能源植物柳枝稷抗逆性研究進(jìn)展

楊淞惠+黃萍+楊冉+祁珊珊+李欣欣+杜道林

摘要：柳枝稷（Panicum virgatum L.）作為一種纖維素轉(zhuǎn)化乙醇的模式能源植物，因其適應(yīng)性強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，生物量增長(zhǎng)潛力大和對(duì)環(huán)境友好而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于柳枝稷在鹽脅迫、干旱脅迫、營(yíng)養(yǎng)脅迫及高溫脅迫等多種逆境條件下生理生化及分子方面響應(yīng)的研究進(jìn)行了概述，以期為今后更好地開發(fā)利用柳枝稷提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柳枝稷（Panicum virgatum L.）；能源植物；適應(yīng)性；抗逆性

中圖分類號(hào)：S216.2；Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）19-4513-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.001

Advances in Stress Tolerance of Switchgrass

YANG Song-hui1， HUANG Ping1，2，YANG Ran1，QI Shan-shan1，LI Xin-xin1，DU Dao-lin1，2

（1.Environmental and Safety Engineering Institute， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China；

2.Agricultural Academy of Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China）

Abstract： Switchgrass（Panicum virgatum L.） is a model crop for converting cellulose into ethanol. Due to its broad adaptability， rapid growth， high biomass potential and eco-friendly habit， switchgrass attracts more attention of scholars at home and aboard. The advances in physiological， biochemical and molecular aspects of the switchgrass responsing to stress of salinity， drought， nitrition-defeciency and heat were reviewed. It will provide a reference for the future studies on switchgrass.

Key words： switchgrass（Panicum virgatum L.）； energy crop； broad adaptability； stress tolerance

柳枝稷（Panicum virgatum L.）屬于禾本科（Gramineae）黍?qū)伲≒anicum），是起源于北美洛基山脈以東、北緯55 ℃以南大草原的高稈多年生草本C4植物。因其富含纖維素，通常被用于放牧、生態(tài)建設(shè)以及生產(chǎn)乙醇等。由于柳枝稷具有適應(yīng)性強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，生物量潛力大，對(duì)環(huán)境友好等多種優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)率先把它作為一種模式能源植物進(jìn)行系統(tǒng)研究，隨后引發(fā)了生物質(zhì)能源研究領(lǐng)域的熱潮。能源植物對(duì)逆境環(huán)境的適應(yīng)性一直是科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)，這些特征直接決定了能源植物可投放的領(lǐng)域及分布范圍。因此，研究能源植物對(duì)逆境的生理生化及分子響應(yīng)規(guī)律變得尤為重要。Louis等[1]將低地生態(tài)型柳枝稷分別種植在高、低營(yíng)養(yǎng)土地上，經(jīng)過(guò)連續(xù)3年的培育，最終發(fā)現(xiàn)在貧瘠土地上有助于C0代的篩選，而肥沃土地上則有助于C1代的篩選。Hendrickson等[2]研究了柳枝稷、紫花苜蓿和小麥草在缺水季節(jié)對(duì)水分的綜合利用率，發(fā)現(xiàn)柳枝稷高于另外兩種植物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤水分虧缺不利于柳枝稷在連續(xù)干旱的季節(jié)中存活。

本文綜述了柳枝稷對(duì)鹽分、干旱、營(yíng)養(yǎng)及高溫脅迫等多種逆境條件下的生理生化及分子方面的響應(yīng)研究，分析并比較了國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展，以期為今后的研究提供參考。

1 柳枝稷對(duì)鹽脅迫的耐性

中國(guó)從濱海到內(nèi)陸，從低地到高原分布著不同類型的鹽堿土壤，嚴(yán)重制約了中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。柳枝稷可用于水土保持和植物修復(fù)[3]，利用鹽堿地土壤進(jìn)行柳枝稷的栽培和推廣，不僅能夠充分利用土地資源，而且能篩選出耐鹽堿柳枝稷品種，可獲得巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。分析柳枝稷種子和幼苗的耐鹽性水平，能為柳枝稷的引種、育種工作提供參考。于曉丹等[5]選用0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的NaCl混合鹽和Na2SO4混合鹽溶液處理柳枝稷種子，結(jié)果表明，鹽溶液含量越高，發(fā)芽率越低，因此建議在引種栽培過(guò)程中NaCl的含量應(yīng)不高于1.2%。趙春[4]用單鹽NaCl和混合鹽溶液處理柳枝稷種子和幼苗，通過(guò)測(cè)定種子發(fā)芽率、幼苗活力、株高等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)NaCl單鹽脅迫對(duì)柳枝稷種子發(fā)芽影響較大，但低濃度（3、6、9 g/L）混合鹽溶液可以加速柳枝稷種子的萌發(fā)。杜菲等[6]選取了Blackwell、Cave-In-Rock、Sunburst、KY1625、Pathfinder 5個(gè)品種的柳枝稷，使用不同濃度的NaCl溶液處理后，測(cè)定種子發(fā)芽率、幼苗株高、鮮重等的變化，對(duì)比發(fā)現(xiàn)Cave-In-Rock、Sunburst、Pathfinder耐鹽性較強(qiáng)。這些結(jié)果界定了不同品種柳枝稷的耐鹽能力，為柳枝稷的引種、育種工作提供了參考。

