甜菜碱对植物镉胁迫抗性影响的研究进展

王洁敏，陈祖武，陈英姿，苗雪雪,龚浩如，陶曙华

（湖南省水稻研究所，农业农村部长江中下游籼稻遗传育种重点实验室，湖南 长沙 410125）

镉（Cd）是一种植物和人类非必需元素，但广泛存在于土壤中。金属镉不溶于水，但其多种化合物溶于水，且易被植物吸收和转运，在作物体内富集并随食物链的传递危害到整个生物圈及人类健康。根据我国2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示，全国土壤污染物总超标率为16.1%，以无机型污染物为主，而其中镉污染占比最重，高达7.0%，且重度污染点位比例远高于其他无机污染物。20 世纪60 年代，日本人长期食用镉污染水稻（Oryza sativa）最终导致骨痛病，而前几年的湘米镉超标事件给湖南大米加工企业带来巨大影响[2]。由此可见，镉污染严重危害人类健康及损害经济。此外，镉通过影响某些重要的生理生化过程严重抑制植物的生长及发育[3]。

甜菜碱是广泛分布在微生物、高等植物、动物中一种无毒性的渗透调节剂，具有较稳定的理化性质。多项研究表明，在逆境胁迫下，植物体内通过诱导甜菜碱及脯氨酸等小分子物质，提高细胞的渗透调节能力，降低因渗透失水造成的膜、酶、蛋白质结构与功能的损伤，从而提高植物的抗逆性。但某些植物如水稻、番茄(Solanum lycopersicum)、马铃薯(Solanum tuberosum)等体内自身不能合成并积累甜菜碱，人们通过异源表达其他物种的甜菜碱合成基因或外源施加甜菜碱的方式来提高植物的抗逆性。甜菜碱缓解农作物受重金属胁迫的研究日益引起关注，文中将国内外甜菜碱对植物镉胁迫抗性的影响研究结果做一综述。

1 甜菜碱对植物响应镉胁迫的影响

许多研究发现，甜菜碱可缓解植物镉毒害。在5 μmol/L Cd 水培条件下，对Cd-敏感型及Cd-耐受型两种基因型烟草(Nicotiana tabacum)叶面喷施500 μmol/L 甜菜碱，其体内Cd 积累显著降低，有效缓解了镉胁迫对烟草株高及根长的抑制作用，且对Cd-耐受型Yunyan2 的效果更好。他们还发现甜菜碱可使烟草在遭受镉胁迫时维持叶/根细胞超微结构的完整性[4]。在烟草培养细胞BY-2 中也获得了相似结果[5]。Rasheed[6]等通过盆栽试验研究发现，外施甜菜碱可显著减轻镉胁迫两个春小麦(Triticum aestivum)品种生长抑制。施加适宜浓度的甜菜碱可提高镉胁迫下黑麦草(Lolium perenne)的草坪品质、归一化相对蒸腾速率、地上部分生长速率，可降低地上及地下部分Cd 的积累[7]。张根生等[8]发现外施甜菜碱后，超黑糯玉米(Zea mays)幼苗各器官的生长状况显著优于单独Cd 处理组。路旭平等[9]发现叶施和根施30 mmol/L 的外源甜菜碱均可提高镉胁迫下紫花苜蓿（Lotuscorniculatus）种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数，幼苗的根长、株高增加值、根冠比、茎叶含水量。甜菜碱醛脱氢酶（BADH）是甜菜碱合成途径中的一个关键酶，该酶由BADH 基因编码，Shao 等[10]利用转BADH 基因的水稻研究发现，镉胁迫下转基因植株的地上/地下部分镉含量显著低于其野生型对照。另有文献表明，施加甜菜碱可明显缓解镉胁迫对绿豆（Vigna radiata）幼苗[11]、水稻幼苗[12]及棉花幼苗（Gossypium）[13]生长的抑制作用。

