盐胁迫下甜菜碱的生物合成及植物耐盐的分子机制(综述)

盐胁迫下甜菜碱的生物合成及植物耐盐的分子机制(综述)张雪芹;欧阳海波
【摘要】甜菜碱是一种无毒的渗透调节剂.在盐胁迫下,植物体内迅速积累甜菜碱等小分子化合物以维持细胞内外的渗透平衡,从而维持细胞正常的生理功能.本文对甜菜碱的生理作用、生物合成、基因工程及植物抗盐的分子机制作一综述,为培育理想的耐盐植物新品系提供参考.
【期刊名称】《亚热带植物科学》
【年(卷),期】2009(038)003
【总页数】6页(P73-78)
【关键词】盐胁迫;甜菜碱;生物合成;渗透调节;分子机制
【作者】张雪芹;欧阳海波
【作者单位】福建省亚热带植物研究所,福建省亚热带植物生理生化重点公共实验室,福建,厦门,361006;福建省亚热带植物研究所,福建省亚热带植物生理生化重点公共实验室,福建,厦门,361006
【正文语种】中文
【中图分类】Q945.78
迅速积累大量小分子化合物以维持细胞的正常功能是许多高等植物受到盐胁迫时对外界的一种适应性防御反应。

植物受到盐胁迫时，通常可通过在细胞内积累渗透保护物质调节细胞内外渗透失衡。

许多植物，特别是藜科、禾本科植物在盐胁迫下，细胞中甜菜碱的积累水平与植物抗胁迫能力成正比[1]。

近年来，有关甜菜碱的基
因工程研究及一些甜菜碱突变体的发现，将甜菜碱的研究推向了新的高潮[2,3]。

本文就盐胁迫下甜菜碱的生理功能、生物合成、基因工程和盐胁迫下植物的抗盐分子机制作一综述，为植物耐盐基因工程的进一步研究提供理论参考。

甜菜碱首先在甜菜中发现，故而得名。

常与前体物质胆碱互相转化，平衡共存。

甜菜碱能参与供给甲基的脂肪代谢过程，胆碱则可与脂肪酸、磷酸形成易溶于水的卵磷脂，参与脂肪运转[3]。

甜菜碱除定位于叶绿体外，还存在于微粒和胞浆中。

在同一植株的不同组织中甜菜碱含量也不一致，一般生长旺盛组织高于成熟组织，如滨藜的顶端叶片甜菜碱含量为30μmol/g fw，而成熟叶片中只有5μmol/g fw[4]；植物芽中甜菜碱含量较根高；幼苗叶片甜菜碱含量在营养生长阶段不断增加，开花时达最大。

小麦穗组织的花药、内稃、外稃、颖片、花轴、穗轴以及糊粉层和胚中均含甜菜碱，但胚乳中没有检测到[5]。

正常条件下甜菜碱主要集中在大麦叶片表皮和维管束中，其浓度是叶肉薄壁组织的15倍，受胁迫时甜菜碱首先在维管束中积累。

甜菜碱积累是植物对逆境的一种适应性。

藜科、禾本科植物在盐胁迫下甜菜碱积累明显，并通过渗透调节适应盐碱造成的渗透胁迫，以保持细胞内外的渗透平衡。

甜菜碱除了作为渗透调节剂外，其作用还表现在盐胁迫下，对三羧酸循环(TCAC)的主要酶和末端氧化酶有保护作用。

植物甜菜碱的生物合成经两步氧化得到，其中涉及胆碱氧化酶(CMO)和甜菜碱醛脱氢酶(BADH, EC1.2,1.8)，两种酶的活性均受盐诱导[6]。

在一定范围内，甜菜碱含量随盐胁迫程度的增加而增加，但这种增加并非无限的。

Guy等[7]比较了盐角草（Salicorniae uropaea）在不同盐度下甜菜碱含量的变化，发现较低盐度下，甜菜碱含量随盐浓度的增加而迅速上升；当盐度继续升高时，其增加的速度减缓直至最后稳定在某一水平。

甜菜碱能保护细胞内蛋白质和代谢酶的活性，甚至有稳定膜的作用[8]。

Incharoensakdi等[9]研究嗜盐隐杆藻（Aphanothece halophytica）时发现，当外界NaCl浓度从0.25mol/L
提高到2.0mol/L时，隐杆藻的CO2固定速率增加3.7倍，1,5-二磷酸核酮糖羧
化加氧酶的活性提高，甜菜碱稳定了高盐下酶的活性。

