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水分胁迫对烟叶生理指标的影响

2007年11月13日 来源:烟草在线专稿 作者:河南农业大学2005级烟草学硕士研究生 李国芸
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  烟草在线专稿  水分在烟草生命活动中具有十分重要的作用。烟草的生长发育,在水分适宜条件下才能顺利进行。但是中国许多植烟地区年雨量季节分配不均,降雨规律与烟草需水规律不一致,干旱频率增大,从而导致烟叶产量和质量不同程度的降低。因此,干旱已成为限制中国部分烟区烟叶产量和品质进一步提高的重要因子。本文综述了干旱胁迫条件下,烟草叶片保护性酶和NR活性、内源激素、渗透调节物质和水分胁迫诱导蛋白等生理指标以及香气物质的变化,为找出提高烟草抗旱性的生化调控措施和选育抗旱品种提供理论基础。

  1 水分胁迫对保护性酶及硝酸还原酶活性的影响

  正常情况下,烟草体内的活性氧和抗氧化系统是处于平衡状态的,但是在土壤水分亏缺时,该平衡会遭到破坏,烟草体内通常伴随着活性氧中间产物的生成。这些有毒的分子对细胞膜和一些大分子物质造成破坏,尤其是对线粒体和叶绿体的破坏,使细胞受到氧化胁迫。覃鹏[1]等人研究表明,在水分胁迫下烟草叶片中过氧化氢(H202)、超氧阴离子自由基(O2-)等活性氧发生积累,脂氧化酶(IDX)活性增加,最终导致细胞因氧化胁迫而受到伤害。汪耀富[2]等人研究发现,干旱导致细胞膜的过氧化主要是表现在其过氧化产物丙二醛(MDA)含量的升高。

  烟草在抵御氧化胁迫时会形成一些能清除活性氧的酶系和抗氧化物质,如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸(AsA)等。它们协同起作用共同抵抗胁迫诱导的氧化伤害。在整个防御系统中,SOD是植物体内第一个清除活性氧的关键抗氧化酶,轻度干旱时,植株自身可提高保护酶活性以适应水分胁迫的影响;严重干旱时这些酶的活性下降,植株自身调节能力下降,从而影响生长和发育[3,4]。近年来也有一些通过SOD基因工程改良烟草耐旱性的研究报道,根据其结合金属离子的不同,SOD可分为Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三种类型[5]。Van Camp等将Mn-SOD基因定位到烟草的叶绿体和线粒体上,发现叶能表达其基因。进一步研究发现,在叶绿体中Mn-SOD的过量表达使烟草受干旱所引起的氧化伤害比对照轻3~4倍,但线粒体中增加的Mn-SOD活性对烟草耐氧化胁迫能力没多大影响[6]

  硝酸还原酶(NR)是氮代谢中的关键酶类,烟草中NR对干旱胁迫十分敏感,即使在轻度胁迫下受抑制的程度也明显大于其它酶类。干旱胁迫首先引起NR蛋白代谢的增加,然后促进NRmRNA的代谢,原有的NR表达暂时延迟了水分胁迫诱导的NR活性的丧失[7];韩锦峰[8,9]研究也发现干旱导致NR活性下降,赵惠杰[10]等报道香料烟Basma和Samsun品种对水分胁迫具有相同的反应。

  2 水分胁迫对内源激素的影响

  植物内源激素是植物体内合成的、对植物生长发育和代谢有着重要调节作用的微量有机物质。脱落酸(ABA)最重要的生理效应之一是引起气孔关闭,降低蒸腾,调节植物体内水分平衡,保护质膜结构和功能,从而提高植物的抗旱能力。科尼什(K.Cornish,1986)发现水分胁迫下叶片保卫细胞中ABA含量是正常水分条件下含量的18倍。ABA促使气孔关闭的原因是它使保卫细胞中的K+外渗,造成保卫细胞的水势高于周围细胞的水势而使保卫细胞失水所引起的。水分胁迫下烟草叶片质外体中ABA浓度增加,引起气孔关闭[11]。此外,由于正常情况下ABA含量很低,不足以诱导脯氨酸合成,但是当ABA水平超过阈值时能促使脯氨酸的积累,而且ABA浓度直接影响烟草脯氨酸积累的时间和速率[11]。JA也是水分胁迫中一种重要的逆境信号物质,在水分胁迫下能诱导气孔关闭。宫长荣等[12]研究发现,胁迫诱导烟草叶片组织JA的积累过程包括:由环境胁迫信号的感知,转导为胞内信号传递,再经基因启动并最终实现JA生物合成调控等一系列复杂的信息传递过程。

  3 水分胁迫对渗透调节物质的影响

  水分胁迫下,植物体内渗透调节物质的种类有可容性糖、脯氨酸、甜菜碱、有机酸及无机离子Ca2+、Mg2+、K+、Zn2+、Cl-、NO3-等,其中K+和可容性糖是最主要的渗透调节物质[13]。这些物质和离子可使渗透势下降,这样植物可以从外界继续吸水,保持细胞膨压,使体内各种代谢过程正常进行,即干旱胁迫下植物产生渗透调节作用.Kishor等[14]使用CaM V35S启动子启动乌头叶中的△1-吡咯啉-5-羧基合成酶(该酶是脯氨酸生物合成最后一步的关键酶)P5cs基因,并导入烟草中,发现转基因烟草中脯氨酸含量比对照高l0~l8倍。干旱胁迫下烟株体内蔗糖的含量比没有受到胁迫的植株增加了很多,叶片中葡萄糖和果糖含量也有所增加[15]。汪邓民等[16]研究表明,在干旱胁迫下钙可以使叶片细胞膜结构的稳定性增强;锌能增强叶片中SOD活性,减轻植株受活性氧自由基的伤害。

