博士论文 涝害胁迫研究进展

中国农业大学博士学位论文第一章植物的涝害胁迫及其适应帆制研究i挂胜文献综述第一章植物的涝害胁迫及其适应机制研究进展土壤中存在的水分超过田问持水量而对植物产生的伤害称为涝害。

涝害是世界上许多国家的重火灾害，根据联合国粮农组织(FAO)的报告和国际土壤协会绘制的世界土壤图估算．世界上水分过多的土壤约占12％。

我国也是涝害严重的国家。

黄淮海平原、长江中下游、东南沿海、松花江和辽河中下游等地是主要的产粮基地．同时也是洪涝灾害发生较多的地区，尤以黄淮海平原和睦江中下游最为严重，占全国受灾面积的3／4以上(刘祖祺，1994)。

根据国家统计局、中国气象局、国家防汛抗旱总指挥部办公室共同核定．2000年全国农作物受涝面积732．3 万公顷．其中成灾432．1万公顷．绝收132．4万公顷．造成的经济损失仅次子旱灾。

因此，了解植物对水涝胁迫响应的分子机理，从而合理地选择和定向培育耐涝性品种，对于我国的农业生产具有重要的理论和现实意义。

本文将就目前本研究领域的进展作一概述。

1．涝害胁迫和植物反应涝害对植物的危害主要原因不在于水自身，而是由于水诱导的次生胁迫而造成的。

涝害排除了十壤孔隙中的气体，减少了植物组织与大气问的气体交换(因为气体，特别是氧气，在水中比在空气中的扩散速率降低了10，000倍)(Armstrong。

1979)，这导致根部区域形成缺氧或厌氧环境，这是涝害各种反应中的主要决定因子。

由于土壤中的氧气迅速亏缺，引起十壤和厌氧微生物产生了许多对植物有害的物质，如硫化物、二氧化碳、酸、醛、酮等，这些化合物将随着淹水的不同程度影响着植物的正常生长和发育。

另外，在植物体内由于淹水缺氧，导致根部厌氧代谢，发酵产生的乙醇、乙醛等物质对细胞具有毒性，对蛋白质结构造成破坏(Pemta，1992)：乳酸发酵产生的乳酸及液泡H+外渗等原因会导致细胞质酸中毒(Roberts，1985)：发酵还会使线粒体结构破坏，细胞能荷F降，细胞中氧自由基增加，保护酶活性下降，质膜透性剧增，导致细胞严重的厌氧伤害(Fan，1988：Robers，1992：Sachs，1986)。

植物对涝害会作出一系列反应，最早的反应之一就是气孔的关闭，虽然在一定时间内，甚至在较长时间内淹水并不引起植株叶片水分亏缺，有时还会提高叶片的水势．但仍会很快引起气孔关闭，叶片气孔阻力增加。

由于气孔关闭，导致受涝植物光合作用迅速下降．光合作用下降的后期又相继地与羧化酶受抑制、失绿、叶子衰老和脱落有关。

同时碳水化台物的运输速率下降。

此外，淹水还会使植物表现出矿质元素吸收的变化，激素含量和平衡的改变，晟后导致生氏的抑制，直至死亡(姜华武，1999；王文泉，2001：卓仁英，2001)。

2．涝害胁迫下植物代谢途径的改变植物受涝时，由于根部区域缺氧不能进行正常的有氧代谢，而为了维持正常的或至少是最低的生命活动，能量的供应也是必不可少的。

因此在厌氧条件F，细胞能量的供应主要依赖于无氧发酵途径产生ATP。

在受涝时．主要有三种活跃的发酵途径：乙醇发酵途径、乳酸发酵途径平【1植物特有的丙氨酸发酵途径(由谷氨酸飘I丙酮酸通过丙氨酸氪基转移酶产生丙氩酸的过程，__中国农业大学博士学位论文第一章植物的涝害胁迫及其适应机制研究进展幽1一1)。

动物中只有乳酸发酵途径。

乙醇和乳酸发酵途径广泛存在于兼性厌氧细菌和酵母中。

庚氧诱导的不键庚氯诱导的圈1．I檀钧在厌氧和有氯条平F下表达的两类不同的代谢基因ss：蔗糖合成酶t GPI,葡莓黼酸异杓酶I ALDz果糖-1,6-礴酸醛缩群；GAPDH·甘油醛。

