香蕉抗逆境生理機(jī)制研究進(jìn)展

只佳增, 岳建偉, 張建春, 劉學(xué)敏, 趙麗娟, 杜 浩

(云南省紅河熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南 河口 661300)

香蕉(Musaspp.)作為全球重要的經(jīng)濟(jì)和糧食作物，與蘋果(Maluspumila)、葡萄(Vitisvinifera)和柑橘(Citrusspp.)并列為世界四大水果，廣泛分布于全球[1-2]。 2019年我國香蕉園面積達(dá)40萬hm2，產(chǎn)量超過1 000萬t，總產(chǎn)值超過200多億元[3-4]。隨著香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，種植面積不斷擴(kuò)大，香蕉生產(chǎn)正面臨著各種生物(真菌、細(xì)菌、病毒以及各種昆蟲)和非生物(冷害、干旱、臺風(fēng)等)的逆境脅迫[5]。病害、干旱和寒冷等逆境對香蕉的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)、光合速率和呼吸速率等造成傷害[5]。為了適應(yīng)(或抵抗)不良環(huán)境，香蕉植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵的生活史特征會發(fā)生相應(yīng)變化而形成適應(yīng)性機(jī)制[6]。如遭遇病害時，香蕉營養(yǎng)生長期延長，花芽分化減緩；干旱條件下，根系發(fā)達(dá)、葉片較小；寒害時，則減緩生長等。相應(yīng)地，逆境使香蕉植株體細(xì)胞脫水，細(xì)胞膜系統(tǒng)被破壞，酶活性發(fā)生改變，次生代謝活動紊亂，細(xì)胞膜的通透性加大，呼吸速率改變[7-8]。逆境下，香蕉植物體通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)關(guān)閉一些正?；虻谋磉_(dá)程序，啟動一些逆境基因的表達(dá)程序，使生物合成酶活性下降，水解酶活性增強(qiáng)，誘導(dǎo)糖類和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變成更多的可溶性化合物，從而形成抗性生理機(jī)制，增強(qiáng)其適應(yīng)和抵抗能力[9]。加強(qiáng)抗性生理研究，從生理角度揭示香蕉抗逆境特征，對其產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。本文從抗病性、抗旱性和抗寒性等三方面綜述了香蕉逆境生理機(jī)制的研究進(jìn)展，旨在為其產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展及抗性研究提供參考。

1 香蕉抗病性生理研究

香蕉抗病性生理研究主要涉及枯萎病的抗性機(jī)制。香蕉枯萎病是一種極具毀滅性的真菌性維管束病害，主要通過土壤傳播[10]。該病于1847年首次在澳大利亞發(fā)現(xiàn)[11]，隨后在巴拿馬大面積爆發(fā)蔓延，到20世紀(jì)中期在哥斯達(dá)黎加、巴拿馬、古巴、哥倫比亞等中南美地區(qū)嚴(yán)重肆虐，導(dǎo)致大面積蕉園荒廢[11]。1967年，我國在臺灣首次發(fā)現(xiàn)香蕉枯萎病，1996年傳入珠江三角洲地區(qū)，隨后迅速在主產(chǎn)區(qū)蔓延[12]。Deascensao et al[13]研究發(fā)現(xiàn)，參與增厚植物細(xì)胞壁的抗性物質(zhì)，如活性氧、酚類物質(zhì)和木質(zhì)素等，在防御枯萎病菌侵染過程中起作用。Duan et al[14]、Deascensao et al[15]研究表明，過氧化物酶(peroxisome, POD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)、苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase, PAL)、幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶構(gòu)成了香蕉的防御酶系統(tǒng)，它們在活性氧迸發(fā)、酚類物質(zhì)和木質(zhì)素的合成中發(fā)揮重要作用。

