植物抗旱性研究進(jìn)展

賴金莉， 李欣欣， 薛 磊， 陳凌艷， 榮俊冬， 何天友， 鄭郁善，

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建福州 350002； 2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建福州 350002

干旱是指植物耗水量大于吸水量時(shí)體內(nèi)出現(xiàn)水分虧缺的現(xiàn)象，抗旱性則是指植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中對(duì)水分虧缺的適應(yīng)和耐受能力[1]。在當(dāng)今氣候變化的大環(huán)境中，干旱被認(rèn)為是影響植物生長(zhǎng)的主要脅迫。植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和再生產(chǎn)都需要充足的水分；大約1/3的陸地面積是干旱和半干旱的，而在其他大部分地區(qū)也經(jīng)常發(fā)生不定期的氣候干旱[2]。干旱作為一種多維脅迫，能夠引起植物從表型、生理、生化再到分子水平的一系列變化。嚴(yán)重的干旱可導(dǎo)致光合作用的終止和新陳代謝的紊亂，最終導(dǎo)致植物的死亡[3]。因此對(duì)于植物的抗旱性研究顯得尤為重要，探索植物的抗旱性對(duì)研究植物的耐旱機(jī)制及培育耐旱植物新品種具有重要意義。本文將從植物的抗旱形態(tài)結(jié)構(gòu)、抗旱生理生化特性及抗旱基因表達(dá)3個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1 植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與抗旱性

植物在遭受干旱脅迫后，首先外部形態(tài)會(huì)發(fā)生一系列的變化。根系是植物吸收水分的主要器官，與植物的抗旱性有密切關(guān)系，可以通過(guò)調(diào)節(jié)自身生長(zhǎng)發(fā)育、對(duì)水分的吸收和運(yùn)輸從而使植物對(duì)干旱脅迫產(chǎn)生適應(yīng)性。植物根系的水分特征可以反映植物在結(jié)構(gòu)上對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，因此可以用來(lái)衡量植物的耐旱性和抗旱性。葉片是植物在進(jìn)化過(guò)程中對(duì)干旱較敏感的器官，因其可塑性較大，葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化必然會(huì)導(dǎo)致植物生理生化特性的改變，因此葉片形態(tài)性狀的變化能體現(xiàn)植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力[4]。在干旱脅迫下，植物葉片的形態(tài)和生理方面主要表現(xiàn)為減少水分的損失和提高水分利用效率[2]。植物具有較厚的葉片和角質(zhì)層以及較大的葉肉細(xì)胞表面積等特征，可以增強(qiáng)儲(chǔ)水能力，降低蒸騰速率，從而提高光合效率，最終表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性[5]。氣孔是植物葉片在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，是植物與外界環(huán)境進(jìn)行氣體和水分交換的重要器官，它可以確保植物在光合作用中最大限度地吸收CO2，同時(shí)控制最佳的蒸騰作用，在植物生命活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用。因此氣孔調(diào)節(jié)也是植物抵御干旱逆境的機(jī)制之一[6]。

2 植物生理生化與抗旱性

2.1 水分生理

植物葉片相對(duì)含水量和葉片水分虧缺是反映植物葉片水分狀況和水分虧缺程度的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，干旱脅迫會(huì)使耐旱植物葉片相對(duì)含水量降低[7-8]，但是有的研究也發(fā)現(xiàn)植物葉片相對(duì)含水量在干旱脅迫下不會(huì)下降[9]，葉片相對(duì)含水量對(duì)干旱的響應(yīng)也會(huì)因植物的不同而存在差異，但是一般都具有普遍性，即葉片含水量在干旱脅迫下是逐漸下降的。

植物體內(nèi)水分存在形式也是影響抗旱性的重要因素，自由水與束縛水的比值可以反映水分的相對(duì)含量，自由水含量高，植物代謝活動(dòng)強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，但抗性較弱，而當(dāng)束縛水含量高時(shí)，植物生長(zhǎng)速度下降，抗逆性增強(qiáng)[10]。王藝陶等研究發(fā)現(xiàn)，高粱的高抗旱品種的自由水含量和束縛水含量對(duì)干旱脅迫不敏感，在干旱脅迫下下降幅度較小，而高度敏感品種則與之相反，符合植物代謝與抗旱表現(xiàn)特征[11]。干旱脅迫在抑制赤霞珠葡萄自由水含量增加的同時(shí)，也促進(jìn)其向束縛水轉(zhuǎn)化，這可能是由于處理后期赤霞珠葡萄自身機(jī)制衰老，導(dǎo)致吸水及轉(zhuǎn)化效率下降，自由水含量顯著下降，束縛水相對(duì)含量增加[12]。

