环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷在植物生长发育中的作用

翟昭慈，刘新月，刘志国，刘孟军

（河北农业大学 园艺学院/中国枣研究中心，河北 保定 071001）

第二信使是一类能够引起动植物生理变化的小分子物质，能响应外部环境的变化或者激素的处理，并通过传递各种信号介导各种复杂的生理响应［1-2］。3′, 5′- 环 腺 苷 酸（cAMP，环 磷 酸 腺 苷，3′, 5′-cyclic adenosine monophosphate）和3′, 5′-环 鸟 苷 酸（cGMP，环 磷 酸 鸟 苷，3", 5"-cyclic guanosine monophosphate）分别于 1957 和 1963 年由学者 Sutherland 和 Ashman 发现［3］，是环核苷酸及其衍生物中发挥重要生物作用的2 种物质［4］，cAMP 和cGMP 是同分异构体，属于环状核苷酸，由核糖、腺嘌呤/鸟嘌呤和磷酸组成，为两性电解质，可溶于水，性质稳定，耐酸热［5］，其产生于细胞中，普遍存在于各种微生物、植物及动物中，但其含量都很少。环磷酸腺苷作为第二信使参与调节植物的很多生理生化过程［6］，由腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase，AC）催化ATP 生成，被磷酸 二 酯 酶（Phosphodiesterases，PDE）降 解［7］，鸟苷三磷酸（GTP，Guanosine triphosphate）在鸟苷酸环化酶（GC，Guanylate cyclase）催化下生成cGMP，同样被磷酸二酯酶（PDE）所降解，它只在少数类型细胞中起特殊的第二信使作用［8］。cAMP和cGMP 在动物、真菌、藻类以及人类中发挥了众多生理作用，如参与调控气孔功能［9-10］、单价和二价阳离子通量［11-16］、叶绿体发育［12］、赤霉素信号［17］、光敏色素反应［18］等重要的生物学过程［19］。本文基于cAMP 和cGMP 在植物各方面的研究成果，从种子萌发、植物生长发育、应答生物和非生物胁迫以及应用前景几个方面进行了综述，可为环核苷酸在植物上的进一步开发和利用提供参考。

用不同浓度的环磷酸腺苷对绿豆、玉米种子进行浸种，处理后的种子发芽率、发芽势都能明显提高，且以60 mg/L 的浓度最佳［20-21］，这与赵丹莉［22］用不同浓度的环磷酸腺苷溶液对黑扁豆种子进行处理的结果相同，可见环磷酸腺苷对植物种子的萌发有促进作用。Uematsu K 等［23］的研究也表明，在玉兰种子最适发芽条件下cAMP 水平在发芽前有明显的升高，当种子在萌发过程中温度升高或暴露在光照下，则种子发芽受到抑制，但是向培养基中添加一定浓度的cAMP 溶液则可恢复发芽率，这说明cAMP 在种子的发芽过程中起到了调节作用，并且用赤霉素处理也有相同效果［22］。R E Holm 等［17］研究表明红光、赤霉素（GA）、乙酰胆碱（ACh，Acetylcholine）和腺苷 3",5"-单磷酸（cAMP）促进了甘露醇处理过的光敏杂草种子的萌发，光敏色素反应可能会触发乙酰胆碱（ACh）合成，导致赤霉素从结合形式释放或导致赤霉素合成，从而增强cAMP 的产生，启动发芽反应［13］。环磷酸腺苷与赤霉素之间也可能存在潜在的作用，Sellchiro K 等探究了黑暗条件下cAMP 与赤霉素对莴苣种子萌发的影响，结果表明，高浓度的cAMP 几乎不影响种子萌发，而cAMP 与赤霉素协同促进种子萌发，这说明cAMP 在光敏莴苣种子暗萌发中的作用与赤霉素密切相关，诱导种子萌发的过程［24］，cAMP 能够促进榛子异柠檬酸诱导酶的合成，还可使种子胚的鲜重与对照相比提高3 ～4 倍［25］。对小麦颖果进行外源脱落酸（ABA）和cAMP 的处理，结果表明外源ABA 会导致防御基因的表达，导致大量应激代谢产物的积累，如蛋白质抑制剂等，所以在干旱条件下小麦的蛋白质合成强度降低，这可能与cAMP 信号系统有关［26］。