POD是香蕉植株體內(nèi)最為普遍且活性較高的一種酶，在乙稀合成和吲哚乙酸氧化過程中起重要作用，并調(diào)控植株次生代謝和木質(zhì)素合成[14]。在植株與病原菌相互作用中改變細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)香蕉植株細(xì)胞程序性死亡[15-16]。王尉等[17]以尖孢鐮刀菌FocTR4誘導(dǎo)的‘農(nóng)科1號’香蕉為試材研究抗枯萎病機(jī)制表明，當(dāng)植株受到病原菌侵染時細(xì)胞內(nèi)POD活性會上升，且抗病品種酶活性的升高幅度遠(yuǎn)大于感病品種，認(rèn)為CAT基因和POD基因與活性氧迸發(fā)有關(guān)。有研究表明，鏈霉菌FS-4顯著抑制了尖孢鐮刀菌FocTR4的孢子萌發(fā)，POD活性上升，活性氧在FocTR4菌絲中逐漸積累，破壞質(zhì)膜和造成線粒體功能障礙[15-18]。

PPO和PAL在香蕉抗真菌性枯萎病中發(fā)揮重要作用[19]。PPO與內(nèi)囊體膜相結(jié)合，通過分子氧化酚或多酚形成對病原菌具有毒性的醌，參與細(xì)胞壁蛋白質(zhì)交聯(lián)以及細(xì)胞壁木質(zhì)化過程[20]。PAL、果膠乙?；?pectin acetylase, PAE)連同POD參與了苯丙烷途徑、抗真菌免疫球蛋白(immunoglobulin)基因PR-1、PR-3表達(dá)和細(xì)胞壁加固等次生代謝活動；另外，Deascensao et al[15]、Li et al[21]研究發(fā)現(xiàn)，PR-3基因具有降解真菌細(xì)胞壁組分的作用。 Akila et al[22-23]認(rèn)為，在接種FocTR4后，香蕉抗性的產(chǎn)生與PPO、POD酶活性的增加有關(guān)。Damodaran et al[24]研究表明，香蕉抗病性品種葉肉細(xì)胞的POD、PPO、PAL活性均高于感病品種‘巴西蕉’。劇虹伶等[25]研究表明，‘寶島蕉’、‘南天黃’等抗病品種在接種FocTR4后，PPO、POD、PAL活性均顯著高于感病品種‘巴西蕉’。香蕉對逆境的防衛(wèi)應(yīng)答機(jī)制涉及到復(fù)雜的基因表達(dá)與調(diào)控，Vanderberg et al[23]研究表明，在病原菌入侵時抗性強(qiáng)的香蕉品種能夠更早地表達(dá)PAE基因，促進(jìn)果膠質(zhì)的乙酰化，PAE基因表達(dá)的多少與品種抗性有關(guān)。Vercauteren et al[26]發(fā)現(xiàn)，香蕉根系中PAE基因能水解細(xì)胞中果膠質(zhì)的聚半乳糖醛酸的酰酯鍵，催化果膠質(zhì)組分乙酰化，從而修飾細(xì)胞壁來對抗病原菌的攻擊。香蕉幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶在健康狀態(tài)下活性很低，當(dāng)受真菌性枯萎病原菌侵染時，其活性迅速升高，并且抗性品種的幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性和數(shù)量都顯著大于感病品種[27-29]。香蕉植株防御酶系活性增加、活性氧迸發(fā)、酚類合成及氧化、木質(zhì)素的積累及相關(guān)免疫蛋白表達(dá)增多等都是香蕉誘導(dǎo)抗病性的重要表征[30]。以上說明，香蕉的抗病能力與其體內(nèi)相關(guān)防御酶的活性大小有密切關(guān)系。

2 香蕉抗旱性生理研究

香蕉屬于大葉型淺根系作物，生長快速，蒸騰作用旺盛，需大肥大水，怕干旱特性明顯[31]。干旱脅迫會引起香蕉假莖和葉片枯萎，導(dǎo)致植株矮小、產(chǎn)量及品質(zhì)降低，嚴(yán)重缺水時甚至死亡。我國香蕉主產(chǎn)區(qū)普遍降雨豐富，但伴隨著明顯的季節(jié)性，雨量分配極不均勻。因此，我國香蕉生產(chǎn)受季節(jié)性缺水的影響較大[32]。干旱脅迫是制約香蕉產(chǎn)業(yè)高效化和持續(xù)性發(fā)展的主要限制因子之一[33]。香蕉為應(yīng)對干旱脅迫造成的傷害，形成了適應(yīng)性生理機(jī)制[32-33]。