2.2 細(xì)胞膜系統(tǒng)與膜脂過(guò)氧化

在干旱脅迫下，植物細(xì)胞的原生質(zhì)脫水，膜系統(tǒng)受損從而導(dǎo)致膜透性增大，膜透性的大小反映了膜的穩(wěn)定性和植物組織受損傷的程度，質(zhì)膜相對(duì)透性是衡量植物抗旱性的一個(gè)可靠指標(biāo)[13]，植物細(xì)胞膜透性變化和組織受損程度可以通過(guò)測(cè)定植物組織的相對(duì)電導(dǎo)率來(lái)反映。唐洪輝等通過(guò)對(duì)宮粉羊蹄甲不同家系在干旱脅迫下生理指標(biāo)的研究發(fā)現(xiàn)，宮粉羊蹄甲20個(gè)家系的電導(dǎo)率在干旱脅迫下都有不同程度的增加，且隨著干旱程度的加劇而上升[14]，與孫鐵軍等的研究結(jié)果[15-16]類似。在多種植物的研究中均發(fā)現(xiàn)，相對(duì)電導(dǎo)率在干旱脅迫下逐漸增加[17-19]。

膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量的增加，也是干旱造成植物傷害的一個(gè)重要因素，其含量高低能反映膜脂過(guò)氧化作用的強(qiáng)弱和受傷害程度的大小，在干旱下MDA含量可以作為植物抗旱性的重要指標(biāo)。大部分研究表明，在干旱脅迫下MDA含量呈增加趨勢(shì)[20-23]，而趙陽(yáng)等的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫使油橄欖的MDA含量呈先上升后下降的趨勢(shì)[24]，這可能是由于植物在長(zhǎng)時(shí)間的干旱脅迫下，細(xì)胞膜透性損傷達(dá)到最大值后不再增加，而此時(shí)植物已產(chǎn)生較強(qiáng)的抗旱能力，隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，植物可以慢慢修復(fù)損傷的細(xì)胞膜，從而使MDA含量下降，推測(cè)這種現(xiàn)象可以作為植物抗旱性強(qiáng)的標(biāo)志。

2.3 光合生理

光合作用是所有綠色植物中重要的生理過(guò)程，葉綠素是參與光合作用中光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的重要光合色素，葉綠素主要包括葉綠素a和葉綠素b，其含量在一定程度上直接影響植物光合能力及生長(zhǎng)狀況。一般來(lái)說(shuō)，葉綠素含量在干旱脅迫下均呈降低趨勢(shì)[25]。但也有相關(guān)研究得出與之不一致的結(jié)論，王繼玥等對(duì)黃秋葵的研究表明，黃秋葵葉綠素含量在輕度干旱脅迫下顯著增加，在重度干旱脅迫下顯著降低，說(shuō)明黃秋葵對(duì)水分脅迫具有一定的適應(yīng)范圍，輕度干旱可以促進(jìn)黃秋葵葉綠素的合成，而重度干旱則會(huì)使葉綠素合成受阻[26]，這與張棟等的研究結(jié)果[27-28]類似。

光合作用是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，可為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供能量和物質(zhì)，且易受周圍環(huán)境的影響，其中干旱脅迫是最為顯著的一種限制因素。相關(guān)研究表明，輕度干旱脅迫下光合速率的下降是由氣孔因素造成的，中度或重度脅迫下是由非氣孔因素造成的[29-31]，而王萍等認(rèn)為，在輕度干旱脅迫下，氣孔因素不會(huì)引起光合速率下降[32-34]。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)是快速檢測(cè)干旱逆境對(duì)植物光合作用影響的理想方法，葉綠素?zé)晒馀c光合作用過(guò)程密切相關(guān)，外界環(huán)境因子對(duì)光合作用的影響都可通過(guò)葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)反映出來(lái)[33]。植物在遭受逆境時(shí)最初受損的部位是葉片的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)光反應(yīng)中心[35]。通過(guò)測(cè)定植物葉片PSⅡ的熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)，可以更深入地分析環(huán)境因子對(duì)植物葉片光合作用的影響[36]。

