烟草中脱落酸的相关研究进展

马斯琦 刘万峰 吕林 李义强 高军平 杜兴华 蒲文宣

摘  要：烟草的生长发育极易受到不良环境的影响，导致烟叶产量和品质下降，其对不利环境因素的抗性受植物激素的调控。植物激素脱落酸是植物体内五大类激素之一，参与植物的生长发育，可提高植物对非生物逆境胁迫的抗性。以脱落酸为核心的基因工程技术是目前作物抗逆育种的重点策略之一，本文重点总结烟草中脱落酸的相关研究进展，包括一般功能、抵御非生物逆境的功能、代谢和信号转导途径等，以期为烟草抗逆育种提供理论支持和技术方法借鉴。

关键词：烟草;脱落酸;非生物逆境

Review on Abscisic Acid （ABA） in Tobacco

MA Siqi¹， LIU Wanfeng²， LYU Lin¹， LI Yiqiang¹， GAO Junping²， DU Xinghua³， PU Wenxuan^2*

（1. Tobacco Research Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Qingdao 266101， China; 2. Chinese Tobacco Hunan Industrial Corporation， Changsha 410007， China; 3. Shaanxi Provincial Tobacco Monopoly Administration， Xi'an 710061， China）

Abstract： Tobacco plant is quite vulnerable to abiotic stresses during its growth and development， which often results in the yield and quality decline of tobacco leaves. Thus it is urgent to enhance tobacco resistance to abiotic stress. The phytohormone abscisic acid （ABA） in tobacco can regulate various physiological processes and promote tobacco adaptation to abiotic stresses. ABA engineering might be one of the key strategies to obtain tobacco with tolerance to abiotic stress. This paper focuses on the research progress of ABA in tobacco， including general function， function in abiotic stress， metabolism and signaling pathway， etc.， which might provide reference for the practical applications and research on tobacco stress-resistance breeding.

Keywords： tobacco; abscisic acid; abiotic stress

目前干旱、低溫等非生物逆境胁迫严重影响作物的生长、制约作物的产量。烟草是重要的经济作物和模式植物，喜温喜光且对水分依赖大，生长发育极易受到环境的影响，因此如何增强烟草自身的抗逆性从而提高烟草的稳产性，已成为烟草行业稳定发展、国家农业可持续发展的重要研究课题。

植物为了应对不利于生长的环境因素，体内进化出一系列的响应机制和主动防御模式，但是这些机制和模式仍不足以保证它们在不利的环境中生存。因此，科学家们尝试多种策略以提高植物在非生物逆境胁迫下的抗性，其中包括以脱落酸（Abscisic acid，ABA）为核心的基因工程。脱落酸因能促使子叶脱落而得名，广泛存在于高等植物中，与生长素、乙烯、赤霉素、细胞分裂素并列为植物五大类激素。脱落酸是一种小分子物质，属于倍半萜类化合物，主要在细胞质中合成，具有加速器官脱落、促进芽和种子的休眠、调节种子发育、

引起气孔关闭、增加植株抗逆性等功能^[1-2]。脱落酸因参与各种生物与非生物逆境胁迫应答享誉为“逆境激素stress hormone”^[3-4]。本文主要总结烟草中脱落酸调控作物发育和抗逆的研究进展，包括其一般功能、抵御非生物逆境的功能及其合成、代谢、信号转导途径等。

1  脱落酸的一般功能

1.1  调节种子的休眠与萌发

种子的休眠与萌发是植物生命周期中非常重要的阶段，也是一个非常重要的生态经济性状。种子的休眠是一种生存策略，不仅为种子的传播扩散争取时间，还可以促使种子在最适宜的环境条件下萌发。研究发现，脱落酸可以促进种子休眠、抑制种子萌发：在胚发育晚期，胚产生的脱落酸促进种子休眠和抑制穗萌，而在种子萌发过程中，脱落酸的含量可负调控种子吸水吸胀程度^[5]。在烟草种子相关研究中发现，成熟的干种子中脱落酸含量较高，而在萌发过程中脱落酸含量逐渐降低。烟草种子吸水萌发大致可分为3个阶段，分别是干种子迅速吸水膨胀期、吸水平稳期和吸水旺盛期。在烟草种子吸水前两个阶段脱落酸对种子吸水没有明显的抑制作用，但第3个阶段明显受脱落酸抑制。因此，在后熟的烟草种子中降低脱落酸的浓度，可促进烟草种子的休眠释放，提高烟草种子的萌发效率^[6-7]。

