5-氨基乙酰丙酸在植物非生物胁迫中的功能研究进展

王雪美,张力劼,杨 蛟,刘梓涵,翁 莉,蔡晓锋

(上海师范大学生命科学学院植物种质资源开发中心,上海 200234)

自然环境中生长的植物受到环境的制约,不利的环境条件包括生物胁迫和非生物胁迫会影响植物的正常生长。非生物胁迫中的温度胁迫、盐胁迫和干旱胁迫是限制种植业生产和影响植物地理分布的主要因子。气候变化加剧了这些非生物胁迫的不利影响,气候变化将导致极端天气频率增加[1]。提高植物对不利环境的适应性是降低农业生产中对水、化肥和农药依赖性的根本途径,是开展农业可持续性发展的有效手段。植物为了适应不良环境在进化过程中形成了对不良环境的抵抗力,如植物自身诱导合成逆境蛋白、增加渗透调节、活性氧清除系统和调节激素含量[2]。合理地使用植物生长调节剂可以增强植物对环境胁迫的抵抗力。在已知的激素和植物生长调节剂中,5-氨基乙酰丙酸(ALA)可有效改善植物对各种非生物逆境胁迫的危害。ALA参与植物生长发育的调控,具有植物激素的生理活性,因此,它可以用作农业生产中的植物生长调节剂[3]。该研究从盐胁迫、低温胁迫、干旱胁迫、重金属胁迫等方面概述了植物对非生物胁迫的响应,以及ALA在非生物胁迫下对植物的调节作用,可为作物抗逆研究和育种栽培提供一定的理论依据。

1 ALA的结构特征

ALA最初在鸭血中发现,被确定为原卟啉的来源[4]。Beale[5]在普通小球藻的培养基中发现了ALA。ALA广泛存在于各种生命体中,是合成所有四吡咯的前体物质[6]。ALA在绿色植物组织中的生物合成途径,即C5途径,需要谷氨酸来提供碳骨架[7],谷氨酸还原酶是该途径中的关键限速酶[8]。

2 ALA在植物上的应用

在农业上,ALA是一种潜在的植物生长调节剂,参与植物生长和产量的提高,在植物上拥有广泛的应用,可增强植物对非生物胁迫(包括盐分、干旱、热、冷、光)的耐受性[9],表明ALA在农业生产中具有巨大的应用潜力。

近年来,ALA已经成为提高果实品质、增强果实颜色的一种快速有效的方法。Wang等[10]将不同浓度的ALA喷施在番茄表面,发现增加了番茄果实中可溶性糖、可溶性蛋白、总游离氨基酸和维生素C等11种氨基酸成分的含量,降低了可滴定酸的含量;通过上调黄烷基凝酰基二磷酸合酶、八氢番茄红素合酶1、八氢番茄红素去饱和酶和番茄红素β-环化酶的基因表达水平,改善了类胡萝卜素的生物合成,下调镁螯合酶和原叶绿素氧化还原酶的基因表达水平来抑制叶绿素的合成,说明ALA通过调控类胡萝卜素和叶绿素的合成,改善果实的营养品质和颜色,促进番茄果实的成熟。

根是高等植物的重要器官,为植物吸收养分和水分,Gjφlberg等[11]在拟南芥中研究表明,ALA可以促进拟南芥中根的伸长,并且根的伸长与生长素极性转运密切相关;同时还发现,ALA可以调控根中生长素转运的组成部分,增加生长素的积累和根的响应,但不影响生长素抑制剂的含量;这说明ALA可以通过改善生长素的运输来促进拟南芥幼苗的根伸长。

ALA不仅影响植物的生长,还影响植物营养物质的含量。Wood等[12]研究发现,中等浓度的ALA会导致油菜幼苗干重和生物活性物质(可溶性糖、酚类化合物和抗坏血酸盐等)的含量增加,并且上调表达酚类化合物代谢途径的基因;此外高浓度的ALA会破坏叶绿体的超微结构,使淀粉粒增大,质体球减少,引起氧化应激,减少生物活性物质的含量,最终对油菜生长产生负面影响。Tavallali等[13]研究发现,叶面喷施ALA改变了大茴香中的精油成分,提高了茴香提取物的多酚含量和抗氧化活性,表明ALA在改善茴香的药学性质和油成分方面具有潜在的积极作用。Tavallali等[14]发现,应用ALA增加了马齿苋枝条长度和生物量,提高了马齿苋芽中氮、钾、镁、锌和铁的浓度;同时增加了叶片中的脂肪酸、总酚类物质、抗坏血酸含量和增强了枝条中的抗氧化物质活性;表明ALA具有生长调节作用,可以促进马齿苋的生长,改善马齿苋的营养品质和药用特性。

