苔蘚植物抗旱機(jī)制及其研究進(jìn)展

1、<p>　　苔蘚植物抗旱機(jī)制及其研究進(jìn)展</p><p>　　宋金敏 植物學(xué)06 2006210451</p><p>　　摘要：耐旱蘚類快速脫水并存活的能力可由快速建立起來(lái)的對(duì)環(huán)境變化的耐受機(jī)制來(lái)反映，保護(hù)細(xì)胞完整性的組成型機(jī)制與修復(fù)細(xì)胞損傷的誘導(dǎo)機(jī)制協(xié)同作用使苔蘚植物渡過干旱脅迫。本文主要介紹苔蘚植物的抗旱機(jī)制及其研究進(jìn)展。</p><p>　　關(guān)

2、鍵詞：苔蘚植物；抗旱；研究進(jìn)展</p><p>　　苔蘚植物是種數(shù)僅次于種子植物的高等植物，一般生活在陰濕的地方，但也有一些種類具有極強(qiáng)的耐旱性，能生活在裸露的巖石和沙丘上[1-6]。苔蘚植物是植物界的一大類群，能在高寒、高溫和弱光等其他陸生植物難以生存的環(huán)境中生長(zhǎng)繁衍。許多耐旱種類能長(zhǎng)期忍受干燥和陽(yáng)光的直接照射，１小時(shí)內(nèi)從完全膨脹狀態(tài)脫水到干燥狀態(tài)，細(xì)胞水勢(shì)達(dá)到-150 M pa以下，再水化的數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)內(nèi)恢

3、復(fù)基本的新陳代謝活動(dòng)。而大多數(shù)植物細(xì)胞水勢(shì)在-1.5M pa時(shí)葉片出現(xiàn)萎蔫，-15 M pa時(shí)常常導(dǎo)致不可逆的傷害或死亡。許多耐旱苔蘚植物能適應(yīng)沙漠中水分迅速變化，在形成生物結(jié)皮、活化斑治理和防沙固沙等方面的作用逐漸引起人們的關(guān)注[7-9]。然而，苔蘚植物耐旱機(jī)制的研究和應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)還未引起足夠的重視。植物類群越低等，耐旱機(jī)制越原始。苔蘚植物耐旱機(jī)理的研究對(duì)于理解干旱脅迫下植物細(xì)胞反應(yīng)過程及修復(fù)系統(tǒng)將會(huì)起到一定的推動(dòng)作用。本文主要從苔蘚

4、植物脫水——再水化期間細(xì)胞損傷與抗氧化機(jī)理、光合系統(tǒng)的保護(hù)和基因表達(dá)的變化等方面進(jìn)行綜述，旨在探討苔蘚植物耐脫水的機(jī)理以及作為模式植物開展耐旱研究的重要價(jià)值。</p><p>　　1 脫水再水化期間細(xì)胞損傷與抗氧化機(jī)制</p><p>　　1.1 細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化</p><p>　　水化－脫水－再水化循環(huán)過程中何時(shí)發(fā)生細(xì)胞損傷對(duì)研究耐旱機(jī)制十分重要。用Nomarsk

5、i光學(xué)顯微鏡觀察顯示，耐旱種山墻蘚干燥時(shí)細(xì)胞普遍發(fā)生質(zhì)壁分離，原生質(zhì)濃縮呈中空狀態(tài)；胞質(zhì)橋連接濃縮的原生質(zhì)，沿細(xì)胞遠(yuǎn)軸、近軸和側(cè)面延伸；葉綠體變小且變圓；細(xì)胞核好像不受脫水的影響[10]。并非所有的耐旱種類均發(fā)生質(zhì)壁分離。這些研究表明，干旱雖能引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化，但沒有直接表明細(xì)胞發(fā)生損傷，觀察葉片的超微結(jié)構(gòu)也證實(shí)了這一點(diǎn)。早期研究耐旱蘚類的固定干燥葉細(xì)胞顯示，脫水引起細(xì)胞器收縮，葉綠體類囊體膜和脊以及細(xì)胞質(zhì)膜（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）解體。然而，固定

6、過程很容易導(dǎo)致再水化，因此，很難估計(jì)細(xì)胞在脫水－再水化的哪個(gè)階段還保持完整性。Platt等[11]用冰凍蝕刻技術(shù)研究山墻蘚和鱗葉卷柏干燥葉片細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜仍保持完整的雙層結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)有分散顆粒，細(xì)胞器也保持完好，類囊體和脊完整。用同樣技術(shù)研究干燥種子膜結(jié)構(gòu)也得出相似的結(jié)論，可以推測(cè)保護(hù)機(jī)制在脫水期間成功地維護(hù)了膜的完整性。</p><p>　　山墻蘚再水化時(shí)，濃縮細(xì)胞質(zhì)迅速膨脹充滿細(xì)胞腔；數(shù)分鐘內(nèi)葉綠體也膨脹，類

