三烯脂肪酸在高等植物逆境脅迫應(yīng)答中的作用

1、三烯脂肪酸在高等植物逆境脅迫應(yīng)答中的作用    摘 要：三烯脂肪酸(Trienoic fatty acids, TAs)是含有三個(gè)順式雙鍵的16 碳和18 碳的脂肪酸，是高等植物細(xì)胞膜脂中主要的不飽和脂肪酸。三烯脂肪酸不僅是膜的組成成分，而且可以調(diào)節(jié)植物對(duì)溫度、鹽、干旱等非生物脅迫以及生物逆境脅迫的適應(yīng)性。植物體內(nèi)三烯脂肪酸含量的變化可以響應(yīng)不同的逆境脅迫，緩解逆境對(duì)植物造成的傷害，增強(qiáng)植物的抗逆性。本文對(duì)三烯脂肪酸在逆境脅迫中的作用進(jìn)行綜述。關(guān)鍵詞：三烯脂肪酸；高等植物；逆境脅迫中圖分類號(hào)：Q946.4植物在生長發(fā)育過程中面臨著各種非生物與生物逆境的脅

2、迫。逆境會(huì)影響植物的生長發(fā)育，甚至導(dǎo)致植物死亡。作為一種適應(yīng)性防御反應(yīng)，植物可通過調(diào)節(jié)三烯脂肪酸的含量以適應(yīng)或抵御逆境脅迫。本文對(duì)高等植物三烯脂肪酸在逆境脅迫中的作用作一綜述。1 高等植物三烯脂肪酸及相關(guān)的脂肪酸去飽和酶植物細(xì)胞膜與其它真核生物細(xì)胞膜相比，最明顯的特征是膜質(zhì)中脂肪酸的不飽和度較高。動(dòng)物組織中的甘油脂質(zhì)每個(gè)烴鏈雙鍵數(shù)是2 到2.5 個(gè)1，高等植物非光合組織中的甘油脂質(zhì)每個(gè)烴鏈雙鍵數(shù)是3 到3.4 個(gè)；而葉綠體中甘油脂質(zhì)每個(gè)烴鏈雙鍵數(shù)是4.3 到5.0 個(gè)。葉綠體中80%的脂肪酸是多不飽和的三烯脂肪酸(18:3 和16:3)。膜的不飽和水平高是通過合成不飽和的十八碳三烯脂肪酸(9,

3、12, 15,18:3)和十六碳三烯脂肪酸(7,10,13,16:3)實(shí)現(xiàn)的。與其它高等真核生物不同，植物合成十八碳三烯脂肪酸時(shí)將雙鍵插入到碳鏈的12 位和15 位。植物細(xì)胞脂質(zhì)代謝起源于型脂肪酸合成酶合成16:0-ACP 和18:0-ACP2。18:0-ACP 在葉綠體基質(zhì)中能在一種可溶性去飽和酶的作用下形成18:1-ACP。脂肪酸與膜甘油脂結(jié)合有兩條途徑：一條是進(jìn)入葉綠體的原核途徑，另一條是進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的真核途徑。原核途徑是使用18:1-ACP 和16:0-ACP 作為3-磷酸甘油連續(xù)的酰化物形成磷脂酸，然后水解成二酰甘油(DAG)。這一過程中的兩個(gè)中間產(chǎn)物作為反應(yīng)底物產(chǎn)生葉綠體膜中的主要甘

4、油脂質(zhì)成分。真核途徑以16:0 和18:1 作為COA 硫脂從葉綠體輸出開始，它們與磷脂酰膽堿及其它的磷脂結(jié)合，從而成為非葉綠體膜脂的主要結(jié)構(gòu)成分。磷脂酰膽堿的二酰甘油部分返回葉綠體，參與類囊體脂類的合成3。在葉片組織中，一般18:3 經(jīng)由原核途徑形成，而16:3 則是通過真核途徑合成的。但是，這兩條途徑并不是各自獨(dú)立的，而是互作的。脂類可以在不同細(xì)胞器間相互轉(zhuǎn)運(yùn)，致使編碼-3 脂肪酸去飽和酶多基因家族中的不同基因的變化均可引起18:3 含量的變化，而16:3 在質(zhì)體型-3 脂肪酸去飽和酶作用下合成后卻不能離開葉綠體3。通過生物技術(shù)和遺傳工程手段已經(jīng)獲得了七種脂肪酸去飽和酶的擬南芥突變體。在這

