植物抗旱性研究進(jìn)展

陳麗飛，劉越，李雪萌，李雪瀅，趙文斌，徐志瑞，巫宏偉，吳彥霏

摘要：本文針對植物抗旱的概念、類型及干旱對植物生理指標(biāo)的影響等進(jìn)行了概述，初步分析了植物的水分利用效率，為今后的抗旱植物篩選、應(yīng)用及生產(chǎn)管理等相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：植物;抗旱性;干旱脅迫;研究進(jìn)展

項目基金：吉林省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（No. 2017505）;吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)項目（No. JJKH20180668KJ）

中圖分類號： S688 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2019.02.034

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市水資源日益緊缺，這是一個全球性問題，節(jié)水理念受到世界各地、社會各界的廣泛關(guān)注。植物的抗旱性研究進(jìn)展直接關(guān)系到水資源的利用與植物栽培方式，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要依據(jù)之一。

1 植物抗旱的概念和類型

植物體內(nèi)水分的匱乏，造成植物體內(nèi)細(xì)胞活性和組織結(jié)構(gòu)的損壞而出現(xiàn)水分虧缺的現(xiàn)象，而水分過度虧缺的現(xiàn)象稱為干旱（Drought）。植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)和抗御能力叫抗旱性（Drought Resistance），Levitt是最早對植物耐旱機(jī)制進(jìn)行研究的學(xué)者，他將植物分為避旱型、御旱型和耐旱型[1]。避旱性植物主要通過縮短生活史來躲避重度干旱[2];御旱性植物利用自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝功能來維持良好的水分內(nèi)環(huán)境，或用龐大的根系來維持正常吸水;耐旱性植物在干旱時可以通過休眠使自身處于風(fēng)干狀態(tài)，但原生質(zhì)未凝固，且具有很強(qiáng)的吸水能力，此類植物在干旱脅迫得到緩解時能夠恢復(fù)正常生長。在對植物抗旱性的研究過程中，有學(xué)者根據(jù)相對含水量比適量供水時飽和含水量低的程度，將干旱脅迫程度分為輕度脅迫、中度脅迫以及重度脅迫[3]。

2 干旱對植物的影響

2.1 干旱對植物形態(tài)的影響

植物在遭受干旱脅迫時，宏觀變化主要體現(xiàn)在植物的葉片及根的生長上，干旱程度嚴(yán)重時植株會被迫停止生長。葉片作為植物進(jìn)行光合作用的主要器官，對外界環(huán)境變化較為敏感，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[4]。抗旱能力強(qiáng)的植物，其葉片中柵欄組織占比偏高，海綿組織占比偏低。因為這樣的形態(tài)指標(biāo)對干旱環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)[5]。嚴(yán)美玲[6]等在研究花生受到干旱脅迫時，發(fā)現(xiàn)花生莖葉在干旱脅迫過程中生長嚴(yán)重受抑，另有研究表明，植物對水分最敏感的部分是葉片和莖[7]。馮黎[8]在對北京部分景天的抗旱研究中植株葉片失綠、變軟、枯黃、萎蔫，株高、冠幅的生長都受到了抑制。趙慧[9]在研究小麥的抗旱性時發(fā)現(xiàn)抗旱性強(qiáng)的小麥隨著干旱脅迫的加劇根莖變大，皮層增厚，有很強(qiáng)的貯水能力。郭晉梅[10]在研究羊草的抗旱性時發(fā)現(xiàn)在輕度脅迫時植物的根冠比呈上升趨勢，表明羊草為了抵御外界的干旱而增加了根部的比重。

2.2 干旱對植物生理指標(biāo)的影響

2.2.1 干旱對光合生理的影響 ?葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器，具有吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的功能。葉綠素的含量影響著植物進(jìn)行光合作用[11]。李博[12]認(rèn)為5種玉簪的葉綠素含量都隨著干旱脅迫的加重而下降。在干旱脅迫時不同植物葉綠素含量下降的幅度不同，抗旱性強(qiáng)的植物降低幅度小，而葉綠素含量降低幅度較大的植物抗旱性較弱[13～15]。植物獲取有機(jī)物的途徑是進(jìn)行光合作用，所以光合能力的強(qiáng)弱對植物光合作用具有重要的意義。植物進(jìn)行光合作用過程中吸取光能，將CO2和H2O合成有機(jī)物并釋放出O2[16]。事實上植物在進(jìn)行光合作時會受到很多內(nèi)外因素影響[17]，其中水分對光合作用的影響是間接的。在植物受到干旱脅迫時，葉片上氣孔關(guān)閉，植物吸收CO2含量減少，導(dǎo)致光合作用緩慢[18]。任迎虹[19]對不同品種的桑樹進(jìn)行干旱脅迫，結(jié)果表明桑樹在干旱脅迫過程中葉片的凈光合速率會下降。

