植物抗旱过程中脱落酸生理作用研究进展12

1、 植物抗旱过程中脱落酸生理作用研究进展丁 桔农业与生物技术学院 10316049摘 要：本文主要介绍了近年来研究脱落酸在植物抗旱中生理作用方面所取得的进展，主要包括脱落酸在水分胁迫时调节气孔开闭机理，对叶片伸展率的影响，及其脱落酸与抗旱特异性蛋白质合成的关系。关键词：植物、抗旱、脱落酸脱落酸（Abscisic acid）是植物五大激素之一，简称ABA。大量的试验证明：当植物处于干旱、低温、盐碱等不利环境下（或外施ABA），植物体内ABA会大量增加，产生水分亏缺反应，从而充分利用水分，使植物对不利环境产生抗性，增加逆境存活机会1。ABA对植物的影响是多方面的，包括关闭气孔2，调整保卫细胞离子通道

2、3，诱导LER（叶片伸展率）下降4，诱导ABA反应基因改变相关基因的表达5。尤其是ABA的增加和气孔的关闭一致，这对植物抗旱非常有利6。近年来ABA与抗旱关系的研究重新受到重视，在其生理作用研究方面主要取得了以下进展。1 ABA与干旱时气孔导度的关系1.1 ABA导致气孔关闭的原因气孔关闭是植物对水分缺乏的一个重要反应。它受气孔周围保卫细胞膨压水平的控制：保卫细胞膨压高时气孔开张，低时则导致气孔关闭。而保卫细胞膨压的下降是由ABA的增加引起的，因为ABA改变了细胞膜的透性，导致保卫细胞内溶液浓度的降低7。另有研究认为保卫细胞膨压的变化是ABA引起离子通道改变的快速反应，ABA抑制K+进入保卫细

3、胞，而引起K+和阴离子的外流，其结果降低了保卫细胞的浓度和其膨压，进而导致气孔关闭8。1.2 ABA与水势相互作用控制气孔导度 给向日葵叶片饲喂ABA后，外源ABA浓度和气孔导度之间存在对数关系。柳树中加入外源ABA也会引起气孔导度下降，除去ABA又可以逆转这种现象，并且仅改变外源ABA浓度（在一定生理范围内）就能明显造成气孔导度的这种可逆变化，表明ABA可能是蒸腾流中影响气孔的主要因素3。但是也有人认为ABA对于诱导气孔关闭并不是必须的，ABA没有直接参与。引起气孔关闭的一个更重要得原因是叶片两位点间的水势9。气孔对ABA的敏感性是可变的。Tardieu发现给玉米饲喂ABA后，若维持较高水势

4、，气孔导度下降了50%，但田间玉米遭受严重干旱后气孔导度可以下降90%，因此，他认为可能低水势使叶片对木质部ABA的反应更敏感。Zhang也发现水势下降后，鸭趾草气孔对ABA敏感性增强，可能ABA和水势的相互作用对控制气孔非常重要。为什么低水势能增加气孔对ABA的敏感性呢？Trejo认为ABA的作用位点在表皮，积累在表皮的ABA与气孔调节有关。水分胁迫后，对木质部运输的ABA代谢减慢，导致ABA在表皮积累，从而对ABA信号更加敏感。Zhang发现鸭趾草叶片脱水处理后，表皮和叶肉组织之间ABA分布模式发生了很大变化,大量ABA转移到表皮，与木质部ABA浓度相近，可能因此影响了木质部和表皮之间AB

5、A的作用机制，进而改变了关闭保卫细胞的ABA作用浓度。ABA的代谢是影响叶片积累ABA的重要因素，正常情况下叶片的代谢能力较强。快速代谢除了使ABA迅速区室化，也防止继续积累影响对当前木质部ABA浓度迅速做出反应3。1.3 木质部汁液pH升高诱导的气孔关闭需要低浓度ABA参与Wilkinson和Davies所做的实验表明，土壤干旱使鸭趾草木质部汁液pH升高。用pH为6.0（相当于正常浇水植株汁液的pH）和pH7.0（相当于干旱植株汁液的pH）且不含ABA的合成液处理鸭趾草完整的离体叶片，与pH6.0处理相比（对照），pH7.0处理使叶片的蒸腾速率、叶片导度和气孔开度分别下降50%、50%和67

6、%。PH升高使鸭趾草完整叶片的气孔趋于关闭。把鸭趾草离体叶片放在去离子水中暗处理一夜，再用pH6.0和7.0的合成液处理时发现，除非在合成液中加入108mol/L的ABA(此浓度在正常浇水植株中不足以降低叶片的蒸腾速率)，否则pH7.0不再使叶片的蒸腾速率降低。他们认为，水预处理把叶片质外体和木质部导管中原有的低浓度内源ABA清除掉了，而高pH（7.0）调控的气孔关闭需要叶脉和质外体中有相当于浇水充足植株中存在的低浓度的ABA（大约108mol/L）参与4。Wilknson等研究了pH对野生番茄及其突变体叶片蒸腾速率的影响。他们发现，当用不同pH的合成液（不含ABA）处理新鲜离体的野生番茄叶片

