賴(lài)媛媛

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013)

水是植物生長(zhǎng)的重要影響因子，不同植物對(duì)水深都有一定的耐受范圍，超過(guò)植物所承受的范圍，就會(huì)影響植物的生長(zhǎng)及死亡[1]。

水淹脅迫是主要的非生物脅迫，環(huán)境中的水分含量決定了植物的生態(tài)分布，水分過(guò)多或過(guò)少均會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利的影響[2]。植物組織中游離氨基酸能直接或間接對(duì)環(huán)境中非生物脅迫做出響應(yīng)[3]。對(duì)蘋(píng)果樹(shù)、番茄物種的研究結(jié)果支持應(yīng)激條件下誘導(dǎo)氨基酸含量增加的這一結(jié)論[4-5]。接下來(lái)Koppitz等[6]的研究也證實(shí)，蘆葦在受到極端洪水的影響下氨基酸可以作為生理脅迫的指標(biāo)，淹沒(méi)部分中生長(zhǎng)的蘆葦植物顯示總氨基酸含量明顯增高，并且碳水化合物的總含量低于未淹沒(méi)區(qū)域。在水淹缺氧條件下，游離氨基酸含量的變化能反映植物的耐淹能力[7]。

雖然洪水是一種復(fù)合壓力，但大多數(shù)研究集中在阻礙氧化磷酸化和低光合速率引起的誘導(dǎo)能量和碳水化合物危機(jī)[8]，以及設(shè)置不同水位梯度來(lái)探討對(duì)植物生長(zhǎng)的影響[9]，對(duì)游離氨基酸含量的變化來(lái)探討植物組織中氨基酸代謝機(jī)制的研究較少。綜述了植物在水淹脅迫下通過(guò)代謝途徑探討各個(gè)氨基酸之間的關(guān)系，了解植物組織中游離氨基酸在環(huán)境脅迫下的作用以及各游離氨基酸的代謝機(jī)制，為植物對(duì)水位的適應(yīng)提供依據(jù)，為生態(tài)系統(tǒng)多樣性的保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1植物體內(nèi)氨基酸適應(yīng)水淹脅迫環(huán)境的響應(yīng)當(dāng)植物遇到外界脅迫條件時(shí)，氨基酸、蛋白質(zhì)、糖的代謝都會(huì)發(fā)生變化[10]，氨基酸主要通過(guò)參與改變植物體內(nèi)某些生理代謝，或調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá)和關(guān)鍵酶活性等方式來(lái)增強(qiáng)植物對(duì)各種逆境的適應(yīng)性反應(yīng)[11]。洪水是一種非生物脅迫，會(huì)阻礙植物的正常生長(zhǎng)，洪水脅迫會(huì)導(dǎo)致植物浸沒(méi)部分中的低光強(qiáng)并且處在缺氧的環(huán)境中，Bailey等[8]指出水淹會(huì)導(dǎo)致低光照強(qiáng)度，抑制光合作用；洪水是一種復(fù)合應(yīng)激，ATP合成和碳水化合物資源的限制對(duì)植物的生長(zhǎng)和存活具有重要的影響，在缺氧的條件下，能量短缺導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成速率下降，引起對(duì)氨基酸的需求也降低，這可能是游離氨基酸積累的原因[12]。Koppitz[13]指出在洪水下會(huì)造成植物缺氧，有限的氧氣導(dǎo)致呼吸磷酸化減少和糖酵解中間體(乙醇和丙酮酸)的累積，它們可以通過(guò)轉(zhuǎn)氨作用，形成氨基酸。有學(xué)者提出，缺氧下的游離氨基酸(提別是丙氨酸)在維持組織的滲透壓方面起作用，缺氧條件下氨基酸積累的能力似乎與組織存活相關(guān)[10-14]。

1.1植物組織中γ-氨基丁酸(GABA)在水淹脅迫下的響應(yīng)GABA是一種四碳非蛋白質(zhì)氨基酸，是大多數(shù)原核和真核生物中游離氨基酸的重要組成部分[15]。GABA來(lái)源于谷氨酸，然后轉(zhuǎn)化為琥珀半醛(SSA)和琥珀酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)[16]。

