甜菜堿對植物鎘脅迫抗性影響的研究進展

王潔敏，陳祖武，陳英姿，苗雪雪,龔浩如，陶曙華

（湖南省水稻研究所，農業農村部長江中下游秈稻遺傳育種重點實驗室，湖南 長沙 410125）

鎘（Cd）是一種植物和人類非必需元素，但廣泛存在于土壤中。金屬鎘不溶于水，但其多種化合物溶于水，且易被植物吸收和轉運，在作物體內富集并隨食物鏈的傳遞危害到整個生物圈及人類健康。根據我國2014 年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》[1]顯示，全國土壤污染物總超標率為16.1%，以無機型污染物為主，而其中鎘污染占比最重，高達7.0%，且重度污染點位比例遠高于其他無機污染物。20 世紀60 年代，日本人長期食用鎘污染水稻（Oryza sativa）最終導致骨痛病，而前幾年的湘米鎘超標事件給湖南大米加工企業帶來巨大影響[2]。由此可見，鎘污染嚴重危害人類健康及損害經濟。此外，鎘通過影響某些重要的生理生化過程嚴重抑制植物的生長及發育[3]。

甜菜堿是廣泛分布在微生物、高等植物、動物中一種無毒性的滲透調節劑，具有較穩定的理化性質。多項研究表明，在逆境脅迫下，植物體內通過誘導甜菜堿及脯氨酸等小分子物質，提高細胞的滲透調節能力，降低因滲透失水造成的膜、酶、蛋白質結構與功能的損傷，從而提高植物的抗逆性。但某些植物如水稻、番茄(Solanum lycopersicum)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)等體內自身不能合成并積累甜菜堿，人們通過異源表達其他物種的甜菜堿合成基因或外源施加甜菜堿的方式來提高植物的抗逆性。甜菜堿緩解農作物受重金屬脅迫的研究日益引起關注，文中將國內外甜菜堿對植物鎘脅迫抗性的影響研究結果做一綜述。

1 甜菜堿對植物響應鎘脅迫的影響

許多研究發現，甜菜堿可緩解植物鎘毒害。在5 μmol/L Cd 水培條件下，對Cd-敏感型及Cd-耐受型兩種基因型煙草(Nicotiana tabacum)葉面噴施500 μmol/L 甜菜堿，其體內Cd 積累顯著降低，有效緩解了鎘脅迫對煙草株高及根長的抑制作用，且對Cd-耐受型Yunyan2 的效果更好。他們還發現甜菜堿可使煙草在遭受鎘脅迫時維持葉/根細胞超微結構的完整性[4]。在煙草培養細胞BY-2 中也獲得了相似結果[5]。Rasheed[6]等通過盆栽試驗研究發現，外施甜菜堿可顯著減輕鎘脅迫兩個春小麥(Triticum aestivum)品種生長抑制。施加適宜濃度的甜菜堿可提高鎘脅迫下黑麥草(Lolium perenne)的草坪品質、歸一化相對蒸騰速率、地上部分生長速率，可降低地上及地下部分Cd 的積累[7]。張根生等[8]發現外施甜菜堿后，超黑糯玉米(Zea mays)幼苗各器官的生長狀況顯著優于單獨Cd 處理組。路旭平等[9]發現葉施和根施30 mmol/L 的外源甜菜堿均可提高鎘脅迫下紫花苜蓿（Lotuscorniculatus）種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數，幼苗的根長、株高增加值、根冠比、莖葉含水量。甜菜堿醛脫氫酶（BADH）是甜菜堿合成途徑中的一個關鍵酶，該酶由BADH 基因編碼，Shao 等[10]利用轉BADH 基因的水稻研究發現，鎘脅迫下轉基因植株的地上/地下部分鎘含量顯著低于其野生型對照。另有文獻表明，施加甜菜堿可明顯緩解鎘脅迫對綠豆（Vigna radiata）幼苗[11]、水稻幼苗[12]及棉花幼苗（Gossypium）[13]生長的抑制作用。

