藻類植物多胺研究進展

劉 翠，劉 艷，朱慧瑩，孫 璇，王昶皓，崔亞萍

(臨沂大學 資源環境學院，山東 臨沂 276000)

1 多胺

多胺(ployamines，PAs)是廣泛分布在生物體內的一類短鏈脂肪胺。1911年, Ciamician和Revenna首次在高等植物中發現了一種簡單的二元胺腐胺(putrescine，PUT)，此后，人們開始對多胺展開深入研究。目前，在自然界大多數生物體內均已檢測出它的存在[1]。多胺是生理代謝過程中的重要調節物，例如調節酶活性、新陳代謝和基因表達、保持細胞內離子平衡[2]，還能消除活性氧自由基、維持生命體的正常生理活動，提高植物的逆境抗性，其一些功能與植物激素類似。研究表明，多胺在對抗逆境脅迫中發揮著至關重要的作用，提高植物耐受性，對抗逆境脅迫。研究多胺在藻類中的作用機制將會對培養有利藻類、制約有害藻類以及整治由藻類引起的環境問題起到十分重要的幫助。

2 藻類中的多胺

藻類中多胺的研究早就在20世紀70年代就開始了，但僅限于單細胞藻類[3]。此后，高等植物中常見的二胺和多胺，以及一些不常見的多胺在海洋微藻以及大型海藻中被發現。

目前研究表明，海藻中的多胺主要為腐胺(Putrescine，PUT)、亞精胺(spermidine， SPD)和精胺(spermine，SPM)[4]，研究還表明大型海藻在鳥氨酸脫羧酶(ODC)和精氨酸脫羧酶(ADC)作用下可以合成PUT等在Ecklonia maxima褐色海藻中發現了游離態(Free)的PUT和SPM，但卻無法檢測到游離態的SPD。其原因是其合成的SPD處于束縛態(Bound)或結合態(Conjugated)，或者在合成后立即轉化成為SPM。自然界中高等植物中含有的多胺含量有很大差異，藻類也是一樣。目前研究表明，紅藻中的多胺含量高于綠藻。

與高等植物相比，藻類中PAs的合成途徑尚未得到深入明確的研究，大多數研究是在藍藻和單細胞綠藻上進行的。研究表明，與高等植物類似，在藍藻、微藻和大型海藻中PUT的合成可以通過ADC或ODC進行，這兩種酶的活性似乎都取決于藻類在測定時所處的發育狀態和環境條件。例如，當單細胞藍細菌集胞藻暴露于10 d的滲透脅迫時，ADC活性和SPD含量均增加，而PUT水平保持在對照水平。SPD含量增加而PUT含量保持不變，表明PUT快速轉化為SPD，這表明了山梨醇脅迫下多胺最高累積水平[5]。

2.1 多胺對藻類生理作用的影響

人們對于多胺在藻類生理過程中的影響知之甚少。藻類中的多胺可以影響酶活性、維持離子平衡、調節激素等。目前已經證實長鏈多胺在硅藻的生長過程中參與硅殼的合成，并起到調節硅化的作用；游離態的SPD是兩種赤潮異灣藻(raphido-phyceae)[6，7]生長發育過程中最主要的多胺。

多胺的代謝在細胞分裂和生長過程中非常重要，多胺的濃度與藻類生長發育過程中DNA和RNA的合成有關。去亞精胺、RNA以及蛋白質的含量在小球藻的生長周期中呈線性增長，沒有明顯的轉折點，而PUT、SPD和DNA含量在S期早期呈明顯上升趨勢。通過添加二氟甲基鳥氨酸(DFMO)抑制ODC活性后，細胞中多胺含量增加量減小，同時細胞分裂被抑制，在第二個細胞周期中更為明顯。這說明細胞中PUT和SPD含量可以調節小球藻的細胞分裂。

2.2 多胺抵抗逆境脅迫的作用

Richards和Coleman在1952年首次報道了在缺鉀環境下生長的大麥植株中的多胺含量的變化。此后非生物脅迫下多胺含量的變化和多胺合成酶的活性問題成為研究熱點。在高等植物中，抵抗環境脅迫的普遍反應是PUT的含量升高，SPD和SPM的含量也有所變化[8]。

藻類經常遭受外界環境的脅迫，尤其是在潮間帶。像高等植物一樣，多胺在海藻抵抗逆境脅迫中發揮重要作用[9]。在鹽度脅迫下，海藻內多胺含量有很大差異。在低鹽脅迫下，潮間帶海藻體內PUT含量會有所增加，紅藻體內游離態PUT、SPD和SPM含量升高。當鹽度逐漸升高，達到一定濃度時，中肋骨條藻內游離態SPD和SPM含量逐漸升高，其它的呈現先升高后降低或先降低后升高的趨勢，東海原甲藻內多胺含量都首先呈現下降趨勢，部分多胺含量會回升[10]。在Cd脅迫條件下，中肋骨條藻通過增加細胞內Put和Spm的含量，來促進自身的生長[11]。

