草植株受逆境胁迫伤害的研究方向。

1 植物对镁离子吸收与转运的分子机制

植物从土壤中吸收镁离子(Mg2＋)并转运到地上部主要有两种方式,一种为主动吸收,一种为被动吸收。当土壤介质中Mg2＋浓度低于0.5 mol/L时,植物主要以主动方式吸收Mg2＋,且不受蒸腾速率的影响(见图1)[2]。如图1所示,受低镁营养胁迫时,拟南芥Mg2＋转运(MGT)基因高表达,介导高亲和性Mg2＋的吸收。但当土壤介质中Mg2＋浓度高于0.5 mol/L时,植物主要以被动方式吸收Mg2＋,被动吸收受植物蒸腾速率的影响[3]。可见,植株吸收镁的方式与外界环境中Mg2＋浓度息息相关。

图1 植物细胞内外Mg2＋的运输机制[2]

Mg2＋类二价阳离子能通过植物皮层中的一个自由质外体进入内皮层,但难以从外皮层进入内皮层。Sugiyama利用放射性技术研究发现菜豆从土壤中吸收Mg2＋后,Mg2＋可通过韧皮部在植株体内再循环[4]。随着植株木质部蒸腾流的作用,进入植株内皮层的Mg2＋向地上部运输,韧皮部的Mg2＋浓度较高而易移动,促使Mg2＋从植株的老组织转运到新组织、从源运输到库中。这就是植株镁营养缺乏时往往是老叶最先出现缺镁症状的原因。在植物细胞中,一部分Mg2＋能与果胶结合,达到稳定细胞壁的作用；另一部分Mg2＋则能与ATP、叶绿素等结合并转运到其他细胞中。通常情况下,植物叶绿体中的Mg2＋浓度处于0.5~2.0 mmol/L间,线粒体中Mg2＋浓度在2.0~4.0 mmol/L间,而细胞质中Mg2＋浓度为0.2~0.4 mmol/L,叶绿体与线粒体中积累的Mg2＋浓度均高于细胞质,这是由于液泡中的Mg2＋积累量较大,Mg2＋转运蛋白的存在能促进Mg2＋与胞质溶胶的交换,维持细胞质中Mg2＋的稳定[5]。

Mg2＋的运输与分配都离不开Mg2＋转运蛋白,前人发现细菌中有3种不同类型的Mg2＋转运蛋白,分别是钴(Co2＋)抗性A(CorA)、MGT A/B和MGT E[6]。目前在植物中研究比较深入的是MRS2/MGT基因家族。细菌中MGT基因属于CorA基因家族,最初是从鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)中分离鉴定获得。目前已在酵母菌、动物、植物中都鉴定出CorA类型的同源蛋白,如酵母菌中的Alr1p蛋白、酵母核酸基因MRS2编码的Mrs2p蛋白等都是CorA类型的同源蛋白。Mrs2p蛋白除了有运输Mg2＋的能力,还对线粒体中内含子组分的剪接及维持功能性呼吸系统具有重要作用[7]。CorA类型的Mg2＋转运蛋白的C端有两个保守的跨膜结构域(Trans-Membrane,TM)。在第一个保守TM的末端附近共享一个保守的Gly-Met-Asn(GMN)三肽基序。GMN基序的存在是Mg2＋转运蛋白对Mg2＋专一性的原因。但63Ni示踪结果表明,Mg2＋转运蛋白除了对Mg2＋有高度的亲和力外,也能转运其他二价阳离子,如Co2＋、Fe2＋等[8]。GMN三肽基序也可能突变为Gly-Val-Asn(GVN)和Gly-Ile-Asn(GIN),而这两种基序与其他阳离子更易结合,如Zn2＋、Cd2＋[8]。因此,GMN基序对于金属离子的转运可能是保守的。CorA对Mg2＋的运输高度依赖于细胞内Mg2＋浓度,是一种自我调节机制。在细菌中,CorA的表达不受Mg2＋浓度的诱导,低Mg2＋浓度能高度诱导MGT A和MGT B的表达[5]。

