柑橘對(duì)水分脅迫的反應(yīng)特點(diǎn)及研究方向

張規(guī)富　謝深喜

摘要：總結(jié)和概括了柑橘對(duì)水分脅迫的生物學(xué)和生理學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)，并對(duì)這些反應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行分析。同時(shí)，就柑橘對(duì)水分脅迫信號(hào)的識(shí)別與轉(zhuǎn)導(dǎo)作了一定的闡述，在此基礎(chǔ)上提出了今后柑橘在水分脅迫下的研究方向，為進(jìn)一步深化柑橘抗旱機(jī)理研究以及節(jié)水灌溉奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：柑橘；水分脅迫；研究方向

中圖分類號(hào)：S666文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2012.06.002

柑橘是世界第一大果樹品種，其種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。柑橘是第三大貿(mào)易農(nóng)產(chǎn)品[1]，全球有135個(gè)國家和地區(qū)生產(chǎn)柑橘，有40多個(gè)國家主產(chǎn)柑橘。我國是世界柑橘生產(chǎn)與貿(mào)易大國[2]。2004 年我國柑橘的種植面積為163×104 hm2， 居世界第1位；柑橘產(chǎn)量為1 495.8×104 t， 首次超過美國，僅次于巴西， 成為世界第二大柑橘生產(chǎn)國[3]。近年來，我國柑橘產(chǎn)業(yè)品種區(qū)域化栽培和生產(chǎn)管理水平明顯提高，柑橘品種有所改善，但受自然條件、管理水平的限制，與世界先進(jìn)水平相比仍有一定差距，其中，水分是影響柑橘優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)最重要的生態(tài)因子之一。由于柑橘主產(chǎn)區(qū)大多分布在我國南方紅壤丘陵農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)， 區(qū)域50%以上的土地為低丘崗地類型，在8─10月份即柑橘果實(shí)膨大期，容易受季節(jié)性干旱的影響，加之其立地條件遠(yuǎn)不如一般農(nóng)作物，其生長發(fā)育進(jìn)程中更易受水分逆境的影響。因此，研究柑橘對(duì)水分脅迫的反應(yīng)特點(diǎn)和抗旱機(jī)理，可提高其水分利用率和利用效率，有利于發(fā)展節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效型果業(yè)[4]，從而獲得較好的果品產(chǎn)量和質(zhì)量。

1柑橘對(duì)水分脅迫的生物學(xué)反應(yīng)

1.1葉片

葉片是柑橘對(duì)水分脅迫反應(yīng)最敏感的器官。在水分脅迫條件下，葉片的生理響應(yīng)主要是更有利于其保水和提高水分利用率[5]，柑橘葉片在水分脅迫處理4 h以后，形態(tài)特征上表現(xiàn)出較為明顯的卷曲癥狀，隨著逆境脅迫時(shí)間的延長，其抗逆能力逐漸下降，導(dǎo)致葉片水分散失速度大大加快，并對(duì)生長發(fā)育產(chǎn)生不可逆損傷[6]。在水分脅迫條件下，葉片細(xì)胞與葉綠體超微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，輕度水分脅迫大部分細(xì)胞沒有質(zhì)壁分離，葉綠體基粒片層略有扭曲，排列開始紊亂；中度水分脅迫大部分細(xì)胞質(zhì)壁分離，葉綠體基粒片層排列發(fā)生變化，基粒片層之間的連接出現(xiàn)斷裂，類囊體內(nèi)腔膨大；重度水分脅迫絕大部分細(xì)胞質(zhì)壁分離，葉綠體形狀發(fā)生變化，基粒片層結(jié)構(gòu)破壞，排列紊亂[7]。

1.2根

根是柑橘吸收水分的主要器官。在水分脅迫下，柑橘根系的超微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化。中、輕度水分脅迫使根系外表皮遭受破壞，細(xì)胞形狀發(fā)生變化，內(nèi)質(zhì)電子致密程度下降，質(zhì)壁輕微分離；在重度水分脅迫下，絕大部分細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，大部分細(xì)胞器被破壞溶解[8]。這些變化都是根系適應(yīng)水分逆境，增強(qiáng)抗性的主動(dòng)響應(yīng)。

