缺镁胁迫对柑橘的影响研究综述（3）
——缺镁对柑橘酶活性及其他生理生化的影响

郑重禄

(福建省泉州市洛江区农业水务局 362011)

缺镁胁迫对柑橘的影响研究综述（3）
——缺镁对柑橘酶活性及其他生理生化的影响

郑重禄

(福建省泉州市洛江区农业水务局 362011)

3.4 缺镁对柑橘酶活性的影响

镁是植物多种酶的活化剂和一些酶分子的成分。由镁所活化的酶就有30多种，其种类比其它任何矿质元素均多[38]。因而，对植物的光合作用、氮代谢、糖酵解、三羧酸循环、脂肪代谢、活性氧代谢、呼吸作用等均产生影响。镁不仅能促进碳水化合物的合成与转化，还参与脂肪代谢，乙酰辅酶 A的合成需要镁；镁作为DNA多聚酶和RNA多聚酶的活化剂，而影响DNA和RNA的生物合成；在蛋白质的合成进程中，氨基酸激活酶和释放酶也需镁的活化[52]。另外，游离的Mg2+不仅能够维持细胞内的渗透势，调节很多胞内酶，还能稳定细胞膜[53]。

几乎所有能活化磷酸化过程的酶的最大活性都需要镁激活，对于磷酸激酶、磷酸转移酶，镁的活化是专性的。若供镁不足会影响CO2的同化，继而影响光合作用效率。镁在ATP或ADP的焦磷酸盐结构和酶分子之间呈桥式结合[26]，促进ATP或ADP的水解并释放出磷酸和能量，也能活化ATP酶，改变ATP酶的构象，使酶内部的结合态核苷酸更容易接近底物，进而增加活化态酶的数量[54]，促进磷酸化作用，合成更多ATP。

光合酶对光合作用非常关键，其活性直接影响光合速率，如1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBPcase）活性对光合作用的CO2羧化阶段十分重要[55]。镁对植物CO2的同化及与之相关过程的有益效应，可能是活化RuBPcase的结果。光诱导下叶绿体基质内Mg2+增多，pH提高，刺激RuBPcase活性[56]，而且RuBPcase和Mg2+结合后，增加了它对底物CO2的亲合力及最大反应速率，从而促进CO2同化，有利于糖类和淀粉的合成，缺镁势必影响这一反应。RuBPcase活性降低常被作为引起光合作用下降的非气孔因素之一。Farquhar等[31]认为高浓度CO2下，光合速率受RuBPcase再生速率的限制，饱和CO2浓度下的光合速率可以反映RuBPcase再生速率。

镁在叶绿体中还能活化 1， 5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco），驱动 1,5-二磷酸核酮糖（RuBP）的羧化，增加CO2的固定[57]。缺镁叶片中糖类和淀粉的累积，特别是六碳糖的累积，可能会对光合反应产生反馈调节作用，从而导致Rubisco含量和 C 02同化下降，Rubisco和CO2的结合减少，降低了它对CO2的Km和Vmax值[58]，从而使 C 02同化受抑，继而影响光合作用。叶片光合速率下降可能与叶片羧化效率和RuBP再生速率降低有关。

凌丽俐等[18]研究指出，缺镁导致Rubisco活性显著降低，使锦橙叶片饱和光强下最大净光合速率（Pnmax）显著降低；锦橙叶片Rubisco的再生速率显著降低，导致锦橙叶片的羧化效率和饱和CO2下的Pnmax均显著降低。彭昊阳[59]研究证实，缺镁胁迫大大降低雪柑叶片Rubisco活化酶的水平。这与杨刚华[21]在酸柚和雪柑及靳晓琳[13]在椪柑上的研究基本一致。

缺镁胁迫下，光合产物的运转受阻除与缺镁植株生长量降低（即库限制）以及韧皮部发育不良有关外，还与果糖- 1,6-二磷酸酯酶（FBPase）活性降低有关。FBPase被认为是还原戊糖磷酸途径中的重要调节酶，它对光合环的运转和光合产物的转化以及输出起着调节作用[60]。镁也是叶绿体基质FBPase和景天庚酮糖- 1， 7-二磷酸酯酶（SBPase）的活化剂[61]。光照使叶绿体基质中pH值及Mg2+浓度提高，相应地促进了FBPase和SBPase的活化，产生RuBP[62]，因而使光合作用碳反应形成的最初产物磷酸丙糖（TP）在叶绿体内可进一步形成淀粉，TP还可通过叶绿体膜上的磷酸转运体进入胞质形成蔗糖[63]。

