干旱對植物的影響及植物干旱適應性反應研究進展
——以桑樹為例

李瑞雪，周榮，蘇雪強，汪泰初

（安徽省農(nóng)業(yè)科學院蠶桑研究所，合肥市 230061）

目前，在全球范圍內(nèi)土地干旱呈現(xiàn)日益嚴重的趨勢［1］，約36%的土地處于干旱和半干旱狀態(tài)，占耕地總面積的43%［2］。我國干旱、半干旱地區(qū)總面積為297.6 萬km2，占國土總面積的38.30%［3-4］。在異常氣候影響下，干旱天氣出現(xiàn)得越來越頻繁，并成為我國主要的自然災害之一，不但嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全，造成巨大損失，還會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。目前，干旱己經(jīng)成為全球性的問題［5］。植物常受到來自自然環(huán)境的生物或非生物脅迫，其中干旱是對植物損害最嚴重的非生物脅迫之一［6］。干旱會導致植物發(fā)生水分虧缺，從而產(chǎn)生滲透脅迫，進而影響植物的生長發(fā)育以及作物產(chǎn)量，嚴重時還會導致植物死亡［7］。了解干旱對桑樹等植物生長的影響和植物對干旱的適應性反應及調(diào)控機制，可為增強植物抗旱性、提高植物水分利用率、選育抗旱優(yōu)良品種、發(fā)展高產(chǎn)耐旱農(nóng)業(yè)提供參考，同時為選擇適生植物來進行受損生態(tài)系統(tǒng)的修復和人工生態(tài)系統(tǒng)的構建提供依據(jù)。桑樹在我國分布廣泛，各地均有種植。在我國傳統(tǒng)的農(nóng)作物中，桑樹為葉用植物，主要用于家蠶飼養(yǎng)，其快速生長需要消耗大量的水分。因此，相對其他木本植物來說，桑樹是一種高耗水的樹種。干旱對桑樹的正常生長發(fā)育有著極大的影響，是影響桑葉產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一［8］。干旱程度的加重會導致桑幼苗葉片出現(xiàn)失綠發(fā)黃，葉片邊緣焦枯癥狀加劇，葉片數(shù)和分枝數(shù)減少，株高、地上部位鮮重下降［9］，所以，篩選出抗旱的桑樹品種并研究桑樹的抗旱脅迫機理是桑樹栽培領域內(nèi)亟需解決的問題。本文綜述了干旱對桑樹等植物的影響和危害以及植物干旱適應性反應方面的研究進展，以期為桑樹等植物抗旱機制和抗旱品種改良選育等工作提供參考依據(jù)。

1 干旱脅迫

干旱脅迫會導致植物的滲透勢改變、細胞膜被破壞、色素含量減少、光合系統(tǒng)受影響、生長受到抑制、產(chǎn)量降低甚至死亡等［10-12］。同時脅迫強度、發(fā)生時期及各種脅迫因子的協(xié)同作用會加重環(huán)境脅迫對植物的危害，特別是會導致作物減產(chǎn)，干旱造成的農(nóng)作物減產(chǎn)大于其他環(huán)境脅迫所造成的減產(chǎn)總和［13］。

干旱會引起植物水分虧缺，由于植物種類繁多，干旱造成水分虧缺的程度很難用統(tǒng)一的標準來劃分。中生植物的水分虧缺程度可分為輕度、中度、重度3類。水分供應良好的植物，葉水勢（ψw）在-0.4～0 MPa之間，壓力勢（ψp）在0.8～1.2 MPa之間，相對含水量（RWC）＞95%。輕度虧缺時，ψw為-0.8～-0.4 MPa，ψ p為0.4～0.8 MPa，RWC＞90%。中度虧缺時，ψ w為-1.2～-0.8 MPa，ψ p為0～4 MPa，RWC 為90%～80%。重度虧缺時，ψw為-1.8～-1.2 MPa，ψp＜0 MPa，RWC＜80%［14］。小麥細胞汁液濃度對水分虧缺具有既敏感又穩(wěn)定的反應，其中拔節(jié)期細胞汁液濃度在11%～12%之間時，為適宜范圍，大于12%則處于輕度缺水，大于13.5%則為嚴重缺水；抽穗至灌漿前期，12%～14%為適宜范圍，大于14%為輕度虧缺，大于15%就是嚴重虧缺［15］。干旱程度也可用土壤含水量表示，以土壤相對含水量70%作對照，50%為輕度虧缺，35%為中度虧缺，25%為嚴重干旱［16］。

