腐殖酸對植物抗旱性影響的研究進展

朱珊珊，劉景輝，李英浩，張志芬，戴云仙

（內蒙古農業(yè)大學協(xié)同創(chuàng)新中心/全國農業(yè)科研杰出人才及創(chuàng)新團隊,內蒙古呼和浩特 010019）

干旱是一個長期存在的世界性難題,也是限制植物生長的主要因素。水分是植物在生長過程中的必要因子,缺水會影響植物生長發(fā)育及生理生化過程。腐殖酸（HA）廣泛存在于土壤、泥炭和出露于地表的風化煤、河泥、柴煤之中,主要由黃腐酸、棕腐酸和黑腐酸組成[1],是一種天然高分子酸性有機混合物,具有節(jié)肥增效、改良土壤、促進作物生長、改善農產品質量等功能[2]。已有研究表明,干旱條件下噴施黃腐酸后促進了小麥葉片的持水能力,也增強了耐旱性[3]。除此之外,相比于一些其他的化學調節(jié)劑和化學肥料,腐殖酸是一種環(huán)境友好型的肥料[4],研究腐殖酸對發(fā)展綠色生態(tài)農業(yè)也有重大意義。鑒于此,筆者系統(tǒng)梳理了國內外腐殖酸對干旱脅迫下植物表觀形態(tài)、生理水平和分子水平的影響方面所取得的進展,對目前研究中可能存在的問題進行了探討,以期為科學開發(fā)和高效利用腐殖酸資源提供參考。

1 腐殖酸對干旱脅迫下植物表觀形態(tài)的影響

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官[4]。當植株受到干旱脅迫時,根系首先感知并發(fā)出化學信號促使植株對干旱作出反應,以減小干旱環(huán)境對植物體所造成的傷害[5]。根系發(fā)育越好,抗旱性則越強[6]。而腐殖酸對植物生長最常見的初始效應就是促進根系發(fā)育。干旱脅迫下,腐殖酸鉀的施用可顯著提高青稞的根平均直徑、根投影面積、表面積、體積及分支數(shù)等指標,促進青稞對水分及養(yǎng)分吸收,增加其抗旱性[7]。在完全營養(yǎng)液中添加25～50 mg/L的腐殖酸可使小麥（Triticum aestivumL.）根系顯著伸長,根量增加,根系活性提高,但對根的半徑影響極小[8]。另外,根系活力的高低象征著根系吸收能力的強弱,施用腐殖酸復合肥在灌溉和旱作條件下都能使小麥根系的鮮重以及根系活力顯著提高,且在旱作條件下差異顯著,說明施用腐殖酸復合肥提高了小麥根系的吸收能力,促進了根系的生長發(fā)育,進而提高小麥植株的抗旱性[9]。GARCAR等[10]研究發(fā)現(xiàn),在添加腐殖酸后能降低水稻（Oryza sativaL.）根系的滲透系數(shù),增強其抗干旱能力,是由于腐殖酸在水稻根系表面、表皮細胞以及新生根毛中形成了腐殖酸凝聚體。以上研究表明,干旱條件下適量的腐殖酸能增強植株的抗旱性,但其機理仍存在爭議,是因為根系的發(fā)育還是腐殖酸在根系表面形成了凝聚體仍須進一步研究。

不同濃度的腐殖酸對干旱條件下的植株形態(tài)也有積極作用。水分脅迫下噴施不同濃度腐殖酸水溶肥料都能使燕麥（Avena sativaL.）株高、干物質量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽粒產量以及生物學產量不同幅度增加,重度水分脅迫下最為顯著且在腐殖酸噴施濃度≥50 g/L時效果最佳[11]。同時,在馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）的研究中,葉面噴施500倍腐殖酸水溶性肥,其株高、莖粗和產量也顯著增加[12-13]。MOHAMMAD等[14]研究表明,不同生育時期灌水截流顯著降低了玉米植株的株高、產量構成、籽粒產量、生物產量和收獲指數(shù),但施用腐殖酸后對各性狀均有積極作用,降低了水分虧缺脅迫的有害影響,提高了植株的抗旱性。除此之外,嚴重干旱時,黃腐酸拌種可以使春小麥充分地利用土壤水分,作物生長的內部環(huán)境得以改善,進而提高產量[15]。腐殖酸的不同用法都能促進干旱脅迫下植株生長,但哪種使用方法最好尚不清楚。

