木薯抗旱機制研究進展①

孟富宣等

摘 要 從木薯營養(yǎng)器官特性、生理生化特性、抗旱分子生物學(xué)與抗旱基因等3個方面對國內(nèi)外木薯抗旱和耐旱機制及研究現(xiàn)狀進行綜述，提出了今后研究木薯抗旱機制的重點和方向。

關(guān)鍵詞 木薯 ；抗旱機制 ；干旱脅迫 ；研究現(xiàn)狀

分類號 S533

木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯類作物之一，屬大戟科木薯屬，原產(chǎn)于南美洲亞馬遜河流域[1]，是一種雌雄同株的多年生灌木，粗生易栽，生長快，產(chǎn)量高，適應(yīng)性強，用途廣，在旱地農(nóng)業(yè)中占有重要地位。距今有近5 000 a的栽培歷史，目前世界上約有100個國家和地區(qū)種植木薯，非洲、亞洲、拉丁美洲、加勒比海地區(qū)是木薯主產(chǎn)區(qū)，非洲種植面積最大，亞洲次之。19世紀(jì)20年代木薯傳入中國，主要在廣東、廣西和海南種植，現(xiàn)在已逐步擴大到云南、福建、貴州等省。目前世界木薯產(chǎn)量約2.69億t，其中非洲占56.11%，亞洲和美洲分別占34.50%和9.39%[2]。一些非洲國家種植木薯是為了滿足日常生活，美洲和亞洲地區(qū)則用作飼料和生物乙醇的生產(chǎn)原料。

干旱是制約作物產(chǎn)量的全球性非生物因素，由于水資源和耕地面積的限制，在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，耐旱作物的選擇和邊際土地的利用顯得越來越重要[3]。全球干旱面積在不斷擴大，世界上還有很大一部分地區(qū)將面臨干旱。而木薯具有在半干旱、干旱地區(qū)生長的固有能力，能在土地貧瘠，長期干旱無雨的環(huán)境下生長，而且還有3～5 t/hm2的產(chǎn)量，被稱為“饑荒儲備作物”，是具有緩解全球氣候變化潛力的主要作物。雖然木薯是公認的能承受一定水分脅迫的作物，但對其抗旱機制缺乏系統(tǒng)全面的研究，筆者簡述國內(nèi)外木薯抗旱機制研究現(xiàn)狀，提出今后研究的重點和方向。

1 木薯營養(yǎng)器官抗旱特性研究

1.1 莖葉

木薯莖葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其變化與其抗旱特性有著密切關(guān)系。首先，木薯莖葉具角質(zhì)層、柵欄組織緊密，可以降低水分散失，提高光合效率。其次，木薯葉片對空氣濕度反應(yīng)十分敏感，無論土壤是否缺水，空氣干燥時氣孔也會迅速關(guān)閉，減少蒸騰、避免葉片脫水。木薯植株基部葉片能敏銳感知空氣和土壤中水分脅迫信號，并快速脫落來減少水分的蒸發(fā)；中上部葉片則通過靈活的氣孔調(diào)節(jié)和滲透調(diào)節(jié)作用，保持正常水勢和一定的光合速率[4]。干旱脅迫下，木薯葉片表面積增長速率下降甚至停滯，葉片表面氣孔關(guān)閉，植株體內(nèi)ABA（脫落酸）含量明顯升高，葉片細胞的生長及分裂也受到限制；水分脅迫解除后，又迅速重生新葉，而且葉面積指數(shù)高于受脅迫植物，這些功能的存在使得木薯能有效的抵制干旱。

1.2 根系

木薯的抗旱性與木薯根系生長特點關(guān)系密切。木薯的纖維根分布深廣，能吸收到2.6 m深的土壤水分；根系的向性生長特點，使分布深廣的須根系能在重度干旱時保持高效率的根系功能和水分利用率[4]。在干旱脅迫時，通過根系膨大和深生根系避免缺水。生產(chǎn)上根系發(fā)育情況是影響木薯抗旱性的主要因素，其根系生長勢愈強，入土愈深，利用土壤深層儲水就愈充分，耐旱能力也愈強；地上器官維持正常代謝所需要的含水量愈低，在受旱時生長發(fā)育所受的影響也就愈小，忍耐干旱的時間也就愈長，對水分利用也就越充分。土壤水分含量恢復(fù)后，植株很快恢復(fù)生長。木薯根部能感應(yīng)水分脅迫信號、體內(nèi)生理指標(biāo)及代謝發(fā)生相應(yīng)的變化以抵制干旱帶來的威脅，但是其信號傳遞及指標(biāo)變化機制尚不明確。