然而在亚热带地区热季对含Cd 土壤培养的盆栽苋菜（Amaranthus tricolor）施加甜菜碱，地上/地下部分的Cd 积累及Cd 转运系数均高于对照组，这可能是因为甜菜碱促进了光合作用，增加了根际土壤中可溶性糖、溶解性有机碳及低分子量有机酸的含量，为根际微生物提供更多营养从而调动更多Cd 供植物吸收。另外施加甜菜碱能显著增加叶片中叶绿素及果胶的含量，这使得植株对Fe、Mg、Ca 的需求增加，而大量的Cd 借助这些重金属离子的转运通道被运送至植物体内。该项研究暗示在亚热带地区热季外施甜菜碱会加重苋菜植株所受到的镉胁迫作用[14]。雷永康等[15]研究了在盐胁迫下外源甜菜碱对苋菜吸收累积重金属的影响，结果发现叶面喷施甜菜碱显著增强了苋菜对Ca、Mg、K 等盐分离子的转移，Fe、Zn 离子的吸收和Ca 通道的开启，这有助于Cd 等非必需重金属元素借助这些盐离子通道或载体进入植物体内，导致植株体内Cd 含量增高。

2 甜菜碱影响植物镉胁迫抗性的调节机制

2.1 甜菜碱在镉胁迫下增强植物光系统的保护，提高光合速率

多项研究表明，镉抑制植物光合作用，显著降低多种植物的光合速率。高浓度镉抑制5-氨基乙酰丙酸的合成及光敏原叶绿素酸酯还原酶复合体的组成，从而导致植物叶片中叶绿素含量降低[16-17]。镉破坏叶绿体膜系统的完整性、叶绿体结构而导致其功能受影响[18]。镉还可与蛋白质中的巯基结合，取代锌镁等元素，使光合作用中关键酶结构发生变化，导致其失去活性[19]。镉胁迫下植物往往表现气孔导度（Gs）及胞间CO2浓度下降，影响光合作用的暗反应[20]。此外，镉胁迫下植株蒸腾速率下降，蒸腾拉力减弱，导致水分运输受阻，叶片中由于水分供应不足抑制原初反应[21]。这些结果最终导致植物在遭受镉胁迫时净光合速率明显下降。

近年来，多项研究表明甜菜碱可以有效缓解镉胁迫对植物光合作用的破坏。外施甜菜碱可提高小麦叶绿素a 和叶绿素b 的含量[22]，在春小麦中也得到相似结果[6]；用100 μmol/L 甜菜碱预处理可以将镉胁迫的水稻幼苗叶绿素a、b 的含量恢复到对照组[12]；对镉污染土壤中的苋菜叶面喷施5、10、50 mmol/L 甜菜碱，处理后苋菜叶片中的叶绿素含量均高于为处理组[14]；外源甜菜碱能够提高镉胁迫下烟草叶片叶绿素含量SPAD 值，甜菜碱同时是PSⅡ的有效稳定剂，喷施甜菜碱有效缓解了Cd 处理后烟草叶片荧光参数的下降[5]；在0.5 mmol/L Cd 处理下，转BADH 烟草在镉胁迫下积累的甜菜碱能使植株维持较高的叶绿素含量，降低镉胁迫对叶肉光合机构的破坏、减少气孔导度的降低从而维持较高的胞间CO2浓度，同时缓解了镉胁迫对PSⅡ电子传递的抑制，维持较高的PSⅠ活性，提高光合速率[23]。张根生[8]研究发现，外源施加甜菜碱时，镉胁迫下超黑糯玉米植株一系列光合参数指标、最大光合效率及叶绿素含量均显著提高。综上所述，甜菜碱可以减少镉胁迫对叶绿体结构遭受破坏，促进叶绿素的合成，减轻镉对电子传递的抑制。此外，甜菜碱可保护和维持植物亚细胞结构、大分子蛋白质等复合物的高级结构、生物膜的稳定，如甜菜碱可保护PS Ⅱ颗粒[24-25]，水分胁迫下甜菜碱可进入类囊体膜间腔稳定光合机构[26]；体外和体内研究表明，甜菜碱可维持RuBP 羧化酶的活性[27]。因此，甜菜碱通过多种途径提高植物在镉胁迫下的光合效率，增强光合作用。

