杜氏盐藻应对低渗胁迫的研究进展

彭秀晓，邓占霞，邹书娅

（1.西南民族大学 青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.西南民族大学 畜牧兽医学院，四川 成都 610041）

由于受到干旱、光照、高温和盐碱地等环境影响，陆生植物和藻类植物的生长可能面临大量的非生物胁迫[1]，目前，盐度胁迫是抑制陆生植物和藻类生长和繁殖的主要限制因素之一。人们已经非常深入地研究了高等植物对盐度胁迫的反应机制[2]，然而在藻类上面的研究比较少。

杜氏盐藻是最耐盐的光合单细胞真核生物之一，于1838年在地中海海岸被发现，它能够适应0.05～5.5 M氯化钠浓度的环境[3]。因此，杜氏盐藻被人们广泛应用于耐盐性的研究。杜氏盐藻的细胞有一个很明显的特征就是没有刚性的细胞壁，并且被一层具有弹性的膜包围，使细胞的形状和体积能够迅速变化，正是这一特点，它可以很好地适应周围环境盐度的变化[4]。近年来人们对于杜氏盐藻的耐盐性研究主要集中在杜氏盐藻在高盐胁迫下的响应机制，而对于低渗胁迫下杜氏盐藻细胞应激反应机制的研究比较少，所以本文综述了近年来人们对杜氏盐藻响应低渗胁迫机制的研究，也为植物抗逆性的研究特别是应对渗透胁迫的机制研究提供思路，有利于改善农作物在低渗土壤中的生长情况。

1 杜氏盐藻在低渗胁迫下的生理机制研究

1.1 细胞形态变化

杜氏盐藻在应对渗透胁迫时细胞形态结构会发生明显变化。这种变化主要经历3个阶段。

第一个阶段是瞬时变化。就是杜氏盐藻在受到渗透胁迫后几秒到五分钟之内，细胞的体积和表面积会发生明显变化。并且在不同渗透胁迫下会表现出完全不一样的瞬时变化。Thompson等人[5]将杜氏盐藻从正常的1.71 M NaCl生长培养基迅速稀释到浓度为0.86 M NaCl的培养基中，2～4 min内细胞的体积就迅速膨胀扩大到平均体积的1.76倍，稀释几乎导致细胞立即从典型的椭圆形膨胀为球体，细胞表面积也比正常细胞扩大了1.53倍。

第二阶段是短期反应，通常是杜氏盐藻在受到渗透胁迫后2～3 h细胞内产生甘油开始调节细胞内外的渗透压以维持平衡的过程，细胞形态逐渐恢复到开始的状态。

第三个阶段是长期效应。指的是在12～24 h内进行的渗透反应，主要涉及一些渗透胁迫相关基因表达和蛋白合成等。

杜氏盐藻在受到低盐渗透胁迫后，细胞先是迅速增大而后在数小时内逐渐恢复原来的大小，而在受到高盐渗透胁迫后，细胞立刻缩小而在数小时后逐渐恢复到原来的体积。杜氏盐藻可能存在一种特殊的膜转换系统，能够很好调节细胞体积的增大和缩小，以适应渗透胁迫，防止细胞破碎或死亡。

1.2 甘油代谢

环境中盐浓度的变化会引起杜氏盐藻细胞内外渗透压的变化，为了维持渗透平衡，杜氏盐藻通过甘油代谢途径调节细胞内甘油的含量来适应细胞内外渗透压的变化[6]。低渗胁迫条件下，甘油含量迅速降低，反应趋向于甘油的分解；高渗胁迫条件下，甘油含量迅速增加，反应趋向于甘油的合成。

黄益群等人[7]将杜氏盐藻从3 mol/L的NaCl培养液生长环境转移到1 mol/L的NaCl培养液中进行低渗胁迫处理，细胞中甘油含量逐渐下降，由开始的3.6 mol/L减少到1.5 mol/L；将杜氏盐藻从1.5 mol/L的NaCl培养液中转移到3.5 mol/L的NaCl培养液中进行高渗处理，细胞内甘油含量从2.2 mol/L增加到4.2 mol/L。周丽等人[8]的实验也证明在一定范围内，杜氏盐藻细胞内甘油的含量与胁迫渗透剂NaCl的浓度呈正相关。