2.2.2 干旱對植物細(xì)胞膜系統(tǒng)與膜脂過氧化的影響 細(xì)胞膜對維持細(xì)胞的微環(huán)境和正常代謝起著重要作用。在干旱脅迫下植物細(xì)胞膜透性的損傷程度可以通過電導(dǎo)率值來體現(xiàn)[20]。蘆建國[21]等在對17種地被植物進(jìn)行抗旱性研究中表明，干旱脅迫造成植物材料的相對電導(dǎo)率升高，膜透性升高，葉片相對電導(dǎo)率與植物的抗旱性呈負(fù)相關(guān)，植物相對電導(dǎo)率上升幅度越小，植物的抗旱性越強(qiáng)。丙二醛（MDA）是植物體內(nèi)膜脂過氧化反應(yīng)的最終分解產(chǎn)物，當(dāng)植物在衰老或者逆境脅迫時，可誘發(fā)植物組織或器官膜脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)，使植物體內(nèi)丙二醛含量發(fā)生變化。周偉偉等[22]在研究干旱脅迫對景天屬植物生理生化特性的影響中發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，除垂盆草以外其他植物的丙二醛含量均大幅度增加，而垂盆草增加幅度較小，因此抵抗力較強(qiáng)。

2.2.3 干旱對植物抗氧化酶活性的影響 植物體內(nèi)的自由基可以正常代謝，保證體內(nèi)良好的代謝平衡[23]。而在干旱脅迫下，這種代謝平衡被打破，在植物組織中積累了大量活性氧，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能受到一定損傷，而增加了細(xì)胞膜透性，電解質(zhì)外滲，而細(xì)胞中有抗氧化酶，以超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）為代表的酶類在活性氧的清除過程中起重要作用，植物在干旱脅迫過程中通過積累抗氧化酶來抵制活性氧帶來的傷害[24]。

2.2.4 干旱對植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響 植物通過可溶性糖、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)從外界吸水來抵御干旱脅迫。陳敏[25]在對胡楊、檉柳和蘆葦3種植物在進(jìn)行干旱脅迫時，可溶性糖積累增加提高了植物的抗旱性。吉增寶[26]等認(rèn)為刺槐幼苗的可溶性糖累積與干旱程度、時間有關(guān)，也與刺槐的生長季節(jié)有關(guān)，植物體內(nèi)可溶性糖含量的增加是受到干旱脅迫加劇的影響，可溶性糖含量與抗旱性呈正相關(guān)，即增加幅度越大抗旱性越強(qiáng)。J. Ibarra Caballero[27]等認(rèn)為脯氨酸含量的增加是逆境脅迫造成的傷害，并不屬于植物對逆環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。

2.3 植物的水分利用效率

2.3.1 葉片相對含水量 植物在受到干旱脅迫時，葉片細(xì)胞就會受到影響。不同植物的葉片含水量也各不相同，所以植物的水分生理指標(biāo)對植物的抗旱性具有一定的參考意義[28]。葉片相對含水量（RWC）是衡量植物組織內(nèi)水分含量狀況的常用標(biāo)準(zhǔn)，也是在植物受到干旱脅迫后衡量植物葉片水分虧缺的指標(biāo)。在同一干旱脅迫程度下，葉片相對含水量的下降幅度越大，植物的表現(xiàn)性越差，抗旱性越弱。高小燕[29]研究8種景天科植物的干旱脅迫中表明其隨著脅迫程度的加劇，不同植物的葉片含水量下降不同，但總體呈現(xiàn)下降趨勢。

2.3.2 保水力與失水率 植物離體葉片減少水分流失的能力稱之為植物葉片保水力。隨著葉片離開植物的時間加劇，葉片水分流失的越緩慢，說明植物的葉片保水力越強(qiáng)，能夠在干旱環(huán)境中維持較長的生存時間。張梅花[30]等研究5種園林地被植物在干旱脅迫下的葉片保水力并進(jìn)行了比較，其中八寶景天的保水力最強(qiáng)，大花濱菊的保水力最弱。離體葉片失水率即為葉片在不同時間段失水的程度。離體葉片水分的散失情況在很大程度上反映了整體植株的水分狀態(tài)。離體葉片暴露在空氣中，水分?jǐn)U散又得不到及時的補充，葉片會出現(xiàn)萎蔫狀態(tài)，隨著時間的延長而加劇。不同植物，失水情況一般不同，植物的抗旱性與離體葉片失水率成負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論

土壤干旱和大氣干旱都會導(dǎo)致植物水分的虧缺，對于這一農(nóng)業(yè)常見問題，國內(nèi)外的許多學(xué)者對植物抗旱性已開展了大量研究工作。對干旱脅迫最早探索的學(xué)者把形態(tài)指標(biāo)作為鑒定植物抗旱性的標(biāo)準(zhǔn)，原因是植物在長期缺水或受到干旱脅迫時為了適應(yīng)生存環(huán)境，導(dǎo)致體內(nèi)的生理結(jié)構(gòu)和指標(biāo)發(fā)生改變，而這些變化可直接體現(xiàn)在宏觀上。除此之外，在干旱條件下的植物生理生化研究較為集中。在發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，有必要繼續(xù)深入開展抗旱植物的相關(guān)研究，結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)方法，篩選抗旱植物品種，提高植物的水分利用效率，建立植物的抗旱評價體系，使植物在干旱條件保持生長發(fā)育，為增加農(nóng)作物產(chǎn)量、改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

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作者簡介：陳麗飛，博士研究生，碩士生導(dǎo)師，研究方向：觀賞植物資源及生理研究;劉越，在讀本科生，研究方向：觀賞植物抗旱研究。