高温和干旱对木本植物碳代谢影响的研究进展

李良良，李 燕，丁贵杰*

(1.贵州省森林资源与环境研究中心/贵州省高原山地林木培育重点实验室/贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001)

全球工业化的发展，温室气体的大量排放，导致全球气温逐年升高，1901—2015年亚洲地表平均气温上升了1.45 ℃，而中国年平均气温升高了0.5～0.8 ℃[1]，预计21世纪末，中国地表温度将持续升高3.9～6.0 ℃。调查显示，近20年来高温和干旱导致全球范围的不同森林类型死亡事件逐年增加[2-4]，包括中国东部和西南地区，预计未来这种趋势仍将继续[5]。高温缺水是自然条件下最常见的非生物胁迫组合之一，预测森林生态系统未来的生长和生存亟需了解树木对干旱和高温的抗逆机制，所以研究高温干旱胁迫对植物的影响已经成为当下农林业发展的重要方向之一。高温干旱胁迫通常会导致植物光合作用和产能的下降，而糖作为光和碳同化的产物，不仅作为能源物质提供能量，也对植物的生长发育、代谢调控及胁迫抗性具有重要作用。本文主要从高温和干旱对植物碳代谢的合成途径和分解途径两个方面综述其对植物碳代谢的影响，以期为相关研究工作提供参考。

1 植物碳代谢的作用和功能

植物体内碳可分为两大类，一类是以纤维素、木质素等为代表用来进行形态建成的结构性碳，另一类是以可溶性糖和淀粉为代表的非结构性碳(NSC)，NSC是植物碳代谢的重要产物，不仅反应植物体内的生理状况，而且还能在植物遭受环境胁迫时起到阶段性缓冲作用[6]。相关研究发现，植物光合作用和呼吸作用对高温干旱胁迫的响应具有先后顺序，光合作用比呼吸作用可能有更高的敏感性[7]，高温会增加植物的呼吸作用，减少可用于生长的碳源[8]。当植物在高温干旱胁迫下通过光合碳固定合成的有机碳水化合物不能满足分解代谢的需求时，只能对有限的碳水化合物进行重新分配和利用以提高利用效率，从而保证植物在逆境下的生长发育。重新分配利用的途径之一就是合成较多的可溶性糖、脯氨酸、甜菜碱等富含碳元素的渗透调节物质，从而调节细胞的渗透压。随着植物高温干旱胁迫程度的不断加剧，植物体内NSC及渗透调节物质均会显著降低，表明渗透调节能力具有一定的局限性[9]，干旱持续的时间越长、强度越大，会导致植物光合作用生成的碳水化合物均持续性减少，最终导致植物产生碳饥饿，使植物面临死亡的风险[10]。尽管关于高温干旱对植物碳代谢的影响已经取得了相关进展[11]，但碳饥饿导致植物死亡的证据还不够充分。因此，进一步了解高温和干旱两个因素对植物的相互作用对于预测森林生态系统对气候变化的反应变得至关重要。

2 高温和干旱对植物光和碳同化的影响

2.1 高温和干旱对植物光合和呼吸的影响

光合作用是植物界最重要的生命活动之一，将碳元素从无机态向有机态转变，是生物界碳水化合物的重要来源，是植物生产力重要的决定因素之一。植物光合速率主要受气孔导度、叶肉导度和酶促生物化学三个因素的影响[12]，植物主要是通过根系感知干旱，当干旱降低到某一阈值时，脱落酸(ABA)驱动的激素信号促发叶片气孔关闭，减少叶片的水分流失，二氧化碳进入叶肉细胞的浓度降低[13-16]，叶肉电导降低，导致叶绿体固定二氧化碳的含量降低[17-19]，伴随干旱的高温会加剧土壤的干燥，增加空气中的水蒸气压力差(VPN)进一步降低气孔导度，进一步加剧胁迫。因此，在干旱条件下，气孔和叶肉导度被发现是光合作用的主要限制因素[18-21]。研究发现，高温和干旱同样会影响叶肉电导，但影响方式并不一致[17,22-23]。进一步研究发现，在正常的温度范围内，呼吸底物和相关酶含量等完全充足的情况下，呼吸速率短期内随着温度的升高呈现指数增长[24]，温度进一步升高，植物增加的呼吸可能会消耗更多的组织碳，除非植物光合速率同步上升或呼吸速率通过热适应性下降[25]。最近研究发现，植物的呼吸作用可能通过降低基本呼吸速率或降低对温度反应的敏感性的过程来调节或适应温度升高，而干旱等环境因素在影响这种反应中发挥着重要的作用。干旱首先会降低生长，然后降低光合作用，而呼吸作用可能会由于生长代谢或底物限制的降低而下降[20]。

