全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (10): 1573~1582　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.1015 1573
收稿 2015-07-27　　修定 2015-09-29
资助 国家自然科学基金(31260169、31260064和31460059)和云
南师范大学研究生科研创新基金(38)。
* 共同第一作者。
** 通讯作者(E-mail: gongming63@163.com; Tel: 0871-65941367)。
细胞信号分子对非生物胁迫下植物脯氨酸代谢的调控
邓凤飞*, 杨双龙*, 龚明**
云南师范大学生命科学学院, 生物能源持续开发利用教育部工程研究中心, 云南省生物质能与环境生物技术重点实验室,
昆明650500
摘要: 大量研究表明脯氨酸积累在植物响应与适应非生物胁迫中起重要作用, 但如何调节脯氨酸合成和降解仍有许多疑
问。已知植物对逆境胁迫的响应与适应过程涉及复杂的细胞信号发生与转导事件, 也有研究表明细胞信号分子参与了植
物体内脯氨酸代谢的调控过程, 但不清楚其具体机理。本文综述了脯氨酸代谢的合成与降解途径, 以及脱落酸(ABA)、
Ca2+、一氧化氮(NO)、过氧化氢(H2O2)、水杨酸(SA)等细胞信号分子在脯氨酸代谢调控中的作用, 并讨论了信号分子之间
信号交谈对脯氨酸代谢可能的影响模式及未来研究的展望。
关键词: 细胞信号分子; 非生物胁迫; 脯氨酸代谢; 调控
Regulation of Cell Signaling Molecules on Proline Metabolism in Plants under
Abiotic Stress
DENG Feng-Fei*, YANG Shuang-Long*, GONG Ming**
Key Laboratory of Biomass Energy and Environmental Biotechnology of Yunnan Province, Engineering Research Center of Sus-
tainable Development and Utilization of Biomass Energy, Ministry of Education; School of Life Sciences, Yunnan Normal Univer-
sity, Kunming 650500, China
Abstract: The importance of proline accumulation in the responses and adaptation of plants to abiotic stress
has been well demonstrated, but the mechanisms that regulate proline synthesis and degradation still wait for
further investigation. It is well known that responses and adaptation of plants to environmental stresses involve
complicated cell signaling transduction events, and increasing evidences show cell signaling molecules take
part in the regulation of proline metabolism. However, regulatory mechanisms of these signaling molecules on
proline metabolism are still unclear. The present review summarized the metabolic pathways of proline biosyn-
thesis and degradation, discussed possible roles of the cell signaling molecules—abscisic acid (ABA), Ca2+,
