多胺参与植物逆境响应过程的作用机理研究进展

向玥如 史端甫 冯怀章 倪萌 杨莉颖 贺利雄

摘   要：多胺是植物的一类生理活性物质，与植物生长发育和逆境胁迫抗性密切相关，强化多胺代谢活动可显著提高植物的综合逆境抗性。在简要介绍多胺组成成分及合成途径的基础上，概括了近年来多胺在植物逆境抗性响应机理中的研究进展。

关键词：多胺;逆境胁迫;相溶性溶质;抗氧化;活性氧;综述

中图分类号：Q945.78     文献标识码：A       文章编号：1006-060X（2014）02-0019-04

Advances in the Responding Mechanism of Polyamines to the Abiotic Stresses of Plants

XIANG Yue-ru1， SHI Duan-fu2， FENG Huai-zhang3， NI Meng3， YANG Li-ying1， HE Li-xiong1

（1. College of Bioscience and Biotechnology， HNAU， Changsha 410128， PRC; 2. College of Recourse and Environment， HNAU， Changsha 410128， PRC; 3. The Comprehensive Experiment Station， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830012， PRC）

Abstract： Polyamines （PAs） are a kind of physiological active substances in plants， and are closely related with plant development and its resistance to abiotic stresses; moreover， the comprehensive resistance to the abiotic stresses of plants can be enhanced significantly by intensifying the PAs metabolism. This paper briefly introduced the components and the synthesis way of PAs in plants at first， and then， it reviewed the latest advances in the responding mechanism of PAs to abiotic stresses of plants.

Key words： polyamines （PAs）; abiotic stress; compatible solute; antioxidant; reactive oxygen species （ROS）; review

多胺广泛存在于植物体内，与植物的生长发育及分化关系密切。在生理pH值条件下，植物多胺以多聚阳离子形式存在，通过离子键、氢键、疏水作用等非共价键，与细胞内的多聚阴离子如核酸、蛋白质（酶）、磷脂等生物大分子结合，稳定生物大分子的结构和构象，调节其生理活性，维持生物膜的稳定性[1];此外，多胺还通过对核酸结构及构象的影响，调节植物基因的转录和翻译[2]。研究表明，多胺与植物逆境胁迫响应密切相关，对植物逆境抗性具有调节作用[3]。文章对多胺在植物逆境抗性响应机理的研究进展进行了综述，以期为多胺增强植物逆境抗性机理的研究及应用提供参考。

1 植物的多胺

多胺（Polyamines，PAs）是植物所含的一类具生理活性的低分子量脂肪族含氮碱，常见的多胺有腐胺（Putrescine，Put）、尸胺（Cadaverine，Cad）、亚精胺（Spermidine，Spd）、精胺（Spermine，Spm）等，另外还有高亚精胺（Highspermidine，Hspd）、降亚精胺（Norspermidine，Nspd）、高精胺（Highspermine，Hspm）、降精胺（Norspermine，Nspm）和热精胺（Thermospermine，Tspm） 等稀有多胺;细胞内的多胺主要以游离态（Free）、化合态（Conjugated）和结合态（Band）3种形式存在。植物多胺生物合成有两条主要途径：精氨酸脱羧ADC途径和鸟氨酸脱羧ODC途径，合成所涉及的关键酶有SAMDC、ODC、ADC、SPDS和SPMS[4-5]（图1）。

2 多胺对植物逆境胁迫响应的作用机制

干旱、高盐、低温和病虫害等逆境胁迫，严重影响植物的生理代谢和生长发育。植物遭遇逆境胁迫时，主动发生适应性或形态学的变化，在生理生化、细胞和分子水平上响应非生物逆境胁迫、建立胁迫耐受机制。植物对逆境脅迫的响应是通过复杂的代谢网络和转录调控实现的，对外界环境胁迫产生耐受性的过程中涉及到诸多胁迫相关基因的表达、信号转导和代谢物的形成。近年来，有关多胺生理作用及其参与抗逆响应的作用机理的研究取得了较大的进展，可概括为以下5个方面。