GABA被認(rèn)為是應(yīng)激指標(biāo)，可以在水淹、缺氧、寒冷等壓力脅迫下快速積累[13]。GABA在第8天洪水期間從最初的約10%增加到約55%[17]。Kreuzwieser等[18]指出，在洪水下，GABA在根中的濃度大量增加。Koppitz等[6]發(fā)現(xiàn)GABA含量與Asn負(fù)相關(guān)，即隨著天冬酰胺含量的增加，GABA下降；GABA含量又與Ala和Pro、Ser正相關(guān)。Mustroph等[19]發(fā)現(xiàn)，缺氧時(shí)植物根中大量積累GABA，而嫩芽中沒(méi)有大量累積。分析GABA積累的原因，有研究者認(rèn)為應(yīng)激條件下胞質(zhì)酸化以及誘導(dǎo)谷氨酸脫羧酶活性的增強(qiáng)，加快了GABA的合成速率，導(dǎo)致GABA的積累[15]；或者GABA-T活性受限，從而導(dǎo)致GABA的積累[16]。GABA積累還可以參與細(xì)胞溶質(zhì)pH平衡的調(diào)節(jié)(因?yàn)槠洚a(chǎn)生消耗質(zhì)子)，滲透調(diào)節(jié)或活性氧(ROS)的代謝[19]。綜上所述，GABA可以在不同應(yīng)激條件下的各種植物組織中快速積累，以響應(yīng)缺氧、寒冷和機(jī)械的影響。

1.2植物組織中谷氨酸在水淹脅迫下的響應(yīng)機(jī)制在游離氨基酸中，谷氨酸發(fā)揮著重要的作用，被認(rèn)為是植物氮代謝中“宇宙的中心”[20]，谷氨酸是厭氧代謝的一些特征化合物(丙氨酸、氨基丁酸)的前身[10]。植物從周?chē)h(huán)境獲得氮素后，被植物同化為氨基酸等有機(jī)含氮化合物，參與植物的蛋白質(zhì)合成[21]。一般認(rèn)為植物同化的主要途徑是[22]：

NR：硝酸還原酶；NiR：亞硝酸鹽還原酶；GS：谷氨酰胺合成酶；GOGAT：谷氨酸合成酶。

GS和GOGAT循環(huán)有助于氨的再同化作用和硝酸鹽的初級(jí)同化作用，并且不斷地合成谷氨酸用于合成其他化合物[10]。Glu和Gln是植物合成有機(jī)氮化合物的第一步，在其他有機(jī)氮化合物的合成中具有重要地位[21]。銨鹽在植物體內(nèi)谷氨酰胺合成酶(GS)的作用下與谷氨酸(Glu)結(jié)合形成谷氨酰胺(Gln)，Gln又可以提供酰胺基，在谷氨酸合成酶(GOGAT)的作用下和α-酮戊二酸生成Glu；環(huán)境中的氨也可以直接與α-酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的作用下合成Glu[23]。谷氨酰胺合成酶(GS)有2種同工酶，即分別位于細(xì)胞質(zhì)和葉綠體的GS1和GS2。GS2的主要功能是把葉綠體和光呼吸再合成的NH4+轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝滨０?Gln)[22]。氨同化及其循環(huán)的生化反應(yīng)過(guò)程[22，24-25]如下：

式中，α-Oxo為α-酮戊二酸；Pi為磷酸。

上述的第一個(gè)反應(yīng)式為谷氨酸作為氨的受體而形成谷氨酰胺，該反應(yīng)為谷氨酰胺合成酶(GS)催化；第二個(gè)反應(yīng)式為谷氨酰胺在谷氨酸合成酶(GOGAT)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼?，這2個(gè)反應(yīng)式簡(jiǎn)稱(chēng)GS-GOGAT途徑；在葉綠體內(nèi)GS途徑需要光合磷酸化產(chǎn)生的ATP才能進(jìn)行，說(shuō)明葉綠體中GS途徑是強(qiáng)烈需要光的[22]。谷氨酸是鳥(niǎo)氨酸、精氨酸、脯氨酸以及氨基丁酸、谷氨酰胺的前體[20](圖1)，Glutamate?Orn?Arg、Glu?Pro、Orn?Pro是可逆線路[20]。

圖1　植物中谷氨酸的合成和代謝途徑(改編自文獻(xiàn)[24，26])Fig.1　Synthesis and metabolic pathway of glutamate in plants(adapted from references[24，26])

Mustroph等[19]指出，在缺氧脅迫下，植物中的Glu會(huì)隨淹沒(méi)時(shí)間的增加而下降，在擬南芥和其他物種中也發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律，指示植物在應(yīng)激時(shí)氨基酸代謝延長(zhǎng)變化，但Barding等[27]指出，在淹沒(méi)水稻的芽中，Glu會(huì)隨淹沒(méi)時(shí)間的增加而逐漸積累。說(shuō)明物種間存在差異，導(dǎo)致氨基酸含量變化有差異。

1.3植物組織中其他游離氨基酸在水淹脅迫下的響應(yīng)目前，關(guān)注較多的是GABA、Glu對(duì)水淹的響應(yīng)，但是植物組織中其他游離氨基酸同樣也對(duì)水淹脅迫產(chǎn)生響應(yīng)。

