在抗性條件下脯氨酸積累對苔蘚植物的作用

謝強 陳莉

摘? ? 要：簡要介紹了脯氨酸在苔蘚植物體內的積累機制與途徑，并對當前在不同抗性條件下苔蘚植物體內脯氨酸含量變化對苔蘚植物抗逆性影響研究進行總結。

關鍵詞：脯氨酸;苔蘚植物;抗性

苔蘚植物能夠在土壤、巖石、樹干、腐木等不同土壤基質上生長，是生態系統中不可缺少的植被成分，用途廣泛，在物質循環、防止水土流失、鑒定空氣污染程度、制作園藝景觀等方面都有著重要的應用[1]。但因苔蘚植物體型微小，目前被人類熟識并開發利用的種類有限。全球各地區均有苔蘚植物存在，其生存環境存在顯著差異。要在區域內長期生存，需滿足其生理特性，可利用苔蘚植物體內的脯氨酸檢驗驗證其在脅迫條件下的抗逆能力。脯氨酸以游離形式存在苔蘚植物中，是構成植物蛋白的氨基酸。作為溶解度最高的氨基酸，在5℃時，100g水中可溶性脯氨酸約為16g[2]。當植物處于不利條件下，如在干旱、高鹽等條件下，苔蘚植物體內脯氨酸較適應環境更多積累。脯氨酸具有高度可溶性、高度親水性和無毒性。它在細胞內的積累不會干擾細胞內正常的生理生化反應，能穩定植物原生質體膠體和組織的代謝過程，從而降低冰點，抵抗不利條件對苔蘚植物造成的傷害。低溫下，苔蘚植物脯氨酸含量增加，可提高植物的抗寒性[3]。植物體內積累的脯氨酸在穩定生物大分子結構、 降低細胞酸性、解氨毒和調節細胞氧化還原反應等方面具有重要作用，可作為植物體內的胞質滲透調節劑、 細胞結構保護劑、自由基清除劑、逆境脅迫信號物質，并參與氮代謝和能量代謝[4]。在干旱、鹽脅迫、高溫和銅脅迫下，利用脯氨酸試驗驗證其抗逆性，苔蘚植物脯氨酸含量顯著增加。因而苔蘚植物脯氨酸含量的變化在一定程度上反映了苔蘚植物的抗性?？鼓嫘詮姷奶μ\植物在逆境下大量合成脯氨酸。

1? ? ?脯氨酸積累機制

脯氨酸可在苔蘚植物體內進行合成、代謝、轉運，在脅迫條件下，脯氨酸大量積累，脯氨酸合成與轉運途徑是植物逆境條件下植物信號轉導作用導致的。

1.1? ?合成與降解途徑

在脅迫條件下，大多數植物中脯氨酸累積大多受P5CS酶的活性調控，脯氨酸在細胞質中合成，根據初始底物不同，可將脯氨酸合成途徑分為2種：一種是谷氨酸途徑，初始底物是L-Glu，可以通過2個步驟持續還原為脯氨酸，其中間產物為δ-吡咯啉-5-羧酸（P5C），催化反應的酶為P5CS和P5cr。另一種為鳥氨酸途徑，起始底物為L-Orn，GSA通過轉氨作用生成，然后P5C生成，最終被P5CR還原成脯氨酸，起催化作用的酶為δ-OAT。在滲透脅迫和低氮條件下，谷氨酸途徑占優勢，而在非脅迫和高氮條件下，鳥氨酸途徑占優勢。脯氨酸在苔蘚植物體內的降解途徑基本為合成途徑的反向過程[5]。

1.2? ?轉運途徑

苔蘚植物體內脯氨酸累積主要靠外源脯氨酸，脯氨酸轉運蛋白將脯氨酸轉運到植物體特定位置，屬于AAP（amino acid/auxin permease）基因家族，是典型的Na+依賴型亞氨基酸轉運蛋白[6]。

