（植物学专业论文）亚精胺对水鳖、凤眼莲在铅、汞毒害下的缓解机理研究.pdf

摘要 摘要 重金属污染环境的问题日益严重，尤其是人类在农业生产中大量使用杀虫剂和任 意排放未经过处理的工业废水，以及矿业的发展，导致水体污染的问题尤为严重。重 金属毒害导致植物氧化伤害、代谢紊乱、乃至死亡，并且能通过食物链危害人类身体 健康。因此，植物对重金属毒害的抗性机理以及提高植物抗重金属胁迫能力的探索研 究越来越引起人们的关注。虽然铅( p b 2 + ) 、汞( h 9 2 + ) 胁迫下植物的抗氧化反应已经有了 一些报道，但很少有关于多胺( p h s ) 代谢在植物受到重金属胁迫后变化的报道。 多胺( p a s ) 是植物体内的抗氧化物质，与植物的耐胁迫能力有密切关系。本文 以分布广泛的浮水植物水鳖、挺水植物风眼莲为研究对象，以两种常见的污 染环境的重金属离子i p b 2 + 、h 9 2 + 为胁迫因子。将植物培养在人工模拟的分别含有这 两种典型重金属的营养液中，系统研究了水生植物抗重金属胁迫机理以及外源亚精胺 ( s p d ) 对水生植物重金属胁迫的缓解效应和机理。研究结果表明： ( 1 ) 不同p b 2 + 浓度( 0 、l o 、2 0 、3 0 、5 0m g l - ) 胁迫下，水鳖叶片总叶绿素、叶 绿素a b 值、可溶性蛋白含量和c a t 活性逐渐下降；s o d 、p o d 、a p x 、g r 活性、抗坏血 酸( a s h ) 和谷胱甘肽( g s h ) 含量先升后降：0 2 产生速率、h 。0 2 、丙二醛( m d a ) 和可溶性 糖含量呈上升趋势；不连续聚丙烯酰胺凝胶电泳( s d s p a g e ) 显示，p b 2 + 处理后，分子 量为1 6 3k d a 、5 5 0k d a 的多肽含量减少，高浓度处理下分子量为2 3 1k d a 、7 5 8k d a 、 9 4 0k d a 的多肽条带消失；电镜观察发现，p b 2 + 对水鳖叶片细胞的叶绿体、线粒体和 细胞核造成严重损伤。p b 2 + 破坏了水鳖正常代谢所需的生理和结构基础，打乱了代谢 平衡，最终导致植物的衰亡。 ( 2 ) 本实验研究了外源s p d 对h 9 2 + 胁迫下风眼莲叶片内各生理指标的影响。结果表 明：随着h 9 2 + 浓度的上升，风眼莲叶片内叶绿素、可溶性蛋白含量、s o d 、p o d 、c a t 、 a p x 、g r 活性、0 2 。一产生速率、a s a 、g s h 含量均呈先升后降的趋势，说明植物体对重金 属在一定浓度范围内有应激反应，各指标对重金属的抵抗有自己的阈值；h 。0 ：、m d a 、 可溶性糖含量均随h 9 2 + 浓度逐渐升高；与单- - h 9 2 + 毒害相比，外源亚精胺( 0 1m m ) 的 施用显著提高了风眼莲叶片内叶绿素、可溶性蛋白含量、s o d 、p o d 、c a t 、a p x 、g r 活性、可溶性糖、a s a 、g s k i 含量；降低了0 2 一产生速率、h 2 0 。、m d a 含量。这些结果表 明外源s p d 减缓了凤眼莲叶片内由于h 9 2 + 胁迫引起的抗氧化系统代谢过程的紊乱： ( 3 ) 本实验研究了外源s p d 对h 9 2 + 胁迫下风眼莲叶片内精氨酸脱酸酶( a d c ) 、鸟氨酸 脱羧酶( o d c ) 、多胺氧化酶( p a o ) 活性以及多胺( p a s ) 含量、脯氨酸( p r o ) 含量的 影响。结果表明，随着h 9 2 + 浓度的上升，风眼莲叶片内游离态腐胺( p u t ) 含量上升， 游离态亚精胺( s p d ) 和精胺( s p m ) 含量以及游离态( s p d + s p m ) p u t 比值下降。同 i 摘要 时h 9 2 + 胁迫还扰乱了多胺代谢酶a d c 、o d c 和p a o 的活性，引起了脯氨酸( p r o ) 含量 的变化。与单一h 9 2 + 毒害相比，外源亚精胺( o 1i n m ) 的施用显著降低了风眼莲叶片 内游离态p u t 的积累，提高了游离态s p d 和游离态s p m 以及游离态( s p d + s p m ) p u t 的 比值。同时，外源s p d 增强t a d c 、o d c 、p a o 活性，提高j p r o 含量。高氯酸可溶性 结合态多胺( p s p a s ) 和高氯酸不溶性结合态多胺( p i s - p a s ) 的变化趋势和游离态 多胺的变化趋势相同。这些结果表明外源s p d 减缓了凤眼莲叶片内由于h 9 2 + 胁迫引起的 多胺代谢的紊乱。 