然而在亞熱帶地區熱季對含Cd 土壤培養的盆栽莧菜（Amaranthus tricolor）施加甜菜堿，地上/地下部分的Cd 積累及Cd 轉運系數均高于對照組，這可能是因為甜菜堿促進了光合作用，增加了根際土壤中可溶性糖、溶解性有機碳及低分子量有機酸的含量，為根際微生物提供更多營養從而調動更多Cd 供植物吸收。另外施加甜菜堿能顯著增加葉片中葉綠素及果膠的含量，這使得植株對Fe、Mg、Ca 的需求增加，而大量的Cd 借助這些重金屬離子的轉運通道被運送至植物體內。該項研究暗示在亞熱帶地區熱季外施甜菜堿會加重莧菜植株所受到的鎘脅迫作用[14]。雷永康等[15]研究了在鹽脅迫下外源甜菜堿對莧菜吸收累積重金屬的影響，結果發現葉面噴施甜菜堿顯著增強了莧菜對Ca、Mg、K 等鹽分離子的轉移，Fe、Zn 離子的吸收和Ca 通道的開啟，這有助于Cd 等非必需重金屬元素借助這些鹽離子通道或載體進入植物體內，導致植株體內Cd 含量增高。

2 甜菜堿影響植物鎘脅迫抗性的調節機制

2.1 甜菜堿在鎘脅迫下增強植物光系統的保護，提高光合速率

多項研究表明，鎘抑制植物光合作用，顯著降低多種植物的光合速率。高濃度鎘抑制5-氨基乙酰丙酸的合成及光敏原葉綠素酸酯還原酶復合體的組成，從而導致植物葉片中葉綠素含量降低[16-17]。鎘破壞葉綠體膜系統的完整性、葉綠體結構而導致其功能受影響[18]。鎘還可與蛋白質中的巰基結合，取代鋅鎂等元素，使光合作用中關鍵酶結構發生變化，導致其失去活性[19]。鎘脅迫下植物往往表現氣孔導度（Gs）及胞間CO2濃度下降，影響光合作用的暗反應[20]。此外，鎘脅迫下植株蒸騰速率下降，蒸騰拉力減弱，導致水分運輸受阻，葉片中由于水分供應不足抑制原初反應[21]。這些結果最終導致植物在遭受鎘脅迫時凈光合速率明顯下降。

近年來，多項研究表明甜菜堿可以有效緩解鎘脅迫對植物光合作用的破壞。外施甜菜堿可提高小麥葉綠素a 和葉綠素b 的含量[22]，在春小麥中也得到相似結果[6]；用100 μmol/L 甜菜堿預處理可以將鎘脅迫的水稻幼苗葉綠素a、b 的含量恢復到對照組[12]；對鎘污染土壤中的莧菜葉面噴施5、10、50 mmol/L 甜菜堿，處理后莧菜葉片中的葉綠素含量均高于為處理組[14]；外源甜菜堿能夠提高鎘脅迫下煙草葉片葉綠素含量SPAD 值，甜菜堿同時是PSⅡ的有效穩定劑，噴施甜菜堿有效緩解了Cd 處理后煙草葉片熒光參數的下降[5]；在0.5 mmol/L Cd 處理下，轉BADH 煙草在鎘脅迫下積累的甜菜堿能使植株維持較高的葉綠素含量，降低鎘脅迫對葉肉光合機構的破壞、減少氣孔導度的降低從而維持較高的胞間CO2濃度，同時緩解了鎘脅迫對PSⅡ電子傳遞的抑制，維持較高的PSⅠ活性，提高光合速率[23]。張根生[8]研究發現，外源施加甜菜堿時，鎘脅迫下超黑糯玉米植株一系列光合參數指標、最大光合效率及葉綠素含量均顯著提高。綜上所述，甜菜堿可以減少鎘脅迫對葉綠體結構遭受破壞，促進葉綠素的合成，減輕鎘對電子傳遞的抑制。此外，甜菜堿可保護和維持植物亞細胞結構、大分子蛋白質等復合物的高級結構、生物膜的穩定，如甜菜堿可保護PS Ⅱ顆粒[24-25]，水分脅迫下甜菜堿可進入類囊體膜間腔穩定光合機構[26]；體外和體內研究表明，甜菜堿可維持RuBP 羧化酶的活性[27]。因此，甜菜堿通過多種途徑提高植物在鎘脅迫下的光合效率，增強光合作用。

