梅花非生物脅迫研究進展

曾 斌，李衛(wèi)東，黃國林，張 力，唐桂梅，何 濤，肖遠志

（湖南省農(nóng)業(yè)科學院，湖南省園藝研究所，園林花卉種質創(chuàng)新與綜合利用湖南省重點實驗室，特色木本花卉湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410125）

梅花（Prunus mume Sieb et Zucc）屬于薔薇科（Rosaceae）李屬（Prunus）植物，原產(chǎn)于中國，是我國傳統(tǒng)名花，具有良好的賞花、觀姿、品果的特點，在我國園林應用中有著舉足輕重的地位和影響[1-2]。溫度是限制梅花地域分布的主要生態(tài)因子[3]，非生物脅迫如低溫、高溫、鹽堿等直接影響梅花的生長、發(fā)育和觀賞性狀[4]，因此提升梅花適應非生物逆境的能力具有重要意義。2012 年梅花基因組測序的完成極大地推動了梅花逆境生理和分子生物學的發(fā)展[5-6]。筆者總結了梅花響應非生物因子脅迫的研究進展，可為今后深入闡明梅花適應非生物逆境的機制以及采取栽培調控措施提供借鑒和參考。

1 生物逆境脅迫下梅花的生理生化研究

1.1 低溫脅迫傷害與耐寒性

在自然條件下溫度是決定植物地域分布的主要限制因子之一，低溫脅迫對植物生長發(fā)育和繁殖的影響尤為突出。梅花是亞熱帶樹種，喜溫耐寒，在年平均氣溫為16～23℃的地區(qū)生長良好。但梅花在開花期對溫度特別敏感，一般當溫度達到10℃以上時就能開花。中國梅花的自然分布主要在長江流域地區(qū)，因為低溫限制了梅花進一步向北發(fā)展和推廣。

梅花品種的抗寒性是進行南樹北移過程中需要考慮的一個主要因素。用直播育苗、實生選種的方法選育出的北京小梅和北京玉蝶2 個品種1962—1964 年春天在北京露地開花，開創(chuàng)了“南梅北移”的先河。但不同類型梅花品種的抗寒性截然不同，杏梅品種群和美人梅品種群的抗寒性一般強于真梅類型[7]，例如：北京小梅、北京玉蝶只能抗-19℃的極端低溫，而中山杏梅能抗-25℃的極端低溫[8]。段美紅等[7]研究了不同品種梅花在低溫脅迫下的生理指標差異，結果表明，3 種梅花的抗寒性強弱順序為豐后＞美人梅＞香雪宮粉。張文嬌等[9]研究了低溫脅迫下梅花葉片相關生理指標的變化，結果表明，5 個品種的抗寒性具有明顯差異，依次為送春＞飛綠萼＞小玉蝶＞淡粉＞東方朱砂，其中飛綠萼與小玉蝶的抗寒性差異不明顯。

1.2 高溫脅迫傷害與耐熱性

我國南方地區(qū)夏季近40℃的高溫是制約梅花生長發(fā)育的主要環(huán)境因子。在南亞熱帶地區(qū)，高溫是影響梅花觀賞期和觀賞效果的主要氣象因子。因此，耐高溫新品種選育是解決如何延長梅花觀賞期和整體觀賞效果的重要途徑之一。

劉德良等[10]研究了夏季高溫對梅花酶活性、膜熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性蛋白的影響，結果表明，在5—9月夏季高溫期間，梅花的葉綠素含量有不同程度下降，丙二醛（MDA）含量呈上升趨勢，超氧化物歧化酶（SOD）活性有先下降后上升趨勢，過氧化物酶（POD）活性總體呈下降趨勢，電導率有先上升后下的降趨勢，熱穩(wěn)定蛋白含量總體呈下降趨勢；但不同品種有差異，認為桃紅宮粉、碗形宮粉抵抗夏季高溫的能力較強，其次是美人梅，江南朱砂和臺閣朱砂抵抗夏季高溫的能力則相對較弱。呂曉倩[11]對梅花雜交幼苗耐熱性的研究結果表明，通過電導率結合Logistic 方程測定一年生幼苗半致死溫度，并通過聚類分析比較耐熱性強弱，可為篩選耐熱梅花品種以及梅花抗熱育種的早期鑒定提供參考；49 個梅花一年生幼苗葉片的細胞傷害率與高溫處理溫度間關系呈“S”型曲線，符合Logistic 方程；在香瑞白的實生苗中，有80%以上個體的半致死溫度超過50℃，具有較強的耐熱性；并篩選出了耐熱性強的雜交后代。