2 腐殖酸對干旱脅迫下植物生理生化的影響

2.1 腐殖酸對干旱脅迫下植物光合作用的影響

植物的光合作用是地球上最重要的化學反應,而光合作用效率作為決定植物生產力和作物產量高低的首要因素,在植物的生長發(fā)育過程中更是占據重要的位置[16],但其對環(huán)境變化非常敏感[17]。例如在干旱脅迫下,植物的光合速率、葉綠體吸收光能的能力和轉能效率以及光合電子傳遞速率和磷酸化活力會降低,同時還影響光合碳同化[18]。其中重度干旱脅迫下非氣孔因素是限制光合速率的主要原因[19]。重度干旱脅迫噴施腐殖酸可通過減弱非氣孔限制,使燕麥葉肉細胞超微結構的損傷程度減小,進而影響燕麥植株的光合作用[20]。此外,干旱脅迫下噴施腐殖酸類物質可使葉綠素的降解速度減緩,光合速率和光合產物積累加快,從而提高細胞內的黏性和彈性,增加植物細胞的持水能力,防止過度失水,進而延緩植株衰老,使小麥抗旱性增強[21]。葉面噴施黃腐酸也可降低氣孔開度,增加氣孔阻力和葉片水勢,降低蒸騰強度,在一定程度上增強根系活力,延緩葉片葉綠素降解,減緩土壤耗水量,從而節(jié)水保水,緩解干旱脅迫[22]。水分脅迫下,植物葉片中光合電子傳輸通量會極大地增加,激發(fā)電子進入QA以外的電子傳輸鏈,光系統(tǒng)Ⅰ末端電子受體還原產率降低,而腐殖酸可以降低電子傳輸通量,通過提高植物體內氣體交換率和改善電子傳輸效率,提高植物在水分脅迫下的凈光合效率[23-24]。另外,梁太波等[9]研究發(fā)現(xiàn),在旱作和灌溉條件下灌漿后期小麥旗葉最大光化學效率、實際光化學效率和光合電子傳遞速率均下降,而施用腐殖酸復合肥后又明顯提高,且旱作條件下最顯著,這與腐殖酸復合肥延緩小麥植株衰老關系密切。

2.2 腐殖酸對干旱脅迫下植物滲透調節(jié)代謝的影響

滲透調節(jié)可以減輕干旱脅迫對植物的抑制作用[25]。干旱條件下,植物為維持細胞正常的滲透壓,防止水分流失,會在體內合成可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿和多胺類等滲透調節(jié)物質,提高植物滲透調節(jié)能力[26]。其中可溶性糖含量增多會增加細胞原生質體的黏度和彈性以及細胞液濃度,從而提高植物對水分的吸收能力及保水能力[27]。逆境條件下脯氨酸可作為滲透物、氮儲存化合物、酶類的親水保護物質、細胞結構物和自由基清除劑來保護細胞[28]。而施用外源腐殖酸對干旱條件下許多作物的滲透積累有顯著影響。適宜濃度的腐殖酸可以通過調控滲透調節(jié)物質含量以及保護酶活性來減緩干旱脅迫對植株的傷害,提高植株的抗旱能力[29]。因此,研究植物的滲透代謝具有重要意義。張磊[30]對馬鈴薯的研究中發(fā)現(xiàn),旱作條件下噴施腐殖酸或黃腐酸能顯著增加作物葉片內游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質含量,提高細胞的持水能力,增強抗旱性。另外,外源腐殖酸也能通過提高蘋果幼苗中游離脯氨酸含量、內源甜菜堿含量、可溶性糖含量,減輕干旱對蘋果幼苗的有害影響,提高蘋果砧木對根系的耐受性[31]。除此之外,這些滲透調節(jié)物質在穩(wěn)定膜和大分子結構中也發(fā)揮著重要作用[32]。噴施腐殖酸促進了重度干旱脅迫下燕麥葉片內脯氨酸、可溶性糖、腐胺和亞精胺的積累,增加細胞對外界水分的吸收,進而降低膜系統(tǒng)的損傷,保護膜結構的完整性來抵御干旱[20]。

