1、<p>　　苔蘚植物抗旱機制及其研究進展</p><p>　　宋金敏 植物學(xué)06 2006210451</p><p>　　摘要：耐旱蘚類快速脫水并存活的能力可由快速建立起來的對環(huán)境變化的耐受機制來反映，保護細胞完整性的組成型機制與修復(fù)細胞損傷的誘導(dǎo)機制協(xié)同作用使苔蘚植物渡過干旱脅迫。本文主要介紹苔蘚植物的抗旱機制及其研究進展。</p><p>　　關(guān)

2、鍵詞：苔蘚植物；抗旱；研究進展</p><p>　　苔蘚植物是種數(shù)僅次于種子植物的高等植物，一般生活在陰濕的地方，但也有一些種類具有極強的耐旱性，能生活在裸露的巖石和沙丘上[1-6]。苔蘚植物是植物界的一大類群，能在高寒、高溫和弱光等其他陸生植物難以生存的環(huán)境中生長繁衍。許多耐旱種類能長期忍受干燥和陽光的直接照射，１小時內(nèi)從完全膨脹狀態(tài)脫水到干燥狀態(tài)，細胞水勢達到-150 M pa以下，再水化的數(shù)分鐘或數(shù)小時內(nèi)恢

3、復(fù)基本的新陳代謝活動。而大多數(shù)植物細胞水勢在-1.5M pa時葉片出現(xiàn)萎蔫，-15 M pa時常常導(dǎo)致不可逆的傷害或死亡。許多耐旱苔蘚植物能適應(yīng)沙漠中水分迅速變化，在形成生物結(jié)皮、活化斑治理和防沙固沙等方面的作用逐漸引起人們的關(guān)注[7-9]。然而，苔蘚植物耐旱機制的研究和應(yīng)用目前國內(nèi)還未引起足夠的重視。植物類群越低等，耐旱機制越原始。苔蘚植物耐旱機理的研究對于理解干旱脅迫下植物細胞反應(yīng)過程及修復(fù)系統(tǒng)將會起到一定的推動作用。本文主要從苔蘚

4、植物脫水——再水化期間細胞損傷與抗氧化機理、光合系統(tǒng)的保護和基因表達的變化等方面進行綜述，旨在探討苔蘚植物耐脫水的機理以及作為模式植物開展耐旱研究的重要價值。</p><p>　　1 脫水再水化期間細胞損傷與抗氧化機制</p><p>　　1.1 細胞結(jié)構(gòu)的變化</p><p>　　水化－脫水－再水化循環(huán)過程中何時發(fā)生細胞損傷對研究耐旱機制十分重要。用Nomarsk

5、i光學(xué)顯微鏡觀察顯示，耐旱種山墻蘚干燥時細胞普遍發(fā)生質(zhì)壁分離，原生質(zhì)濃縮呈中空狀態(tài)；胞質(zhì)橋連接濃縮的原生質(zhì)，沿細胞遠軸、近軸和側(cè)面延伸；葉綠體變小且變圓；細胞核好像不受脫水的影響[10]。并非所有的耐旱種類均發(fā)生質(zhì)壁分離。這些研究表明，干旱雖能引起細胞結(jié)構(gòu)變化，但沒有直接表明細胞發(fā)生損傷，觀察葉片的超微結(jié)構(gòu)也證實了這一點。早期研究耐旱蘚類的固定干燥葉細胞顯示，脫水引起細胞器收縮，葉綠體類囊體膜和脊以及細胞質(zhì)膜（如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）解體。然而，固定

6、過程很容易導(dǎo)致再水化，因此，很難估計細胞在脫水－再水化的哪個階段還保持完整性。Platt等[11]用冰凍蝕刻技術(shù)研究山墻蘚和鱗葉卷柏干燥葉片細胞發(fā)現(xiàn)，細胞膜仍保持完整的雙層結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)有分散顆粒，細胞器也保持完好，類囊體和脊完整。用同樣技術(shù)研究干燥種子膜結(jié)構(gòu)也得出相似的結(jié)論，可以推測保護機制在脫水期間成功地維護了膜的完整性。</p><p>　　山墻蘚再水化時，濃縮細胞質(zhì)迅速膨脹充滿細胞腔；數(shù)分鐘內(nèi)葉綠體也膨脹，類