根據(jù)引起水分虧缺的原因，可將干旱分為3種類型（圖1），這3種干旱類型可同時發(fā)生，也可能是交叉發(fā)生的［17］。干旱可以是永久性的，也可以是季節(jié)性的（有明顯干濕季節(jié)差別的），也可以是不規(guī)律性的。

圖1 干旱類型

2 干旱對植物的影響和危害

干旱對植物有非常廣泛而深刻的影響和危害［18］（圖2）。植物遭到輕度或短時間的缺水脅迫時，葉片和莖基幼嫩部會出現(xiàn)下垂的暫時萎蔫現(xiàn)象。當干旱脅迫時間過長，植物由適應性萎蔫（植物為了適應干旱脅迫進行的適度萎蔫，可以減少光合作用、蒸騰作用等，進而起到自我保護的效果）轉為永久性萎蔫，就可能造成植物死亡。

圖2 水分虧缺危害植物生理示意圖［18］

2.1 抑制植物生長發(fā)育

水分虧缺能夠改變細胞壁的伸展性能，如小麥、大豆、玉米等植物在水分虧缺下由于細胞壁的伸展程度降低，生長明顯受到抑制，胞壁物質(zhì)在植物延伸生長中起到關鍵作用［19-21］。缺水會導致植物葉片卷縮或老葉掉落［22］。土壤水分不足會抑制小麥植株莖節(jié)生長，降低株高。隨著干旱脅迫程度的加劇，各部位葉片的長度及面積減少，且其長和寬的比值也會相應減?。?5］。桑樹的株高和地莖受干旱脅迫抑制顯著，且脅迫程度越深，抑制效果越明顯［23］。與其他植物相似，在干旱脅迫下，農(nóng)桑14號、農(nóng)桑12號和強桑1號等3種桑樹的生長速率均出現(xiàn)顯著降低，其中，農(nóng)桑14 號和農(nóng)桑12 號的葉干重、莖干重、根干重和總干物質(zhì)量均顯著降低［24］。

水分是植物細胞內(nèi)切酶促反應的介質(zhì)，水分含量的降低導致植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成酶活性減弱，減少蛋白質(zhì)的合成，影響植物正常的酶促反應，導致代謝活動下降，進而抑制植物的生長與發(fā)育［25］。水分的缺失會導致游離氨基酸的增加和呼吸作用的加強，導致植物體內(nèi)物質(zhì)降解加快，進而使得物質(zhì)積累也降低，這是干旱引起作物減產(chǎn)的主要原因之一［26］。另一方面，桑樹等植物水分虧缺時，乙烯和脫落酸（Abscisic acid，ABA）等延緩或抑制植物生長的內(nèi)源激素增多，乙烯含量升高加快植物部分器官的脫落，ABA能促進氣孔關閉，降低光合作用，而赤霉素、生長素和細胞分裂素等促進生長的內(nèi)源激素含量減少［27-28］。

2.2 損傷質(zhì)膜及膜系統(tǒng)

質(zhì)膜是植物細胞與外界環(huán)境進行物質(zhì)和能量交互的門戶，膜系統(tǒng)被認為是干旱脅迫的最初和關鍵部位［29］。磷脂極性與水分子的相互連接可以維持細胞膜脂分子層的正常排列，細胞過度失水會破壞膜的蛋白和磷脂雙分子層結構，導致膜選擇通透性喪失，可溶性糖、氨基酸及無機離子等胞內(nèi)小分子物質(zhì)向胞外滲透，同時細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的區(qū)室化被破壞，附著于細胞膜的酶喪失活性［30］。細胞失水過度也會破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜系統(tǒng)，致使植物正常代謝發(fā)生紊亂［31］。