2 木薯抗旱生理生化特性研究

2.1 水分代謝及滲透調(diào)節(jié)

木薯可以承受短期內(nèi)的干旱，也能承受長達4～6個月的持續(xù)干旱。木薯主要是通過快速關(guān)閉氣孔來響應(yīng)干旱刺激避免脫水、減少蒸騰并保持較高水勢[4]。木薯以葉片生長和光合作用都接近零的方式響應(yīng)干旱；恢復(fù)水分狀況后，又立即開始光合作用和生長，這使得木薯能適應(yīng)周期性缺水和長期干旱的環(huán)境。木薯具有突出的水分及養(yǎng)分利用效率，特有形態(tài)特征、生理生化調(diào)節(jié)方式，并以此度過嚴(yán)酷干旱期，雨季到來后迅速恢復(fù)生長發(fā)育，補償旱期減少的光合產(chǎn)物，有效利用有限的水分，只要有足夠的生長期（至少10個月以上），木薯在旱季的減產(chǎn)就可由雨季補回。在未受到致死水分脅迫情況下，水分恢復(fù)后，其葉的增長、氣孔開閉、ABA含量及葉片細胞生長和分裂等方面都立即恢復(fù)正常生長狀態(tài)[5]。

2.2 光合作用

木薯葉片生長狀態(tài)是植株對干旱反應(yīng)最直觀的表現(xiàn)，F(xiàn)v/Fm值是能夠直接反映植物葉綠體PSⅡ最大（潛在）的光化學(xué)量子效率[6]，是抗旱性能的量化指標(biāo)，二者結(jié)合可表征植物的抗旱性能。據(jù)此，于曉玲等[7]利用葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)對3個木薯品種的生長特性變化、葉片狀態(tài)、葉片F(xiàn)v/Fm及ABA含量變化進行測定分析發(fā)現(xiàn)，3個木薯品種耐旱能力SC5>SC8>SC124。干旱脅迫下，光合作用的脅迫反應(yīng)尤為明顯。重度干旱時，葉綠體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，胞間CO2濃度持續(xù)降低，光合電子傳遞系統(tǒng)被破壞，光合作用關(guān)鍵酶活性下降，從而導(dǎo)致光合速率下降，且重度干旱脅迫導(dǎo)致的光合速率下降是不可逆的[8]。在正常供水和中度脅迫下木薯SC8和SC205葉片的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均隨著光照強度增加而增大[9]。對于抗旱性較強的木薯品種而言，相同脅迫梯度下，脅迫反應(yīng)程度極有可能要低于抗旱性差的品種。

2.3 激素及活性氧代謝

干旱脅迫下，植株內(nèi)源ABA可以作為耐旱評價的輔助指標(biāo)。研究顯示：隨著干旱脅迫程度的增強，SC124、KU50、C4和SC8苗期內(nèi)源ABA的生物合成量增加；內(nèi)源IAA（吲哚乙酸）含量因品種不同變化趨勢不同，根系中內(nèi)源GA（赤霉素）含量均有所下降，葉片中則因品種而異；在根中內(nèi)源ZR（玉米素核苷）含量下降趨勢明顯，葉片中變化趨勢是先下降后上升[10]。植物根系是多種植物激素的主要生物合成器官，根系中內(nèi)源激素含量的變化規(guī)律比葉片更具代表性。干旱脅迫下， 不同激素的比值均發(fā)生不同程度改變，激素間的相互平衡對植物的一系列生理活動產(chǎn)生很大影響。木薯根系中IAA/ABA、ZR/ABA可能與抗旱性能具有一定相關(guān)性；IAA/GA、IAA/ZR、GA/ABA的比值在木薯根系與葉片中均呈現(xiàn)不同程度的波動性變化，但無明顯規(guī)律性，可能與品種特性，合成激素的部位、方式、運輸方式、對干旱脅迫的響應(yīng)程度等因素有關(guān)[11]。

