红树植物抗逆分子生物学研究进展

红树植物抗逆分子生物学研究进展山东大学生命科学学院生科3班刘东川（200800140096）摘要：红树林是热带和亚热带海岸潮间的木本植物群落,具有很强的抗逆特性。综述了红树植物抗逆分子生物学的研究进展,主要集中在红树植物对盐和重金属的抗性研究。目前,红树植物抗盐分子生物学研究已取得了显著的进展,其耐重金属分子生物学研究也有所突破。这些研究成果可以从分子水平为可持续利用红树林资源提供了更多的依据,对保护沿海及海洋生态系统具有重要的意义。关键词：红树;抗盐;耐重金属;分子生物学ResearchProgressontheAdverseResistanceMolecularBiologyofMangrovePlantsAbstract：Mangrovesaretropicalandsubtropicalwoodyplantsintidal,salinewetlandsalongthecoasts,withstrongtolerancetoenvironmentalstress.Theresearchprogressesonthemolecularbiologyoftheadverseresistanceofmangroveweresummarized,mainlyfocusingonthetolerancetosaltandheavymetalsthathavebeenmaderemarkableprogresses.Theseachievementsofthemolecularbiologyofenvironmentalstresscanprovidemorebasesforthesustainableutilizationofmangroveresourcesandtheprotectionofcoastalandmarineecosystems.Keywords：Mangroves;Salttolerance;Heavymetaltolerance;Molecularbiology红树植物是生长在热带、亚热带海湾河口的优势植物,是该生态系统的重要初级生产者,对维护环境的生态平衡具有十分重要的作用。高盐是沿海海湾河口地区主要的环境特点,许多学者从不同的生物学层面对高盐生境下的红树植物进行研究。此外,随着现代江河流域工农业的迅猛发展,沿海城市人口与经济的快速增长,人为干扰使河口海湾区的环境污染日趋严重。红树林作为一种海岸潮间带森林生态系统,对海湾河口区域的污染具有较高的承载力和耐受性。近年来,关于红树植物对重金属等污染物的抗性机制成为国内外研究热点。已有文章报道了红树植物对盐和重金属等逆境的生理生化和生态学研究进展,笔者主要从分子生物学的角度对近年来红树植物抗逆研究的进展进行综述,并对今后的研究方向进行了展望。1红树植物耐受高盐的分子机制红树植物对盐具有高耐受性,许多关于形态学、解剖学以及生理生态学的研究为其耐盐机制提供了依据。然而,这些还不足以揭示红树植物的抗盐机理。最近,红树植物分子水平的抗盐机制取得了较大进展,一些红树植物抗盐基因被发现(表1)。这些研究表明,红树植物对高盐环境具有高抗性是与基因的表达调控紧密联系的。2000年,Sugihara等首次进行了红树植物抗盐的分子机理研究报道,他们在木榄中发现抗氧化蛋白OEE1,并认为其在红树植物抗盐机制中起到关键性作用。将木榄幼苗由清水中转移到500mmol/LNaCl溶液中,叶片蛋白双向电泳检测发现一个分子量为33kDa,等电点为5.2的蛋白发生了明显的上调。该蛋白氮端氨基酸序列与抗氧化蛋白1(OEE1)前体具有很高的同源性。蛋白的推测序列含有322个氨基酸组成,其中与烟草OEE1同源性高达87%。对其功能进行分析后,Sugihara等认为,OEE1是抗盐机制中比较重要的蛋白之一。近来,关于木榄的基因组研究也取得了初步的进展。Miyama等成功建立了木榄盐处理表达序列标签文库,该文库包含14842个表达标签,6934个基因。