关键词：水鳖，凤眼莲，p b 2 + ，h 9 2 + ，亚精胺 a b s t r a c t e f f e c t o fe x o g e n o u ss p e r m i d i n eo l l p h y s i o l o g i c a lm e t a b o l i s mi n h y d r o c h a r i sd u b i aa n de i c h h o r n i ac r a s s i p e su n d e rp ba n dh gs t r e s s a b s t r a c t h e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o no fw a t e rb o d i e sh a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e md u et ot h e d i s c h a r g eo fu n t r e a t e di n d u s t r i a lw a s t e s ，a b u s eo fp e s t i c i d ea n db a df a r m i n gp r a c t i c e s h e a v ym e t a l sc a nl e a dt op e r t u r b a t i o n si nv a r i o u sm e t a b o l i cr e a c t i o n sa n dc a nc a u s e s e r i o u sh e a l t hh a z a r d st oa n i m a l sa n dh u m a n st h r o u g h 也ef o o dc h a i n t h e r e f o r e m u c h a t t e n t i o nh a sb e e nd e v o t e dt ot h es t u d i e so nt h em e c h a n i s m so fh e a v ym e t a lt o l e r a n c ei n p l a n t sa n dh o wt oi m p r o v eh e a v ym e t a lt o l e r a n c eo fp l a n t s a l t h o u g ha n t i o x i d a t i v e r e a c t i o n so fp l a n t ss u b je c t e dt op b 2 + ，h 9 2 + h a v eb e e ns t u d i e db ys e v e r a la u t h o r s ，t h e r ea r e l e s sr e p o r t so nt h ei n v o l v e m e n to fn o n e n z y m a t i ca n t i o x i d a n t s ( p o l y a m i n e ) i nt h ep l a n t r e s p o n s et ot h e s eh e a v y m e t a l p o l y a m i n ei si m p o r t a n ta n t i o x i d a n t sw h i c hh a v ec l o s er e l a t i o n s h i p 、 ，i t ht h et o l e r a n c e o fp l a n tu n d e rs t r e s s i nt h i sp a p e r , t w oa q u a t i cp l a n t s 丽md i f f e r e n te c o t y p e s ( h y d r o c h a r i s d u b i aa n de i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) w e r ec h o s e na se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s ，p b 2 + a n dh 9 2 + w e r es e l e c t e da st h es t r e s sf a c t o r s t w op l a n t sw e r ec u l t i v a t e di ns o l u t i o nc o n t a i n i n g d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fp b 2 + a n dh g + u n d e rl a bc o n d i t i o na n da l s ot r e a t e dw i t h s p e r m i d i n e ( s p d ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n d o g e n o u sp o l y a m i n e so a s ) l e v e l sa n d h e a v ym e t a ls t r e s sa sw e ua st h em e c h a n i s m sf o rt h ep r o t e c t i o no fa q u a t i cp l a n t sf r o mt h e t o x i ce f f e c t so fh e a v ym e t a l sw e r es y s t e m i c a l l ys t u d i e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t k sp a p e rs t u d i e dt h et o x i ce f f e c t so fp b 2 + g r a d i e n tc o n c e n t r a t i o n s ( 0 ，1 0 ，2 0 ，3 0 a n d5 0m g 。