环境胁迫下γ-氨基丁酸对植物生长调控的研究进展

李 颖， 鱼小军， 李 珍， 魏孔涛， 童永尚

(甘肃农业大学草业学院， 草业生态系统教育部重点实验室， 中-美草地畜牧业可持续发展研究中心， 甘肃省草业实验室， 甘肃 兰州 730070)

γ-氨基丁酸(GABA)，一种四碳非蛋白氨基酸类物质，以自由态形式存在于各种生物中[1]，Steward等[2]于1949年的研究报告中提出GABA存在于马铃薯(Solanumtuberosum)块茎中。之后诸多学者针对GABA在动物和植物体中发挥的作用展开研究，研究证实GABA在动物体内是脊椎动物抑制性神经递质，而在植物中是一种对植物生长发育有重要影响的信号物质，可作为未来新型植物生长调节剂[3-5]。此外，诸多研究表明GABA在增强植物抗逆性方面有重要作用[4,6]，可通过参与信号传递，调节植物体抗氧化系统稳定，保护光合器官以及维持植物碳氮平衡等方式参与逆境胁迫响应，促进植物生长发育[4]。

GABA的产生主要有2种途径，一是通过三羧酸循环的一个支路(GABA支路)进行，正常环境条件下，植物体内GABA含量极少，当植物遭受长时间的环境胁迫时，会导致植物发生代谢功能障碍、膜损伤和细胞成分降解，并发生胞质酸化[7]，此过程使得细胞内Ca2+升高，继而激活谷氨酸脱羧酶(Glutamate decarboxylase,GAD)，L-谷氨酸在GAD的催化作用下生成GABA，使得GABA含量大量提升，GABA能够被存在于胞质或线粒体中的γ-氨基丁酸转氨酶(γ-aminobutyric acid transaminase,GABA-T)催化形成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸再在琥珀酸半醛脱氢酶作用下氧化为琥珀酸，最后进入三羧酸(TCA)循环[8]。二是多胺降解途径，植物体内的腐胺(Putrescine,Put)、精胺(Spermine，Spm)和亚精胺(Spermidine,Spd)在多胺氧化酶(Polyamine oxidases. PAO)和二胺氧化酶(Diamine oxidase,DAO)作用下生成4-氨基丁醛、4-(3-氨丙基)-氨基丁醛，脱水后在吡咯啉脱氢酶的催化作用下转化为GABA[9-10]。这两种生成GABA的方式使其大量积累，保护胁迫下的植物免受伤害，同时在碳、氮和能量来源中起重要作用[11]。

目前，GABA对植物生长发育[4]，GABA产生途径方式[12]和农业生产中作用[13]的综述较多，未见环境胁迫下GABA调控种子萌发和植物生长发育过程的总结，本研究综合论述了GABA对于种子萌发、抗氧化作用、光合作用、氮代谢过程、GABA代谢和多胺代谢过程的调控作用，为读者集中了解GABA在缓解环境胁迫中的作用提供理论参考。

1 GABA对植物种子萌发的影响

种子萌发作为植物生命活动的重要过渡时期，容易受环境胁迫的影响，如在盐[14]、低温[15]、铝[16]等胁迫情况下，种子的出苗率和幼苗长势都会受到负面影响，表现为出苗不齐、出苗率低、苗长势弱或胚根和胚芽发育不全等，进而使得植物正常生长受到阻碍。因此，植物如何成功度过这一时期显得尤为关键。近年来，通过施加外源物质缓解植物受到环境胁迫的研究已成为热点，相关研究表明GABA对植物种子萌发期的调控有重要作用[17]，GABA的主要施加方式为发芽前浸种处理，诸多研究试验结果表明通过GABA浸种的方式可提高种子发芽率，加快发芽速度，增加贮藏物质转化率值，促进胚根和胚芽伸长，增加植物早期幼苗鲜干重[18-19]。GABA对于种子萌发的影响大多具有“浓度效应”，表现为低浓度促进发芽，高浓度抑制的趋势，不同物种对于GABA的最佳响应浓度各不相同，但在环境胁迫下均能产生一定的积极作用。盐胁迫下，GABA浸种后种子贮藏物质转化率增加，有效缓解由胁迫引起的种子发育较差的情况，通过提高种子活力，促进胚根发育，增加早期幼苗胚根长度[18]。低温下，GABA浸种通过加快可溶性糖等贮藏物质的代谢，为种子萌发提供能量物质，从而有效缓解环境胁迫，增强植物种子抗性[20]。淀粉酶是种子萌发过程中将淀粉转化为小分子营养物质的重要酶类，这一过程可为种子萌发提供能量[21]，当植物遭受环境胁迫时，淀粉分解代谢受到抑制，会严重影响种子萌发。GABA浸种后，淀粉酶(α-淀粉酶和β-淀粉酶)活性显著增强，从而加快了淀粉分解代谢速率，可为种子萌发提供更多的碳水化合物，相比于未经过GABA浸种的种子能够更快萌发，发芽率和种子活力也相应提高[22]。综合来看，GABA调控植物种子萌发的主要策略为GABA提前浸种后，当种子遭受环境胁迫时，通过增强淀粉酶活性，加快可溶性糖等营养物质生成，提供能量加速种子萌发，提高种子活力，为后期幼苗的生长奠定基础。同样的调控方式在Al胁迫下白三叶(Trifoliumrepens)种子萌发[23]和盐碱胁迫下甜瓜(Cucumismelo)种子的萌发[24]中也有证实。

