全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 2期
脯氨酸在植物非生物胁迫耐性形成中的作用
谢虹 杨兰 李忠光
(云南师范大学生命科学学院,昆明 650092)
摘 要: 植物作为固着生活的有机体, 经常暴露在多变且对其生长发育不利的环境条件中, 这些生物或非生物的胁迫
因子严重影响着植物的生长、发育、生存和分布。脯氨酸在植物抵抗逆境胁迫过程中起着重要的作用。根据国内外的最新研
究进展, 结合我们的研究成果, 对植物体内脯氨酸的代谢途径、渗透调节、抗氧化、分子伴侣、生长发育信号和毒性等方面进行
了综述, 并对该研究领域作了展望。
关键词: 脯氨酸 代谢途径 渗透调节 抗氧化剂 分子伴侣 生长发育信号
The Roles of Proline in the Formation of Plant
Tolerance to Abiotic Stress
XieH ong Yang Lan L i Zhongguang
( School of L ife Sciences, Yunnan N ormal University, Kunm ing 650092)
Abstrac:t P lants as sessile organ ism s are constan tly exposed to v ariab le and o ften unfavorab le env ironm enta l condition, the
g row th, deve lopm en t, surv iva,l and distribution of p lants are g reatly affected by var ious abiotic and biotic stress factors. Pro line p lays
m ajor ro les in the form a tion o f plant res istance to env ironm enta l stress. Basing on the recent advance in th is fie ld, them etabo lic path
w ay, osm otic adjustment, antiox idant, m o lecular chaperone, grow th and deve lopm ent s igna ,l and tox ic ity o f pro line w ere rev iew ed
here, the research prospect in this fie ld w ere a lso proposed.
Key words: P ro line M etabo lic pathway Osmotic adjustment Antiox idant Molecular chaperone G row th and deve lopment signal
收稿日期: 20100915
基金项目:云南省自然科学基金项目 ( 2010ZC 066 ) ,教育厅基金项目 ( 09Y0145 ),云南省大学生创新性实验计划项目 ( CX02)
作者简介:谢虹,女,在读本科生,研究方向:植物逆境生物学; Em ai:l nam errr@ 126. com
通讯作者:李忠光,男,博士研究生,研究方向:植物逆境生物学; Em ai:l zhongguang_l@i 163. com
由于植物固着生活的特性决定了其在整个生长
发育过程中不可避免地会同时或相继遭受到各种各
样生物或非生物的逆境胁迫 [ 1- 4]。高温、低温、干旱
和盐渍等非生物胁迫对植物造成伤害的共同特征
是:生物膜破坏、渗透胁迫、氧化胁迫和蛋白质变
