油茶干旱脅迫響應(yīng)機制的研究進展

董斌 李榮喜 洪文泓 黃麗英 黃永芳 賴巧暉

（1. 廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510507；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642；3. 佛山科技學(xué)院，佛山 528231）

油茶（Camellia oleiferaAbel.）是中國特有的木本油料作物。性喜陽，喜溫暖，怕寒冷，生長在中國南方亞熱帶地區(qū)的山地及丘陵地帶，適應(yīng)干旱貧瘠的環(huán)境［1］。油茶是世界著名的經(jīng)濟林樹種，與油橄欖（Olea europaea）、椰子（Cocos nucifera）、油棕（Elaeis guineensis）并稱世界“四大木本油料植物”［2］。茶油是最好的食用油之一，具有“東方橄欖油”的美譽，其脂肪酸主要由油酸、亞油酸和少量的飽和脂肪酸組成，含有多種功能性成分［3-4］。茶油中不含膽固醇，對于維持心血管系統(tǒng)功能，提高人體免疫力，預(yù)防和治療高血壓等具有顯著功效［5］。用茶油烹飪食物顏色鮮美，味香可口，深受大眾喜愛。此外，油茶全身是寶，其副產(chǎn)品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等方面均具有較大經(jīng)濟價值，可用于生產(chǎn)肥皂、凡士林、潤滑油、飼料、有機肥，以及青、鏈霉素的油劑等，其上下游產(chǎn)業(yè)鏈飽滿，極具經(jīng)濟價值［6-7］。此外，油茶還具有水土保持，防火防災(zāi)，美化及保護環(huán)境的生態(tài)功能［8］。

近年來，我國為進一步提高食用油尤其是高端食用油的自給，油茶作為重點發(fā)展的油料作物，地位被提升至新高度。在國家優(yōu)惠政策引導(dǎo)下，眾多資源投入油茶產(chǎn)業(yè)。截至2017 年底，我國油茶栽培總面積已約達4.5×104萬hm2，在湖南、江西、廣西、福建、貴州、廣東等18 個省均有分布，年產(chǎn)茶籽超90×10 萬t，產(chǎn)油近30×10 萬t［9］。

油茶雖然被歸為耐旱樹種，但其主要種植在南方丘陵山地，灌溉難度大。此外，南方季風(fēng)性氣候區(qū)域夏季高溫少雨，干旱脅迫已經(jīng)成為制約油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個主要障礙。

1 油茶對干旱脅迫的響應(yīng)機理

干旱脅迫是指土壤含水量嚴重低于植物正常生長的耐受范圍，使植物蒸騰失水多于根系吸水，進而對其外部形態(tài)及生理生化等造成損害，影響植物的正常生長發(fā)育。在干旱脅迫過程中，油茶細胞感知外界干旱信號，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，引起響應(yīng)基因表達，進而產(chǎn)生相應(yīng)功能蛋白，導(dǎo)致植物形態(tài)、生理、生化等指標(biāo)發(fā)生變化。植物對干旱脅迫的響應(yīng)是從單個基因到整個生物體水平的復(fù)雜過程［10-11］。

2 干旱脅迫對油茶形態(tài)指標(biāo)的影響

干旱影響油茶生長，造成植株脫水，根、莖、葉、花、果等形態(tài)逐步變化，甚至導(dǎo)致植株死亡。長期持續(xù)的非致死干旱脅迫會造成樹體老化早衰，形成“小老樹”［12］。