7、囊體損傷程度由前期脫水速度決定，速度越快，損傷越大；線粒體也膨脹，脊解體，但從外表看并不受脫水速度影響[11]。所有耐旱植物或組織干燥期間不管膜被保護的多么完整，再水化時均出現(xiàn)細胞損傷。通過電解質(zhì)滲漏可測定膜損傷程度，再水化的前5分鐘內(nèi)電解質(zhì)滲漏程度主要由脫水（1小時內(nèi)完成）的山墻蘚葉細胞再水化時受到的損傷比慢速脫水（自然干燥）時大。盡管脫水過程對膜沒有造成直接傷害，卻影響膜耐受再水化的能力，對再水化期間細胞損傷起間接作用。</p

8、><p>　　1.2 細胞損傷與抗氧化機制</p><p>　　細胞損傷與脫水誘導(dǎo)的氧化損傷密切相關(guān)，主要原因是：　蛋白質(zhì)巰基氧化使蛋白質(zhì)變性；色素含量下降，光合系統(tǒng)受損（尤其在光下）；脂質(zhì)過氧化，自由脂肪酸在膜上沉積。其保護機制主要由相互協(xié)同的兩個方面組成：①脫水時減少自由基數(shù)目的機制，包括酶系統(tǒng)，如過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等和抗氧化劑復(fù)合物，如抗壞血酸、α－維生素E、類胡蘿卜

9、素和谷胱甘肽（GSH）；②產(chǎn)生這些抗氧化劑的機制，如谷胱甘肽還原酶系統(tǒng)，抗壞血酸過氧化物酶系統(tǒng)等[12]。</p><p>　　有關(guān)干旱使巰基酶類氧化失活的現(xiàn)象在耐旱蘚類中已有報道。山墻蘚緩慢脫水時大約30 % 的 GSH變成氧化型谷胱甘肽（oxidizedglutathione, GSSG），抵抗氧化損傷的能力下降，但有趣的是，快速脫水本身并沒有引起GSSG含量的升高，再水化時卻升高了。與山墻蘚相比，耐旱擬山墻

10、蘚干燥時GSH含量沒有下降，抗壞血酸含量減少，可見，不同耐旱種類啟動不同氧化損傷保護機制[13]。</p><p>　　光增強干旱誘導(dǎo)的氧化損傷[14]。干旱敏感種小曲尾蘚在強光下（1100-1200 μmol·m-2·s-1）氧化損傷加劇，色素含量減少，　但耐旱擬山墻蘚光合色素含量沒有變化，損傷恢復(fù)能力所受影響較小[13]。</p><p>　　干燥時苔蘚植物組織發(fā)生

11、脂質(zhì)過氧化。測定丙二醛——脂質(zhì)過氧化指示物顯示，小曲尾蘚配子體脫水后，丙二醛含量升高，而擬山墻蘚的丙二醛含量沒有變化[12]。另外，不耐旱種類配子體中脂質(zhì)過氧化物含量一般比耐旱種類高出5-6倍，可能耐旱種類本身固有保護脂質(zhì)過氧化的機制。</p><p>　　再水化后蘚類植物細胞膜快速恢復(fù)選擇性吸收功能，24小時內(nèi)細胞器基本上能重新恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)。與其他植物相比，耐旱苔蘚植物如山墻蘚，顯示出強大的損傷恢復(fù)能力，并且可

12、作為模式植物研究干旱脅迫誘導(dǎo)的細胞反應(yīng)過程。</p><p>　　2 脫水再水化期間光合系統(tǒng)的反應(yīng)及保護機理</p><p>　　2.1 脫水再水化期間光合系統(tǒng)的變化過程</p><p>　　耐旱苔蘚植物脫水－再水化期間光合系統(tǒng)仍能保持生理完整性，再水化后，類囊體功能恢復(fù)迅速，幾乎不受蛋白質(zhì)合成抑制劑的影響，ＣＯ２吸收固定過程恢復(fù)相對較慢，可能需要一些葉綠體基因組編