脅迫交叉耐受性是指在暴露于某種特定壓力后適應新環境的能力或適應一系列脅迫源的能力。通過對脅迫源的綜合分析，可以發現，在滲透脅迫(NACL和山梨醇)作用下，集胞藻PCC6803在滲透脅迫(NaCl或山梨糖醇)下可以積累PA，并且暴露于UV-B輻射及其后都會保持這些高水平。在鹽脅迫下，SPD水平增加，SPD：PUT比率增加2倍，以此來應對額外增加的UV-B輻射。相反，在未經過NaCl處理的情況下，應對UV-B輻射的反應下降。雖然對壓力交叉耐受性的研究很少，但是對于它的研究卻很重要，因為通過它或許能確定PA的作用[12]。

2.3 多胺調節葉綠體和類囊體膜的結構和功能

多胺對光合作用參與膜形成的重要作用已經在單細胞綠藻中得到證明[13，14]。研究表明，多胺在光合作用細胞器適應光的過程中起重要作用。 Kotzabasis 等發現PUT、SPD和SPM存在于所有光合作用亞復合物中，光捕獲復合物主要含有PUT，但僅在PSII的核中發現了SPM，SPM一般位于反應中心。

多胺通過幫助形成光合膜復合物而在構建光合組織中起重要作用，其為斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)色素突變體的研究提供了證據。研究通過在黑暗中培養兩種色素突變體(C-2A'&C-6D)和S. obliquus的野生型(WT)，然后使其接受光照，發現其PUT含量立即降低且該過程持續進行。在葉綠體的質體膜發育的各個階段都發現了多胺，不同的發育途徑(WT和C-2A'&C-6D)表明了類囊體結合的多胺的特定變異性。

單細胞綠藻(Scenedesmusobliquus)的攝取實驗研究了“SPM可能參與光合色素的生物合成”。高濃度的外源性SPM導致類囊體膜系統的結構變化，從而導致葉綠素減少。由于SPM的結合，LHCII的構象變化可能導致更大的非光化學猝滅并且增加能量耗散[15]。

2.4 編碼與PA代謝相關的關鍵酶的基因

在高等植物中，存在ADC和ODC基因和其他基因，例如編碼SAM生物合成催化酶SAM合酶的基因和編碼SAMDC的基因[16]。Urano等確認了8種參與擬南芥中PAs生物合成的基因。根據脅迫的不同，植物表達不同的基因，例如，在寒冷條件下，AtSAMDC2 mRNA增加，而在滲透脅迫下，AtADC2和AtSPMS mRNA增加。同樣，基因表達具有器官特異性，表明了PA在有性生殖和植物發育過程中的重要性。

迄今為止，只有3個完整的大型藻類基因組已完全測序。與基因的表達編碼以及PA代謝相關的酶在正常生長和繁殖的條件下的大型藻類中尚未有詳細研究，也沒有在脅迫應激下的大型藻類中進行研究。在單細胞綠藻中，例如萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)，盡管已經檢測出前體合成酶AIH和N-氨基甲酰基PUT酰胺水解酶的基因，但還沒有發現與其他生物體ADC基因具有顯著同源性的基因。

3 外源多胺對藻類生長的影響

Lee & J gensen在1995年[17]研究發現，外源多胺可以被動物、植物、海草、細菌以及浮游植物吸收利用，它們是溶解有機氮庫的重要貢獻者。浮游生物大量繁殖時水體中多胺量明顯升高，其生長代謝等生命過程都會向水體中釋放一定量的多胺；人為向水體中釋放多胺是水體中多胺的另一個重要來源，例如養殖場等高腐敗蛋白廢水排入水體。外源多胺在植物體中的影響研究比較普遍，早在1995年檀建新等就發現給玉米幼苗施加亞精胺會增加其抗旱能力。周玉萍等給香蕉施加外源亞精胺可以可增強過氧化物酶的活性，提高其抗寒能力。高濃度的2-苯基乙胺對中肋骨條藻生長起明顯抑制作用，而對塔瑪亞歷山大藻生長卻起到顯著的促進作用[18]。中肋骨條藻在鎘和銅脅迫條件下生長受到抑制，而添加多胺有利于促進其生長[19]。

4 結語

與高等植物相比，藻類中通常含有高等植物中不常見的多胺，但一般情況下多胺在藻類和高等植物中的作用類似。多胺貫穿藻類生長過程，藻類通過調節體內多胺的量調節自己的生理代謝、應對不同的逆境脅迫。目前，國內對于多胺在藻類中的影響方面的研究較少，多胺在藻類生長過程中的作用與機理還需進一步研究。