1.3 鹽脅迫傷害與耐鹽性

耕地鹽堿化加重會嚴重影響作物的生長和產(chǎn)量。通過提高作物的耐鹽性可以保證作物高產(chǎn)、高效，從而能夠解決糧食匱乏的問題[12]。梅花具有較強的耐堿能力，能夠在pH 值 8～9 的土壤中正常生長，但隨著pH 值增加梅花的一年生枝條長度有降低趨勢，在高pH 值土壤條件下梅花的著花量減少，花徑有變小的趨勢[13]。梅花和山桃種子的發(fā)芽率一般隨著鹽脅迫（NaCl 脅迫）濃度的升高而下降，種子的MDA 含量和脯氨酸含量增加，SOD、POD 活性呈先升高后降低趨勢，脅迫濃度越高對種子的傷害越大；但豐后梅的種子耐鹽性較山桃種子強[14]。隨著NaCl 脅迫濃度的升高，梅花的鹽害指數(shù)和鹽害率均逐漸增大，葉片的長和寬、株高、新梢長度總體都呈下降趨勢；與對照相比，脅迫后梅花的相對電導率、游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白和SOD、POD 活性總體均呈上升趨勢，葉片組織含水量總體呈下降趨勢。梅花的幼苗期是栽培的關鍵時期，同時也是對鹽脅迫較為敏感的時期。但香雪宮粉、豐后和美人3 個梅花品種幼苗的耐鹽性有差異，其耐鹽閾值分別是6.96、6.53、6.09 g/kg，耐鹽能力從強到弱依次為香雪宮粉＞豐后＞美人[15]。嫁接對梅花耐鹽性具有一定的促進作用，以耐鹽性較強的山杏做砧木與豐后梅嫁接后，嫁接苗比其自根苗的耐鹽性增強；自根苗和嫁接苗的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、可變熒光、潛在光化學效率、PS Ⅱ有效光化學量子產(chǎn)量和表觀光合電子傳遞效率等光合指標均呈下降趨勢，葉片胞間CO2濃度呈上升趨勢，且自根苗弱于嫁接苗；在0.6%～0.9%的鹽處理下，嫁接苗能顯著提高梅花葉片的光合作用[16]。

雖然在梅花的耐寒性、耐熱性和耐鹽性等方面進行了上述研究，但對揭示其脅迫機制還遠遠不夠。另外，對梅花的其他非生物脅迫因子如干旱、水澇、重金屬等的相關研究較少，各種脅迫因子之間的交叉作用也有待進一步深入研究。

2 非生物脅迫下梅花相關基因的挖掘

2.1 耐寒性相關基因

研究梅花的低溫響應機制和抗寒分子機理，并在此基礎上進行分子育種是快速高效提高梅花抗寒能力的一種手段。在低溫條件下，植物中大量的脅迫響應基因和耐受基因會被誘導表達，這些基因產(chǎn)生的特異蛋白能夠增強植物對于低溫脅迫的耐受性，同時還會調控植物在低溫脅迫下的基因表達[17]。彭婷[18]從11 個抗寒性存在差異的梅花品種中克隆了10 個PmCBFa、PmCBFb 和PmCBFc 全長序列，分析結果表明：Prunus 屬的CBFs 基因都聚在一個亞組；CBF基因均能響應低溫脅迫，但表達豐值與品種抗寒性之間無顯著關聯(lián)性；超表達試驗證明PmhCBFc 可能通過增加抗氧化酶相關基因的表達從而增強ROS 的清除能力，從而降低低溫誘導下氧化脅迫對細胞膜的傷害。過聰?shù)萚19-20]克隆編碼“雪梅”的低溫轉錄因子CBF/DREB1 基因，發(fā)現(xiàn)PmCBFa 和PmCBFa 基因在梅花基因組DNA 上的串聯(lián)排布現(xiàn)象；梅花CBF/DREB1 同源蛋白屬于CBF/DREB1 轉錄因子枝的雙子葉植物分枝；梅花CBF/DREB1 基因同源基因能被低溫、干旱和機械擾動誘導。另外CBF 基因與生長激素如GA3、ABA 相互交叉作用在梅花生長低溫脅迫途徑與休眠調控之間有非常重要的作用[21]。