13、碼蛋白的參與[15]。</p><p>　　光系統(tǒng)Ⅱ（PS Ⅱ）的光化學(xué)效率，是表明光化學(xué)反應(yīng)的一個重要參數(shù)，常用可變熒光（Fv）與最大熒光（Fm）的比值Fv／Fm表示。再水化1分鐘內(nèi)Fv／Fm就達到非脅迫水平的70 %甚至更多[15]；光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)效率（ФPS Ⅱ）的恢復(fù)較Fv／Fm的恢復(fù)慢，10-20分鐘內(nèi)基本達到正常水平；CO2吸收在再水化的幾分鐘內(nèi)就可以測到。用蛋白質(zhì)合成抑制劑處理對Fv／Fm的快恢

14、復(fù)過程（數(shù)分鐘內(nèi)完成）幾乎沒有影響。光照條件下，氯霉素（抑制葉綠體基因組編碼的蛋白質(zhì)的合成）處理對ФPS Ⅱ有一定抑制作用（并非完全抑制），之后又緩慢上升，可能早期合成的葉綠體蛋白參與了光合電子傳遞和CO2吸收的恢復(fù)過程，環(huán)己烷（抑制核基因組編碼的蛋白質(zhì)合成）對此作用不明顯。數(shù)天后，這兩種抑制劑在黑暗條件下對Fv／Fm的抑制作用仍然很小；　而光照時，氯霉素使Fv／Fm持續(xù)下降，可能抑制了葉綠體基因組編碼的PSⅡ D1蛋白周轉(zhuǎn)，如果同時再

15、用葉黃素循環(huán)抑制劑二硫蘇糖醇處理，則依賴于葉黃素循環(huán)的光保護受到抑制，F(xiàn)v／Fm下降速度加劇。由此可見，在光合系統(tǒng)慢恢復(fù)過程（數(shù)小時內(nèi)完成）中，蛋白質(zhì)合成抑制劑僅在光照條件對蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)代謝</p><p>　　為了修復(fù)脫水誘導(dǎo)的光氧化損傷及參與抗氧化過程需要蛋白質(zhì)合成，但這些蛋白質(zhì)在</p><p>　　及保護機理地位，苔蘚植物為了避免過多激發(fā)能對光合系統(tǒng)的損傷，可能熒光的非光化學(xué)猝滅（N

16、PQ）和依賴于葉黃素 循 環(huán) 的 光 保 護 作 用 才 是 最 重 要 的（。由熱耗散等過程引起的熒光水平的降低稱為NPQ，熱耗散的程度通常可用NPQ來檢測。</p><p>　　2.2 光合系統(tǒng)的保護機理</p><p>　　植物體過剩的光能必須耗散掉，否則光合器官就要受到損傷。苔蘚植物對光損傷的防御機制主要有：①脫水后葉卷曲甚至拳卷、緊貼莖、減少脫水和光能吸收；②依賴于葉黃素循環(huán)的熱

17、耗散，當光能過?？缒べ|(zhì)子梯度增加時，具有雙環(huán)氧的堇菜黃素在去環(huán)氧酶的催化下經(jīng)過單環(huán)氧的花藥黃素轉(zhuǎn)化成無環(huán)氧的玉米黃素。玉米黃素可直接和單線激發(fā)態(tài)的葉綠素相互作用，也可降低膜的流動性，促使PSⅡ捕光色素蛋白復(fù)合體LCHⅡ的聚集，加強天線色素的熱耗散；③依賴于PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活及與D1蛋白損傷修復(fù)有關(guān)的能量耗散機理，也稱為PSⅡ反應(yīng)中心的下調(diào)。當光能過剩時，一部分PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活，這些失活反應(yīng)中心可作為激發(fā)能的猝滅器，從而保護仍有

18、活性的反應(yīng)中心免受破壞。但是PSⅡ反應(yīng)中心可逆失活的保護功能不能象依賴于跨類囊體膜質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)光能的保護功能一樣迅速地被逆轉(zhuǎn)。因此，熒光的非光化學(xué)猝滅及依賴于葉黃素循環(huán)的光保護在耐旱苔蘚植物再水化后快速恢復(fù)生理功能的過程中作用尤為重要。</p><p>　　2.3 外源ABA處理提高PSⅡ的耐水份脅迫能力</p><p>　　ABA是一種應(yīng)激激素，在植物抵抗外界環(huán)境脅迫時起重要作用