在甘油代谢调节过程中，3-磷酸甘油磷酸酶和二羟丙酮还原酶可能是直接参与甘油合成和转化的关键酶[8]。杜氏盐藻在低渗胁迫下短期响应阶段，3-磷酸甘油磷酸酶迅速失去活性，二羟丙酮还原酶催化甘油转化为二羟丙酮（逆反应）的活性增加，而催化甘油合成的活性降低（正反应），进而降低细胞内甘油含量，约1 h，细胞渗透压都会恢复到最初水平[7]。另外，杜氏盐藻胞内甘油含量迅速下降还可能与催化甘油转化的其他酶的活性或通过离子通道外运有关[9]。

3-磷酸甘油脱氢酶（glycerol-3-phosphate dehydrogenase，GPDH）也被认为是甘油代谢中的关键酶，Chen等[10]发现GPDH在盐藻中存在5种异构体，其中GPDH2在高盐中起作用，另外的4种GPDH异构体均在低盐中起作用。He等人[11]研究报道了一种嵌合的GPDH（DsGPDH）蛋白的结构具有磷酸丝氨酸磷酸酶样结构域可以融合到经典的甘油三磷酸（G3P）脱氢酶结构域当中，DsGPDH可以直接将二羟丙酮转化为甘油，而不需要经过甘油三磷酸途径。

另外，低渗胁迫也会引起杜氏盐藻甘油代谢过程中的能量变化。李红萍等人[6]发现低渗处理下的杜氏盐藻的呼吸效率提高60%以上，高渗处理则对呼吸效率没有明显影响，但是会通过影响光合作用大大刺激放氧速率。低渗调节过程中，细胞内甘油转化为淀粉进行储存，合成反应，需要消耗大量能量，所需要的能量主要由正常呼吸链和交替氧化酶途径同时介入；但是在高渗调节过程中，细胞内的淀粉降解形成甘油，是一个分解过程，释放大量能量，因此，从呼吸链需要的能量很少。光照下甘油合成的ATP、NADPH主要由光合电子传递链提供，黑暗中甘油合成的能量则由正常呼吸链提供。

综上所述，杜氏盐藻应对渗透胁迫的甘油代谢存在一个复杂的调控机制，各个部分具体是怎样关联和影响的还有待进一步探究。

1.3 光合作用

植物生命活动都离不开能量，许多的生化反应所需要的能量都由植物的光合作用产生提供。

为了研究低渗胁迫对杜氏盐藻光合反应状态的影响，LIU等人[12]发现，将杜氏盐藻从1.5 mol/L的NaCl培养液突然转移到0.5 mol/L的NaCl培养液中，使杜氏盐藻受到低渗胁迫，20 min后对杜氏盐藻各项指标进行测定，杜氏盐藻的光合速率下降，氧的释放效率比对照降低了28%，但是呼吸速率增加了18%而且细胞内ATP含量大量增加，这与Bental等人[13]的观点一致。并且光捕获叶绿素结合蛋白（LHCP）磷酸化水平下降。FPSⅡ/FPSⅠ高于正常值表明低渗对PSⅡ的激发能更多。LHCP磷酸化水平下降并不是因为LHCP的降解，可能是由于已经磷酸化的LHCP去磷酸化。文韬等人[14]的实验也证实了这一点，LHCⅡ的组成是一类结构相似、进化相关、由核基因（lhcb）编码的蛋白与色素所形成的色素蛋白复合体家族（LHCB），在低渗胁迫下，lhcb3和叶绿素a加氧酶CAO基因的表达活性在短期应激表现出迅速降低的趋势，并且还发现，在低盐条件下，类囊体膜蛋白在前期磷酸化水平的降低与磷酸酯酶的活性的降低有关。

杜氏盐藻这种特有的光合反应在应对低渗胁迫时的自我调节方式可能不同于高等植物，光系统阶段的转化是如何变化的，LHCP磷酸化水平下降与LHCP去磷酸化或者磷酸酯酶活性的降低又是否有直接关系，这些问题在生物进化的研究中都有重要意义。

