褪黑素在植物抵御逆境胁迫过程中的作用

王春林,王风琴

(1.陇东学院农林科技学院,甘肃庆阳 745000;2.陇东学院生命科学与技术学院,甘肃庆阳 745000)

生长在自然界中的植物,经常会受到物理、辐射性、化学、温度及水分等非生物胁迫和病虫害及杂草等生物胁迫的影响,逆境条件下,植物体内活性氧生成量增加,而清除能力降低,使细胞内活性氧累积且超过伤害阈值,引起膜脂过氧化加剧及叶绿素和核酸等生物功能分子破坏,导致细胞膜结构完整性破坏,选择透性丧失,电解质及某些小分子有机物大量渗漏,细胞质的交换平衡被破坏,引起一系列生理生化代谢紊乱,短时间胁迫解除后,植物可继续生长,长时间胁迫可引起植物死亡。因此,研究外源物质在植物抗逆生理方面的作用,对农业生产具有重要的意义。

褪黑素,化学名称为N-乙酰基-5-甲氧基色胺,是色氨酸的吲哚衍生物,1958年科学家从牛的松果体中首次发现,因其能使蝌蚪皮肤由黑色变成浅白而命名为褪黑素[1]。经过30多年研究,科学家陆续从其他动物、植物和细菌中发现了褪黑素。在高等植物许多器官中都含有褪黑素,其含量因植物种类和器官不同而异,一般情况下,种子>叶>根>花>果实[2]。褪黑素与植物激素吲哚乙酸(IAA)有相同的前体物质和相似的化学结构,二者也有部分相同的生理功能。研究表明,褪黑素作为植物生长调节剂,具有促进种子萌发[3],调控植物生长发育[4],调控果实生长发育、促进采后果实成熟和延缓果实衰老等作用[5],尤其参与植物对逆境响应的调节,能够提高植物对非生物胁迫的抗性。近年来,褪黑素在作物抗逆性方面研究成为一个热点,人们对褪黑素在粮食作物、经济作物、蔬菜、牧草、花卉等从抗旱性、抗盐碱性、抗冷性、抗重金属方面做了大量研究。笔者就褪黑素在植物抗逆过程中生理生化方面的影响进行综述,以期为该领域研究提供相关信息。

1 褪黑素与植物抗旱性

100 μmol/L褪黑素可提高干旱胁迫下棉花种子发芽能力[6];褪黑素可明显改善PEG处理模拟干旱胁迫下小麦种子的发芽状况,以300 μmol/L为有效浓度[7],说明褪黑素在缓解干旱胁迫对种子萌发的影响存在剂量效应,其有效浓度因作物种类而异。马旭辉等[8]研究表明,施加褪黑素显著提高玉米幼苗根长、根表面积、根体积和侧根数目等根系参数。王贞升[9]研究了不同浓度的褪黑素对干旱胁迫下青绿薹草幼苗根系形态结构的影响,结果表明,根施100 μmol/L褪黑素20 d时可显著缓解干旱对根系结构的影响,且根系解剖指标最优、结构完整、染色体较为清晰。褪黑素可以缓解水分亏缺对春小麦叶片造成的伤害,维持了较高的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量,缓解了干旱胁迫下光合能力的下降,主要通过提高叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度来实现[10]。张明聪等[11]在大豆试验中也得到了相似的结果。赵成凤等[12]进一步研究发现,褪黑素提高干旱胁迫下玉米叶片光合速率,主要是通过提高2个光系统量子产额,并降低叶片光系统I的非光化学能量耗散的量子产额。干旱胁迫下褪黑素对大豆鼓粒期叶片碳氮代谢调控的途径分析表明,褪黑素通过调节氨基酸代谢和淀粉蔗糖代谢途径,促进干旱胁迫下β-葡萄糖苷酶基因表达,提高了 L-天冬酰胺和6-磷酸葡萄糖代谢物的含量,最终提高了大豆的抗旱性[13]。