19、。通過測定葉綠素熒光參數(shù)證實，外源ABA處理可改善苔蘚植物PSⅡ的耐水份脅迫能力。無脅迫時，ABA處理使波葉仙鶴蘚初始熒光（Fo）升高，F(xiàn)v／Fm下降，LCHⅡ和PSⅡ間的能量傳遞減少，PSⅡ周圍產(chǎn)生的活性氧下降，可能ABA有助于苔蘚植物脅迫鍛煉。Fｏ是PSⅡ反應(yīng)中心全部開放時的熒光水平，PSⅡ反應(yīng)中心的破壞或可逆失活引起Fo升高，然而，目前還無法理解 ABA促使Fo升高的機理，可能是PSⅡ反應(yīng)中心功能下調(diào)以避免反應(yīng)中心過度破壞，適應(yīng)脅

20、迫鍛煉的結(jié)果。</p><p>　　脫水脅迫時，無論ABA處理還是對照（未用 ABA 處理），F(xiàn)o、Fm、Fv／Fm、Ф PSⅡ及NPQ均下降；然而，再水化后的1小時內(nèi)，ABA處理株的NPQ較對照高出一倍，NPQ升高可降低PSⅡ周圍活性氧種類的形成，減少膜脂過氧化引起的膜損傷；Fo、Fm、Fv／Fm及Ф PSⅡ也較對照恢復(fù)迅速，由此推測ABA提高了 PSⅡ的耐水份脅迫能力。</p><p>

21、;　　從NPQ和玉米黃素的含量關(guān)系來看，好像ABA觸發(fā)了以玉米黃素為基礎(chǔ)的非光化學(xué)猝滅。研究被子植物發(fā)現(xiàn)，脅迫鍛煉使植物體內(nèi)ABA濃度增加，進一步脅迫時NPQ增加，推測ABA啟動了信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)促使NPQ增加；波葉仙鶴蘚NPQ增加的同時伴隨堇菜黃素去環(huán)氧化作用變成玉米黃素這一過程；在耐旱地錢中也發(fā)現(xiàn)高濃度的葉黃素循環(huán)色素水平和高 NPQ；ABA處理大麥幼苗可提高NPQ和葉黃素循環(huán)色素水平。在高等植物中已發(fā)現(xiàn)ABA參與膜脂代謝的信號傳導(dǎo)途徑

22、，減少活性氧引起的膜損傷程度，調(diào)節(jié)基因表達，蛋白質(zhì)合成等使植物對環(huán)境脅迫作出積極的響應(yīng)。然而，有關(guān)苔蘚植物水份脅迫時膜脂成分的變化對光合器官的影響以及ABA對上述過程作用的研究較少，再加上至今檢測苔蘚植物內(nèi)源ABA水平的工作有限，所以ABA提高苔蘚植物耐水份脅迫的機理還有待于系統(tǒng)的研究。</p><p>　　苔蘚植物脫水－再水化期間光合系統(tǒng)基本保持完好，再水化后迅速恢復(fù)功能，需要在光下維持功能并參與抗氧化和修復(fù)過

23、程的蛋白質(zhì)并不占主要地位，可能NPQ和依賴于葉黃素循環(huán)的熱耗散才最為重要。一些細胞組分完全恢復(fù)正常至少還需要一些蛋白質(zhì)合成，如PSⅡ的D1蛋白，即使其與細胞蛋白總量比是微乎其微的，但其作用不容忽視。另外，苔蘚植物耐脫水可能與再水化時大量表達的一類蛋白密切相關(guān)。</p><p><b>　　3 討論</b></p><p>　　由此可見，研究苔蘚植物耐旱機理有著重要的作

24、用。另外，蘚類配子體比其他高等植物模式系統(tǒng)更方便操作基因標記、直接誘變和反義表達等技術(shù)。因此，山墻蘚作為極度耐旱植物將會成為耐旱研究的重要模式植物，這對揭示苔蘚植物適應(yīng)沙漠化環(huán)境的機理無疑會起到巨大的推動作用。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 陳邦杰. 中國蘚類植物志[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1963, 27-30.&

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