2.1 光合特性與香蕉的抗旱性

干旱脅迫通過多種途徑間接影響香蕉光能同化作用，明顯影響香蕉生長及營養(yǎng)吸收[33]。干旱脅迫導(dǎo)致香蕉葉片細(xì)胞水勢下降，細(xì)胞水分飽和虧缺上升，造成葉綠體內(nèi)代謝失調(diào)，總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量下降，光合作用機(jī)構(gòu)遭到破壞，葉片光合能力減弱[34]；使光合碳循環(huán)中光合酶的活性降低、三羧酸循環(huán)減緩，CO2的需求量減少，光合速率迅速下降[35]。香蕉通過降低蒸騰速率與調(diào)節(jié)滲透壓來保持光合作用正常進(jìn)行，以此提高植株的耐旱性[36]。因此，在干旱脅迫下，抗旱性強(qiáng)的香蕉品種凈光合速率明顯高于抗旱性差的品種[34]。

2.2 細(xì)胞膜系統(tǒng)與香蕉的抗旱性

細(xì)胞膜由具有高度流動性的磷脂雙分子層和鑲嵌在其中及吸附在表面的蛋白質(zhì)構(gòu)成，在物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞中起決定性作用，對不良環(huán)境極為敏感。在干旱脅迫時，最初與最基本的反應(yīng)就是通過細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的改變來維護(hù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[36]。干旱引起香蕉細(xì)胞失水，膜表面蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，膜磷脂雙分子層組分也發(fā)生變化[37]。何海旺等[38]研究表明，香蕉葉肉細(xì)胞膜的流動性與膜結(jié)合酶直接相關(guān)，即在干旱逆境下膜脂肪酸飽和度降低，膜結(jié)合酶活性升高，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量增加，促使細(xì)胞膜脂肪酸飽和度升高，磷脂雙分子層不飽和脂肪酸含量下降，細(xì)胞膜透性增大。

2.3 滲透調(diào)節(jié)與香蕉的抗旱性

在干旱脅迫初期, 香蕉幼苗葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量提高，并隨著干旱脅迫程度的加重呈降低趨勢[32-35]。多胺能保護(hù)細(xì)胞膜的滲透性能，防止或減少細(xì)胞內(nèi)水分丟失，可促進(jìn)干旱脅迫下蛋白質(zhì)的合成[36]。通過葉面噴施外源精胺(spermine, Spm)、亞精胺(spermidine, Spd)、腐胺(sutrescine, Put)能促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，提高香蕉幼苗的滲透調(diào)節(jié)能力[36-38]。研究表明，干旱脅迫下香蕉合成脫落酸(abscisic acid, ABA)，促使氣孔關(guān)閉、阻止氣孔開放，抑制蒸騰，促進(jìn)香蕉細(xì)胞內(nèi)脯氨酸(proline, Pro)含量增加，Pro含量與香蕉抗旱性水平呈顯著正相關(guān)[39-42]。Ashraf et al[43]、Chaves et al[44]研究表明，干旱脅迫下香蕉葉面噴施外源α-亞麻酸(α-Linolenic acid, ALA)可以提高葉片和根系Pro的含量及功能。以上可見，香蕉在干旱逆境下，通過滲透調(diào)節(jié)增加Pro、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)等含量以保持細(xì)胞液濃度，從細(xì)胞膜外水勢較低的介質(zhì)中吸水，保持細(xì)胞滲透壓和細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，維持正常代謝[45-46]。

2.4 氧代謝與抗氧化防御系統(tǒng)對干旱脅迫的響應(yīng)

3 香蕉抗寒性生理研究

香蕉屬熱帶水果，喜高溫高濕、對低溫寒害較為敏感、忌霜凍，通常在18.0 ℃以下生長緩慢，10.0 ℃以下幾乎停止生長，1.0～2.0 ℃時葉片受寒害枯死[53]。在諸多熱帶水果中，香蕉受寒害的幾率最高、受害程度最大[54]。在低溫脅迫時，香蕉葉片最先轉(zhuǎn)黃，呈水漬狀斑點(diǎn)，后逐漸黑褐色而軟化枯干；當(dāng)溫度進(jìn)一步降低而產(chǎn)生凍害時，葉柄及假莖呈現(xiàn)濃黃褐色水漬，腐爛，導(dǎo)致植株死亡[55-56]。