3 ALA在非生物胁迫下的作用

3.1 盐胁迫

3.1.1盐胁迫的危害。盐胁迫是限制植物生长和生物量积累的主要非生物胁迫之一[15]。土壤含盐量过高会严重伤害植物,破坏土壤结构,危害农业生产。一方面,在盐胁迫下,植物吸收光能的能力减低,产生光抑制,会引起碳同化的下降,进而导致光和电子传递链过多的还原,这些过量的电子传递给氧分子,引起氧分子还原,进而产生不稳定的活性氧,过多的活性氧会对植物造成伤害[16]。另一方面,盐胁迫下,植物细胞膜的水解使二氧化碳通透性下降,产生离子毒害,植物的气孔关闭而导致二氧化碳供应下降,使植物衰老加速,由于胞质结构变化而导致酶活性产生变化,进而危害植物[17]。因此在盐胁迫下,植物的生长会受到抑制。

3.1.2ALA对盐胁迫的影响。ALA与盐胁迫结合对植物的生长形态、抗氧化清除系统、光合色素生物合成以及钠离子转运分配等生理方面具有重要的影响。卢克欢等[18]研究发现,盐胁迫下喷施ALA后颠茄幼苗的抗氧化酶活性、叶绿素和渗透调剂物质含量均有所增加,减缓了盐胁迫对细胞质膜过氧化程度的伤害,提高了颠茄的抗盐能力。孟长军等[19]研究发现,在盐胁迫下进行ALA处理,喜树幼苗的抗氧化能力、叶片的氮元素含量以及叶绿素含量都有所增加,缓解了盐胁迫对PSⅡ的伤害,提高了幼苗光合碳同化能力,保护了喜树幼苗。

ALA可以缓解盐胁迫下植物细胞水势失调,维持细胞结构的稳定性。燕飞等[20]研究发现,ALA处理显著提高了盐胁迫下黄瓜幼苗叶片的水势,促进水分进入植物细胞,降低了钠离子浓度,增强了黄瓜幼苗的抗性,保持其正常生长。张嘉祥等[21]研究表明,盐胁迫下施加ALA后减少了盐胁迫对玉米植株的伤害,增强了种子活力,提高了玉米幼苗中抗逆性物质的含量,并选出了盐胁迫下最适宜种子萌发和幼苗生长的ALA浓度。

ALA可提高保护酶的生理活性和改善渗透调节物质的含量来缓解盐对植物的伤害。赵宝龙等[22]研究发现,ALA提高了盐胁迫下葡萄叶片中抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)的活性以及还原型抗坏血酸(AsA)、还原型谷胱甘肽(GSH)含量和AsA/DHA、GSH/GSSG比值,降低氢抗坏血酸(DHA)与氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量。

另外,不同浓度的ALA也会对植物造成不同影响,应选用适合的ALA浓度来缓解盐胁迫对植物的伤害。赵金玺等[23]在盐胁迫下用不同浓度的ALA处理绿豆种子及幼苗,发现低浓度有促进作用,高浓度有抑制作用;随着ALA浓度的加大,绿豆的发芽率、发芽势、叶面积和根长,脯氨酸和可溶性糖含量呈现出现先增高后降低的趋势,幼苗叶片中丙二醛的含量先降低后升高;当处理浓度达到最高时,绿豆的发芽率和发芽势最低。吴旭红等[24]研究发现,高浓度的盐胁迫抑制南瓜种子的萌发,而用ALA浸泡南瓜种子,提高了盐胁迫下种子发芽率和发芽势,高浓度的ALA抑制了南瓜种子的萌发。