干旱脅迫造成的細胞膜系統(tǒng)的損害是由細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除的不平衡引起的。干旱脅迫造成植物體內(nèi)活性氧自由基的主要清除酶類如超氧化物歧化酶（SOD）等的活性及主要清除類物質(zhì)如谷胱甘肽、α-生育酚與抗壞血酸等的含量下降明顯，自由基積累增多，細胞內(nèi)活性氧積累過多會加快膜脂過氧化自由基鏈式反應的進程，加劇了膜脂過氧化與脫脂化反應［32］，導致膜的正常功能遭到破壞，使維持細胞區(qū)域化的膜系統(tǒng)受損或瓦解［33-34］。干旱脅迫會導致桑樹膜脂過氧化，引起膜脂分子結構改變，膜脂流動性遭到破壞［35］。膜脂過氧化的最終產(chǎn)物丙二醛（MDA）是一種有細胞毒性的物質(zhì)，它的產(chǎn)生和累積會加劇植物受傷害的程度［36］。干旱脅迫過程中產(chǎn)生的大量超氧陰離子、過氧化氫和MDA又會誘導桑樹酶促和非酶促活性氧清除系統(tǒng)啟動，SOD、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽還原酶（GR）等抗氧化物酶以及維生素E、類胡蘿卜素等化合物活性升高［37-38］。

2.3 誘導植物衰老和細胞程序性死亡

干旱脅迫能夠誘導植物衰老和細胞程序性死亡（Programmed cell death，PCD）［39］。PCD 是植物發(fā)育及應答環(huán)境反應過程中的一個重要組成部分，可維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，保證植物正常生長發(fā)育，減緩不利條件對植物的傷害，使植物更好地適應生存環(huán)境［40］。在模擬干旱脅迫處理下，平邑甜茶和新疆野蘋果葉片中RNA和DNA相對表達量不斷下降，而相對電導率不斷升高，推斷干旱脅迫會誘導甜茶和蘋果葉細胞發(fā)生程序性死亡［41-42］。

2.4 造成細胞機械損傷

細胞原生質(zhì)體和細胞壁間的收縮及膨脹程度存在差異，當細胞因為失水而體積縮小時，兩者之間的連接被破壞，原生質(zhì)體被拉破，原生質(zhì)體與細胞壁間不再是正常生長下的緊貼狀態(tài)。反之當存活的細胞吸水繼而體積增大時，原生質(zhì)體由于膨脹速度較慢會再次遭受機械損傷，干旱造成植株死亡的主要原因可能就是其對細胞產(chǎn)生的這種機械損傷［43］。

2.5 抑制光合作用

干旱脅迫對植物光合作用影響非常大，在輕度脅迫下，光合速率呈現(xiàn)小幅度下降，植物體能維持生長。隨著干旱脅迫的進一步加劇，光合速率大幅度下降，光合作用部分或完全受到抑制，植物就會面臨死亡。在水分脅迫下，葉綠素、核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)遭到破壞，生物膜結構被損傷，部分功能喪失，同時氣孔導度下降、氣孔關閉，繼而導致植物光合作用降低。