2.2 高温和干旱对植物气孔的影响

植物通过蒸腾作用来减少热损伤，但随着干旱程度的不断加剧，气孔调节水分流失的动态行为决定了植物脱水的速率[26]。因此了解气孔的高温响应对于预测树木因高温干旱而死亡至关重要[27]。先前的研究表明，气孔随着温度的升高由开放到关闭[28]，其变化的原因除受到环境温度的调控外，无法排除空气中的饱和水汽压差(VPD)的影响。同时，气孔温度敏感性的种内和种间差异也存在，并导致观察到的气孔对高温的反应并不一致。研究发现，干旱导致植物碳同化下降55%的主要原因可能为气孔对二氧化碳的扩散限制，同时，二氧化碳的扩散限制还包括气孔下腔到叶绿体核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)羧化位点的通路阻力，即叶肉细胞和叶绿体的细胞间隙、细胞壁和细胞膜的阻力[29]。因此，气孔导度是限制植物光合速率的关键因素之一，而气孔的开合除了受到保卫细胞的含水量及离子浓度调控外[30]，还受到植物激素的调控。植物对高温和干旱的适应与植物激素的积累密切相关，尤其是水杨酸(SA)和ABA[31]。高温干旱胁迫相比单一胁迫能促进植物SA的积累，SA可以更好的调节植物耐热机制，如维持膜完整性[32]和保护光系统Ⅱ(PSⅡ)复合物[33]。除SA外，ABA同样在高温干旱胁迫中发挥着关键的作用，植物在遭受干旱达到一定阈值后，ABA驱动的激素信号被转导到叶片，触发气孔关闭，以减少蒸腾作用造成的水分损失[34]，降低了二氧化碳从气孔到叶绿体中Rubisco羧化位点以及细胞间隙、细胞壁、叶肉细胞和叶绿体的细胞膜之间的扩散，也就是降低了植物叶肉的传导率[35]。研究发现，干旱胁迫导致了植物ABA的积累，进一步导致叶片气孔的关闭[36]，而高温胁迫有可能抑制了ABA的积累，从而避免了气孔关闭，并保持较高的蒸腾速率以冷却叶片表面。部分研究发现高温干旱叠加胁迫下，尽管ABA水平降低，但气孔的导度并没有下降。同时，过氧化氢可以通过提高一氧化氮水平而不依赖ABA信号调控气孔的关闭[36]。由此说明，高温干旱叠加胁迫下气孔响应的调节有可能涉及其他机制的调控还需要进一步的深入挖掘。

2.3 高温和干旱对植物Rubisco活性的影响

Rubisco是植物C3途径中重要的羧化酶，也是光呼吸中不可缺少的加氧酶，在光合作用卡尔文循环里催化第一个主要的碳固定反应。干旱胁迫下，CO2通过气孔或沿叶肉途径的有限扩散降低了Rubisco的羧化速率(Vcmax)，同时卡尔文循环中其他参与催化反应的酶同样受到不同程度的影响，进一步限制了Rubisco的羧化速率和再生速率[37]。进一步研究发现，干旱下光合作用的电子传输速率的下降引起ATP合成受损进而造成代谢限制[38]，ATP的可用性降低又会反向影响1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)的再生，限制二氧化碳的固定速率。干旱胁迫对Rubisco的影响因植物种类和胁迫强度相关，部分研究发现Rubisco活性显著降低[39-40]，Pelloux等[41]研究发现Rubisco活性表现出很少或没有影响。高温胁迫导致光合作用的下降主要原因是中度高温削弱Rubisco的催化伴侣Rubisco活化酶(Rca)[42-44]的活性，适度的高温还能抑制电子传递活性、ATP合成和RuBP再生[42,45]。随着温度进一步升高，超过了植物生理条件，光合作用可能会由于光合装置中电子传递元件的物理完整性的损害而受到越来越大的限制[42]。磷酸糖是Rubisco活性的重要抑制因子，Rca能促进抑制性磷酸糖的降解从而调控Rubisco的活性。Rca的活性对热敏性极强，在中等高温下变得不活跃从而减少净二氧化碳同化速率。研究发现，高温干旱交互胁迫对植物具有明显的生化限制作用，高温下生化限制的增加主要归因于Rubisco活化状态的降低，Rubisco活化的减少与Rca的改变量无关，而与电子传递速率的改变相关，并最终与光合二氧化碳同化相关。因此，是否可以通过提高Rca活性的耐受性在高温下增加光合作用还需要进一步的研究。