3.1 細(xì)胞膜系統(tǒng)與香蕉抗寒性

香蕉抗寒性與細(xì)胞膜系統(tǒng)中磷脂及脂肪酸的不飽和度密切相關(guān)。抗寒品種的細(xì)胞膜系統(tǒng)一般具有較高的不飽和脂肪酸，在較低溫度下仍可保持膜的流動性，維持細(xì)胞內(nèi)的正常生理功能[57-59]。在低溫脅迫下，細(xì)胞膜的選擇透性減小或喪失，活性氧和MDA積累，使細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)大量外滲，導(dǎo)致組織浸泡液的電導(dǎo)率增高。香蕉抗寒能力強(qiáng)弱可以根據(jù)葉片細(xì)胞組織液電導(dǎo)率的大小推測[58]。韋弟等[59]研究表明，在低溫脅迫下，香蕉膜脂過氧化的加劇引起自由基的積累，自由基又進(jìn)一步促進(jìn)膜脂過氧化產(chǎn)生MDA, MDA與蛋白質(zhì)結(jié)合會引起膜蛋白的結(jié)構(gòu)和功能變化，使膜流動性降低，損傷細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致質(zhì)膜透性增加。MDA含量的大小是衡量細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度的重要指標(biāo)[60]。何維弟[61]研究發(fā)現(xiàn)，通過早期積累的過氧化物酶和水通道蛋白來調(diào)控體內(nèi)活性氧平衡和細(xì)胞水勢可能是香蕉抗寒的主要原因之一。低溫鍛煉會刺激β-1,3葡聚糖酶活性的提高，也能提高香蕉幼苗游離Pro、甘油、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性還原糖的含量[62-64]。這些物質(zhì)的積累可提高細(xì)胞液濃度，增加細(xì)胞持水力及組織中非結(jié)冰水，從而降低細(xì)胞質(zhì)的冰點(diǎn)，起到保持香蕉幼苗細(xì)胞組織免受寒害的作用[65-66]。

3.2 生理代謝與香蕉抗寒性

香蕉的抗寒性生理研究主要包括光合作用、呼吸作用和酶三個方面。周麗麗等[67]、高潔[68]認(rèn)為，低溫抑制香蕉幼苗吸收水分，造成葉片水分虧缺和氣孔關(guān)閉，光合色素含量減少，使光合速率降低。在低溫誘導(dǎo)下，香蕉植株體內(nèi)可溶性糖含量增多，提高了葉片細(xì)胞液濃度，增加細(xì)胞滲透壓，使冰點(diǎn)降低，緩沖細(xì)胞質(zhì)過度脫水，從而保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膠體不致遇冷凝固，增強(qiáng)植株的抗寒性[69-72]。李茂富等[73]研究發(fā)現(xiàn)，香蕉葉片可溶性蛋白含量的增加，有利于提高束縛水/自由水比值、減少細(xì)胞膜過氧化產(chǎn)物MDA的積累，從而增加對細(xì)胞水分的束縛能力，減輕低溫對細(xì)胞膜的傷害，提高幼苗的抗寒能力。賴恭梯[74]、匡云波[75]研究表明，低溫脅迫下香蕉葉片細(xì)胞脂質(zhì)代謝相關(guān)酶的增加可促進(jìn)甘油磷脂酸(glycerophosphatidic acid, PA)、二?；视?diacylglycerol, DAG)和三酰基甘油(triacylglycerol, TAG)向磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine, PC)轉(zhuǎn)化，積累不飽和磷脂，提高細(xì)胞膜的流動性和穩(wěn)定性。三磷酸腺苷酶(Adenosine triphosphatase, ATPase)的增加，有利于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的磷脂向葉綠體轉(zhuǎn)運(yùn)，增加單半乳糖二脂酰甘油合酶(monogalactosyl diacylglycerolase, MGDGase)和雙半乳糖二脂酰甘油合酶(digalactosyl diacylglycerolase, DGDGase)，促進(jìn)特殊的磷脂酰甘油(phosphatidyl-glycerol, PG)合成，從而穩(wěn)定光合膜系統(tǒng)[61,76]。林善枝等[77]研究認(rèn)為，6-磷酸葡萄糖脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PDHase)在低溫脅迫中能轉(zhuǎn)變成磷酸戊糖代謝，為許多生物合成反應(yīng)提供電子供體，從而產(chǎn)生能量供給香蕉利用，提高香蕉的抗寒能力。