2.1 多胺是高等植物逆境响应的调节物质

植物遭遇逆境胁迫时其生存保护的基本策略是主动调整自身代谢，强化专一的生理代谢，积累相溶性溶质。一方面，如改变质膜组成、细胞骨架等细胞物理结构，增加可溶性糖、脯氨酸、甜菜碱等细胞内源性保护物质含量以及提高抗氧化系统中酶的活性;另一方面，通过细胞内相溶性溶质清除活性氧、减轻氧化直接伤害或发挥分子伴侣的作用来维持蛋白质的结构和功能，保护植物免受伤害。

研究发现，植物遭遇逆境胁迫时，多胺生物合成关键酶的活性增大，植物逆境抗性的强化与多胺的积累同步;将多胺合成关键酶基因导入拟南芥、水稻、烟草、番茄、梨、甘薯等植物中，强化其多胺代谢系统，植物对盐、干旱、低温、渗透等逆境的抗性均显著增强[6-7]。逆境胁迫下植物体内累积的多胺与脯氨酸、甜菜碱等相溶性溶质有着非常相似的属性，如亲水性、保护生物大分子、活性氧清除剂、维护细胞内生理pH值等，而且在防治生物膜系统变性等方面，其保护作用明显强于脯氨酸和甜菜碱[8]。在遭遇逆境胁迫时，植物多胺、甜菜碱和γ-氨基丁酸（GABA）的生物合成代谢的响应类似[9]，而鸟氨酸（多胺ODC合成途径起始底物）可能是协调这三者合成代谢的调节物[10];逆境胁迫响应时多胺分解代谢亦与脯氨酸、甜菜碱的积累密切相关[11]。此外，生理条件下多胺作为酰基受体在谷氨酰胺转氨酶（Transglutaminase，TGase）的催化下，通过共价键与蛋白质交联结合，影响蛋白质带电性能、构象和功能。例如多胺通过蛋白质交联反应，使叶绿体D1、D2蛋白、细胞色素f和Rubisco活化酶具有更加稳定的结构以沉着应对逆境胁迫[12];叶绿体捕光色素蛋白LHC II、CP24、CP26和CP29与亚精胺的交联，增加了其带电数，更能满足光反应中心传递的生理需要，提高了逆境胁迫下的叶绿体光合活性[13]。

植物在自主抵抗遭遇的逆境胁迫时，多胺不仅与其他相溶性溶质一样有类似的保护功能，而且还与这些相溶性溶质有协同作用，在植物逆境抵抗体系的构建中起重要的推动作用，可以推断多胺是植物逆境抵抗体系中重要的生理物质。

2.2 多胺参与植物逆境下的抗氧化响应

活性氧（Reactive oxygen species，ROS）主要包括超氧阴离子（O2.-）、羟自由基（·OH ）、单线态氧（1O2 ） 和过氧化氢（H2O2）等，产生活性氧是植物遭遇逆境胁迫的常见反应之一。植物体内高浓度的活性氧直接氧化损伤细胞蛋白质、膜脂、DNA及其他细胞组分，导致细胞坏死，因此植物遭遇逆境胁迫时必须强化其活性氧清除系统的活性来减少活性氧的数量。

植物活性氧清除系统由抗氧化保护酶（SOD、POD、APX、CAT和GR等）和非酶性抗氧化物质（抗坏血酸、类黄酮、甘露醇及还原性谷胱甘肽等）组成。研究表明，多胺既能通过歧化反应直接清除活性氧[14]，又可通过提高抗氧化酶活性增加抗氧化物质的含量[15]，增强植物活性氧清除系统的能力，在遭遇逆境胁迫时降解过氧化氢，减轻细胞膜脂的过氧化损害，保护生物膜[16];同时，明显改善植物光合系统的低温耐性，维持光合系统PSII的活性，减少叶绿体电子传递链末端光合系统PSI 活性氧的产生[17]。NADPH氧化酶是植物细胞内产生ROS的主要酶之一，而多胺可抑制质膜NADPH氧化酶活性，减少过氧化氢的积累[18]。此外，多胺还可抑制逆境胁迫下DNA的氧化降解[19]。

因此，多胺通过提高植物活性氧清除系统活性来消除活性氧和减少活性氧的生成，保护细胞质膜、蛋白质及核酸等生物大分子，减轻活性氧的伤害、提高植物的逆境抗性。

2.3 多胺是一种植物逆境响应的“信号分子”