2 GABA对植物形态建成的调控作用

植物遭受环境胁迫的一个重要表现是生长缓慢，导致地上和地下植物株高下降、茎粗减少、鲜重和干重降低[21]，若长期处于不良环境中，将严重抑制幼苗的正常生长发育，甚至发生死亡的现象，阻碍幼苗的建成[25]。环境胁迫下适度的GABA喷施处理对植物的株高，根系发育，生物量等各种生长指标均有一定的恢复作用。比如，干旱条件下，GABA喷施缓解了甜瓜幼苗叶片与根系的生长抑制，提高了叶绿素含量、叶面积比及各项生长指标，从而促进幼苗叶片的伸展和根系的发育[26]；盐胁迫下，0.5 mmol·L-1的GABA可促进根系根毛的产生，从而增加根长，根表面积和根体积，促进根系发育[27]；高温胁迫下，施用GABA后可促进茎叶生长，增加根长[28]。GABA在调控环境胁迫下植物形态方面对各个器官和组织的生长发育都发挥重要作用。目前对于幼苗期GABA的施用方式主要为叶片喷施或根系灌施，GABA之所以能够缓解逆境下植物的形态变化，是因为GABA是一种极易被根系吸收的氨基酸态氮源，它参与硝酸盐吸收过程，施加适量浓度的GABA后可促进植物体硝酸盐的吸收，刺激根系伸长[29]，之后GABA被根系吸收后转移至叶片，有效促进植物多胺合成[30]，缓解环境胁迫。

3 GABA对植物抗氧化作用的调控

4 GABA对植物光合作用的调控

非生物胁迫通过破坏光合作用的主要成分(如类囊体膜和叶绿素)影响光合作用[37]，导致光合系统遭受破坏，光合速率降低[38]，植物叶片光合电子传递受阻，光合色素将光能转化成化学能的速率降低，耗能增加[39]，最终对植物的生长产生影响。有研究表明GABA能够通过减少叶绿体内羟自由基含量，稳定和保护叶绿体的类囊体，使得细胞避免遭受低温伤害。另外，GABA也能起到清除细胞体外过量羟自由基的作用，同等条件下，其清除作用要强于脯氨酸和甜菜碱[40]。在王馨等[41]对西伯利亚白刺(Nitrariasibirica)研究试验中发现，喷施适量的GABA可以提高NaCl胁迫下植物的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)，降低胞间CO2浓度(Ci)，此结果也说明了适量外源GABA可通过降低NaCl胁迫下叶肉细胞光合活性的下降速度，使得西伯利亚白刺的光合效率与未施用GABA处理相比得到显著提升[18]。在高温胁迫下对水稻(Oryzasativa)幼苗进行外源GABA施加后发现GABA会缓解高温胁迫对幼苗光合特性的损伤，减少逆境下叶绿素含量、最大光量子效率(Fv/Fm)的降低速率，从而减小了高温胁迫对光合作用的损害[28]。环境胁迫下使得植物体内分解叶绿素酶活性增强，叶绿素分解速率加快，最终导致叶绿素含量下降[42]。外源GABA的施用虽不能消除环境胁迫所导致的叶绿素含量下降，但可减缓叶绿素含量的下降速度，从而缓解不良环境对光合组织所造成的伤害，同样的研究在陈梓健[43]的研究中也有证实。因此，GABA预处理能够通过减轻光合色素分解，促进叶绿素合成，提高光合速率等方式减轻环境胁迫对于植物光合系统的损伤[44]，从而促进植物的生长。