1.2  调节叶片衰老进程

叶片衰老是植物生命周期后期必经的生理过程，受到植物内源物质和外部环境的多种因素调控。衰老的过程是植物主动将营养成分转移到新生叶片和种子，蓄积能量促使植物存活和再发育的过程，早衰会缩短农作物生长周期，导致产量降低。已有研究表明，脱落酸对植物叶片衰老具有十分显著的影响，例如脱落酸可以引起植物叶片变黄（衰老的标志之一）、叶面喷施脱落酸可以显著加速叶片的衰老等。科学家们还发现在一些持绿性较好的品种叶片中脱落酸含量较少，降低体内脱落酸的浓度可以减缓叶片衰老。除此之外，脱落酸还可以诱导植物体内衰老相关基因的表达等^[8]。拟南芥中脱落酸合成或者信号转导被抑制的突变体，植株的衰老会发生不同程度的改变和延迟，也从遗传学的角度上印证了脱落酸参与到植物的衰老调控^[9]。

烟草叶片的衰老与烟叶生产密切相关，直接影响着烟草产品的产量、品质和效益。烟草是叶用经济作物，烟叶落黄程度与后续的调制加工息息相关，叶片落黄程度受发育阶段、养分供应、水分调控、环境温度等多种因素影响，对烟叶产品外观质量、物理特性、化学成分、烟气特征等质量因素有决定性的影响。在烟草叶片衰老过程中，同样发现脱落酸的合成和信号传递都增强，脱落酸信号传递正调控基因的表达量升高、负调控基因的表达量降低^[10]。

1.3  调控气孔开关

气孔是植物叶片表面由保卫细胞形成的开孔，可控制植物的气体交换、叶表面水分蒸发等。光照可以诱发气孔打开，脱落酸的积累和高CO₂可以促使气孔部分关闭或关闭^[11]。气孔关闭时，气体交换减少、光合产物减少，而蒸腾作用减少可减少叶片失水。在干旱条件下，脱落酸调控保卫细胞离子转运，促进气孔关闭，防止气孔打开，减少水分流失^[12]。研究发现，脱落酸可以通过激活质膜上的S型离子通道，抑制质膜上H⁺-ATPase的活性，诱导气孔中活性氧（ROS）积累等多种机制来调节气孔关闭^[13]。在干旱情况下气孔的及时关闭可以降低细胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率，减少水分丧失，提高烟草的抗旱性^[14]。

2  脱落酸提高植株抵御非生物逆境胁迫的功能

脫落酸具有提高植株抵御非生物逆境胁迫的功能，非生物逆境包含干旱、涝害、高温、低温、盐渍、重金属离子胁迫等，本文主要总结其在烟草生产过程中影响较大的干旱、涝害、低温、高温、盐渍这几种非生物逆境胁迫条件下的功能。

2.1  脱落酸与干旱

干旱是主要的非生物逆境胁迫之一，严重影响植物的生长和生物量，世界上有超过一半的耕地存在不同程度的干旱。干旱胁迫通常会导致植物发生渗透胁迫，而渗透胁迫会影响植物体内水分的流失和保持。脱落酸在胁迫过程中具有类似控制器的功能，可以通过正调控内源机制抵抗逆境，还可以通过调控一些基因的表达来激活抗性机制。已有研究表明，干旱可以影响脱落酸核心信号通路基因的表达量，包括受体PYLs、蛋白磷酸酶PP2Cs、磷酸激酶SnRKs等成员^[15]。

干旱不仅限制烟叶产量，对烟叶品质也极为不利，例如干旱可以造成烟叶的水分含量发生变化从而影响其加工质量、原料损耗，同时还会增加烟叶的总氮含量、生物碱、蛋白质含量令烟叶的色泽、香气、吃味等品质下降，降低烟叶中水溶性糖、钾含量令烟叶柔软性、弹性等品质变差。虽然在烟草中还尚未有关于ABA和烟草耐旱机制的深入报道，但是烟草根部含有丰富的ABA合成前体物质和酶，在土壤有效水变化时，根部可精确感受并作出相应反应，合成大量的ABA并通过木质部导管和韧皮部筛管向植物的其他部位运输，降低气孔导度，有效的减少烟草叶片的蒸腾作用，减少水分丧失，提高水分利用率，从而令植物产生抗旱性^[16]。

