全 文 ：膜脂组成与植物抗冷性的关系及其分子生物学研究进展
陈娜 郭尚敬 孟庆伟*
(山东农业大学生命科学学院,泰安 271018)
摘 要: 植物的抗冷性与膜脂的组分和结构密切相关, 与质膜中脂肪酸的不饱和度关系更为密切。膜脂不
饱和脂肪酸含量越高,膜脂相变温度越低, 植物的抗冷性提高。植物体内存在一些降低膜脂脂肪酸饱和程度的酶,
如甘油-3-磷酸酰基转移酶, -3 脂肪酸去饱和酶等,它们能够催化膜中脂肪酸的去饱和反应,生成不饱和脂肪酸 ,从
而提高植物的抗冷性。本文就低温对膜脂的影响、膜脂组成与植物抗寒性的关系及其分子生物学研究进展作一简
单综述。
关键词: 膜脂组成 抗寒性 甘油-3-磷酸酰基转移酶
Relationship Between Plant Chilling Tolerance and Membrane
Lipidscomposition and Its Advances in Researches
on Molecular Biology
Chen Na Guo Shangjing Meng Qingw ei*
( Coll eg e of L i f e S ci ences , S hand ong A gr icul tur al Univ e rsi ty , Taian, Sh andong 271018)
Abstract: Chilling to ler ance of higher plant s is know n to closely co rr elate w it h the composition and instr uction
of the membrane lipids, especially wit h the saturation of the membrane fatt y acids. U sually, chilling- resistant plants
conta in a larg e propo rtion of cis-unsaturated fatt y acids. Ther e ar e some desaturases in plants w hich can catalyze the
conversion o f satur ated fatty acids to unsaturated fatty acids, such as G lycer o-l 3-pho sphateacy-l transferase
( GPAT ) , -3 fatty acids desaturase and so on. In this rev iew , w e brief ly give an overv iew of the relationship be-
tw een membrane lipid composition and plant chilling r esistance and t he advances o f its mo lecular bio log ical investiga-
tion.
Key words: Membrane lipids composition Chilling resistance Glycero-l 3- phosphat eacy ltr ansfer ase
低温是限制植物地理分布及生物产量的重要因
素,也是农业生产的主要障碍因素之一。特别是起
源于热带和亚热带的作物,如玉米、番茄、黄瓜、甜椒
等对温度反应敏感, 温度稍微低于其最适生长温度,
就会发生低温伤害。
生物膜是细胞与外界环境联系的界面, 各种逆
境对细胞的伤害多始于细胞膜。生物膜主要由脂
类、蛋白质和一些碳水化合物组成。高等植物膜脂
中含有磷脂酰胆碱( PC)、磷脂酰乙醇胺( PE)、磷脂
酰肌醇( PI)、磷脂酰甘油( PG)、磷脂酸( PA)等磷脂
( PL)和单半乳糖二甘油脂( MGDG)、双半乳糖二甘
油脂( DGDG)等糖脂, 以及少量硫脂( SL )和中性脂
如胆固醇等。自从 1973年 Lyons[ 1]提出植物低温
膜伤害假说以后,植物抗冷性与膜脂脂肪酸饱和度
的关系一直受到人们的关注。
