褪黑素在植物抵御逆境脅迫過程中的作用

王春林,王風琴

(1.隴東學院農林科技學院,甘肅慶陽 745000;2.隴東學院生命科學與技術學院,甘肅慶陽 745000)

生長在自然界中的植物,經常會受到物理、輻射性、化學、溫度及水分等非生物脅迫和病蟲害及雜草等生物脅迫的影響,逆境條件下,植物體內活性氧生成量增加,而清除能力降低,使細胞內活性氧累積且超過傷害閾值,引起膜脂過氧化加劇及葉綠素和核酸等生物功能分子破壞,導致細胞膜結構完整性破壞,選擇透性喪失,電解質及某些小分子有機物大量滲漏,細胞質的交換平衡被破壞,引起一系列生理生化代謝紊亂,短時間脅迫解除后,植物可繼續生長,長時間脅迫可引起植物死亡。因此,研究外源物質在植物抗逆生理方面的作用,對農業生產具有重要的意義。

褪黑素,化學名稱為N-乙酰基-5-甲氧基色胺,是色氨酸的吲哚衍生物,1958年科學家從牛的松果體中首次發現,因其能使蝌蚪皮膚由黑色變成淺白而命名為褪黑素[1]。經過30多年研究,科學家陸續從其他動物、植物和細菌中發現了褪黑素。在高等植物許多器官中都含有褪黑素,其含量因植物種類和器官不同而異,一般情況下,種子>葉>根>花>果實[2]。褪黑素與植物激素吲哚乙酸(IAA)有相同的前體物質和相似的化學結構,二者也有部分相同的生理功能。研究表明,褪黑素作為植物生長調節劑,具有促進種子萌發[3],調控植物生長發育[4],調控果實生長發育、促進采后果實成熟和延緩果實衰老等作用[5],尤其參與植物對逆境響應的調節,能夠提高植物對非生物脅迫的抗性。近年來,褪黑素在作物抗逆性方面研究成為一個熱點,人們對褪黑素在糧食作物、經濟作物、蔬菜、牧草、花卉等從抗旱性、抗鹽堿性、抗冷性、抗重金屬方面做了大量研究。筆者就褪黑素在植物抗逆過程中生理生化方面的影響進行綜述,以期為該領域研究提供相關信息。

1 褪黑素與植物抗旱性

100 μmol/L褪黑素可提高干旱脅迫下棉花種子發芽能力[6];褪黑素可明顯改善PEG處理模擬干旱脅迫下小麥種子的發芽狀況,以300 μmol/L為有效濃度[7],說明褪黑素在緩解干旱脅迫對種子萌發的影響存在劑量效應,其有效濃度因作物種類而異。馬旭輝等[8]研究表明,施加褪黑素顯著提高玉米幼苗根長、根表面積、根體積和側根數目等根系參數。王貞升[9]研究了不同濃度的褪黑素對干旱脅迫下青綠薹草幼苗根系形態結構的影響,結果表明,根施100 μmol/L褪黑素20 d時可顯著緩解干旱對根系結構的影響,且根系解剖指標最優、結構完整、染色體較為清晰。褪黑素可以緩解水分虧缺對春小麥葉片造成的傷害,維持了較高的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量,緩解了干旱脅迫下光合能力的下降,主要通過提高葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度來實現[10]。張明聰等[11]在大豆試驗中也得到了相似的結果。趙成鳳等[12]進一步研究發現,褪黑素提高干旱脅迫下玉米葉片光合速率,主要是通過提高2個光系統量子產額,并降低葉片光系統I的非光化學能量耗散的量子產額。干旱脅迫下褪黑素對大豆鼓粒期葉片碳氮代謝調控的途徑分析表明,褪黑素通過調節氨基酸代謝和淀粉蔗糖代謝途徑,促進干旱脅迫下β-葡萄糖苷酶基因表達,提高了 L-天冬酰胺和6-磷酸葡萄糖代謝物的含量,最終提高了大豆的抗旱性[13]。