3 高温和干旱对植物碳分解代谢的影响

3.1 高温和干旱对植物蔗糖代谢的影响

蔗糖作为植物中重要的碳水化合物之一，在信号转导和逆境应答方面发挥着重要的作用[46]。蔗糖是植物组织中的果糖-6-磷酸和尿苷二磷酸葡糖(UDPG)在蔗糖磷酸合酶(SPS)和磷酸蔗糖磷酸酶(SPP)的作用下合成[47]。反之，通过蔗糖合成酶(SUS)或蔗糖转化酶(INV)降解为己糖(葡萄糖和果糖)或其衍生物[48]。SUS是一种糖基转移酶，可以在UDP存在的情况下可逆的将蔗糖转化为UDPG和果糖，而INV则不可逆的将蔗糖水解为葡萄糖和果糖。高温和干旱对蔗糖代谢相关酶的影响很大，研究报道，高温处理能通过提高SPS活性来增加植物蔗糖的含量[49]。而在干旱或高温干旱下，蔗糖含量显著降低，因为SPS活性受限，SUS和INV活性升高，加剧了蔗糖的降解，且两者在联合胁迫下降低的幅度更大，干旱胁迫初期，SUS和INV活性的增加，促进了植物葡萄糖和果糖含量和碳源的增加，说明干旱能激活植物降解蔗糖的能力[50]。因此，高温处理能促进植物蔗糖的积累，但抑制了蔗糖的降解，降低了碳源，抑制了贮藏物质的积累。而在高温干旱复合胁迫下，由于温度升高的不利影响，SUS和INV的活性降低，导致己糖含量低于干旱胁迫，但高于高温胁迫，所以，高温干旱复合胁迫下，干旱依然占据主导地位[51]。此外，对一些耐受性较强的植物研究发现，高温环境下蔗糖代谢关键酶基因发生响应，但蔗糖代谢处于平衡状态[52]，说明耐受性植物通过调节蔗糖代谢相关酶的变化最终保证对高温的适应性，但起到主导作用的酶基因还需要进一步的深入挖掘。另有研究表明，SUS和INV裂解蔗糖后产生的己糖通过信号通路在植物发育过程中发挥重要作用[47,53]。然而，到目前为止，糖信号转译的研究主要集中在葡萄糖上[54-55]。虽然果糖也是一种丰富的己糖，由INV和SUS催化蔗糖降解产生，但对其潜在的信号转导作用知之甚少。在拟南芥中对果糖进行了系统的研究，发现果糖信号在幼苗发育中发挥重要作用，果糖-1,6-二磷酸酶被确定为信号通路中的果糖传感器[55]。除了上述糖信号系统(蔗糖、葡萄糖和果糖)外，一些糖源性信号系统在植物抗逆胁迫中有可能同样发挥着重要性的作用，这些系统包括海藻糖6磷酸(T6P)信号、雷帕霉素(TOR)激酶靶标系统、snf1相关蛋白激酶(SnRK)和bZIP转录因子[56]。最近研究发现，植物在干旱胁迫下，细胞积累大量的脯氨酸，而在高温胁迫下，积累大量的蔗糖[57]，这种差异有可能是不同的胁迫组合加剧了植物不同类型的内部胁迫，或者脯氨酸在组合胁迫下对细胞有毒，蔗糖取代其作为细胞的主要渗透保护剂，其调节机理还需要进一步的深入研究。

3.2 高温和干旱对植物淀粉代谢的影响

淀粉是植物一级和二级代谢的主要底物，包括能量代谢、运输和渗透调节等功能[58]。在植物的整个生长发育时期，淀粉缓冲了碳供需的异步性，即同化、呼吸和生长之间的时间差，即使在无光合作用的情况下，淀粉的降解利用能更好的保证机体的生长[59]。在树木中，碳长期存储在木本组织的薄壁组织枝、茎和根[57]中，当植物对碳有需求时，淀粉和其他碳源被降解为可溶性糖，再通过树木的木质部和内部树皮进行运输[60]。蔗糖经过几个阶段转化为葡萄糖-6-磷酸，被腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)转化为ADP-葡萄糖，最后被颗粒结合淀粉合酶(GBSS)等合成直链淀粉和淀粉合成酶(SS)、淀粉分支酶(SBEs)和淀粉去分支酶(DBEs)等合成支链淀粉[61-62]，此外，淀粉磷酸化酶(PHO)将蔗糖代谢为碳前体，也是淀粉生物合成所必须的[63]。淀粉的降解可能有多种途径，比如α-淀粉酶、β-淀粉酶等多种酶[64]。