礴酸脱氢酶l ENO·烯尊化醇Fig．1-1．Two different sets of me衄bolism genes expressed by plants under anaerobic and aerobicconditions SSI sucrosesynthasel GPh glucose phoshate isomerase!ALD,fructose-I．6-phosphate aldolase；在啤酒酵母中，乙醇发酵有关的酶一直都存在；氧与蔗糖的存在与否调控着糖酵解产物的流向．丙酮酸脱氢酶和丙酮酸脱羧酶对丙酮酸的亲和性在有氧呼吸和发酵时是不同的(Gancedo，1989)。

在有氧存在时植物中并不存在发酵途径，但在低氧时立即诱导出现，说明它们在植物适应低氧存活机制中起着重要作用。

但这三种途径是怎样又是在多大程度上对缺氧胁迫的耐性作出贡献以及它们之间是如何相互作用的仍不清楚。

PH—s诅t模型认为．细胞选择乙醇发酵还是乳酸发酵是由细胞质PH控制的。

乳酸发酵产乳酸，使PH降低，抑制了乳酸脱氢酶活性而激活丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶活性(Davies，1974，1980)。

核磁共振(NMR)研究表明，玉米根尖淹水历，细胞质PH酸化，处理时间较氏时，发酵产物主要是乙醇(Robers，1984a：Fox，1995)。

研究表明．乙醇发酵途径活跃的植物更耐涝，而缺失ADH的突变体对涝害更敏感(Robers，1984b：Kennedy，1992)。

但最近更多的证据表明，乳酸发酵导致细胞质酸化的模型过于简单，PH降低并不是由于代谢活动的变化(乳酸发酵)导致的，可能还有H+一ATPase质子泵的参与(Ratcliffe，1997；Germain，1997)。

试验表明．在低氧状况下，玉米根在细胞ATP耗空以前就死亡了(Xia，1995)，说明能餐水平2中国农业大学博士学位论文第一章植物的涝害胁迫发其适应机制研究进展并非决定植株存活的主要决定因子。

虽然保证细胞PH在控制之下可能是决定植株在淹水时是否存活的重要因子，但其调控细胞质PH的机制仍不清楚，这也可能是通过遗传工程获得耐涝植株的关键。

在涝害胁迫时，除了发酵途径外，在有些植物中还存在磷酸戊糖途径和苹果酸代谢作为能量供应的补充，以减小发酵途径产生的乙醇、乳酸等有毒物质的毒害作用(Plaxton。

1996：Hanhijarvi，1995)。

在厌氧条件下，参与糖酵解过程的酶也发生变化(图1)。

厌氧诱导表达出一类正常状况F不表达的糖酵解酶(Dolferus，1997)。

此外，有些湿地植物可能存在特殊的代谢，如使用PPi替代ATP作为高能磷酸的供体。

水稻淹水时v—PPase可以代替液泡H+-ATPase 的H+一泵功能：PPi：Flu．6．PI磷酸转移酶活性上升，代替ATP依赖性磷酸果糖激酶。

低氧锻炼的玉米，根尖存活时间以及胞质酸化与ATP含量无关，暗示PPi在起作用(Botha，1991：Mertens，1991：Carystinos，1995)。

总之，植物根系细胞对涝害胁迫的生理适应途径可能是多样，主要的作用可能是为了尽可能的维持能量的供应，减小发酵产生的有毒物质的毒害，以及防止细胞质酸中毒等。

但其具体的机制还有待进一步探讨(Xia．1996)。

3．植物对涝害胁迫的分子反应早期用”s—Met标记玉米根表明，从有氧到无氧过程中存在不同的蛋白质合成方式的开关(Sachs，1980)，在二维聚丙烯酰胺凝胶上可以看到厌氧条件下新合成出约20种多肽(厌氧多肽，ANPs)。