NO, H2O2 and salicylic acid (SA)—and effects of their signaling crosstalk on proline metabolism, and prospect-
ed the future studies.
Key words: cell signaling molecules; abiotic stress; proline metabolism; regulation
脯氨酸是一种小分子的相容渗透剂(compatible
osmolyte), 是水溶性最大的氨基酸。作为植物细
胞内的有机渗透调节物质, 脯氨酸是分布最广泛
的一种。干旱、高盐、高温、冰冻、氧化及重金
属等非生物胁迫条件都会导致植物体内脯氨酸含
量的增加, 大量积累的脯氨酸可维持胞液的渗透
平衡, 减轻逆境胁迫对细胞的伤害(Trovato等2008;
Szabados和Savouré 2009; Kishor和Sreenivasulu 2014)。
除了渗透调节作用, 脯氨酸还具有保护核酸与蛋
白质等大分子物质、维持生物膜的稳定性及清
除活性氧(reactive oxygen species, ROS)等功能
(Szabados和Savouré 2009; Natarajan等2012; Giberti
等2014)。脯氨酸在植物生长发育过程特别是开花
和授粉中也起着重要作用(Trovato等2008)。此外,
脯氨酸还可作为信号分子调节某些与植物生长发
育相关的基因表达(Szabados和Savouré 2009)。当
植物从胁迫条件下恢复时 , 脯氨酸还可以作为
氮、碳及还原力的一种快速补偿来源(全先庆等
2007; Kishor和Sreenivasulu 2014)。
对于非生物胁迫下脯氨酸积累能提高植物抗
逆性的研究已经比较深入, 但实际上人们对脯氨
植物生理学报1574
酸代谢调节的机理还所知甚少(Takagi 2008; Yang
等2009)。干旱、高盐和低温等胁迫下, 脯氨酸的
大量积累依赖于从头合成途径, 说明植物体内脯
氨酸代谢涉及一系列的信号转导过程(Trovato等
2008; Yang等2009; Wen等2013; Ke等2013; 柯学等
2014; 邓凤飞等2015)。
大量研究表明, 植物对逆境胁迫的响应与适
应过程涉及非常复杂的信号转导事件, 而脯氨酸
在植物抗渗透胁迫中发挥着非常重要的作用(Apel
和Hirt 2004; Taylor和McAinsh 2004; Parre等2007;
Trovato等2008; Wilson等2008; Gill和Tuteja 2010), 因
此, 深入了解植物细胞信号分子在逆境胁迫下对
脯氨酸积累和代谢的调控将有助于我们更好理解
植物对逆境胁迫的适应机制。本文在我们实验室
前期工作的基础上(Yang等2009; 杨双龙和龚明
2009; 杨双龙2010; 文锦芬等2011; Wen等2013; Ke
等2013; 柯学等2014; 邓凤飞等2015; Yang等2015)
综述了几种重要的细胞信号分子[Ca2+、H2O2、
NO、脱落酸(abscisic acid, ABA)和水杨酸(salicylic
acid, SA)]在脯氨酸代谢调控中的作用, 并讨论了
信号分子交谈对脯氨酸代谢可能的调控途径及未
来研究的展望, 以期为深入研究各种细胞信号分
子对脯氨酸代谢的调控提供借鉴。
1 高等植物体内脯氨酸代谢的合成和降解途径
目前, 植物体内的脯氨酸代谢途径已基本清
楚, 对影响脯氨酸含量的因素也有了较清晰的认
识。植物脯氨酸的合成有2条途径: 谷氨酸途径和
鸟氨酸途径, 初始底物分别为谷氨酸(glutamate,
Glu)和鸟氨酸(ornithine, Orn), 每条途径都受到关
键限速酶的调节。其中谷氨酸途径的关键酶是Δ1-
吡咯啉-5-羧酸合成酶(Δ1-pyrroline-5-carboxylate
synthetase, P5CS)和谷氨酸脱氢酶(glutamate dehy-
drogenase, GDH); 鸟氨酸途径的关键酶是鸟氨酸
转氨酶(ornithine aminotransferase, OAT)和精氨酸
酶(arginase); 而脯氨酸脱氢酶(proline dehydroge-
nase, ProDH)是脯氨酸降解的主要限速酶(Yang等
2009; Liang等2013; Iqbal等2014; Kishor和Sreeni-