SS是淀粉生物合成中对干旱最敏感的酶。研究发现SS活性与淀粉合成速率高度相关，SS活性的变化可能在很大程度上解释了干旱胁迫下植物淀粉含量的降低[12]。重度干旱下，AGPase活性的降低超过SS，导致了淀粉积累提前停止[65]。干旱同样会导致SBE活性下降，但对GBSS活性的影响较弱。温度对相关酶活的研究发现，SS活性在20～25 ℃之间最大，但在40 ℃时，97%的活性丧失。高温同样显著降低了SS和GBSS的活性，也导致了AGPase、SS、GBSS和SBE基因的相对表达量的降低[66]。关于高温导致植物淀粉含量下降的原因，争议点较多，有研究发现，高温降低了与蔗糖转化为淀粉过程相关的代谢产物水平和酶活性[67]。淀粉生物合成过程中某些酶的失活抑制了蔗糖在高温条件下转化为淀粉，是淀粉含量降低的主要原因[68]。另有其他研究发现，高温降低淀粉含量是因为淀粉积累提前停止而不是淀粉生物合成酶受到抑制[69]。近期研究发现，高温下，植物蔗糖分解会受到阻碍，减少了植物淀粉的积累，而外源施加蔗糖可以促进植物淀粉的积累[70]。关于高温干旱胁迫对植物淀粉的影响多集中在谷类等淀粉含量高的物种，高温与干旱加快了淀粉合成相关酶基因的表达速率[71]，但降低了其表达量，导致淀粉积累时间缩短、积累量减少，并且高温和干旱均能导致直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量的下降，但对支链淀粉的影响比直链淀粉更加显著，由GBSS酶活的影响较小也能得出同样的结论[72]。关于植物淀粉和蔗糖对高温和干旱的响应已经开展了大量的研究，因为植物品种和胁迫程度的差异等因素导致争议点较多。比如，蔗糖对淀粉合成和分解等过程中是否同样发挥了重要的作用还需要进一步的深入研究。

4 结语与展望

本文综述了近年来有关高温和干旱对植物碳代谢的影响，包括合成代谢途径——光和碳同化、分解代谢途径——蔗糖和淀粉代谢。探讨了植物碳代谢对高温和干旱的响应。总而言之，相对于高温和干旱单一胁迫对植物的影响，交互胁迫影响更为显著。尽管对高温和干旱下植物碳代谢的研究取得了很大的进展，但由于复合胁迫下碳代谢机制极其复杂，很难分清胁迫过程中的因果关系，其中的不少细节依然存在争议或有待进一步揭示，比如光和碳同化中气孔响应的调节有可能涉及其他机制的调控、Rca对Rubisco活性的调控机制及其他糖原物质在响应高温干旱过程的作用等。

综上所述，对以后的研究提出几点建议：(1)当前研究多是集中在高温和干旱单一胁迫对少数树种的影响且多集中在北美和澳洲等地区。以后应进一步以本地乡土树种为主要研究对象，挖掘高温干旱的影响机制，以期为物种多样性对高温干旱的对比研究奠定基础；(2)代谢组的诞生为研究植物对高温和干旱的响应提供了一种敏感和系统的技术来识别内源性低分子量化合物的改变，内部代谢物的大规模定量已经成为可能，通过代谢产物途径的生化网络和互作途径，深入了解不同代谢途径之间的互作关系；(3)多种组学的联合分析，包括转录组、蛋白质组、代谢组、表观基因组以及单细胞转录组等，能构建生物系统的综合视角，对胁迫机制的认知提供更高层次的理解；(4)热敏蛋白的生物合成是否和碳代谢相关以及相关性的强弱，依然缺乏实验验证；(5)当前关于己糖的研究多是集中在葡萄糖和果糖方面，而T6P、TOR、SnRK和bZIP信号网络在植物抗逆过程中如何发挥核心作用以及它们的分子功能和调控机制仍不清楚。因此，需要在以上几个领域开展更多的工作，将有助于我们了解植物糖代谢调节对高温和干旱的信号级联。