5 GABA对植物氮代谢过程的调控

6 GABA对内源GABA代谢和多胺代谢过程的调控

GABA调控植物抗逆性与植物体内源GABA的大量积聚有关，环境胁迫下，GABA支路代谢和多胺代谢加快，有研究表明，逆境下GABA的积累量中有61%来自于GAD催化的谷氨酸降解途径，39%来自于多胺降解途径[55]。GAD是GABA支路代谢途径中最重要的酶，GAD的活性与GABA的产生量成正相关[56]，因此，GABA对于环境胁迫下植物的缓解效应可通过增加GAD活性，增加GABA含量以提高植物抗性。比如，在王春燕等[40]对甜瓜的研究中显示，甜瓜幼苗的生长受到低氧条件的极大限制，但通过喷施GABA后，使得GAD活性增加，催化谷氨酸形成GABA，从而缓解了低氧胁迫对于甜瓜的伤害。夏庆平等[44]在低氧胁迫下及李杰等[57]在干旱胁迫下的研究表明细胞GAD活性升高促进GABA的合成是植物应对胁迫条件的重要适应机制。同时，Morteza等[58]提出耐寒的关键是增强GABA分流途径的活性，通过提高GABA-T酶活性，可能会导致低温下消耗GABA，提供较高ATP，降低H2O2的积累，使植物避免其伤害。另外，也有学者认为GABA支路所生成的底物最终进入TCA循环，提供给植物NADH和琥珀酸盐，这一过程可为ATP的产生提供线粒体电子传递链，并在非生物胁迫下阻止H2O2的积累，保证TCA循环不间断进行，从而增强了植株抗性[59]。在GABA通过多胺代谢方式调控环境胁迫下植物生长发育时，外施GABA可通过促进多胺(PAs)中的Put,Spm和Spd的游离态转换为结合态与束缚态，使得3种形态的Spm和Spd积累，以诱导Put向Spm和Spd的方式来增强植物抗性，促进植物生长发育[60]。DAO和PAO是催化多胺降解的关键酶类，通过调节细胞内多胺水平和生成物浓度参与植物体对环境胁迫的反应，环境胁迫下DAO和PAO的活性受到显著抑制[61-62]，而GABA可以缓解这种抑制作用并通过调控多胺含量来影响植物发育。Hu等[63]报道Ca(NO3)2胁迫下，甜瓜植物体内多胺含量减少，外施GABA可通过提高PAs和GABA的生物合成以及防止PAs降解来提高甜瓜幼苗对Ca(NO3)2胁迫的耐受性。另外，外源GABA可以通过维持较高的PA水平和抑制PA降解来减少缺氧应激的损伤[64]，这些关于GABA调控多胺代谢的研究可反映GABA可能通过维持多胺含量参与植物生长发育过程。

7 结语和展望

综上所述，GABA对种子萌发的影响是通过浸种增强淀粉酶活性，增加贮藏物质转化率，从而提高种子萌发指标，促进种子早发、快发；GABA对植物幼苗生长的影响是通过GABA喷施的方式调节抗氧化系统，减少ROS生成速率，提高植物光合速率，保护光合组织免受伤害，调控谷氨酸降解和多胺降解过程，促进GABA含量增加，为TCA循环提供底物，缓解植物在逆境下的生长发育，最后增强植物抗逆性。

虽然现如今有大量研究在GABA对植物抗逆性进行了探究，但是GABA对低温下草类植物的研究较少，GABA的实际应用成功案例较少，只是在室内试验中研究了GABA这种物质，没有将其与农业生产有效联系等问题。未来的研究方向可以从以下几个方面着手：(1) 以高寒草甸优势草种为目标展开探究GABA对高寒草甸地区草种的调控作用，这对高寒草甸地区草地的补播和缓解家畜矛盾有重要价值；(2) GABA是一种信号物质，但是信号通路的运作方式亟待研究；(3) GABA的大田应用方式，施用时间和成本效益需要进一步的实践探索；(4)将GABA与农业生产进行联系，研发一种新型GABA增效复合肥，在农业生产中实现减肥增效的作用。

我们希望未来的研究能够对GABA的分子调控机理和农业生产应用给与更深更实际的研究，这将进一步理解GABA在植物抗逆性中的作用机理，为丰富GABA应用于实际生产，更有效地提高植物抗逆性提供科学依据。