脯氨酸代谢与植物抗渗透胁迫的研究进展

脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂,有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、ABA与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫

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脯氨酸代谢与植物抗渗透胁迫的研究进展

许祥明叶和春!李国凤

（中国科学院植物研究所北京!"""#$）

摘要脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂，有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、%&%与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫关系的研究进展作了简要综述。

关键词脯氨酸，渗透胁迫，合成，代谢

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生长在自然环境中的植物常受到多种逆境条件的危害，其中由干旱和盐渍引起的渗透胁迫对植物的生长和产量影响最大。在长期的进化过程中，植物形成了许多机制以抵抗或部分抵抗外界的逆境条件。渗透胁迫下的植物，生理生化特性发生了许多变化，对于这些变化认识得最深刻的是植物体内有机渗透物质的合成积累。在渗透胁迫下，植物能否保持正常生长状况，关键在于能否维持体内的水分平衡。而这正是通过积累一定量的溶质，降低植物体内的水势实现的。为了维持植物的正常代谢过程，这些物质必须是无毒的，它们在植物体内既作为渗透调节剂维持低水势，又保护生物大分子不受盐离子的毒害。在高浓度下不影响功能蛋白的结构和活性。这类物质称作相容渗透剂（B9CD*@)A>29?-

。由此只有一些有机溶质能满足这些条件。这些物质包括含氮化合物（如脯氨酸、C9>E@2）

其它氨基酸和多胺等）和含羟基化合物（如蔗糖、多元醇和寡糖等）（.B352和1*+?9+，

。在所有这些已发现的相容渗透剂中，分布最广的是脯氨酸和甜菜碱（A2@*)+2）。在!##"）

渗透胁迫下，不仅在植物体内，在细菌、蓝细菌、藻类、原生动物以及海洋无脊椎动物中都有脯氨酸的积累（N2>*5+2E和O2=C*，。!##$）

!通讯作者%5@49=I9=B9==2?D9+G2+B2

作者简介：许祥明，现为中国科学院植物研究所资源植物分子与发育生物学研究中心的在读博士生。导师叶和春研究员，现为中国科学院植物研究所的副所长，主要从事植物次生代谢方面的研究工作。

收稿日期：接受日期：责任编辑：刘晖!###-!"-PQ!###-!!-!Q

脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂,有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、ABA与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫

I期许祥明等：脯氨酸代谢与植物抗渗透胁迫的研究进展"E?

脯氨酸的积累不仅受合成影响，还受其降解影响。目前，植物体内脯氨酸的代谢途径已基本清楚，对影响植物体脯氨酸含量的因素也有了较清晰的认识。随着分子生物学的发展，对脯氨酸代谢途径中的有关酶的结构和功能有了很好的了解，编码这些酶的有关基因陆续在不同的植物中得以克隆。其中，影响脯氨酸合成的关键酶!"#$在转基因烟草中过量表达，转基因植株中的脯氨酸含量大大提高，植物的抗逆性也因此增强（%&’(%()*+,等，。所有这些都加深了对脯氨酸在植物抗逆作用的理解，并有助于今后的抗逆育-.."）

种。

!脯氨酸在植物体中的合成

脯氨酸的积累首先与其合成有关。脯氨酸的合成途径首先是在大肠杆菌!"#$%&’#$’(

以后的证据表明，植物体中存在着相似的合成路线，但不完全相同。#)*’中阐明的，

-/脯氨酸在细菌里的合成

在细菌0/1+2(中，脯氨酸的合成从谷氨酸（324）的磷酸化开始，谷氨酸在谷氨酰激酶（的作用下，生成谷氨酰磷酸（，此过程要消耗67!，谷氨酰磷酸是一个很不稳53%）53!）!!

定的化合物，在谷氨酸半醛脱氢酶（3$689）的催化下，很快生成谷氨酸半醛（3$6）（:;()(<=;,，。谷氨酸半醛自发环化成吡咯琳5"5羧酸（!"#），后者最终被吡咯琳5"5羧-.>?）

酸还原酶（!"#@）还原成脯氨酸（!,+）（图-）。

A/脯氨酸在植物中的合成

植物中脯氨酸的合成有两条途径：谷氨酸途径和鸟氨酸途径（8;2&4<;B和C;,D&，。两条途径的主要区别在于初始底物的不同（图A）。前者的初始底物是谷氨酸，后-..E）

者的底物是鸟氨酸（F,<）。在渗透胁迫和氮素缺乏的情况下，谷氨酸途径是合成脯氨酸的主要来源；而在氮素供应充足的情况下，鸟氨酸途径占主导地位。

（-）谷氨酸途径

在植物体中，一直没能分离到谷氨酰激酶（!和谷氨酸半醛脱氢酶（3$689），也53%）

很难检测到谷氨酰磷酸（的存在。后来，通过对细菌营养缺陷型的互补实验，终于克53!）!