2? ? ?脯氨酸含量的測定

苔蘚植物脯氨酸含量可作為檢測其抗逆性最直接的生理指標。在脅迫條件下，大多抗逆性強的品種積累較多的脯氨酸，當苔蘚植物處于抗逆條件下時，苔蘚體內脯氨酸的含量顯著增加。張殿忠等[7]利用磺基水楊酸方法對苔蘚植物的脯氨酸含量進行測定，用磺基水楊酸提取植物樣品，脯氨酸從植物體內游離出溶液中，利用酸性茚三酮進行加熱處理，溶液即成紅色，再用甲苯處理，所得產物顏色可表示脯氨酸含量，色素的深淺即顯示出脯氨酸含量的大小，也可利用分光光度計在520nm處比色，即可得到苔蘚植物中脯氨酸含量。還可利用微透析法提取植物體內的脯氨酸含量，對樣品高倍稀釋再通過衍生化法，與高精細的HPLC儀檢測，既可對苔蘚植物體內的脯氨酸進行測定[8]。

3? ? ?抗性條件下脯氨酸含量的變化

3.1? 鹽脅迫

苔蘚植物因在高鹽度生境而受到的高滲透勢的威脅影響其正常的生長代謝。在植物體內生理發生變化所帶來的應激反應，脯氨酸和蛋白質保護酶等會大量分泌以維持苔蘚植物正常的代謝機制。鹽脅迫為非生物因素脅迫。在鹽度較高的地區苔蘚植物的生長繁殖受到較大威脅，因而為高鹽度地區開發利用耐鹽脅迫的苔蘚植物較為迫切。為應對高濃度的鹽脅迫植物體內有與鹽脅迫相關的基因和調節機制，一些基因的上調表達就是指表達量增加，相應的蛋白產物也增加，以此來度過高鹽情況對植物可能產生的不利影響[9]。根據洪春桃等[10]以大灰蘚進行鹽脅迫的試驗結果表明：不同濃度的鹽脅迫，會顯著提高大灰蘚植物體內脯氨酸含量，鹽脅迫還造成光合色素的降解、丙二醛的積累和保護酶活性的升高，在200mM鹽處理下，外施20mM脯氨酸使植物脅迫的各項生理指標穩定在50～100mM鹽處理水平。因此，外源脯氨酸可以通過減輕光合色素降解以維持植株正常的光合作用，進而穩定保護酶活性，從而降低活性氧的產生速率，減緩丙二醛的積累來提高植物在逆境下的抗性，使苔蘚植物在不利環境下的適應能力增強。

3.2? ?干旱脅迫

干旱脅迫對苔蘚植物生長具有很大的影響，水是其生長代謝必不可少的介質和原料。在水分不足情況下苔蘚植物的敏感性變強，在形態上發生改變以維持水分。但干旱時間較長，苔蘚植物則表現為干枯形態。當其在遇到水分時會迅速恢復生機，植株形態恢復正常，生長代謝旺盛。但干旱使植物正常生長發育受到一定程度影響。在我國部分地區降水量較少，氣候較為干燥，苔蘚植物的生長受到干旱的威脅。不同苔蘚植物的抗旱性不同，為選擇干旱脅迫生長良好的苔蘚植物進行育種，測定它們體內脯氨酸含量是一種很直觀的方法。高旭[11]對15種苔蘚植物進行干旱脅迫處理，對苔蘚植物體內脯氨酸含量測定，并進行了主成分分析。對15種苔蘚植物的抗旱性指標進行了分類，每種苔蘚植物的抗旱性由大到小依次為：葫蘆蘚>泥炭蘚>真蘚>小墻蘚>大灰蘚>山地墻蘚>仙鶴蘚>狹葉小羽蘚>刺葉墻蘚>黑扭口蘚>提燈蘚>大帽蘚>曲柄蘚>小葉蘚>鳳尾蘚。設立干旱脅迫條件從而篩選出在干旱條件下生長良好的苔蘚品種，對干旱區生態演替困難的問題提供了新的種植方向。