硝酸还原酶（NR）是氮素代谢的限速酶，它催化硝酸盐还原为亚硝酸盐，进一步才能形成氨基酸和蛋白质。镁可以提高NR活性[64]，稳定合成蛋白质所必需的核糖体构型。缺镁则抑制NR活性[65]，导致根部吸收的NO3-不能顺利同化为有机氮化物，叶中氮素含量下降，根中积累氮素。缺镁使柑橘叶片中NR的活性下降，导致核蛋白体解离成小的核蛋白体亚单位，蛋白质的合成受阻，蛋白质氮占总氮的比率下降；柑橘体内核酸酶（RNase）活性提高，而核糖核酸（RNA）含量和脱氧核糖核酸（DNA）含量降低，而活性氧的净生产速率提高。

柑橘根叶中有机酸代谢十分复杂，其关键酶主要是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEP羧激酶）、柠檬酸合酶（CS）、顺乌头酸酶（ACO）和NADP-异柠檬酸脱氢酶（NADPIDH）等。线粒体中ACO参与了柠檬酸的积累过程，ACO活性若受抑制，则阻碍柠檬酸转化为顺乌头酸，而使柠檬酸积累，可能对线粒体中ACO活性有抑制作用，导致三羧酸循环（TCAC）减缓。NADPIDH与有机酸的合成、积累相关，在细胞的胞质溶胶、叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中都有发现。杨刚华[21]研究发现，酸柚和雪柑在供镁 0～2000 μ M范围之内，其根系和叶片苹果酸含量随磷酸稀醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性的增加，呈线性增加；根系柠檬酸含量随柠檬酸合成酶（CS）活性的增加，呈线性增加；缺镁叶片有更高或者相似的CS和PEPC活性；叶片柠檬酸含量随顺乌头酸酶（ACO）和NADP-异柠檬酸脱氢酶（NADP-IDH）活性的增加，呈曲线减少。由此可见，缺镁诱导的有机酸代谢酶活性变化在柑橘根系和叶片中并不相同。目前，柑橘缺镁导致有机酸代谢酶活性变化的研究甚少，有待进一步研究。

3.5 缺镁对其他离子吸收的影响

柑橘对镁的吸收，不仅取决于土壤中有效镁的含量，而且受土壤中各种离子的影响，更受植株内部各种离子拮抗作用的影响[66]。柑橘缺镁会影响体内离子平衡，这可能是与 K+、Ca2+、NH4+、 A 13+及Mn2+的竞争效应（拮抗作用）所致。低镁和缺镁条件下新叶、老叶和根部的Ca2+、 K+、Zn2+含量均较对照升高，可能是这三种离子能够代替镁的部分功能[61]。

镁与钾的关系较为复杂，存在拮抗和协同作用。土壤中高含量的钾对镁的吸收有拮抗作用，阻碍Mg2+由根系向地上部运输[67]，还产生稀释效应，降低Mg2+浓度。这可能一方面是“阳离子竞争效应”，土壤胶体对一价离子 K+的吸持力比二价离子Mg2+的高，降低了交换性镁的活动性，从而影响Mg2+的利用[68]；另一方面Mg2+对根原生质膜上的结合单位的亲和力似乎特别低，其他亲和力高的阳离子降低了Mg2+的的吸收速率[17]。Ohno等[69]研究表明，钾与镁拮抗位置在镁由根向地上部的运输部位。但也有研究者认为，只有当土壤极端缺镁时，钾才会加剧缺镁[70]。

钾浓度的大小对镁吸收的影响非常大。Narwal等[71]研究表明，在钾的浓度为25mg／L时，钾与镁为协同关系。低钾水平时，低量的镁能促进植物对钾的吸收；当土壤中的镁已能满足植株正常生长需求，而钾不足时，施用镁肥相对降低了对钾的吸收，植物中镁的含量比钾含量高得多[72]。当土壤中的镁和钾均不能满足植物的生育需求时，增施钾肥会导致缺镁。李国良等[73]研究发现，当土壤有效钾含量中等，有效镁含量缺乏时，在施用钾肥（K2O）340.2kg／hm2基础上配施镁肥（MgSO4）22.5和45.0kg／hm2，沙田柚果实产量提高 1.2%～18.7%。章明清等[74]研究表明，在赤砂土和灰泥田单施钾肥或镁肥柑橘的产量均为最低，在施用钾肥基础上配施镁肥（MgSO4）40kg/ hm2和80kg/hm2，灰泥田平均分别增产 2.2%和 7.5%，赤砂土则增产 2.3%和 9.1%。因此，在柑橘园大量施用钾肥或土壤钾含量较高时，应考虑增施镁肥。镁与钾的关系已有一定研究，但真实的情况仍有待大量细致的研究。

