缺磷胁迫导致高等植物叶片中磷脂酰甘油（PG）含量降低的机理研究

磷脂酰甘油（PG）是植物类囊体膜中唯一的磷脂，在它的sn-2位上总是连着一个棕榈酸（16：0）或反式十六碳烯酸（16：1 trans）。由于PG的分子结构独特，对它的功能已有了很多研究，目前认为PG在维持类囊体膜的结构与功能方面具有非常重要的作用。缺磷胁迫下，蓝藻、衣藻及拟南芥、大麦等物种中均检测到了PG含量的下降。对这一现象的常见解释是缺磷导致了PG生物合成受阻，从而引起了其含量的降低。但迄今为止尚没有试验证据支持。本研究比较了缺磷对不同叶龄的小麦与烟草叶片中PG含量与PG水解酶的活性的影响，同时对缺磷叶片酶粗提液水解外源PG后的主要产物、几种磷脂酶抑制剂对上述酶反应的影响等进行了研究，以阐明缺磷条件下叶片中PG含量下降的主要原 因。 缺磷小麦第一叶完全展开时，PG含量与PG水解酶活性均与对照相似;而第三叶完全展开时，尽管缺磷第三叶中PG水解酶活性也与对照相似，但其PG含量低于对照。这一结果表明，在小麦叶片完全展开之前，缺磷条件未影响叶片中的PG水解酶活性，第三叶中较低的PG含量应由PG的生物合成受阻引起。并且，由于缺磷植株第一叶完全展开时PG含量未受影响而第三叶中却表现出了轻微降低，可以推测叶片萌发越晚，PG生物合成受到的抑制就会越严重。 为了研究叶片衰老过程中PG含量下降的原因，我们比较了6，10，14与18日龄时缺磷与对照小麦植株第一叶中PG的相对含量与PG水解酶活性。研究发现：6日龄时，刚刚完全展开的缺磷和对照小麦第一叶中无论是PG含量还是PG水解酶活性都较为相似;而随着叶片的逐渐衰老，缺磷植株第一叶中PG含量大幅度下降，同时伴随着PG水解酶活性的急剧上升。18日龄时，缺磷小麦第一叶中的PG含量较对照降低了69.1%，其PG水解酶活性也远高于对照，37ºC下温育30min后，缺磷叶片的酶粗提液使外源PG含量降低了74.16%，而对照中只降低了13.7%。上述结果表明，缺磷条件下，小麦叶片中PG含量降低的程度与PG水解酶活性的强弱密切相关，PG水解加剧是导致老叶中PG含量降低的一个重要原因。 磷脂酶是水解磷脂的主要酶类。目前在植物体中发现的磷脂酶种类主要有磷脂酶D（PLD）、磷脂酶C（PLC）与磷脂酶A（PLA）。通过薄层层析（TLC），我们发现缺磷小麦叶片的酶粗提液水解外源PG后的主要产物是磷脂酸（PA）、二脂酰甘油（DAG）与游离脂肪酸（FFA）。将n-丁醇加入到缺磷小麦叶片的体外酶反应体系中后，观察到PA、DAG与FFA的生成量均表现出一定程度的降低。由于n-丁醇是PA经PLD途径生成的抑制剂，因此，上述结果表明PLD参与了缺磷条件下小麦叶片中PG的水解。硫酸新霉素是PLC的非特异性抑制剂，低浓度的硫酸新霉素（100μM 和 200μM ）加入到缺磷小麦叶片的体外酶反应体系后，三种产物的生成受到了严重抑制，表明PLC也与缺磷叶片中PG的降解密切相关。 为了进一步分析缺磷导致PG含量降低的原因，我们以烟草为试验材料，检测了缺磷胁迫对烟草嫩叶和老叶中的PG含量、PG水解酶活性、与PG降解相关的酶的种类及PLC、PLDα、PLDβ与PAT-1基因在mRNA上表达水平的的影响。结果表明，缺磷烟草叶片中PG含量的降低由PG生物合成受阻与PG降解加剧共同导致，PLC和PLD活性与烟草叶片中PG的降解有关。缺磷植株老叶中PG水解酶活性及PLC、PLDα、PLDβ基因在mRNA水平上的表达量均高于对照，表明在磷胁迫条件下，老叶中PG水解酶活性可能受到转录水平上的调节， PLC、PLDα、PLDβ转录活性的增强导致了PLC、PLD活性加强，从而引起PG降解的加剧，最终导致了PG含量的降低。与PLC、PLDα和PLDβ不同，缺磷胁迫对patatin蛋白（表现PLA2活性）的编码基因PAT-1在转录水平上的表达无影响，TLC分析PG的水解产物也未检测到溶血磷脂酰甘油（LPG）的生成。由此可见，PLA活性可能与缺磷条件下PG的降解无关。