5、些去飽和酶中，-3 脂肪酸去飽和酶是不飽和脂肪酸合成途徑中催化16:2(7,10)或18:2(9,12)脂肪酸轉(zhuǎn)化為16:3 (7,10,13)或18:3 (9,12,15)脂肪酸的關(guān)鍵酶。在模式植物擬南芥中, fad3 基因編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)型-3 脂肪酸去飽和酶，fad7、fad8 基因編碼質(zhì)體型-3 脂肪酸去飽和酶。其中, fad3、fad7 在常溫下表達(dá), fad8 在低于20條件下才表達(dá)4。植物脂肪酸去飽和酶基因的表達(dá)受光照、溫度、鹽、傷害刺激和植物激素等多種因子調(diào)節(jié)，表達(dá)具有組織特異性。小麥和擬南芥隨植株從黑暗培養(yǎng)轉(zhuǎn)為光照培養(yǎng)其質(zhì)體-脂肪-2-酸去飽和酶基因的轉(zhuǎn)錄水平迅速提高5。玉

6、米的2 個(gè)質(zhì)體-脂肪酸去飽和酶基因Zm fad7和Zm fad8 的表達(dá)受溫度和鹽濃度的調(diào)節(jié)6。煙草葉片受到損傷后,質(zhì)體-脂肪酸去飽和酶mRNA 大量積累，而且促使葉片中亞油酸(18:2)形成亞麻酸(18:3)。對(duì)綠豆外施生長素或采用損傷處理綠豆下胚軸，其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-3 脂肪酸去飽和酶基因轉(zhuǎn)錄水平上升7。2 高等植物三烯脂肪酸與非生物脅迫2.1 三烯脂肪酸與低溫脅迫在對(duì)低溫的適應(yīng)過程中，植物膜脂脂肪酸去飽和酶的活性增強(qiáng)，不飽和脂肪酸的比例增加。膜脂不飽和脂肪酸含量提高，膜脂相變溫度會(huì)降低，植物的低溫抗性相應(yīng)提高。因此，不飽和脂肪酸具有防止植物遭受低溫?fù)p傷的作用8。在過去的研究中，人們更多地關(guān)注植物

7、體內(nèi)不飽和脂肪酸總量與低溫抗性的關(guān)系。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，許多研究表明，植物中三烯脂肪酸含量增加可以提高低溫抗性。Kodama 等將從擬南芥中分離的葉綠體-脂肪酸去飽和酶基因At fad7 導(dǎo)入煙草，轉(zhuǎn)基因煙草16:3 和18:3 三烯脂肪酸含量增加，而它們的前體16:2 和18:2 含量降低。轉(zhuǎn)基因煙草在1低溫下表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗性9。Wang 等將水稻fad8 基因?qū)胨?，轉(zhuǎn)基因品系中16:3和18:3 含量均增加。2處理7 天后，轉(zhuǎn)基因植株受損傷程度明顯低于對(duì)照植株10。周洲以銀腺楊為材料進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，過表達(dá)Ptfad2 與Pt fad3 基因的銀腺楊與對(duì)照植株均值相比，亞麻酸含量提高

8、。扦插小苗于25生長環(huán)境移至低溫-4冷凍3h，對(duì)冷凍后植株存活情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，過表達(dá)Ptfad2 與Ptfad3 基因的銀腺楊存活率遠(yuǎn)高于對(duì)照植株11。Yu等12在番茄中過表達(dá)Lefad3 基因，4低溫處理后，轉(zhuǎn)基因番茄葉片中亞麻酸含量增加。轉(zhuǎn)基因植株地上部分鮮重高于對(duì)照植株，葉片中葉綠體膜系統(tǒng)超微結(jié)構(gòu)和所有亞細(xì)胞器的完整性均高于對(duì)照植株。轉(zhuǎn)基因植株相對(duì)電導(dǎo)率增加值、呼吸速率增加值均小于對(duì)照植株，證明三烯脂肪酸含量增加可以提高植物的低溫抗性。2.2 三烯脂肪酸與高溫脅迫植物細(xì)胞膜隨溫度的變化，三烯脂肪酸與二烯脂肪酸的比例將發(fā)生不同的變化。許多植物的三烯脂肪酸含量隨溫度的降低而升高；隨溫