隆到一种18G6，它编码的酶称为吡咯琳5"5羧酸合成酶（!"#$），此酶不仅具有谷氨酰激酶（的活性，也具有谷氨酸半醛脱氢酶（3$689）的活性，即它是一个双功能酶。18G653%）!

序列分析表明，它编码的?E/AH8&的多肽的G端与0/1+2(的谷氨酰激酶（同源，而#53%）!

端却与谷氨酸半醛脱氢酶（3$689）同源（94等，。表明在通过谷氨酸途径合成脯氨-..A）

酸的前两步反应里，植物是由一个酶催化的，而在细菌和酵母中却是分别由两个酶催化。这是植物与细菌的主要区别。

（A）鸟氨酸途径

在此途径中合成脯氨酸的底物是鸟氨酸（F,<），鸟氨酸转氨酶（F67）是反应的初始酶。鸟氨酸经过转氨基作用生成3$6，然后自发生成!"#，直至被!"#@还原为脯氨酸的反应与谷氨酸途径以及细菌中的过程是一致的。

"植物中脯氨酸的降解

控制脯氨酸积累的第二个因素是其降解。降解过程基本是合成途径的逆转。脯氨酸

脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂,有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、ABA与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫

卷

首先在线粒体中被脯氨酸脱氢酶（!"#$%）氧化成吡咯琳&’&羧酸（!’(），后者在吡咯琳&’&羧酸脱氢酶（!’($%）的作用下生成谷氨酸（)*+）（图,）

。脯氨酸的合成途径植物中脯氨酸的合成及代谢途径

脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂,有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、ABA与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫

E期许祥明等：脯氨酸代谢与植物抗渗透胁迫的研究进展!;/植物在渗透胁迫（干旱和盐胁）时，都会在体内积累脯氨酸，这首先与酶基因的转录有关。拟南芥脱水后两小时，就有!!"#基因的转录，"#$%水平随胁迫的延续而不断增长达&’小时之久，以后便维持在这一水平。在胁迫&’小时后复水，转录水平在!小时后显著下降，一直到脱水处理前的水平（()*+,-.等，。&//!）

另一方面，对!!"$基因在胁迫下表达的分析显示，0!1#受胁迫的影响不大。无论是干旱、盐胁或是%2%，都不能明显提高0!1#的表达水平（3+4567)等，。8.-7-,99):&//!）

等（&//;）报道了拟南芥在盐胁迫下，其叶和根里!!"$基因转录的"#$%水平分别提高了!倍和<倍，但是!!"#基因的"#$%水平却提高到十倍以上。

在脱水和复水过程中，将拟南芥的脯氨酸水平与!!"#基因和!!"$基因的"#$%水平进行比较，发现脯氨酸含量的上升和下降与!!"#基因的"#$%水平的消长成比例，而与!!"$基因的"#$%水平没有明显的相关性。而且在烟草里转入大豆的!!"$基因后，但是脯氨酸的增长却很不明显（(=+>.等，。相反0!1#的"#$%水平得到提高，&//<）转入外源!!"#基因的烟草，不但!!"#基因的"#$%水平大大提高，而且使烟草积累了

（?)*6?645+-等，。&’倍于非转基因植株的脯氨酸&//!）

这些结果表明，脯氨酸的增长受!!"#的影响要大于受!!"$的影响。!!"#是渗透胁迫时植株体内合成脯氨酸的关键酶。

植物0!1(的表达与体内激素也存在着一定的关系。()*+,-.等（&//@）认为，!!"#基因虽然能被外源%2%诱导，但在低温和渗透胁迫下，植物体的!!"#基因的表达与%2%无关。比较拟南芥野生型、%2%缺乏型突变体和%2%敏感型突变体对渗透胁迫和外源

发现三种拟南芥中!!"#基因的表达都能被渗透胁迫和外源%2%诱导。说%2%的反应，

明!!"#基因的表达受两个途径诱导，依赖%2%途径和%2%非依赖途径。

（降解）有关的酶!脯氨酸代谢

脯氨酸在脯氨酸脱氢酶（0-+AB）和吡咯琳C!C羧酸脱氢酶（0!1AB）的作用下生成谷氨酸，此过程是合成过程的逆转。编码0-+AB的DA$%已克隆（0.:9等，。该DA$%有&//E）