l - 1 ) o nt h ec h l o r o p h y l lc o n t e n t ，s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t ，a u t i o x i d a n ts y s t e m , a c t i v eo x y g e ng e n e r a t i o na n du l t r a s t r u c t u r a lc h a n g e si nh y d r o c h a r i sd u b i a t h er e s u l t s s h o w e dt h a tw i t hi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fp b 2 + ，t h ec h l o r o p h y l lc o n t e n t ，c h l o r o p h y l l a b ，s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n ta n dc a ta c t i v i t yd e c r e a s e d ；s o d ，p o d ，a p x ，o ra c t i v i t i e s ， a s aa n dg s hc o n t e n ti n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ；0 2g e n e r a t i o nr a t e ，h 2 0 2 ， m d aa n ds o l u b l es u g a rc o n t e n ti n c r e a s e d ；s d s p a g er e v e a l e dt h a tp b 2 十r e d u c e dt h e a m o u n t so fp o l y p e p t i d e sw i t ha p p a r e n tm o l e c u l a rw e i g h t s1 6 3k d aa n d5 5 0k d a , w h i l e t h r e ep o l y p e p t i d e sw i t l la p p a r e n tm o l e c u l a rw e i g h t s2 3 1k d a , 7 5 8k d aa n d9 4 0k d a d i s a p p e a r e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fp b 计c o n c e n t r a t i o n ；t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y o b s e r v a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h eh i g h e rp b z 十c o n c e n t r a t i o n , t h em o r es e r i o u sd a m a g e st h e 川 c h l o r o p l a s t , m i t o c h o n d r i aa n dn u c l e u s s u f f e r e d i tw a sc o n c 1 u d e d t h a t t h ed e a t ho f h y d r o c h a i r sd u b i au n d e rp b 2 + s t r e s sw a sr e s u l t e df r o mt h ed e s t r u c t i o no fp h y s i o l o g i c a l f u n c t i o na n ds t r u c t u r a lf o u n d a t i o n ，a n dt h ed i s o r d e ro fp h y s i o l o g i c a lm e t a b o l i s m ( 2 ) t h ei n f l u e n c e so fe x o g e n o u so 1 m ms p e r m i d i n et ot h ep h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lc h a n g e si ne i c h h o r n i ac r a s s i p e sl e a v e su n d e rl a d d e rc o n c e n t r a t i o nm e r c u r y ( h g ) s t r