9、度的升高而降低13。Murakami 等14人的研究表明，使煙草中-脂肪酸去飽和酶基因沉默，轉(zhuǎn)基因煙草植株與對(duì)照植株相比，三烯脂肪酸含量明顯降低，但是能更好地適應(yīng)高溫環(huán)境。在高溫處理的過程中，盡管有一定生長抑制，但轉(zhuǎn)基因煙草植株無論短期(47,3 天)還是長期(36,60 天)暴露在高溫下都能存活，而對(duì)照植株則會(huì)造成嚴(yán)重的失綠，以致最后死亡?；謴?fù)正常溫度(25)培養(yǎng)，轉(zhuǎn)基因煙草植株重新開始生長并產(chǎn)生種子。并且，高溫下(40-45)轉(zhuǎn)基因煙草植株的光合活性要明顯高于對(duì)照植株15。Zhang 等在煙草中過表達(dá)fad3 和fad8 基因使三烯脂肪酸含量上升。轉(zhuǎn)基因的煙草幼苗40處理20 小時(shí)，然后移

10、至26培養(yǎng)5 天，與對(duì)照植株相比，過表達(dá)fad3 和fad8的幼苗熱耐受性明顯下降16。表明膜脂中三烯脂肪酸降低了植物對(duì)于高溫脅迫的耐受性。劉訓(xùn)言在番茄植株中反義表達(dá)Lefad7 基因，轉(zhuǎn)反義株系中18:3 含量明顯降低。高溫(40)脅迫下，轉(zhuǎn)反義株系的植株生長量高于對(duì)照株系；轉(zhuǎn)反義株系的光合速率下降程度較小，而對(duì)照株系下降幅度較大；轉(zhuǎn)反義株系的PS光抑制程度較輕，光抑制后的恢復(fù)速率較對(duì)照株系更快17。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三烯脂肪酸含量降低更有利于高溫下植物存活。-3-2.3 三烯脂肪酸代謝調(diào)控對(duì)于溫度的響應(yīng)酵母的脂肪酸組成相對(duì)簡單，缺乏二烯脂肪酸和三烯脂肪酸，所以酵母細(xì)胞非常適合用來研究-3

11、脂肪酸去飽和酶基因的表達(dá)調(diào)控。Dyer 等以酵母為宿主研究了植物ER-類型-3脂肪酸去飽和酶FAD3 對(duì)于溫度的響應(yīng)18。發(fā)現(xiàn)FAD3 蛋白在低溫誘導(dǎo)的條件下累積，但這并不伴隨轉(zhuǎn)錄水平的改變。與非光合的根組織中三烯脂肪酸的代謝不同，在葉組織中三烯脂肪酸主要由質(zhì)體FAD7和FAD8 脂肪酸去飽和酶催化形成19。盡管這兩個(gè)酶結(jié)構(gòu)高度相似，但是它們的酶活性對(duì)于溫度的響應(yīng)是不同的。fad7 突變體在低溫處理?xiàng)l件下葉子中三烯脂肪酸含量無明顯變化，而fad8 基因則受低溫誘導(dǎo)表達(dá)4，F(xiàn)AD8 蛋白在高溫下累積受抑制。為了研究在溫度響應(yīng)過程中控制FAD8 去飽和酶活性的調(diào)控區(qū)域，Mastuda 等15構(gòu)建了

