馬鈴薯抗旱性研究進(jìn)展

李夢(mèng)迪，楊媛媛,2，周 平*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.昆明市呈貢區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，云南 昆明 650500）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是全球第四大重要的糧食作物，其種植面積僅次于水稻、小麥和玉米[1]，是一種糧、菜、飼和工業(yè)原料兼用型經(jīng)濟(jì)作物，產(chǎn)量高，營(yíng)養(yǎng)豐富，適應(yīng)性強(qiáng)，分布廣，增產(chǎn)潛力大[2-4]。馬鈴薯又名地蛋、土豆、洋山芋等[5]。原產(chǎn)于南美洲西海岸的智利和秘魯?shù)陌驳谒股絽^(qū)，約公元前8000至5000年，秘魯印加古國(guó)的印第安人最早栽種馬鈴薯，當(dāng)?shù)赜〉诎踩朔Q其為“巴巴司”。中國(guó)、俄羅斯、印度、烏克蘭、美國(guó)等是馬鈴薯的主要主產(chǎn)國(guó)[6]。中國(guó)的馬鈴薯栽培面積和總產(chǎn)皆為全球第一[7]，所以馬鈴薯在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中占有重要地位。

近年來(lái)，非生物脅迫是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的制約因子之一。高溫、冷害、鹽堿、水分（旱、澇）、環(huán)境污染、有毒金屬元素等非生物脅迫因子常影響馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致作物嚴(yán)重減產(chǎn)，這些逆境中旱害造成的損失位居第一[8,9]。干旱是一個(gè)很復(fù)雜的生理生化過(guò)程，影響生物大分子與小分子活動(dòng)[10]。當(dāng)植株耗水多于水分吸收時(shí)，體內(nèi)產(chǎn)生水分短缺現(xiàn)象。植株體內(nèi)呈現(xiàn)出水分極度短缺的特征，叫做干旱（Drought）。旱害（Drought injury）則是指土壤水分不足或大氣相對(duì)濕度較低，造成植株萎蔫脫水死亡的現(xiàn)象。馬鈴薯抗旱性是指馬鈴薯對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力和抵御性，即在土壤干旱情況下，馬鈴薯受迫程度最輕、產(chǎn)量基本不受影響[11]。干旱有大氣干旱、土壤干旱、生理干旱3種類型[8]。同時(shí)，馬鈴薯的抗旱性是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的特性，經(jīng)過(guò)人工與自然界的多次選擇，有御旱性、耐旱型與逃旱性3種適應(yīng)方式[12]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大概有50多個(gè)干旱半干旱國(guó)家和地區(qū)，其面積大致是大陸總面積的二十分之七[13]。干旱因頻發(fā)，時(shí)間持久，覆蓋面廣等特點(diǎn)，已成為世界各國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展最為關(guān)鍵的制約因素[8]。

隨著中國(guó)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的施行，栽植面積不斷擴(kuò)展，已達(dá)9 000萬(wàn)hm2[14]。中國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的重要問(wèn)題，由于干旱引起的主要農(nóng)作物減產(chǎn)約為總產(chǎn)量的50%[15]，全國(guó)每年由于干旱導(dǎo)致的損失約為自然災(zāi)害總損失的50%[13]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)面積占全國(guó)土地面積的一半以上（52.5%），耕地面積約有3 800萬(wàn)hm2[16]。中國(guó)馬鈴薯主栽區(qū)（60%）幾乎遍布在環(huán)境惡劣、無(wú)霜期短、年降雨量200～400 mm的干旱、半干旱區(qū)域[17,18]。馬鈴薯是典型的溫帶氣候作物，性喜低溫冷涼的生長(zhǎng)條件，對(duì)水分短缺敏感，缺乏有效的耐旱機(jī)理[7]。同時(shí)，隨著全球氣溫升高，馬鈴薯種植區(qū)干旱日益嚴(yán)重，水分短缺嚴(yán)重制約馬鈴薯生長(zhǎng)，造成嚴(yán)重的減產(chǎn)[18,19]。因此，國(guó)內(nèi)外愈來(lái)愈關(guān)注馬鈴薯抗旱性研究。

1 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯的影響

馬鈴薯植株在干旱狀態(tài)下很容易被察覺(jué)，干旱對(duì)植株的影響，最直接的是萎蔫，也就是因水分短缺，細(xì)胞緊張度喪失，造成葉子和莖稈的幼嫩部位低垂[20]，對(duì)其細(xì)胞以及內(nèi)部組織造成一定的影響。萎蔫分暫時(shí)萎蔫與永久萎蔫2種。永久萎蔫時(shí)原生質(zhì)體產(chǎn)生過(guò)度失水，導(dǎo)致一連串的生理生化變化，比如：膜結(jié)構(gòu)與透性發(fā)生變化；光合作用減弱，受到抑制；呼吸作用在一段時(shí)間內(nèi)加強(qiáng)；內(nèi)源激素代謝失調(diào)；核酸代謝受到破壞；部分蛋白質(zhì)明顯被分解；大量積累脯氨酸；誘導(dǎo)蛋白增加等[12]。同時(shí)，植株體內(nèi)水分分配反常會(huì)導(dǎo)致植株的生長(zhǎng)受限；如果干旱嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成植株機(jī)械性損害，從而促使植株的死亡[21]。