性 [ 1- 6]。植物对非生物胁迫的抵抗或适应过程是通
过调节形态、生理生化、分子和基因等水平的适应性
变化来缓解上述 4个方面的伤害, 从而增强植物对
非生物胁迫的抵抗能力。脯氨酸 ( proline, Pro )作为
一种兼容性小分子,与水有很好的亲和力,水中溶解
度极大,每升水中能溶解 1 623 g脯氨酸, 并且高浓
度下对细胞无毒性,也不影响细胞的酸碱平衡 [ 7 - 9 ]。
研究表明,游离的脯氨酸在植物细胞抵抗非生物胁
迫过程中扮演着越来越重要的角色, 许多新的生理
功能也逐渐被发现,近几年来有关脯氨酸的研究倍
受科学工作者的关注 [ 7 - 11]。
自从 1954年 Kemb le和 MacPherson[ 12]首次在萎
蔫的燕麦中发现有 Pro的积累以来,随后在其他植物
中也有类似的报道。植物在遭受干旱 [ 13]、盐渍 [ 14 ]、
强光与紫外辐射 [ 15]、重金属污染 [ 16]和其他生物胁
迫 [ 17, 18]过程中都发现有 Pro的大量积累,少则十几
倍,多则几十倍甚至上百倍。例如,将拟南芥暴露在
4 的低温下 4 h, 其脯氨酸的含量增加 2倍, 并且随
着暴露时间的延长脯氨酸含量急剧上升, 低温暴露
96 h达到最高峰, 是未经低温暴露的对照的 130
倍 [ 6]。本实验室研究也发现,玉米幼苗在氧化胁迫过
程中,其胚芽鞘和根系中都有脯氨酸的大量积累,并
且这种积累是通过上调吡咯5羧酸合成酶 ( P5CS)的
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 2期
基因表达来提高相应酶活性实现的 [ 19]。此外, Szaba
dos和 Savoure[ 9]发现,植物在正常的生长发育过程中
的不同阶段,特别是营养生长向生殖生长的转变时
期,在不同的组织或器官中, 都发现有 Pro的明显积
累,以此作为生长发育信号,促进细胞的分裂与分化,
诱导花原基的形成, 以及促进胚胎发育等过程。至
此, P ro在植物体内的代谢过程,以及行使渗透调节、
抗氧化、生长发育信号和分子伴侣等生理功能逐一被
发现 [ 8, 9]。本研究根据国内外的最新研究进展,结合
我们的研究成果,对植物体内脯氨酸的代谢途径、渗
透调节、抗氧化、分子伴侣、生长发育信号和毒性等方
面进行了综述,并对该研究领域作了展望。
1 Pro的代谢
1. 1 Pro的合成
植物中合成 Pro的场所是叶绿体和细胞质, P ro
的前体物质谷氨酸在吡咯 5羧酸合成酶 ( P5CS)的
作用下,将谷氨酸还原为 L谷氨酸半醛 ( GSA ) ,
后者自动歧化为吡咯 5羧酸 ( P5C)。P5C在其还原
酶二氢吡咯 5羧酸还原酶 ( P5CR )的作用下被还原
为 Pro, 此途径称为谷氨酸途径, 在此途径中, P5CS
是合成 Pro的关键酶 [ 8, 9, 20 ]。此外, 也有人发现在植
物体中还存在另一条 Pro合成途径,称为鸟氨酸 ( or
n ithine, Orn)途径, 即鸟氨酸和 酮戊二酸 ( keto
g lutarate, KG)在鸟氨酸 氨基转移酶 ( ornith ine
am inotransferase, OAT )的作用下被还原为 GSA,
GSA通过上述途径还原为 Pro(图 1),在鸟氨酸途径
中, OAT是 Pro合成的限速酶 [ 8, 9]。Pro的两条合
成途径为逆境条件下 Pro的迅速积累奠定了良好的
生物化学基础。通常情况下, 在植物体内 Pro的合
成以谷氨酸途径为主,但是在不同的逆境胁迫下可
能对应着不同的合成途径, 或者是二者共同贡献的
结果 [ 8, 9]。棉花在干旱胁迫过程中, P5CS活性被迅
速激活,同时伴随着 Pro的迅速积累,复水后二者又
回到了未经干旱胁迫的对照组水平,而 OAT活性