vasulu 2014; Yang等2015) (图1)。
植物体内谷氨酸途径是参考细菌体内脯氨酸
合成而阐明的。细菌中脯氨酸合成以依赖于ATP
的γ-谷氨酰激酶(γ-glutamyl kinase, γ-GK)催化反应
开始, 产物被谷氨酰半缩醛脱氢酶(glutamic semi-
aldehyde dehydrogenase, GSADH)还原生成谷氨酰
半缩醛, 后者自发环化生成 P5C, 最终在Δ1-吡咯
啉-5-羧酸还原酶(Δ1-pyrroline-5-carboxylate reduc-
tase, P5CR)的作用下生成脯氨酸(赵福庚和刘友良
1999; Kishor等2005)。在植物体中, 一直没能分离
到谷氨酰激酶和谷氨酰半缩醛脱氢酶, 也很难检
测到谷氨酰磷酸(γ-glutamyl phosphoric acid, γ-GP)
的存在。后来, 终于在多细胞真核生物中克隆到
一种编码P5CS的全长cDNA, 表明植物也具有这个
特性。该酶不仅具有谷氨酰激酶的活性, 也具有
图1 植物中脯氨酸的代谢途径
Fig.1 Proline metabolic pathways in plants
GSA: glutamic-γ-semialdehyde, 谷氨酰半缩醛; P5C: Δ1-pyrroline-5-carboxylate, Δ1-吡咯啉-5-羧酸; P5CS: Δ1-pyrroline-5-carboxylate
synthetase, Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶; OAT: ornithine aminotransferase, 鸟氨酸转氨酶; ProDH: proline dehydrogenase, 脯氨酸脱氢酶; P5CR:
Δ1-pyrroline-5-carboxylate reductase, Δ1-吡咯啉-5-羧酸还原酶; GDH: glutamate dehydrogenase, 谷氨酸脱氢酶; P5CDH: pyrroline-5-carboxyl-
ate dehydragenase, 吡咯琳-5-羧酸脱氢酶。
邓凤飞等: 细胞信号分子对非生物胁迫下植物脯氨酸代谢的调控 1575
谷氨酰磷酸还原酶(GPR)的活性, 是一个依赖ATP
和NADPH的双功能酶(Perez-Arellano等2010;
Liang等2013)。这表明在脯氨酸合成的谷氨酸途
径前2步反应里, 植物是由1个酶催化的, 而在细菌
却是由2个酶催化, 这是植物与细菌的主要区别。
研究发现 , 将大豆P5CR基因转入烟草后 , 烟草
P5CR的mRNA水平得到提高, 但是脯氨酸的增加
却很不明显。相反, 转入外源P5CS基因的烟草, 不
但P5CS基因的mRNA水平大大提高, 而且使转基
因烟草积累的脯氨酸比非转基因植株高出10倍
(Stines等1999)。最近的多数研究结果也表明, 在
逆境胁迫条件下, P5CS和GDH对植物体内脯氨酸
积累的影响要大于P5CR, P5CS和GDH才是逆境胁
迫下植株体内合成脯氨酸的关键酶, 其中, P5CS为
限速酶(Liang等2013; Iqbal等2014; Kishor和Sreeni-
vasulu 2014; Yang等2015)。
Fujita等(1999)用200 mmol·L-1 NaCl处理番茄
幼苗, 发现叶片和根系中脯氨酸含量上升60倍, 而
P5CS基因的表达仅提高3倍, 说明盐胁迫下番茄幼
苗体内还存在另外的脯氨酸合成途径。现已证明
植物体内的另一条脯氨酸合成途径为鸟氨酸途
径。在此途径中合成脯氨酸的底物是Orn, OAT是
反应的初始酶。鸟氨酸经过转氨基作用生成GSA,
然后自发生成P5C, 直至被P5CR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(Szabados和Savouré 2009; Liang等2013; Iqbal等
2014; Kishor和Sreenivasulu 2014)。
由于脯氨酸的积累与植物种类、生理状态及
植物体内的氮素水平密切相关, 哪一种途径对脯
氨酸积累的影响占主导地位还存在较大争议(Yang
等2009; 姜淑欣等2014)。Delauney和Verma (1993)
研究发现, 在渗透胁迫和低氮环境下以谷氨酸途
径为主, 而在非胁迫和高氮条件下鸟氨酸途径则
