梁士才，王緩，何珊，李波，丁兆堂，王玉，范凱，錢文俊*

1.青島農(nóng)業(yè)大學園藝學院 山東省園藝作物基因改良工程實驗室，山東 青島 266109；2.山東省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所，山東 濟南 250100

碳水化合物是植物組成中的主要有機物之一，根據(jù)存在形式可將其分為結構性碳水化合物和非結構性碳水化合物。其中，結構性碳水化合物主要包括纖維素、木質(zhì)素和果膠等，主要參與植物形態(tài)建成；非結構性碳水化合物（NSC），主要包括可溶性糖（SS）和淀粉等，是植物光合作用的主要產(chǎn)物，主要在植物生長發(fā)育、能量代謝、調(diào)節(jié)“庫-源”關系和逆境脅迫響應中發(fā)揮著重要作用。眾多研究表明，當植物面臨低溫、干旱和鹽等逆境脅迫時，NSC 可作為重要的滲透保護劑、活性氧（ROS）清除劑和糖信號分子參與植物抗逆響應。

茶樹[Camellia sinensis(L.)O.Kuntze]作為多年生常綠葉用植物，其適生于熱帶和亞熱帶溫暖濕潤環(huán)境。作為典型的短日照植物，茶樹生長發(fā)育常年遭受多種生物（病害和昆蟲）和非生物（缺素、低溫、干旱、澇害和高鹽堿等）脅迫影響。與其他植物一樣，為了適應和抵御這些逆境脅迫，茶樹在長期進化過程中逐漸形成了一套完整且復雜的防御響應機制。NSC 作為茶樹主要的光合產(chǎn)物，廣泛參與到茶樹逆境脅迫響應中。本文系統(tǒng)總結了NSC 在茶樹逆境脅迫響應中的生理生化功能研究進展，以期為深入探究NSC 在茶樹抗逆響應中的作用提供理論支撐。

1 NSC作為滲透保護劑參與茶樹抗逆響應

大量研究表明，當植物處于水澇[1]、高鹽[2]、干旱[3]、高溫[4]和低溫[5]等逆境條件下，體內(nèi)會積累大量的脯氨酸（Pro）、SS、可溶性蛋白（SP）和甜菜堿（GB）等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而有效維持植物細胞滲透平衡，保證植物正常生長發(fā)育和增強抗逆能力。其中，SS 作為一種主要的NSC 物質(zhì)，是一類重要的滲透保護劑，能廣泛參與植物各種逆境脅迫響應（圖1）。

圖1 NSC滲透調(diào)節(jié)模式圖

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，植物在遭受冷害和凍害時，體內(nèi)會積累大量蔗糖（Suc）、棉子糖（Rfo）和海藻糖（Tre）等NSC 物質(zhì)，以降低細胞滲透勢，減小植物脫水速率，從而避免植物細胞因脫水過多而死亡[6]；另外，NSC的積累還能起到降低細胞質(zhì)冰點的作用，當溫度低于0 ℃時能有效降低葉片結冰速率和葉片凍傷面積[7-8]。同樣，在干旱條件下，植物為適應干旱脅迫，體內(nèi)會合成積累SS，能有效降低細胞滲透勢，提高細胞保水能力，并維持細胞膨壓，從而大大減輕葉片萎蔫程度[9]。另外，高鹽脅迫下植物生長發(fā)育受到抑制，為適應鹽堿脅迫，植物在接收鹽脅迫信號后，體內(nèi)的可溶性物質(zhì)含量會升高，其中NSC 類如葡萄糖（Glc）、果糖（Fru）和可溶性淀粉等含量升高較為顯著，并且在脅迫過程中NSC 含量一直維持在相對較高的水平[10]。