3.3 關(guān)鍵酶基因?qū)ο憬犊购缘恼{(diào)控

細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的主要蛋白富羥脯氨酸糖蛋白(hydroxyproline rich glycoprotein, HRGPs)在香蕉抗寒中起著重要作用。其中，阿拉伯聚半乳糖蛋白(arabinogalase protein, AGPs)的冷響應(yīng)基因在低溫脅迫下呈差異性表達(dá)[71]。β-1,3葡聚糖酶基因在8 ℃低溫刺激下，可能作為抗寒途徑的上游信號傳導(dǎo)因子起到早期調(diào)控作用，通過與絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)的磷酸化作用，提高基因表達(dá)量，將抗寒信號快速從細(xì)胞膜傳遞至細(xì)胞核，協(xié)助激活下游基因表達(dá)。賴恭梯[74]研究表明，野生蕉的抗寒基因脂肪酸去飽和酶(fatty acid desaturase, FADs)家族基因感受環(huán)境溫度降低并啟動抗寒抵御反應(yīng)。已有研究發(fā)現(xiàn)，CBF7-1、miRNAs在野生蕉響應(yīng)低溫脅迫過程中發(fā)揮作用，其中miR171、miR408及靶基因在低溫脅迫下會出現(xiàn)顯著的差異表達(dá)，推測miR171、miR408可以通過調(diào)控靶基因的表達(dá)而參與光合途徑、糖酵解途徑、木質(zhì)素合成等響應(yīng)低溫脅迫的過程[66-67,69]。劉靜[62]研究表明，與半纖維素生物合成相關(guān)的甘露聚糖合成酶(mannan synthase)基因和UDP-葡糖基轉(zhuǎn)移酶(UDP- glucosyl-transferase)基因可能與香蕉的抗寒性密切相關(guān)。匡云波[75]、Sreedharan et al[76]對香蕉葉片糖代謝關(guān)鍵酶基因應(yīng)答低溫脅迫的分子機(jī)制研究表明，香蕉葉片糖代謝關(guān)鍵酶基因在不同溫度下有差異性表達(dá)，其中酸性轉(zhuǎn)化酶lnv-N蛋白亞家族lnv-N1隨著溫度的降低和持續(xù)時間的延長而不斷上調(diào)表達(dá)，從而調(diào)控可溶性糖含量的變化，可能在應(yīng)答低溫脅迫的分子機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用。

4 展望

目前，香蕉抗逆境生理研究主要集中在抗枯萎病、抗旱性、抗寒性方面，而有關(guān)抗葉斑病、抗花葉心腐病、抗蟲害、耐鹽堿性和抗?jié)承缘壬頇C(jī)制研究報(bào)道較少。已有抗逆性研究以幼苗為試驗(yàn)材料較多，而有關(guān)成年期、花期和果期對逆境脅迫的適應(yīng)方式、途徑、適應(yīng)類型等研究較少見[78]。此外，不同的土壤條件、微生物菌群和種植模式等對香蕉生長有顯著影響[79-81]，但對栽培環(huán)境、微生物菌群與香蕉抗逆境的相關(guān)性報(bào)道較少，有待進(jìn)一步探索。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，分子生物學(xué)、基因?qū)W等生物技術(shù)的發(fā)展，香蕉抗逆性機(jī)理的研究更加深入化，手段更加多樣化，從分子水平上闡述香蕉抗逆性的物質(zhì)基礎(chǔ)及其生理功能，通過基因工程手段進(jìn)行抗性基因重組，創(chuàng)造香蕉抗性新品種將是今后的研究重點(diǎn)[82]。此外，抗性品種的田間驗(yàn)證、抗性藥劑的篩選等方面還有待進(jìn)一步研究。加強(qiáng)香蕉的抗逆境機(jī)制研究，從生理學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)的角度解釋香蕉的抗逆性機(jī)制特征，從而為抗逆性品種的選育、抗逆性栽培方法及抗病藥劑的研發(fā)提供理論依據(jù)，對香蕉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。