这些基因与抗盐基因具有很高的同源性,功能主要包括调节渗透压、清除活性氧、保护蛋白、转运蛋白和信号元件。盐处理基因芯片分析结果显示,在有228个基因转录水平发生了5倍的上调,61个基因转录水平发生了5倍的下调,其中32.5%的上调基因和3.3%的下调基因发生着协调作用,其余的是组织特异性表达基因。对比500mmol/LNaCl处理与1mol/L山梨醇处理的基因芯片分析表明,856条基因在2种处理下都发生了明显的表达变化,但两者在表达上存在着明显的差异,充分证明了红树植物在盐胁迫下存在特殊的机制,与其他的渗透胁迫不同。为了鉴定红树植物抗盐机理过程中的关键基因,学者们用不同的红树植物进行了相关的研究。Northern杂交分析12个木榄cDNA片段在500mmol/LNaCl处理0h、6h、3d和28d后转录水平发生明显变化的结果表明,9个基因为盐处理后表达发生上调变化,其中BG7、BG50、BG51、BG55和BG67处理6h表达出现上调;BG60和BG70处理6h表达上调并一直持续到28d;BG56和BG64处理3d表达上调,但随着处理时间的延长,基因表达量开始下降。把这些基因在NCBI数据库中进行BLAST搜索发现,其中有一部分与已报道的抗盐基因具有很高的同源性。在目前的数据库中没有发现BG70的同源基因。Ezawa等通过木榄农杆菌cDNA文库,发现未知基因与长春花抗盐基因Cyc02和秋茄的一个未知抗盐基因具有很高的同源性,并且增强了农杆菌的抗盐胁迫能力。分别检测转基因BG70和Cyc02的拟南芥的抗盐性,结果表明,2种转基因拟南芥对高盐胁迫均具有较强抗性。这些结果说明这2个基因在提高盐抗性中起到了重要的作用。Wong等对柱果木榄根中盐胁迫基因进行了SSH分析和功能筛选,同样发现了一些基因,这些基因还有待于进一步的研究。为了揭示红树植物秋茄的抗盐基因表达模式机制,通过cDNARDA技术获得10个秋茄的抗盐基因,发现了5个特异基因,2个为未知基因,其余3个分别为二磷酸腺苷核糖基化因子(ARF)和热休克蛋白(sHFPs)。它们具有一定的平衡渗透作用,使秋茄可以抵抗盐害。Hibino等鉴定了白骨壤甜菜碱醛脱氢酶基因(BADH),盐处理条件下该基因表达发生了上调,同时体内的甜菜碱积累量发生了相应的增加。2002年,Waditee等发现了3个疑是甜菜碱或者脯氨酸转运蛋白基因,在低浓度盐处理条件下,这3个基因未发现明显的表达变化,当盐浓度提高到400mmol/LNaCl时,这3个基因的转录水平发生了明显的增加,并且在叶片中的表达量的增加远大于根系的增加量。盐胁迫下,植物甜菜碱转运蛋白的提高,是为了转运合成的甜菜碱到需要其作用的组织或器官。对于其他红树植物的抗盐分子机理的研究,学者们也进行了初步的研究,并取得了一些初步的进展。例如,学者们对小花老鼠进行了分子研究分析,并获得了相关盐抗性基因,此外,2006年Jithesh和Prashanth等克隆得到了白骨壤的CuZnSOD(Sod1),过氧化氢酶(Cat1)和铁蛋白(Fer1)基因,并且证明了这些酶在氧化胁迫条件下发挥着作用。2红树植物重金属抗性分子机制的研究进展随着沿海地区工农业的迅猛发展,人为因素影响使得河口海湾水土中重金属污染日益严重。红树林作为生长在沿海地区的优势植物,对重金属具有较强的抗性和富集能力。郑逢中等用土培和砂培相结合的方法研究秋茄(Kandeliacandel)幼苗对Cd的耐受性时发现,无论是土培或砂培,植物体各器官镉积累量均随处理浓度的增加而增加,各器官对Cd的积累能力表现为:根胚轴茎叶,并发现经处理的秋茄根镉含量均比基质浓度高,表现出显著富集效应。近年来,人们越来越重视从分子水平探讨红树植物对重金属具较高耐受性的分子生态机理,以期鉴定可能在红树植物中普遍存在的高效的重金属结合物质及其控制基因。通过模式植物等的研究已经表明,植物络合素合酶(PCS)和金属硫蛋白(MT)在植物对重金属的抗性和解毒中均发挥着非常重要的作用。