同樣，NSC 可作為重要的滲透保護劑參與茶樹抗逆響應過程。研究表明，在茶樹冷馴化期間，茶樹體內(nèi)的NSC 含量顯著增加，且在馴化后達最大值，是馴化前的3倍；同時，可溶性還原糖含量同樣顯著升高，其中，Suc 占可溶性總糖（TSS）的80%以上，在茶樹抗寒響應中可能起關鍵作用，其可作為重要的細胞滲透物，參與茶樹葉片細胞的滲透調(diào)節(jié)。另外，在冷馴化期間，茶樹中的Glc、Fru、Rfo 和半乳糖（Gal）含量均有不同程度的增加，而淀粉含量則顯著降低。綜合表明，冷馴化期間，茶樹體內(nèi)淀粉降解產(chǎn)生NSC類物質(zhì)，而NSC 含量升高能促進茶樹抗寒性的提高[11]。與上述研究相似，薄曉培等[12]比較了不同茶樹品種越冬期和早春期的NSC 含量變化情況發(fā)現(xiàn)，茶樹中NSC 含量的變化趨勢與溫度變化負相關，溫度最低時NSC 含量最高，而當溫度逐漸升高后，Suc 和Glc 等NSC 含量逐漸降低，說明茶樹NSC與茶樹抗寒性密切相關。葛菁等[13]運用高效液相色譜-蒸發(fā)光散射（HPLC-ELSD） 檢測技術對皖茶91、嘉茗1 號、龍井43、平陽特早茶中NSC進行了檢測，結果顯示，氣溫在1—2 月達到最低點時，F(xiàn)ru、Glc和Suc含量均顯著增加，并且NSC含量由大到小依次為皖茶91、龍井43、平陽特早茶、嘉茗1號，與其抗寒性強弱一致，可見低溫條件下茶樹體內(nèi)積累Fru、Glc和Suc，并且NSC含量越高，其抗寒性越強。另外，Qian等[14]對茶樹進行短時低溫處理，并測定NSC 含量后發(fā)現(xiàn)，茶樹葉片中NSC 類，TSS、Suc、Glc和Fru 含量均隨低溫處理時間延長而逐漸上升；恢復常溫后，這些糖類物質(zhì)含量又逐漸降低。楊小青等[15]研究發(fā)現(xiàn)，盆栽茶苗葉片中的Suc含量在低溫條件下呈上升趨勢，且隨處理時間延長含量逐漸升高。另外，外源噴施10.00 mmol/L γ-氨基丁酸（GABA）、0.22 mg/mL綠藻粉及2.50 mg/mL 竹醋液能顯著提高茶樹葉片中的Suc含量。這些滲透物質(zhì)的增加能顯著調(diào)節(jié)葉片細胞滲透壓，保護膜穩(wěn)定性，增強細胞抗逆能力。外源噴施5-氨基乙酰丙酸同樣能提高低溫脅迫下茶樹葉片中的NSC含量[16]。

除響應低溫脅迫外，NSC 在茶樹干旱脅迫響應中同樣具有重要作用。在輕度干旱脅迫下，茶樹原生質(zhì)體脫水會導致細胞彈性和黏度增加，從而增強茶樹抗旱性，但在重度干旱脅迫下，茶樹會因原生質(zhì)脫水過多而導致細胞損傷或死亡。王小萍等[17]對福鼎大白茶、特早213，以及3 個野生茶樹品種S-1、T-1 和D-1 進行自然干旱處理發(fā)現(xiàn)，福鼎大白茶、特早213、S-1、T-1 這4 個品種在干旱處理14 d后NSC含量達到最大值，分別為CK的1.80、1.12、1.45、4.52 倍，但隨處理時間延長，NSC 含量均逐漸降低；D-1 則在處理7 d 時達到最大值，約為CK的1.62倍，隨后，NSC含量逐漸降低。另外，羅靜等[18]對5個茶樹優(yōu)良品系進行重度干旱處理時發(fā)現(xiàn)，5 個品系中NSC 含量分別為CK的1.75、1.51、2.36、2.08、1.40 倍，綜合評估發(fā)現(xiàn)茶樹NSC 含量與其抗旱性呈正相關。此外，干旱脅迫下，茶樹中的NSC 含量還受外源激素或無機物的調(diào)控。周琳等[19]對干旱脅迫下的茶樹進行外源脫落酸（ABA）處理發(fā)現(xiàn)，NSC 含量在輕度干旱時升高不顯著，但重度干旱脅迫下茶樹中NSC含量顯著升高，且外源噴施ABA的茶樹中NSC含量較對照茶樹中要高，說明茶樹NSC 能響應干旱脅迫，并且外源ABA能調(diào)控干旱脅迫下NSC含量的增加，從而提高茶樹抗旱能力。符姿[20]對干旱脅迫下的茶樹進行外源硫化氫（H2S）處理后發(fā)現(xiàn)，茶樹扦插苗中NSC 含量受干旱脅迫顯著提高，且不同外源H2S 處理后，NSC 含量較干旱處理增加51.86%～101.65%，茶樹抗旱能力提高。