植物遭遇逆境胁迫时，感知和传导逆境信号，启动胁迫耐性相关基因的表达，主动强化相应的代谢活动来抵御逆境胁迫。代谢组和转录组的研究表明，植物的许多代谢物不仅在胁迫耐受中对细胞和生物大分子具有保护功能，还可作为信号分子参与逆境信号转导，加速植物的逆境响应。

脱落酸（ABA）是植物体内一种重要的“逆境激素”，植物遭遇逆境胁迫時显著增加内源ABA含量，以调节其生理应激反应（如氨基酸、可溶性糖以及多胺的积累）和抗性相关基因的表达。研究表明，逆境胁迫下积累的ABA一方面可通过上调多胺合成酶基因ADC、SPDS和SPMS的转录水平、强化多胺代谢，增强植物的逆境耐性[20-21];另一方面，植物应答逆境胁迫时，多胺与ABA转录水平上形成了“正反馈”调控机制，相互促进彼此的生物合成来共同应对植物逆境胁迫[22]。同时，在二胺氧化酶（Diamine oxidase，DAO）或多胺氧化酶（Polyamine oxidase，PAO）的催化下，多胺可氧化分解产生微量的H2O2和NO，作为信号分子强化细胞逆境胁迫信号的传导，活化逆境防御反应，从而改善植物逆境抗性[23]。由此可见，多胺代谢与ABA、H2O2、NO这3种信号分子的关系密切，在应对逆境胁迫方面相互关联、协同作用。

以上研究结果表明，遭遇逆境胁迫时，多胺可充当植物激素作用的媒介，通过与ABA互作，成为“第二信使”，进而调控植物逆境胁迫的防御反应，促进植物逆境抵抗体系的构建。

2.4 多胺对细胞膜离子通道和Ca2+平衡的调节作用

离子通道指细胞膜上由蛋白质分子组成的、对离子出入细胞有选择性的孔道，在形成、维持跨膜离子梯度和逆境信号传递等生理过程中起着重要作用。Ca2+作为高等植物细胞介导外界信号刺激反应以及调节多种生理过程的第二信使分子，在植物应答多种胁迫时，可通过激活或抑制细胞膜上的各种离子通道活性，使某些离子形成信号刺激，再通过对这些离子敏感的酶和功能蛋白来改变细胞内原有的代谢模式以及关联基因的表达水平，从而增强植物逆境抗性。

研究发现，生理pH下带正电荷的多胺分子与带负电荷的离子通道蛋白相互作用，可直接阻塞快、慢液泡通道，从而影响Ca2+的通透性，且阻塞程度与多胺分子携带的电荷量成比例（Spm 4+ > Spd 3+ >> Put 2+）[24];多胺还通过与14-3-3蛋白的互作来活化H+-ATPase，影响细胞膜电位，调节多种类型离子通道的活性[25]。此外，外源多胺处理可抑制Na+/K+的吸入或从液泡流入细胞质，减轻植物盐胁迫的伤害[26]。遭遇干旱胁迫时，野生型拟南芥积累的精胺（Spm）可激活Ca2+通道，提高细胞的Ca2+浓度，关闭气孔保水;而与之对应的精胺合成酶spms突变体，则由于精胺不足，导致Ca2+运输异常缺乏，气孔关闭失控，于是植株过度失水，对盐胁迫、干旱胁迫的抗性明显下降[27]。

以上研究结果表明，在逆境胁迫下，多胺通过调节细胞膜离子通道和细胞质Ca2+平衡来调控胞质的生理状态，减轻逆境胁迫对植物的伤害，提高植物的逆境抗性。

2.5 多胺诱导植物细胞程序性死亡以抵御逆境胁迫

植物遭遇逆境胁迫时，以ROS、Ca2+、NO、水杨酸等为信号因子，在特定部位诱发植物细胞程序性死亡（Programmmed cell death，PCD），使植物增强对不良环境的耐性。例如植物遭遇盐逆境胁迫时，局部根尖细胞通过PCD主动形成一道死细胞屏障，阻止盐离子过量进入植物体其他组织，避免对植株造成伤害，从而提高植物的耐盐性[28]。与渗透、盐、重金属离子等非生物逆境相比，遭遇病原物、病毒侵染等生物逆境胁迫时的植物PCD表现更为直观，例如植物抗病反应中病原物侵染处，局部的细胞死亡，即过敏反应（Hypersensitive response，HR）就是PCD 的一种形式，HR可将病原物限制在侵染部位，防止其进一步扩散。