外源cGMP同样能够提高种子的发芽势等指标，宿梅飞研究表明20 μmol/L cGMP 对盐胁迫下黑麦草种子的发芽率提升作用不明显，但能明显提高黑麦草种子的发芽势、发芽指数和活力指数，同时也能够促进植株的生长［16］。cGMP 类似物8-Br-cGMP与环核苷酸磷酸二酯酶抑制剂他达那非（Tadalafil）都能促进拟南芥种子萌发，即使是低浓度的8-BrcGMP 也有促进作用，而环核苷酸磷酸二酯酶抑制剂Tadalafil 则表现为低浓度促进种子萌发而高浓度抑制的效果，鸟苷酸环化酶抑制剂6-苯胺-5，8-喹啉二酮（LY83583）对种子萌发也具有抑制效果［27］。

环磷酸腺苷能够调节高等植物的生长（如图1、表1 所示），Seiichiro K 等［28］研究了生菜幼苗对cAMP 和赤霉素的生长响应，结果表明cAMP能够促进生菜下胚轴的伸长，但其伸长幅度远小于GA，这与张述组等的研究结果一致，用cAMP 对甜椒种子进行浸种，促进了甜椒地下根部的生长，以0.1 和0.5 mg/L 的效果最为显著［29］。用不同浓度cAMP 溶液对绿豆种子进行预处理，会促进绿豆幼苗的生长，且随着cAMP 溶液浓度的增加，幼苗的叶长、叶宽、胚轴和根长会呈先上升后下降的趋势［20］。在萝卜幼根中，cAMP 水平的增加会抑制根分生组织有丝分裂的过程，还会减少分裂细胞的数量［30］。cAMP 还能够促进向日葵愈伤组织的生长，而在烟草和大豆中并未发现此现象［31］，但cAMP能够调控大豆根瘤的形成过程，在豆科根瘤形成过程中，cAMP 的含量随着根瘤的发育过程而升高，外源施用cAMP 显著降低了根瘤的产量，而cGMP对根瘤的鲜重无显著影响［32］。

表1 环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷对植物生长的影响Table 1 Effects of cyclic adenosine monophosphate and cyclic guanosine monophosphate on plant growth

图1 环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷对植物生长的影响Fig.1 Effects of cyclic adenosine monophosphate and cyclic guanosine monophosphate on plant growth

已有报道指出，cGMP 对植物根部的发育也有调节作用，植物根的生长受到重力的影响，生长素的向下运输导致了根的向地性，cGMP 作为NO 的下游信号，与NO 共同作用能够调节大豆根的生长和根的向地弯曲［33-34］。NO 在介导不定根形成过程中激活了涉及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）的cGMP 依赖通路和cGMP 独立通路，从而激活了磷酸酶和蛋白激酶，进而促进了黄瓜外植体不定根的形成过程［35］。植物不定根的形成也受到了一系列细胞分裂或生长素相关基因的调控，外源cGMP的类似物8-Br-cGMP 激活了绿豆某些基因（如CDC2、ARC2 和CDPK 以及 Aux/IAA 基因家族成员AUX22c、AUX22d和AUX22e）的转录，用8-BrcGMP 处理生长素耗尽的绿豆外植体，结果增强了外植体的不定根数目［36］。鸟苷酸环化酶（GC）抑制剂6-苯胺-5,8-喹啉二酮（LY83583）减少了生长素和NO 诱导的黄瓜不定根的发育，而外源cGMP类似物8-Br-cGMP 能够逆转这种影响，并且单独8-Br-cGMP 处理能够微弱地增加拟南芥根毛的密度，但是并没有增加根毛长度，这同时也表明了cGMP 参与生长素调节的根的发育［34,37］。这与Nan Wenbin 的研究结果类似，cGMP 逆转了外源生长素对拟南芥初生根的抑制作用，而LY83583 加剧了这种抑制效应，这种现象可能是由于cGMP 通过影响Aux/IAA（拟南芥根中生长素诱导的原生基因）蛋白的降解，从而影响了cGMP 对生长素反应基因的表达所引起的［38］。Li Jisheng 等也报道了类似结果，他们研究了第二信使cGMP 对拟南芥侧根胚后发育的影响，发现通过膜透性cGMP 类似物8-Br-cGMP的应用提高了cGMP 水平，促进了侧根原基的起始和侧根的形成，而这可能是cGMP 通过调节PIN（生长素流出载体）蛋白的定位和表达来影响生长素的转运和生长素梯度引起的，cGMP 通过与生长素极性转运方向（PAT）的串扰调控拟南芥胚后侧根的形成［39］。