鹽脅迫處理下，茶樹中NSC 含量同樣會發(fā)生變化。胡國策[21]研究發(fā)現(xiàn)，酸、堿、鹽和鹽堿脅迫下茶樹葉片中的NSC 含量顯著提高，其中，鹽堿脅迫下NSC 含量增加最多，顯著高于酸、堿脅迫。南雪芹[22]研究也發(fā)現(xiàn)，NaCl 脅迫處理下茶樹葉片中NSC 含量升高，而且接種叢枝菌根真菌可顯著提高NaCl 脅迫下茶樹葉片中的可溶性物質(zhì)含量。

2 NSC作為ROS清除劑參與茶樹抗逆響應

NSC 不僅是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，還是植物中重要的ROS 清除劑，可直接參與植物中ROS 清除，或通過介導植物中抗氧化物質(zhì)的合成間接參與植物逆境下積累的ROS清除[23]。如圖2所示，植物在遭受生物或非生物脅迫時，植物體內(nèi)的Suc、Glc 和Rfo 家族寡糖含量以及糖轉運體基因（SU-Ts和MSTs）表達量升高，從而促進了細胞內(nèi)抗氧化物質(zhì)〔果聚糖、花青素、谷胱甘肽（GSH）和抗壞血酸〕含量的升高，進而提高了ROS 的清除能力[24-29]。此外，外源Suc 不僅能夠調(diào)控植物體內(nèi)相關酶（苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶和芥子酶）的活性，而且能夠提高多酚類化合物的含量[30-32]。值得一提的是，Tre具有保護細胞內(nèi)抗氧化酶活性、維持細胞正常生理功能以及穩(wěn)定脫水生物膜、干燥蛋白質(zhì)的作用，能有效防止自由基對細胞的損傷[33-34]。