2.2 甜菜碱增强镉胁迫下对活性氧的清除，缓解氧化胁迫

尽管Cd 不是氧化还原活性金属离子，但会扰乱细胞内多个代谢平衡，从而造成植物体内积累大量的活性氧ROS，如超氧阴离子（O2-·）和过氧化氢（H2O2）[28]。过多的ROS 积累会对许多生物大分子如DNA、RNA、色素、蛋白质及脂质等造成实质性的伤害，进一步引起丙二醛MDA 和电子渗透率的增加，即反应出生物膜受到损伤[29-30]。多种植物研究表明，甜菜碱可以降低镉胁迫积累的膜脂过氧化产物MDA 的含量，缓解植物体内的氧化胁迫。为抵御氧化胁迫的毒害，植物进化出一系列抗氧化保护酶，如超氧化物歧化酶（SOD），抗坏血酸过氧化物酶（APX），过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等。研究发现，在一定浓度的镉胁迫下抗氧化保护酶显著升高，更高浓度镉胁迫下则降低[13,31-32]，这表明植物在面对严重的镉胁迫时，自身的抗氧化酶不足以解除重金属的毒性。甜菜碱可以通过间接提高抗氧化酶系统相关基因的表达，促进酶活的提高[7,23,33-34]，对ROS 的清除具有积极作用。对超黑糯玉米、紫花苜蓿外源施加甜菜碱，SOD、POD、CAT 酶活性均高于对应的镉胁迫对照组[8-9]。转BADH 烟草在镉胁迫下抗氧化酶活性均高于野生型植株[23]。甜菜碱还可以通过调控抗坏血酸（ASC）-谷胱甘肽(GSH)循环帮助植物应对镉胁迫。张根生等在研究超黑糯玉米时发现，在镉胁迫下，甜菜碱可使植株体内维持较高的ASC-GSH 循环酶的活性、抗氧化剂ASC 及GSH 的含量，以此保护植株不受ROS 的损害。研究甜菜碱对镉胁迫下烟草BY-2 细胞及绿豆ASC-GSH 循环的影响时得到类似结果[5,11]。因此，甜菜碱可通过增加总抗氧化剂及抗氧化酶活性，提高镉胁迫下植株活性氧的清除能力，减轻氧化胁迫。

甜菜碱自身是一种良好的渗透调节物质，可迅速渗透到植物器官，提高细胞吸水或保水能力。此外，在植物遭受逆境胁迫时，甜菜碱可通过提高植物体内其他渗透调节物质，如脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白的含量，增强自身对不良环境的抵抗力[8,35]。

2.3 甜菜碱通过调节重金属的积累维持植物体内营养元素的平衡

Cd2+能与土壤中的其他二价阳离子如Zn2+、Fe2+、Ca2+、Mn2+、Cu2+、Mg2+竞争交换位点。且植物没有Cd 这种非必需元素的专门转运体，一般Cd 的吸收和转运需要借助Zn2+、Fe2+、Ca2+等离子的转运体。当处在高Cd 环境时，Cd 降低植物对这些营养元素的吸收，且Cd 会抑制转运体对金属元素的装载，影响植物螯合肽的形成，造成叶片和根系营养元素的缺乏。外施甜菜碱增加了玉米种子对Cd、Cr、Zn 等重金属离子的吸收[36]，叶面喷施甜菜碱也显著增强苋菜对重金属元素Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 等离子的吸收和转运[15]。可能是因为甜菜碱激活了Ca 离子的通道，改变了Ca、Mg、Na 等离子的吸收和转移，增加了重金属离子通过Ca 通道进入植物细胞的机会。同时，甜菜碱增加了Fe、Zn 的吸收，可促进重金属Cd 通过Fe、Zn 的转运通道进入植物体内[14-15]。而对水稻种子用甜菜碱预处理后再进行镉胁迫，测定地上/地下部分重金属元素的含量，结果发现处理后的植株Cd 含量显著低于对照组，可能与甜菜碱降低了地上/地下部分Fe 含量相关。外源甜菜碱可提高根系质膜H+-ATPase活性，增加对K+的选择吸收[37]，而K+的增加能抑制Cd2+进入植物体内[38]。封鹏雯等利用非损伤微测技术对烟草根尖的Cd2+进出进行检测，发现镉胁迫下，甜菜碱降低植株对Cd2+的吸收，同时加强Cd2+的外排。甜菜碱能够降低镉胁迫引起的K+的外流，维持较高K+含量，缓解镉胁迫造成的毒害[23]。

3 展 望

尽管甜菜碱提高植物抗逆性的研究已取得一定进展，但与重金属胁迫抗性尤其是与镉胁迫的关系研究尚处于起步阶段。关于甜菜碱渗透调节、保护功能的研究很多，但是在细胞及分子生物学水平上还需对其调控机制进行深入研究；关于外源甜菜碱对作物不同品种、同一品种的不同生育期、不同施加方式及最优作用浓度的选择要予以细致探讨；甜菜碱在提高植物重金属胁迫抗性的同时，对其农艺性状及产量是否有影响，还应将实验室试验与大田实践结合，以期能够应用在农业生产中。