干旱脅迫對(duì)植物的影響及植物的響應(yīng)機(jī)制

馬福林, 馬玉花

(青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)林系,青海 西寧 810016)

1 干旱對(duì)植物的影響

1.1 干旱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

水不僅是植物的重要組成成分,同時(shí)也是細(xì)胞內(nèi)的重要溶劑和植物細(xì)胞分裂生長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),外部水分狀況直接影響植物的正常生長(zhǎng)[1].

種子萌發(fā)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要階段,它受多方面因素影響,但水分是關(guān)鍵因素.有關(guān)種子萌發(fā)階段的干旱脅迫研究發(fā)現(xiàn),隨著干旱脅迫梯度的增加,種子萌發(fā)的指標(biāo),如發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈下降趨勢(shì),且不同植物均表現(xiàn)出種子萌發(fā)被抑制的現(xiàn)象,重度水分脅迫完全抑制種子的萌發(fā)[2-3].

處于生長(zhǎng)階段的植物,干旱會(huì)影響其體內(nèi)的水平衡,干擾其正常生長(zhǎng),改變其生理和形態(tài)的特征,從而導(dǎo)致其萎謝、死亡[2].研究發(fā)現(xiàn)[4],干旱脅迫下植物的葉面積呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),從而影響植物的光合和蒸騰作用,進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育.同時(shí),植物的莖蔓長(zhǎng)度也明顯受到干旱脅迫的抑制.

除了對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有直接的影響外,干旱脅迫影響植物根際土壤的小環(huán)境,從而影響土壤元素、土壤酶、土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)及微生物群落等[5].研究發(fā)現(xiàn)[6],過(guò)多的土壤水分會(huì)降低土壤酶的活性,適量的土壤水分有利于土壤酶發(fā)揮最大的活性.干旱脅迫下，根際土壤酶中蔗糖酶、蛋白酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶的活性有所提高[7].干旱脅迫使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化,如在干旱脅迫下,甘蔗土壤中總氮的含量上升,而速效磷和有機(jī)質(zhì)的含量則下降[8].

在自然規(guī)律下,適當(dāng)?shù)拿{迫有助于植物的生長(zhǎng)發(fā)育.研究發(fā)現(xiàn)[3],低強(qiáng)度的干旱脅迫可促進(jìn)植物的根系發(fā)育,從而提高其根系總長(zhǎng)、總面積以及總體積等.對(duì)苜蓿的研究發(fā)現(xiàn),在一定程度干旱脅迫下,抗旱性強(qiáng)的苜蓿較抗性弱的苜蓿根系總長(zhǎng)度、總表面積、平均直徑、根體積、根尖數(shù)等均顯著增加;在嚴(yán)重干旱后期,各指標(biāo)開(kāi)始下降，但在抗旱性弱的苜蓿中,上述指標(biāo)呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)[9].

綜上可知,干旱脅迫影響植物的根、莖和葉生長(zhǎng),甚至根際的土壤環(huán)境.

1.2 干旱脅迫對(duì)植物中有害物質(zhì)積累的影響

植物在生長(zhǎng)發(fā)育的歷程中,生物脅迫和非生物脅迫均改變植物的生理生化平衡.正常植物內(nèi)，自由基的產(chǎn)生與清除處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,但在干旱脅迫下,植物本身的防御及清除系統(tǒng)反應(yīng)不及時(shí)、不徹底,導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生有害物質(zhì),使膜脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)的含量增多[10].而且,隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加,MDA含量出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì),含量峰值出現(xiàn)的越早,說(shuō)明植物的抗旱性越弱[11-12],如在干旱脅迫下,小檗、中國(guó)沙棘等抗旱植物體中MDA含量均呈上升的趨勢(shì)[13].

