全 文 ：植物生理学通讯 第43卷 第1期，2007年2月 77
聚乙二醇胁迫对甘蔗伸长期间叶中脯氨酸积累及其代谢关键酶活性的影响
黄诚梅1,2，毕黎明2，杨丽涛2，李杨瑞1,2,*
1 广西农业科学院广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室，南宁 530007；2 广西大学农学院，南宁 530005
提要：甘蔗品种‘桂糖 119’(‘GT119’)、‘新台糖 16 号’(‘ROC16’)、‘新台糖 22 号’(‘ROC22’)为材料，在甘蔗伸长期用
25% 聚乙二醇(PEG) 6000 淋灌于根部。第 4 天，‘GT119’与‘ROC16’叶中游离脯氨酸含量明显上升，但‘ROC22’在
处理后 6 d 内其含量增加仍不明显。吡咯啉 -5- 羧酸合成酶活性变化因品种而异，‘ROC22’在处理后第 6 天才明显上升，
其他 2 个品种则在胁迫处理 1 d 后即明显提高。鸟氨酸转氨酶活性变化不明显。‘ROC22’在处理 1 d 后其脯氨酸脱氢酶
活性稍有提高，而其他 2 个品种则下降。
关键词：甘蔗；聚乙二醇胁迫；脯氨酸；吡咯啉 -5- 羧酸合成酶；鸟氨酸转氨酶；脯氨酸脱氢酶
Effects of Polyethylene Glycol Stress on Proline Accumulation and the Activi-
ties of the Key Enzymes in Leaves of Sugarcane (Saccharum officinarum L.) at
the Elongation Stage
HUANG Cheng-Mei1,2, BI Li-Ming2, YANG Li-Tao2, LI Yang-Rui1,2,*
1Guangxi Crop Genetic Improvement and Biotechnology Laboratory, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007,
China; 2Agricultural College, Guangxi University, Nanning 530005, China
Abstract: Three sugarcane (Saccharum officinarum) varieties, ‘GT119’, ‘ROC16’ and ‘ROC22’, were used
as experimental materials. The plants were treated with 25% polyethylene glycol (PEG) 6000 at the elongation
stage. The results showed that, under the stress treatment, free proline content of two varieties ‘GT119’ and
‘ROC16’ increased 4 d after the starting of treatment, while there was no difference between the treatment and
control for the variety ‘ROC22’ during 6 d. The same results for the D1-pyrroline-5-carboxylate synthetase
(P5CS) activity were obtained after the stress treatment, the activity of ‘ROC22’ increased till after the starting
of treatment for 6 d. For the activities of ornithine-d-aminotransferase (d-OAT), there was no remarkable
difference between the treatment and control. The proline dehydrogenase (ProDH) activity of ‘ROC22’ in-
creased after treatment, the other varieties were contrary.
Key words: Saccharum officinarum; polyethylene glycol (PEG) stress; proline; D1-pyrroline-5-carboxylate
synthetase (P5CS); ornithine-d-aminotransferase (d-OAT); proline dehydrogenase (ProDH)