ICE1 基因是CBF 反應通路的最上游基因，在常溫條件下呈組成型表達，在遭受低溫脅迫時進行蛋白修飾，繼而觸發(fā)下游基因的表達，從而提高植物的抗寒性。研究推斷ICE1 通過直接調控CBF 的基因表達來調控植物低溫響應，ICE1 轉錄因子直接參與調控低溫響應基因CBF 以及部分COR（cold-responsive）基因的表達[22]。曹寧[23]從梅花品種三輪玉蝶中克隆了ICE1 基因，該基因定位于梅花第7 條染色體上，在梅花的各個器官均有不同程度的組成型表達，且該基因受到低溫脅迫的誘導。彭婷等[24]從雪梅中分離的WRKY 轉錄因子基因PmWRKY40 受低溫、氧化脅迫誘導，且誘導程度存在差異，推測PmWRKY40 可能在梅花響應低溫脅迫過程中起到重要作用。轉錄因子主要是通過調節(jié)下游靶基因的表達來響應各種脅迫。雪梅中鋅指蛋白基因PmZAT12 在多種非生物脅迫下表達，能夠持續(xù)而強烈地響應低溫和干旱，而鹽和ABA 抑制其表達[25]。轉C2H2 型鋅指蛋白基因PmBBX32 擬南芥具有更低的相對電導率和ROS 積累量，以及更高的抗氧化酶活性和脯氨酸含量，通過提高抗氧化酶活性和脯氨酸的含量增強植株的抗寒性；同時可上調冷脅迫和SOD 相關基因的表達，提高植株抗寒性[26]。

2.2 耐熱性相關基因

小分子熱激蛋白（sHSPs）已被證實與植物應激耐受有關，其具有分子伴侶的作用，調節(jié)植物體內蛋白表達與傳送，增強植物抗逆性。李曉白[27]從雪梅中擴增到小分子熱激蛋白基因，有組成型表達和誘導性表達。梅花熱休克轉錄因子（Hsfs）對熱休克蛋白（Hsps）的轉錄激活參與了熱耐受的關鍵調控作用，大部分Hsp 基因在受到熱脅迫后表達上調[28]。Wan等[29]從梅花中克隆了一個sHSP 基因PmHSP17.9，序列比對和系統(tǒng)發(fā)育分析表明其屬于植物胞質類型，鹽、干旱、氧化應激和ABA 均可上調PmHSP17.9 基因；高溫下轉基因擬南芥葉片持續(xù)積累低水平的O2-和H2O2，過表達PmHSP17.9 基因可提高幼苗的耐熱性和超氧化物酶活性。

2.3 耐鹽性相關基因

梅花基因組測序的完成推動了梅花分子生物學的深入開展。Zhang 等[6]構建了首個長度為237 Mb 的梅花基因組圖譜，同時發(fā)現(xiàn)梅基因組中存在很多PR基因家族，尤其是PR10 家族顯著擴張并推測可能與梅花耐鹽及抵抗真菌等病菌相關。嚴松濤[30]鑒定了梅花基因組中的bZIP 家族基因，在高鹽、干旱處理下梅花有22 個相關bZIP 基因表達上調，5 個bZIP 基因表達下調，3 個bZIP 基因在高鹽和干旱處理下均上調。另外，鹽可上調PmHSP17.9[29]基因、脫水素相關基因[31]的表達，并抑制PmZAT12 基因[25]的表達。

雖然已有上述梅花耐寒性、耐熱性和耐鹽性相關基因的研究報道，初步克隆并獲得了相關基因，但其相關耐非生物脅迫的分子機制并不清楚，且無完善的遺傳轉化體系。

3 展 望

梅花作為中國的傳統(tǒng)名花，是中國園林綠化和園林造景中的重要植物，在中國園林應用中有著舉足輕重的地位和影響。梅花雖然具有較高的觀賞價值，但因其對環(huán)境因子的敏感性而限制了梅花向更廣泛的地區(qū)推廣。因此，梅花品種的選育不僅要關注花香、花色和抗病性等性狀的改良，還應注重梅花抵抗非生物脅迫能力的改進。針對低溫、高溫、鹽堿、干旱、重金屬、水澇等非生物脅迫進行資源挖掘和分子生物學研究，可以開展以下研究工作。

（1）鑒定評價種質資源，挖掘優(yōu)異基因。收集、保存和鑒定優(yōu)異種質資源并推廣應用是現(xiàn)階段梅抗性資源研究的重點。從野生種質或現(xiàn)有種質中挖掘與抗逆性狀有關的優(yōu)異基因是今后研究的主要方向。

（2）深入開展耐非生物脅迫機制研究?；蚪M測序給梅花抗性基因高效挖掘提供了一個發(fā)展機遇，也為深入開展耐非生物脅迫機制研究奠定了基礎。梅花在生長過程中往往同時受到高溫、干旱以及土壤鹽堿化、重金屬等各種非生物因子的交叉脅迫，應加強梅花應對各種非生物因子脅迫的機理研究。