2.2  脱落酸与涝害

水分是植物生长的不可缺少的关键因素，但是

水分过高也不利于植物生长，甚至导致涝害的发生。近年来，全国乃至全球极端气候频繁出现，雨量分布极不均衡，再加上存在排水不畅等因素影响，经常发生大面积、不同程度的涝害，影响着农业产业的发展。涝害可抑制植物的生长，影响植物的光合作用，促使叶片老化、弯曲，促使老根枯死、不定根诱发等。烟草生产过程中水分过多会引起植株生长受阻甚至死亡，叶片总氮含量上升、总磷、总钾、还原糖、烟碱含量下降导致烟叶品质下降^[17]。已有研究表明在涝害胁迫下，植物体内的脱落酸含量会发生变化，促使叶片中叶绿素降解、气孔关闭，降低光合作用和蒸腾速率，保持水势平衡，但是关于脱落酸在烟草抵抗涝害中的应用还有待深入研究^[18]。

2.3  脱落酸与低温

低温是植物在生命周期中经常会遭受的环境胁迫之一，低温通常可以造成植物细胞功能紊乱，包括膜损伤、ROS的积累、蛋白质的降解、有毒物质的积累等。植物在面对低温时，体内会发生多种改变：（1）基因表达的改变，（2）细胞膜构象发生改变，（3）脯氨酸、可溶性糖、抗氧化物等低温保护物质的积累，（4）内源脱落酸水平的升高^[8]。

低温是烟草生产中遇到的主要灾害，特别是幼苗移栽到大田这段时期经常遭受“倒春寒”等低温天气的影响，由于烟草是喜温植物，对低温十分敏感，零下2～3 ℃的极端低温可导致烟草死亡，在苗期12～16 ℃的持续低温就会导致烟草提早开花进入生殖生长，抑制烟草植株的高度和叶片数目从而影响烟草的品质和产量。已有研究发现，与脱落酸信号转导途径相关的许多基因都参与到植物的低温应答中。拟南芥中许多与脱落酸信号转导相关基因的突变体均出现了抗低温的表型，例如AREB/ABF、CBF/DREB类转录因子等也参与到植物对低温的响应^[19-20]。另外，在草本植物中外施脱落酸可以提高植物对低温的抗性，木本植物中脱落酸既可以帮助植物提高低温抗性，还可以通过调控幼芽萌发帮助植物更好地越冬^[8]。烟草相关研究中发现JERF1可以调控脱落酸合成基因的表达，使得烟草植株体内脱落酸的含量升高，提高植株在低温下的存活能力^[21]。除去内源提高脱落酸的浓度，外源喷施脱落酸也会提高烟草植株对逆境的耐受能力^[22]。

2.4  脱落酸与高温

随着全球气温的日益变暖，高温胁迫已经成为限制植物分布和产量的重要因素。高温胁迫可以影响植物的一系列生理和生化反应，包括气孔关闭、水分散失、光合作用的抑制、活性氧积累、增加膜脂质过氧化程度、蛋白质降解和酶活性丧失，最终导致严重的细胞损伤或细胞死亡^[23]。

虽然烟草是喜温植物，但是长期生长在温度相对较高的环境下，烟草的生长发育也会受到不同程度的抑制，同时还会出现烟叶卷曲褶皱、叶片变厚、叶面积变低、加速衰老，甚至出现“高温逼熟”的现象，对烟草生产极为不利。已有研究表明高温可诱导植物体内内源脱落酸的积累，可提高植株在高温胁迫下体内抗过氧化酶的活性，同时降低丙二醛的含量。另外，脱落酸的积累可诱导植物体内相关逆境应答基因的表达和热激蛋白的产生，提高植株对高温的抵抗能力^[23]。烟草中，外施一定浓度的脱落酸可提高烟草的耐热性，降低高温对烟草造成的影响，但其具体的分子机制还有待深入研究^[24]。

2.5  脱落酸与盐（渍）

土壤盐渍化在世界范围内的农业问题，盐渍化环境对植物的伤害主要体现在高离子浓度产生的渗透胁迫和离子毒害两个方面，它们可以改变植物的膜结构，抑制植物的呼吸作用和光合作用，严重影响植物的生长发育，影响作物的产量和质量^[25]。目前研究结果表明，盐胁迫下植物脱落酸含量显著增加，并刺激气孔的关闭、基因的表达以及渗透物质的积累。盐胁迫时，喷施外源脱落酸可以降低盐胁迫对烟苗膜脂的过氧化程度，维持较低丙二醛含量、减少活性氧物质含量，维持膜的稳定性，提高烟草对盐胁迫的耐受能力^[26]。

3  脱落酸代谢途径及信号转导路径

脱落酸在植物生长发育、抵御逆境环境方面都具有十分重要的作用，关于脱落酸在植物体内的代谢与信号转导途径的研究也日益完善，为植物抗逆遗传机制的解析和植物精准育种提供了大量的思路和理论依据。