盐胁迫下ALA改变植物体内的基因表达进而提高对盐胁迫的抗性。杨莎等[25]研究发现,在盐胁迫处理条件下喷施ALA的花生幼苗叶片中,与叶绿素合成有关基因(CHLH、HEMA1和CHLD)的表达上调,提高叶绿素的含量,增强植物的光合能力,缓解盐胁迫对植物的伤害。Al-Ghamdi等[26]研究发现,在盐分条件下用ALA处理的海藻中负责水分管理(ANN1、ANN2和PIP1)、次生代谢产物(P5CS1和CHS)和抗氧化剂积累(APX1和GPX3)的基因的表达上调,表明ALA对盐胁迫的生长和次生代谢物具有刺激性协同作用。Baral[27]研究发现,ALA处理促进盐胁迫下草莓根部ROS产生,激活ROS信号下游关键离子转运蛋白的表达,有助于降低根中的钠离子,并保护芽免受盐胁迫的伤害。Wu等[28]研究发现,在黄瓜中外源ALA上调了盐胁迫下NHX1、VHA-A、SOS1和HA3基因的转录水平和翻译水平,增加了钠离子往细胞质转移,减少了钠离子往液泡转移,提高植物对盐胁迫的抗性。

3.2 温度胁迫在非生物胁迫中,温度胁迫是植物生产中一个特别严重的问题。植物生长和发育依赖周围的环境温度,每种植物都有一个特定的温度范围,分别是最低、最高和最适温度。极端温度对植物生长、发育、繁殖和产量会产生不利影响[29]。高温导致植物生长受限、蒸腾速率增加、光合器官受损[30],而低温导致膜损伤、光合特性抑制和氧化应激反应[31]。

3.2.1低温胁迫。

3.2.1.1低温胁迫的危害。冷害和冻害是低温胁迫的两种方式,可以抑制植物的生长,制约植物的生存空间,最终影响产量形成。低温对植物营养吸收和积累、叶绿素含量、光合能力、氧化应激、代谢过程和防御系统等产生不利影响[32]。低温下植物积累过量ROS对叶绿素含量、光合速率、抗氧化酶活性、激素和养分积累产生负面影响,并导致细胞死亡。为了消除ROS的过量产生,植物进化出了抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、GR、APX和DHAR]和非酶负责清除多余活性氧的抗氧化剂(GSH、AsA和类胡萝卜素)[33]。

3.2.1.2ALA对低温胁迫的影响。低温胁迫会影响种子和幼苗的发育,ALA在低温胁迫中也有广泛的应用。田永强等[34]发现喷施不同质量浓度ALA可降低甜樱桃花柱和子房超氧阴离子自由基、过氧化氢、丙二醛、氧化型抗坏血酸和氧化型谷胱甘肽的含量,提高还原型抗坏血酸、还原型谷胱甘肽含量和相关酶活性[APX、DHAR、MDHAR、GR、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和谷胱甘肽转移酶(GST)],升高AsA/DHA和GSH/GSSG比值,缓解低温对樱桃造成的伤害。

植物通过光合作用增加有机物含量,其中叶片是植物进行光合作用的主要器官。Anwar等[35]在低温条件下对黄瓜幼苗喷施ALA,发现黄瓜幼苗植株体积明显增大,叶绿素含量和光合能力升高,ALA通过调节黄瓜的防御系统和诱导内源激素的积累,来降低低温对黄瓜的伤害。Wang等[36]研究表明,低温胁迫下调ALA代谢基因HEMA1的表达,上调HEMA2和HEMA3基因的表达来促进ALA的合成。Liu等[37]研究发现,低温增加了番茄植株生长相关的抗氧化物质谷氨酸和γ-氨基丁酸的含量,降低了ALA的含量;ALA在低温胁迫下降低谷氨酸含量和增加γ-氨基丁酸含量,显著上调了参与γ-氨基丁酸合成的谷氨酸脱羧酶基因(SlGAD4)的表达;此外ALA可以促进上表皮和栅栏实质细胞的扩增,并上调番茄叶中木葡聚糖内转葡糖基酶/水解酶基因(SlXTH23)的表达,显著减轻冷诱导的番茄膜脂质过氧化,增强C重复结合因子基因的表达,促进细胞扩张,刺激抗氧化系统,增强番茄的耐寒性,从而缓解寒冷抑制的番茄生长。