桑樹受到干旱脅迫后，葉片氣孔限制值升高，凈光合速率、瞬時光能利用效率、光呼吸速率、蒸騰速率、氣孔導度、初始熒光值以及暗呼吸速率等主要光合氣體交換參數(shù)顯著降低，重度脅迫下甚至接近于0［44］。PSⅡ電子受體側的電子傳遞受阻，電子傳遞效率降低，放氧復合物OEC活性也受到抑制，從而使得PSⅡ的活性受到顯著抑制［45］。在重度干旱條件下，桑葉氣孔導度顯著下降，氣孔的關閉限制了桑樹的光合作用，凈光合速率和胞間二氧化碳濃度均顯著下降［24］。楨楠葉片的凈光合速率隨著干旱脅迫的加劇，呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，重度干旱脅迫導致大量葉片氣孔關閉，阻礙葉片光合色素的合成，進而使得光合作用持續(xù)降低甚至停止［46］。干旱脅迫引起葉綠體膨脹和排列紊亂，類囊體層腫脹或解體，導致光合器官的超微結構遭到破壞［47］。干旱脅迫可導致水稻體內(nèi)活性氧的積累、葉綠素含量下降，凈光合強度降低，而呼吸速率則先升后降［48］。

3 植物對干旱適應性反應

為適應干旱脅迫，植物在形態(tài)、生理生化以及分子水平都會做出一系列適應性改變來積極響應干旱環(huán)境，如降低生長速度、降低光合活性、關閉氣孔、積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、激活酶防御系統(tǒng)、改變抗旱基因表達、合成抗旱相關蛋白等［49-51］。

3.1 適應干旱的植物種類

目前，適應干旱的植物種類可分為5 類［7］，有短命植物、深根植物、肉質(zhì)植物、非肉質(zhì)節(jié)水型植物、真旱生植物（圖3）。桑樹屬于深根植物。

圖3 適應干旱的植物種類

3.2 植物適應干旱的生理策略

經(jīng)過長期的自然選擇和協(xié)同進化，植物形成了多種適應干旱的生理生態(tài)策略。YOSHIMURA等［52］將植物抗旱策略分為避旱、御旱和耐旱3 大類。VERSLUES等［53］依據(jù)植物外部形態(tài)特征和體內(nèi)水分狀況的特點，把植物從受旱開始到死亡前的整個過程分為4個階段：逃避低水勢→忍耐低水勢→逃避脫水→忍耐脫水。安玉艷等［54］提出了植物應對干旱脅迫的階段性響應策略，從干旱開始到植株死亡有應激響應→主動適應→被動適應3種響應機制。

這些生理策略主要體現(xiàn)在植物外部形態(tài)結構的變化和內(nèi)在生理生化的變化。植物在遭受一定程度的干旱脅迫后，通過短期復水，在生長發(fā)育和生理代謝等方面會產(chǎn)生補償或超補償?shù)恼嫘?，以彌補干旱脅迫對植物造成的傷害［55］。例如，干旱脅迫會破壞油菜葉片細胞中葉綠體的結構、降低葉綠素合成速率，降低葉片的抗氧化能力，導致植株光合作用被抑制，進而減少失水［56］。沙芥幼苗根系主根長、主根體積和根冠比隨著干旱脅迫天數(shù)的延長不斷增加，隨著脅迫程度的加重，根系中可溶性蛋白、脯氨酸（Pro）、可溶性糖含量先上升后下降，同時根系會啟動抗氧化酶系統(tǒng)來抵抗逆境，根系中POD、CAT、抗壞血酸等酶活性升高，MDA含量和根系質(zhì)膜透性也隨著脅迫程度增加逐漸上升［57］。在干旱脅迫下，擬南芥中信號分子硫化氫（H2S）和ABA含量顯著升高，它們促使擬南芥積極響應干旱脅迫，且H2S 位于ABA的下游參與調(diào)控擬南芥的信號過程［58］。在自然干旱條件下，2 種桑樹砧木實生苗光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）隨干旱處理時間的增加而下降，進而減弱光合作用，促使桑苗積極響應干旱脅迫［59］。隨著干旱脅迫的加強，抗旱性強的桑樹品種通過提高過氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性來適應干旱脅迫，減弱脅迫的危害［37］。