通过对cAMP 非特异信号作用的研究发现，其作为第二信使能够参与调节植物花粉管的生长和再定位［40］，以玉米为材料，通过笼状探针检测方法以及施加的外部梯度，表明玉米根尖区域cAMP 水平可以操控花粉管的生长方向，这证明了cAMP 途径参与了花粉管的生长［41］。Tezuka T 等的研究结果也表明，低浓度的cAMP 处理促进了百合花粉管自交不亲和授粉后的伸长，这种自交不亲和性可能是由低水平的乙酰胆碱酶或cAMP 引起的［42-44］，而cGMP 对百合花粉管的伸长并没有影响，但是cGMP 能够与NO 协同作用促进山茶花低温条件下花粉的萌发和花粉管的生长［45］。cAMP 还能够增加钙调蛋白（CaM）的活性，而CaM 参与极化生长和重新定向，能在花粉管胞吐过程中发挥作用，通过向培养基中添加腺苷酸环化酶调节剂（如毛喉素、8-Br-cGMP）从而提高cAMP 水平，进而调控花粉管的重新定向［46］。花粉管对cAMP 的反应迅速，施用腺苷酸环化酶抑制剂四氧嘧啶显著抑制了梨花粉管的生长，而外源施用cAMP 能够逆转这种抑制［47］，这也反应了cAMP 在花粉管生长过程中起到了重要作用。外源喷施cAMP 还能够促进酸枣实生苗快速开花，使其花期提前［48］。Wang Yuhua 等的研究发现，cGMP 是调节低温条件下花粉萌发和花粉管生长所必须的［45］，钙和cGMP 是诱导叶绿体发育和花青素生物合成的信号分子，光敏色素通过cGMP 刺激花青素的生物合成，并通过钙的作用诱导部分叶绿体的发育［49］。cAMP 也能够增加菜豆幼苗中叶绿体的含量［50］。综上，环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷在植物发育过程中也起到了重要的调节作用（见表2）。

表2 环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷在植物发育中的作用Table 2 Roles of cyclic adenosine monophosphate and cyclic guanosine monophosphate in plant development

植物在生长发育过程中会面临变化多样的环境，某些环境条件（如干旱、高温、寒冷、过量的盐或者缺乏某些金属等）不利于植物的生长，而cAMP与cGMP 能够提高植物的抗性，使其更好的生长（见表3）。以玉米为试验材料，cAMP 和ABA 预处理增强了离子转运蛋白和热休克蛋白的表达，所以Zhao 等认为ABA 介导的cAMP 信号通路有助于提高玉米根系的耐热性［51］，这与陈宁等的研究结果相似，他们用100 μmol/L 8-Br-cAMP 对玉米植株进行处理，结果提高了高温条件下抗氧化防护酶的活性，进而提高了植株对高温胁迫的抗性［52-53］。在小麦中，依赖cAMP 的K+外流可以使苹果酸从胞内转移到胞外螯合有毒金属离子，从而提高对钼的耐受性［54］。而且细胞分泌cAMP 可以介导细胞间相互作用，抗性品种植物的腺苷酸环化酶信号系统比敏感品种植物的腺苷酸环化酶信号系统能够对细菌病原体的外源代谢物做出更快的反应［55］。

表3 环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷对植物抗性的影响Table 3 Effects of cyclic adenosine monophosphate and cyclic guanosine monophosphate on plant resistance