e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o w se x o g e n o u ss p e r m i d i n ee n h a n c e dt h e c o n t e n to fc h l o r o p h y l l ，s o l u b l ep r o t e i n ，c o m p a r e dw i t hs i n g l eh e 十s t r e s s a n di td e c r e a s e d t h ec o n t e n to fm d aa n dh 2 0 2 ，a n dt h er a t eo fg e n e r a t i o no f0 2 ，w h i c hr e a s o nm a y b et h e i m p r o v e m e n to ft h e a c t i v i t i e so fs o d ，c a t ，p o d ，a p xa n dg r t h e r e f o r e ，t h e a n t i o x i d a n ta b i l i t vw a ss h a r p l ye n h a n c e d t h er e s u l t si n d i c a t e de x o g e n o u ss p e r m i d i n e d i s t i n c t l y e n h a n c e dt h ea n t i o x i d a n ta b i l i t yo fe i c h h o r n i ac r a s s i p e s ,f u r t h e r m o r e ， e x o g e n o u ss p e r m i d i n ea l l e v i a t e dt h et o x i c i t yi n d u c e db yh 1 。 ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo fe x o g e n o u ss p e r m i d i n e ( s p d ) o na r g i n i n ed e c a r b o x y l a s e c ) ， o r n i t h l n ed e c a r b o x y l a s e ( o d c ) ，p o l y a m i n eo x i d a s e ( p a o ) a c t i v i t i e sa n dp o l y a m i n e s ( p a s ) ， p r o l i n ec o n t e n t si nw a t e rh y a c i n t hl e a v e su n d e rm e r c u r y ( h 曲s t r e s sw a si n v e s t i g a t e da f t e r 6d a y st r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf r e ep u t r e s c i n e u t ) c o n t e n ti n c r e a s e d ，t h e c o n t e n t so ff r e es p e r m i d i n e ( s p d ) a n ds p e r m i n e ( s r i m ) a n dt h e ( s p d + s p m ) p u tr a t i oi n w a t e rh y a c i n t hl e a v e sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh e + c o n c e n t r a t i o n s h 9 2 + s t r e s sa l s od i s t u r b e dt h ea c t i v i t i e so fa d c ，o d c a n dp a 0a n dc a u s e dc h a n g e so n p r o l i n ec o n t e n t c o m p a r e d t om e h g t r e a t m e n to n l y , e x o g e n o u ss p d ( 0 1 r a m ) s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h ea c c u m u l a t i o no ff r e ep u t ，i n c r e a s e dt h ec o n t e n t so f f r e es p da n d s p i na n dt h er a t i oo f ( s p d + s p m ) p u ti nw a t e rh y a c i n t hl e a v e s f u r t h e r m o r e ，e x o g e n o u s s p de n h a n c e dt h ea c