3.3? ?銅脅迫

我國是一個工業生產大國，與之對應的是帶來了環境壓力。在科技發展的同時，工業化生產增加了土質和水中銅含量，當銅過量時，易造成土壤重金屬銅含量的超標，銅作為苔蘚植物生長發育所必需的微量礦物質元素，參與構成植物體內代謝酶所必需的成分，促進酶催化，而且還作為有效電子供體與受體存在于諸多氧化還原反應的蛋白質活性位點上[12]，在光合作用、呼吸作用、抗氧化作用、細胞壁代謝和激素反應等方面起著重要的作用，會威脅破壞植物所處的生存環境。通過銅脅迫對苔蘚植物體內脯氨酸含量的變化進行探究。霍塏[13]以果灰蘚和叢本蘚為材料，采用室內模擬培養方法，研究了銅脅迫對2種苔蘚植物生理生化特性的影響。結果表明，在Cu2+的作用下，苔蘚植物和苔蘚植物體內與逆境密切相關的物質和保護酶發生了一系列變化，并存在明顯的量效關系和時效關系。隨著濃度和處理時間的增加，游離脯氨酸和丙二醛含量逐漸增加。說明面對銅量的增加，苔蘚植物體內的脯氨酸含量也隨之增加，對苔蘚植物生理機能起保護作用。

3.4? ?溫度脅迫

當環境溫度超過苔蘚植物適溫區，就會對苔蘚植物產生溫度脅迫，溫度高于、低于適溫區或產生劇烈變溫都會損傷苔蘚植物內正常生理生化反應。長期溫度脅迫，則會對苔蘚植物產生不同程度的損害。對苔蘚類植物來說，致死高溫一般為85℃～110℃，因而通過脯氨酸含量的變化來選擇耐高溫的苔蘚植物品種具有深遠的意義。賈宇婷等[16]以砂蘚和毛尖紫萼蘚為材料，研究了高溫脅迫對其細胞膜透性、保護酶活性和滲透調節物質的影響，探討了2種苔蘚植物對高溫脅迫的適應性。結果表明，隨著脅迫溫度的升高，毛尖紫萼蘚的脯氨酸含量一直持續上升，而砂蘚的脯氨酸含量在一定程度內出現下降。由此可見不是所有苔蘚植物體內的脯氨酸含量都能隨著溫度脅迫強度增加而增加的。通過選擇耐高溫脅迫的苔蘚品種可以更加適應環境的變化。而脯氨酸含量的增加能使苔蘚植物更加適應高溫脅迫帶來的威脅，抗逆性強。對于溫度的適應，應該是苔蘚在溫度脅迫下具有適合溫度變化的光合作用機制和呼吸作用機制。因此，對苔蘚植物在高溫逆境環境下，既可以通過形態上的變化來降低水分的散失，也可以通過生理上脯氨酸含量的增加來應付高溫環境的危害[16]。

4? ? ?討論

苔蘚植物是物種多樣性的重要組成部分，其在大自然扮演開拓土地維系水分等重要角色。在人類生活中，苔蘚植物在園藝和微縮景觀設計有著巨大價值。將苔蘚植物作為綠化工程選項已是進行時。但對苔蘚植物的利用還面臨著生境的差異性，對苔蘚植物抗逆性的研究是其必要的前提保證。而脯氨酸作為植物體抗逆性重要的蛋白質，以脯氨酸積累為指標的抗逆性研究已應用在各種植物領域。對在抗逆條件下苔蘚植物脯氨酸含量的變化進行探討研究，發現在鹽脅迫、干旱脅迫、銅脅迫和高溫脅迫條件下，抗逆性強的苔蘚植物脯氨酸含量明顯增加。研究的重點是探究苔蘚植物脯氨酸積累在脅迫作用下與其抗逆性的關系，苔蘚植物脯氨酸含量在抗逆條件下的增減可在一定程度上反映苔蘚植物的抗逆性。大多數抗逆性強的苔蘚植物能在脅迫條件下合成更多游離脯氨酸。以脯氨酸為生理指標研究苔蘚植物的抗逆性，為不利環境的恢復和開發、維持生態系統平衡、解決生態經濟問題等方面提供了科學依據。

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