占主导地位。另外, 赵福庚和刘友良(1999)发现在
盐胁迫下, 脯氨酸的积累先受到谷氨酸途径的控
制, 随后却以鸟氨酸途径居于主导地位。而Roos-
ens等(1998)发现幼小植株以鸟氨酸途径为主, 成
年植株以谷氨酸途径为主, 在渗透胁迫条件下2条
途径发挥着同样重要的作用。姜淑欣等(2014)研
究表明, 在聚乙二醇(PEG 6000)胁迫下, 谷氨酸途
径贡献较大, 鸟氨酸途径具有一定贡献。我们的
研究表明, H2O2诱发的脯氨酸积累是其先后活化
了脯氨酸生物合成的谷氨酸途径和鸟氨酸途径,
以及抑制了脯氨酸降解途径的综合结果(Yang等
2009), 而用重金属镉处理则能顺序激活鸟氨酸和
谷氨酸途径的关键酶, 从而诱导脯氨酸积累(文锦
芬等2011)。此外, 干旱和低温均能活化脯氨酸合
成的2条途径, 且干旱胁迫下脯氨酸的积累更依赖
于鸟氨酸途径(邓凤飞等2015; Yang等2015)。可见,
2条合成途径和降解途径在植物脯氨酸积累过程
中起的作用因不同的逆境胁迫而不同。
2 细胞信号分子对非生物胁迫下植物体内脯氨酸
积累和代谢的影响
高温、低温、干旱、盐渍和氧化胁迫等各种
逆境胁迫都可诱发细胞游离Ca2+、H2O2及NO等含
量迅速上升, 并引发脯氨酸代谢相关基因的表达
及细胞生理生化代谢的改变(Imlay 2008; Wang和
Song 2008; Wilson等2008; Ke等2013; 柯学等2014)。
也有证据表明Ca2+、H2O2、NO和ABA、SA等信
号分子参与了非生物胁迫下植物体对脯氨酸代谢
的调控过程, 但其具体机理和相关信号转导过程
还不清楚(Misra和Saxena 2009; Yang等2009; Frag-
nière等2011; Wen等2013; Ke等2013)。
2.1 钙离子(Ca2+)与脯氨酸
以Ca2+/CaM (calmodulin, 钙调素)为核心的钙
信使系统在植物对逆境胁迫的信号感受与适应过
程中起核心作用(McCormack等2005)。Ca2+信号通
路是植物中已经确认的主要信号转导途径, CaM
是目前已知胞内Ca2+信号受体中的最重要的一种
(Lecourieux等2006)。外源Ca2+诱导脯氨酸积累是
植物对逆境胁迫的重要响应, 脯氨酸在植物组织
中可以作为酶保护剂从而减轻逆境胁迫对植物的
不利影响(Cheng等2013)。
有研究表明, 外源CaCl2提高了干旱胁迫下毛
竹的脯氨酸含量(姜琴等2012)。Ca2+能够通过脯氨
酸的积累来缓解干旱胁迫对水稻渗透调节、光合
作用和膜系统的伤害(隋亚珍等2013)。Cheng等
(2013)研究发现, CaCl2能够引起脯氨酸的显著积
累并上调P5CR的活性, 从而降低了盐胁迫对植株
的损伤。我们的研究也表明, 诱导CaM活性上调
可提高转基因烟草悬浮细胞中脯氨酸的含量, 其
可能的机制是CaM可促进脯氨酸合成的谷氨酸途
植物生理学报1576
径和抑制其降解途径(杨双龙2010)。另外, 我们前
期的研究结果显示, CaCl2处理可显著提高H2O2作
用下玉米幼苗的P5CS活性, 上调P5CS基因的表达,
在一定程度上抑制了脯氨酸降解关键酶ProDH的
活性, 而LaCl3及CaM拮抗剂氯丙嗪(chloropromaize,
CPZ)和三氟拉嗪(trifluoperazine, TFP)处理则得到
相反的结果。此外, 无论是CaCl2还是LaCl3对OAT
的活性均无显著影响。说明在H2O2胁迫下, Ca
2+能
促进脯氨酸合成的谷氨酸途径, 并可能参与了对
脯氨酸降解途径的调控(杨双龙2010)。我们的研
究结果还表明, CaCl2可显著提高硝普钠(SNP)处理
下玉米幼苗脯氨酸的含量、上调P5CS的活性和降
低ProDH的活性, 而LaCl3处理则得到与上述相反
的结果。但无论是CaCl2或LaCl3都对SNP处理下
玉米幼苗的OAT活性无显著影响, 说明Ca2+可活化
脯氨酸合成的谷氨酸途径, 抑制降解途径, 从而增
强了SNP处理下玉米幼苗体内脯氨酸的积累(杨双
龙2010)。
虽然我们的研究初步阐明了Ca2+/CaM、H2O2
和NO对脯氨积累及代谢途径的调节机理, 但相关
的分子机制还有待进一步研究(Yang等2009; 杨双
龙和龚明2009; 杨双龙2010)。Ca2+/CaM、H2O2和
NO诱发脯氨酸积累所涉及的一系列信号转导事件
还不清楚, 未来的研究应进一步明确3条信号转导