1.3枝干

枝是柑橘長葉和結(jié)果的部位，干則是中樞，都起著極為重要的作用。柑橘種類不同其枝干向量的生長也不同，對(duì)水分脅迫的反應(yīng)不一樣，抗旱性強(qiáng)的香橙受抑制的程度明顯小，抗旱性弱的化州橙受抑制程度最大，抗旱性中等的構(gòu)頭橙和文旦柚生長受抑制程度居中。水分虧缺抑制生長，是由于干旱抑制了細(xì)胞分裂，促使枝梢提早老熟而停止生長的結(jié)果[9]。

1.4果實(shí)

在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，柑橘在幼果形成期遭受水分脅迫可引起嚴(yán)重落果，在果實(shí)迅速生長的后期遭受水分脅迫可顯著減小果實(shí)的單果質(zhì)量而減產(chǎn)。因此，果實(shí)迅速生長期至成熟前是柑橘果實(shí)品質(zhì)對(duì)水分脅迫反應(yīng)的敏感時(shí)期。研究表明[10]，柑橘砂囊膨大早期，水分脅迫并未引起果皮中POD活性提高及共價(jià)鍵壁結(jié)合結(jié)構(gòu)蛋白在質(zhì)與量上的明顯改變，顯示POD介導(dǎo)的細(xì)胞壁硬化未被激活，而氨基酸組成中最明顯的變化是脯氨酸（Pro）比率大幅提高。在果實(shí)發(fā)育成熟期，果皮細(xì)胞壁代謝相關(guān)水解酶、果膠酶、纖維素酶、果膠甲酯酶的活性隨著水分脅迫的加強(qiáng)而增加，多酚氧化酶活性與果膠酶活性變化趨勢相反，果皮細(xì)胞壁代謝相關(guān)成分離子結(jié)合型果膠、共價(jià)結(jié)合型果膠、半纖維素、纖維素的含量隨著水分脅迫的加強(qiáng)而降低，水溶性果膠含量隨著水分脅迫的加強(qiáng)而增加，果皮細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)隨著水分脅迫的加強(qiáng)而加速解體[11]。

2柑橘對(duì)水分脅迫的生理學(xué)反應(yīng)

2.1氣孔反應(yīng)

氣孔是柑橘葉片水分蒸發(fā)和進(jìn)行光合作用所需CO2進(jìn)入的門戶，是氣體交換的場所。在水分脅迫下，控制氣孔開閉的決定性因素就由光照和CO2轉(zhuǎn)而成為水分。氣孔對(duì)水分脅迫的反應(yīng)有前饋式反應(yīng)和反饋式反應(yīng)。前饋式反應(yīng)指空氣濕度下降引起氣孔關(guān)閉，可以自動(dòng)阻止葉水勢的下降，因而也稱“預(yù)警系統(tǒng)”，反饋式反應(yīng)指葉水勢低于臨界值而引起的氣孔關(guān)閉，如水分脅迫引起ABA累積，從而促使氣孔關(guān)閉。引起柑橘氣孔關(guān)閉的葉水勢臨界值為-1.4～-1.7 MPa[12]。柑橘砧木的氣孔密度與其抗旱性成正相關(guān)，氣孔的大小與砧木的抗旱力成負(fù)相關(guān)，而氣孔大小與氣孔密度呈負(fù)相關(guān)，因此，氣孔密度可以用作柑橘抗旱性鑒定，而氣孔大小可以作為輔助指標(biāo)[13]。

2.2光合作用

柑橘葉片中光合色素的含量直接影響其光合能力。聶磊等[14]報(bào)道，柚樹葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)中光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)原初效率（Fv/Fm）、光系統(tǒng)Ⅱ電子傳遞量子效率（QPSII）和光化學(xué)猝滅（qP）下降，非光化學(xué)猝滅（NPQ）和熱能耗散系數(shù)（KD）升高，顯示膜系統(tǒng)和pSⅡ是水分脅迫的主要抑制位點(diǎn)。同時(shí)，光合作用是柑橘生長發(fā)育等的基礎(chǔ)，而且光合特性通常作為評(píng)估柑桔高產(chǎn)和適應(yīng)性的重要指標(biāo)。水不僅是柑橘生長的重要影響因素，也是光合作用的主要原料之一。光合作用會(huì)因低土壤含水量或低空氣濕度而降低[15-16]。水分脅迫抑制果樹的光合作用，使光合速率下降。這種影響分為氣孔因素和非氣孔因素，柑橘在輕度水分脅迫與這兩種因素有關(guān)，而中度、嚴(yán)重水分脅迫條件下光合受抑主要來自非氣孔性限制[17] 。