12、一系列的fad7-fad8 嵌合基因，并將其導(dǎo)入擬南芥fad7fad8 雙突變體。在親代的fad7fad8 雙突變體中，檢測(cè)不到fad7 和fad8 的轉(zhuǎn)錄物，葉片中的三烯脂肪酸含量和對(duì)照植株相比明顯降低。在嵌合體中任何一個(gè)基因的表達(dá)都會(huì)使雙突變體產(chǎn)生表型恢復(fù)，而且可以通過轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)累積情況進(jìn)行檢測(cè)。將fad8 基因?qū)雈ad7fad8 雙突變體得到的株系(F8)可以彌補(bǔ)fad7 突變體的表型，表現(xiàn)為低溫處理?xiàng)l件下葉片中三烯脂肪酸含量升高，而將fad7 基因?qū)雈ad7fad8 雙突變體得到的株系(F7)在整個(gè)溫度測(cè)試中(15 到27)三烯脂肪酸含量都是增加的。嵌合基因中的C6，除了羧基末

13、端編碼區(qū)由fad8 基因的相應(yīng)區(qū)域取代，大部分由fad7基因構(gòu)成。該嵌入基因的表達(dá)導(dǎo)致低溫處理?xiàng)l件下葉片中三烯脂肪酸含量升高，而且在較低溫度條件下C6 蛋白表達(dá)增加。但C6 的轉(zhuǎn)錄物水平和F7 很相似。用環(huán)己酰亞胺處理后，對(duì)標(biāo)記物的降解進(jìn)行分析，在22和27條件下經(jīng)環(huán)己酰亞胺處理，F(xiàn)AD7 蛋白的表達(dá)量沒有變化；而27條件下C6 的FAD 蛋白降解會(huì)加速，證明較高溫度(27)處理?xiàng)l件下fad8驅(qū)動(dòng)的羧基末端在蛋白質(zhì)降解的自動(dòng)調(diào)控模式中起作用。這些結(jié)果表明，F(xiàn)AD8 去飽和酶的溫度-敏感型表達(dá)在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后都受調(diào)控，而依賴溫度的酶促活性反應(yīng)，主要是在轉(zhuǎn)錄后水平進(jìn)行調(diào)控。2.4 三烯脂肪酸與其它非

14、生物脅迫三烯脂肪酸含量不僅與植物對(duì)溫度的耐受性有關(guān)，對(duì)于植物在干旱、鹽等逆境條件下存活也具有極其重要的作用。Zhang 等16在煙草中過表達(dá)fad3 和fad8，使三烯脂肪酸含量上升，過表達(dá)fad3 和fad8 的煙草植株在干旱脅迫處理一段時(shí)間后能恢復(fù)生長，對(duì)照植株脅迫后恢復(fù)生長的能力受到嚴(yán)重?fù)p害。證明干旱耐受性提高需要18:3/18:2 的比例增加，18:3 三烯脂肪酸含量上升可能是對(duì)干旱脅迫的一種防御機(jī)制。黃霄等20的實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)正義Lefad7基因番茄植株與對(duì)照株系相比,類囊體膜脂中亞麻酸含量升高，亞油酸含量下降，膜脂脂肪     

15、60;  酸不飽和度升高。PEG 干旱脅迫后，轉(zhuǎn)基因番茄植株的實(shí)際光化學(xué)效率、凈光合速率和葉綠素a 含量降幅均小于對(duì)照株系。Torres-Franklin 等21研究了豇豆中三烯脂肪酸與干旱脅迫的關(guān)系。對(duì)干旱脅迫敏感的品系，隨脅迫強(qiáng)度的增大，亞麻酸含量降低。在抗旱品系中，輕度干旱處理?xiàng)l件下，單半乳糖甘油二酯和磷脂酰膽堿中的亞麻酸含量上升；較強(qiáng)干旱處理?xiàng)l件下，磷脂酰膽堿中亞麻酸含量持續(xù)增加，單半乳糖甘油二酯亞麻酸含量則有所下降，進(jìn)一步證明三烯脂肪酸含量增加可以提高植物的抗旱性。楊秀梅等22研究表明，鹽脅迫下轉(zhuǎn)正義fad7 基因番茄植株的PSII 最大光化學(xué)效率和光合速率下降程