曹永慶等［13］的研究發(fā)現(xiàn)，油茶受旱害癥狀包括新葉卷曲變褐、頂梢彎曲枯萎，老葉下垂枯萎，老枝下垂枯萎，葉片脫落，枝條枯萎等，持續(xù)的非致死干旱會導(dǎo)致抽穗變短，抽穗時間推遲。袁昌選等［14］的研究發(fā)現(xiàn)，油茶幼林在干旱脅迫下的保存率與林齡呈正比例關(guān)系。曹林清等［15］對7 年生“長林4 號”油茶的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導(dǎo)致成熟葉片變薄變小，柵海比變小，氣孔面積、氣孔周長、氣孔大小、氣孔開度減小，主脈厚度增加，這些變化能增強油茶對干旱環(huán)境的適應(yīng)。張規(guī)富等［16］發(fā)現(xiàn)，低強度干旱脅迫抑制根長與根體積的增加，高強度干旱脅迫顯著促進根長與根體積的增加。丁少凈等［17］對6 年生長林系列油茶林跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫導(dǎo)致花徑的生長量較自然狀況減少21.01%。王瑞輝等［18］的研究發(fā)現(xiàn)，干旱會造成油茶果的果徑、果高、果形指數(shù)和體積等參數(shù)降低。

3 干旱脅迫對油茶產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

農(nóng)諺中流傳的“七月干果、八月干油”，是對干旱脅迫影響油茶產(chǎn)量和茶油品質(zhì)的真實寫照。在眾多氣象因子中，降水油茶含油率的影響最大［19］，充足的降水和水分供給能明顯提高茶油的品質(zhì)［20］。田間持水量控制在80%-90%之間，有利于提高油茶果實產(chǎn)量及產(chǎn)油量［21-22］。陳隆升等［23］從2009-2015 年連續(xù)7 年對湖南省25 個不同生長階段的油茶林進行產(chǎn)量跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，干旱對花芽分化期，花期，以及油脂轉(zhuǎn)化高峰期影響較大，能直接導(dǎo)致減產(chǎn)。劉中新等［24］和卯吉華等［25］的研究表明，高溫干旱和土壤水分虧缺會導(dǎo)致花果大量脫落，影響油茶產(chǎn)量。丁少凈等［26］的研究顯示，干旱導(dǎo)致“長林4 號”6 年生油茶苗的鮮籽產(chǎn)量較自然狀況下降45.73%。王小藝等［27］和何漢杏等［28］對油茶林的跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，8 月上中旬-9 月上中旬和9 月下旬-10月上旬兩個油脂轉(zhuǎn)化高峰期的供水狀況對油茶種子含油率的高低影響顯著。張乃燕等［29］發(fā)現(xiàn)，充足的年均降雨量能提高茶油中油酸和亞油酸的含量，提高油茶的健康價值和品質(zhì)。

4 干旱脅迫對油茶生理生化指標(biāo)的影響

干旱條件下，油茶能通過一系列的生理生化響應(yīng)來應(yīng)答干旱脅迫，包括合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，產(chǎn)生抗旱物質(zhì)，啟動保護酶系統(tǒng)和光合蒸騰作用變化等。

4.1 干旱脅迫對油茶滲透調(diào)節(jié)的影響

植物通過降低細胞含水量，減少細胞體積，以及增加細胞液溶質(zhì)這3 種方式實現(xiàn)滲透調(diào)節(jié)。通過滲透調(diào)節(jié)，植物能維持細胞結(jié)構(gòu)在脅迫環(huán)境中的穩(wěn)定，維持含水量，保持氣孔開放，使光合作用繼續(xù)進行，這些調(diào)節(jié)作用對植物的正常生長發(fā)育起著重要作用。張誠誠等［30］和刁兆龍等［31］分別對“鳳陽1 號”和“閩43 號”一年生油茶苗的水分脅迫試驗中發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導(dǎo)致油茶葉片游離脯氨酸、可溶性糖的含量大幅增加，從而提高其滲透調(diào)節(jié)能力以應(yīng)對干旱脅迫，提高了油茶的抗旱能力［30-31］。