2.3氮代謝

在水分脅迫下，果樹通過積累一定量的溶質(zhì)，降低體內(nèi)的水勢來維持體內(nèi)的水分平衡。這些物質(zhì)包括含氮化合物（如脯氨酸、其它氨基酸和多胺等）和含輕基化合物（如蔗糖、多元醇和寡糖等）[18]。多胺和脯氨酸是生物體氮代謝過程中產(chǎn)生的具有生物活性的次生代謝物質(zhì)，多胺是生物體氮代謝過程中產(chǎn)生的一類具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿，主要包括腐胺、亞精胺和精胺。多胺參與植物生長發(fā)育的多種生理生化過程，參與膜穩(wěn)定性、自由基的清除、滲透調(diào)節(jié)[19]和礦質(zhì)營養(yǎng)等的調(diào)控，在植物對(duì)環(huán)境脅迫的適應(yīng)中起保護(hù)作用[20]。而脯氨酸是植物體內(nèi)分布最為廣泛的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在水分脅迫下迅速積累[21]。不同抗旱性的柑橘種類，脯氨酸升高的幅度差異明顯，如香橙>構(gòu)頭橙>化州橙[9]。柑橘葉片Pro在水分脅迫時(shí)產(chǎn)生積累的機(jī)理可能是與水分脅迫導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低有關(guān)。因?yàn)樵谒诌^高或過低的條件下，直接影響了柑橘葉片氣孔的開閉，使葉肉細(xì)胞與氣孔外的氣體交流產(chǎn)生阻礙，進(jìn)入葉肉細(xì)胞的氧氣量減少，使Pro降解減少，促進(jìn)了Pro積累量增加[4]。

2.4碳水化合物代謝

水分脅迫下易引起碳水化合物代謝增強(qiáng)。柑橘果實(shí)總糖含量、果實(shí)可滴定酸含量與土壤相對(duì)含水量的關(guān)系呈線性顯著負(fù)相關(guān)，柑橘中可滴定酸有著良好緩沖性，適當(dāng)?shù)目刂仆寥浪趾?，可提高果?shí)總酸的含量，而且不會(huì)造成果實(shí)pH值的顯著升高，能提高柑橘果實(shí)的適口性[4]。Treeby等[22]研究不同的灌溉量對(duì)臍橙品質(zhì)的影響，認(rèn)為通過適度控水和選擇不同砧木可以調(diào)控柑橘果實(shí)中檸檬酸的含量，提高臍橙品質(zhì)。

2.5內(nèi)源激素

果樹遭受水分脅迫后，體內(nèi)激素總的變化趨勢是促進(jìn)生長的激素減少而延緩或抑制生長的激素增多。水分脅迫下，研究較多的內(nèi)源激素是ABA。ABA是根-梢水分脅迫傳遞的信號(hào)物質(zhì)。水分脅迫促使木質(zhì)部汁液中ABA濃度增加或葉片中的ABA含量增加。ABA的生理作用主要在于促進(jìn)葉片氣孔關(guān)閉，阻止葉水勢下降，提高轉(zhuǎn)化酶活性，促進(jìn)蔗糖向單糖轉(zhuǎn)化和脯氨酸的積累，從而提高細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力[23]。茉莉酸（jasmonic acid，JA）是脂肪酸的衍生物。能誘導(dǎo)多種次生代謝物的合成，具有誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉、抑制Rubisco生物合成、影響植物對(duì)N和P的吸收以及有機(jī)物的運(yùn)輸?shù)鹊纳砉δ?。同時(shí)，JA是誘導(dǎo)抗性基因表達(dá)的信號(hào)分子，在水分脅迫下，植物通過JA的信息傳遞可有效地調(diào)整水分關(guān)系，使植物對(duì)環(huán)境水分脅迫作出積極、主動(dòng)的反應(yīng)[24]。

2.6活性氧代謝

水分脅迫下，植物葉片固定CO2的速率由于氣孔的關(guān)閉而大大降低，但其光合電子傳遞仍保持較高的速率，導(dǎo)致電子傳遞鏈組分的過度減少，從而使電子更易傳遞到O2，使O2大量減少，導(dǎo)致H2O2、O2-的積累?；钚匝踔械?OH能直接啟動(dòng)膜脂過氧化的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化物繼續(xù)分解形成低級(jí)氧化產(chǎn)物如丙二醛（MDA）等。使細(xì)胞膜流動(dòng)性下降，膜功能受到傷害，膜透性增加，導(dǎo)致果樹的生長受到損害?；钚匝跫癕DA含量增加是目前已知的水分脅迫對(duì)果樹傷害的主要生理響應(yīng)特征。柑橘葉片丙二醛（MDA）含量隨土壤水分含量的減少而顯著增加，并且與土壤水分相對(duì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，H2O2含量與O2-生成速率具有相近的變化曲線，但與土壤水分相對(duì)含量不相關(guān)，而與柑橘根系和葉片的鐵含量顯著相關(guān)[4]。