Asp是由Glu提供α-氨基在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶(AST)的作用下合成的[21]。Asp在其他酶的作用下，形成其他氨基酸，如賴(lài)氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸、蛋氨酸和異亮氨酸[28]。Asp通過(guò)天冬氨酸半醛脫氫酶(ASADH)生成天冬氨酸半醛(aspartate semialdehyde)，在脫羧酶的作用下形成Lys，在高絲氨酸脫氫酶(HSDH)的作用下轉(zhuǎn)化為Met和Thr，Thr進(jìn)而轉(zhuǎn)化為Val、Leu以及Ile[21]。Narsai等[26]提出，在缺氧脅迫下觀察到Asp會(huì)隨淹沒(méi)時(shí)間的增加而下降，在擬南芥和其他物種中也發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律，指示植物在應(yīng)激時(shí)氨基酸代謝延長(zhǎng)的變化，但Barding等[27]指出，在淹沒(méi)水稻的芽中，Asp會(huì)隨淹沒(méi)時(shí)間的增加而逐漸積累。說(shuō)明物種間存在差異，導(dǎo)致氨基酸含量變化有差異。

在缺氧條件下，丙氨酸增加的比例遠(yuǎn)高于GABA[29]。Mustroph等[19]發(fā)現(xiàn)，根和嫩芽2種器官在缺氧時(shí)都積累丙氨酸(Ala)。植物在缺氧達(dá)120 h后會(huì)導(dǎo)致根和木質(zhì)部汁液中丙氨酸的大量增加，根中丙氨酸的增加在4 h后就很明顯，但木質(zhì)部中的丙氨酸明顯增加是在8 h后[30]。而Narsai等[26]研究指出，丙氨酸的積累與Ala AT的活性相關(guān)，水淹下，活性增強(qiáng)，造成Ala的累積。

甘氨酸(Gly)與幾種氨基酸(包括Ser和Thr)的代謝都直接相關(guān)，并且Gly的增加可能是由這些氨基酸的再循環(huán)產(chǎn)生[27]。精氨酸(Arg)壓力脅迫條件下積累[24]。脯氨酸(Pro)非生物脅迫(干旱，低溫和高溫)下逐漸增加[24]，Chanu等[29]認(rèn)為植物組織在水分脅迫過(guò)程中脯氨酸的產(chǎn)生和積累是一種適應(yīng)性反應(yīng)，這可能是由于在過(guò)量水分脅迫的誘導(dǎo)下脯氨酸的從頭合成，或者是由于參與適應(yīng)性機(jī)制以維持正常的滲透壓調(diào)節(jié)。

水淹會(huì)導(dǎo)致天冬酰胺(Asn)顯著減少，在經(jīng)過(guò)1 d的洪水后，天冬酰胺從40%或更多降低至約10%，在8 d后，天冬酰胺降低至小于5%[17]。在植物中，天冬酰胺是由在谷氨酰胺作為氨基供體，天冬氨酸在天冬酰胺合成酶(AS)催化的反應(yīng)中形成的[17]。Asn在蘆葦N代謝中是主要儲(chǔ)存器和運(yùn)輸化合物[6]。Masclauxdaubresse等[23]發(fā)現(xiàn)天冬酰胺具有比谷氨酰胺更高的N/C比，尤其是在豆類(lèi)中可以用作遠(yuǎn)程運(yùn)輸和儲(chǔ)存植物中的氮化合物。Lea等[14]提出，天冬酰胺在應(yīng)激條件下會(huì)積累，這可能是對(duì)應(yīng)激條件的直接生物反應(yīng)，有助于維持滲透壓，也可能是在應(yīng)激條件下限制蛋白質(zhì)合成的間接結(jié)果。Kreuzwieser等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在beech以及Oak物種的根中，Asp、Asn、Glu、Gln氨基酸濃度會(huì)隨著水淹時(shí)間的增加而顯著減少，而Oak的葉片在經(jīng)過(guò)水淹后氨基酸濃度組成沒(méi)有變化。

2結(jié)語(yǔ)

植物受環(huán)境脅迫下體內(nèi)的游離氨基酸會(huì)做出響應(yīng)。在水淹脅迫下，植物體內(nèi)谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)可能減少或者累積，而天冬酰胺(Asn)、γ-氨基丁酸(GABA)、絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)、精氨酸(Arg)大量累積。但因物種間存在差異，或者處理方式存在差異，會(huì)導(dǎo)致植物中氨基酸含量變化有差異。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水淹以及鹽脅迫下氨基酸濃度的研究較多，但復(fù)合壓力下氨基酸濃度研究較少，以后研究應(yīng)多結(jié)合實(shí)際環(huán)境情況。

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