活性氧(ROS)是植物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的自由基,通常是含氧自由基和極易形成自由基的過(guò)氧化物的總稱(chēng),包括超氧自由基(·O2-).過(guò)氧化氫(H2O2)和羥基自由基(·OH)等[14].ROS含量積累達(dá)到一定量會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡,進(jìn)而造成植物枯死[15].研究發(fā)現(xiàn)[16],隨著干旱脅迫時(shí)間的持續(xù)和強(qiáng)度的增強(qiáng),植物體內(nèi)超氧自由基和過(guò)氧化氫的含量呈上升趨勢(shì),并且抗旱性強(qiáng)的植株體中ROS含量的增加速率低于抗旱性弱的植株.干旱脅迫促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)超氧陰離子和過(guò)氧化氫的累積,一定含量的這些自由基對(duì)植物生長(zhǎng)有利,但是過(guò)多的活性氧自由基會(huì)毒害植物,破壞植物的光合系統(tǒng)和細(xì)胞膜穩(wěn)定性,從而使植物的生長(zhǎng)受到抑制[17].

干旱脅迫下，植株體內(nèi)會(huì)積累各種有害物質(zhì),破壞植株體內(nèi)物質(zhì)的正常動(dòng)態(tài)平衡,從而毒害植株.

1.3 干旱脅迫對(duì)植物中葉綠素含量的影響

植物的大部分能量是通過(guò)光合作用產(chǎn)生的,葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的一種綠色色素,主要分布在植物的葉片等組織中.干旱脅迫影響葉片的生長(zhǎng)，導(dǎo)致葉片氣孔關(guān)閉，使葉片中葉綠素的含量降低，破壞光系統(tǒng),從而影響植物的光合效率[18].

對(duì)地果幼苗的研究顯示[4],隨著干旱脅迫的加劇,地果幼苗中葉綠素含量呈逐漸下降的趨勢(shì),且在重度脅迫時(shí)的下降速率大于輕度和中度脅迫下的,說(shuō)明植物受干旱脅迫下產(chǎn)生的MDA、活性氧等有害物質(zhì)和失水的影響,加劇了葉綠素含量的下降速率.對(duì)干旱脅迫下抗旱品種濟(jì)薯21號(hào)和不抗旱品種濟(jì)紫薯1號(hào)的研究表明[19],抗旱品種的葉面積系數(shù)、葉綠素含量等均低于不抗旱品種的,說(shuō)明這些指標(biāo)受干旱的影響,且可反映植物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性.對(duì)4種地被植物的研究表明[20],干旱脅迫下抗旱性強(qiáng)的植物中葉綠素含量降幅較小.在水分脅迫及復(fù)水條件下,對(duì)細(xì)竹篙草、牛軛草、假紫萬(wàn)年青及鋪地錦竹草的生理生化研究表明[21],在脅迫初期,葉片缺水導(dǎo)致葉綠素含量聚集,4種植物中葉綠素的含量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),隨著干旱的持續(xù),葉綠素的合成被抑制,葉綠素的含量降低.

干旱脅迫影響植物中葉綠素含量的多少,從而進(jìn)一步抑制植物的能量供應(yīng)及生長(zhǎng),輕則導(dǎo)致植株矮小,重則枯死.

1.4 干旱脅迫下植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化酶

在干旱脅迫下,植物體內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的生理生化變化,這可能也是植物具有耐旱性的原因.筆者僅討論在干旱脅迫下植物內(nèi)部的生理生化改變,不做規(guī)律方面的探討.隨著干旱脅迫的加劇,植物體內(nèi)普遍表現(xiàn)出葉片中相對(duì)含水量(RWC)、丙二醛(MDA)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(脯氨酸(Pro)、可溶性糖(Ss)和可溶性蛋白(SPC等)及抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT))等的活性改變.

沙棘、山杏和油松在土壤干旱脅迫下的生理生化研究表明[22],隨著干旱脅迫的加劇,3種樹(shù)種中Pro和Ss的含量逐漸增加;POD和SOD的活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì).以4種茶菊幼苗為材料,發(fā)現(xiàn)當(dāng)干旱脅迫加劇時(shí),植物體中的MDA,Pro,SPC，Ss,MDA含量上升[23-26]，SOD,POD及CAT等的活性先上升后下降[26-28].