1 低温对膜的影响
生物膜结构是一个动态平衡体系, 随外界温度
变化内部成分进行适应性调整[ 2] 。植物正常生理活
收稿日期: 2004-12-20
基金项目:国家自然科学基金资助( 30471053)资助
作者简介:陈娜( 1979- ) ,女,现在山东农业大学攻读植物学硕士学位
* 通讯作者: E-mail: qwmen g@ sdau . edu. cn 电话: 0538-8249606
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 2期
动时需要液晶相的膜状态,当温度降低到一定程度
时,膜脂由液晶态变为凝胶态,这种膜脂相变会导致
原生质流动停止,膜结合酶活力降低和膜透性增大,
引起胞内离子渗漏, 胞内离子失去平衡,继而使细胞
代谢失调, 有毒的中间代谢物积累, 使植物细胞受
害。低温胁迫下冷敏感植物黄瓜类囊体膜成解偶联
状态,其 H +-ATPase 易受到光破坏[ 3, 4] 。冷敏感植
物的细胞膜系统在低温下的损伤, 还与活性氧引起
的膜脂过氧化和蛋白质破坏有关。膜脂过氧化作用
是指发生在膜上不饱和脂肪酸双键上的一系列自由
基反应,它是由非脂性自由基( O 2 .- , . OH)对类脂中
不饱和脂肪酸引发而产生的。在低温胁迫过程中,
水稻[ 5] 、辣椒 [ 6]、黄瓜[ 7] 的丙二醛( MDA)含量明显
增加。
水稻幼苗在光照和黑暗的低温胁迫下, M DA 含
量明显增加, 且光照下的低温处理比黑暗中更为显
著,这是由于光氧化引起了叶绿体膜系统的降解[ 5]。
此时, 叶绿体的超微结构亦发生不同程度的破坏。
活性氧和 MDA 均降低了水稻叶绿体膜脂的流动
性, 这种毒性作用既包括了直接启动膜脂的过氧化
损伤作用, 也包括了其过氧化产物 MDA 的次级后
效应[ 8] 。活性氧除了有加强膜脂过氧化的作用以
外,还可以激活酸性磷酸酯酶的活性,从而促进膜磷
脂的脱酯化反应,进一步破坏膜结构[ 9]。
2 膜脂不饱和度与植物抗寒性的关系
一般认为, 抗冷植物具有较高比例的不饱和脂
肪酸,相变温度较低, 能在较低温度下保持流动性,
维持正常生理功能。Nishida 和 Mur ata[ 10] 提出,
植物类囊体膜脂高的不饱和度有利于低温光抑制后
光合功能的恢复; 低温下膜流动性改变是驱动膜
脂不饱和化的原初分子机理; 植物通过调节膜脂
不饱和度来维持膜流动性是一种调节植物冷敏感性
的途径。对在低温下生长的多种植物的多不饱和脂
肪酸水平进行检测时发现,在冷驯化过程中普遍伴
随着不饱和脂肪酸含量的升高。而且, 植物的冷敏
感性与磷脂酰甘油中饱和及反式单不饱和脂肪酸分
子形式的总体水平呈正相关。
王洪春等[ 11] 对 206个水稻品种干胚膜脂肪酸组
成进行分析后指出, 抗冷品种含有较多亚油酸
( 18 2)和较少的油酸( 18 1) , 因而其脂肪酸的不
饱和指数高于冷敏感品种。具有耐冻性的野生土豆
种 ( Solanum commersoni i ) 经冷驯化后 PL 增加
25% ,而冷敏感的栽培种( Solanum tubersoum )冷驯
化后 PL 含量无明显变化, 在冷驯化过程中, PE 和
PC 的变化不一样, 耐冻的野生土豆种冷驯化后的
PE 增加, 而 PC 略减 [ 12]。经冷驯化后, 黄瓜子叶
DGDG大量增加, MGDG 含量变化不大, 磷脂组分
中 PC、PE 含量下降,只有 PI 略有增加[ 13] 。低温条
件下, 喜温植物雀稗草的三烯脂肪酸亚麻酸的含量
明显升高, 并且抗冷品种膜脂亚麻酸含量的变化大
于中等抗冷品种和冷敏感品种 [ 14]。
近年来的研究表明, PG因具有较多的饱和脂肪
酸,而成为决定膜脂相变的主要因素。PG只占植物
叶绿体类囊体膜脂的3% ~ 5% ,在冷敏感植物中 PG
因具有较多的饱和脂肪酸( > 5% ) , 而决定膜在零上
低温下的相变。Mur ata[ 15]对 12种抗冷植物和 9种
冷敏感植物中的 PG 脂肪酸饱和度进行了分析, 发
现在 8种冷敏感植物中(除番茄外) PG的饱和脂肪
酸含量比较高, 占总脂肪酸的 60% ~ 75%, 而 11种