镁作为钙的同一族化学元素，其化学性质与钙有许多相似之处。然而，镁在强酸性土壤中的迁移能力和强度比钙要大得多[75]。通常土壤中的活性镁含量比活性钙含量低得多，并存在着离子间的拮抗作用，但Mg2+在胶体上的吸附位置与Ca2+发生互相穿插，因而发生的抑制作用相对较小[76]。由于镁与钙二者在质外体交换位点上产生竞争，在液泡负电荷平衡上，两者可相互替代[26]。土壤中钙含量过高能降低植物对镁的吸收。椪柑缺镁使根、茎、叶中Ca2+的浓度升高，从而代替镁的部分功能[13]，Ca2+在植株体内的过量积累，抑制了对Mg2+的吸收，从而降低了镁含量。

一般认为施钙高浓度会抑制镁的吸收而导致缺镁，只有把钙镁比率控制在一个有效范围时，对镁的吸收才会增加[77]。酸性土壤施用过量石灰，也会抑制对镁的吸收，其原因可能是Ca2+抑制根系向地上部转运镁，镁在根系的相对累积，对Mg2+的吸收具有负反馈调节作用[78]。但也有试验表明[66]，在供钙浓度一定范围内，Mg2+吸收速率在不同供钙浓度下几乎十分稳定，Ca2+并不与Mg2+拮抗或协助。可能是由于Mg2+在植物体内具有移动性，可以被利用，因此镁反应浓度较宽。

酸性土壤中的 H+、Al3+，特别是活性铝[Al3+、 A 1 (OH)2+]对植物体内的镁含量有负效应，能明显抑制根系对镁吸收，从而诱导植物缺镁[61]。土壤施镁可以抑制Al3+胁迫下植物根尖的损伤，减轻对植物的毒害[26]，提高酸性土壤植物对铝毒害的耐性。而镁与磷协同作用，可增强植物的耐铝性[79]。

NH4+对镁的吸收也产生拮抗作用，可能是植物吸收NH4+后，根际pH值降低， H+拮抗了Mg2+的吸收[80]。因此氮肥形态中NH4+比例过大容易导致缺镁。几种氮肥施用的镁肥效应大小顺序为(NH4)2SO4＞CO(NH)2＞NH4NO3＞Ca(NO3)2[81]。缺镁时偏施铵态氮肥也会加速缺镁症状的发展。缺镁有时还加剧缺锌和缺锰（Mn2+）。Mn2+在根系的相对积累对植物吸收Mg2+也具有负反馈调节作用[26]。有关柑橘缺镁对其他养分元素吸收效应和相互之间关系的研究仍较少，还有待进一步研究。

3.6 缺镁对柑橘基因表达和蛋白质组学的影响

缺素影响植物的正常生长发育，引起一些生理生化过程的改变，可导致蛋白质种类和数量发生大的改变[82]。杨刚华[21]研究指出，供镁并不显著影响酸柚和雪柑根系总的可溶性蛋白质的含量；在 0～50 μ M镁处理下，酸柚和雪柑根系总的可溶性蛋白质含量无显著性差异，而在500～2000 μ M镁处理下，雪柑根系总的可溶性蛋白质含量稍高于酸柚根系。缺镁对酸柚叶片总的可溶性蛋白质含量的影响强于对雪柑的影响，雪柑叶片在 0～500 μ M镁处理下总的可溶性蛋白质含量高于酸柚。