一段序列具有输入线粒体的蛋白的信号肽特征。而且，免疫方法检测到线粒体中具有0-+AB基因的表达产物0!1。因而，0-+AB应定位于线粒体。

脱水后&’小时再复水，可以强烈诱导0-+AB表达。曾检测到脱水后&小时植物中有很低水平的!%&’(基因表达，但很快便下降了。脱水后&’小时再复水，两小时内便有!%&’(基因的"#$%的积累，FG小时后"#$%的积累达到很高水平。脯氨酸含量在复水初的&’小时下降很快，而在接下来的;G小时内只是缓慢下降。外源脯氨酸（无论是HC脯氨酸还是AC脯氨酸）能显著诱导!%&’(基因的表达。所以，!%&’(基因被脯氨酸诱导而被渗透胁迫抑制（?6I+4,.等，。在受渗透胁迫植物中，由于脯氨酸合成受到诱导，降&//E）

解受抑制，脯氨酸因而显著积累。

由于吡咯琳C!C羧酸脱氢酶（0!1AB）基因尚未克隆，对它感应外界脱水和复水及其表达水平的研究受到很大的限制，因此目前还不能肯定降解过程中的两个酶哪一个是控制脯氨酸降解的关键酶。由于0-+AB是控制降解反应的第一步的催化酶，而且其表达受脱水条件的强烈诱导，因而可能是起着关键酶的作用。

脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂,有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、ABA与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫

)GE植物学通报&(卷!!"!与脯氨酸诱导合成

由于植物对渗透胁迫的反应是多基因参与的综合生理过程，涉及许多功能相关基因的整体调控的改变，而不仅仅与脯氨酸合成与代谢酶类基因的表达的变化有关。由于植物激素!"!在植物体内的水平因盐渍、干旱和低温而增长，因而被认为在植物体对外界胁迫的感应和信号传导中起着重要的作用。渗透胁迫似乎触发了!"!的合成，而!"!又顺次诱导了许多其它相关基因的表达。实验证明，外源!"!能够激活许多受盐渍或干旱诱导的基因的表达，但是也有一些受渗透胁迫诱导的基因不被外源!"!影响，表明植物体对外界胁迫的信号传导有两种途径，（"#$%，。由于!"!依赖型和!"!非依赖型&’’(）

所以此基因似乎也应是!"!诱导基因之一。但是也有!)"#基因也能被外源!"!诱导，

人发现!)"#不依赖于!"!表达的证据。因此，!)"#在渗透胁迫下的表达也应受两种途径的诱导（*+,-./$等，。&’’(）

有两种不同的顺式作用元件分别在两种途径的基因表达中起转录调控作用。!"01（!"!敏感元件，，在!"!6依赖型的转录中作为顺式作用成分。该元素可被2%!345443）

从而调控相关基因的表达。78!结合蛋白都具有/9:2结构，能与78!结合蛋白所识别，

如1;"26&（4<=>$等，，这些结合蛋白称为转录调控因子。另一个脱!"01序列结合，&’’?）

水敏感元件701（5!334!3!5）为!"!6非依赖型的基因表达的顺式作用成分。该序列中的334!3单元在许多低温和干旱诱导的基因的启动子区域中发现。对!)"#基因启动子的研究将为该基因在脱水条件下的表达情况提供更多的信息，有助于了解转录调控因子的情况。

"脯氨酸在细胞中的定位及运输

水分亏缺时，植物细胞通过渗透调节来降低细胞内的水势。胞内渗透势的下降是一些相容性溶质如脯氨酸积累的结果。研究发现，渗透胁迫下，相容性溶质优先积累在胞质中。@#.ABC和2$-D.A-（&’’E）证实正常生长条件下马铃薯培养细胞中的脯氨酸有FGH积累在液泡中；当细胞转至渗透胁迫条件后，细胞中的脯氨酸含量升高，而液泡中的脯氨酸含量却下降了。由此看来，液泡扮演储存脯氨酸并在细胞遭受渗透胁迫时向胞质中输送脯氨酸的角色。