4.2 干旱脅迫對油茶保護酶系統(tǒng)的影響

干旱脅迫會引起植物形成過量的活性氧（ROS）及其衍生物，對其正常生長造成嚴重損傷和危害。植株體內(nèi)的ROS 能被過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽還原酶（GR）、谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶（GST）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（CAT）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）以及谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）等酶類清除，使植物抵御脅迫條件［32］。董斌等［33］和鄧艷等［34］的研究均顯示，干旱脅迫導(dǎo)致油茶苗葉片的POD、SOD、CAT 活性上升，產(chǎn)生抗逆反應(yīng)以抵御干旱脅迫。但隨著脅迫的持續(xù)和加劇，上述酶類的活性會逐步下降甚至接近失活［35］。丙二醛（MDA）是由膜脂過氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的一種有害物質(zhì)，可以用于判斷植物遭受干旱脅迫的傷害程度。黃鈺等［36］的研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫的持續(xù)和加重，油茶體內(nèi)MDA 含量不斷上升，增幅隨脅迫強度的加大而增大。

4.3 干旱脅迫對油茶內(nèi)源激素的影響

油茶能通過調(diào)節(jié)內(nèi)源激素間的平衡以適應(yīng)干旱脅迫。在干旱脅迫下，油茶體內(nèi)的生長素（IAA）、赤霉素（GA）及細胞分裂素（CTK）等幾類生長發(fā)育類激素會下降，而脫落酸（ABA）、乙烯（ETH）、水楊酸（SA）及茉莉酸（JA）等幾類生長發(fā)育抑制類激素會升高，使其進入生長停滯或半停滯狀態(tài)以抵御干旱脅迫。抗旱性強的植物品種其內(nèi)源激素改變幅度較大［37］。陳博雯等［38］和丁少凈等［39］的研究顯示，在干旱脅迫下，“岑軟3 號”幼苗和“長林4 號”6 年生植株葉片中的ABA 含量升高，而玉米核苷（ZR）、GA，IAA 含量下降。而曹林青［40］提出在低濃度下“長林4 號”7 年生油茶根部IAA 含量增高，這有利于根系增長以保持合理的水分平衡，減輕脅迫對植株造成的傷害。

4.4 干旱脅迫下對油茶光合參數(shù)的影響

干旱導(dǎo)致植物光合作用快速下降，以抵御或適應(yīng)脅迫環(huán)境，光合指標(biāo)是判斷植物遭受干旱脅迫和評價其抗旱性強弱的重要依據(jù)。何小三等［41］、黃拯等［42］和羅梓瓊等［43］的研究均顯示，干旱脅迫能導(dǎo)致油茶葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs）下降，同樣的變化趨勢在山茶科植物中被驗證［44］。輕度或中度干旱導(dǎo)致油茶的水分利用率（WUE）上升，而重度干旱則引起WUE下降［45］。干旱脅迫引起Pn降低的因素主要有氣孔限制和非氣孔限制兩大類，胞間CO2濃度（Ci）是一個關(guān)鍵的判斷指標(biāo)。董斌等［46］針對產(chǎn)自廣西的4 個油茶品種進行干旱脅迫實驗，在低、中、高3 種強度脅迫下，Ci出現(xiàn)先降后升的變化趨勢，表明在脅迫前期，Pn下降主要是由氣孔因素引起的；后期隨著脅迫的持續(xù)出現(xiàn)Ci升高，光合系統(tǒng)受到損傷，逐步轉(zhuǎn)變成非氣孔因素引起的Pn下降。