收稿 2006-10-25 修定 　2007-01-05
资助 广西区科技厅科技创新能力与条件建设项目( 桂科能
0 6 3 0 0 0 6 - 5 F ) 和广西农业科学院科技发展基金
(2004001)。
*通讯作者(E-mail：liyr@gxaas.net；Tel：0771-
3247689)。
我国旱地植蔗面积约占全国植蔗总面积的
8 0 % 。在广西，大部分蔗区分布在丘陵旱坡地
上，灌溉条件差。干旱已成为制约我国蔗糖生产
的关键因素之一。
干旱对植物的影响是多层次的，既有直观的
形态学变化，又有生理生化反应，还有基因表达
上的差异。一般，常用干旱胁迫下不同基因型植
物的生理生化反应作为衡量植物耐旱性的指标。
在干旱等逆境因素胁迫下，许多植物通常会大量
积累如脯氨酸与甜菜碱之类的渗透物质。有研究
表明，脯氨酸累积与植物对干旱和盐胁迫适应性
之间呈正相关关系(Yamada 等 2005；Hong 等
2000；Kavi Kishor等1995；钟希琼和叶振1996)。
本文以抗旱性不同的 3 个品种甘蔗为材料，用聚
乙二醇(polyethylene glycol，PEG) 6000处理模拟
水分胁迫条件，探讨其对甘蔗伸长期间叶中脯氨
酸积累及与其代谢相关酶活性的影响，以阐明脯
氨酸代谢与甘蔗耐胁迫能力之间的关系。
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材料与方法
甘蔗(Saccharum officinarum L.)品种‘桂糖
1 1 9’(‘G T 1 1 9’，抗旱性中等)、‘新台糖 1 6
号’(‘ROC 1 6’，抗旱性一般)和‘新台糖 22号’
(‘R O C 2 2’，抗旱性较强)。用沙质土壤桶栽于
广西甘蔗研究所智能温室大棚中，于2006年 2月
25 日下种，每桶 5~6 个芽，齐苗后定苗，每桶
2~3株，其他的管理同一般的桶栽试验(主要为营
养液的施用) 。甘蔗长至伸长期时，以 2 5 %
PEG6000 (500 mL·Í°-1)直接淋灌于甘蔗根部，以
清水为对照，每个处理重复 3 次。分别于处理后
1~6 d取甘蔗植株+1叶距叶环40~80 cm区段的叶
片去除中脉后用于测定，每个处理取生长比较一
致的植株 3 株，重复 3 次。
脯氨酸含量用茚三酮显色法(张宪政 1992；
职明星和李秀菊 2005)。
吡咯啉-5-羧酸合成酶(D1-pyrroline-5-carboxy-
late synthetase，P5CS)酶活性参照García-Ríos等
(1997)与余光辉(2003)文中的方法测定。鸟氨酸转
氨酶(ornithine-d-aminotransferase，d-OAT)酶活性
参照余光辉(2003)文中的方法测定。脯氨酸脱氢
酶(proline dehydrogenase，ProDH)酶活性参照赵福
庚等(2002b)文中的方法测定。
实验结果
1 PEG胁迫对不同品种甘蔗叶中游离脯氨酸积累
的影响
图1 结果表明，抗旱性中等或一般的甘蔗品
种‘GT 1 1 9’与‘RO C 1 6’在 PE G 处理后第 4
天游离脯氨酸含量明显上升，而抗旱性强的
‘ROC22’在处理后的 6 d 内游离脯氨酸含量仍
与未经 PEG 处理的差异不大。未经 PEG 处理的 3
个品种甘蔗的游离脯氨酸含量一直都没有明显变
化。目测观察表明，在 P E G 处理后第 2 天，
‘G T 1 1 9’与‘R O C 1 6’的嫩叶叶片已经出现
卷曲，老叶开始黄化，‘R O C 2 2 ’处理与未经
PEG 处理的一样；随后的几天内，‘GT119’与
‘RO C 1 6’卷曲黄化程度加剧，而且‘RO C 1 6’
较‘G T 1 1 9’更严重，‘R O C 2 2’的 P E G 处理
与否仍无明显差异。因此认为，植物体内游离脯
氨酸含量大小在一定程度上可以反映植物抵抗逆境
胁迫的能力(汤章城 1984；杨洪兵等 2005)。
2 PEG 胁迫对不同品种甘蔗叶中 P5CS 酶活性的
影响
P5CS是脯氨酸生物合成中谷氨酸途径的一个
双功能酶，兼有g-谷氨酰激酶(g-glutamyl kinase，
g-GK)和谷氨酸半醛脱氢酶(glutamic acid-g-
semialdehyde dehydrogenase，GSADH)催化活性，
催化脯氨酸生物合成的前两步，催化谷氨酸磷酸
化及谷氨酸-g-半醛还原，而且是合成反应的关键
酶(Hu 等 1992；Zhang 等 1995)。从图 2 可以看
出，3个品种甘蔗的P5CS 酶活性在PEG 处理后均
表现出先上升后下降而后又上升的变化趋势。
‘G T 1 1 9’与‘R O C 1 6’在 P E G 处理后其酶活
性明显高于未经 PEG 处理的，而‘RO C 2 2’酶