抗冷植物中的则为 50% ~ 57%, 说明 PG的饱和度
与植物的抗冷性明显的相关。杨玲和苏维埃 [ 16]以差
式扫描量热法和电子自旋共振波谱法证明水稻种间
抗冷性的差异与它们膜脂中的 PG 相变温度有关,
PG的饱和脂肪酸水平( C16 0+ C18 0+ C16 1)
影响着 PG 的相变温度。一般来讲, 冷敏感植物叶
片 PG分子饱和度比抗冷植物的高。
3 不饱和脂肪酸的生物合成
在植物细胞中, 饱和脂肪酸是在质粒中由被称
作 II 型脂肪酸合成酶系统催化合成的, 在这个系统
中除了酶之外, 还需要辅酶蛋白, 即酰基载体蛋白
( ACP)。与细菌 II型脂肪酸合成酶系统不同的是植
物的这个系统不能合成不饱和脂肪酸, 最终产物只
能是 C16 0-ACP 和 C18 0-ACP。后者再由 C18
0-ACP 不饱和化酶催化生成 C181-ACP, 而 C16
0-ACP 不能作为此酶的底物。C16 0 与 C18 1
的进一步不饱和化是在它们由两种酰基脂化酶先后
脂化成甘油脂后实现的。
叶绿体中存在两种酰基脂化酶, 即甘油-3-磷酸
酰基转移酶( g lycero-l 3-pho sphateacylt ransferase)和
单酰基甘油-3-磷酸酰基转移酶( monoacy-l gly cero-l
72005年第 2期 陈娜等:膜脂组成与植物抗冷性的关系及其分子生物学研究进展
3-phosphateacylt ransferase)。前者负责甘油骨架 C-
1位上的脂化,后者负责 C-2位上的脂化。Frentzen
等[ 17]对豌豆和黄瓜叶绿体中的 3-磷酸甘油酰化过
程进行研究时发现, 对于 C16 0-ACP, C18 0-ACP
和C18 1-ACP,甘油-3-磷酸转酰酶优先选择 C18
1接在 C-1 位上。另外, 它们对酰基供体也有选择
性。如甘油-3-磷酸转酰酶在 C18 1-ACP 和 C18
1-CoA 同时供给时, 一般优先选择 C18 1-ACP 接
在甘油骨架 C-1位上。在抗冷和冷敏感植物中, 转
酰酶也具有选择性差异。Frentzen [ 18]还证明,从南
瓜质体中分离出的甘油-3-磷酸酰基转移酶( GPAT)
的三种同分异构体,其中等电点为 6. 6 的酶优先选
择 C18 1作为酰基供体。Rounghan 等 [ 19] 在冷敏
感植物转酰酶对酰基选择性研究中指出, 在甘油骨
架 C-2位上, 单酰基甘油-3-磷酸转酰酶主要选择
C160, 而在 C-1位上转酰酶则对 C18 1和 C16
0具有同样选择性。
甘油-3-磷酸酰基转移酶是 PG 生物合成过程中
的第一个酰基脂化酶, 它将脂肪酰转移到 3-磷酸甘
油的 C-1 位上合成 1-酰基-Sn-甘油-3-磷酸(溶血磷
脂酸)。来源于抗冷性不同的植物的 GPAT 对底物
酰基具有不同的选择性, 冷敏感植物的 GPAT 优先
选择 C16 0(棕榈酸)。而抗冷性植物的 GPA T 对
C160和 C18 1具有相同的选择性 [ 20, 21]。.
4 膜脂脂肪酸的分子生物学研究进展
随着生物技术的发展, 植物抗寒基因工程已取
得了很大进展。目前已克隆到了许多与抗寒性有关
的基因,并转入植物中进行了功能研究。主要成就
有以下三个方面。
一是蓝细菌 ( Cyanobacter ia) des A ( desatured
A)基因与其抗冷性关系的研究, Los 等[ 22] 发现蓝细
菌( S ynechocy st is PCC6803)的 des A 在环境温度由
36 下降到2 时,该基因的表达在1 h内就增加 10
倍,返回36 后 30m in内其表达又恢复到原来水平。
由于低温首先降低了膜脂的流动性, 刺激 des A 的
转录,使膜脂不饱和度增加, 从而增加了膜脂的流动
性[ 23]。Wada 等[ 24] 将抗冷蓝细菌 S ynechocy sti s 的
des A 导入不抗冷的蓝细菌A nacy st is nidulans 中,
后者膜脂脂肪酸的不饱和度增加, 其光合功能在 5
下未明显降低。
二是叶绿体类囊体膜上磷脂酰甘油的脂肪酸
(饱和或不饱和)合成差异对植物冷敏感性影响的研
究。如前所述, 在叶绿体中存在的两种酰基脂化酶,