1.1 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的影響

一般來(lái)說(shuō)，制約馬鈴薯健康生長(zhǎng)發(fā)育的因素很多，干旱脅迫是最主要的限制因子[22,23]。干旱脅迫下，植物株高、主莖、根系的生長(zhǎng)，葉子數(shù)、葉面積、產(chǎn)量等基本受到抑制[14,24]。張瑞玖等[16]研究認(rèn)為，馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單株結(jié)薯重、生物量等受干旱影響，均引起大幅度的降低。有學(xué)者認(rèn)為，馬鈴薯植株在土壤水勢(shì)下降至-25 kPa或者土壤相對(duì)田間持水量低于50%時(shí)，會(huì)遭遇干旱脅迫，各生育時(shí)期皆對(duì)干旱產(chǎn)生敏感[25]。尤其在塊莖膨大期若遇到干旱脅迫產(chǎn)量會(huì)受到影響，嚴(yán)重干旱時(shí)可導(dǎo)致產(chǎn)量大幅度下降。同時(shí)，會(huì)造成一連串的不良反應(yīng)，導(dǎo)致馬鈴薯品質(zhì)降低，如外觀畸變、組織器官異常、代謝紊亂及空心薯等[26,27]。王燕等[18]研究說(shuō)明，株高脅迫指數(shù)與抗旱指數(shù)呈反比，且達(dá)1%顯著水平；干旱對(duì)株高的脅迫程度會(huì)隨株高脅迫指數(shù)的下降而減輕，抗旱能力增強(qiáng)。

1.2 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯生理代謝的影響

干旱脅迫下，馬鈴薯的生理代謝指標(biāo)，如土壤含水量、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量、葉綠素含量、根系拉力、ATP含量、葉水勢(shì)、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量等皆會(huì)產(chǎn)生變化，反映馬鈴薯的脅迫狀況[28,29]。一般情況下，低濃度的脯氨酸含量，表明脅迫程度低[30]。尹智宇和肖關(guān)麗[31]認(rèn)為干旱脅迫導(dǎo)致馬鈴薯葉片內(nèi)脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等大量增加，滲透壓下降，促進(jìn)馬鈴薯植株對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)能力及本身的抗旱性。趙媛媛等[32]對(duì)干旱脅迫15 d與空白處理的馬鈴薯植株光合特性指標(biāo)相對(duì)量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示干旱脅迫在較大程度上影響馬鈴薯植株光合特性指標(biāo)，導(dǎo)致馬鈴薯植株的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度皆下降。顧尚敬等[33]研究干旱脅迫下馬鈴薯葉片部分和能量代謝指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在受迫情況下葉片里的可溶性蛋白含量呈增加趨勢(shì)，葉面積指數(shù)呈降低趨勢(shì)，可溶性蛋白含量會(huì)隨供水量的減少而增加。葉片失水率增加，抗旱性降低；反之，葉片失水率下降，抗旱能力增加[17]。丁海兵等[34]研究表明，品系抗旱性與葉片可溶性糖含量成正比且達(dá)1%的顯著水平，與離體葉片失水速率、葉片含水量成反比且達(dá)5%的顯著水平。梁麗娜等[35]認(rèn)為干旱脅迫造成馬鈴薯細(xì)胞內(nèi)MDA的大量積聚；干旱脅迫程度的加深，會(huì)促使POD（Peroxidase，POD）活力增強(qiáng)，從而及時(shí)清除過(guò)氧化氫（H2O2）來(lái)抵抗逆境。

2 馬鈴薯抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)

干旱脅迫對(duì)馬鈴薯植株的生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理代謝有巨大影響。馬鈴薯抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有產(chǎn)量指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)、生化指標(biāo)、綜合指標(biāo)等。

2.1 產(chǎn)量指標(biāo)

干旱脅迫下，馬鈴薯產(chǎn)量指標(biāo)比較直觀。抗旱性的強(qiáng)弱主要體現(xiàn)在產(chǎn)量部分，能作為馬鈴薯抗旱品種判定的重要指標(biāo)。Chionoy的抗旱系數(shù)法、Fish的干旱敏感指數(shù)（SI）法和胡福順的抗旱指數(shù)（DI）法是其傳統(tǒng)方法[36]。顧尚敬等[33]研究認(rèn)為，水分脅迫下，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量的變化程度是抗旱能力大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)，抗旱指數(shù)直觀表現(xiàn)植株對(duì)干旱的敏感水平。