  甜菜碱(betaine)是植物的另一种重要的渗透调节物质。甜菜碱在植物中是以胆碱为底物经两步合成的,即胆碱加单氧酶(choline monooxygenase,CMO)催化胆碱氧化成甜菜碱醛,然后甜菜碱醛脱氢酶(betaine aldehyde dehydrogenase,BADH)催化甜菜醛形成甜菜碱。梁峥等(1997)将菠菜的BADH基因转到了烟草中,转基因烟草具有一定的抗旱性和抗盐性[13]

  4 水分胁迫诱导蛋白及其基因表达研究进展

  烟草在水分胁迫下,体内总蛋白质的合成速率下降,原有的一些蛋白质的合成受到抑制,但同时又合成一些新的蛋白质,即水分胁迫诱导蛋白。这些蛋白表现出高度亲水性和热稳定性,它们在细胞质中调节和维持细胞的渗透势,从而保护细胞免受水分胁迫的伤害。

  LEA蛋白是一类保护生物大分子及膜结构的蛋白质,在水分胁迫下可使细胞膜系统及生物大分子免受破坏。王忠华等人研究表明,在严重水分胁迫下被诱导出的蛋白对植物所起的保护作用更为突出[17]。Imai等[18]对烟草转诱导ABA基因GUS(β~glucuroniase,葡萄糖醛酸酶)的研究表明,在水分亏缺条件下,在没有组织特异性的营养器官和有组织特异性的再生组织中,LEA蛋白基因DNA5端能调控GUS基因的表达,诱导ABA的大量产生,从而增强了转基因植株的抗旱性。

  水通道蛋白(aquaporins,AQP)是一种膜蛋白质,这类蛋白形成水分运输的特异性通道,可以促进水分的长距离运输和细胞内外的跨膜水分运输,还具有调节细胞胀缩等功能[19],其活性受蛋白磷酸化酶及基因表达的调节[20]。水通道蛋白含量和活性的变化可能是感受外界水分亏缺的一种辅助机制[21]。现有报道表明,烟草中含有定位在细胞质膜上的膜水通道蛋白PiPi[22]。1999年Biela等[23]在烟草根上发现了对Hg不敏感的水通道蛋白。Yamada等[24]将冰草水通道蛋白基因McMipA引物和报告基因融合在一起转到烟草中,McMipA引物在根的中柱鞘和皮层中都有表达。近年来,对AQP表达调控的研究表明,在发育控制中,水通道蛋白可在转录水平、翻译水平及蛋白亚细胞的分布上受到调控。Opperman[25]等报道,烟草根水通道蛋白TobRB7启动子含有2个直接与根系表达相关的顺式作用元件,在正常发育条件下、或在线虫感染而形成根系结接时均可表达,但目前对烟草编码水通道蛋白的基因知之甚少。因此,离实际应用还有一段距离。

  5 水分胁迫对烟叶主要香气物质含量的影响

  在土壤缺水条件下,烟草叶片变小增厚,影响腺毛密度、叶绿素含量和生理代谢活动,必然会影响烟叶香气物质含量[26]。韩锦峰等[28]研究表明,烤烟生长发育的任一时期土壤严重干旱,或全生育期干旱,烟叶中巨豆三烯酮等类胡萝卜素降解产物呈降低趋势,而茄酮、β-大马烯酮等类西柏烷类降解产物呈增加趋势。干旱胁迫下,烟叶中类异戊二烯化合物变化比较复杂,其中二萜类化合物如新植二烯明显增加,类西柏烷类中的2,7,12-西柏三烯-4,6,13-三醇、10-异丙基-3,7,13-三甲基-2,6,11,13-十四碳四烯-1-醇等在干旱条件下呈增加趋势,而2,6,11-西柏三烯-4,8-二醇的3种同分异构体仅以痕量存在,低分子醇类如苯乙醇以痕量存在,而低分子醛类如苯乙醛在干旱条件下稍有增加,表明干旱胁迫会使烟叶中降类胡萝卜素物质和部分类西柏烷类化合物含量下降,或仅以痕量存在。因此,对香气质量有不良影响。但成熟期轻度干旱烟叶中大部分香气物质含量较高,表明此期轻度干旱有利于烟叶香气物质的形成和转化[27]。烟草不同类型和品种对水分需求有很大差异,香料烟适宜种植在气候比较干旱的地区,以保证获得较小的叶片,产生较多的腺毛分泌物,最大限度地提高香气质和香气量。

  6 结论

  综上所述,在水分胁迫下烟珠体内发生了一系的列生理生化反应,质膜透性的增加导致光合作用的降低,影响主要质量特征物质的生成与转化,从而影响烟草产量和质量的形成;而保护性酶活性的增强、渗透调节物质的增加、胁迫诱导蛋白的产生对烟草的生长发育起到保护作用。今后应深入研究烟草不同类型和品种间生理生化响应与抗旱性的关系,为抗旱育种提供理论依据。
 
  [参考文献]

  [1] 覃鹏,曾淑华,刘飞虎.烟草抗旱性生理生化研究进展[J].贵州农业科学,2002.30(2):55-57

  [2] 汪耀富,阎栓年,于建军等.土壤干旱对烤烟生长的影响及机理研究们.河南农业大学学报,1994,28(3)

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