1.4 氧化还原反应

郭金耀等人[15]发现在适当的盐度（60～90）g/L生长条件下，杜氏盐藻过氧化物酶的活性很低，但是在低盐（30～60）g/L或者高盐（90～150）g/L生长环境中，杜氏盐藻过氧化物酶的活性显著增加。并且，在盐藻过氧化氢酶的活性与NaCl质量浓度分别具有负相关性和正相关性。

CHEN等人[16]提出，盐度变化引起的渗透胁迫会对盐藻细胞质膜上的氧化还原系统造成影响。低盐造成的低渗胁迫会增加盐藻细胞质膜上细胞呼吸速率，促进H+的排出，这与质膜上ATP合酶有关，低渗胁迫会迅速抑制质膜上的氧化还原系统的活性，但是一段时间后，氧化还原活性慢慢恢复到正常水平。杜氏盐藻自身氧化还原调控机制在起作用，同时，在低渗胁迫下的短期响应还表现在H+转运出细胞的速率迅速提高409.7%，这与质膜上氧化还原系统被抑制息息相关。

1.5 信号转导系统

植物为应对外界环境改变有一套复杂的信号转导系统，包括感知外界环境各种刺激（低渗、高盐、高温、强光等），然后将这些信号转化为不同的生物信号，进而将信号在细胞内逐渐扩大，最后反应到植物的生理生化过程的变化上。

在低盐环境下，低盐所导致的低渗胁迫，对杜氏盐藻来说是一种非生物胁迫，低渗胁迫信号的信号传导机制很有意思，它不同于高渗胁迫，高渗胁迫细胞蛋白质磷酸化程度低于正常细胞。但是在低渗胁迫时，它很可能通过蛋白磷酸化的方式将信号逐级放大传递[17]。正常情况下，Ca2+是细胞内蛋白磷酸化所必须的物质，但是增加Ca2+浓度可以增加低渗胁迫下的24kD蛋白磷酸化程度，降低胞质中Ca2+浓度，低渗胁迫下24kD蛋白磷酸化强度也表现出很高。所以，信号传递的主要途径可能就是外界刺激导致Ca2+的跨膜内流。蛋白质的磷酸化和去磷酸化可能参与了盐藻细胞的渗透调节，而低渗胁迫所诱导的蛋白磷酸化则可能与Ca2+依赖的信号转导过程有关。细胞膜上由于膜流动性牵张导致的Ca2+通道打开，从胞外吸收Ca2+是渗透胁迫信号传导所必须的[18]。

4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）是一种分布在质膜内测的肌醇磷脂，占膜脂的极小部分。它是在磷脂酰肌醇（PI）激酶和4-磷酸磷脂酰肌醇（PIP）激酶先后催化下，使PI和PIP磷酸化而形成的。PIP2在磷脂酶（PLC）的催化作用下，水解形成三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。Einspahr等人[19]发现盐藻在低渗胁迫下，PIP2和PIP快速分解，形成大量的IP3和DAG，IP3导致细胞质中的Ca2+浓度迅速上升，作为第二信使的Ca2+将信号继续传递扩大。

2 结束语

在低渗胁迫下，杜氏盐藻细胞迅速变大，一段时间后逐渐恢复到原来的大小。细胞内甘油含量降低，呼吸效率提高，杜氏盐藻应对渗透胁迫的甘油代谢存在一个复杂的调控机制，但是各个部分具体是怎样关联和影响的还不是非常清楚。杜氏盐藻光合反应在低渗胁迫时特有的应对方式跟高等植物可能存在不同，另外，低渗时质膜上面氧化还原系统活性的变化以及信号转导系统是如何将外界环境的低渗信号转化为生物信号并且进一步反应到生理活动上的，这一复杂的过程是如何调控的，也有待进一步探索。

这些研究也可以为植物应对低渗胁迫反应的研究提供参考和理论支持，也可以为植物应对非生物胁迫反应提供思路，有利于改善一些农作物在恶劣环境中特别是在低渗土壤环境下的生存能力。