2 褪黑素与植物抗盐碱性

土壤盐碱化是制约农业生产和生态环境恶化的全球性问题。盐碱混合胁迫下,作物面临着高pH、渗透胁迫和营养失衡等多重伤害[14]。外源施用褪黑素可有效缓解盐碱对植物造成的伤害,提升作物抗盐碱能力。左月桃等[15]研究发现,200 μmol/L褪黑素可显著缓解盐碱胁迫下小黑麦种子萌发滞缓现象,增加地上部分和地下部分生物量,增加叶片和根系保护酶和抗氧化活性,通过提高小黑麦抗氧化系统的运行效率[主要提高抗坏血酸(AsA)/脱氢抗坏血酸(DHA)和还原性谷胱甘肽(GSH)/氧化性谷胱甘肽(GSSG)比值]和抗氧化能力提高其抗盐碱能力。褪黑素也可以通过减少高硝酸盐引起黄瓜幼苗体内硝态氮和铵态氮的积累,提高硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶、谷氨酸脱氢酶等与氮代谢相关酶的活性,促进黄瓜叶片氮同化,提高氮代谢[16]。硝酸盐胁迫下,100 μmol/L褪黑素处理亦可提高番茄幼苗叶片中脯氨酸、游离氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖等渗透调节物质含量,有效缓解硝酸盐对细胞质膜的伤害,从而增强植株的抗盐碱性[17]。

叶片解剖结构方面,有研究发现外源褪黑素可以增加盐碱胁迫下越橘叶片、上、下表皮、栅栏组织和海绵组织厚度,比盐碱胁迫下依次增加34.81%、34.11%、92.48%、35.11%、30.74%,表明改变叶片结构,增强越橘对盐碱环境的适应性,以200 μmol/L为最佳浓度[18]。

光合作用方面,褪黑素处理可有效缓解盐碱胁迫引起越橘叶片光合色素含量的降低,200 μmol/L褪黑素处理可使越橘叶片光合色素含量恢复无盐碱胁迫水平,提高了叶片净光合速率(Pn)[18],范海霞等[19]在研究褪黑素对盐胁迫金盏菊的光合及生理特性的影响中得到了相似的结论。对黄瓜和越橘的研究显示,褪黑素可提高叶片Fv/Fm和Fv/Fo,维持叶片内在光能的转化和利用过程,维持PSⅡ光化学活性,提高光能转化率[16,18]。褪黑素虽然能够缓解盐碱胁迫对植物光合能力的下降,但是不能使其恢复到正常的水平。

3 褪黑素与植物抗冷性

温度是影响植物生长发育的最主要因素[20],高于或者低于植物生长的最适温度都会使植物的生长和发育过程受到障碍。大量研究表明,褪黑素可以减轻低温对于作物造成的伤害。李贺[21]在研究褪黑素对大豆苗期低温胁迫抗性调控中发现,褪黑素处理可促进大豆苗期的生长发育,增强幼苗抗冷性的同时,通过提高抗氧化系统酶活性和渗透调节物质含量,正向调控抗氧化系统和渗透调节系统,使植物细胞在低温胁迫下维持正常的功能,保证光合作用的正常进行,促进大豆幼苗正常生长和干物质的积累。李欠敏等[22]、唐鸿吕等[23]在研究褪黑素对低温胁迫下大白菜幼苗、甘蓝幼苗生长及生理特性上也得到了类似的结论。

在信号转导和调节内源激素水平方面,在大豆抗冷性上研究表明,褪黑素处理提高了信号物质NO、Ca2+含量,增强NO、Ca2+信号转导,诱导一些与抗低温相关基因的表达,提高大豆幼苗的抗冷性[21]。植物激素在低温胁迫应答中具有重要作用,褪黑激素显著上调了水杨酸(SA),乙烯(ETH)和茉莉酸(JA)信号转导的基因,促进内源激素 SA、JA、IAA 水平升高,促进幼苗生长发育,同时降低了脱落酸(ABA)、乙烯(ETH)和赤霉素(GA)水平[21]。对褪黑素处理抑制低温胁迫下内源ABA和ETH含量的增加,Fu等[24]在不同冷敏感黑麦草上,Nicols等[25]在羽扇豆中得到了相似的结果,但对于外源褪黑素对低温条件下植物体内GA含量的变化,Li等[26]在西瓜的耐冷性研究中却有相反的结果。对于褪黑素诱导植物耐冷性过程中内源GA到底升高还是降低,还需进一步研究。

褪黑素可以通过维持逆境条件下植物一定的生物节律性来增强植物对逆境胁迫的适应性。赵毅[27]研究了在低温条件下,褪黑素对模式植物拟南芥生物钟基因和抗氧化基因的节律性表达模式的影响,发现10 μmol/L的褪黑素可以通过改善细胞内的氧化还原稳态,进而与过氧化还原蛋白A(Prx-A)基因协同维持或重建关键生物钟基因CCA1、TOC1和抗氧化酶基因CAT2的节律性表型;在生理水平上,褪黑素通过诱导抗氧化酶的活性,协调生长和抗逆反应之间的能量分配来提高拟南芥的低温耐受性。