7、囊體損傷程度由前期脫水速度決定，速度越快，損傷越大；線粒體也膨脹，脊解體，但從外表看并不受脫水速度影響[11]。所有耐旱植物或組織干燥期間不管膜被保護(hù)的多么完整，再水化時(shí)均出現(xiàn)細(xì)胞損傷。通過電解質(zhì)滲漏可測(cè)定膜損傷程度，再水化的前5分鐘內(nèi)電解質(zhì)滲漏程度主要由脫水（1小時(shí)內(nèi)完成）的山墻蘚葉細(xì)胞再水化時(shí)受到的損傷比慢速脫水（自然干燥）時(shí)大。盡管脫水過程對(duì)膜沒有造成直接傷害，卻影響膜耐受再水化的能力，對(duì)再水化期間細(xì)胞損傷起間接作用。</p

8、><p>　　1.2 細(xì)胞損傷與抗氧化機(jī)制</p><p>　　細(xì)胞損傷與脫水誘導(dǎo)的氧化損傷密切相關(guān)，主要原因是：　蛋白質(zhì)巰基氧化使蛋白質(zhì)變性；色素含量下降，光合系統(tǒng)受損（尤其在光下）；脂質(zhì)過氧化，自由脂肪酸在膜上沉積。其保護(hù)機(jī)制主要由相互協(xié)同的兩個(gè)方面組成：①脫水時(shí)減少自由基數(shù)目的機(jī)制，包括酶系統(tǒng)，如過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等和抗氧化劑復(fù)合物，如抗壞血酸、α－維生素E、類胡蘿卜

9、素和谷胱甘肽（GSH）；②產(chǎn)生這些抗氧化劑的機(jī)制，如谷胱甘肽還原酶系統(tǒng)，抗壞血酸過氧化物酶系統(tǒng)等[12]。</p><p>　　有關(guān)干旱使巰基酶類氧化失活的現(xiàn)象在耐旱蘚類中已有報(bào)道。山墻蘚緩慢脫水時(shí)大約30 % 的 GSH變成氧化型谷胱甘肽（oxidizedglutathione, GSSG），抵抗氧化損傷的能力下降，但有趣的是，快速脫水本身并沒有引起GSSG含量的升高，再水化時(shí)卻升高了。與山墻蘚相比，耐旱擬山墻

10、蘚干燥時(shí)GSH含量沒有下降，抗壞血酸含量減少，可見，不同耐旱種類啟動(dòng)不同氧化損傷保護(hù)機(jī)制[13]。</p><p>　　光增強(qiáng)干旱誘導(dǎo)的氧化損傷[14]。干旱敏感種小曲尾蘚在強(qiáng)光下（1100-1200 μmol·m-2·s-1）氧化損傷加劇，色素含量減少，　但耐旱擬山墻蘚光合色素含量沒有變化，損傷恢復(fù)能力所受影響較小[13]。</p><p>　　干燥時(shí)苔蘚植物組織發(fā)生

11、脂質(zhì)過氧化。測(cè)定丙二醛——脂質(zhì)過氧化指示物顯示，小曲尾蘚配子體脫水后，丙二醛含量升高，而擬山墻蘚的丙二醛含量沒有變化[12]。另外，不耐旱種類配子體中脂質(zhì)過氧化物含量一般比耐旱種類高出5-6倍，可能耐旱種類本身固有保護(hù)脂質(zhì)過氧化的機(jī)制。</p><p>　　再水化后蘚類植物細(xì)胞膜快速恢復(fù)選擇性吸收功能，24小時(shí)內(nèi)細(xì)胞器基本上能重新恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)。與其他植物相比，耐旱苔蘚植物如山墻蘚，顯示出強(qiáng)大的損傷恢復(fù)能力，并且可

12、作為模式植物研究干旱脅迫誘導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)過程。</p><p>　　2 脫水再水化期間光合系統(tǒng)的反應(yīng)及保護(hù)機(jī)理</p><p>　　2.1 脫水再水化期間光合系統(tǒng)的變化過程</p><p>　　耐旱苔蘚植物脫水－再水化期間光合系統(tǒng)仍能保持生理完整性，再水化后，類囊體功能恢復(fù)迅速，幾乎不受蛋白質(zhì)合成抑制劑的影響，ＣＯ２吸收固定過程恢復(fù)相對(duì)較慢，可能需要一些葉綠體基因組編