自始至终都变化不明显 [ 21 ]。本实验室研究发现, 玉
米幼苗在遭受氧化胁迫的前期, 胚芽鞘和根系中
P5CS基因表达和活性都被上调, 而 OAT的基因
表达和活性变化不显著。但在氧化胁迫后期, 合成
Pro的两条途径都同时被激活, 表现出更高水平的
Pro积累 [ 19]。此外, 在植物中超表达吡咯 5羧酸合
成酶基因 P5CS,提高了植物合成脯氨酸的能力, 继
而提高植物对低温和干旱的抵抗能力 [ 3, 4 ]。
图 1 高等植物脯氨酸的代谢图
1. 2 Pro的降解
如前所述, P ro合成的主要部位是细胞质和叶
绿体中,而它的氧化降解部位是线粒体,合成和降解
在空间上是独立的,这也是 Pro能够在细胞质中大
量积累的重要前提。Pro的分解代谢始于它的氧化
分解,执行此功能的酶称为 Pro脱氢酶 ( PDH ),主要
24
2011年第 2期 谢虹等:脯氨酸在植物非生物胁迫耐性形成中的作用
定位于线粒体中,它以 FAD为辅因子将 Pro降解为
P5C,后者在 P5C还原酶 ( P5CR)的作用下又重新合
成谷氨酸,完成 Pro代谢的循环过程 (图 1) [ 8, 9 ]。所
以,在 Pro的降解过程中, PDH 是 Pro降解的关键
酶。在逆境胁迫过程中, PDH的活性往往受到不同
程度的限制,从而削弱了 Pro的降解过程, 这也是逆
境胁迫下 Pro得以迅速积累的主要原因之一。例
如,玉米幼苗在遭受氧化胁迫的整个过程中,无论是
前期还是后期, 胚芽鞘和根系中 Pro积累的同时,
PDH的活性一直在下降 [ 19]。类似地, 棉花幼苗在
干旱胁迫过程中, P5CS活性的增加和 Pro积累的同
时, PDH活性自始至终都在下降 [ 21]。此外,在模式
植物拟南芥中,利用反义技术编码 PDH的 cDNA,以
减少 A tProDH基因的表达而得到的反义转基因植
物, 与野生型相比, 转基因植物表现出高水平的
Pro积累, 从而提高拟南芥对低温胁迫的抵抗能
力 [ 6]。
1. 3 Pro的运输
从 Pro的代谢途径可以看出, 它的合成和分解
在不同场所中进行,合成和积累主要在细胞质中,而
分解则在线粒体中, 明显存在空间阻隔 [ 7, 8] , 这暗示
Pro可能存在从叶绿体到细胞质的运输和从细胞质
到线粒体的运输。此外, 本实验室以前的研究结果
也表明,用 40mmol /L Pro预处理玉米幼苗, 可提高
内源 Pro的含量, 说明 Pro可能存在从细胞外向细
胞质的运输途径 [ 22]。因此, P ro的运输成为它在细
胞质中积累的重要机制之一 [ 8]。现已发现, 存在于
质膜上的氨基酸通透酶 ( am ino ac id permease, AAP)、
Pro转运体 ( pro line transpo rter, ProT)和赖氨酸 -组
氨酸转运体 ( lysineh istidine transpo rter, LHT) ,可能
是负责 Pro转运的主要载体工具, 它可将胞外的
Pro运送到胞内 [ 8]。此外, 叶绿体膜上的 Pro转运
体也可将其合成的 Pro转运到细胞质中, 相反, 线
粒体膜上的 Pro转运体则负责把细胞质中的 Pro
运往线粒体, 继而通过 P5C循环调节细胞质中的
Pro水平 (图 1)。但是到目前为止,叶绿体膜上的
Pro转运体还存在许多争议,尚未完全证实 [ 7, 8]。
2 Pro的生理功能
2. 1 作为渗透调节物质
由于陆生植物固着生活的特性, 决定了其不能
像动物一样躲避不良环境 (逆境 )的威胁, 因此高
温、低温、干旱和盐渍等逆境胁迫贯穿于植物的整个
生长发育过程,这些逆境对植物产生伤害的共性之
一就是由于水分的匮乏而产生的渗透胁迫 [ 3, 4, 6, 10]。
植物在长期进化过程中, 针对这种伤害机制采取的