圖2 NSC作為ROS清除劑作用模式圖

與其他植物一樣，茶樹在逆境脅迫條件下同樣伴隨著ROS 的大量產(chǎn)生。為清除過量的ROS，茶樹體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。其中，NSC中的SS類物質(zhì)被報道可作為重要的ROS清除劑參與茶樹逆境響應過程。石玉濤等[35]在對武夷名叢茶樹種質(zhì)資源中的茶多糖體外抗氧化活性研究中發(fā)現(xiàn)，茶多糖能夠參與清除DPPH·和·OH自由基。其中，茶多糖中起抗氧化作用的組分主要包括中性糖、糖醛酸以及一些蛋白質(zhì)成分，而中性糖主要包括Glc、阿拉伯糖、Gal 和鼠李糖，說明上述NSC 類物質(zhì)可能作為重要的抗氧化劑參與茶樹逆境脅迫響應。另外，茶樹中的原花青素（PAs）屬于典型的抗氧化劑，具有極強的抗氧化能力。Wang等[36]通過對促進PAs積累的MYB（SI-MYB）轉錄因子研究發(fā)現(xiàn)，茶樹中PAs 的生物合成受到MYB等多種MBW復合物的調(diào)控，其中Suc誘 導 的MYB （SIMYB） 轉 錄 因 子 基 因（Cs-MYB5b）在煙草中過表達后能上調(diào)表達關鍵靶基因LAR和ANRs，從而加速PAs的合成和積累；此外，在擬南芥tt2突變體中外源過表達該基因，能恢復擬南芥突變體種皮中PAs 的合成功能，表明Suc 能通過誘導CsMYB5b的表達進而促進PAs 的積累，從而提高茶樹的抗氧化能力和抗逆能力。同樣，Qian等[37]研究發(fā)現(xiàn)，外源Suc處理茶苗有利于多酚類物質(zhì)的積累，其中包括花青素、兒茶素和PAs 等，同時發(fā)現(xiàn)隨Suc 含量的增加，花青素、兒茶素和PAs總含量增加，并且在處理14 d后積累量最為顯著。此外，韓亞惠[38]在對Suc處理后的茶樹進行RNA-Seq后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Suc誘導后，茶樹中類黃酮代謝途徑中的很多結構基因和參與類黃酮生物合成的第五亞族的MYB 類轉錄因子基因上調(diào)表達，而第四亞族中的MYB 轉錄因子下調(diào)表達，其中CsMYB5a、CsMYB5b和 靶 基 因CsLAR、CsANR在Suc 處理后顯著上調(diào)表達。其進一步通過sRNA-seq 和降解組測序分析發(fā)現(xiàn)，外源Suc 處理后共有26 個差異表達的miRNA。預測結果顯示， 差 異 表 達miRNA 中CsC4Hb、Cs4CLc、CsCHla和CsLARb基因參與調(diào)控兒茶素生物合成。綜合表明，外源Suc能通過誘導類黃酮合成代謝相關基因的表達進而促進茶樹兒茶素和PAs的合成積累，從而提高茶樹抗氧化能力。除此之外，岳川等[39]研究發(fā)現(xiàn)，茶樹谷胱甘肽還原酶基因Cs-GRs能夠響應低溫（4 ℃）、10%PEG、NaCl 和ABA，并且在4 ℃和10%PEG 脅迫下茶樹細胞內(nèi)GSH 含量增加，同時，NSC 中的Glc、Suc、果聚糖和Tre等含量也呈上升趨勢，推測這些物質(zhì)可能參與了GSH 合成途徑或能夠誘導谷胱甘肽還原酶基因CsGRs表達，從而促進茶樹中GSH 的積累，最終提高茶樹抗氧化能力。

3 NSC作為糖信號分子參與茶樹抗逆響應

除上述功能外，NSC中的Suc、Glc和Fru等還能作為糖信號分子，通過調(diào)控基因表達以及相關酶活性參與植物抗逆響應[40-41]。目前，糖信號調(diào)控網(wǎng)絡機制是植物抗逆響應研究的一大熱點。其中，海藻糖-6-磷酸（T-6-P）、葡萄糖感應器——己糖激酶（HXK）、蔗糖非發(fā)酵激酶（SnRK1）、雷帕霉素（TOR） 是糖信號調(diào)控網(wǎng)絡的核心元件[42-44]。不僅如此，在逆境脅迫下，蔗糖特異信號途徑能誘導果聚糖、花青素和Pro的積累，從而達到增強植物抗氧化能力的效果[45-46]，并且Suc 信號能夠調(diào)控果實成熟以及誘導抗寒基因COR78的表達上調(diào)[47-48]。