t i v i t i e so fa d c ，o d ca n dp a oa n ds i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e dp r o l i n e c o n t e n t n ep s c o n j u g a t e dp a sa n dp i s - b o u n dp a sc h a n g e d i n t h es a m et r e n da sf r e ep a s t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a te x o g e n o u ss p dc a r la l l e v i a t et h em e t a b o l i cd i s t u r b a n c eo f p o l y a m i n e sc a u s e db yh g i nw a t e rh y a c i n t hl e a v e s k e yw o r d s ：h y d r o c h a r i sd u b i a ，e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ，p b 2 + ，h g z 十，s p e r m i d i n e l v 第1 章前言与综述 第1 章前言与综述 1 1 重金属及重金属污染现状 重金属水污染有如下几个特点：( 1 ) 天然环境中只要有微量重金属即可产生毒性 效应，一般重金属在水体产生毒性的浓度范围大约在1 1 0m g l 之间，毒性较强的金 属如汞( h 孑+ ) 、镉( c d 2 + ) 等产生毒性的质量浓度范围在o 0 1 0 0 0 1m g l 之间( 贾晓慧， 2 0 0 5 ) 。( 2 ) 环境中的某些重金属可在微生物作用下转化为毒性更强的金属化合物， 如h g 的甲基化。( 3 ) 生物从环境中摄取重金属可以经过食物链的生物放大作用，在 较高级生物体内成千上万倍地富集起来，然后通过食物进入人体，在人体的某些器官 中积蓄起来造成慢性中毒，危害人体健康。而且重金属的污染还具有隐蔽性、不可逆 性和长期性，在水体和土壤等环境中，很难采用物理、化学或者工程的手段方法消除， 并常常对人体造成不可逆的损伤。历史上有关人重金属中毒的事件很多，如1 9 5 5 年到 1 9 7 2 日本的镉中毒事件，导致骨痛病；1 9 5 3 年日本发生的汞中毒导致水俣病；1 9 5 8 年在日本发生的砷中毒及同年加拿大发生的铅中毒事件( f o r s t n e r ，1 9 7 9 ) 等。 水生植物是指生长在水中或潮湿土壤中的植物，包括草本植物和木本植物。我国 水系众多，水生植物资源非常丰富，仅高等水生植物就有3 0 0 多种。按其生态习性可 分为：( 1 ) 浮水植物：槐叶苹、水鳖、睡莲、满江红、菱等；( 2 ) 挺水植物：凤眼莲、 慈姑、泽泻、水花生、菖蒲等；( 3 ) 沉水植物：菹草、竹叶眼子菜、金鱼草、伊乐藻、 轮叶黑藻等；( 4 ) 滨水植物：水杉、落羽衫、竹类、水松、木芙蓉等。早在2 0 世纪 7 0 年代，人们就注意到了水生植物在净化水体中的作用，并开始巧妙地应用于治理 污水。近3 0 年来，我国对东湖、巢湖、滇池、太湖、洪湖、白洋淀等浅水湖泊的富 营养化控制和人工湿地生态恢复的大量研究证明，水生植物可以吸附水中的营养物质 及其他元素，增加水体中的氧气含量，抑制有害藻类大量繁殖，遏制底泥营养盐向水 中的再释放，以利于水体的生态平衡。 工业化以来，抗污染进化是自然界一切生物所面临的特殊进化过程。作为初级生 产者的植物，在重金属吸收和富集以及在高营养级的生物重金属毒害中均起着重要作 用。因此全面理解重金属对植物的毒害机制和植物对重金属的耐性机制，最大限度的 减轻或避免重金属通过食物链的生物放大作用对高营养级的生物乃至人类造成威胁 就显得格外重要。近年来对高等植物重金属抗性分子机制的探索也已成为植物重金属 抗性研究的前沿和热点，许多学者从不同的生物学层面对重金属污染胁迫下的高等水 生植物进行研究。 第1 章前言与综述 1 1 1 重金属对植物生长、形态结构的影响 重金属对植物生长发育的毒害首先表现在对种子萌发的抑制上。玉米、旱萝b 的 发芽率随c d 2 + 浓度的增加而明显下降，而西葫和沙窝青萝b 反应迟钝，但对这4 种 作物的胚根伸长的抑制效应均十分明显( o u z o u n i d o ue ta l ，1 9 9 5 ) 。种子萌发，根伸 长，胚轴和胚芽鞘的生长都是快速、简便、易行的量化金属对植物抑制效应的方法， 尽管h 9 2 + ，c d 2 + ，c u 2 + ，p b 2 + 和z n 2 + 对小麦和黄瓜产生抑制作用的有效浓度不同， 但两植物的种子萌发率和根、胚轴或胚芽鞘的生长都随浓度增大而降低。其中，h 矿 毒性最强，1 5m m 浓度完全抑制黄瓜的种子萌发，对小麦的为1 7m m ，而其他5 种 金属即使更高浓度( 8 0m m ) 也没有产生相同抑制效果，虽然h 9 2 + 对黄瓜种子萌发 的抑制大于小麦的，但其他金属都对小麦种子萌发抑制更大，与对照相比，除了某些 例外，所有金属都使两种植物的种子萌发率的降低达到显著水平( p 0 0 1 或p 0 0 5 ) 。 