在干旱脅迫下,植物體內(nèi)發(fā)生的一系列生理生化改變,是植物耐旱性提高的部分原因.

2 植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制

2.1 植物耐受性的根際微生物

植物根系是植物的主要營(yíng)養(yǎng)器官,植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要依靠根的吸收和轉(zhuǎn)化.與植物根系密切接觸的土壤微生物與植物的生長(zhǎng)和抗逆性有一定的關(guān)系[29].微生物是土壤的組成部分,可反映土壤的水肥及與作物的關(guān)系[30],它有分解的作用,能促進(jìn)物質(zhì)的循環(huán),起到肥沃土壤的作用[31].影響土壤中微生物的因素主要有土壤水分、pH值、溫度等[32].研究表明[33-34],植物在遭受一定的干旱脅迫時(shí),有益微生物與植物根際建立一定的關(guān)系,一同應(yīng)對(duì)干旱危害.

土壤中細(xì)菌占70%～90%,對(duì)土壤養(yǎng)分較敏感[35].真菌也是土壤中不可缺少的成分,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,它可以減輕病蟲(chóng)害等,如擬青霉屬是植物根系寄生線蟲(chóng)的重要天敵,是一種生物防治類(lèi)真菌[36].對(duì)種植棉花和不種植棉花土壤中的微生物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在干旱和正常條件下,種植棉花土壤中微生物種群較豐富,如在干旱脅迫下，棉花根際土壤中曲霉屬和青霉屬的含量較高.這些菌屬可促進(jìn)植物體中ABA,Pro的合成，增強(qiáng)抗氧化酶的活性,從而提高植物的干旱耐受性,有助于植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫[37].對(duì)朱槿根際微生物的研究表明,在重度干旱脅迫下,土壤中微生物的多樣性差異顯著,細(xì)菌中厭氧繩菌屬的豐富度提高,且發(fā)現(xiàn)巖石環(huán)境中的菌屬,如酸微菌屬,它可氧化金屬硫化物;糞殼菌屬、擬青霉屬、枝孢霉屬真菌在重度脅迫下的相對(duì)含量較高;格孢腔菌屬真菌在對(duì)照組中的相對(duì)含量最高[38].此外,一定程度的干旱條件能改變植物根際微生物在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上的變化,甚至超過(guò)根際微生物閾值并降低其多樣性[5].

植物根際促生菌(PGPR)是一種與植物根系經(jīng)過(guò)多年的自然選擇而形成的聯(lián)合體,即植物從真菌得到植物所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及微量元素,真菌也從植物根系吸取自身生長(zhǎng)發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng),這就使植物可抵抗各種脅迫,提高其防御性.叢枝菌根真菌(AM)通過(guò)影響植物體內(nèi)的內(nèi)源激素、揮發(fā)性化合物、滲透物的積累和根部形態(tài)等提高植物對(duì)干旱的抗性[39].植物在遭受干旱脅迫時(shí),根際促生菌能使植物產(chǎn)生大量的脫落酸(ABA)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而增強(qiáng)植物的耐旱能力[40].

植物根際微生物與植物共同進(jìn)化,這與植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和抗逆性有一定的關(guān)聯(lián).因而,通過(guò)發(fā)掘土壤中有益微生物提高植物的適逆性，是植物抗旱研究的新方向.

2.2 植物激素對(duì)植物抗旱的作用

植物激素，如脫落酸(ABA)、生長(zhǎng)素(IAA)、細(xì)胞分裂素(CTK)、乙烯(ETH)和赤霉素(GA)等廣泛存在于植物體內(nèi),不僅調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育,同時(shí)也參與植物應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫[41].干旱脅迫使植物體內(nèi)的激素含量發(fā)生變化.研究表明[42],隨著干旱脅迫程度的增加,抑制細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂的ABA,ETH的含量增加,而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的 CTK,IAA 及 GA 的含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì).作物的抗旱能力與上述激素的含量呈正相關(guān)關(guān)系.