2.2 甜菜堿增強鎘脅迫下對活性氧的清除，緩解氧化脅迫

盡管Cd 不是氧化還原活性金屬離子，但會擾亂細胞內多個代謝平衡，從而造成植物體內積累大量的活性氧ROS，如超氧陰離子（O2-·）和過氧化氫（H2O2）[28]。過多的ROS 積累會對許多生物大分子如DNA、RNA、色素、蛋白質及脂質等造成實質性的傷害，進一步引起丙二醛MDA 和電子滲透率的增加，即反應出生物膜受到損傷[29-30]。多種植物研究表明，甜菜堿可以降低鎘脅迫積累的膜脂過氧化產物MDA 的含量，緩解植物體內的氧化脅迫。為抵御氧化脅迫的毒害，植物進化出一系列抗氧化保護酶，如超氧化物歧化酶（SOD），抗壞血酸過氧化物酶（APX），過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等。研究發現，在一定濃度的鎘脅迫下抗氧化保護酶顯著升高，更高濃度鎘脅迫下則降低[13,31-32]，這表明植物在面對嚴重的鎘脅迫時，自身的抗氧化酶不足以解除重金屬的毒性。甜菜堿可以通過間接提高抗氧化酶系統相關基因的表達，促進酶活的提高[7,23,33-34]，對ROS 的清除具有積極作用。對超黑糯玉米、紫花苜蓿外源施加甜菜堿，SOD、POD、CAT 酶活性均高于對應的鎘脅迫對照組[8-9]。轉BADH 煙草在鎘脅迫下抗氧化酶活性均高于野生型植株[23]。甜菜堿還可以通過調控抗壞血酸（ASC）-谷胱甘肽(GSH)循環幫助植物應對鎘脅迫。張根生等在研究超黑糯玉米時發現，在鎘脅迫下，甜菜堿可使植株體內維持較高的ASC-GSH 循環酶的活性、抗氧化劑ASC 及GSH 的含量，以此保護植株不受ROS 的損害。研究甜菜堿對鎘脅迫下煙草BY-2 細胞及綠豆ASC-GSH 循環的影響時得到類似結果[5,11]。因此，甜菜堿可通過增加總抗氧化劑及抗氧化酶活性，提高鎘脅迫下植株活性氧的清除能力，減輕氧化脅迫。

甜菜堿自身是一種良好的滲透調節物質，可迅速滲透到植物器官，提高細胞吸水或保水能力。此外，在植物遭受逆境脅迫時，甜菜堿可通過提高植物體內其他滲透調節物質，如脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白的含量，增強自身對不良環境的抵抗力[8,35]。

2.3 甜菜堿通過調節重金屬的積累維持植物體內營養元素的平衡

Cd2+能與土壤中的其他二價陽離子如Zn2+、Fe2+、Ca2+、Mn2+、Cu2+、Mg2+競爭交換位點。且植物沒有Cd 這種非必需元素的專門轉運體，一般Cd 的吸收和轉運需要借助Zn2+、Fe2+、Ca2+等離子的轉運體。當處在高Cd 環境時，Cd 降低植物對這些營養元素的吸收，且Cd 會抑制轉運體對金屬元素的裝載，影響植物螯合肽的形成，造成葉片和根系營養元素的缺乏。外施甜菜堿增加了玉米種子對Cd、Cr、Zn 等重金屬離子的吸收[36]，葉面噴施甜菜堿也顯著增強莧菜對重金屬元素Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 等離子的吸收和轉運[15]。可能是因為甜菜堿激活了Ca 離子的通道，改變了Ca、Mg、Na 等離子的吸收和轉移，增加了重金屬離子通過Ca 通道進入植物細胞的機會。同時，甜菜堿增加了Fe、Zn 的吸收，可促進重金屬Cd 通過Fe、Zn 的轉運通道進入植物體內[14-15]。而對水稻種子用甜菜堿預處理后再進行鎘脅迫，測定地上/地下部分重金屬元素的含量，結果發現處理后的植株Cd 含量顯著低于對照組，可能與甜菜堿降低了地上/地下部分Fe 含量相關。外源甜菜堿可提高根系質膜H+-ATPase活性，增加對K+的選擇吸收[37]，而K+的增加能抑制Cd2+進入植物體內[38]。封鵬雯等利用非損傷微測技術對煙草根尖的Cd2+進出進行檢測，發現鎘脅迫下，甜菜堿降低植株對Cd2+的吸收，同時加強Cd2+的外排。甜菜堿能夠降低鎘脅迫引起的K+的外流，維持較高K+含量，緩解鎘脅迫造成的毒害[23]。

3 展 望

盡管甜菜堿提高植物抗逆性的研究已取得一定進展，但與重金屬脅迫抗性尤其是與鎘脅迫的關系研究尚處于起步階段。關于甜菜堿滲透調節、保護功能的研究很多，但是在細胞及分子生物學水平上還需對其調控機制進行深入研究；關于外源甜菜堿對作物不同品種、同一品種的不同生育期、不同施加方式及最優作用濃度的選擇要予以細致探討；甜菜堿在提高植物重金屬脅迫抗性的同時，對其農藝性狀及產量是否有影響，還應將實驗室試驗與大田實踐結合，以期能夠應用在農業生產中。