h 9 2 + 除了抑制种子萌发、发育还降低了叶绿素含量，延缓了根的伸长，降低了幼苗根 的干重和茎中可溶性蛋白含量( 张义贤，1 9 9 7 ) 。高浓度的h 矿+ 处理还抑制了p h a s e o l u s a u r e u $ 萌发期种子胚轴的伸长，总氮从子叶向幼苗的动员和蛋白酶的活性。随h 矿+ 的增加，幼苗呼吸速率下降，胚中总氮，总糖，d n a 和r n a 水平降低。 1 1 2 重金属对细胞超微结构的损伤 结构是功能的基础，在重金属胁迫下植物细胞超微结构发生一系列改变，这是植 物生理活动异常的细胞学基础。当植物遭受重金属胁迫时，植物与重金属接触的界面 首先受到影响，并且这种影响随着胁迫时间的延长和胁迫浓度的提高，其伤害程度逐 渐加重。s h a h 等( 2 0 0 1 ) 利用不同浓度的c d 2 + 处理水稻幼苗，其叶片m d a 含量和 重金属的积累量随c d 2 + 浓度的升高和处理时间的延长而逐渐增大。这说明在重金属 胁迫下，植物叶片细胞质膜的组成和完整性遭到破坏。从而导致重金属离子进入细胞， 引起细胞内的其它细胞器的损伤。施国新( 2 0 0 0 ) 等研究发现，在不同浓度c d ? 、 h 矿胁迫下的黑藻，其叶细胞遭受毒害初期，高尔基体消失，内质网膨胀后解体，叶 绿体中的类囊体和线粒体中的脊突膨胀或呈囊泡状，核中染色体凝集：随着毒害程度 的加重，核糖体消失，染色体呈凝胶状态，核仁消失，核膜破裂，叶绿体和线粒体解 体，质壁分离使胞间连丝拉断，细胞壁部分区域的壁物质松散游离。铜( c u 2 + ) 、镍0 , q i 2 + ) 对苏格兰松树苗( k u e h ne ta 1 ，1 9 9 0 ) 及c a 2 + 对水花生( 周红卫等，2 0 0 3 ) 和菹草( 徐 勤松等，2 0 0 3 ) 的超微结构的影响也表现出类似的效果。 1 2 植物体内的多胺与植物生长发育的关系 1 2 1 多胺与植物生长发育的关系 2 第1 章前言与综述 多胺( p a s ) 是一类广泛存在于生物体内具有强烈生物活性的低分子量脂肪族含氮 碱( c o h e n ，1 9 9 8 ；j i u j ud u a ne ta 1 ，2 0 0 8 ) 。p a s 作为普遍认同的脂肪族聚阳离子， 其在生理上的p h 值决定了它可以与蛋白质、核酸、磷脂膜、细胞壁等相互作用，从 而稳定或活化这些分子( j i 哂ud u a ne ta 1 ，2 0 0 8 ) ，在植物体内具有调节生长和发育 的功能( e v a n se ta 1 ，1 9 8 9 ) ，也是植物应对环境变化的一种指示物质( b o u c h e r e a ue t a 1 ，1 9 9 9 ) 。腐胺( p u t r e s c i n e ，p u t ) 、尸胺( c a d a v e r i n e ，c a d ) 、精胺( s p e r m i n e ， s p m ) 、亚精胺( s p e r m i d i n e ，s p d ) 是植物体内存在最普遍的四种多胺。腐胺和尸胺 为二胺，亚精胺为三胺，精胺为四胺。除这几种多胺外，植物体内还存在着许多种稀 有多胺。多胺可以提高细胞对逆境的适应能力，高精胺( h s p i n ) 、降精胺( n s p m ) 、高亚 精胺( h s p d ) 、降亚精胺( n s p d ) 等多胺被认为是植物适应极端环境时特定的保护物质( 刘 林德等，2 0 0 2 ) 。长期以来多胺被看作是无用的代谢末端或废物，自2 0 世纪6 0 年代 以来，多胺的生物学功能才引起人们的重视，植物体内的多胺被系统研究则是从2 0 世纪8 0 年代开始。经过近几十年的研究，多胺现在已经被证明在多个植物的生长发 育过程中起到重要作用，如在调节植物生长发育、控制形态建成、延缓衰老、提高抗 逆、细胞分裂、细胞生长、形态发生、细胞分化和细胞的程序性死亡( g a l s t o n ，1 9 9 0 ； t i b u r c i oe ta 1 ，1 9 9 4 ；t o n o n ，2 0 0 4 ；k u m a re ta 1 ，1 9 9 7 1a n dm a l m b e r ge ta 1 ，1 9 9 8 和s e r a f i n i f r a c a s s i n ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。此外在人和动物方面的研究也逐渐增多，t i b u r c i o 等( 1 9 9 7 ) 发现，食物中多胺的含量与肿瘤的增殖存在密切关系，这使得人们对多胺 代谢途径的调控更加关注。 近年来，随着分子生物学实验技术的发展，多胺代谢的相关基因相继被克隆，并 构建了转基因植物，同时多胺合成突变体的获得也使得我们对多胺以及多胺合成代谢 相关酶在植物生长发育过程中的作用有了更深入的了解。 1 2 2 多胺提高植物抗逆境胁迫的能力 逆境胁迫下，植物体内产生大量的活性氧，这些活性氧均能对核酸、蛋白质及 不饱和脂肪酸等造成严重伤害，并能加速叶绿素降解，破坏膜的功能，降低植物的耐 性，而多胺却能直接的或间接的清除活性氧，从而对逆境胁迫下的植物起一定的保护 作用。 