途径对植物脯氨酸代谢的调节机理及3条信号途
径在植物脯氨酸代谢中的相互作用机理。
2.2 过氧化氢(H2O2)与脯氨酸
H2O2是植物体内的一种重要ROS分子, 是细
胞有氧代谢的产物, 各种胁迫均可诱发植物体内
H2O2的大量积累。研究表明, 高浓度的H2O2具有
损伤生物大分子从而毒害细胞的效应, 而低浓度的
H2O2则可作为第二信使在植物对逆境胁迫响应信号
转导途径中起重要作用(Suzuki和Mittle 2006)。逆境
胁迫会导致ROS的积累, 从而氧化损伤细胞组分
(破坏蛋白质、膜脂、DNA等)及影响正常代谢
(Gill和Tuteja 2010)。脯氨酸可作为渗透调节物质
和活性氧清除剂来保护植物免受逆境胁迫的伤害,
因此, 氧化胁迫下植物体内脯氨酸积累可能是植
物抵抗氧化损伤的一种保护反应(Natarajan等2012;
Giberti等2014)。近年来也有很多的证据表明H2O2
信号和脯氨酸代谢之间存在关联(Liang等2013)。
研究发现, 较低浓度的H2O2处理可诱导烟草
叶片脯氨酸含量增多, 而较高浓度的H2O2处理却
导致脯氨酸和游离氨基酸含量降低 (魏小红等
2006)。我们的研究显示, 外源H2O2能够大幅提高
玉米幼苗体内脯氨酸的含量, 增加谷氨酸合成途
径关键酶P5CS和GDH的活性及上调P5CS基因的
表达。而鸟氨酸合成途径关键酶精氨酸酶和OAT
的活性则在H2O2处理12 h后才显著上升。此外,
H2O2处理还降低了脯氨酸降解途径关键酶ProDH
的活性(Yang等2009)。Wen等(2013)也发现用H2O2
预处理甜玉米幼苗, 能够增强其在CuCl2胁迫下的
脯氨酸含量, 先后活化P5CS、GDH、精氨酸酶和
OAT的活性, 以及抑制ProDH的活性。这些证据表
明, H2O2诱导玉米幼苗脯氨酸积累是通过连续活
化脯氨酸合成的谷氨酸及鸟氨酸途径并抑制其降
解途径的综合结果。
越来越多的证据显示, 脯氨酸的积累与H2O2
的产生具有良好的相关性, 表明H2O2作为一种信
号分子参与了逆境胁迫下植物细胞脯氨酸积累的
信号转导过程(Yang等2009; Rejeb等2014)。然而,
到目前为止, 人们对H2O2与脯氨酸代谢之间的关
系及它们之间的内在调节机制还知之甚少。
2.3 一氧化氮(NO)与脯氨酸
NO作为重要的信号分子, 调控植物许多生长
发育及逆境胁迫的应答过程(Ruan等2004; Craw-
ford和Guo 2005)。在最近几年, 越来越多的证据表
明NO能作为植物发育、激素调节和响应逆境胁迫
的活跃小分子信号(Crawford 2006; Xu等2010)。此
外, NO和ROS可以相互依赖, 相互影响, 共同介导
植物的逆境响应过程(王鹏程等2009)。在很多逆
境胁迫下, NO和H2O2都介导了ABA信号并激活
P5CS1和抑制ProDH1基因的表达(Kishor和Sreeni-
vasulu 2014)。
研究表明, NO供体SNP引发棉花种子, 显著提
高了冷害胁迫下胚的脯氨酸含量, 显著增强了棉
花在低温胁迫下的适应性(杨美森等2012)。Wang
等(2013)的研究表明, NO处理能够增加香蕉果实
中脯氨酸的积累及ROS清除能力, 主要是因为NO
增强了抗氧化酶和P5CS的活性, 降低了ProDH活
性。Ke等(2013)的研究结果显示, 外源NO可大幅
提高渗透胁迫下烟草悬浮细胞的脯氨酸含量, 从
邓凤飞等: 细胞信号分子对非生物胁迫下植物脯氨酸代谢的调控 1577
而减轻了PEG 6000胁迫对细胞造成的伤害。此外,
用SNP处理烟草悬浮细胞提高了其GDH、精氨酸
酶和OAT的活性, 而降低了ProDH的活性, 基因表
达也表现出与酶活性相似的变化趋势, 表明NO对
脯氨酸代谢的调控可能是烟草细胞应答和适应渗
透胁迫的重要机制(柯学等2014)。
NO信号分子已成为近年来生命科学研究的
热点之一, 但关于NO应对胁迫的响应涉及许多复
杂的信号转导途径, 如何通过信号转导或从分子
水平上对植株的生理代谢进行调控和调节目前还
不是很清楚, 需要进一步研究。NO的产生和氨基
酸代谢相关, 特别是大多数非生物胁迫刺激引起
的植物ABA依赖途径的脯氨酸积累。然而, NO产
生和脯氨酸积累之间的关系及NO对植物脯氨酸代
谢的具体调控机理还不清楚(Planchet等2014)。将
来的研究需要阐明NO调控脯氨酸代谢的信号转导