主要应对措施之一就是迅速合成一些解溶度大、无
毒的小分子渗透调节物质, P ro就是其中的一员。
由于这些小分子渗透调节对水有良好的亲和性, 故
也把这些小分子物质称作兼容性物质 ( compatible
so lutes)
[ 23]。自 1954年 K emb le和 M acPherson[ 12 ]首
次发现 Pro的积累以来, P ro作为渗透调节物质倍受
植物学家的广泛关注,在此领域的研究也相对较为
深入和清楚。一致认为: 在逆境胁迫下特别是渗透
胁迫下,植物细胞能够迅速地主动合成 Pro等渗透
调节物质,进一步降低植物细胞的水势,根据水从高
水势区域流向低水势区域的原理, 植物细胞水势的
降低增强了其吸水和保水能力 [ 11, 23]。例如,椰子树
在干旱胁迫过程中, 当 Pro含量增加 1. 5- 2. 1倍
时, 细胞渗透势则明显减小, 从起点的 - 0. 05M Pa
下降到 - 0. 24MPa,约下降了 5倍,从而增强了椰子
树对干旱胁迫的抵抗能力 [ 24]。
2. 2 作为抗氧化剂
如引言中所述, 植物遭受各种逆境胁迫伤害的
又一个重要原因就是产生氧化胁迫, 即在逆境胁迫
下由于代谢的不平衡而使植物细胞中以 H 2O2、超氧
阴离子自由基 ( O2. )、羟自由基 ( . OH )等为代表的
活性氧 ( react ive oxygen species, ROS)的积累 [ 2, 5]。
由于 ROS具有很强的氧化性, 可使膜脂过氧化, 蛋
白质氧化, 酶活性抑制, DNA和 RNA损伤, 故保持
细胞中 ROS的平衡显得尤为重要 [ 2, 5]。长期以来,
人们一直认为植物细胞中 ROS的清除机制主要是
由抗氧化酶系统如超氧化物歧化酶 ( SOD )、过氧化
氢酶 ( CAT )、抗坏血酸过氧化物酶 ( APX )、过氧化
物酶 ( POD)等和由抗氧化非酶系统如抗坏血酸、维
生素 E、还原型谷胱甘肽 ( GSH )等组成的抗氧化系
统来完成 [ 2, 5]。这几年的研究表明, P ro不仅是一种
渗透调节物质,还是一种非常有效的抗氧化剂,它可
以清除 O 2. -、. OH等 ROS,通过与上述抗氧化系统
的协同作用, 精密地调控植物细胞中 ROS的平
衡 [ 25 - 27]。Kau l[ 28]认为, 植物在遭受重金属胁迫时,
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植物体内 Pro的快速积累, 一方面可有效清除
O 2
. -、. OH和 1O2等 ROS,缓解重金属导致的氧化胁
迫;另一方面 Pro的快速积累可诱导 GSH水平的上
升,从而进一步提高植物的抗氧化能力。所以,在逆
境胁迫过程中, P ro通过与上述抗氧化系统的协同
作用, 致使 ROS维持在植物细胞可以忍耐的生理
水平。
2. 3 作为生长发育信号
除了逆境胁迫下发现植物细胞中有 Pro大量积
累以外,在正常的生长条件下, 也有人发现植物的某
些组织或器官, 特别是生殖器官中有 Pro的大量累
积,以此作为生长发育信号,诱发植物的生长发育过
程 [ 8, 11]。在模式植物拟南芥、番茄、水稻和大豆中都
发现, 从叶片到根系 Pro含量逐渐在下降, 而在生长
发育旺盛的生殖器官如花粉、成熟前的种子中都有
Pro的大量积累, 约是其他组织或器官的几倍到几
十倍 [ 8, 9]。此外,在超表达 P5CS基因的转基因烟草
中,可提高正常培养条件下的 Pro含量,刺激花原基
的形成 [ 8, 29 ]。同样地,在拟南芥中超表达 P5CSGFP
(绿色荧光蛋白 )融合蛋白也发现, 在胚胎形成的整
个过程中都检测到 P5CS基因的强烈表达和 Pro的
积累 [ 8, 27]。相反, 在拟南芥 P5CS突变体中, 不能正