在抗冷植物中, C-1 位转酰酶对 C16 0和 C18 1
具有同样的选择性, 而在冷敏感植物中则主要选择
C160;对于 C-2位转酰酶, 在抗冷和不抗冷植物中
没有选择性差异,都较易选择 C16 0。拟南芥因含
有高比例的顺式不饱和脂肪酸而较抗冷, 南瓜则因
含低比例不饱和脂肪酸而冷敏感。Murata 等[ 25] 将
南瓜和拟南芥的甘油-3-磷酸转酰酶同工酶之一
( GPAT 1)的基因转入烟草中,发现转基因植物的子
叶中, PG 的脂肪酸组成因转入 GPAT1酶基因而改
变,烟草因转入耐低温的拟南芥 GPA T1 基因降低
了 PG 中饱和脂肪酸的程度, 其不饱和脂肪酸含量
由转化前的 64% 上升到 72%, 因而抗冷力提高, 而
转入冷敏感植物南瓜 GPAT 1 基因的烟草, 类囊体
膜 PG 饱和脂肪酸程度提高, 不饱和脂肪酸含量下
降到 24%, 因而抗冷力下降。Thomas 等[ 26] 也克隆
了黄瓜 GPAT 的 cDNA, 并证实植物的耐冷能力之
所以不同是由于 GPAT 酶对底物的选择性差异造
成的。2000年 Nishida[ 27]从南瓜中克隆到了 GPAT
另外一个等位基因 AT 1, 并证明该基因所编码的酶
对油酸具有优先选择性。Yokoi等[ 28] 通过根瘤杆菌
介导并用玉米 Ubiqui tin 作为启动子把拟南芥的
GPAT 基因导入水稻, 提高了水稻叶片类囊体 PG
的不饱和脂肪酸含量, 增强了水稻的抗冷性。Ar-i
izum i等[ 29]将菠菜和拟南芥的 GPAT 基因分别转入
水稻中,使水稻叶片中磷酸甘油的顺式不饱和脂肪
酸含量从 19. 3%分别上升到了 32. 0%和 29. 4%,水
稻抗冷能力也相应提高。
国内学者柳维波等[ 30] 对 7种不同抗冷性植物的
甘油-3-磷酸转酰酶 mRNA 序列作了三核苷酸碱基
模式分析,通过对编码脯氨酸的密码子在 mRNA 二
级结构中的分布位置的研究, 发现这些密码子主要
分布在茎的末端、环的根部、膨胀环或分支环上。杨
明挚等[ 31] 也采用 RT- PCR技术成功地从南瓜子叶
中分离了甘油-3-磷酸酰基转移酶基因的 cDNA 片
段并进行了序列分析。目前, 笔者也已从甜椒中克
隆到了 GPAT 酶的基因, 构建了表达载体并转入了
烟草和甜椒中, 为进一步研究低温条件下该酶基因
8 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 2期
的功能奠定了基础。
三是三烯脂肪酸( 18 3和 16 3)在植物抗冷
性中作用的研究。研究源于一系列三烯脂肪酸合成
缺陷的拟南芥突变体( f ad)对低温的反应, f ad7突
变体由于三烯脂肪酸含量的下降, 对低温更敏感。
因此, 近年来催化三烯脂肪酸形成的脂肪酸去饱和
酶的研究逐渐成为一个研究热点。Kodama 等 [ 32]将
拟南芥的 -3脂肪酸去饱和酶的基因 f ad7转至烟
草,转化株不饱和脂肪酸 18 3 和 16 3 含量明显
升高, 抗寒能力也随之增强。Murakami[ 33]等使烟草
中 -3脂肪酸去饱和酶的编码基因沉默, 导致突变
植株的三烯脂肪酸比野生型植株明显减少,突变植
株能更好的适应高温环境,而相应对低温环境的适
应能力减弱。Wakita 等[ 34] 烟草微体 -3 脂肪酸去
饱和酶的基因( NtFAD3)通过农杆菌介导转入甘薯
中发现转基因植株中 183的含量明显增加。
5 问题与展望
近年来的研究确定了调控植物抗冷性的一些重
要基因,转冷诱导基因、转脂肪酸去饱和酶的基因、
转增强细胞合成渗透物质的酶基因、转外源抗氧化
酶基因等均已表明能提高植物的抗冷性。然而, 还
有许多问题有待进一步研究, 如植物体对于低温的
分子响应机制是什么? 膜脂在植物感应低温中起什
么作用? 膜脂组成、结构和状态的变化如何影响着
细胞的代谢活动, 进而改变细胞的生理状态? 其分
子机理是什么? 因此, 通过基因工程来提高植物的
抗冷性还有很多工作要做。
参 考 文 献
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