2 褪黑素與植物抗鹽堿性

土壤鹽堿化是制約農業生產和生態環境惡化的全球性問題。鹽堿混合脅迫下,作物面臨著高pH、滲透脅迫和營養失衡等多重傷害[14]。外源施用褪黑素可有效緩解鹽堿對植物造成的傷害,提升作物抗鹽堿能力。左月桃等[15]研究發現,200 μmol/L褪黑素可顯著緩解鹽堿脅迫下小黑麥種子萌發滯緩現象,增加地上部分和地下部分生物量,增加葉片和根系保護酶和抗氧化活性,通過提高小黑麥抗氧化系統的運行效率[主要提高抗壞血酸(AsA)/脫氫抗壞血酸(DHA)和還原性谷胱甘肽(GSH)/氧化性谷胱甘肽(GSSG)比值]和抗氧化能力提高其抗鹽堿能力。褪黑素也可以通過減少高硝酸鹽引起黃瓜幼苗體內硝態氮和銨態氮的積累,提高硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶、谷氨酸脫氫酶等與氮代謝相關酶的活性,促進黃瓜葉片氮同化,提高氮代謝[16]。硝酸鹽脅迫下,100 μmol/L褪黑素處理亦可提高番茄幼苗葉片中脯氨酸、游離氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖等滲透調節物質含量,有效緩解硝酸鹽對細胞質膜的傷害,從而增強植株的抗鹽堿性[17]。

葉片解剖結構方面,有研究發現外源褪黑素可以增加鹽堿脅迫下越橘葉片、上、下表皮、柵欄組織和海綿組織厚度,比鹽堿脅迫下依次增加34.81%、34.11%、92.48%、35.11%、30.74%,表明改變葉片結構,增強越橘對鹽堿環境的適應性,以200 μmol/L為最佳濃度[18]。

光合作用方面,褪黑素處理可有效緩解鹽堿脅迫引起越橘葉片光合色素含量的降低,200 μmol/L褪黑素處理可使越橘葉片光合色素含量恢復無鹽堿脅迫水平,提高了葉片凈光合速率(Pn)[18],范海霞等[19]在研究褪黑素對鹽脅迫金盞菊的光合及生理特性的影響中得到了相似的結論。對黃瓜和越橘的研究顯示,褪黑素可提高葉片Fv/Fm和Fv/Fo,維持葉片內在光能的轉化和利用過程,維持PSⅡ光化學活性,提高光能轉化率[16,18]。褪黑素雖然能夠緩解鹽堿脅迫對植物光合能力的下降,但是不能使其恢復到正常的水平。

3 褪黑素與植物抗冷性

溫度是影響植物生長發育的最主要因素[20],高于或者低于植物生長的最適溫度都會使植物的生長和發育過程受到障礙。大量研究表明,褪黑素可以減輕低溫對于作物造成的傷害。李賀[21]在研究褪黑素對大豆苗期低溫脅迫抗性調控中發現,褪黑素處理可促進大豆苗期的生長發育,增強幼苗抗冷性的同時,通過提高抗氧化系統酶活性和滲透調節物質含量,正向調控抗氧化系統和滲透調節系統,使植物細胞在低溫脅迫下維持正常的功能,保證光合作用的正常進行,促進大豆幼苗正常生長和干物質的積累。李欠敏等[22]、唐鴻呂等[23]在研究褪黑素對低溫脅迫下大白菜幼苗、甘藍幼苗生長及生理特性上也得到了類似的結論。

在信號轉導和調節內源激素水平方面,在大豆抗冷性上研究表明,褪黑素處理提高了信號物質NO、Ca2+含量,增強NO、Ca2+信號轉導,誘導一些與抗低溫相關基因的表達,提高大豆幼苗的抗冷性[21]。植物激素在低溫脅迫應答中具有重要作用,褪黑激素顯著上調了水楊酸(SA),乙烯(ETH)和茉莉酸(JA)信號轉導的基因,促進內源激素 SA、JA、IAA 水平升高,促進幼苗生長發育,同時降低了脫落酸(ABA)、乙烯(ETH)和赤霉素(GA)水平[21]。對褪黑素處理抑制低溫脅迫下內源ABA和ETH含量的增加,Fu等[24]在不同冷敏感黑麥草上,Nicols等[25]在羽扇豆中得到了相似的結果,但對于外源褪黑素對低溫條件下植物體內GA含量的變化,Li等[26]在西瓜的耐冷性研究中卻有相反的結果。對于褪黑素誘導植物耐冷性過程中內源GA到底升高還是降低,還需進一步研究。

褪黑素可以通過維持逆境條件下植物一定的生物節律性來增強植物對逆境脅迫的適應性。趙毅[27]研究了在低溫條件下,褪黑素對模式植物擬南芥生物鐘基因和抗氧化基因的節律性表達模式的影響,發現10 μmol/L的褪黑素可以通過改善細胞內的氧化還原穩態,進而與過氧化還原蛋白A(Prx-A)基因協同維持或重建關鍵生物鐘基因CCA1、TOC1和抗氧化酶基因CAT2的節律性表型;在生理水平上,褪黑素通過誘導抗氧化酶的活性,協調生長和抗逆反應之間的能量分配來提高擬南芥的低溫耐受性。