途径, 包括NO与逆境胁迫信号受体的相互作用等。
2.4 脱落酸(ABA)与脯氨酸
ABA是逆境胁迫下主要的植物激素类信号分
子。在非生物胁迫(干旱、高盐和低温等)下, 植物
可启动ABA合成系统, 增强植株抵抗逆境的能力
(吴楚和王政权2000)。脯氨酸的积累主要是由
ABA依赖和ABA独立2个信号通路介导(Terzi等
2015)。外源ABA在逆境胁迫下可通过促进水分向
叶片输送来提高细胞膜的通透性、增加脯氨酸等
渗透调节物质的含量和迅速关闭气孔以减少水分
的损失、减少电解质渗漏, 以及诱导有关基因的表
达来提高植物对逆境的抵抗能力(Popko等2010)。
已有研究证实, ABA的含量和脯氨酸合成之
间呈正相关(da Costa等2011)。赵纪东等(2006)研
究发现, ABA溶液处理可显著提高正常或胁迫下
小麦幼苗的游离脯氨酸含量。于晶等(2008)的研
究结果表明, 外源ABA处理能促进‘东农冬麦’体内
脯氨酸的积累, 从而增强其细胞的持水能力。Ver-
slues等(2007)研究表明, 外源ABA能诱导脯氨酸积
累, 在渗透胁迫和盐胁迫下拟南芥的P5CS1被诱导
表达, 并通过ABA依赖和ABA独立两个信号通路
控制调节路径和H2O2衍生的信号激活。我们的研
究结果也表明, ABA促进了低温胁迫下小桐子幼
苗脯氨酸积累, 上调了脯氨酸合成关键酶P5CS和
OAT的活性及JcP5CS的表达, 并抑制了脯氨酸降
解酶ProDH的活性, 表明ABA是通过活化脯氨酸合
成的谷氨酸途径及抑制其降解途径促进了低温胁
迫下小桐子幼苗脯氨酸的积累, 而鸟氨酸途径对
其脯氨酸的积累则无显著贡献。然而, ABA促进
脯氨酸积累的具体机理还不完全清楚(邓凤飞等
2015)。
2.5 水杨酸(SA)与脯氨酸
SA即邻羟基苯甲酸, 是植物体内产生的简单
酚类化合物, 常在植物的逆境胁迫中作为一种重
要的信号分子出现(Fragnière等2011)。研究发现,
SA可以调节植物体内多种与逆境代谢相关的生理
活动, 比如诱导相关蛋白质的表达、激活植物的
超敏反应及系统获得性抗性, 以及调节抗氧化机
制等, 从而提高植物对逆境胁迫的耐受能力(Vlot
等2009)。
研究发现, 外源SA能够通过增加脯氨酸的含
量来减轻干旱胁迫诱导的芥菜生长缓慢及光合作
用受抑现象, 而脯氨酸含量升高主要是由于SA强
化了N和S的同化作用并提高了脯氨酸合成酶活性
的综合结果(Nazar等2015)。Du等(2009)研究表明,
Ca2+信号和水杨酸信号存在偶联机制, SA、Ca2+单
独作用或者共同作用都能明显提高脯氨酸的含量
(Al-Whaibi等2012)。SA可以通过增加脯氨酸含量
来提高植物抗逆境胁迫的能力, 但是, SA不能够引
起Ca2+保卫细胞色素振荡和通过Ca2+独立通路诱导
拟南芥气孔的关闭(Iqbal等2014)。Akhtar等(2013)
研究发现, 外源SA能增加盐胁迫下绿豆一氧化氮
还原酶(nitric oxide reductase, NR)和亚硝酸盐还原
酶(nitrite reductase, NiR)的活性, 从而增加脯氨酸
的含量。SA能够促进盐胁迫下的植物中脯氨酸的
积累并提高脯氨酸合成酶的活性(Misra和Misra
2012)。Simaei等(2011)研究表明, SA与SNP协同作
用能够显著上调盐胁迫下大豆植株的脯氨酸含
量。Misra和Saxena (2009)研究表明, 外源水杨酸
促进脯氨酸含量的升高缓解了盐胁迫对小扁豆的
不利影响, 上调了P5CR的活性及基因表达, 并抑制
了其ProDH的活性, 表明SA可通过上调脯氨酸合
成酶P5CR活性及抑制降解酶ProDH的活性来促进
脯氨酸的积累。崔秀妹等(2012)研究发现, 外源水
杨酸显著提高了扁蓿豆的游离脯氨酸含量, 从而
提高其抗旱能力。虽然目前有不少SA和脯氨酸代
植物生理学报1578
谢相关的实验证据, 但是SA诱发脯氨酸积累的过
程及涉及的信号转导事件还有待进一步研究。
2.6 其他信号分子与脯氨酸
有研究显示, 磷脂酶C和D也可能参与了逆境
胁迫下脯氨酸积累的信号转导过程(Parre等2007)。
但是, 单独的磷脂酶信号分子不能显著影响P5CS
基因表达, 说明胁迫条件下P5CS基因的表达还需
要其他信号分子作用, 这些信号分子可能作用于
脯氨酸合成信号转导途径的上游(Thiery等2004)。
近年来, 有研究表明生长素中的赤霉素(gib-