研究表明,褪黑素可以通过调节光合效率提高番茄对低温抗性,外源褪黑素处理显著提高光合气体交换速率、光系统活性和电子传递;也可以诱导与光合作用和叶绿体质量相关的基因和蛋白表达,包括423个基因、77个蛋白质上调表达,115个基因、49个蛋白质下调表达。通过研究获得番茄褪黑素分解酶基因M3H的过表达T1代材料发现,其Fv/Fm和Pm在常温和低温下均显著低于褪黑素处理的材料,且光合色素含量显著降低表明过表达M3H降低了番茄光化学反应效率[28]。

4 褪黑素与植物抗重金属性

土壤中重金属污染可影响植物正常生长发育,并且可以通过食物链进入人体,危害人体健康。近年来,关于褪黑素提高植物抗重金属能力已有众多报道,研究表明,褪黑素不但可以缓解小白菜[29]、水稻[30]、豌豆幼苗[31]、葡萄扦插苗[32]、紫苏[33]、大头菜[34]、番茄[35]、黑麦草[36]、豆瓣菜[37]对重金属镉(Cd)的胁迫,还可以提高狗牙根[38]、莜麦[39]对重金属铅(Pb),油菜对重金属铝(Al)[40],西瓜对重金属钒(V)[41]的耐性。

大量研究结果表明,褪黑素可以提高重金属胁迫下种子的发芽率,增加植物地上部和根系的生物量,增加光合色素含量[30,40,42]。褪黑素处理可以通过提高植物叶片抗氧化保护酶系活性,增加抗氧化物质含量来减少膜脂过氧化程度,同时提高脯氨酸、可溶性蛋白等渗透调节物质含量来提高对重金属的耐受性。在Pb胁迫下,褪黑素处理后增加了狗牙根幼苗二醛酶系统(GlyI 和 GlyII)的活性,从而减少甲基乙二醛积累造成的毒害[38]。贺瑾瑾[39]研究发现,镉、铅胁迫下外施褪黑素后,莜麦幼苗叶片中的脂质过氧化物酶基因LOX表达量却开始下调,但POX的基因表达量、促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联反应中的基因、转录因子NAC和WRKY1得到显著上调,表明在镉、铅胁迫下莜麦幼苗的MAPK会介导H2O2信号转导通路,提高抗氧化酶活性,同时调控与重金属胁迫相关的基因的表达缓解莜麦幼苗生长过程中的重金属形成的不利环境。

关于褪黑素对重金属积累和运转方面,研究表明,200 μmol/L褪黑素浸种能够显著降低豌豆幼苗对镉的吸收[31],小白菜叶片喷施褪黑素可影响其Cd吸收和转运相关基因的转录来降低对小白菜Cd的积累[29],姚欢等[34]在褪黑素对大头菜幼苗生长及镉积累的影响研究中也得到了同样的结果。但Md Kamrul Hasan[35]研究发现,褪黑素可显著降低镉胁迫下番茄叶片Cd含量,但对根系Cd含量没有影响,而王均等[32]研究发现,褪黑素浸枝虽可促进葡萄的生长,但也造成镉的积累,因此,关于褪黑素对植物体内重金属积累和运转的影响因植物种类和器官而异。有研究表明,褪黑素可以通过改变紫苏根系形态和解剖结构,比如根系长度变长,中柱变细,皮层占比增加,同时通过增加锌和铁元素吸收,降低紫苏根系对镉的吸收以及向地上部位的转运[33]。也有研究表明,褪黑素可改变油菜Cd和Al的积累部位,增强了细胞壁和可溶性部分 Cd 和 Al 的含量,减少了液泡和细胞器部分的含量[40]。但在番茄上研究发现,褪黑素增加了细胞壁、液泡中的Cd含量,将Cd局限在液泡中以对抗Cd对植物的伤害[35]。

5 展望

褪黑素作为植物新的生长调节物质,近年来已成为研究热点。目前发现其在非生物胁迫过程中起着调节细胞渗透势、保护细胞膜、清除活性氧自由基等作用,作为信号分子诱导非生物胁迫应答基因来提高植物抗逆性。褪黑素在植物逆境胁迫方面的研究取得了较多进展,但对于褪黑素提高非生物胁迫抗性的作用机制和相关的信号通路之间的关系还有待进一步探索。在今后的研究中,一方面,可应用现有的研究结果,通过转基因技术,选育高褪黑素含量的作物品种,以提高植物的抗逆性;另一方面,可将实验室研究与实践生产有效结合起来,以期尽快在生产中应用,将科学研究转化为现实生产力。