3.1  脱落酸的代谢

脱落酸主要通过从头合成途径合成，在质体和细胞质中完成。此途径的合成前体是玉米黄质素，又因玉米黄质素是类胡萝卜素的一种，因此這种合成途径也称为类胡萝卜素分解途径。玉米黄质环氧酶ZEP在胞质中催化玉米黄质素变成反式紫黄质素，重排后变成环氧类胡萝卜素，在9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase， NCED）的催化下氧化分解，分解产物被运输到细胞质中，进一步催化产生脱落酸。在此合成过程中，9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶是最关键的酶，起着重要的调节作用。脱落酸的降解代谢主要是通过脱落酸羟基化和脱落酸结合物的生成来实现，其中以8-羟基化最为常见。细胞色素P450家族成员脱落酸-8-羟基化酶（CYP707A）催化脱落酸形成8-羟基-脱落酸，随即生成产物红花菜豆酸（Phaseic acid， PA）和二羟红花菜豆酸（Dihydro-phaseic acid， DPA）导致脱落酸失活^[27]。

9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED）基因最早从玉米突变体vp14中鉴定和发现，vp14叶片中脱落酸含量与对照相比显著下降，造成其叶片失水速率加快^[28]。水稻中研究发现有5个NCED家族成员参与到脱落酸合成。OsNCED3基因的表达量在干旱、盐、过氧化氢等胁迫条件下上调，并且其突变体对这些非生物逆境胁迫更敏感^[7]，这些结果表明OsNCED3是一个逆境胁迫的正调控因子。另外，OsNCED4和OsNCED5的表达量也受到干旱胁迫的诱导表达，调节植株对干旱胁迫的适应能力^[21]。关于脱落酸分解的相关重要基因在水稻中也已有相关报道，研究发现水稻中有3个脱落酸-8-羟基化酶催化脱落酸转化为红花菜豆酸^[29]，分别命名为OsABAox1-3，其中OsABAox1的表达量受到冷胁迫的诱导，OsABAox2和OsABAox3的表达量受到脱落酸处理的诱导，这些结果表明脱落酸降解相关的基因也参与到了逆境胁迫应答中^[30]。

在烟草基因组中有18个9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED）家族成员得到鉴定，可分为4个亚家族，通过生物信息学分析，第一亚家族成员NtNCED1-8与ABA生物合成有关。干旱胁迫可以诱导NtNCED3基因的表达和内源ABA的积累，且NtNCED3基因表达和内源ABA积累的规律一致。也有研究发现，在烟草中过表达柑橘、黄龙胆、柱花草等植物NCED基因，均可提高转基因植物内源ABA水平、植株抗逆性等^[31]。

3.2  脱落酸的信号转导

脱落酸信号转导是响应非生物逆境应答的重要路径，特别是对干旱胁迫应答来说属于核心路径^[32]。许多脱落酸信号转导的相关元件在30年前就已经得到鉴定，但是一直尚未定论，脱落酸信号转导途径最大的突破是利用蛋白互作和化学遗传学的方法，发现了脱落酸信号受体，被命名为PYL。研究发现，脱落酸与信号受体结合后可以抑制蛋白磷酸酶PP2C的磷酸化活性^[33-34]。随后，科学家们利用结构生物学的手段再次证实了PYL是ABA的信号受体，并且通过对PYL-ABA-PP2C蛋白复合体结构的解析，揭示了PP2C的功能是如何被ABA和受体的复合物巧妙抑制的（图1）^[35-36]。由此，ABA信号转导路径逐渐建立并完善：植物在受到逆境胁迫时，大量内源ABA积累，ABA受体PYL识别ABA并与之结合，形成的复合物与PP2C磷酸酶结合并抑制其磷酸酶活性，使得丝氨酸-酪氨酸激酶SnRK2s的磷酸化活性被激活，导致下游的转录因子受到磷酸化而激活其转录活性，最终引发体内的胁迫响应机制^[37-39]（图1）。

ABA受体对ABA的识别在ABA信号转导中起着核心作用。拟南芥中ABA受体基因突变后植株对ABA不敏感，种子发芽和生根均表现出ABA不敏感的表型，而超表达后可显著增强植株对ABA的敏感性，提高植株的抗旱性。蛋白激酶和磷酸酶催化的可逆蛋白磷酸化在细胞信号转导中起着重