7、时，随着合成液pH升高野生番茄叶片的蒸腾速率不断下降。flacca是番茄的ABA生物合成缺陷性突变体，它不像野生番茄那样能够有效合成ABA，因而它的内源ABA含量很低。当用不同pH的合成液处理flacca叶片时，合成液pH升高不能使flacca叶片的蒸腾速率下降（反而升高），如果在合成液中加入正常浇水植株中含有的低浓度ABA（3108mol/L），pH升高即可降低flacca叶片的蒸腾速率10。pH升高有可能通过多种途径关闭气孔：1.pH升高可能（a）促进ABA在叶片中的重新合成，（b）降低内源ABA的降解或结合态的形成，（c）减少ABA输出叶片，以提高叶片ABA总浓度的方式关闭气孔。2.pH

8、升高可能改变叶片的水分状态，这将增强保卫细胞对原有ABA的敏感性，从而使气孔关闭。3.pH升高可能改变内源ABA在叶片中的分布，提高ABA在保卫细胞附近的质外体中积累（a）通过诱导ABA从叶肉流向表皮，（b）引起共质体（叶肉细胞、表皮细胞甚至保卫细胞）贮藏的ABA向外释放，或（c）抑制共质体对ABA的分流使ABA在质外体中积累从而导致气孔关闭4。从pH升高诱导气孔关闭的机理来看，其还主要是通过影响ABA进而来影响气孔的行为。以往研究大多使用外源ABA研究其对气孔导度的影响，而杨建昌等人还就内源ABA对气孔导度的影响进行了研究，试验以水稻的三个品种为材料，分别为盐粳2号、汕优63号和IR661。

9、结果表明:随叶片中ABA含量的增加，叶片气孔导度急剧下降，经统计分析，它们之间呈极显著的负相关盐粳2号、汕忧63和IR661叶片中ABA含量与气孔导度的相关系数分别为0.9958、0.9690和0.969811。见下图：2 ABA与干旱诱导LER下降的关系 干旱导致LER（叶片伸展率）明显下降，这是植物的适应性策略，因叶片面积减小可以降低水分丧失。Munns研究了ABA浓度与大麦和小麦叶片生长的关系。结果显示，正常浇水植株中ABA的浓度低于1109mol/L，土壤干旱使ABA浓度升高到4108mol/L，这是叶片生长下降了50%。如果饲喂离体叶片108mol/L或107mol/L的ABA却对叶

10、片的生长无影响。只有当饲喂浓度为106mol/L或更高时，ABA才抑制叶片的生长。要是叶片生长下降50%，饲喂叶片的ABA浓度必须高于105mol/L。所以有人怀疑汁液中的ABA是最主要的或唯一的调控叶片生长的逆境胁迫信号物质4。Bacon等(1998)发现干旱可以使大麦木质部汁液的pH值从5.9增加到6.9，用不同PH值缓冲液处理无根苗随着PH值升高，LER下降，但大麦突变体Az34(缺乏钼辅助因子，抑制ABA前体的氧化)在该PH值范围内均有较高的LER。如果向缓冲液中添加3108mol/L的ABA，可以使Az34对PH值变化产生与野生型类似的反应。因此他认为木质部汁液pH值升高，通过依赖A

11、BA的机制降低LER12。Liu（1998）从柳树中观察到当根含水量改变，叶片的生长与木质部汁液中ABA浓度的可逆动力学是一致的。但是否可用木质部ABA浓度来解释LER下降，目前还存在争议。给玉米饲喂ABA后，LER下降同生长区内源ABA浓度密切相关13Bacon也发现干早引起木质部汁液pH值增加后，使生长区周围的质外体积累大量的ABA。关于LER下降的机制也有不同意见，Cramer(1998)认为ABA通过增加细胞壁表观屈服阀值来抑制叶片生长、并不影响其它生长参数，而Bacon(1998)则认为植物通过减小细胞壁伸展和(或)细胞膨压降低LER。3 ABA与抗旱特异性蛋白质合成的关系3.1 L

12、EA蛋白LEA是目前最受关注的胁迫响应基因产物，最早是从种子脱水过程中分离出的，后来发现在缺水情况下，它也存在于多种植物的营养器官，已鉴定出含有LEA的植物超过65种之多5。LEA的分类来源于对棉花中的LEA的研究结果，根据序列同源性比较，可将LEA蛋白分为五组。其中第二、三、四组显示与抗逆性有关。在第二组中一类称之为dehydrin的LEA蛋白，在许多逆境下均可被诱导14，在水稻根中有较高的含量，在ABA和盐处理下，dehydrin仅在耐盐品种中积累，而盐敏感品种中则不积累15。HVA1基因可为第三祖的代表。HVA1是从大麦糊粉层中分离的基因。它主要在种子发育后期表达。在幼苗中受ABA、脱水