3柑橘對(duì)水分脅迫信號(hào)的識(shí)別與轉(zhuǎn)導(dǎo)

目前，關(guān)于植物細(xì)胞如何感知周圍環(huán)境水分脅迫的生理機(jī)制有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)為，細(xì)胞失水引起膨壓變化，膨壓變化是細(xì)胞感知水分脅迫的原因；另一種觀點(diǎn)為，水分脅迫作用于跨膜受體蛋白，受體蛋白的活性發(fā)生變化，從而將信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)部。膨壓降低引起的跨質(zhì)膜滲透勢的變化可能是水分脅迫反應(yīng)在分子水平的一種主要觸發(fā)器。然而，一些研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)并不存在膨壓感應(yīng)器，而可能存在滲透感應(yīng)器。雙組分系統(tǒng)是細(xì)胞中廣泛存在的滲透感應(yīng)器，由EnvZ和OmpR兩種蛋白組成。EnvZ是一種組氨酸激酶，在高滲環(huán)境下能發(fā)生自身磷酸化，起感應(yīng)器的作用；OmpR是反應(yīng)調(diào)節(jié)器，含有天冬氨酸殘基，能接受來自EnvZ的磷而被磷酸化，磷酸化的OmpR可作為轉(zhuǎn)錄因子而將來自EnvZ的信號(hào)輸出[25]。但目前在高等植物中尚未找到典型的滲透感應(yīng)器。胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)需要經(jīng)過第二信使和蛋白磷酸化過程。鈣離子是最受注目的第二信使，激素、病原激發(fā)子、機(jī)械脅迫、冷凍等環(huán)境信號(hào)均能引起胞內(nèi)鈣離子濃度升高。雖然還未見到水分脅迫影響胞內(nèi)鈣的專門報(bào)道，但水分脅迫下細(xì)胞膨壓發(fā)生變化，而鈣離子是參與膨壓調(diào)節(jié)的[26]，同時(shí)，蛋白磷酸酶在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中與蛋白激酶同樣重要，但這方面的研究還很少。

4 研究方向

利用柑橘對(duì)水分脅迫的反應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行節(jié)水灌溉技術(shù)的研究。目前，國內(nèi)外關(guān)于水分脅迫對(duì)果樹的生長、產(chǎn)量及品質(zhì)等方面的影響有許多報(bào)道，但很多結(jié)果都表明水分脅迫對(duì)果樹的負(fù)面影響。而在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，適度的水分脅迫對(duì)柑橘生產(chǎn)是大有好處的，能夠提高柑橘水分利用率和利用效率，抑制旺長，促進(jìn)成花，增大果個(gè)，提早成熟，改善品質(zhì)。柑橘在年生長周期中需水的關(guān)鍵期是果實(shí)細(xì)胞分裂期和迅速生長后期，因而，除兩個(gè)時(shí)期之外，在柑橘生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)水分脅迫反應(yīng)不敏感時(shí)期進(jìn)行節(jié)水灌溉是可行的。

利用柑橘對(duì)水分脅迫的反應(yīng)特點(diǎn)從分子生物學(xué)水平上進(jìn)行信號(hào)傳遞的研究。如柑橘到底是如何感知外界水分脅迫的信號(hào)，這一信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)又是經(jīng)過哪些途徑進(jìn)行傳遞，水分脅迫又是怎樣誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)答基因等，目前很不清楚。

從不同種的水平上研究水分脅迫的差異性。不同的柑橘品種以及同一品種在不同的土壤和氣候條件下對(duì)水分脅迫反應(yīng)存在差異，不同的品種和砧穗組合對(duì)不同程度的水分脅迫的反應(yīng)也有差異，但造成差異的內(nèi)在原因需要從分子生物學(xué)水平上進(jìn)行揭示。

檸檬酸代謝是柑橘果實(shí)有機(jī)酸積累中最主要的環(huán)節(jié)。在水分脅迫下，研究柑橘果實(shí)檸檬酸代謝的機(jī)理可為調(diào)控柑橘果實(shí)檸檬酸的含量提高果實(shí)品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳仕俏，趙文紅，白衛(wèi)東.我國柑橘的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工， 2008（3）：21-24.