常合成 Pro, 从而抑制种子的萌发 [ 8, 29]。有人报道,
外源提供 Pro不仅可增加花的数量, 而且还可改变
植物的开花时间和延长花期 [ 8, 30]。这些结果表明,
P ro作为生长发育信号, 通过调节细胞周期蛋白的
活性 [ 8, 29] ,促进细胞的分裂与分化, 启动花原基和胚
胎的形成过程。
2. 4 作为分子伴侣
越来越多的研究表明, P ro在稳定生物膜的完
整性、维持蛋白质 (包括酶 )的高级结构、参与蛋白
质的折叠等生理生化过程中发挥着重要的作
用 [ 10, 29, 30 ]。由于 Pro在蛋白质的折叠、成熟和变性
蛋白的清除等生理过程中所起的作用类似于分子伴
侣如热激蛋白 (HSP) , 所以有人称 Pro为小分子伴
侣 [ 6, 10, 11 ]。在逆境胁迫下, P ro可与蛋白质结合, 在
蛋白表面与水分子形成一层保护膜, 保护膜的形成
一方面束缚了水分向细胞外流动, 减少了水分的散
失;另一方面保护膜对蛋白质等生物大分子有很好
的保护作用, 维持了生物大分子的高级结构和活
性 [ 6, 10, 11]。而对于逆境胁迫下变性的蛋白质, P ro与
之结合后,可提高变性蛋白的亲水性,保持变性蛋白
的溶解状态,避免变性蛋白的凝集而干扰细胞代谢
活动 [ 10, 11 ]。
2. 5 脯氨酸的毒性
虽然 Pro在植物适应各种逆境胁迫过程中起着
非常积极的一面,但有人发现用大于 10 mmo l /L Pro
处理拟南芥幼苗,表现出明显的毒害效应:抑制幼苗
的生长,改变叶绿体和线粒体的超微结构,乃至诱发
细胞的程序性死亡 ( programmed ce ll death, PCD) [ 8, 11]。
用类似的方法处理番茄幼苗, 则表现为抑制根系的
生长,降低叶绿素含量 [ 31, 32]。此外, 在拟南芥 PDH
突变体中,由于不能降解 Pro, 仍然表现出 Pro的积
累和延缓幼苗的发育过程 [ 8 ]。因此, 这些毒害效应
可能是植物细胞中大量积累 Pro后, 其代谢循环过
程中不断向线粒体呼吸链输送电子, 导致呼吸链的
电子超载而泄露, 产生过量的 ROS破坏蛋白质、核
酸等生物大分子之缘故 [ 33 - 36 ] (图 1)。但更多的研
究者则发现, 外源 Pro预处理可提高烟草细胞的耐
盐性 [ 34]、玉米细胞的耐冷性 [ 37]和缓解重金属对茶
菱的毒害作用 [ 38 ]。本实验室以前的研究结果表明,
用 40mmol /L Pro预处理可提高玉米幼苗的耐热
性, 并且这些耐逆性的形成可能是外源 Pro预处理
后, 提高了内源 Pro的含量和抗氧化酶活性, 缓解了
逆境胁迫过程中抗氧化酶系统活性下降之原因 [ 21]。
我们最近的研究还发现,用40mmo l/L Pro分别处理
烟草悬浮细胞,不仅对烟草细胞没有毒害效应,反而
能够促进烟草悬浮细胞的快速分裂与生长 (尚未发
表 )。
3 展望
随着研究手段的革新和研究内容的深入, P ro
的代谢途径和生理功能逐渐被发现和阐明, P ro在
植物耐逆性形成中显得越来越重要, 其生理功能涉
及到生物膜的稳定、渗透胁迫调节、抗氧化胁迫、分
子伴侣和生长发育信号等方面。但仍然存在许多问
题尤待解决: ( 1) Pro在植物耐逆性形成中的信号感
受、传导和确切的适应机理; ( 2)由于 Pro代谢途径
的复杂性和逆境胁迫的多样性与组合性,在不同逆
境胁迫下 Pro的积累途径; ( 3)脯氨酸的毒性问题一
直没有达成共识。
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2011年第 2期 谢虹等:脯氨酸在植物非生物胁迫耐性形成中的作用
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