berellins, GA)、细胞分裂素(cytokinins, CK)和乙烯
(ethylene)等信号分子也参与了逆境胁迫下脯氨酸
的积累。Tuna等(2008)研究发现, 外源GA3可以通
过增加脯氨酸含量来维持细胞膜的通透性和微量
元素的水平从而抵消盐胁迫的不利影响。Wu等
(2014)研究表明, 外源CK可以通过增加脯氨酸的
含量来提高茄子在盐胁迫下的抵抗力。Joshi等
(2011)发现, 用浓度为150 μg·mL-1的乙烯处理小桐
子, 能够大幅提高其脯氨酸的含量。此外, Ca2+还
可以作为第二信使参与乙烯介导的应答反应(Xu
等2009)。还有证据表明, 除了ABA以外, 生长素也
参与了水稻P5CS和OAT活性的调节(You等2012)。
脯氨酸积累是植物应对逆境胁迫的一种适应
机制。使用植物激素上调脯氨酸的合成, 可以提
高植物抵抗逆境的能力。逆境胁迫下, 不同的植
物激素可能相互协调 , 共同促进脯氨酸的积累
(Iqbal等2014)。因此, 深入研究不同植物激素在调
控脯氨酸代谢中的相互关系, 将有助于阐明逆境
胁迫诱发脯氨酸积累的机制, 及开发耐逆境相关
基因。
3 细胞信号分子对非生物胁迫下植物脯氨酸合成
与代谢的可能调控途径
干旱、高盐、高温、冰冻及重金属等胁迫下
脯氨酸的积累涉及复杂的细胞信号转导过程, Ca2+/
CaM、H2O2、NO、ABA和SA等信号分子介导的转
导途径之间存在着相互作用和信号交谈(signaling
crosstalk), 从而使植物细胞内积累大量脯氨酸应对
逆境胁迫(Parre等2007; Misra和Saxena 2009; Yang
等2009)。
研究发现, 豌豆植株对重金属Cr胁迫的适应
过程中存在有Ca2+/CaM、H2O2和NO信号的交谈
(Rodríguez-Serrano等2009)。H2O2处理可激活Ca
2+
通道并引发胞内的游离钙离子浓度迅速增加及上
调钙调素基因的表达(Bouché等2005); 另一方面,
病原菌和机械刺激诱导的H2O2爆发需要Ca
2+/CaM
的介导(Apel和Hirt 2004)。NO也可引发胞内游离
Ca2+浓度增加, 而且控制NO合成的关键酶一氧化
氮合酶(NOS)有CaM结合位点(Crawford和Guo
2005)。Ruan等(2004)的研究显示, Ca2+对盐胁迫下
NO供体SNP引起的小麦幼苗脯氨酸积累有促进作
用。Verslues等(2007)研究发现上调H2O2水平可刺
激拟南芥中ABA诱导的脯氨酸积累, 暗示着H2O2
信号可能参与了脯氨酸的生物合成, 而且ABA能
够诱导细胞内的环鸟甘酸(cGMP)和Ca2+等信使分
子的增加, 间接地激活下游信号转导途径, 调控脯
氨酸代谢过程。Sripinyowanich等(2013)研究发现
外源ABA能够上调盐胁迫相应钙调蛋白OsCam1-1
基因的表达, 而且钙调蛋白也被证明在盐胁迫下
脯氨酸积累的信号转导过程中发挥重要的作用,该
OsCam1-1信号通路也在ABA生物合成中起重要作
用。Kiba等(2011)研究发现, ABA能够通过增加N
含量来诱导脯氨酸积累, 证明ABA和N信号之间存
在关系。
到目前为止, Ca2+/CaM、H2O2、NO、ABA和
SA等信号分子引发植物脯氨酸积累已得到证实,
但这些细胞信号分子及信号转导过程的信号“交
谈”如何调控脯氨酸的代谢仍有许多疑问。基于我
们实验室的研究和国内外的大量工作(Apel和Hirt
2004; Bouché等2005; Parre等2007; Verslues等2007;
杨双龙和龚明2009; Szabados和Savouré 2009;
Misra和Saxena 2009; Yang等2009; 杨双龙2010;
Kiba等2011; Ke等2013; Sripinyowanich等2013;
Wen等2013; Wang等2013; 柯学等2014; Iqbal等
2014) , 我们推测了非生物胁迫下Ca 2+/CaM、
H2O2、NO、ABA和SA等信号分子对植物中脯氨
酸代谢可能的调控模式图(图2), 其中, 现有的证据
显示干旱和盐胁迫下NO可上调OAT的活性, 同时
抑制ProDH的活性(绿色箭头所示) (Trovato等2008;
Szabados和Savouré 2009; 杨双龙2010; Ke等2013),
表明NO可能通过活化脯氨酸合成的鸟氨酸途径和