3.2.2高温胁迫。

3.2.2.1高温胁迫的危害。高温胁迫会导致氧化损伤,阻碍光合作用,并减少物质的溶解,从而导致作物产量下降[38]。许多植物物种的生长受到热的不利影响,由于气候变化,气温上升将降低植物的数量和质量。高温对植物的生长和发育产生不利影响[39]。由于全球变暖导致的平均地表温度不断上升,对所有植物生长和发育阶段都有压力,限制了基础代谢和生产力[40]。

3.2.2.2ALA对高温胁迫的影响。Huang等[38]研究发现,高温胁迫提高了黄瓜叶片中丙二醛、超氧自由基和过氧化氢的含量,但对喷施ALA的叶片影响较少。Katuwal等[41]研究发现,在高温胁迫下,喷施ALA提高了高羊茅叶绿素含量和光合性能,减少了过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶的氧化损伤。Zhang等[42]研究发现,在高温胁迫下ALA 处理的黄瓜叶片提高了抗氧化酶活性、脯氨酸和可溶性糖含量,缓解了高温胁迫对黄瓜的生长抑制。张鹤等[43]研究发现,高温胁迫下,ALA提高了苜蓿叶绿素含量和各种生物酶的活性,减少了电导率和丙二醛的含量。王传凯等[44]研究发现,ALA可缓解高温对裸燕麦的危害。然而,关于ALA对高温胁迫的作用研究较少,是一个需要进一步探索的领域。

3.3 干旱胁迫

3.3.1干旱胁迫的危害。干旱胁迫是非生物胁迫之一,可以与高温、光照强度和低降雨量共同影响植物生物量的生产、质量和能源,影响着世界粮食安全。干旱影响植物水势,干扰植物的正常功能,改变植物的生理和形态特征,对植物生长的质量和产量产生不利的影响。干旱胁迫通过导致气孔关闭和减少水分含量来限制植物的光合作用,以及导致活性氧的过量产生,从而抑制植物生长[45]。因此,为了生产更多的粮食,缓解干旱胁迫对于实现指定目标很重要。

3.3.2ALA对干旱胁迫的影响。ALA在干旱胁迫下对植物的生理和代谢机制有一定的影响。Niu等[46]研究发现,外源ALA可增加干旱条件下早熟禾幼苗中CAT、SOD、APX和GR等抗氧化酶的活性,减少活性氧的产生,降低氧化损伤和增加非酶抗氧化物质的转录和转录后水平,从而提高早熟禾对干旱胁迫的耐受性。Cai等[47]研究发现,ALA改善了干旱下草莓的吸水率,抑制叶片中脱落酸的生物合成和信号基因表达,促进根中的脱落酸生物合成和信号基因表达。

叶绿体是植物进行光合作用的场所[48],干旱胁迫下,在香蕉上喷施ALA使叶绿体中脂质过氧化,叶绿素含量和光合作用氧释放量增加,从而保持叶绿体膜结构的稳定性,促进干旱胁迫香蕉植株的生长、生产力和果实品质[49]。

ALA还可以增加小麦中脯氨酸和叶面氮的含量,以及干旱条件下根部的钙离子含量[50-52]。此外,用ALA预处理会诱导参与卡尔文循环酶基因的表达,如3-磷酸丙糖异构酶(TPI)和1,6-二磷酸果糖醛缩酶(FBPA)[53],进而提高植物对干旱胁迫的抗性。

3.4 重金属胁迫

3.4.1重金属胁迫的危害。重金属是与水相比密度相对较高的金属元素,其中一些金属是非必需金属,即使在低浓度下也可能具有剧毒,例如镉、汞、铅和砷[54]。其他金属元素具有不同的代谢功能,对生命至关重要,但当它们的浓度超过植物需求时可能产生毒害[55]。植物对金属的吸收各不相同,有些植物甚至可能以非常低的浓度吸收金属。重金属污染严重影响农作物生产,对人类健康构成威胁。