Scott等[10]在转BADH基因烟草的研究中发现，甜菜碱能保护抗氧化酶系统(SOD、CAT、POD等)的活性，增强细胞有效排除活性氧和氧自由基的能力，以保证细胞质膜和叶绿体膜的稳定性和完整性。

同时，甜菜碱还能提高呼吸过程相关酶和光呼吸途径中羟基丙酮酸还原酶（HPR）、乙醇酸氧化酶（GO）等酶的活性，明显增强光呼吸过程，使植物减少或免受光抑制的破坏[11]。

甜菜碱在生理范围内不带净电荷，对植物无毒害作用，通过与蛋白质的相互作用，保护生物大分子在高电解质浓度下不致变性，并作为渗透调节剂维持细胞的膨压[12]。

体外试验发现甜菜碱在盐胁迫时可稳定蛋白质的四级结构和膜的高度有序性，并阻止光合系统中Rubiso和PSⅡ复合体解联成亚基时失活的作用[13,14]。

3.1 甜菜碱的合成部位
甜菜碱在不同植物中的定位和合成部位是不同的。

Hall对滨海碱篷的研究发现，
甜菜碱在细胞质中合成，而非在液泡中，液泡中甜菜碱的含量低于细胞中其他部位[15]。

Hanson等[16]认为，甜菜碱的生物合成是在叶绿体中进行的，盐胁迫下，菠菜叶绿体中积累了高达0.3mmol/L甜菜碱，是其他部位的20倍。

大麦、菠菜
等受盐胁迫时，催化甜菜碱合成的BADH活性增加了3倍，甜菜碱含量增加3～6倍，胁迫诱导合成的甜菜碱30%～40%定位于叶绿体中，其浓度可达
300mmol/L，为叶片的20倍[17]。

而Pan等[18]在叶绿体和线粒体中未检测到BADH，认为BADH是一种泡液酶。

Weigel等[19]认为，BADH主要定位于叶绿体中，胞液中的BADH是同工酶。

3.2 甜菜碱的生物合成
Ishitani等[20]研究发现，植物体内甜菜碱是在叶绿体内通过光或激素（如ABA）诱导合成的。

一般认为甜菜碱的合成是以丝氨酸为原料，经过一系列反应生成胆碱，
再由胆碱通过两步不可逆的氧化反应生成甜菜碱。

这两步反应需要两种酶的催化，一是胆碱加氧酶（CMO），催化胆碱氧化成甜菜碱醛；二是甜菜碱醛脱氢酶（BADH），催化甜菜碱醛形成甜菜碱。

盐胁迫下，甜菜碱含量显著提高。

Hanson等[21]利用放射性同位素14C进行甜菜碱合成研究，结果表明，在大麦
叶片中注入14C-胆碱，盐胁迫下转化为甜菜碱的量是未受胁迫植株的2～10倍。

3.3 甜菜碱合成酶
3.3.1 胆碱单加氧酶（CMO）催化甜菜碱合成反应有三个不同的酶系统：存在于
微生物和哺乳动物体内的胆碱脱氢酶，催化胆碱氧化成甜菜碱醛；存在于微生物中的胆碱氧化酶，能催化合成甜菜碱的两个连续反应；高等植物中的胆碱单加氧酶存在于叶绿体中，催化胆碱氧化成甜菜碱醛，反应受光刺激，需氧和依赖铁氧蛋白[22]。

胆碱单加氧酶的最适pH为8.0，其活性受盐或干旱诱导。

如经
200mmol/L NaCl 处理后，菠菜的CMO活性增加3倍，由CMO催化的氧化反
应在叶绿体中进行，以铁氧蛋白或铁氧还蛋白类似结构作为其电子供体，且需镁离子激活，因此CMO有很强的光依赖性[23]。

3.3.2 甜菜碱醛脱氢酶（BADH） BADH是由单一核基因编码的多肽二聚体，等电点5.65，当pH为7.5～9.5时，酶活性不受影响[24]。

Weigel等[19]研究表明，BADH有两个同工酶（BBD1和BBD2），BBD1存在于微粒中，BBD2在双子叶植物叶绿体中的含量比单子叶植物微粒中的要高。

BBD1和BBD2分别有不同的基因表达方式。

在高盐、干旱和ABA处理下，大麦根的BBD1含量比叶丰富；而盐、干旱、PEG和ABA处理下，BBD2在叶中最丰富。

BADH的表达受盐胁迫诱导，当NaCl浓度逐渐增加到500mmol/L时，菠菜叶片BADH的mRNA含量增加3～4倍[25]，一旦盐胁迫解除，mRNA含量即恢复到正常状态[26]。

