苯丙氨酸解氨酶基因响应小麦逆境胁迫的研究进展

2022-08-10谭一罗张广旭王康君郭明明孙中伟李晓峰樊继伟

江西农业学报 2022年5期

谭一罗，张广旭，王康君，郭明明，孙中伟，李晓峰，樊继伟

（连云港市农业科学院，江苏连云港 222000）

小麦（Tritium aestivumL.）作为世界主要粮食作物之一，小麦的高产、稳产在保障粮食安全和农业可持续发展中占有重要地位［1］。为了应对各种逆境环境，植物在生长过程中进化出多种胁迫响应和免疫应答机制。研究表明，苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）基因家族参与了植株对各种逆境胁迫的适应和抵抗，在植物生长发育和环境互作中起重要作用，常被用作衡量植物抗逆性的指标之一。PAL基因属于裂解酶类超家族基因，作为苯丙烷类代谢的第1个酶，产生各种次级代谢物的前体，编码多种保护性化合物，广泛存在于高等植物和微生物中。苯丙烷类代谢是植物苯丙烷类骨架物质产生的一条重要次生代谢途径，其直接或间接产生具有植物生长发育、植物抗逆反应、活性氧清除和抗毒素等多种与生物功能相关的次级代谢产物，如与细胞壁形成相关物质、酚类和黄酮类化合物、生物碱等［2-3］。对小麦PAL基因及其编码蛋白质和功能进行研究，有助于阐明其在小麦生长发育和免疫防御中的作用，为小麦逆境胁迫中的反应机制和抗性育种研究提供新思路。本文对小麦PAL基因序列特征、蛋白质结构特征和表达特性，以及其在小麦胁迫响应中的分子机制和功能进行了系统综述。

1 小麦PAL基因的序列特征

植物PAL基因通常编码包含700个氨基酸左右的蛋白质，蛋白质编码区长度在2100 bp左右，大部分gDNA包含2个外显子和1个内含子，不同植物间内含子长度变化较大［4］。植物PAL基因家族是一个庞大的多基因家族，研究报道玉米中有10个PAL，拟南芥和烟草中有4个PAL，西红柿和马铃薯中有超过20个PAL［5～8］。Rasool等［9］研究了小麦PAL基因的基因结构、保守结构域和顺式调控元件，研究表明普通小麦中有37个PAL家族基因，覆盖11条染色体，呈不均匀分布。小麦PAL基因数量显著高于其他物种，推测是因小麦全基因组重复、小规模节段重复、串联重复等事件发生导致的。虞光辉等［10］从小麦品种苏麦3号中克隆了4个PAL基因，其开放阅读框（ORF，open reading frame）长度在2016～2142 bp，编码672～714个氨基酸，4个PAL基因序列相似性为88.35%，分别位于小麦6B、2D和2B染色体上，其中TaPAL2和TaPAL4均位于2D染色体。李秋娥等［11］研究表明单子叶植物PAL基因密码子受到突变与自然选择双重影响，偏好以G/C编码。

2 PAL蛋白质的结构特征和表达特性

虽然植物PAL蛋白在不同物种间数量差异较大，但保守性极高，其酶活性位点主要存在于PAL-HAL结构域上，且大都含有GTITASGDLVPL SYIAG酶活性中心序列［12-13］。第1种植物PAL是在欧芹（Petroselinum crispum）中以晶体形式发现。小麦编码的PAL蛋白同属于PAL基因家族，通常包含498～714个氨基酸，分子量在52.78～77.34 kDa，平均分子量为74.97 kDa，等电点为5.76～7.57，大多呈酸性。Rasool等［9］研究发现37个小麦PAL基因编码的蛋白质均包含HAL-PAL结构域。研究表明小麦品种苏麦3号编码的4个PAL氨基酸相似性高达91.92%，均为弱酸性的亲水蛋白［10］。同源模建（图1）显示小麦PAL与欧芹PAL相似性为74.29%，蛋白质二级结构均含有α-螺旋、β-折叠等结构。植物PAL的分布与细胞分化程度有关，其表达具有组织器官特异性，PAL基因大多在植物成熟的花和根部表达量较高，其次为茎部，在成熟植物叶片中较难检测到其表达。