2.4 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

植物在干旱脅迫下通過(guò)主動(dòng)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如游離脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)來(lái)提高細(xì)胞液濃度，維持細(xì)胞膨壓，使原生質(zhì)與外界環(huán)境滲透平衡，使細(xì)胞的各種生理過(guò)程能正常進(jìn)行[37]。其中，脯氨酸具有很強(qiáng)的水合能力，其疏水部分能夠與蛋白質(zhì)結(jié)合，而親水部分能夠結(jié)合水分子，在滲透脅迫條件下使蛋白質(zhì)結(jié)合更多的水分來(lái)提高其溶解度和防止蛋白質(zhì)變性脫水，脯氨酸不僅作為酶和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的保護(hù)物質(zhì)，也可以調(diào)節(jié)氧化還原電位，降低細(xì)胞酸性[38]。因此，在抗旱性研究中脯氨酸是很重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。大部分植物在遭受干旱脅迫時(shí)主要通過(guò)積累游離脯氨酸和可溶性糖來(lái)抵御干旱，即在干旱脅迫下脯氨酸和可溶性糖含量升高，而可溶性蛋白含量的變化則多樣，可能呈一直上升的趨勢(shì)[39-40]，也可能呈先上升后下降的趨勢(shì)[41-43]，也可能呈先下降后上升的趨勢(shì)[44]。韓忠明等在干旱脅迫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，游離脯氨酸的含量先上升后下降[45-46]。綜合以上研究表明，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)不能無(wú)限制地調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓，當(dāng)干旱脅迫強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間增加時(shí)，水分虧缺嚴(yán)重，滲透作用將會(huì)降低，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白)的積累量將會(huì)下降，細(xì)胞膨壓無(wú)法維持下去。

2.5 抗氧化酶活性

氧化應(yīng)激反應(yīng)通常伴隨干旱脅迫而發(fā)生，抗氧化防御系統(tǒng)是干旱響應(yīng)的機(jī)制之一，是為植物生長(zhǎng)和發(fā)育提供能量的有氧代謝。在正常情況下，細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)的生成和清除處于動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)植物遭受干旱脅迫時(shí)，動(dòng)態(tài)平衡被破壞，ROS過(guò)度積累而損傷細(xì)胞，細(xì)胞氧化變質(zhì)，最終可能導(dǎo)致死亡[47]。為了避免干旱脅迫下不斷產(chǎn)生的ROS，植物進(jìn)化了一系列非常有效的協(xié)作系統(tǒng)、酶和非酶抗氧化防御系統(tǒng)[48]。其中以超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)為代表的酶類在活性氧的清除過(guò)程中起重要作用，植物在干旱脅迫過(guò)程中通過(guò)積累抗氧化酶來(lái)抵制活性氧帶來(lái)的傷害，相關(guān)研究表明，在干旱脅迫下抗氧化酶的活性增強(qiáng)[41，49-50]。但是抗氧化酶不可能無(wú)限制地積累，當(dāng)干旱的強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間超出植物所能忍受的范圍就會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，且這些酶不會(huì)再積累，因此有些植物抗氧化酶活性在干旱下呈先上升后下降的趨勢(shì)。吳敏等的研究發(fā)現(xiàn)，在輕度脅迫下，栓皮櫟幼苗細(xì)根的CAT、POD和APX活性均逐漸增加，而在重度干旱脅迫下，CAT、POD和APX活性均下降[37]，對(duì)其他植物的研究[51-53]也得到了類似的結(jié)果。植物的抗氧化酶系統(tǒng)在響應(yīng)干旱脅迫的過(guò)程中可能是通過(guò)各種酶的相互協(xié)調(diào)作用來(lái)維持植物體的穩(wěn)態(tài)，普遍認(rèn)為，抗旱性強(qiáng)的植物具有較高的抗氧化酶活性。綜合以上研究認(rèn)為，在干旱脅迫下，植物抗氧化酶活性的高低與植物的抗旱性強(qiáng)弱有關(guān)。