通过cDNA克隆的方法己分离到一些ANPs(表1．1)。

这些ANPs包括参与三种发酵途径的酶(PDC，ADH，LDH，AIaAT)。

糖酵解和蔗糖降解途径的酶也出现在ANPs中：果糖一1，6-二磷酸醛缩酶，烯醇化酶．甘油醛一3一磷酸脱氢酶．葡萄糖磷酸异构酶和蔗糖合成酶(表l—1)。

碳水化合物的发酵途径可以在无氧时维持植物ATP的产生，虽然产生的能量减少(每摩尔的葡萄糖发酵只产生2摩尔ATP，而有氧代谢可产生36摩尔)。

诱导产生的参与糖酵解和蔗糖代谢途径的酶很可能增大了通过此途径的碳流，以弥补减少的能量。

但仍不清楚在低氧时这些基因表达的变化是如何影响糖酵解途径的碳流的。

随着更多的ANPs的鉴定(表1-1)，表明植物对缺氧的反应远比原来想象的复杂。

整个反应可以分为三个阶段。

第一阶段(o一4h)，迅速诱导或激活信号转导元件。

这种信号转导反应激活第二阶段(4--24h)，即代谢适应阶段，包括诱导糖酵解和发酵途径的基因，这对于保证能量的供应是必需的。

这种代谢反应远比原来想象的复杂，它涉及氯代谢的变化和其他一些看似无关的代谢途径。

氨基环丙烷羧酸合成酶(ACC合成酶．乙烯合成反应中的一种关键酶)也在此阶段被诱导表达(Olson，1995)，可能引起了乙烯合成的上升。

第三阶段(24--48h)．包括根部通气组织的形成，这对于作物在长时间的低氧胁迫F存活是重要的。

研究表明乙烯也参与了此过程(He，1996)。

最近发现一种与术聚糖内转葡萄糖基酶(XET．推测与细胞壁松弛有关的酶)有同源性的ANP在48—72h诱导大量表达(Sachs，1996)．可能在第三阶段起作川。

通气组织形成并非缺氧的直接结果，而可能是被阶段l和，或阶段2以及乙烯积累激发的结果(Drew，1997)。

乙烯并不影响发酵途径基因的表达(Morell，1989)。

__中国农业大学博士学位论文第一章植物的涝害胁迫及其适应机制研究进展Table I-1低氧胁迫诱导表达的蛋白质及其基因(RNA水平)Table 1-1．List ofall known proteins that are actively synthesized(protein level)and genes which areinduced(RNA level)by low oxygen conditions蔗糖合成酶∞淀粉酶葡萄糖．6一磷酸异构酶PPi：磷酸果糖激酶己糖激酶果糖．I，6-二磷酸醛缩酶甘油醛．3．磷酸脱氢酶烯醇化酶乙醇脱氢酶丙酮酸脱氢酶乳酸脱氢酶丙氨酸氨基转移酶谷氨酰胺合成酶硝酸还原酶亚硝酸还原酶甲醛脱氢酶木葡聚糖内转葡萄糖基酶ACC合成酶血红蛋向AtEIgbl液泡II+一转运焦磷酸化酶胞质丙酮酸正磷酸二激酶AtMYB2Myb7RNA，蛋白质蔗糖降解RNA，蛋白质蔗糖降解RNA，蛋白质糖酵解蛋白质糖酵解蛋白质糖酵解RNA，蛋白质糖酵解RNA．蛋白质糖酵解RNA，蛋白质糖酵解RNA，蛋白质乙醇发酵RNA，蛋白质乙醇发酵RNA，蛋白质乳酸发酵RNA，蛋白质蛋白质蛋自质蛋白质RNA，蛋白质RNARNARNARNARNA，蛋白质RNARNA4丙氨酸发酵氮代谢氮代谢氮代谢c1代溏|松弛细胞壁乙烯合成?；贮存氧?；细胞质酸化?：厌氧条件l-C02㈣定转录因子转录因子Springer·1986：Martin，1993Perata．1993Kelley，1984a：Sachs，1996Botha ．1991；Mertens，199IBouny，1996：Fox1998Kelley，1984b；Dennis，1988Sachs，1996Sachs，1996Frceling，1985Kelley，1989Hoffman，1986：Germain，1997Good。