除此之外，近年來(lái)有學(xué)者研究了柳枝稷應(yīng)對(duì)鹽脅迫的分子機(jī)制。Sun等[7]以1/2 MS培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，設(shè)置4個(gè)鹽含量梯度（0.10%、0.25%、0.50%、1.00%）對(duì)Alamo品種柳枝稷種子和幼苗進(jìn)行耐鹽試驗(yàn)，通過(guò)RNA提取和實(shí)時(shí)定量PCR分析了在不同鹽含量處理下12個(gè)miRNAs的表達(dá)差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)miR157是0.25%鹽含量脅迫處理下變化最大的，其他11個(gè)miRNAs的表達(dá)差異相對(duì)較小，這為柳枝稷耐鹽品種的選育提供了分子理論依據(jù)。而Wang等[8]同樣以Alamo品種柳枝稷為研究對(duì)象，在每千克干土中分別添加了1、3、5、10、15 g NaCl，測(cè)定了不同濃度處理下葉和根中APX、GSH、MDA、CAT、SOD、POD的含量，以此為基礎(chǔ)建立了柳枝稷在鹽脅迫下葉和根的響應(yīng)模型。

2 柳枝稷對(duì)干旱脅迫的抗性

缺水對(duì)植物的生長(zhǎng)有著極其重要的影響，也是限制柳枝稷生長(zhǎng)的重要因素之一[9]。干旱逆境脅迫可導(dǎo)致大部分植物各種代謝無(wú)序進(jìn)行，這些影響不僅表現(xiàn)在植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段，還會(huì)在一定程度上影響多年生植物下一年的生長(zhǎng)發(fā)育[10，11]。近年來(lái)，關(guān)于柳枝稷干旱脅迫研究引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。楊新國(guó)等[12]在研究中因地制宜，針對(duì)在半干旱黃土丘陵地區(qū)引進(jìn)柳枝稷作為能源植物生產(chǎn)的開發(fā)潛力及約束機(jī)制進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，農(nóng)田尺度晚熟柳枝稷盡管在雨熱同步期的資源利用效率上存在明顯優(yōu)勢(shì)，但在降水資源分配策略上，早熟柳枝稷表現(xiàn)出綜合的生態(tài)適宜性優(yōu)勢(shì)。干旱脅迫導(dǎo)致柳枝稷作物減產(chǎn)，主要是通過(guò)降低氣孔導(dǎo)度和抑制葉綠素光合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鄭敏娜等[13]利用透射電鏡技術(shù)研究了柳枝稷葉肉細(xì)胞葉綠體和線粒體超微結(jié)構(gòu)在水分脅迫條件下的變化，并測(cè)定了與生長(zhǎng)過(guò)程有緊密聯(lián)系的葉綠素含量和光合速率等指標(biāo)，分析了其主要生理功能對(duì)水分脅迫的響應(yīng)。結(jié)果表明，經(jīng)8 d水分脅迫后，葉綠體和線粒體的結(jié)構(gòu)均發(fā)生了不同程度的變化，且線粒體對(duì)水分脅迫的耐受性強(qiáng)于葉綠體，光合速率的高低與葉綠體的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。這些研究為柳枝稷耐旱品種的選擇、引進(jìn)和選育提供了形態(tài)學(xué)和生理學(xué)依據(jù)。Sun等[7]在對(duì)Alamo品種柳枝稷種子和幼苗的耐鹽耐旱研究中發(fā)現(xiàn)，12個(gè)miRNAs中，miR156和miR162在干旱脅迫中有明顯的表達(dá)差異。為了比較不同品種柳枝稷對(duì)干旱脅迫響應(yīng)的差異，Stroup等[14]在研究比較了低地生態(tài)型（Alamo和Kanlow）和高地生態(tài)型（Blackwell和Caddo）的柳枝稷在相同缺水條件下的不同響應(yīng)，最終結(jié)果表明低地生態(tài)型的生物產(chǎn)量更高而高地生態(tài)型卻對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)更小。這些研究為柳枝稷耐旱品種的選擇、引進(jìn)和選育提供了形態(tài)學(xué)和生理學(xué)依據(jù)。