植物在逆境下各种胁迫首先作用于细胞膜，细胞膜的破坏将加速整个细胞的伤 害，因此，维持膜的稳定性意义重大。生理p h 下，多胺以多聚阳离子状态存在， 因而可以与膜上带负电荷的磷脂头部分及其它带负电的基团结合，影响膜的流动性， 导致膜电势降低。而膜上静电特性的改变进而又可以调节膜结合酶的活性，影响与能 量偶连的离子的渗透能力以及被动运输。r o b e , s 等( 1 9 8 6 ) 利用大豆叶微粒体膜 ( m i c r o s o m a lm e m b r a n e ) 进行研究发现，外源多胺能与膜结合，并大大降低膜的流 第1 章前言与综述 动性；用多胺合成抑制剂也证明内源多胺选择性地使膜表面固相化，从而保持膜的完 整性。 多胺可以影响d n a 复制中的一系列酶的活性，如d n a 旋转酶、引发酶及拓 扑异构酶等都能与多胺起交互作用，影响d n a 的复制。k a u r - s a w h n e y 等( 1 9 8 0 ) 发现在衰老的燕麦原生质体培养中，加入多胺可加快标记亮氨酸渗入蛋白质、尿嘧啶 渗入r n a 和胸腺嘧啶渗入d n a 的过程。他们还通过对玉米幼胚、菊芋块茎和大 豆下胚轴中的研究，发现外源亚精胺( s p a ) 可以提高r n a 聚合酶活性，促进r n a 合 成。此外，多胺也参与蛋白质合成，多胺能刺激蛋白质合成的各个中间步聚，如激活 一系列氨酰t r n a 合成酶与核糖体结合，起装备核糖体和稳定亚基的作用，并参与 蛋白质合成的起始、延长、终止各个过程( t i b u r c i oe ta 1 ，1 9 9 3 ) 。 除调节生物大分子合成外，多胺还可直接或间接参与酶活性的调节。g a l s t o n ( 1 9 9 0 ) 发现，菠菜中的多胺能提高黄素蛋白和铁硫蛋白复合物催化n a d h 的氧化作 用，对参与光合碳固定和碳循环中的关键酶起调节作用等。 1 3 多胺提高植物抗逆境胁迫1 r 卜j 3 的作用机理 1 3 1 植物体内多胺的存在状态 植物体内的多胺除了以游离态( f r e e ，f ) 形式存在外，还以高氯酸可溶性结合态 ( p e r c h l o r i ca c i d s o l u b l ec o n j u g a t e d ，p s c ) 和高氯酸不溶性结合态( p e r c h l o r i ea c i d i n s o l u b l ec o n u g a t e d ，p i s c ) 的形式存在。在生理p h 条件下，多胺分子质子化的氨 基和亚氨基使其成为多聚阳离子，易与细胞中多聚阴离子如d n a 、膜磷脂、酸性蛋 白残基以及细胞壁等组分通过非共价键结合，对核酸、蛋白质和生物膜结构的维持， 以及d n a 复制和转录等有重要作用( b o r r e l le t a l ，1 9 9 7 ；t i b u r c i oe t a l ，1 9 9 3 ；g a l s t o n a n dk a u r s a w n e y ，19 9 5 ) ，这种以非共价键与其它物质结合或在细胞基质中游离存在 的多胺便是游离态多胺。高氯酸可溶性结合态多胺则主要是指与小分子羟基肉桂酸、 肉桂素在酰基转移酶的催化下共价结合而形成的一类多胺。可分为两种类型：碱性酰 胺和中性酰胺。前者为水溶性，主要由脂肪族二胺和多胺，如腐胺、尸胺、精胺和亚 精胺等羟基肉桂酸及其衍生物等共价结合而成，具有初级胺的功能：后者为水不溶性， 由脂肪族和芳香族胺如酪胺、多巴胺和色胺等作为底物构成。大量实验证实这种形态 多胺作为次生代谢物质，不仅参与植物抵御外界浸染的局部过敏反应，还与植物的形 态建成和体胚发生( g r e g o n y ，1 9 9 8 ) 有关。所谓高氯酸不溶性结合态多胺是指游离 态多胺与生物大分子如蛋白质、糖醛酸或木质素等共价结合而成。目前研究较多的是 多胺参与细胞内蛋白质的交联，发生在翻译后的修饰过程中，对细胞结构的稳定和酶 活性的调节起重要作用( 赵福庚，2 0 0 0 ) 。 4 第1 章前言与综述 1 3 2 多胺在植物体内的合成及分解代谢 一般来说细胞分裂旺盛的部位多胺生物合成活跃，而衰老和生长相对缓慢的部位 多胺合成能力较弱。在高等植物体内，有两条主要的多胺合成途径( 图1 1 ) ( i l l i n g w o r t h p fa l ，2 0 0 3 ) 。在真核细胞中，p u t 直接由鸟氨酸经过鸟氨酸脱羧酶( o d c ) 催化产 生。在植物中，有一条选择性的p u t 合成途径，在拟南芥o d c 缺陷型中经由精氨酸脱 羧酶( a d c ) 催化产生( h a n f r e y e ta l ，2 0 0 1 ) 。在植物和细菌体中，多胺合成的第一 步是鸟氨酸( o m i t h i n e ，o r e ) 和精氨酸( a r g i n i n e ，a r g ) 脱羧生成p u t ，它们分别是 在鸟氨酸脱羧酶( o m i t h i n ed e c a r b o x y l a s e ，o d c ；e c4 1 1 1 7 ) 和精氨酸脱羧酶( a r g i n i n e d e c a r b o x y l a s e ，a d c ；e c4 1 1 1 9 ) 的催化作用下进行的( s l o c u m ，1 9 9 1 ) 。