13、碼蛋白的參與[15]。</p><p>　　光系統(tǒng)Ⅱ（PS Ⅱ）的光化學(xué)效率，是表明光化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)，常用可變熒光（Fv）與最大熒光（Fm）的比值Fv／Fm表示。再水化1分鐘內(nèi)Fv／Fm就達(dá)到非脅迫水平的70 %甚至更多[15]；光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)效率（ФPS Ⅱ）的恢復(fù)較Fv／Fm的恢復(fù)慢，10-20分鐘內(nèi)基本達(dá)到正常水平；CO2吸收在再水化的幾分鐘內(nèi)就可以測(cè)到。用蛋白質(zhì)合成抑制劑處理對(duì)Fv／Fm的快恢

14、復(fù)過程（數(shù)分鐘內(nèi)完成）幾乎沒有影響。光照條件下，氯霉素（抑制葉綠體基因組編碼的蛋白質(zhì)的合成）處理對(duì)ФPS Ⅱ有一定抑制作用（并非完全抑制），之后又緩慢上升，可能早期合成的葉綠體蛋白參與了光合電子傳遞和CO2吸收的恢復(fù)過程，環(huán)己烷（抑制核基因組編碼的蛋白質(zhì)合成）對(duì)此作用不明顯。數(shù)天后，這兩種抑制劑在黑暗條件下對(duì)Fv／Fm的抑制作用仍然很?。弧《庹諘r(shí)，氯霉素使Fv／Fm持續(xù)下降，可能抑制了葉綠體基因組編碼的PSⅡ D1蛋白周轉(zhuǎn)，如果同時(shí)再

15、用葉黃素循環(huán)抑制劑二硫蘇糖醇處理，則依賴于葉黃素循環(huán)的光保護(hù)受到抑制，F(xiàn)v／Fm下降速度加劇。由此可見，在光合系統(tǒng)慢恢復(fù)過程（數(shù)小時(shí)內(nèi)完成）中，蛋白質(zhì)合成抑制劑僅在光照條件對(duì)蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)代謝</p><p>　　為了修復(fù)脫水誘導(dǎo)的光氧化損傷及參與抗氧化過程需要蛋白質(zhì)合成，但這些蛋白質(zhì)在</p><p>　　及保護(hù)機(jī)理地位，苔蘚植物為了避免過多激發(fā)能對(duì)光合系統(tǒng)的損傷，可能熒光的非光化學(xué)猝滅（N

16、PQ）和依賴于葉黃素 循 環(huán) 的 光 保 護(hù) 作 用 才 是 最 重 要 的（。由熱耗散等過程引起的熒光水平的降低稱為NPQ，熱耗散的程度通?？捎肗PQ來(lái)檢測(cè)。</p><p>　　2.2 光合系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)理</p><p>　　植物體過剩的光能必須耗散掉，否則光合器官就要受到損傷。苔蘚植物對(duì)光損傷的防御機(jī)制主要有：①脫水后葉卷曲甚至拳卷、緊貼莖、減少脫水和光能吸收；②依賴于葉黃素循環(huán)的熱

17、耗散，當(dāng)光能過?？缒べ|(zhì)子梯度增加時(shí)，具有雙環(huán)氧的堇菜黃素在去環(huán)氧酶的催化下經(jīng)過單環(huán)氧的花藥黃素轉(zhuǎn)化成無(wú)環(huán)氧的玉米黃素。玉米黃素可直接和單線激發(fā)態(tài)的葉綠素相互作用，也可降低膜的流動(dòng)性，促使PSⅡ捕光色素蛋白復(fù)合體LCHⅡ的聚集，加強(qiáng)天線色素的熱耗散；③依賴于PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活及與D1蛋白損傷修復(fù)有關(guān)的能量耗散機(jī)理，也稱為PSⅡ反應(yīng)中心的下調(diào)。當(dāng)光能過剩時(shí)，一部分PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活，這些失活反應(yīng)中心可作為激發(fā)能的猝滅器，從而保護(hù)仍有

18、活性的反應(yīng)中心免受破壞。但是PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活的保護(hù)功能不能象依賴于跨類囊體膜質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)光能的保護(hù)功能一樣迅速地被逆轉(zhuǎn)。因此，熒光的非光化學(xué)猝滅及依賴于葉黃素循環(huán)的光保護(hù)在耐旱苔蘚植物再水化后快速恢復(fù)生理功能的過程中作用尤為重要。</p><p>　　2.3 外源ABA處理提高PSⅡ的耐水份脅迫能力</p><p>　　ABA是一種應(yīng)激激素，在植物抵抗外界環(huán)境脅迫時(shí)起重要作用