3 柳枝稷對(duì)營(yíng)養(yǎng)脅迫的適應(yīng)性

柳枝稷屬于非糧能源作物，在邊際土地上對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用與規(guī)模化種植不僅可以合理化利用土地資源，而且能有效解決當(dāng)前生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)原料不足的問(wèn)題[15]。范希峰等[16]在2010年通過(guò)對(duì)比華北地區(qū)3種貧瘠沙化的邊際土地和3種移栽方式對(duì)柳枝稷Alamo品種幼苗的影響，得出柳枝稷能在我國(guó)華北地區(qū)穩(wěn)定存活，并可根據(jù)移栽的距離選擇不同的移栽方式進(jìn)行種植的結(jié)論。針對(duì)沙化土地中缺少營(yíng)養(yǎng)的狀況，侯新村等[17]以沙土為基質(zhì)，以Alamo品種柳枝稷幼苗為研究對(duì)象，采用三因素四水平的處理方法，探索了不同配比的氮磷鉀肥料對(duì)于柳枝稷幼苗的影響。并在此基礎(chǔ)上建立了柳枝稷苗期總生物量與氮磷鉀之間的三元二次回歸關(guān)系，得出了在沙土盆栽條件下，柳枝稷苗期最高生物量所需的最適氮素濃度為115.1 mg/kg，為柳枝稷在我國(guó)沙化土地上規(guī)模化種植提供了肥料效應(yīng)方面的科學(xué)數(shù)據(jù)。

雖然柳枝稷對(duì)貧瘠土壤具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但不同品種間也存在差異。Stroup等[14]對(duì)比了兩種生態(tài)型4個(gè)柳枝稷品種發(fā)現(xiàn)，低地生態(tài)型中的Alamo在低營(yíng)養(yǎng)處理下具有生物量高于Kanlow、Blackwell和Caddo 3個(gè)品種的現(xiàn)象。朱毅等[18]選取了包括Alamo、Kanlow、Blackwell等在內(nèi)的13個(gè)品種，用Hoagland缺氮營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，最終通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法對(duì)不同品種柳枝稷苗期氮素脅迫的耐受性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出各種品種耐缺氮脅迫性由高到低依次為：BJ-4、BJ-3、Forestburg、Pathfinder、BJ-5、Blackwell、BJ-2、Kanlow、Alamo、Cave-In-Rock、BJ-1、Trailblazer、BJ-6，為柳枝稷在貧瘠土地的推廣和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

4 柳枝稷對(duì)高溫脅迫的耐性

柳枝稷作為C4植物，與C3植物相比，具有對(duì)生長(zhǎng)溫度要求較高的特點(diǎn)。早在1985年就有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)柳枝稷生長(zhǎng)的最適溫度為30 ℃[19]，經(jīng)抗寒鍛煉后可以忍受-22～-19 ℃的低溫[20]。對(duì)柳枝稷種子進(jìn)行不同溫度（4～16 ℃）的濕潤(rùn)冷凍處理，打破種子休眠，可以大幅度提高萌發(fā)率。而較高溫度的干熱處理則會(huì)對(duì)種子造成傷害，致使發(fā)芽率降低甚至將種子殺死[21]。由此可見，高溫是柳枝稷種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的一個(gè)限制條件。雖然這方面的研究還不多，但在當(dāng)前溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重的情況下，研究仍取得了一定進(jìn)展。Brown等[22]模擬美國(guó)密蘇里州-愛荷華州-內(nèi)布拉斯加州-堪薩斯州的氣候環(huán)境，對(duì)比柳枝稷和傳統(tǒng)作物大豆、高粱、冬小麥之間的產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，柳枝稷在溫度升高3～8 ℃時(shí)收獲的生物量遠(yuǎn)大于其他作物。而Li等[23]通過(guò)RT-PCR、基因本體論等分子生物學(xué)技術(shù)從分子角度分析了柳枝稷Alamo品種在38 ℃高溫脅迫下5 365個(gè)基因的響應(yīng)情況，最終得到了在柳枝稷、大米、小麥、玉米中均有響應(yīng)的16個(gè)基因，為研究柳枝稷高溫脅迫下的響應(yīng)機(jī)制和耐高溫基因的遺傳轉(zhuǎn)化提供了參考。

5 討論

柳枝稷具有較好的耐鹽、耐旱、耐貧瘠等特性，但在一些環(huán)境相對(duì)惡劣的土地上，由于水、營(yíng)養(yǎng)等綜合因素的影響，導(dǎo)致其失去了原有的優(yōu)勢(shì)[24]。因此，為了提高柳枝稷應(yīng)用的范圍和普適性，對(duì)于柳枝稷抗逆性的研究不僅需要其表型的響應(yīng)數(shù)據(jù)，更需要深入地研究其生理及分子方面的應(yīng)對(duì)機(jī)制。同時(shí)，影響因子的交互作用也是在研究過(guò)程中需要考慮的因素。Shen等[25]研究柳枝稷細(xì)胞壁基因NAC的表達(dá)規(guī)律，嘗試通過(guò)調(diào)控NAC基因的表達(dá)來(lái)提高細(xì)胞壁的厚度以增加柳枝稷的環(huán)境耐受性。Ghimire等[26]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)柳枝稷的內(nèi)生真菌至少有18個(gè)分類群，高豐度高多樣性的內(nèi)生真菌有利于提高柳枝稷的產(chǎn)量和環(huán)境耐受性。這些研究為柳枝稷抗逆品種的開發(fā)提供了新的研究思路。隨著現(xiàn)代基因工程等生物技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)柳枝稷抗逆性的研究已逐漸深入到分子水平，有關(guān)分子層面的機(jī)理還需進(jìn)一步研究，這些都將為篩選柳枝稷抗逆新品種提供有效的科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：