彭昊阳[59]研究了镁缺乏对雪柑幼苗根和叶蛋白组学的影响。结果表明，雪柑根叶差异蛋白可分为 8类：碳水化合物与能量代谢、蛋白质代谢、核酸代谢、脂质代谢、生物调节与信号传导、胁迫响应、细胞壁与骨架代谢、功能未知蛋白等。缺镁胁迫使雪柑叶片中有89个蛋白发生了改变，其中上调58个，下调31个；根系中有32个蛋白发生了改变，其中上调20个，下调12个。镁缺乏增加了雪柑叶片呼吸、降低了根系呼吸；上调参与逆境响应的蛋白，如抗坏血酸过氧化物酶（APX）、Cu/ Zn SOD、醛酮还原酶（AKR）、硫氧还原蛋白（Trx）、热激蛋白（HSP70）等胁迫相关蛋白的水平和细胞壁、细胞骨架代谢的蛋白（肌动蛋白1、TUBG 1、绒毛蛋白3和ClassⅡ- 1肌球蛋白）水平。同时，导致雪柑幼苗叶片核酮糖- 1， 5-二磷酸羧化酶／加氧酶（Rubisco）、Rubisco活化酶、放氧增强蛋白1（OEE 1）、类光合电子传递蛋白、以及光合电子传递链的末端氧化酶FNR（铁氧还蛋白-NADP+还原酶）等多种参与光合作用的酶水平下降，这可能是缺镁使雪柑叶片光合下降的原因。由此可见，雪柑根叶对缺镁胁迫的响应并不相同。

镁在植物基因组的稳定性中发挥着重要的作用[83]。缺镁胁迫会使植物核酸含量下降，对RNA的影响比DNA更大[84]。有些正常情况下不表达的基因得到表达，很多正常情况下表达的基因由于缺镁而沉默。靳晓琳[13]研究表明，椪柑根系对缺镁胁迫的响应涉及碳水化合物代谢、细胞组织合成、逆境响应、生长发育、氧化还原代谢、蛋白质代谢、信号转导、转录翻译和转运等，其中碳水化合物代谢的尿黑酸叶绿醇转移酶基因（HPT基因）、短链醇脱氢酶、DTDP-葡萄糖- 4， 6-脱水酶基因、磷酸葡萄糖变位酶基因和涉及元素吸收的富含半胱氨酸重复序列分泌蛋白基因和紫色酸性磷酸酯酶基因表达上调；而椪柑叶片对缺镁胁迫的响应涉及细胞组织合成、碳水化合物代谢、光合作用、生长发育、信号转导、逆境响应、代谢、转录、翻译、转运等；椪柑根叶中与缺镁胁迫相关的多聚泛素基因、钙依赖性脂质结合的蛋白编码基因上调表达，缺镁胁迫下，F-box结构域蛋白、富含亮氨酸重复序列（LRR）型类受体蛋白激酶以及细胞色素 P450基因、早期响应脱水基因在椪柑根和叶中上下调表达结果相一致。由此推测，柑橘缺镁时通过不同分子水平和多条生理代谢途径协调作用来抵抗缺镁胁迫逆境的威胁。

4 结语

综上所述，近年来柑橘缺镁胁迫的研究得到了越来越多的重视，取得了一定的进展。但相对于其他农作物而言，柑橘缺镁胁迫的研究仍处在一个较低水平。迄今为止，有关缺镁胁迫对柑橘激素含量的变化及其激素之间的相互作用、有机酸代谢及其酶活性变化和柑橘缺镁胁迫适应机制，其中的信号转导和调控机制等的研究未见报道，对Mg2+如何在柑橘体内循环的机理尚不清楚，特别是在分子机理研究方面还有待深入。

在今后的研究中应注重柑橘缺镁生理方面的研究，如缺镁胁迫对柑橘激素、有机酸代谢的影响、柑橘缺镁下糖分作为信号分子的调控、长距离运输以及分配的研究，缺镁胁迫下柑橘活性氧代谢的分子机制、缺镁柑橘体内离子平衡机制及镁与其他养分元素间交互作用的生理学研究等。围绕柑橘缺镁胁迫下的膜稳定性机制、膜损伤机制、信号转导机制和适应机制，如何引发内部的调控机制去适应这种逆境、缺镁胁迫下蛋白质合成相关酶和蛋白质合成的关系以及基因表达水平的调控等方面进行重点研究。以期明确柑橘缺镁胁迫生理机制，从分子水平上揭示柑橘耐缺镁胁迫的分子机制，探明柑橘缺镁胁迫应激反应和逆境阈值，为柑橘生产中有效调控，优质、高效栽培提供坚实的理论依据。

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