要的作用，有助于信号从细胞外传递到细胞内部环境^[33]。蛋白磷酸酶PP2C是ABA信号的负调控因子，拟南芥A类PP2C家族成员ABI1和ABI2的突变体在不同的发育阶段和植物组织中都具有对ABA敏感、耐旱等表型。蛋白激酶2（SnRK2）在细胞对干旱和脱水的反应中起着核心作用，依赖于ABA的蛋白激酶的催化活性首次在蚕豆中得到鉴定，命名为AAPK，可以正调控气孔的关闭，提高植株的抗旱能力^[40]。拟南芥中AAPK直系同源基因OST1（Open Stomata 1）/SnRK2.6也被证明在ABA介导的气孔调节中起正调控作用^[41]。这些蛋白激酶可以磷酸化其底物蛋白（如转录因子、离子通道和代谢酶），从而将ABA信号级联放大^[42-43]。

在烟草中ABA信号转导路径的部分相关基因也已被克隆鉴定，NtPYL4是烟草ABA的受体，可以与PP2C成员互作并抑制其活性，参与烟草ABA信号转导的核心路径^[44]。NtPYL1和NtPYL9也被认为是ABA受体，在子叶和须根中表达较多，表达量受到ABA的抑制和过氧化氢的诱导^[45]。根据PP2C家族特性，NtPP2C16被克隆鉴定，其表达显著受到ABA和逆境胁迫的诱导，响应干旱、高盐和低温胁迫^[46]。在云烟87烟草转录组数据中发现有18个PP2C家族成员的表达量随着降雨量发生变化，其中NtPP2C37和NtPP2C50与拟南芥PP2C的A类家族成员同源性较高，推测可能参与到ABA信号核心路径^[47]。同样通过生物信息学分析方法发现，烟草中有21个SnRK家族成员，可以分为3个亚家族，深入分析发现，第一亚家族的基因主要参与ABA信号转导途径^[48]。NtSnRK2.1在烟草根部表达最高、其次是叶片，茎部的表达量最低，其表达量受到高盐、高渗、低温和ABA的诱导^[49]。虽然烟草中关于脱落酸核心信号转导途径的研究已有部分进展，但相对于其他植物例如拟南芥、水稻等还亟需精确和深入。

4  總结和展望

目前国内主要烟草栽培品种在烟叶生产上的种植年限已达20～30年之久，已经出现了不同程度的品种退化、变异和病害，可替代烟草栽培品种匮乏，严重制约着“两烟”生产的稳定发展。另外，目前烟叶生产中存在由于烟叶早采抢采导致成熟度不够、内含物质不协调等问题，因此亟需突破常规育种周期长、效率低、遗传多样性小的瓶颈，培育出有突破性的新品种。“十三五”以来国家启动的“中国烟草基因组计划”重大专项旨在源头上攻克烟叶生产关键技术的瓶颈制约，推动中国烟草的研究和应用步入基因时代，实现从传统育种向精准育种的战略跨越。亟需持续深入对烟草中脱落酸相关基因的功能及其调控的分子机制进行挖掘和解析，以便更好地利用这些基因资源、借助分子精准育种手段培育出烟草抗逆优质新品种。

4.1  脱落酸在烟草抗逆育种方面的策略

脱落酸在植物生长发育和抵御非生物逆境胁迫方面都发挥着重要的功能，以脱落酸为核心的精准育种已成为作物精准育种的重要策略之一。“分子育种”、“基因编辑育种”等精准育种方法可以通过基因和性状的对应关系，按照需求将不同的优势聚合，快速“设计培育”出烤烟新品种。干旱等非生物逆境条件可诱导脱落酸的积累，开启胁迫信号的传递。脱落酸信号导致基因表达发生实质性变化，有研究表明近10%的拟南芥基因受脱落酸调控，参与植物生长发育和逆境应答^[50]，深入挖掘并解析这些基因发挥功能的分子机制有利于我们深入展开精准分子育种。目前，诸多烟草脱落酸相关的抗逆基因已被克隆，不少基因的抗逆效果在幼苗期表现显著，但其田间效应仍需探讨。如何通过遗传学手段对这些基因加以利用，提高烟草植株在大田中的抗性将成为研究的重点。

4.2  脱落酸在烟叶成熟与提质方面的策略

脱落酸对烟叶的衰老调控也是烟草基因研究的重要培育点。烟草与大多数作物延缓衰老提高产量的需求不同，在烟叶成熟采收及烘烤方面，需要促进叶片田间成熟和在烤房内的后熟，提高烤后烟叶的质量。通过ABA对烟叶衰老的调控，消耗烟叶成熟过程中烟碱和过多的淀粉，促进烟叶内在化学成分协调性，提高中部烟叶和上部烟叶可用性，ABA不仅在烟草新品种培育方面具有提高抗逆性的潜力，在烟叶成熟调控方面，也具有提高烟叶质量的潜力。

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