研究表明,褪黑素可以通過調節光合效率提高番茄對低溫抗性,外源褪黑素處理顯著提高光合氣體交換速率、光系統活性和電子傳遞;也可以誘導與光合作用和葉綠體質量相關的基因和蛋白表達,包括423個基因、77個蛋白質上調表達,115個基因、49個蛋白質下調表達。通過研究獲得番茄褪黑素分解酶基因M3H的過表達T1代材料發現,其Fv/Fm和Pm在常溫和低溫下均顯著低于褪黑素處理的材料,且光合色素含量顯著降低表明過表達M3H降低了番茄光化學反應效率[28]。

4 褪黑素與植物抗重金屬性

土壤中重金屬污染可影響植物正常生長發育,并且可以通過食物鏈進入人體,危害人體健康。近年來,關于褪黑素提高植物抗重金屬能力已有眾多報道,研究表明,褪黑素不但可以緩解小白菜[29]、水稻[30]、豌豆幼苗[31]、葡萄扦插苗[32]、紫蘇[33]、大頭菜[34]、番茄[35]、黑麥草[36]、豆瓣菜[37]對重金屬鎘(Cd)的脅迫,還可以提高狗牙根[38]、莜麥[39]對重金屬鉛(Pb),油菜對重金屬鋁(Al)[40],西瓜對重金屬釩(V)[41]的耐性。

大量研究結果表明,褪黑素可以提高重金屬脅迫下種子的發芽率,增加植物地上部和根系的生物量,增加光合色素含量[30,40,42]。褪黑素處理可以通過提高植物葉片抗氧化保護酶系活性,增加抗氧化物質含量來減少膜脂過氧化程度,同時提高脯氨酸、可溶性蛋白等滲透調節物質含量來提高對重金屬的耐受性。在Pb脅迫下,褪黑素處理后增加了狗牙根幼苗二醛酶系統(GlyI 和 GlyII)的活性,從而減少甲基乙二醛積累造成的毒害[38]。賀瑾瑾[39]研究發現,鎘、鉛脅迫下外施褪黑素后,莜麥幼苗葉片中的脂質過氧化物酶基因LOX表達量卻開始下調,但POX的基因表達量、促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)級聯反應中的基因、轉錄因子NAC和WRKY1得到顯著上調,表明在鎘、鉛脅迫下莜麥幼苗的MAPK會介導H2O2信號轉導通路,提高抗氧化酶活性,同時調控與重金屬脅迫相關的基因的表達緩解莜麥幼苗生長過程中的重金屬形成的不利環境。

關于褪黑素對重金屬積累和運轉方面,研究表明,200 μmol/L褪黑素浸種能夠顯著降低豌豆幼苗對鎘的吸收[31],小白菜葉片噴施褪黑素可影響其Cd吸收和轉運相關基因的轉錄來降低對小白菜Cd的積累[29],姚歡等[34]在褪黑素對大頭菜幼苗生長及鎘積累的影響研究中也得到了同樣的結果。但Md Kamrul Hasan[35]研究發現,褪黑素可顯著降低鎘脅迫下番茄葉片Cd含量,但對根系Cd含量沒有影響,而王均等[32]研究發現,褪黑素浸枝雖可促進葡萄的生長,但也造成鎘的積累,因此,關于褪黑素對植物體內重金屬積累和運轉的影響因植物種類和器官而異。有研究表明,褪黑素可以通過改變紫蘇根系形態和解剖結構,比如根系長度變長,中柱變細,皮層占比增加,同時通過增加鋅和鐵元素吸收,降低紫蘇根系對鎘的吸收以及向地上部位的轉運[33]。也有研究表明,褪黑素可改變油菜Cd和Al的積累部位,增強了細胞壁和可溶性部分 Cd 和 Al 的含量,減少了液泡和細胞器部分的含量[40]。但在番茄上研究發現,褪黑素增加了細胞壁、液泡中的Cd含量,將Cd局限在液泡中以對抗Cd對植物的傷害[35]。

5 展望

褪黑素作為植物新的生長調節物質,近年來已成為研究熱點。目前發現其在非生物脅迫過程中起著調節細胞滲透勢、保護細胞膜、清除活性氧自由基等作用,作為信號分子誘導非生物脅迫應答基因來提高植物抗逆性。褪黑素在植物逆境脅迫方面的研究取得了較多進展,但對于褪黑素提高非生物脅迫抗性的作用機制和相關的信號通路之間的關系還有待進一步探索。在今后的研究中,一方面,可應用現有的研究結果,通過轉基因技術,選育高褪黑素含量的作物品種,以提高植物的抗逆性;另一方面,可將實驗室研究與實踐生產有效結合起來,以期盡快在生產中應用,將科學研究轉化為現實生產力。