3 PAL响应植物逆境的分子机制

PAL作为苯丙烷类代谢的限速酶，一方面将L-苯丙氨酸（L-Phenylalanine）作为底物，催化氨和反式肉桂酸（trans-Cinnamate）的合成［14］（图1A），为下游木质素等次级代谢产物合成提供底物；另一方面，PAL能直接以L-酪氨酸（L-Tyrosine）为底物生成4-香豆酸（4-Coumarate）（图1B），通过苯丙烷类途径间接影响植保素合成。木质素是一种复杂的外消旋芳香族多聚合物，由羟基肉桂醇单体甲氧基化而来，为植物提供机械支撑、运输水和养分，通过加强木质素在植物次生细胞壁中的沉积来增厚细胞壁，从而在植物逆境中形成物理屏障，进而提高植物抗性［15-16］。黄酮类化合物是一类以2-苯基色酮为基础的酚类化合物，可以通过抑制病原体分泌的植物细胞壁降解酶活性来保护植物细胞壁的完整性。Kim等［17］发现拟南芥MYB15通过激活PAL等木质素合成相关基因抵御病原体感染，且木质素单体松柏醇的外源供应能恢复MYB15缺陷植株对病原体的免疫。植物能够通过调节PAL基因表达来调控苯丙烷类途径中次级代谢产物的含量，如异黄酮、类黄酮、酚酸等，从而影响植株对干旱、营养缺失、盐胁迫、重金属等非生物胁迫和生物胁迫的响应［18-25］。Wu等［26］根据PAL在小麦赤霉病侵染中的早期表达推测其可能在赤霉病TypeⅠ抗侵染（resistance to initial infection）中起作用，但主要功能是激活在Type Ⅱ抗扩展（resistance to fungal spread within the infected spikes）中发挥作用的苯丙烷类途径。此外，PAL还能通过影响水杨酸（salicylic acid，SA）和下游次级代谢物的合成来应对逆境。Shine等［27］发现黄豆中PAL与异分支酸合成酶共同参与SA的合成，进而影响植物免疫应答。

图1 PAL蛋白质同源模建

4 PAL在小麦逆境胁迫中的功能

4.1 PAL响应小麦非生物胁迫

近年来研究表明，PAL基因在植物生长中发挥重要作用，且在非生物胁迫下受到诱导表达，如重金属胁迫、盐胁迫、干旱胁迫、低温胁迫等。Wei等［28］研究了普通小麦的D基因组供体山羊草（Aegilops tauschii），发现AetSRG1的蛋白质与PAL相互作用，且AetSRG1可以稳定PAL并促进内源性SA的合成，进而响应镉胁迫。PAL作为小麦盐胁迫耐受性的评价指标，研究表明盐胁迫条件下小麦根系Na+含量增加，PAL活性增强，且相较于耐盐基因型小麦品种，盐胁迫对盐敏感基因型小麦的影响更显著［29-30］。Wang等［31］研究表明低温胁迫使PAL和内源性SA的表达水平显著上调，PAL（作为参与SA生物合成的关键酶）和SA在小麦抗冻反应中可能涉及抗氧化能力和冷响应基因的表达调节。Kolupaev等［32］发现H2S处理下小麦通过PAL活性的调控影响植株类黄酮化合物积累，从而提高小麦幼苗对低温胁迫的抗性。Li等［33］研究表明干旱胁迫下灌浆期小麦的旗叶和穗部PAL等苯丙烷类途径相关酶活性呈先增后减的趋势，说明干旱胁迫促进了这些酶活性的升高。Koramutla等［34］发现小麦在水淹胁迫下通过PAL和异分支酸合酶基因表达来提高茎节中SA含量，进而在乙烯作用下诱导通气组织形成。

图2 PAL催化反应

4.2 PAL参与小麦抗虫防御反应

Leon 等［35］使用VIGS靶向沉默具有蚜虫抗性的俄罗斯小麦的WRKY53 和PAL基因表达，沉默后其基因转录本丰度均降低到与易感小麦相似水平，植株在蚜虫侵染时都表现出易感表型，且WKRY53 的沉默也抑制了PAL表达，推测这些基因在相同的防御反应网络中发挥关键作用。Zhang 等［36］研究发现易变山羊草中AevPAL1基因能通过影响水杨酸（sodium salicylate，SA）和下游次级代谢物的合成，进而调控植株对禾谷孢囊线虫（cereal cyst nematode，CCN）的抗性，且在易变山羊草中沉默AevPAL1后CCN感染发生率明显提高，而过表达AevPAL1能够显著增强小麦的CCN抗性，并且对小麦生长及产量等性状无明显影响。

4.3 PAL参与小麦抗病防御反应

随着多组学技术的发展，近年来研究表明小麦PAL基因的表达与小麦赤霉病等病害应答反应密切相关，推测该基因参与了小麦对病原菌的防御过程。Kosova等［37］研究发现苏麦3号接种镰刀菌和DON毒素会显著增加应激保护蛋白的合成，PAL、BAHD酰基转移酶等显著积累，这可能是苏麦3号品种抗性优越的基础。Li等［38］从转录水平证实了小麦PAL基因在秆锈菌诱导的抗性反应中发挥重要作用。Sorahinobar等［39］研究表明SA能提高小麦对赤霉病的防御能力，提前施用SA能够促进PAL、CYP450等基因的表达，推测这些基因与小麦赤霉病防御存在关联。Duba等［40］研究表明，小麦高表皮毛状体密度在抵抗镰刀菌侵染方面起关键作用，且接种镰刀菌后抗性品种的PAL活性和ROS含量显著高于易感小麦。Kage等［41］利用小麦的两个不同赤霉病抗性的近等基因系（易感NIL-S和抗性NIL-R），对其接种禾谷镰刀菌后进行代谢组研究，并基于QTL-2DL位点将GPAT、ABC转运蛋白基因、CER5和PAL基因作为候选基因，且这些候选基因在NIL-R中的转录水平较NIL-S显著上调，说明它们可能参与了抗性相关代谢物的生物合成。此外，该研究发现小麦小穗对赤霉病的抗性主要是通过角质和木栓质分子沉积，从而增强细胞壁来抵抗病原菌侵染。