此外，植物體中存在一種依賴于TOR 激酶的Glc信號，該信號能通過轉錄調(diào)控和翻譯后修飾兩種方式參與調(diào)控細胞自噬水平[49]。與之類似，Glc信號途徑能夠依賴于HXK 介導多種植物激素的合成和代謝。如圖3所示，HXK接收Glc信號后，基因HXK1上調(diào)表達，進而誘導ABA 合成相關基因（NCED、ABAs、CYP707s和AAOs等）表達上調(diào)，并促進了ABA的生物合成。ABA含量的升高一方面能通過誘導氣孔關閉增加脫水抗性以及抗病性，另一方面能通過誘導很多抗性基因（DREB、ABI3、FKBP12、PUBP12、PUBP13和SARK等）的上調(diào)表達以參與植物抗逆響應。此外，HXK能抑制細胞分裂素（CK）生物合成，且HXK1的上調(diào)表達可能還會影茉莉酸（JA）和水楊酸（SA）的生物合成，從而影響下游基因的表達調(diào)控，最終介導植物的抗逆響應過程[50-51]。

圖3 葡萄糖信號-植物激素信號互作及植物激素響應逆境脅迫模式圖

目前，有關茶樹中NSC 作為糖信號分子參與抗逆響應的分子調(diào)控機制研究還不夠深入，尚處于NSC 代謝相關基因的鑒定、表達分析和功能初探階段，而糖信號與激素等的交互研究也相對較少。其中，馮霞等[52]研究發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下，茶樹中的CsCIPK12和CsKIN110在成熟葉中的表達顯著上調(diào)，同時對茶樹成熟葉進行外源Glc 以及Suc 處理發(fā)現(xiàn)，CsCIPK12與CsKIN110表達上調(diào)，表明二者可能通過糖信號途徑參與了茶樹抗寒響應。另外，陳江飛等[53]和李娜娜等[54]對茶樹己糖激酶基因CsHXK1和CsHXK2啟動子進行研究發(fā)現(xiàn)，二者啟動子中均含有糖信號轉導相關的順式作用元件，推測茶樹中Glc 或Fru 信號可以誘導抗逆基因CsHXK1和CsHXK2的表達，從而提高茶樹抗逆性。岳川[11]對CsHXK3啟動子分析發(fā)現(xiàn)，該基因啟動子中包含糖抑制響應元件和多種逆境響應元件，表明該基因可能受己糖信號調(diào)控并參與茶樹抗逆響應。

此外，蔗糖非發(fā)酵蛋白激酶2（SnRK2）基因能通過ABA 依賴和非依賴途徑參與植物非生物脅迫響應。目前，茶樹中已克隆獲得8 個SnRK2基因。其中，CsSnRK2s基因能響應高鹽和干旱脅迫， 而CsSnRK2.1、CsSnRK2.5、CsSnRK2.6、CsSnRK2.7、CsSnRK2.8能響應ABA信號[55]。盡管茶樹中有關糖信號與SnRK2基因之間關系的研究較少，但前期有研究發(fā)現(xiàn)己糖信號能調(diào)控CsSnRKs表達以參與抗逆響應，而且CsHXKs能與ABA 信號協(xié)同參與抗逆響應，推測茶樹中糖信號可能也能通過CsSnRKs基因達到與ABA 信號協(xié)同參與茶樹抗逆響應的作用。

4 總結與展望

綜上所述，NSC 參與茶樹逆境響應的生理生化機制研究已取得一系列成果。本文從生理生化層面系統(tǒng)綜述了NSC 在茶樹逆境響應中的滲透保護、ROS 清除以及糖信號分子功能。然而，如本文所述，茶樹中關于NSC 作為ROS 清除劑和糖信號分子的研究尚淺，主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是關于Suc、Tre 和果聚糖等自身具有抗氧化能力的NSC 在茶樹中的抗氧化機制尚未深入研究；另一方面是茶樹中一些糖信號途徑，如蔗糖特異信號途徑、HXK 介導的ABA 信號途徑和Glc-TOR信號途徑等均與茶樹逆境脅迫響應息息相關，但目前上述信號途徑在茶樹中的研究尚未開展。因此，為全面解析NSC的抗逆功能，未來應注重探究茶樹中糖信號對逆境響應的精細調(diào)控機制。