16、度較小，而轉(zhuǎn)反義fad7 基因番茄植株的下降程度較大。鹽脅迫下轉(zhuǎn)正義基因番茄植株葉綠體超氧化物歧化酶和抗壞血酸-4-過氧化物酶活性均高于對(duì)照植株。3 高等植物三烯脂肪酸與抗病性的關(guān)系植物的抗病性是指植物與病原物之間相互關(guān)系中寄主植物抵抗病原物侵染的性能。植物抗性蛋白激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，導(dǎo)致對(duì)病原體編碼蛋白識(shí)別的過敏性反應(yīng)(HypersensitiveResponse,HR)，即植物在病原體侵染后快速產(chǎn)生氧化中間體(ROI)，使細(xì)胞程序性死亡，阻止病原體擴(kuò)散，引發(fā)系統(tǒng)獲得性抗病(System Acquired Resistance,SAR)。植物組織通過這種機(jī)制從入侵位點(diǎn)開始隨距離增加產(chǎn)生越來越強(qiáng)

17、的抗性，在一定時(shí)期內(nèi)，當(dāng)該植物體再次經(jīng)受同種病原侵害時(shí)，不僅是侵染部位，未侵染部位也獲得了對(duì)此種病原及一些類似病原的抗性。一些研究表明葉綠體中的三烯脂肪酸與細(xì)胞程序性死亡及系統(tǒng)獲得性抗病有關(guān)23。一直以來人們認(rèn)為茉莉酸能提高植物自身抗病、抗蟲的能力，因?yàn)樵趯?duì)生物脅迫應(yīng)答的防衛(wèi)反應(yīng)前總能檢測(cè)到茉莉酸的積累，而亞麻酸只是作為茉莉酸生物合成的前體物質(zhì)。Chaturvedi 等24通過研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥葉柄浸出液中依賴于質(zhì)體累積-脂肪酸去飽和酶獲得的系統(tǒng)抗性與茉莉酸無關(guān)，并指出三烯脂肪酸最有可能引發(fā)植物獲得系統(tǒng)抗性。Mène-Saffrané 等人25指出當(dāng)用真菌侵染時(shí)，與缺乏茉莉酸

18、的aos 突變體相比，fad3fad7fad8突變體的抗性更低，這表明三烯脂肪酸雖然是茉莉酸的前體，但是其對(duì)于細(xì)胞存活的作用是獨(dú)立的。4 展望在逆境脅迫下，植物體內(nèi)與抵抗逆境相關(guān)的物質(zhì)含量會(huì)發(fā)生改變。許多研究表明，在低溫、鹽、干旱等逆境脅迫下，植物體中三烯脂肪酸的含量增加，以維持膜的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，降低逆境對(duì)膜結(jié)構(gòu)和功能的損害，從而增強(qiáng)植物的抗逆性。葉綠體是植物光合作用的重要場(chǎng)所，所含脂肪酸約有三分之二為三烯脂肪酸，葉綠體中三烯脂肪酸含量增加對(duì)于增強(qiáng)植物的抗逆性具有十分重要的意義。葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化具有外源基因表達(dá)效率高，多基因可以同時(shí)轉(zhuǎn)化，環(huán)境安全性好等優(yōu)勢(shì)。我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)通過葉綠體轉(zhuǎn)化獲得了過

19、表達(dá)-脂肪酸去飽和酶基因的煙草。4低溫處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)基因植株的生長量明顯高于對(duì)照植株。鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因煙草過氧化物酶活性顯著高于對(duì)照煙草，而丙二醛含量則低于對(duì)照煙草，進(jìn)一步證實(shí)了三烯脂肪酸在多種逆境脅迫下的積極作用。植物體內(nèi)三烯脂肪酸的合成是一個(gè)連續(xù)的過程。目前，已經(jīng)有許多與三烯脂肪酸合成有關(guān)的去飽和酶基因被克隆出來。在前人工作的基礎(chǔ)上我們可以嘗試將多個(gè)脂肪酸去飽和酶基因轉(zhuǎn)入同一個(gè)轉(zhuǎn)化體，從而增加植物體內(nèi)尤其是葉綠體中三烯脂肪酸的含量，提高植物的抗逆性。另外，通過基因工程手段，可以進(jìn)一步探索三烯脂肪酸代謝調(diào)控的機(jī)制以及三烯脂肪酸與鹽、干旱以及生物脅迫的關(guān)系。參考文獻(xiàn)1 Marsh D.Handbo

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