2.6 內(nèi)源激素

內(nèi)源激素也響應(yīng)環(huán)境變化，各種激素通過(guò)相當(dāng)復(fù)雜的機(jī)制，在協(xié)調(diào)干旱脅迫的響應(yīng)中有不可或缺的作用[54]。而土壤水分虧缺被認(rèn)為是通過(guò)根細(xì)胞傳導(dǎo)的一種遠(yuǎn)距離信號(hào)，可以引發(fā)大量脫落酸(ABA)的合成[55]。干旱脅迫使植物體內(nèi)的ABA含量增加[56-59]，這是由于根細(xì)胞在感受土壤或基質(zhì)干旱后，合成大量ABA，ABA將信號(hào)傳遞到植物的地上部分以調(diào)控葉片氣孔關(guān)閉，從而增強(qiáng)葉片的保水能力，使植物能更好地適應(yīng)干旱脅迫。另有研究表明，ABA含量在輕度和中度干旱脅迫下上升，在重度干旱脅迫下下降，推測(cè)在輕度和中度干旱脅迫下，ABA作為信號(hào)分子能夠增強(qiáng)植物對(duì)干旱的抵御能力，在重度干旱脅迫下當(dāng)ABA含量積累到一定程度后，則以促進(jìn)葉片衰老和脫落為主，此時(shí)植物則出現(xiàn)各種旱害癥狀，如葉片發(fā)黃、脫落等[60]。

細(xì)胞分裂素(CTK)作為另外一種重要的根源性物質(zhì)，與ABA形成拮抗作用，干旱脅迫使CTK的合成受阻。目前對(duì)細(xì)胞分裂素的研究較少，對(duì)其研究主要集中在玉米素(ZT)和玉米素核苷(ZR)2種物質(zhì)上。俞玲等的研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下ZT含量下降，細(xì)胞的分裂減少，不利于植物葉片的伸長(zhǎng)和生長(zhǎng)，但可以使葉片保持較高的水分含量，是植物在干旱脅迫下的一種生理保護(hù)反應(yīng)[60]。滿達(dá)等對(duì)差巴嘎蒿的研究發(fā)現(xiàn)，ZR在干旱脅迫下也有類似的變化[59]。

吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA)和玉米素核苷都是植物體內(nèi)促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要激素。張海燕等的研究發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期的干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致甘薯塊根中GA、IAA和ZR含量下降，地上部干質(zhì)量與葉片GA、IAA和ZR含量呈顯著正相關(guān)，且抗旱品種葉片的GA、IAA和ZR含量的下降幅度小于不抗旱品種[61]。在干旱脅迫過(guò)程中，降香黃檀的ABA含量顯著上升，IAA和ZR含量逐漸下降，而GA含量先上升后下降，說(shuō)明降香黃檀可以通過(guò)調(diào)節(jié)自身內(nèi)源激素的變化響應(yīng)干旱脅迫，但是重度干旱下內(nèi)源激素含量變化顯著，說(shuō)明降香黃檀幼苗的抗旱能力有限[57]。

3 干旱脅迫下植物的基因表達(dá)

植物的抗旱性是個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，在干旱脅迫過(guò)程中存在與之相關(guān)的多個(gè)調(diào)控基因的表達(dá)誘導(dǎo)[62]?；诜蛛x作圖和數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)分析是提供植物抗旱分子數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。對(duì)很多植物干旱脅迫的研究都闡明了干旱脅迫與QTL分析之間的關(guān)系[63-65]。學(xué)者們致力于通過(guò)QTL定位和克隆、突變體篩選、表達(dá)譜分析和候選基因驗(yàn)證來(lái)闡明抗旱基因及其分子機(jī)制。Hu等在干旱脅迫條件下已篩選出與抗旱性相關(guān)的根系性狀、葉片性狀和生理性狀的QTL，并在干旱條件下進(jìn)行了驗(yàn)證[66]。這一研究結(jié)果極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)干旱脅迫下遺傳與環(huán)境相互作用復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)，為植物抗旱能力的改良提供了有價(jià)值的參考。