甜菜碱的积
累与盐胁迫密切相关，盐浓度的变化可对甜菜碱生物合成中相关基因的表达进行调控，从而控制甜菜碱的积累。

BADH是合成甜菜碱的关键酶[27]。

3.3.3 磷酸胆碱氮甲基转移酶胆碱是甜菜碱合成的前体，其本身也是人类基本的营养物质。

胆碱的生物合成量增加，将提高植物对盐和干旱的抗逆能力。

磷酸胆碱氮甲基转移酶是胆碱生物合成的关键酶，通过甲基化作用，催化胆胺转化为磷酸胆碱。

研究表明，在转基因磷酸胆碱氮甲转移酶烟草中，氮甲基转移酶活性提高，将使磷酸胆碱含量提高5倍，其自由胆碱含量增加50倍。

提高转基因植物中胆碱前体乙醇胺（EA）的含量，将提高胆碱含量，从而促进甜菜碱积累[28]。

3.3.4 钾对盐胁迫下BADH积累的影响 K+是细胞中起渗透调节作用的无机离子，同时还具有重要的生物化学功能。

不仅如此，在植物水分亏缺时，K+的存在对脯
氨酸（Pro）和甜菜碱（Betaine）的积累有促进作用，表明在盐胁迫下，无机离
子含量的变化影响有机小分子的积累[29]。

随盐胁迫浓度的增加，植物甜菜碱含量显著增加。

当NaCl浓度达400mmol/L时，菠菜幼苗甜菜碱含量为处理前的3.6倍，但在无K+条件下，叶片甜菜碱的含量随NaCl胁迫加强而增加的变化率均低于含K+条件下的NaCl处理。

随着NaCl浓度升高，甜菜碱含量在300mmol/L NaCl处理时达最高，为处理前的1.6倍。

NaCl 处理浓度在300mmol/l以下时，随着NaCl浓度的升高，BADH的活性显著增加；400mmol/l的NaCl处理时，酶活性达最大，为处理前的4倍。

用无盐处理菠菜
幼苗，BADH酶活性在各种盐浓度下确立较前者低。

无K+条件下，处理NaCl浓度达300mmol/L时，BADH酶活性即达最高水平，超过此浓度酶活性随盐浓度
增加迅速下降[29]。

随着科学技术的发展，植物的胆碱单加氧酶和甜菜碱醛脱氢酶已被分离纯化，编码CMO和BADH的基因已被成功克隆。

BADH被证明是最重要最有希望的盐胁迫
抗体基因之一。

Scott等[30]将菠菜CMO基因转入烟草中，并成功表达，但CMO蛋白只有很低的酶活力。

沈义国等[31]研究表明，转山菠菜CMO基因的烟
草植株，普遍提高了耐盐性和耐旱性。

Rathinasabopathi等[32]将菠菜和甜菜的
BADH基因转入烟草，BADH在烟草叶片叶绿体中得到表达。

山菠菜的BADH基
因转化草莓、烟草，获得良好的耐盐植株，获得的转化植株可分别在含0.4%～0.7% NaCl和2.0% NaCl的培养基上生长，得到的转基因水稻可在0.5% NaCl盐田中
生长结实[3]。

另外，转山菠菜BADH基因小麦、豆瓣菜的耐盐性均有所提高。

BADH基因的转入，除了使植物可通过渗透调节提高耐盐能力外，还可能使植物
增加某种“非渗透调节”物质[29]。

对植物而言，盐胁迫包括离子毒害和渗透压胁迫两方面。

在讨论植物盐应答分子机制时，将相关分子划分为两类：一类为效应分子，直接参与代谢变化等生化应答过程，产生耐盐效应，如渗调剂合成酶类；另一类为调控分子，位于效应分子上游，介导信号传递，包括转录因子和位于信号级联系统中的各种激酶[33]。