2.2 形態(tài)指標(biāo)

用植株形態(tài)鑒定馬鈴薯抗旱能力是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的研究方法。馬鈴薯根系拉力、根長(zhǎng)、根重、根冠比、株高、莖粗、生物量、鮮重、葉重、氣孔下陷程度、葉面積大小等形態(tài)特性與抗旱能力有關(guān)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)馬鈴薯抗旱形態(tài)特性的研究主要聚集在植株的根系。根系是馬鈴薯接收土壤水分信號(hào)及吸收土壤水分的器官。干旱脅迫下，根系吸收量下降，根系活力降低，造成營(yíng)養(yǎng)失衡[36]。杜培兵等[17]認(rèn)為，抗旱性強(qiáng)的品種在干旱條件下根系發(fā)達(dá)，產(chǎn)量較高；同時(shí)，根系拉力與根重、根數(shù)、根長(zhǎng)呈顯著的正比關(guān)系，是衡量根系發(fā)育程度的重要指標(biāo)。

2.3 生理指標(biāo)

植物抗旱性評(píng)價(jià)生理指標(biāo)包括：土壤含水量、葉片含水量、光合速率、水勢(shì)、呼吸速率、干物質(zhì)脅迫指數(shù)、滲透調(diào)節(jié)能力、水分脅迫指數(shù)、離體葉片持水力等。杜培兵等[17]研究表明，冠層覆蓋度與產(chǎn)量呈正比，達(dá)5%顯著水平，兩者可作為抗旱評(píng)價(jià)的重要生理指標(biāo)。有研究結(jié)果表明，80%土壤含水量馬鈴薯植株長(zhǎng)勢(shì)最好，60%土壤含水量為輕度干旱脅迫，40%土壤含水量為中度干旱脅迫，20%土壤含水量為重度干旱脅迫。因此，土壤含水量可以作為評(píng)價(jià)馬鈴薯抗旱的生理指標(biāo)之一[31,37]。當(dāng)馬鈴薯植株受干旱脅迫，水分虧缺時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光合作用減弱、光合速率降低，導(dǎo)致其作物減產(chǎn)[38]。所以，光合速率是馬鈴薯抗旱性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[39]。葉片保水能力是馬鈴薯抗旱性的一種體現(xiàn)。王燕等[18]研究表明，抗旱能力愈低的品種失水能力愈強(qiáng)，也就相當(dāng)于保水能力愈低；抗旱系數(shù)會(huì)隨失水力的升高而下降，失水力與抗旱系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性且達(dá)1%顯著水平，馬鈴薯產(chǎn)量降低。

2.4 生化指標(biāo)

植物抗旱性生化指標(biāo)包括：可溶性糖含量、脯氨酸含量、甜菜堿含量、MDA 含量、ATP酶活性、維生素C含量、SOD活性、過(guò)氧化物酶（Peroxidase，POD）活性、過(guò)氧化氫酶（Catalase，CAT）活性等。

在干旱脅迫、缺水條件下，馬鈴薯植株體內(nèi)會(huì)大量積累脯氨酸，品種之間、脅迫時(shí)間有差異[39]。丁玉梅等[40]研究，在干旱脅迫下，不同品種馬鈴薯脯氨酸含量上升1.01～5.40倍，MDA含量上升1.10～1.91倍，馬鈴薯葉片游離脯氨酸含量和MDA含量呈上升趨勢(shì)，可以作為馬鈴薯抗旱評(píng)價(jià)的生化指標(biāo)。

可溶性糖是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。在許多植物中，可溶性糖含量幾乎都會(huì)在干旱條件下累積增加[14]。但是，楊宏羽[41]對(duì)‘大西洋’等6個(gè)馬鈴薯品種進(jìn)行研究，結(jié)果是可溶性糖含量與脅迫時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，可溶性糖作為抗旱性指標(biāo)有待進(jìn)一步研究。

2.5 綜合指標(biāo)

采用綜合指標(biāo)法，能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)馬鈴薯抗旱能力。隸屬函數(shù)法是對(duì)各品種所有抗旱指標(biāo)的隸屬值進(jìn)行累加，求其平均數(shù)以及進(jìn)行品種間比較，由此評(píng)價(jià)其抗旱能力的大小[17]。王謐[8]利用主成分分析法，分析馬鈴薯的生理和產(chǎn)量等指標(biāo)，以此表明MDA含量是馬鈴薯抗旱評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)法對(duì)馬鈴薯抗旱性進(jìn)行概況評(píng)價(jià)，評(píng)定成果與實(shí)踐幾乎相同。