3.4.2ALA对重金属胁迫的影响。铬(Cr)是环境中毒性最强的污染物之一,会对不同植物的生物体和生理过程产生不利影响。Ahmad等[56]研究发现,对花椰菜叶面施用ALA增加了铬胁迫下的植株生长参数、生物量、气体交换参数和光合色素,降低了丙二醛、电解质和过氧化氢的水平,进一步提高了叶和根中抗氧化剂的活性,有助于降低铬对花椰菜的伤害。Ali等[57]研究发现,ALA促进铬胁迫下油菜的植株生长,增加叶片中的叶绿素含量,提高植物的净光合和气体交换能力,降低枝条和根部的铬含量,改善了叶肉细胞的结构,进而提高油菜对铬胁迫的适应性。

铅是影响最大的金属污染物之一,可以改变土壤生态系统的生物群落和植物新陈代谢。铅会干扰植物发育中涉及的基因表达的调节,其在植物组织中的积累也会干扰细胞氧化还原状态,从而触发活性氧的产生。Singh等[58]研究发现,施加ALA减缓了铅对甘蓝幼苗的茎长、根长和叶绿素含量的伤害,降低参与叶绿素代谢的酶基因和活性氧生成基因的表达;增加酚类含量,同时也刺激了苯丙氨酸解氨酶等基因的表达,增加三羧酸循环代谢物的含量和相关基因的表达,说明ALA通过调节参与植物防御系统的关键酶的转录模式来减弱铅的伤害。

铅胁迫降低植物的光合效率。Ali等[59]研究发现,叶面喷施ALA后,提高了铅胁迫下油菜叶和根中总谷胱甘肽的含量和油菜生物量,增强了叶和根中养分的吸收,增加了酶促和非酶促抗氧化活性,降低叶和根中活性氧和丙二醛的产生;表明ALA促进油菜的酶促和非酶促抗氧化活性来降低植物膜的氧化损伤,增强油菜对铅胁迫的耐受性。

3.5 其他胁迫低温和弱光是温室栽培最常见的非生物胁迫,这些条件限制了植物的生长。Anwar等[60]研究发现,ALA减轻了低温弱光胁迫下对黄瓜幼苗的生长抑制,增加了叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a + b含量,增加了幼苗的叶面积和鲜干重;提高了黄瓜幼苗的净光合作用速率、气孔导度、蒸腾速率、光合系统Ⅱ的光化学效率和电子传递速率;增加了根系活性和抗氧化酶活性,并减少黄瓜幼苗根叶中的活性氧和丙二醛积累;这些结果表明,给黄瓜施加ALA可减轻低温和弱光胁迫的不利影响,提高叶绿素含量、光合能力和抗氧化酶活性,从而促进黄瓜幼苗生长。

干旱和盐碱是作物栽培中最常见的非生物胁迫,Li等[61]研究发现,ALA增强了干旱和盐胁迫下对杨树植株的光合能力,增加了叶绿素含量,提高了净二氧化碳同化速率、蒸腾速率、光合系统的最大光化学量子产率、光合作用实际量子产率和电子转移速率;上调转运蛋白和水通道蛋白基因(与叶片细胞中的钠离子和水通道蛋白的运输活性有关)的表达,表明ALA提高了杨树的抗逆性,降低了膜脂质过氧化程度,促进了叶片的光合作用和抗氧化能力,影响钠离子转运蛋白和水通道蛋白活性,从而提高杨树的耐盐性。

4 展望

剧烈的全球气候变化在一些地区引发的高温、干旱与洪水及人类活动导致土壤的污染,严重威胁着全世界的作物生长和粮食安全,这就使得改善和提高农业植物的抗逆性变得更加重要。ALA作为植物生长调节剂和叶绿素的前体物质,不仅在非应激条件下调节植物生长发育(例如种子发芽、营养生长和作物的果实着色),而且还通过直接或间接调节植物的光合作用、养分吸收能力、抗氧化防御系统和渗透调节来提高植物对非生物胁迫的抵抗力。目前生产上使用ALA来激活植物抗性主要是通过种子浸泡、叶面喷雾和土壤浇水。关于ALA在植物中的调节作用多集中在生理效应而不是分子机制上,而对其调控的分子机制研究较少,后续应进一步研究其分子调控机制,并深入解释ALA对各种植物生理和生长过程的改善作用,使其在农业中发挥巨大的作用。