到目前为止,研究人员已从许多植物中鉴定出Mg2＋转运蛋白基因家族,如水稻、甘蔗、玉米、甘蓝型油菜、巴西橡胶树等[2,9]。其中,对拟南芥基因组中Mg2＋转运蛋白基因的研究报道相对较多。前人已经从拟南芥基因组中鉴定出10个Mg2＋转运蛋白基因和一个假基因(AtMRS2-9),并注释为AtMRS2或AtMGT基因家族[10](见表1)。由表1可见,前人对AtMGT1基因研究最为深入,发现该基因蛋白定位于质膜,参与植株根中Mg2＋的吸收,并且对Mg2＋的转运具有高亲和性和专一性。AtMGT1还能转运其他的二价阳离子,但要求与Mg2＋转运不同。Mg2＋浓度只要在土壤生理浓度范围内就可以被AtMGT1转运,而AtMGT1对其他二价阳离子转运的要求是其浓度需高出土壤生理浓度[5]。AtMGT2、AtMGT3定位于液泡膜,被认为参与维持叶肉细胞Mg2＋的稳态[10]。研究人员发现AtMGT6是一种质膜局部转运蛋白,可以介导局部Mg2＋的吸收和低Mg2＋耐受性。AtMGT6能与环状核苷酸门控通道(CNGC)蛋白家族AtCNGC10协同吸收并转运拟南芥根中的Mg2＋。AtCNGC10主要介导根中的远端伸长区、分生组织的Mg2＋吸收[11]。拟南芥中的NtMHX编码Mg2＋/H＋交换子,被证明与木质部装载或回收Mg2＋有关[12]。AtMGT9则与木质部Mg2＋装载有关,且AtMGT9也被证实能影响花粉发育[13]。AtMGT10位于拟南芥细胞的叶绿体包膜中,可能在Mg2＋转运至叶绿体、叶绿素的代谢中起作用[14]。

表1 前人已鉴定获得的拟南芥Mg2＋转运蛋白基因信息

在水稻中,研究人员鉴定出了9个Mg2＋转运蛋白基因家族成员(见表2)。OsMGT1是第一个被克隆到的水稻MRS2/MGT基因家族成员,定位于质膜中,参与Mg2＋的吸收、抗盐胁迫、耐铝胁迫等应激反应过程,并且介导根部的Mg2＋运输[15]。水稻的OsMGT3、OsMGT5和OsMGT9基因被证明定位于水稻细胞的叶绿体中,前二者应该参与叶绿体中Mg2＋的运输[11]。

表2 前人已鉴定获得的水稻Mg2＋转运蛋白基因信息

由上综述可见,当前人们对植物MGT基因家族的研究结果仅是冰山一角,尚有许多植物的MGT家族研究还存在空白。例如,尚未见从烟草中鉴定出MGT家族成员的研究报道。而有些植物虽然已克隆出部分MGT家族成员,但对MGT成员转运和分配Mg2＋的机理尚不明确,如水稻的OsMGT4和OsMGT6。

2 镁影响烟草生长发育的生理机制

镁是烟株可循环利用的元素,在韧皮部中具有较高的流动性。当烟株得不到镁素营养补充时,为确保营养生长和生殖生长,Mg2＋就被转移到植株的生长活跃部位,促进叶绿素、蛋白质等的合成,导致老叶缺镁症状加重,表现为老叶失绿,叶缘枯萎,呈向下翻卷状态,叶片出现明显的网状脉纹,叶肉部分颜色也由最初的淡绿色转为黄绿色或者白色。同时烟株叶片减少,叶面积变小,植株生长变缓,根系发育差,烟株整体呈现矮小状态[16]。有研究表明,光照过强会加重叶片的缺镁症状,使得烟株更易失绿坏死[17]。

研究表明,适当提高镁营养水平可提高烟叶的产量与品质,改善烟叶中化学成分的组成。吕世保等的研究表明,适量施镁肥可使烟株长高、叶面积增加,烟叶产量产值提高[18]。韦翔华等的研究发现,适量施用镁肥,烟叶的叶面积可提高24%~27%,叶片厚度增加[19]。镁肥的合理施用还能提高烤烟叶片的总糖、还原糖含量,降低烟碱浓度[20]。