19、。通過測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)證實(shí)，外源ABA處理可改善苔蘚植物PSⅡ的耐水份脅迫能力。無(wú)脅迫時(shí)，ABA處理使波葉仙鶴蘚初始熒光（Fo）升高，F(xiàn)v／Fm下降，LCHⅡ和PSⅡ間的能量傳遞減少，PSⅡ周圍產(chǎn)生的活性氧下降，可能ABA有助于苔蘚植物脅迫鍛煉。Fｏ是PSⅡ反應(yīng)中心全部開放時(shí)的熒光水平，PSⅡ反應(yīng)中心的破壞或可逆失活引起Fo升高，然而，目前還無(wú)法理解 ABA促使Fo升高的機(jī)理，可能是PSⅡ反應(yīng)中心功能下調(diào)以避免反應(yīng)中心過度破壞，適應(yīng)脅

20、迫鍛煉的結(jié)果。</p><p>　　脫水脅迫時(shí)，無(wú)論ABA處理還是對(duì)照（未用 ABA 處理），F(xiàn)o、Fm、Fv／Fm、Ф PSⅡ及NPQ均下降；然而，再水化后的1小時(shí)內(nèi)，ABA處理株的NPQ較對(duì)照高出一倍，NPQ升高可降低PSⅡ周圍活性氧種類的形成，減少膜脂過氧化引起的膜損傷；Fo、Fm、Fv／Fm及Ф PSⅡ也較對(duì)照恢復(fù)迅速，由此推測(cè)ABA提高了 PSⅡ的耐水份脅迫能力。</p><p>

21、;　　從NPQ和玉米黃素的含量關(guān)系來(lái)看，好像ABA觸發(fā)了以玉米黃素為基礎(chǔ)的非光化學(xué)猝滅。研究被子植物發(fā)現(xiàn)，脅迫鍛煉使植物體內(nèi)ABA濃度增加，進(jìn)一步脅迫時(shí)NPQ增加，推測(cè)ABA啟動(dòng)了信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)促使NPQ增加；波葉仙鶴蘚NPQ增加的同時(shí)伴隨堇菜黃素去環(huán)氧化作用變成玉米黃素這一過程；在耐旱地錢中也發(fā)現(xiàn)高濃度的葉黃素循環(huán)色素水平和高 NPQ；ABA處理大麥幼苗可提高NPQ和葉黃素循環(huán)色素水平。在高等植物中已發(fā)現(xiàn)ABA參與膜脂代謝的信號(hào)傳導(dǎo)途徑

22、，減少活性氧引起的膜損傷程度，調(diào)節(jié)基因表達(dá)，蛋白質(zhì)合成等使植物對(duì)環(huán)境脅迫作出積極的響應(yīng)。然而，有關(guān)苔蘚植物水份脅迫時(shí)膜脂成分的變化對(duì)光合器官的影響以及ABA對(duì)上述過程作用的研究較少，再加上至今檢測(cè)苔蘚植物內(nèi)源ABA水平的工作有限，所以ABA提高苔蘚植物耐水份脅迫的機(jī)理還有待于系統(tǒng)的研究。</p><p>　　苔蘚植物脫水－再水化期間光合系統(tǒng)基本保持完好，再水化后迅速恢復(fù)功能，需要在光下維持功能并參與抗氧化和修復(fù)過

23、程的蛋白質(zhì)并不占主要地位，可能NPQ和依賴于葉黃素循環(huán)的熱耗散才最為重要。一些細(xì)胞組分完全恢復(fù)正常至少還需要一些蛋白質(zhì)合成，如PSⅡ的D1蛋白，即使其與細(xì)胞蛋白總量比是微乎其微的，但其作用不容忽視。另外，苔蘚植物耐脫水可能與再水化時(shí)大量表達(dá)的一類蛋白密切相關(guān)。</p><p><b>　　3 討論</b></p><p>　　由此可見，研究苔蘚植物耐旱機(jī)理有著重要的作

24、用。另外，蘚類配子體比其他高等植物模式系統(tǒng)更方便操作基因標(biāo)記、直接誘變和反義表達(dá)等技術(shù)。因此，山墻蘚作為極度耐旱植物將會(huì)成為耐旱研究的重要模式植物，這對(duì)揭示苔蘚植物適應(yīng)沙漠化環(huán)境的機(jī)理無(wú)疑會(huì)起到巨大的推動(dòng)作用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 陳邦杰. 中國(guó)蘚類植物志[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1963, 27-30.&

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