甜菜碱与植物抗逆性

张艳敏
(河北省农林科学院遗传生理研究所, 河北石家庄　050051)

甜菜碱包括甘氨酸甜菜碱(glycine betaine) 、丙氨酸甜菜碱(β2alanine betaine) 、脯氨酸甜菜碱(proline betaine) 和羟脯氨酸甜菜碱(22hydroxyproline betaine) , 通常所指为甘氨酸甜菜碱, 是一种季胺类化合物。甜菜碱是一种重要的渗透调节物质, 它积累在细胞质内保持与液泡的渗透平衡, 对改善渗透调节具有重要作用。同时, 它还被广泛应用于畜、禽、水产养殖业作为诱食促长的营养型添加剂 。甜菜碱与植物的抗逆性关系密切, 在水分胁迫下, 植物叶片内甜菜碱逐步积累, 其积累速度虽不如脯氨酸快, 但水分恢复后甜菜碱含量基本保持相对稳定(Hanson 和Nelson , 1978) 。在盐、低温等其他胁迫条件下也同样可以发现甜菜碱的积累。甚至通过施用外源甜菜碱也可提高植物抗盐性和抗冻性 。

甜菜碱作为重要的渗透调节物质, 对逆境条件下植物的生长发育具有如下保护作用:

• 维持逆境(高温、极端PH、高盐等) 下的酶活性, 如甜菜碱可以减少PEG诱导的大麦谷氨酰胺合成酶的沉淀(Paleg 等, 1984) ; 可以防止盐害造成的A phanothece halophytica 核酮糖二磷酸羧化酶- 加氧酶(Rubisco) 活性钝化( Incharoensakdi 等, 1986) ; 可以减轻盐分对单子叶和双子叶植物烯醇丙酮酸磷酸激酶活性的抑制(Manetas 等, 1986) 。
• 甜菜碱通过保持光系统II 复合体蛋白的稳定性来保持盐胁迫、极端温度或PH 下光系统的活性(Murata 等, 1992 ; Mohanty 等, 1993) 。

在整株水平上, 逆境下甜菜碱的积累与大麦耐冷性( Kishitani 等, 1994) 、胁迫下的固氮作用(Riou 等, 1990) 等均有关系。但是, 并不是所有情况下, 甜菜碱的积累都是有利的, 有研究表明甜菜碱的积累可能增加某些害虫如蚜虫和微生物如镰孢菌属病害的发生(Araya 等, 1991 ; Pearce 等,1976) 。但St range 等的实验表明与甜菜碱相比, 胆碱更容易刺激镰霉菌属病害的发生, 胆碱和甜菜碱的刺激活性分别为2 201 unit s/μM 和709 unit s/ μM。那么, 可以推测, 甜菜碱合成酶基因的导入将降低植物体内的胆碱水平, 转基因植株感染镰霉菌属病害的可能性不会增加。

那么, 甜菜碱在植物中的表达水平怎样? 转基因植株的表达水平又怎样? 其表达水平是否对环境构成潜在的安全隐患?

大多数作物均有一定量的甜菜碱积累, 个别作物除外, 如水稻。甜菜碱在体内的积累水平因物种而异( Ishitani 等, 1993) 。

高粱是一种极其耐旱的作物, 其甜菜碱含量是玉米的10 倍之多。从高粱和玉米中均发现了GB缺陷型基因型, 高粱GB 缺陷型占3 %左右( Yang , 1990) 。GB 缺陷型与GB 积累型高粱杂交, 后代的遗传分析表明单一核基因控制GB 缺陷型( Grote 等, 1994) 。玉米上也得出类似的结果(Rhodesand Rich , 1988) , GB 缺陷是由于不能将胆碱氧化为甜菜碱醛(Lerma 等, 1991) 。Michael V1 Mick2elbart 等(2000) 创建的具有不同甜菜碱积累能力的高粱近等基因系GB 的积累水平差异显著, 变化范围为4～40 mmol1g21Fw , GB 积累型高粱在盐渍土壤上可以保持较高的净CO2 同化能力, 高温下叶绿体荧光反应强度降低较少, 表明光合器官具有较高的稳定性。就甜菜碱积累量来讲, 盐渍条件下提高5～6 倍, 水分亏缺条件下提高2～3 倍。

碱蓬是一种盐生植物, 在无渗透胁迫条件下体内甜菜碱含量水平在6μmol1g21 Fw 左右, 当施加200 、400 mM 的NaCl 或KCl 胁迫时, 体内甜菜碱含量随外界盐浓度的增大而升高, 并随着胁迫时间的延长而积累增加, 400 mM NaCl 胁迫处理96 h , 甜菜碱的积累可达到25 mol1g21 Fw (刘家尧等,1994) 。甜菜碱的积累量与甜菜碱醛脱氢酶活性成正比(r = 01988 5) 。

禾本科植物小麦体内也有甜菜碱的积累, 小麦旗叶片中甜菜碱的含量一般在3118 %左右, 喷施抗旱剂可以提高其含量水平至3169 %。Kishitani 等(1994) 检测了大麦冬/ 春两种类型的近等基因系在冷适应过程中的甜菜碱积累情况, 结果冬型大麦在为期3 周的低温(5 ℃) 锻炼中, 甜菜碱积累量提高了5 倍, 而春型大麦仅提高了1 倍。甜菜碱水平随冷处理时间的延长而增加, 而且不同叶位间存在明显差异, 新生叶(心叶) 甜菜碱的积累量显著高于老叶片, 其积累量随胁迫时间延长而增加的趋势明显, 老叶片不仅积累量少, 对胁迫时间的延长也基本没有反应。

向植物中导入与甜菜碱合成相关的基因, 可以增加酶活性、提高植物甜菜碱积累水平、进而增强抗逆性已有多例报道。将BADH 基因导入烟草, 转基因植株的BADH 酶活性及耐盐性显著提高(Holmst rōm 等, 1997) 。Moghaieb 等将高粱甜菜碱醛脱氢酶基因badh21 导入番茄, 用H2NMR 色谱分析测定盐胁迫下转基因植株的甜菜碱含量, 结果表明转基因植株的甜菜碱含量随胁迫强度增强而增加, 趋势非常明显, 而非转基因植株在任何胁迫强度下都没有甜菜碱的积累; 刘凤华等将山菠菜BADH 基因导入草莓和烟草, 获得了能耐014 %～017 %NaCl 的转基因草莓和耐2 %NaCl 的转基因烟·88 · 河北农业科学 第 8 卷草, 转基因植株的BADH 活性明显提高; 郭北海等 将BADH 基因成功地导入小麦, 获得外源BADH 基因高效表达的转基因小麦。转基因小麦后代的苗期耐盐能力达到100 mM , 盐胁迫下的甜菜碱醛脱氢酶活性较受体对照石4185 提高1716 % , 控水条件下的叶片甜菜碱积累较对照增加3514 % 。转codA 基因水稻的甜菜碱表达水平为1～5μmol1g21Fw (Sakamoto 等, 1998) 。盐胁迫下水稻转基因植株叶绿体内胆碱氧化酶基因的表达比细胞质内的表达效率更高( Sakamoto 等, 1998 ;Sakamoto and Murata , 2000) 。如果不施加外源胆碱或它的前体物质二甲基乙醇胺, 转菠菜CMO 基因的烟草体内积累的甜菜碱水平只有< 011μmol1g21 Fw (Nuccio 等, 1998) 。表明在甜菜碱缺陷型植物内导入胆碱氧化酶基因, 必须使胆碱“库”及其“代谢流”足够大, 达到和自然积累的状态一样。

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