3.3 植物適應干旱的分子響應

干旱脅迫會干擾正常的蛋白質(zhì)合成過程，導致植株內(nèi)蛋白質(zhì)分解；還會破壞核酸的代謝過程，導致細胞內(nèi)DNA、RNA合成下降。植株可通過干旱脅迫關聯(lián)功能基因和轉錄因子等調(diào)控基因的表達調(diào)節(jié)以及干旱誘導蛋白的合成變化等來響應干旱脅迫，進而積極適應不良環(huán)境［60-62］。

桑樹MnACO基因的啟動子為干旱、協(xié)迫誘導型啟動子，MnACO1的啟動子兼具組成型啟動子特性，MnACO2的啟動因子兼具組織特異型啟動子特性，在轉MnACO1 基因擬南芥植株中對干旱脅迫響應能力更強，能提高轉基因擬南芥的耐旱能力［63］。在桑樹中沉默MmSK基因后，葉片中可溶性蛋白含量、SOD 活性、POD 活性、Pro 含量均出現(xiàn)不同程度的降低，而MDA的含量顯著增加；隨著干旱脅迫的加重，葉片中可溶性蛋白含量、Pro 含量和MDA 含量均逐漸增加，SOD 活性和POD 活性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與MmSK基因表達量變化趨勢一致［64］。植物促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）在桑樹響應非生物脅迫中發(fā)揮著重要的作用。WEI等［65］的研究表明MnMAPK基因參與了干旱脅迫應答的ABA 依賴途徑。在高鹽、干旱、低溫和H2O2處理下，在擬南芥中過表達桑樹MnMAPK5基因抑制了轉基因擬南芥植株的萌發(fā)和生長，在干旱脅迫下，過表達MnMAPK5提高了植株中的MDA 和H2O2含量，降低了CAT 和POD活性，降低了擬南芥對干旱脅迫的抵抗能力，表明MnMAPK5在逆境脅迫下起著負調(diào)控作用［66］。黃仁維等［67］基于桑樹轉錄組測序結果及基因組數(shù)據(jù)庫，獲得桑樹2C 型蛋白磷酸酶基因MaPP2C8 的cDNA及其啟動子序列，并檢測MaPP2C8在干旱脅迫處理下的表達特性。研究結果表明MaPP2C8 基因受干旱脅迫誘導上調(diào)表達，并在復水處理后，表達量顯著下調(diào)，可以得出MaPP2C8基因在桑樹響應干旱脅迫過程中可能起重要作用。此外，在脯氨酸合成過程中最主要的酶有2種：P5CS（吡咯啉-5-羧酸合成酶）和P5CR（吡咯啉-5-羧酸還原酶）。童偉［68］通過研究獲得了桑樹中P5CS基因的完整序列，通過分析P5CS在干旱脅迫條件的表達情況，發(fā)現(xiàn)P5CS基因表達量先迅速增加，到達最大值之后又迅速降低，并將正常生長和處于干旱脅迫下的桑樹樣本進行轉錄組測序，得到54 736個片段，1 051個基因在兩種植株上共同顯著表達，產(chǎn)生大量SSR分子標記，為后期發(fā)掘抗旱關聯(lián)基因和構建桑樹遺傳圖譜奠定基礎。miR166f過表達能使桑樹中一些與抗旱能力相關的酶類（SOD、POD）活性和代謝物（Pro 和可溶性蛋白）的含量提高，使有害物質(zhì)（MDA）含量降低，從而使植株耐旱能力增強［69］。在干旱、低溫和鹽堿脅迫下，過表達MnDREB4A基因促進了轉基因煙草的根系生長，提高了Pro 含量和葉片含水量，降低了MDA 含量，進而增強了煙草對干旱脅迫的抵抗能力，表明MnDREB4A在逆境脅迫下起著重要調(diào)控作用［70］。擬南芥轉錄因子ERF1 能激活抗逆功能基因表達，與對照植株相比，在擬南芥中，過表達ERF1的轉基因植株對干旱、高鹽和高溫的抗性均顯著提高，且轉基因植株能夠通過減小氣孔孔徑降低葉片水分流失［71］。WRKY 轉錄因子對植物耐旱性具有重要作用，能調(diào)節(jié)植物響應干旱脅迫，SbWRKY30 可以與高粱耐旱基因SbRD19 啟動子中的W-box 元件結合，進而誘導SbRD19 表達提高植株的抗旱性，轉SbWRKY30 的基因擬南芥和水稻在干旱脅迫下Pro含量、SOD 活性、POD 活性和CAT 活性均顯著升高，MDA 含量降低，調(diào)節(jié)細胞保持穩(wěn)態(tài)來適應干旱［72］。干旱環(huán)境還會誘導植物產(chǎn)生應激誘導蛋白，如水稻可以通過HVA1 基因的表達來合成胚胎晚期豐富蛋白，從而提高植株的耐旱性［73］。