活性只有在处理后第 3 和第 6 天时才稍有增高。
3 PEG 胁迫对不同品种甘蔗叶中 d-OAT 酶活性的
影响
d-OAT 是脯氨酸生物合成中另一条途径——
图1 PEG胁迫对不同品种甘蔗叶中游离脯氨酸含量的影响
Fig.1 Effects of PEG stress on proline content in leaves of different sugarcane varieties
植物生理学通讯 第43卷 第1期，2007年2月 79
鸟氨酸途径中的关键酶。从图 3 可见，3 个品种
甘蔗在 PEG 处理后，其叶中 d-OAT 酶活性与未经
P E G 处理之间没有明显差异，这表明渗透胁迫
下，精氨酸® 鸟氨酸® 脯氨酸途径不占优势地
位，这与Delauncy 等(1993)的结果相同。
4 PEG胁迫对不同品种甘蔗叶中ProDH酶活性的
影响
PEG 胁迫处理1 d 后，‘GT119’与‘ROC16’
叶中 ProDH 酶活性下降，直至第3天后‘ROC16’
才稍有上升，而‘ROC22’在处理 1 d 后其酶
活性有提高(图4)，这表明渗透胁迫下甘蔗植株叶
片中脯氨酸的降解受抑制和合成对脯氨酸积累有同
等意义。
讨 论
脯氨酸是植物蛋白质的组分之一，并以游离
图2 PEG胁迫对不同品种甘蔗叶中P5CS酶活性的影响
Fig.2 Effects of PEG stress on P5CS activity in leaves of different sugarcane varieties
图3 PEG胁迫对不同品种甘蔗叶中 d-OAT酶活性的影响
Fig.3 Effects of PEG stress on d-OAT activity in leaves of different sugarcane varieties
图4 PEG胁迫对不同品种甘蔗叶中ProDH酶活性的影响
Fig.4 Effects of PEG stress on ProDH activity in leaves of different sugarcane varieties
植物生理学通讯 第43卷 第1期，2007年2月80
状态广泛存在于植物体中。前人的研究表明，植
物在受到不同环境胁迫时，其体内常伴有游离脯
氨酸的积累，这既可能有适应性的意义，又可能
是细胞结构和功能受到损伤的表现，其积累量与
逆境水平及植物对这种逆境的抗性有关(汤章城
1984)。目前，对于其累积与植物抗旱能力之间
的关系仍存在不同的看法。本文结果表明：在
PEG 胁迫条件下，不同抗旱性甘蔗品种间的脯氨
酸累积量存在差异，且品种抗旱性越强，脯氨酸
含量越少，这可能是由于抗旱性强的品种比抗旱
性弱的品种受胁迫程度轻，伤害小，所以产生脯
氨酸就较少。
在胁迫条件下，脯氨酸在其积累过程中的合
成途径因物种而异，与其合成相关酶的活性变化
规律不同。豇豆(Vigna aconitifolia)中的研究结果
表明，在渗透胁迫与氮缺乏时谷氨酸途径是植物
体内脯氨酸合成的主要途径，而在非胁迫条件与
高氮水平下鸟氨酸途径占优势(Hu等 1992；Zhang
等1995；Delauncy等1993)。也有相反的结果(余
光辉 2003；赵福庚等 2002a)表明，五叶期的假
俭草(Eremochloa ophiuroides)幼苗在20% PEG6000
模拟的水分胁迫条件下，脯氨酸含量在处理后24
h时明显增高，谷氨酸途径中的关键酶P5CS 活性
下降，而鸟氨酸途径中的关键酶 d-OAT 活性却显
著增高(余光辉2003)。大麦(Hordeum vulgare)幼
苗在 50~200 mmol·L-1 NaCl 处理下，其叶片脯氨
酸合成主要是通过谷氨酸途径，200 mmol·L-1以上
NaCl胁迫下鸟氨酸途径受激(赵福庚等2002a)。本
文结果表明，3 个品种甘蔗经 PEG 处理后，除了
‘ROC2 2’外，游离脯氨酸含量与谷氨酸途径中
的关键酶P5CS酶活性都有明显增强，游离脯氨酸
含量的提高速度总是滞后于P5CS酶活性。而脯氨
酸生物合成中另一条途径——鸟氨酸途径中的关键
酶 d-OAT 酶活性与未经 PEG 处理之间没有明显差
异，这表明渗透胁迫下，甘蔗叶中脯氨酸生物合
成中谷氨酸®脯氨酸途径比精氨酸®鸟氨酸®脯
氨酸途径更占优势地位。
分子生物学的研究表明，P5CS 与 ProDH 基
因的相反方向调节是控制脯氨酸水平的关键。
ProDH 基因受外源脯氨酸的诱导，而在渗透胁迫
中其转录水平受抑制。本文结果中除‘ROC2 2’
外，其他品种甘蔗的 ProDH 酶活性在 PEG 处理后
都有下降，这表明渗透胁迫下甘蔗植株叶中脯氨
酸降解受抑制和其合成对脯氨酸积累有同等意义，
其中机制尚待进一步探讨。
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