单细胞真核生物酵母因与高等植物在信号传递系统和膜转运蛋白系统上有很好的类比性，被广泛用于这两类分子的克隆和功能分析。

5.1 盐胁迫下渗调剂的功能
多数生物体在外界不利环境条件下都会在体内合成和积累渗调剂。

渗透剂无毒害作用，可在胞内积累至很高程度，有时少量的渗调剂如甜菜碱就可显著提高细胞耐盐能力。

一般认为渗调剂可减轻离子毒害作用，还可利用其亲水性，作用于各蛋白复合体或膜表面上起保护效果[34]。

渗调剂的合成途径一般与生物体内的基础代谢过程相关联，例如脯氨酸和甜菜碱分别由谷氨酸和胆碱这两个基础物质经数步反应获得。

外界胁迫如盐胁迫可诱导相关合成酶类基因的表达增强，提高渗调剂含量。

盐胁迫下植物的转基因工程开展较早，其中甜菜碱基因工程研究较深入，已建立外源附加渗调剂合成途径的计算机动态模型，为其他渗调剂基因工程提供了参考[35]。

除了渗透保护外，Greenway[36]认为渗调剂的合成也是一种盐胁迫适应性的代谢
应答。

生物体在不利环境下将渗调剂作为一种临时性的氮源和碳源而合成和储存。

也有认为其合成途径本身可消耗大量有害代谢物，主要是过氧化物等，从而维护正常代谢过程。

5.2 盐胁迫信号传递过程
盐应答的调控分子负责胁迫信号的传递。

有假设认为，在盐胁迫条件下，根部首先感受到盐胁迫，然后将信号传递到叶片；但也有研究表明，大麦去根后，在盐迫下也可引发叶片BADH的积累，说明基因表达的信号不仅仅起源于根部。

不少人认为，植物的荷尔蒙（激素）和ABA也参与信号传递[37]。

拟南芥突变体abi1、sas3都具有感盐表现型，abi1对ABA不敏感，sas3则编码一个Ca2+结合的CNB类似蛋白（CAN的一个亚基），证明ABA、CNB类似蛋白参与了拟南芥盐胁迫下的信号传递。

5.3 渗透调节基因
Sutherland等[38]对大肠杆菌（Escherichia coli）和伤寒沙门氏杆菌（Salmonella typhimurium）研究后发现，K+和甜菜碱的积累是由不同基因控制的，一种被命名为ProU的基因编码甜菜碱运输系统；另一种Kdp基因编码K+运输系统。

Kdp和ProU分别为完全不同的信号调节基因。

盐胁迫引起细胞早期失水，膨压减小，立即诱导Kdp表达和K+积累，直到恢复膨压。

如盐胁迫继续增加，K+积累达到损伤酶功能的程度，ProU即被诱导表达。

倘外界有可利用的甜菜碱，则被吸收积累。

许多植物中，K+是重要的渗透调节物质。

在E. coli中，为渗透调节而吸收K+的高亲和力系统Kdp由三个协合诱导基因操纵子Kdp ABC 编码，紧接其下游的为两个调节基因Kdp DE ，其产物调节Kdp ABC 操纵子对胁迫反应的表达。

全世界有3.8亿hm2土地具有不同程度的盐渍化，约占可耕地面积的10%，中国约有1亿hm2各种盐渍地。

随着我国人口的剧增及工业的高速发展，可耕地急剧下降，而不合理灌溉、耕作等，又造成了大量良田的次生盐渍化，土壤盐渍化是农
作物减产的主要原因之一[39]。

因此，如何利用和开发盐渍化土壤、提高作物产量已成为中国农业生产中十分重要和迫切的问题。

利用分子生物学手段，培育抗盐的转基因植物、抗盐作物新品种是解决这一问题的有效途径。

目前，甜菜碱转基因植物已获得成功，转基因植物的抗盐性有所提高。

当今世界农作物的种类约有200
余种，占有较重要经济地位的只有20多种，但这些作物多不抗盐，有必要通过植物耐盐转基因工程提高它们的耐盐性。

目前通过转基因植物工程已经改善某些作物的耐盐性、耐逆性，培育出抗逆新品种。

未来农业面临着人口压力增大、土壤退化、开发利用盐碱荒地等多项挑战，分子生物学手段的运用在改造现代化农业方面将发挥巨大作用。

虽然在阐明植物耐盐的分子机制基础上加快抗盐基因工程研究，可培育出高品质的抗盐新品种，但对有的作物要培育出理想的耐盐植物新品系，还需要一个过程。

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