13、、盐等诱导。第四组LEA蛋白中的代表是番茄的LE25，该基因在种子成熟时期和缺水时表达并受ABA调节16。3.2 脱水蛋白目前对脱水蛋白进行的研究较多，它在结构上有一定保守性，这对于所起的保护功能非常重要。在羧基末端富含Lys序列中有15个保守氨基酸，形成螺旋，起离子孔作用，可以增加离子浓度(Han and Kermode，1996)，Close(1996)认为脱水蛋白有去污和蛋白质伴侣的特性，缺水时与亲和溶液相互作用，维持高分子结构的稳定。ABA和水分胁迫通过不同的途径和诱导不同的脱水蛋白来影响植物的分子进程(Han and Kermode，1996)。许多植物脱水蛋白的产生都有一定的组织特

14、异性虽然已经有人分析了特殊组织类型表达的脱水蛋白，但目前还不清楚不同组织表达的脱水蛋白对水分胁迫和ABA是否存在相同的反应。除了环境因素外发育时期对脱水蛋白的诱导也有调节作用，例如蓖麻种子在不同的生理阶段受干旱诱导产生的脱水蛋白有定性和定量的差异，因此脱水蛋白具有两种保护功能：一是保护发育成熟的种子，二是保护幼苗的组织(Han and Kermode，1996)3。以前人们曾认为不抗旱种子对干旱敏感是由于脱水蛋白积累不充分(至少在定程度上)，但目前对这个问题有不同的意见。Zizania palustris的种子表现出介于抗旱和不抗旱之间的中间特性，在胚和幼苗中都可以测到脱水蛋白，并且受到干旱后

15、(一定程度内)也可以积累ABA，但低温使种子耐早性降低，似乎并不是由于缺乏脱水蛋白或不能积累ABA。可能仅靠脱水蛋白不足以抗旱(Bracford，1992)。还有一些证据也支持了Bracford的观点，如Vertucci(1995)发现英国橡树种子(不抗旱)可以用ABA或干旱处理诱导LEA蛋白的mRNA产生，Finchsavage(1994)也在5种不耐旱种子中都检测到了脱水蛋白。但Han(1997)则认为不抗旱种子至少在一定程度上是由于不能积累足够的脱水蛋白，尤其萌发的干旱种子向生长状态过渡时。干旱忍耐是一个定量特征，可能脱水蛋白(或LEA蛋白)的水平或者积累率决定耐早程度，除了这类蛋白外，

16、也许还需要其它保护性物质(如保护性多糖)的结合和相互作用，才能在水分亏缺条件下稳定高分子结构(Close et al，1996)3。3.3 ABA在水分胁迫诱导基因表达中的调节作用正如前文所述，植物受到干旱胁迫后ABA含量升高，ABA积累的作用还在于作为抗旱性诱导激发机制的部分，抑制与活跃生长有关的基因，同时活化与抗旱诱导有关的基因17。但少数基因的表达却不受ABA的诱导。前者称为ABA依赖型基因，后者称为ABA独立型基因这两类启动子的研究都是目前研究基因表达调节的重要内容。启动子又可分为顺式和反式活动元件Cisor transacting element)。在水分胁迫响应中已鉴定出的最具特点

17、的顺式元件为ABA响应元件(ABAresponsive element，ABRE)，它含有带回文结构的CACGTG，其中的ACGT为其核心称为G盒（Gbox)5。ACGT元件存在于许多环境和生理诱导的多种植物基因中，与基因的表达有密切的关系。由于ACGT核广泛存在于ABA诱导基因的启动子中，推测它是对ABA响应的元件18。许多于旱诱导蛋白可以通过外源ABA进行模拟。如正常玉米幼苗经ABA(103mol/L)溶液处理时，胚轴中合成的蛋白类型与PEG处理的结果相同。PEG诱导水稻幼苗产生的Mr为23000的蛋白及在种子脱水时产生的1ea蛋白均可被ABA诱导。高盐、干旱和ABA都可使cdsp34的合

18、成显著升高。因此推测干旱和高盐导致植物体内ABA含量升高，而ABA又诱导编码水分胁迫蛋白基因的表达。但有些试验的结果却与此相反。如马铃薯中的cdsp32虽然可以被干旱和高盐所诱导但其合成不受外源ABA的影响。编码拟南芥类受体蛋白的基因均可被脱水、ABA、高盐所诱导，但脱水诱导此基因的表达与ABA无关19。4 展望虽然在ABA的研究中取得一些进展，但是关于其在植物抗旱中的生理作用还存在大量未能解决的问题，进一步研究其作用机理及其有关的调控基因和蛋白，对于作物育种，外源ABA喷施等来提高植物的抗旱能力有广泛的实际应用价值。参考文献：1 梁建生，张建华. 植物生理学通讯，1998，34（5）：3293382 Guan LQ,Scanelalios JG. Physiol Plant，1998，104：4134223 谭云，叶庆生，李玲. 植物学通报，2001，18（2）：1972014 田秀红，李广敏. 植物学通报，2001，18（4）：4664725 陈新建，陈占宽. 热带亚热带植物学报，2000，8（1）：81906 王伟. 植物生理学通讯，1998，34（5）：3883937 A.P