研究发现，感染烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）的烟草组织细胞，其多胺合成酶ODC活性提高了20倍，积累的多胺可抑制烟草植株的TMV感染，提高烟草的抗病性[29];感染TMV的烟草发生HR时，其DAO和PAO活性明显增加[30]，说明多胺的氧化分解代谢对HR有促进作用;在大麦对白粉病的HR反应过程中，接种14 d后大麦的多胺含量显著增加，同时伴随着多胺合成酶和多胺氧化分解酶活性的增强，诱导PCD及HR反应，增强大麦对白粉病的主动抵抗[31]。因此，植物在遭遇逆境胁迫时，多胺酶促氧化分解产生的H2O2和NO，作为信号因子诱导植物PCD和HR反应，构建抵制病原物“隔离圈”，来增强植物的抗病性。

以上研究結果表明，植物多胺通过诱导、调节植物PCD、HR，使植物主动适应或抵抗病原的侵染、增强植物的生物逆境抗性。

3 结  语

目前，已证实多胺具有增强植物逆境抗性的生理功能，并初步探明了其作用机理。同时，植物多胺的生物合成途径已被揭示，其生合成关键酶基因ADC、ODC、SAMDC、SPDS、SPMS等导入多种植物后，这些关键酶基因的过量表达均显著提高了植物的抗逆性，表明其在作物分子抗性育种方面具有较好的应用前景。

不同植物遭遇不同逆境时，其多胺代谢的变化亦不同，这说明多胺提高植物抗性机理机制的不明点还颇多。在今后的研究中，应以导入多胺合成关键酶基因后抗逆性明显改善的植物作为研究材料，综合利用转录组学（Transcriptomics）、蛋白质组学（Proteomics）和代谢组学（Metabolomics）等研究方法和手段，以便进一步理清多胺逆境胁迫的信号转导通路，明确其调控基因，解析逆境胁迫响应时的相关代谢途径以及反应网络的变化，从分子水平上进一步探索多胺增强植物逆境抗性的机理机制。

目前，关于多胺与植物逆境抗性关系机理机制的研究，多数集中非生物胁迫抗性方面，有关多胺与生物逆境胁迫方面的研究较少，其作用机理亦了解不多，应在今后加强研究。

参考文献：

[1] Krzywanski Z，Kubis J. Changes in polyamine content and proteases activity in spring barley leaves during increasing water stress[J]. Acta Physiologiae Plantarum，1991，13：13-20.

[2] Antony T，Thomas T，Akira S A，et al. Selectivity of polyamines on the stability of RNA?DNA hybrids containing phosphodiester and phosphorothioate oligodeoxyribonucleotides[J]. Biochemistry，1999，38 （33）：10775-10784.

[3] Kusano T，Yamaguchi K，Berberich T，et al. Advances in polyamine research in 2007[J]. Journal of Plant Research，2007，120（3）：345-350.

[4] Akihiro I，Takashi M，Yoshie H，et al. Spermidine Synthase Genes Are Essential for Survival of Arabidopsis[J]. Plant Physiology，2004，135（3）：1565-1573.

[5] Kakehi J，Kuwashiro Y，Niitsu M，et al. Thermospermine is required for stem elongation in Arabidopsis thaliana[J]. Plant Cell Physiology，2008，49（9）：1342-1349.

[6] Rubén Alcázar，Teresa Altabella，Francisco Marco，et al. Polyamines：molecules with regulatory functions in plant abiotic stress tolerance[J]. Planta，2010，231（6）：1237-1249.

[7] Syed S H，Muhammad A，Maqbool A，et al. Polyamines：Natural and engineered abiotic and biotic stress tolerance in plants [J]. Biotechnology Advances，2011，29（3）：300-311.

[8] Liu J H，Kitashiba H，Wang J，et al. Polyamines and their ability to provide environmental stress tolerance to plants[J]. Plant Biotechnology，2007，24：117-126.

[9] Seki M，Umezawa T，Urano K，et al. Regulatory metabolic networks in drought stress responses[J]. Current Opinion in Plant Biology，2007，10（3）：296-302.

[10] Mohapatra S，Minocha R，Long S，et al. Transgenic manipulation of a single polyamine in poplar cells affects the accumulation of all amino acids[J]. Amino Acids，2010，38（4）：1117–1129.