干旱應(yīng)答基因的表達(dá)產(chǎn)品主要包括：(1)信號(hào)級(jí)聯(lián)和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白(如蛋白激酶、蛋白磷酸酶和轉(zhuǎn)錄因子)；(2)保護(hù)細(xì)胞膜的功能蛋白以及其他蛋白質(zhì)(胚胎發(fā)育晚期的豐富蛋白、抗氧化劑、滲調(diào)蛋白)；(3)與水通道和離子吸收相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等[38]。Mun等在干旱脅迫下山楊差異表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄因子分析研究中發(fā)現(xiàn)，在利用10%聚乙二醇干旱處理6、12 h后，分別成功地對(duì)楊樹參考基因組進(jìn)行了 12 403 和12 414個(gè)差異表達(dá)基因的注釋，其中，在處理6 h后共發(fā)現(xiàn)了404個(gè)基因(238個(gè)上調(diào)和166個(gè)下調(diào))，處理12 h后發(fā)現(xiàn)了359個(gè)基因(187個(gè)上調(diào)和172個(gè)下調(diào))，這些基因都被鑒定為轉(zhuǎn)錄因子，且干旱脅迫反應(yīng)關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄因子(AP2-EREB、WRKY、C2H2和NAC等)都被驗(yàn)證[67]。李國(guó)龍等利用雙向電泳技術(shù)研究了甜菜在干旱脅迫下差異蛋白的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鑒定出來(lái)的與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)的蛋白主要與光合作用、物質(zhì)與能量代謝、活性氧清除、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運(yùn)輸和蛋白質(zhì)合成等有關(guān)[68]。陸許可等對(duì)陸地棉的研究[69]也得到了類似的結(jié)果。在應(yīng)對(duì)干旱脅迫的蛋白質(zhì)中，最具代表性的功能類別包括伴侶蛋白、熱休克蛋白和其他參與蛋白質(zhì)折疊的蛋白質(zhì)，其中水通道蛋白是調(diào)節(jié)植物水分關(guān)系的重要調(diào)節(jié)因子，是開發(fā)抗旱植物的潛在目標(biāo)[38]。Reddy等在對(duì)3種基因型的桑樹進(jìn)行干旱脅迫及旱后恢復(fù)的研究中表明，植物中水壓傳動(dòng)與光合作用的相互作用與某些關(guān)鍵的水通道蛋白(AQPs)在根和葉中的表達(dá)密切相關(guān)，且在干旱脅迫和恢復(fù)過(guò)程中，某些AQPs的表達(dá)在水動(dòng)力學(xué)和光合碳同化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，可以有效地改良桑葚的抗旱品種[70]。Zupin等研究了干旱脅迫下耐旱和不耐旱的2個(gè)菜豆品種葉片水通道蛋白基因的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所研究的4個(gè)水通道蛋白PvPIP1；2、PvPIP2；7、PvTIP1；1和PvTIP4；1在干旱脅迫下均下調(diào)，PvPIP1；2和PvPIP2；7的響應(yīng)在干旱和復(fù)水后特別顯著，在干旱脅迫下PvTIP1；1和PvTIP4；1的表達(dá)存在種間差異，且在耐旱品種中這2個(gè)水通道蛋白基因表達(dá)量嚴(yán)重下調(diào)，由此推測(cè)在干旱脅迫過(guò)程中，抗旱品種有更強(qiáng)的保水能力可能與水通道蛋白快速和適當(dāng)?shù)南抡{(diào)有關(guān)[71]。

4 結(jié)論與展望

植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是極其復(fù)雜的過(guò)程，為了適應(yīng)干旱的環(huán)境，植物從形態(tài)、生理、細(xì)胞和分子等方面作出了一系列的應(yīng)答[72-74]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)植物抗旱性的研究主要存在以下問(wèn)題：(1)大部分研究都集中在植物的表型和生理生化方面，而對(duì)抗旱分子、蛋白、基因的研究較少；(2)在抗旱基因方面，多數(shù)都是研究單一基因或者單一轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物干旱脅迫的應(yīng)答；(3)研究對(duì)象主要集中在農(nóng)作物、中小型低矮灌木的葉片和根系上，對(duì)植物莖稈以及大型木本植物的研究較少。

針對(duì)存在的問(wèn)題，提出以下幾點(diǎn)建議：(1)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用現(xiàn)代遺傳學(xué)、基因組學(xué)、分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)對(duì)抗旱植物的研究將成為今后的發(fā)展方向，與代謝組學(xué)的方法結(jié)合在一起研究植物抗旱反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制，將可以作為植物抗旱育種的基本理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；(2)植物對(duì)干旱脅迫的應(yīng)答機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，如何利用已發(fā)現(xiàn)的耐旱基因來(lái)培育植物的耐旱新品種將成為今后的研究重點(diǎn)；(3)在今后的研究中，注重對(duì)植物莖稈以及大型木本植物的研究，并且將形態(tài)結(jié)構(gòu)分析、生理生化分析與分子方法和常規(guī)的良種繁育方法相結(jié)合，能大大加快抗旱植物的培育進(jìn)程。