2.1 镁对烟草植株光合作用的影响

Mg2＋作为植物叶绿素的中心金属离子,能促进叶绿素的合成,维持叶绿体结构,保持叶绿体中的基粒与类囊体数目。镁营养缺乏将直接影响植物的光合作用,阻碍碳水化合物的合成与转化。前人研究表明,适宜的镁营养能诱导叶绿体中的类囊体膜形成基粒[21]。基粒数的增加能促进能量在光合膜色素间的传递,使得植株吸收的光量子被高效利用。逆境胁迫易造成光合膜上的亚麻酸游离,从而破坏光合膜,适量提供Mg2＋可以逆转这种伤害,让叶绿体中的基粒重新形成[22]。白羽祥等的研究发现,适量施用镁肥可以提高烟株叶片中的叶绿素含量,提高烟株光合作用能力,增强光系统PsⅡ的活性和原初光能转化效率[23]。即镁营养调节激发能在烟草光系统PsⅡ和PsI间的分配,以维持烟株较高的光合作用效率。在其他植物的研究中也得到类似结论。李延等对龙眼的研究表明,缺镁导致龙眼叶片的叶绿素荧光动力学参数Fv/Fo、Fv/Fm和Fd/Fs显著下降[24]。杨广东等分析发现,强光缺镁胁迫导致黄瓜叶片的Fv/Fo、Fv/Fm显著降低[25]。可见,适量的Mg2＋供应能促进烟草植株的生长发育,增加叶片的叶绿素与类胡萝卜素等含量,提高光合强度,明显提升烟草的产量与品质。

2.2 镁对烟草植株碳氮代谢的影响

Mg2＋在烟草植株光合碳同化与光合产物的运输与利用方面也有重要作用。作为多种酶的辅助因子,Mg2＋能激活几乎所有的激酶与磷酸化酶,能调控二磷酸核酮糖羧化酶活性,增强CO2的固定,促进碳水化合物的合成与转化,调节碳水化合物在源库间的分配[26]。研究表明缺镁使蔗糖在植物韧皮部的运输受阻,导致新叶干物重与可溶性碳水化合物降低,而老叶中蔗糖含量却增加[27]。这说明缺镁影响植株碳水化合物的代谢。镁也与核糖体的结构功能密切相关。核糖体作为蛋白质合成的场所,当Mg2＋供应量不足时,植株合成蛋白质与核酸的途径就会受阻。李延等在龙眼上的研究表明,缺镁的龙眼叶片的非蛋白态氮含量升高,而蛋白态氮含量下降[24]。同时,镁也是蛋白质合成相关酶的活化剂,如谷氨酰胺合成酶(GS)、硝酸还原酶(NR)等。因此镁能影响烟株的氮代谢,从而影响烟株的产量与品质。镁营养的缺乏会导致植物叶片中NR活性降低,NR是氮代谢过程的限速酶,如果NR的活性降低,将使植物吸收的NO3－在根部累积,无法同化成有机氮化物向叶片运输[28]。可见,镁与植株的碳氮代谢有着密切联系。

2.3 镁对烟草植株抗逆活性的影响

在非逆境胁迫环境下,烟草植株体内的活性氧代谢处于一个动态平衡状态。逆境胁迫会破坏这种动态平衡,造成烟株体内活性氧的累积,从而阻碍烟草植株正常的生长发育。镁对调节烟草植株活性氧代谢平衡有一定的作用。缺镁使烟株的卡尔循环降低,减少了对还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的利用,光合作用中过剩的激发能产生的电子传递给O2后产生活性氧。与此同时,缺镁也造成烟株CO2的固定减少,影响氧化还原酶活性,无法清除累积的活性氧,使烟株的叶绿体受到损伤[20]。在缺镁初期,植株抗氧化酶系统的过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)的活性升高,有能力清除活性氧。但严重缺镁会造成活性氧代谢失衡,膜脂过氧化,植株表现为明显的缺镁症状,即叶片失绿。这些缺镁的研究结果可以与从唇萼薄荷、小白菜中获得的结果相比较。唇萼薄荷在缺镁初期抗氧化还原防御系统能力增强；但严重缺镁时,抗氧化还原防御系统无法阻止活性氧的进一步攻击,脂质过氧化程度加剧[29]。小白菜缺镁时,POD活性升高,SOD活性降低,位于其叶片中的栅栏和海绵组织细胞的排列呈现紊乱的状态[30]。