而在动 物和真菌中只有一条途径( o d c 反应途径) 合成p u t 。s p d 和s p m 是在亚精胺合成酶( s p d s y n t h a s e ，e c2 5 1 1 6 ) 矛n 精胺合成酶( s p ms y n t h a s e ，e c2 5 1 2 2 ) 催化下在腐胺和亚 精胺上分别加上一个丙氨基而形成。这个丙氨基则是在s 腺苷蛋氨酸脱羧酶 ( s a d e n o s y l m e t h i n o n i n ed ec a r b o x y l a s e ，s a md e ce c4 1 1 5 0 ) 的催化下由s 腺苷蛋 氨酸( s a d e n o s y l m e t h i o n i n e ，s a m ) 脱羧形成( 如图1 1 ) 。 l l c 于 蛳 a c 卜葛氨甲一胺二 加阿j 图1 1 多胺( 腐胺，亚精胺和精胺) 合成的主要途径以及与乙烯生物合成之间的关系。 f i g 1 1p a t h w a y so fb i o s y n t h e s i so ft h em a j o rp l a n tp o l y a m i n e s ( p u t r e s c i n e ，s p e r m i d i n ea n ds p m i n e ) ， r e l a t i o n s h i pw i t he t h y l e n eb i o s y n t h e s i s 1 ，精氨酸脱羧酶( a d c ) ；2 ，鸟氨酸脱羧酶( o d c ) ；3 ，精氨酸酶；4 ，精胺酶；5 ，n 一氨甲酰腐 第1 章前言与综述 胺氨水解酶；6 ，s 腺苷蛋氨酸脱羧酶( s a md c ) ；7 ，亚精胺合成酶；8 ，精胺合成酶；9 ，s a m 合成酶：1 0 ，a c c 合成酶；i i ，a c c 氧化酶。椭圆内的物质是多胺抑制剂，指向的是它们的靶 位值( d f m a ，二氟甲基精氨酸；d f m o ，二氟甲基鸟氨酸；c h a ，环已基胺：m g b g , 甲基乙二醛 一双( 鸟嘌呤腙) 除了以上途径合成亚精胺以外，亚精胺还可以通过天冬氨酸脱羧形成，但非常少 见。c r o c o m o 等( 1 9 7 0 ) 发现当s a m 的供给不足时，香豌豆( l a t h y r u ss a t i v u sl ) 可利用 天冬氨酸作底物，在羧基亚精胺( c a r b o x y s p e r m i d i n e ) 合成酶作用下脱羧形成s p d 。 目前，这一条途径在植物中的生理意义还不是很明确，它可能在某些植物的多胺调控 中有重要的意义。 大量的实验数据证明多胺与乙烯存在相互抑制对方合成的现象，这可能是由于它 们分享同一前体( s a m ) 的缘故。植物体内也发现了许多其它的各种各样的多胺， 如尸胺( c a d ) 。尸胺是由赖氨酸( 1 y s i n e ，l y s ) 在赖氨酸脱羧酶( 1 y s i n ed e c a r b o x y l a s e ， l d c ；4 1 1 1 8 ) 的作用下脱羧而形成的( s l o c u m ，1 9 9 1 ) 。这个二胺并不象p u t 那样 广泛分布，而是主要存在于豆科植物中。 精胺 n a d + 中h 未螽却一氨g a 基_ q b 丁a 酸+ 琥珀酸 l 瞎因e 精胶 图1 2 多胺在胺氧化酶催化下的降解图示。 f i g 1 2 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f p o l y a m i n ed e g r a d a t i o nb ya m i n eo x i d a s e s d a o ，二胺氧化酶：p a o ，多胺氧化酶；p d h ，吡咯啉脱氢酶 作为生长调节剂，自由多胺的水平并不仅仅依赖于多胺的合成，它还与多胺降解， 向结合态转化以及多胺转运等有关。多胺在胺氧化酶的作用下脱氨降解。胺氧化酶包 括二胺氧化酶( d i a m i n eo x i d a s e s ，d a o ；e c1 4 3 6 ) 和多胺氧化酶( p o l y a m i n eo x i d a s e s ， p a o ；e c1 5 3 3 ) ，腐胺在二胺氧化酶催化下氧化脱氨形成h 2 0 2 、氨和1 吡咯啉， 6 第1 章前言与综述 1 吡咯啉再在吡咯啉脱氢酶( p y r r o l i n ed e h y d r o g e n a s e ；p h d ) 催化下形成y 一氨基丁酸 ( 7 - a m i n ob u t y r i ca c i d ，g a b a ) ，经7 氨基丁酸转氨酶( ? - a m i n ob u t y r i c a c i d t r a n s a m i n a s e ，g a b a t ；e c2 6 1 1 9 ) 催化，利用丙酮酸或a 酮戊二酸作为氨基受体 可逆转成琥珀酸半醛，后者在琥珀酸半醛脱羧酶( e c1 2 1 1 6 ) 作用下氧化形成琥珀 酸进入三羧酸循环( t r i c