[11] Bouchereau A，Aziz A，Larher F，et al. Polyamines and environmental challenges：recent development [J]. Plant Science，1999，140（2）：103-125.

[12] Besford R T，Richardson C M，Capell T，et al. Effect of polyamine on stabilization of molecular complexes in thylakoid membranes of osmotically stressed oat leaves[J]. Planta，1993，189（2）：201-206.

[13] Dondini L，Duca D S，Dall A L，et al. Suborganellar localisation and effect of light on Helianthus tuberosus chloroplast transglutaminases and their substrates[J]. Planta，2003，217（1）：84-95.

[14] Aziz A，Larher F. Changes in polyamine titers associated with the proline response and osmotic adjustment of rape leaf discs submitted to osmotic stresses[J]. Plant Science，1995，112（2）：175-186.

[15] Drolet G，Dumbroff E B，Legge RL，et al. Radical scavenging properties of polyamines[J]. Phytochemistry，1986，25（2）：367-371.

[16] Nayyar H，Chander S. Protective effects of polyamines against oxidative stress induced by water and cold stress in chickpea[J]. Journal of Agronomy and Crop Science，2004，190（5）：355-365.

[17] Dondini L，Duca D S，Dall A L，et al. Suborganellar localisation and effect of light on Helianthus tuberosus chloroplast transglutaminases and their substrates[J]. Planta，2003，217（1）：84-95.

[18] Shen W，Nada K，Tachibana S. Involvement of Polyamines in the Chilling Tolerance of Cucumber Cultivars[J]. Plant Physiology，2000，124（1）：431-439.

[19] Kuznetsov V，Shevyakova N I. Polyamines and stress tolerance of plants[J]. Plant Stress，2007，1（1）：50-71.

[20] Alcázar R，Marco F，Cuevas J C，et al. Involvement of polyamines in plant response to abiotic stress[J]. Biotechnol Lett，2006，28（23）：1867-1876.

[21] Rinukshi W，Corina V，Tahmina B.Copper amine oxidase1（CuAO1）of Arabidopsis thaliana contributes to abscisic acid and polyamine induced nitric oxide biosynthesis and abscisic acid signal transduction[J]. Molecular Plant，2011，4（4）：663-678.

[22] Cuevas J C，Lopez-Cobollo R，Alcazar R，et al. Putrescine as a signal to modulate the indispensable ABA increase under cold stress[J]. Plant Signal Behavior，2009，4：219-220.

[23] Cona A，Rea G，Angelini R，et al. Functions of amine oxidases in plant development and defence[J]. Trends Plant Science，2006，11（2）：80-88.

[24] Dobrovinskaya O R，Mu?iz J，Pottosin II. Asymmetric block of the plant vacuolar Ca2+ permeable channel by organic cations[J]. European Biophysics Journal，1999，28（7）：552-563.

[25] Garufi A，Visconti S，Camoni L，et al. Polyamines as physiological regulators of 14-3-3 interactionwith the plant plasmamembrane H+-ATPase[J]. Plant Cell Physiology，2007，48（3）：434-340.

[26] Shabala S，Cuin T A，Pottosin II. Polyamines prevent NaCl-induced K+ efflux from pea mesophyll by blocking non-selective cation channels[J]. FEBS Letters，2007，581（10）：1993-1999.

[27] Yamaguchi K，Takahashi Y，Berberich T，et al. A protective role for the polyamine spermine against drought stress in Arabidopsis[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications，2007，352（2）：486-490.

[28] 李云霞，程曉霞，代小梅，等. 植物在逆境胁迫中的细胞程序性死亡[J]. 生物技术通报，2009，（4）：7-11.

[29] Negre J，Valle J C，Martin C. Ornithine decarboxylase activity and the hypersensitive reaction to tobacco mosaic virus in Nicotiana tabacum[J]. Phytochemistry，1984，23（12）：2747-2751.

[30] Yoda H，Hiroi Y，Sano H. Polyamine oxidase is one of the key elements for oxidative burst to induce programmed cell death in tobacco cultured cells[J]. Plant Physiology，2006，142（1）：193-206.

[31] Cowley T，Waltemd R. Polyamine metabolism in barley reacting hypersensitively to the powdery midew fungus Blumeria graminisf sp. Hordei[J]. Plant Cell and Environment，2002，25（3）：461-468.

（责任编辑：成  平）