对于红树植物这2个基因,学者们也在进行研究,并取得了一定的进展(表2)。通过比较海榄雌(Avicenniamarina)中的2种金属硫蛋白AmMT2和AmMT3片段在重金属胁迫下的表达模式发现:2种MT在叶片中的表达高于根中的表达,与拟南芥的type3(AtMT3)和type2(AMtT2)不同,白骨壤只有AmMT3受重金属的调节,说明AmMT3在白骨壤中有着特殊的作用,可能有激活叶片的重金属排除通道作用。GonzalezMendoza等克隆了AvPCS、AvMT基因片段并研究了白骨壤(Avicenniagerminans)在镉、铜胁迫下PCS和MT的协调作用中,通过对白骨壤AvPCS1、AvMT片段表达的RTPCR检测,发现在低浓度Cu2+胁迫下,PCS、MT分别在4h和16d后出现了明显的上升,证明了AvPCS表达的迅速增加可能有助于Cd2+和Cu2+的解毒。此外,针对重金属白骨壤有能力通过这2个基因的表达(AvMt2和AvPCS1)构成一个协调的解毒机制。目前,红树植物的PCS全长基因及其功能还未见报道。中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生理学重点实验室克隆了秋茄植物络合素合酶基因的全长基因,并对其功能进行了分析,结果表明,秋茄植物络合素合酶基因KCPCS1,并对其功能进行的验证,结果发现KcPCS1基因弄过提高酵母对镉的抗性,并且提高了酵母的镉富集能力。红树植物MT和PCs已经取得如上相关进展,MT和PCs等是植物体内主要的重金属螯合物质,它们通过螯合作用固定金属离子。降低其生物毒性或改变其移动性。关于红树植物重金属抗性分子机制还有许多有待研究的空白领域,如阻止和控制重金属的吸收和体内区室化分隔等。3结语对于植物生长及农业生产,高盐是非常严重的生物胁迫,它影响植物的营养吸收,细胞内蛋白酶的活性,光合作用和新陈代谢,同时也严重地影响着农作物的产量。红树植物长期生长在高盐的环境下,本身对高盐具有很高的抗性,研究其抗盐的分子机制,深入了解植物的抗盐机理,对有效利用抗盐关键基因培育优良的抗盐作物品种具有重要的理论意义和应用价值。重金属作为影响食品安全的一个重要的污染物,了解红树植物重金属抗性及富集的分子机制,对解决重金属污染,保证食品安全具有较高的指导意义。目前的分子生物学在红树植物的研究上仍然处于一个起步阶段,这可能是由于红树植物自身的特殊性不易进行分子操作的原因。然而随着科学技术的发展,新技术的创新,将会取得对红树植物抗逆等研究的更深入的分子生物学研究进展。联合国环境规划署（环境署）2010年7月14日发布了全球红树林最新环境评估报告。报告指出，全球红树林的生存正面临严重威胁。自上世纪80年代以来，全球红树林面积已缩减了至少五分之一。这份由英国地球瞭望出版社出版、题为《世界红树林版图》的评估报告说，目前全球红树林面积仍在以年均0.7％的速度缩减，比其他类型的森林缩减速度都要快，而不可持续的沿海滩涂开发活动和近海养殖等将会加快这一速度。环境署执行主任阿齐姆·施泰纳在报告发布仪式上说，现在世界各国已建有约１200个红树林保护区，面积达40万公顷，占红树林总面积的四分之一，但这距红树林保护目标仍有相当差距。他说，保护红树林对保护生态系统及生物多样性具有重要意义。一些研究显示，每公顷红树林年均可产生经济价值2000美元至９000美元。此外，红树林有着陆地森林不可取代的作用，在减少洪灾、提升鱼类繁殖力、增强碳吸收等方面具有可观效用。红树林是生长在热带和亚热带海岸潮间带的木本植物，与珊瑚礁、上升流、海岸湿地并称为最具生命力的四大海洋自然生态系统。红树林不仅能够抵御和降低风浪危害，具有消浪和扩大滩涂及陆地面积的功能，还是近海海洋生物的主要栖息地，能敏感地反映环境质量。人工红树林的生长与病虫害防治的研究张锦新1，佘忠明2，林俊雄2*，陈桂珠3（1.深圳市马峦山郊野公园管理处，深圳5180002.深圳海上田园旅游发展有限公司，深圳518104；3.中山大学环境科学与工程学院，