（&’’J）克隆了两个编码运输脯氨酸蛋白（2#+5&和2#+5K）的基因。2#+5&的0CI>,-等

尤以根、茎和花中为多。2#+5K普遍存在于所有的;08!在所有的植物器官中都有表达，

植物组织中，而它的表达水平被渗透胁迫显著诱导，因而认为在渗透胁迫下脯氨酸的分配主要由2#+5K负责。

#脯氨酸与植物抗渗透胁迫的关系

脯氨酸作为一种渗透保护剂的观点很早就被提出。尤其在细菌中的研究进展最快。

（&’??）发现了一种大肠杆菌1L很多种类的细菌在渗透胁迫时都会积累脯氨酸，3,+IB$等

能产生过量的脯氨酸，此菌株的抗渗透胁迫能力因此显著提高。这些结果A+D.的突变株，

说明脯氨酸至少能帮助细菌抵抗渗透胁迫逆境。

脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂,有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、ABA与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫

.期许祥明等：脯氨酸代谢与植物抗渗透胁迫的研究进展5Y%

（%&’(）和)*+$,-等（%&’.）都曾报道过马铃薯培养细胞在渗透胁迫下能迅速!"#$"等

积累脯氨酸，短时间内达到原先的(//多倍，培养细胞对渗透胁迫表现出较强的适应能力。说明植物细胞在细胞水平上具有适应渗透胁迫的能力，脯氨酸在其中可能起着相容渗透调节剂的作用。在植物的组织、器官和全株实验中，同样也发现了众多的事例说明脯氨酸的积累与抗渗透胁迫之间有显著的正相关（0,1"2#,3等，。%&&(）

利用转基因技术使合成脯氨酸的关键酶4567在烟草中过量表达，脯氨酸在转基因植株体内的含量增加%/8%’倍，在干旱条件下根的生长量显著高于非转基因株，而且还促进了花的发育，因而，脯氨酸的过量生成似乎可以提高植物的抗渗透胁迫能力（9":;

。脯氨酸为什么能提高植物的抗逆性呢？现认为它不仅作为渗透调节剂降9;-*+<，%&&5）

低细胞质的水势，维持胞质的水分状况，还是一种保护剂，使胞内大分子物质免受盐离子的毒害。但是渗透调节并非依靠某一种物质完成的，除脯氨酸外，还可能有其它有机相容物质，以及无机离子如9=的参与（王宝山等，。因为在渗透胁迫下，许多植物中的脯%&&>）

氨酸含量大大增加，但是其降低的细胞水势仍不能与外界的渗透胁迫抗衡。而6-+#?"（%&’&）认为是脯氨酸增强了细菌的生物膜和蛋白质的稳定性。这与6"@1"#等（%&&/）提出的观点相似，他们认为脯氨酸不仅仅是调节了细胞质的水势，更主要的是最大限度地降低了逆境对水稻细胞的伤害。4,A<2-"和B;#;C+:（%&&>）也认为在盐胁迫下苜蓿的抗盐细胞系和再生植株根中积累的脯氨酸起着保护作用。

从遗传角度看，植物的抗渗透胁迫功能是一种数量性状（D++1"$和E+#,-，，是由%&&(）

多种基因控制的综合反应，相容渗透剂（如脯氨酸）的积累只是植物细胞对渗透胁迫反应的一种。在渗透胁迫条件下，植物中有许多中基因被诱导表达，产生多种功能各异的产物，这些产物不仅是植物对胁迫条件的反应，其中很多物质与植物的抗胁迫密切相关。这些基因可分成十类（B;#C+:，，涉及植物的光合作用、碳和能量代谢，细胞壁和细胞膜%&&’）

的结构组成，水通道，离子运输，信号传导，分子伴侣、转录调控因子等。因此，通过基因工程使单功能基因在转化植株中过量表达并不足以显著提高植株的抗逆性。

由于抗胁迫与多种基因有关，如盐胁迫下，能同时诱导多种基因的表达，因此，这些基因应是协同表达，共同帮助植物抵抗逆境。正由于这样，目前，人们将目光转向植物对胁迫的感受及其信号传导以及受渗透胁迫诱导基因的转录调控因子的研究。转录调控因子是与受渗透胁迫诱导基因的启动子结合从而达到调控这些基因表达的目的。对脯氨酸有关合成及代谢酶基因启动子调控的深入研究将有助于了解更多的转录调控因子的信息。

参考文献

王宝山F%&&>G作物耐盐机理研究进展及提高作物抗盐性的对策F植物学通报F!"H增刊IJK58(/

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脯氨酸被认为是植物和细菌内的一种相容渗透剂,有助于植物和细菌抵御渗透胁迫。本文就近年来有关植物体内脯氨酸合成和代谢、脯氨酸含量受渗透胁迫的影响情况、脯氨酸合成降解有关的酶及其基因、脯氨酸在细胞中的运输和定位、ABA与脯氨酸的诱导合成以及脯氨酸和植物抗渗透胁迫

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