抑制降解途径来促进植物体内脯氨酸的积累; 而
H2O2可上调P5CS的活性及抑制ProDH的活性, 表
邓凤飞等: 细胞信号分子对非生物胁迫下植物脯氨酸代谢的调控 1579
明H2O2参与了谷氨酸合成途径和脯氨酸降解途径
的调节(紫色箭头所示) (Yang等2009; Szabados和
Savouré 2009; 杨双龙2010)。Ca2+/CaM被认为与逆
境胁迫下脯氨酸的积累密切相关(杨双龙2010; 姜
琴等2012; Cheng等2013), 然而由于Ca2+/CaM调节
脯氨酸代谢的机制较复杂, 目前人们对其还所知
甚少, 我们前期的工作也显示, 低温和盐胁迫下
Ca2+/CaM涉及谷氨酸合成途径和脯氨酸降解途径
的调节(蓝色箭头所示), 且可能与H2O2、NO和
ABA等介导的脯氨酸积累过程密切相关(杨双龙
2010); SA则通过上调P5CR和下调ProDH的活性来
促进植物体内脯氨酸的积累(黄色箭头所示) (Misra
和Saxena 2009; Misra等2012; Nazar等2015)。此外,
有证据表明, 干旱、低温和盐胁迫下, ABA诱发的
脯氨酸积累与NO、Ca2+/CaM和H2O2信号分子密
切相关(Szabados和Savouré 2009; 杨双龙2010;
Iqbal等2014; Terzi等2015), 我们推测ABA可能通
过NO、Ca2+/CaM和H2O2 3条信号通路调节脯氨酸
的积累。基于以上国内外同行和我们自己的实验
证据 , 我们认为逆境胁迫下Ca2+/CaM、H2O2、
NO、ABA和SA等信号分子引发植物脯氨酸的积
累并非孤立事件, 而是涉及较复杂的“信号交谈”。
水分胁迫下, ABA诱发的脯氨酸积累可能涉及与
Ca2+/CaM和H2O2的“交谈”; 低温胁迫下, ABA诱发
的脯氨酸积累可能涉及与Ca2+/CaM和NO的“交
谈”; 而干旱、低温等胁迫诱发的脯氨酸积累中也
可能有Ca2+/CaM、H2O和NO之间的“交谈”。当然,
现在想理清它们之间的关系还为时尚早, 但是我
们有理由相信随着研究的深入它们间的关系将越
来越清楚。
4 展望
近年来, 国内外的大量研究一直聚焦于阐明
高等植物的抗逆性机理方面。脯氨酸是一种非常
重要的逆境胁迫响应物质, 它在保护植物细胞免
受逆境胁迫伤害中充当着重要角色。因而, 弄清
逆境胁迫下脯氨酸积累的机理及其调控机制对于
阐明植物的抗逆性机理及改良植物的抗逆性具有
重要意义。目前, 尽管有不少国内外学者致力于
逆境胁迫下脯氨酸积累机制的研究, 但主要聚焦
于渗透胁迫、干旱等逆境因子对植物脯氨酸代谢
的影响上, 很少涉及调节过程。实际上, 任何一个
逆境胁迫因子诱发的脯氨酸积累过程都涉及复杂
图2 非生物胁迫下Ca2+/CaM、H2O2、NO、ABA和SA信号分子及其交谈对植物中脯氨酸代谢可能的调控模式
Fig.2 Possible model for regulation of Ca2+/CaM, H2O2, NO, ABA and SA signalings and
their crosstalks on proline metabolism in plants under abiotic stress
不同颜色的线分别表示对应信号分子对脯氨酸代谢的可能调控模式; 其中虚线部分表示预测的信号交谈路径; “+”和“−”分别表示箭
头所指相关酶活性的上调与下调。
植物生理学报1580
的信号转导过程。要想明确逆境胁迫诱发脯氨酸
积累的机理必须清楚哪些信号分子参与了转导过
程及它们之间如何“交谈”而最终引起植物脯氨酸
代谢水平的改变。
已有大量研究表明, Ca2+/CaM、H2O2、NO、
ABA和SA等信号分子可诱发高等植物中脯氨酸的
大量积累, 证明这些信号分子可能参与了逆境胁
迫下脯氨酸积累的信号转导过程。然而, 除了Ca2+
和ABA研究相对较多外, 其他信号分子调控逆境
胁迫下脯氨酸代谢的分子机理至今还不清楚, 这严
重阻碍了人们对逆境胁迫下植物脯氨酸代谢调控
机制的研究。但是, 应当指出目前这方面的研究进
展很快, 相信在不久的将来, 各种信号分子调控逆
境胁迫下脯氨酸代谢的分子机理及它们之间的“交
谈”将逐渐明晰, 这将非常有助于阐明植物的抗逆
性机理及利用基因工程手段改良植物的抗逆性。
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