[2] 何勁，祁春節(jié). 中外柑橘產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的比較與借鑒[J]. 經(jīng)濟(jì)縱橫，2010（2）：110-113.

[3] 王川. 中國柑橘生產(chǎn)與消費(fèi)現(xiàn)狀分析[J]. 農(nóng)業(yè)展望，2006 （1）： 8-12.

[4] 周靜. 紅壤水分條件對(duì)柑橘生理生態(tài)要素影響及其作用機(jī)理研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002.

[5] Almansa M S，Hernandez J A，Jimenez A，et a1.Effect of salt stress on the superoxide dismutase activity in leaves of citrus limonum in different rootstock scion combinations[J]. Biologia plantarum，2002，45（4）：545-5491.

[6] 張璇，盧志紅，何紹蘭，等. 水分脅迫條件下柑桔葉片特征光譜響應(yīng)研究[J]. 中國南方果樹，2009，38（3）：1-6.

[7] 謝深喜，劉強(qiáng)，熊興耀，等.水分脅迫對(duì)枳殼和枳橙光合作用及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（2）：234-238.

[8] 謝深喜，張秋明，熊興耀，等. 水分脅迫對(duì)柑橘葉片和根系細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：168-172.

[9] 聶華堂.水分脅迫下柑桔的生理變化與抗旱性的關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，1991，24（4）：14-18.

[10] 黃旭明，黃輝白，呂雪娟. 水分脅迫下柑桔果皮的生化變化與復(fù)水后補(bǔ)償生長的關(guān)系[J].果樹科學(xué)，1998，15（4）：301-305.

[11] 李娟，陳杰忠，胡又厘，等. 水分脅迫對(duì)柑橘果皮細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與代謝的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：486-492.

[12] 吳強(qiáng)盛，夏仁學(xué)，張瓊?cè)A.果樹對(duì)水分脅迫反應(yīng)研究進(jìn)展（綜述） [J].亞熱帶植物科學(xué)，2003，32（2）：72-76.

[13] 周利，謝深喜，吳曼穎，等. 水分脅迫下柑橘生理生化指標(biāo)的變化[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，21（6）：48-51.

[14] 聶磊，劉鴻先.水分脅迫對(duì)長期UV-B輻射下柚樹苗生理特性的影響[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2001，10（3）：19-24.

[15] Zhou Y H， Lain H M，Zhan J H.Inhibition of photosynthesis and energy dissipation induced by water and high light stresses in rice[J].Journal of Experimental Botany，2007，58（5）：1207-1217.

[16] Oula G.C4 photosynthesis and water stress[J].Annals of Botany，2009，103（4）：635-644.

[17] 陳志輝，張良誠，吳光林，等. 水分脅迫對(duì)柑桔光合作用的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，18：（2）60-66.

[18] MeCue K F，Hanson A D. Drought and salt to lerance：Towards an under standing and application[J].Trends Biotechnical，1990，8：348-362.

[19] Aziz A. Stress-induced changes in polyamine and tyramine levels can regulate proline accumulation in tomato leaf discs treated with sodium chloride[J].Physiologia Plantarum，1998，104：195-202.

[20] Bouchereau A，Aziz A，Larher F，et al. Polyamines and environmental challenges： Recent developments[J]. Plant Science，1999，140：103-125.

[21] 王娟，李德全.逆境條件下植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累與活性氧代謝[J].植物學(xué)通報(bào)，2001，18（4）：459-456.

[22] Treeby M T， Henriod R E， Beyington K B， et al. Irrigation management and rootstock effects on navel orange [Citrus sinessis（L.）Osbeck]fruit quality[J]. Agricultural Water Management， 2007，91： 24-32.

[23] 劉國琴，樊衛(wèi)國.果樹對(duì)水分脅迫的生理響應(yīng)[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2000，13（1）：101-106.

[24] Robert A，Crcelnum R A，Mullet J E. Jasmonic acid distribution and action in plands：Regulation during development and reponse to biotic and abiotic stress [J].Proc Natl Acade Soc，1995，92：4l14-4119.

[25] Wurgler-Murphy S M ，Sairo H. Two-component signal transducers and MAPK cascades[J].Trend Biochem Sci，I997， 22：172-176.

[26] Bush D S. Calcium regulation in Plant cells and its role in signaling[J].Aunu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，1995，46：95-122.