2.4 镁对烟草植株中钾、钙含量的影响

钾、钙、镁都是烟草生长所必需的元素。在正常生长情况下,烟株内的各种离子间保持动态平衡。但是在缺镁情况下,烟株的代谢紊乱,离子间的平衡被打破。植株对Mg2＋的吸收取决于土壤中有效镁的含量,也取决于烟株内各种离子间的相互作用,尤其是K＋、Ca2＋、Mg2＋间的协同或拮抗作用。目前尚不明确烟株内K＋、Ca2＋、Mg2＋间是如何相互作用的,但已认识到K＋、Ca2＋、Mg2＋间的相互作用不是简单的协同或者拮抗。晋艳等认为,在烟株中Ca2＋对Mg2＋具有拮抗作用,Ca2＋对K＋有促进作用；而Mg2＋对K＋、Ca2＋具有拮抗作用[31]。在李娟等的研究结果中,K＋、Ca2＋、Mg2＋间存在交互作用,使用镁肥、钾肥或者钙肥都能提高烟株的K＋、Ca2＋、Mg2＋含量,但是三者之间不仅仅是单一的拮抗作用,K＋能抑制烟株吸收Ca2＋和Mg2＋,Ca2＋也能抑制烟株吸收镁养分,而促进烟株吸收钾养分[32]。也有研究表明,K＋与Mg2＋间既存在协同又存在拮抗作用,K＋浓度过高会抑制根中的Mg2＋向地上部运输,同时产生的稀释效应降低了植株中的Mg2＋浓度,而在甜菜中,缺镁能提高甜菜对K＋和Mg2＋的吸收[32]。K＋、Ca2＋、Mg2＋在植物中具有不同的生理生化功能,但K＋、Ca2＋和Mg2＋的动态平衡是紧密相连的,可能部分由共同的信号网络所调节。

3 小结与展望

综上可知,首先,当前有许多研究关注镁对烟草植株生长发育的影响机制,但对烟草植株如何吸收与转运Mg2＋、以及镁营养如何影响烟株抗逆能力的研究报道尚不多见。在福建,从烟苗移栽期到采收期,均会遭遇早期低温和后期高温的逆境胁迫；尤其是在生长后期,福建烟草植株面临高温强光的环境条件。镁营养能否缓解高温强光对烟草植株的伤害,这方面研究还鲜见报道。其次,虽然前人从一些植物中鉴定获得了部分Mg2＋转运蛋白成员,但对烟草MGT家族成员的研究未见报道,而且对烟草MGT蛋白在组织间转运与分配Mg2＋的机制也需深入探究。因此,笔者认为应加强如下3个方面研究。

(1)分析镁营养对烟草植株抗逆能力的影响机制,尤其是要筛选出适宜烟草植株生长和抗逆的Mg2＋供应浓度。在福建,要探究能否通过镁营养缓解高温强光逆境对烟株生长和烟草品质的影响。为此,可通过设置不同的Mg2＋供应浓度,分析镁营养缓解高温强光对烟株伤害的可能及其作用机理,为福建地区烟草高产优质栽培提供理论指导。

(2)鉴定烟草中Mg2＋转运蛋白基因并分析其功能。烟草植株从土壤中吸收Mg2＋后要通过Mg2＋转运蛋白将Mg2＋转运到不同组织部位,但对烟草植株中MGT的研究未见报道。当前,烟草基因组从头测序工作已经完成,使研究人员从基因组水平上鉴定Mg2＋转运蛋白基因的研究成为可能。因此,应加强烟草中Mg2＋转运蛋白基因鉴定及其克隆与功能研究,探究烟草吸收与转运Mg2＋的分子机制。

(3)探究植物中K＋、Ca2＋、Mg2＋间的相互作用机制。迄今,虽然前人研究尚未能明确界定植物内K＋、Ca2＋、Mg2＋间的相互作用关系,但已认识到K＋、Ca2＋、Mg2＋间的稳态是相互关联的,这可能是由于K＋、Ca2＋、Mg2＋的代谢受到共同的信号网络调控。如植物Mg2＋的缺乏会激活Ca2＋信号通路,而Ca2＋是植物内第二信使。综合前人的研究成果,可以认为K＋、Ca2＋、Mg2＋间是拮抗还是协同作用,与该3种离子的供应浓度水平有关。因此,应设计新的筛选方法,分析在K＋、Ca2＋、Mg2＋供应状态变化下的K＋、Ca2＋和Mg2＋转运过程的信号网络。