3 木薯抗旱分子生物技術(shù)與抗旱相關(guān)基因研究

3.1 干旱誘導(dǎo)蛋白

干旱誘導(dǎo)蛋白包括調(diào)節(jié)蛋白和功能蛋白，植物響應(yīng)干旱脅迫，誘導(dǎo)抗旱相關(guān)基因表達，合成新蛋白，提高植物耐旱性。木薯含有大量C4磷酸羧化酶（PEPC），這與田間作物凈光合速率（Pn）相關(guān)，表明了選擇高光和高速率的重要性。木薯屬于C3-C4中間型作物，除了葉片光合速率，產(chǎn)量還與其平均葉面積指數(shù)相關(guān)，在長期季節(jié)性干旱缺水、半干旱地區(qū)，作物會適應(yīng)一定抗旱脅迫，包括氣孔對大氣的敏感性、土壤水分缺乏、深生根能力、脫水蛋白的積累減少，以此防止葉片嚴(yán)重缺水[12]。噴施多效唑（PP333）顯著提高木薯的過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）及超氧化物歧化酶（SOD）的活性及脯氨酸（prol.）的含量，同時降低丙二醛（MDA）含量和電解質(zhì)滲漏率。從而證明，葉面噴施PP333可以有效提高木薯適應(yīng)干旱逆境的潛在能力[13]。木薯Cu/Zn超氧化物歧化酶（MeCu/ZnSOD）和過氧化氫酶（MeCAT1）聯(lián)合表達，延長收獲后木薯的貯藏時間和活性氧（ROS）的動態(tài)平衡，減少水分蒸騰。掌握植物氧化機制可以增強作物對干旱或冷刺激等非生物脅迫的耐受性[14]。

3.2 抗旱相關(guān)基因及轉(zhuǎn)錄因子

在過去10年中，克隆部分cDNA序列是基因發(fā)現(xiàn)的一種有效方法，各個木薯研究小組已經(jīng)完成大規(guī)模的木薯EST測序項目[15]。Sakurai[16]等從經(jīng)受干旱、高溫、酸處理的木薯葉和根克隆其全長并構(gòu)建了cDNA文庫?，F(xiàn)公開的木薯基因組序列是419.5 Mb，約包含木薯基因組（770 Mb）的54%。目前，從基因組序列已經(jīng)預(yù)測30 666個蛋白質(zhì)編碼基因，3 485個可變剪接也通過EST檢測[17]。對改良的9個木薯品種進行比較研究發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)干旱脅迫是由顯性基因控制[18]，這表明木薯有很強的抗旱遺傳基礎(chǔ)。用ESTs技術(shù)獲得了木薯第1個干旱脅迫轉(zhuǎn)錄組[3]，可用于基因芯片技術(shù)和分子標(biāo)記基因定位，以進一步剖析耐旱的分子機制。

干旱是影響許多植物生長和生理的環(huán)境制約因素，因此，這些植物都有相應(yīng)的策略來防止干旱脅迫造成的損傷。在干旱脅迫下使用高密度寡核苷酸類轉(zhuǎn)錄組分析MTAI16（KU50）、MECU72和MPER417-003三個木薯品種發(fā)現(xiàn)，有168個基因表達上調(diào)，69個基因表達下調(diào)[19]。木薯在干旱脅迫條件下，ABA和JA（茉莉酸）的相互作用以防植物水分流失。干旱脅迫下調(diào)基因歸類于基因本體（GO）即“葉綠體”或“質(zhì)體”，包括同系物喜光葉綠素a/b結(jié)合蛋白、LHCA4和葉綠體磷酸丙糖/3-磷酸轉(zhuǎn)運蛋白、APE2基因?；蛐椭g的差異表達基因，包括未知功能基因和各種功能基因，如轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶、轉(zhuǎn)運和代謝相關(guān)基因。