3 馬鈴薯抗旱機(jī)制

現(xiàn)今，隨著社會(huì)科技的發(fā)展，馬鈴薯抗旱研究已經(jīng)由對(duì)生理指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)的研究，發(fā)展到對(duì)其生理機(jī)制和分子機(jī)制的深入研究。

3.1 馬鈴薯抗旱生理機(jī)制

滲透調(diào)節(jié)、抗氧化、光合作用等是研究馬鈴薯抗旱生理機(jī)制的重要參數(shù)。滲透調(diào)節(jié)是馬鈴薯植株抵制干旱脅迫、維持滲透平衡、保障細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)的重要生理機(jī)制，在抵抗干旱脅迫的過(guò)程中發(fā)揮著積極作用[42]。提高吸水能力、穩(wěn)定膨壓能改進(jìn)細(xì)胞水分狀況，從而改善水分脅迫植株的生理功能，維持植株的光合作用[21]。脯氨酸和可溶性糖是植株體內(nèi)參與滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)，其中脯氨酸具有較強(qiáng)的水合能力，在干旱脅迫下脯氨酸累積能增強(qiáng)細(xì)胞的保水力，有益于馬鈴薯抗旱性的提高；可溶性糖含量的增長(zhǎng)也可促進(jìn)馬鈴薯滲透調(diào)節(jié)能力的提高。

當(dāng)馬鈴薯植株處于干旱環(huán)境下，馬鈴薯植株體內(nèi)活性氧和抗氧化之間的平衡會(huì)被打破，從而引起一系列生理代謝機(jī)制的變化。近幾年隨著深入研究，干旱脅迫除了影響馬鈴薯的抗氧化和滲透調(diào)節(jié)之外，還會(huì)影響到馬鈴薯的光合作用。周峰[43]認(rèn)為馬鈴薯在受旱狀況下，會(huì)影響葉面光合方面的生理機(jī)制，如導(dǎo)氣速率變慢、水分利用率降低、蒸騰速率降低和凈光合速率降低。

3.2 馬鈴薯抗旱分子機(jī)制

隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，對(duì)植物抗旱的研究也在不斷地深入，發(fā)現(xiàn)了很多抗旱基因。到2014年已在將近500種植物中發(fā)現(xiàn)了100多個(gè)與抗旱有關(guān)的基因，其中有68個(gè)基因在擬南芥和主要農(nóng)作物中發(fā)現(xiàn)[20,44]，而馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)與抗旱相關(guān)的基因卻不多，只有WRKY1、DREB1和SnRK2[45]。

馬鈴薯抗旱的分子機(jī)制是：當(dāng)馬鈴薯受到干旱脅迫時(shí)，會(huì)發(fā)生很多不良反應(yīng)，本階段是信號(hào)識(shí)別的重要階段；感受到外界的刺激之后，可由信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)節(jié)成轉(zhuǎn)錄因子；轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控基因在經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)之后，通過(guò)新陳代謝完成抗旱過(guò)程[20,21]。當(dāng)下，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐步深入研究馬鈴薯抗旱分子機(jī)制，把精力集中于用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)以及生物化學(xué)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)馬鈴薯的抗旱能力。裴懷弟等[46]對(duì)干旱脅迫下，馬鈴薯試管苗的轉(zhuǎn)基因型GhABF2與野生型相比進(jìn)行分析，結(jié)果表明轉(zhuǎn)GhABF2基因馬鈴薯能夠顯著增加生物量，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。李葵花等[15]認(rèn)為轉(zhuǎn)P5CS 基因植株在干旱脅迫和鹽脅迫下SOD活性加強(qiáng)，進(jìn)而降低植株受迫的幾率。楊文靜等[47]轉(zhuǎn)入馬鈴薯的梭梭NAC家族基因HaNAC1，發(fā)現(xiàn)其通過(guò)參與多種激素合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及調(diào)控下游逆境應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)，提高了馬鈴薯的抗旱性。

4 馬鈴薯抗旱性研究展望

近年來(lái)，中國(guó)馬鈴薯受干旱脅迫，導(dǎo)致各主產(chǎn)區(qū)大幅度減產(chǎn)的情況越來(lái)越頻繁[48]。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)抗旱機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，提出了可在育種中采納多種抗旱指標(biāo)。但至今對(duì)馬鈴薯抗旱機(jī)制的了解并不透徹，抗旱指標(biāo)的應(yīng)用成效也不太明顯[29]。因此，要重視馬鈴薯抗旱生理機(jī)理和有關(guān)分子機(jī)制的研究，使用QTL定位、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、分子標(biāo)記輔助育種等當(dāng)代最新的生物分子技術(shù)手段[1,49]，挖掘與馬鈴薯抗旱相關(guān)的基因，選取恰當(dāng)?shù)目购敌跃C合分析指標(biāo)，運(yùn)用到馬鈴薯育種生產(chǎn)實(shí)踐中，培育出抗旱性強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)馬鈴薯新品種。