2.3 腐殖酸對干旱脅迫下植物抗氧化代謝的影響

植物體內的超氧化物歧化酶、過氧化物酶能夠自動清除干旱脅迫下細胞內產生的高濃度的活性氧,從而緩解逆境對植物的傷害。腐殖酸處理后的植株中過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶最高,其可通過誘導抗氧化酶活性進而提高植株的抗旱性[33]。但在VASCONCELOSA等[34]的研究中發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下對玉米（Zea mays L.）和大豆［Glycine max（Linn.）Merr.］施用3種不同組分腐殖酸的生物刺激素后發(fā)現(xiàn),施用1號生物刺激素后,2種作物的超氧化物歧化酶、抗壞血酸過氧化物酶的活性提高,而過氧化氫酶的活性卻沒有增強。由此表明,不同的腐殖酸對干旱脅迫下不同植物的抗氧化代謝調節(jié)有所差異,其機理還有待研究。除了抗氧化酶外,植物體內還有一種脂質過氧化反應分解的產物丙二醛可以抵御氧化脅迫,其含量的多少間接證明細胞損傷的程度[35-36]。LOTFIA等[37]研究結果表明,施用腐殖酸能提高油菜過氧化物酶活性,顯著降低丙二醛含量,從而降低油脂過氧化。另外,腐殖酸浸種可使干旱脅迫下植株體細胞的丙二醛含量以及質膜透性降低,減緩細胞膜的損傷,提高其抗旱性[38-39]。此外,干旱脅迫也會破壞植株細胞質膜的完整性,而腐殖酸可修復或減輕干旱對細胞質膜傷害[3]。GARCAR等[40]結果表明,腐殖酸能降低水稻過氧化氫的含量,提高膜的通透性,證實了腐殖酸對缺水引起的氧化應激反應起到保護作用。盡管關于腐殖酸影響干旱抗氧化代謝的研究較多,但腐殖酸如何通過調控抗氧化系統(tǒng)來抵御干旱的機理還不太明確,是否不同類的腐殖酸對植物的作用不同,具體作用機理還有待深入研究。

2.4 腐殖酸對干旱脅迫下植物內源激素和礦質營養(yǎng)的影響

植物內源激素作為植物代謝的微量活性物質,對植物的生長發(fā)育與分化具有重要調控作用[41]。其中,生長素（IAA）抑制作物衰老、脫落酸（ABA）促進葉片衰老。此外,茉莉酸（JA）和水楊酸（SA）也會誘發(fā)葉片的衰老[42]。研究發(fā)現(xiàn),JA類物質能夠增加植物的抗旱性[43]。并且較高濃度的JA會抑制植物生長、促進植物衰老[44],而SA通過調控抗氧化酶活性維持細胞氧化還原動態(tài)平衡[45]。而腐殖酸能有效控制激素水平,改善植物生長,提高抗逆性[46-49]。YANG等[50]研究表明,在水分虧缺條件下,施用黃腐酸增加了葉片脫落酸,降低了葉片蒸騰速率,從而提高了瞬時水分利用效率。重度干旱脅迫下,噴施腐殖酸可使燕麥ABA、JA和SA含量顯著降低,證明腐殖酸可以通過調控內源激素緩解重度干旱脅迫傷害。但是,充足水分下施用腐殖酸并未引起ABA含量的增加。因此認為HA并未參加ABA途徑[51]。這與GARCGA等[52]的研究是一致的。腐殖酸通過內源激素調節(jié)干旱條件下作物生長的機理復雜,目前這方面的研究尚少,有待繼續(xù)深入。

氮是植物生長的必需養(yǎng)分,對植物生長發(fā)育效果明顯[53],磷限制了植物生產力和生態(tài)系統(tǒng)平衡[54],鉀則以多種方式參與植物體內的各種代謝過程,增強作物抗逆能力[55]。干旱脅迫會限制植物對它們的吸收及在植物體內正常的轉運,進而影響植物正常生長發(fā)育[56]。腐殖酸可以通過增強植物對營養(yǎng)元素的吸收,改善營養(yǎng)狀況,從而使體內防御系統(tǒng)增強,激素調節(jié)能力提高,保護光合器官,增強光合作用,增加作物碳水化合物含量和氮含量,提高生長速率,進而提高植物對環(huán)境脅迫的抵抗力[57]。葉面噴施腐殖酸能增加馬鈴薯葉片、莖、根系及塊莖中氮、磷、鉀含量,干旱脅迫越重,增加效果越顯著[13]。腐殖酸可以促進干旱條件下礦質營養(yǎng)在植物中的積累,但是在已知研究中涉及較少,其調控機理也不明確,有待進一步研究。