另外，BARANWAL等［74］對川桑（Morus notabilis）的水孔蛋白基因家族做了較為詳盡的分析，通過一系列比對分析發(fā)現(xiàn)了36 個川桑水孔蛋白基因，并將其分為PIPs、TIPs、NIPs、XIPs和SIPs五大類。此外，通過對不同基因家族的水孔蛋白進行功能分析，發(fā)現(xiàn)有2個PIP和2個NIP參與了桑樹生長素調(diào)控，2個NIP 和2 個PIP 參與了桑樹的ABA 信號通路，5 個NIP、3個PIP1、1個SIP和1個TIP參與了桑樹根系發(fā)育的調(diào)控以及有1個NIP、1個SIP、2個PIP和2個TIP參與了桑樹維管組織的表達調(diào)控。

4 展望

干旱脅迫嚴重影響植物的正常生長發(fā)育，常會造成作物減產(chǎn)，是造成農(nóng)作物損失最嚴重的非生物脅迫之一。隨著全球性淡水資源的日益匱乏，干旱已成為各國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上不可忽視的嚴峻問題。因此，干旱對植物的不利影響和傷害機理以及植物相應的適應性反應方面的研究愈來愈受到國內(nèi)外植物學學者的關注。在充分了解植物特別是作物在不同時期對干旱的適應性反應的基礎上，挖掘耐旱關聯(lián)基因，揭示植物耐旱的分子機理，有助于篩選抗旱種質(zhì)資源，開展抗旱品種選育，能有效提高植物在實際生產(chǎn)應用中的耐旱性。

我國對桑樹的干旱脅迫研究主要還是集中在桑樹對短期干旱的應急生理生化響應，對干旱適應機制的研究還比較少。在重度和極端干旱方面的研究也僅局限于一些旱生的荒漠植物，如梭梭樹，沙棘，檉柳等。在全球氣溫日益升高的大背景下，干旱和半干旱區(qū)域有著擴張的趨勢，即使原本水分充足的地區(qū)也有可能會出現(xiàn)極端干旱，所以對非旱生的桑樹在重度干旱下能夠穩(wěn)定存活，其形態(tài)和用水方案如何調(diào)整，光合產(chǎn)物如何分配，生理響應和生化系統(tǒng)怎樣調(diào)控等方面的研究對今后桑樹抗旱品種的選育具有一定價值。例如，在干旱脅迫嚴重的石漠化地區(qū)種桑養(yǎng)蠶不僅能提高經(jīng)濟收入，還能夠緩解石漠化地區(qū)人多地少的矛盾，此外對生態(tài)修復也具有一定的作用。

目前在桑樹干旱脅迫方面的分子研究僅僅是探討桑樹中的一些基因是如何對干旱脅迫應答進行感知、傳導、調(diào)控基因表達，最后做出應答的問題，而從分子生物學層面研究整個調(diào)控網(wǎng)絡將會是今后分子研究上的重點方向。

在桑樹干旱品種的選育方面，既需要從改良耐旱性的桑樹品種出發(fā)，也需要從分子水平上闡述出相應的桑樹干旱脅迫機理，進而通過基因工程的手段篩選出合適的桑樹抗旱新品種。