4.5 干旱脅迫對油茶葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

干旱脅迫導(dǎo)致植物葉綠素含量的降低，進而影響光合作用。葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)主要關(guān)注光合系統(tǒng)中的PS Ⅱ系統(tǒng)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)能反映葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對外部光能的收集吸收，光能電子傳遞，光能利用耗散以及光能傳遞分配等情況。針對油茶開展葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)的研究偶有見報，如刁兆龍［47］的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導(dǎo)致油茶光化學(xué)量子效率（ΦPS Ⅱ）和表觀光電子傳遞效率（ETR）快速升高，減緩了非光化學(xué)淬滅（NPQ）和初始熒光（Fo）上升的速度，也降低了表觀光電子傳遞效率（Fv/Fm）、非光化學(xué)粹滅系數(shù)（qP）和最大熒光（Fm）的下降速度。此外，干旱脅迫也導(dǎo)致金花茶葉綠素?zé)晒鈪?shù)出現(xiàn)了類似的變化，導(dǎo)致了PS Ⅱ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能受到損傷與破壞，出現(xiàn)Fo升高，而Fm、Fv/Fm以及ΦPS Ⅱ則下降［48］。

5 油茶干旱脅迫分子生物學(xué)研究

在分子水平研究油茶干旱脅迫的文章近年偶有見報，多是結(jié)合最新測序技術(shù)和組學(xué)技術(shù)開展的研究。Yang 等［49］分別對“湘林4 號”干旱脅迫和復(fù)水處理的油茶葉片進行轉(zhuǎn)錄組測序分析，成功注釋了35259 個unigenes，并對4 個轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行了COG 和KEGG 聚類。Dong 等［50］對“岑軟3 號”和“桂無4 號”抗旱能力差異顯著的2 個品種進行持續(xù)干旱脅迫實驗，成功構(gòu)建了8 個轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，注釋了52531 個unigenes，包括一系列和ABA 合成，POD，SOD 和CAT 等保護酶合成，維生素B6 途徑，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，轉(zhuǎn)錄因子等關(guān)鍵功能基因。該類研究借助高通量測序技術(shù)，實現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄組水平對功能基因的快速、大量挖掘，為后續(xù)開展抗性育種提供了豐富的基因材料。但整體而言，在分子水平開展油茶干旱脅迫的研究仍處于啟步階段，相對于其它經(jīng)濟作物或模式植物仍存在較大差距。

6 存在的問題和展望

雖然針對油茶開展干旱脅迫，了解其響應(yīng)機制和抗旱機理的研究已有一定研究成果和突破，但大部分成果集中在形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)層面，僅能從宏觀層面初步了解和判斷油茶遭受干旱脅迫的變化及品種間的抗旱能力差異，研究深度有待提高。許多先進、高效、直接的分子生物學(xué)技術(shù)和手段未有應(yīng)用，未能從微觀層面對其響應(yīng)機制和抗旱機理進行充分解釋，功能基因未能有效篩選及精確定位。這種研究現(xiàn)狀嚴重制約了油茶育種，延長了育種周期和降低了育種效率。

近年來，隨著油茶cDNA［51］、EST 文庫［52］、轉(zhuǎn)錄組［53-54］、mi-RNA［55］、葉綠體基因組［56］及代謝組［57］等基因數(shù)據(jù)庫的逐步構(gòu)建和充實，可以預(yù)見在不久的將來，油茶全基因組測序必將完成和公布，更多的核酸序列數(shù)據(jù)庫資源將被進一步豐富和公共化。隨著功能基因組學(xué)和基因工程研究的快速發(fā)展，結(jié)合最新的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組等組學(xué)技術(shù)，開展組學(xué)數(shù)據(jù)與形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量品質(zhì)、生理指標(biāo)等性狀的綜合研究，必將有一系列重要的抗旱調(diào)控基因（轉(zhuǎn)錄因子、信號因子），抗旱功能基因（滲透調(diào)節(jié)基因、抗氧化代謝基因、逆境誘導(dǎo)蛋白基因等）和干旱脅迫響應(yīng)機制被進一步挖掘和考證［58］。此外，結(jié)合多組學(xué)技術(shù)開展綜合研究將進一步精確挖掘和鑒定抗旱功能基因［59-60］，使抗旱功能基因被更多標(biāo)記和克?。?1-62］。利用功能基因針對性地開展抗性育種，逐步將科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，是促進油茶產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的高效途徑。