3 腐殖酸對干旱脅迫下植物逆境響應基因表達的影響

干旱條件下,植物的抗旱調控基因和功能基因會誘導表達,進而編碼有機分子合成酶和功能蛋白,參與激素、滲透物質等的合成與積累,調節(jié)干旱信號轉導,幫助植物應對逆境[58]。施用HA后可誘發(fā)含有Ribulose磷酸羧化酶,ADP-葡萄糖合成酶和NADP依賴性甘油醛-3-磷酸脫氫酶的蛋白帶,并且植物根系中與蔗糖代謝、蘋果酸酶、ATP酶、細胞支架蛋白質等相關的基因出現(xiàn)了差異表達[59-61],其中對作物根系生長影響最大的是H+-ATP酶基因的差異性表達,促進植株根系中H+-ATP酶編碼基因亞型Mha2的表達[62]。以上說明腐殖酸能促進植物逆境響應基因表達。在干旱條件下,噴施腐殖酸能夠誘導燕麥轉錄因子AsNAC1基因、12-氧-植物二烯酸還原酶基因（CL3266）與 PMP3 家族基因（CL2689）的表達[20]。并且認為這3個基因在調控植物抗性和腐殖酸介導的抗旱途徑中起重要作用。此外,腐殖酸還能夠修飾水稻根系中液泡膜水通道內在蛋白基因OsTIP的表達,從而增強水稻抵抗干旱脅迫的能力[63]。但腐殖酸調控OsTIPs基因表達是獨立于ABA信號機制的,并且其特殊結構與植物根系之間會產生物理化學效應,進而會對植物起到保護作用[64]。然而,在SCHMIDT等[65]的研究中,腐殖酸是通過刺激植物根毛細胞的負調控子基因WEREWOLF和GLABRA2,使根形態(tài)發(fā)生重塑,改變根系細胞分化,增加了根吸收面積。也有一些學者[66]認為,干旱脅迫下植物根系分泌的有機酸能夠對腐殖酸膠體產生局部破壞作用,使其釋放出生長調節(jié)分子,穿透細胞壁基質進入細胞膜,進而影響基因的表達。干旱條件下植物受很多基因調控來增強抗旱性,而腐殖酸增強植株抗旱性的分子機制尚有爭議,并且其誘導的抗旱基因有待挖掘,其調控機理還需進一步研究。

4 展望

腐殖酸能夠緩解干旱脅迫對植物生長發(fā)育的影響,改善植物形態(tài)、生理特征,預防植物體內的氧化應激,對干旱脅迫下植物的生長具有保護機制,在植物的抗旱應用中有顯著的積極作用。腐殖酸在植物表觀水平、生理水平上的研究雖已取得很大進展,但是以下問題仍需要做進一步研究：

我國腐殖酸肥料質量評價體系建設還尚不完善,缺乏腐殖酸在植物抗旱過程中的施用技術和效果的評價研究。目前腐殖酸主要有3種用法：用作肥料施進土壤、葉面噴施、浸種,3種用法都對植物有促進作用,但缺乏系統(tǒng)的評價體系來比較那個影響力更大。為此,應該從不同層面篩選多個指標,建立完善的評價體系,綜合有效地評價各類腐殖酸對植物耐旱能力影響的差異。

目前,不同植物施用腐殖酸的最佳時間以及最佳用量不明確,不同植物生理生化過程有所不同,腐殖酸的用量也應有差異,并且研究者大多是在模擬條件下探究干旱脅迫下植物對腐殖酸的響應,缺乏實際應用經驗。應該將室內試驗和田間試驗相結合,使試驗的環(huán)境更接近自然狀態(tài),為腐殖酸提高植物耐旱性發(fā)揮更大作用。

已有研究大多都是側重于腐殖酸復合成分對植株的影響,未探究清楚是腐殖酸中的哪個有效成分影響到植物的抗旱性。接下來的研究可在腐殖酸復合成分對植株影響的基礎上,對腐殖酸組分因子進行分析,探究腐殖酸中起主控作用的因子,為深入研究腐殖酸提供理論依據。

植物一系列生理因子的變化是其響應干旱脅迫的體現(xiàn),對于這一響應機制目前僅限于生理作用方面的研究,對于分子機制的研究還不夠深入。腐殖酸參與植物的養(yǎng)分代謝及生理調節(jié)機制的分子機理還有待更進一步研究,腐殖酸所誘導的抗逆相關基因也有待繼續(xù)挖掘。接下來的研究可以通過轉錄組技術探尋腐殖酸誘導的植物抗旱基因,并用蛋白組學等手段研究其表達特性,充分利用現(xiàn)代分子生物學手段及傳統(tǒng)生理生化手段,繼續(xù)深入系統(tǒng)地研究腐殖酸調控植物耐旱性機制,為生產實踐提供理論參考。