环核苷酸门控离子通道（CNGCS）也参与了植物的非生物胁迫，CNGCs 是cAMP 信号传导的关键组分［56］，AtCNGC10 通道参与了根或土壤阳离子（Na+、K+）转运和长距离运输的过程，能够提高植物的耐盐性［57］，Gao F 等利用逆向遗传分析和全细胞膜片钳技术，发现了在拟南芥根原生质体质膜中的一个Ca2+渗透通道，这个CNGC6 通道能够热诱导Ca2+内流，促进热休克蛋白（HSP）基因的表达和耐热性的获得，而且发现外源cAMP 可促进热休克蛋白（HSP）基因的表达，进一步揭示了外源cAMP 在植物热休克信号转导中的作用［58］。Wang Lixin 等通过对枣中CNGCS 的鉴定和分类分析，利用酵母双杂交分析验证出枣CNGC2 与枣丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinases，MAPK）信号通路的ZjMAPK4相互作用，并且cAMP 或微管的变化可以调节CNGC2 的活性，这揭示了cAMP 和微管可能在ZjCNGC2介导的ZjMAPKK4信号通路响应冷胁迫下中发挥重要作用［59］。

环磷酸腺苷在植物抗病毒、病菌方面也参与重要的调控作用，Jiang Jing 等以拟南芥为试材，在培养基中加入10 nmol/L 水杨酸或者10 μmol/L 8-BrcAMP 后，研究外源cAMP 和水杨酸对拟南芥抗真菌毒素的影响，结果表明由真菌毒素引起的叶片褪绿现象明显减轻，这说明外源水杨酸或cAMP 可以提高拟南芥幼苗对真菌毒素的抗性［60］，这一结果在其他植物中也被证实，用cAMP 或cAMP 类似物处理胡萝卜细胞、苜蓿细胞及柏树细胞，能够诱导植物抗真菌霉素的合成［12,61-62］。在培养基中添加腺苷酸环化酶激活剂可以提高拟南芥内源cAMP 水平，进而提高拟南芥水杨酸含量，从而使植株对病原菌或毒素有更强的抗性，所以内源cAMP 可能会诱导水杨酸的产生或积累，进而调控植物致病基因的表达，在植物抵抗病原真菌感染过程中发挥正向调控作用［60］。

cGMP 同样能增强植物对胁迫的耐受性，并作为一种信号物质在植物的胁迫响应中发挥重要的调控作用。宿梅飞研究cGMP 在盐胁迫下对黑麦草种子萌发的影响，结果表明随着盐浓度的升高，种子萌发率逐渐降低，而加入cGMP 后能够缓解盐胁迫造成的伤害，这表明cGMP 增强了黑麦草对盐胁迫的适应能力［63］，这种现象也出现在番茄中，外源施用20 μmol/L cGMP 增加了盐胁迫下番茄淀粉酶的活性，提高了可溶性糖和脯氨酸的含量，从而促进了番茄种子萌发和幼苗生长［64］。cGMP 和Ca+能够协同调节Na+/K+比率维持苔草愈伤组织离子稳态，为离子跨膜运输提供驱动力，最终提高沙生型愈伤组织的耐盐性［65］，外源施加cGMP 的膜透性类似物8-Br-cGMP 能通过诱导葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的表达从而增强拟南芥对盐胁迫的耐受性［66］，在拟南芥的生长试验中也发现，经cAMP 或cGMP处理后的植物组织与无任何处理的植物组织相比有更高的耐盐性［67］。

截至目前，环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷在植物中已经展现出了多种多样的功能，他们能以不同形式、多种途径调节复杂的生物学过程。在今后的生产生活中，可以通过用适当浓度的环核苷酸浸种的方法来提高园艺植物的种子萌发率、发芽势等指标；
还可在幼苗生长和植物开花期间外源喷施环磷酸腺苷，不仅能够促进下根部的生长，调节根的向地弯曲以及不定根的形成，还能调节花粉管的生长和伸长，提高植物的开花率；
环核苷酸与某些物质协同作用还能够提高植物的抗毒菌能力，增加其对盐的耐受性等。综上，环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷在植物上具有广阔的应用前景。

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