木薯葉片衰老誘導(dǎo)抗旱基因SAG12-IPT的表達延緩葉片衰老，提高抗旱性，并改變?nèi)~片細胞分裂素代謝[20]，以抵制干旱脅迫；IPT編碼細胞分裂素生物合成的關(guān)鍵酶，在木薯中插入SAG12-ipt，可在成熟葉片中檢測到IPT的表達[21]。miRNA在木薯抵御干旱脅迫中起著重要調(diào)控作用，采用Multiplexed RT-PCR法對miRNA進行表達量分析表明，8個miRNA在木薯干旱脅迫的2個時期及2種組織中有不同的表達模式[22]。對SC124和KU50進行DH和DNH干旱脅迫處理，抗旱相關(guān)基因miRNA差異表達，表達的組織特異性分析發(fā)現(xiàn)，根部表達量變化比功能葉中的表達量變化更顯著；且DH處理比DNH處理響應(yīng)脅迫信號誘導(dǎo)的miRNA的數(shù)量更多，表達量變化更明顯，這有可能是植株在受到干旱脅迫的馴化后，再遇到干旱時，誘導(dǎo)miRNA的脅迫信號敏感程度更高，調(diào)節(jié)生理生化反應(yīng)應(yīng)對脅迫更迅速，從而會有更強的抗旱能力。miRNA受到干旱脅迫信號的誘導(dǎo)而產(chǎn)生表達量變化表明miRNA 參與了脅迫信號響應(yīng)，與木薯的抗旱分子機制有關(guān)，miRNA研究對木薯抗旱分子機制的精細調(diào)控功能具有重要參考價值[23]。

抗旱相關(guān)基因的表達需經(jīng)歷逆境信號的接受、轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄以及功能基因的轉(zhuǎn)錄幾個不同水平的調(diào)節(jié)[24]。根據(jù)木薯干旱轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果，采用RT-PCR技術(shù)，從SC124木薯品種中克隆得到MeHDS2基因，該基因在木薯干旱處理組織中差異表達，說明MeHDS2基因參與木薯耐干旱生理過程，不同組織中的表達模式存在差異，該基因在植株自上而下第三至第四片功能葉中的表達量明顯較其他部位葉片、葉柄及根中的高，此時，植株底部葉片萎蔫或脫落，只有頂部葉片正常伸展并進行光合作用，說明MeHDS2基因在維持葉片正常的生理過程中起作用[25]。木薯海藻糖合成酶基因MeTPS1-3的表達受干旱脅迫的正誘導(dǎo)，推測其在木薯抗干旱脅迫中起重要調(diào)控作用[26]。AP2/EREBP 轉(zhuǎn)錄因子家族根據(jù)所含AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域數(shù)目分為AP2和EREBP 2個亞類，對木薯抗旱性相關(guān)的2個AP2轉(zhuǎn)錄因子基因在不同干旱脅迫下的表達差異進行研究，驗證它們與木薯抗旱性的關(guān)系；木薯的MeAP2-1基因和MeAP2-2基因的表達能夠被干旱脅迫誘導(dǎo)，這為研究木薯AP2基因在干旱脅迫中的功能具有重要的參考價值，木薯中AP2轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄表達受干旱脅迫因子所誘導(dǎo)，它可能參與木薯應(yīng)答干旱脅迫逆境的信號傳遞途徑[27]。木薯的抗旱性依賴于基因型，存在潛在的未知耐旱性遺傳基礎(chǔ)，因此從基因組學(xué)和分子機制方面研究木薯抗旱機制是目前的研究熱點。

4 展望

探討木薯的抗旱機理，認識木薯的抗旱本質(zhì)，提高水分的利用效率，改良抗旱性，是目前研究的主要方向。從分子水平上闡明木薯抗旱性的物質(zhì)基礎(chǔ)、生理功能，利用基因工程手段進行抗旱基因的重組，用常規(guī)育種與遺傳工程相結(jié)合的方法培育耐旱與高水分利用效率的抗旱新品系，這是今后的工作重點。目前對木薯抗旱性研究主要集中在表型和生理方面，對抗旱生態(tài)、分子生物、基因的研究較少。未來木薯的抗旱研究中，應(yīng)注重水分脅迫下不同部位抗旱基因與分子生物學(xué)、逆境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、抗旱基因、抗旱蛋白等方面的研究。此外，將干旱脅迫與其它脅迫交叉結(jié)合，對多種脅迫進行綜合分析研究，把表型、生理生態(tài)以及基因調(diào)控作為一個有機的整體來考慮。雖然已分離克隆到一部分木薯抗旱相關(guān)基因，但其逆境反應(yīng)涉及眾多基因，受多種途徑調(diào)節(jié)控制，進一步闡明木薯的抗旱機制，還需解決許多問題。相關(guān)研究的深入和先進技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代分子生物技術(shù)與抗旱基因等方面的深入研究，將成為木薯抗旱機制研究的熱點。

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