對(duì)桃、蘋(píng)果[43]、小麥[44]、高粱[45]等的研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)ABA含量上升,從而促進(jìn)葉片氣孔關(guān)閉,增加植物體內(nèi)Pro的含量,增強(qiáng)植物的抗旱性[46].葉片中ABA含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于根系,表明ABA主要作用于植物葉片.由此可見(jiàn),ABA的合成與植物抗旱性強(qiáng)弱密切相關(guān),抗旱性強(qiáng)的植物合成的ABA量高.

GA主要參與植株的生長(zhǎng)發(fā)育、種子的萌發(fā),能快速打破器官休眠等過(guò)程.研究發(fā)現(xiàn)[47],在干旱脅迫下,部分植物體中GA含量上升,抑制了IAA的生成,使植物體內(nèi)積累IAA,從而增強(qiáng)植物的干旱抗性.對(duì)于部分植物,抗旱性強(qiáng)的植物體中GA含量下降幅度顯著高于抗旱性弱的[48].可見(jiàn)干旱對(duì)GA含量的影響并不一致.

IAA是一種植物激素,其功能主要是促進(jìn)植物莖、根的生長(zhǎng),抑制側(cè)芽的生長(zhǎng),分布于植物的各個(gè)部位.IAA在植物體中的含量變化并沒(méi)有一定的規(guī)律,如在干旱脅迫下,檉柳中IAA含量顯著高于對(duì)照中的,但在紅皮云杉和降香黃檀中，IAA的含量隨著干旱的加重而逐漸降低[49].

植物的耐旱性與兩種及以上的內(nèi)源激素的含量有一定的關(guān)系,且通過(guò)激活基因和調(diào)控細(xì)胞的通透性以及調(diào)節(jié)葉片氣孔的運(yùn)動(dòng)應(yīng)對(duì)干旱.

2.3 抗氧化保護(hù)性物質(zhì)對(duì)植物抗旱的作用

干旱脅迫使植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧,當(dāng)活性氧的含量超過(guò)植物自身清除活性氧的能力時(shí),需清除多余的活性氧,以維持自身的平衡.植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)[50]：酶系統(tǒng)有超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶 (CAT)等；非酶系統(tǒng)有抗壞血酸過(guò)氧化物酶(AsA-POD)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)和維生素等[51].

研究表明,在干旱脅迫下,地果幼苗[4]、燕麥[52]、玉米[53]及馬鈴薯[54]等植株體內(nèi)CAT,SOD,POD的活性，隨著干旱脅迫的加劇均高于對(duì)照中的.由此可見(jiàn),植物體內(nèi)主要抗氧化酶的活性隨著干旱脅迫的加劇呈顯著增加的趨勢(shì).

受到干旱脅迫后，植物體內(nèi)抗氧化酶的活性并不都處于持續(xù)上升的過(guò)程.隨著干旱脅迫的加劇,植物體內(nèi)抗氧化酶的活性變化是動(dòng)態(tài)的：在受到脅迫初期，呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),隨著脅迫的加劇,又處于下降的趨勢(shì).如隨著脅迫程度的加劇,葛藤[55]體內(nèi)CAT的活性呈上升趨勢(shì),但是紫蘇[56]、中國(guó)沙棘[57]、鐵皮石斛葉片[58]、百合花[59]及水稻[60]中SOD,POD,CAT,APX和GR等的活性均呈先上升后降低的趨勢(shì).研究發(fā)現(xiàn)[61],在干旱脅迫下,CAT,SOD,POD存在協(xié)調(diào)性,在輕度和中度脅迫下起主要作用的是POD,SOD,而在重度脅迫時(shí)CAT起主要作用,從而發(fā)揮降低膜的通透性、維持膜的結(jié)構(gòu)等作用.可見(jiàn),植物在受到干旱脅迫時(shí),不是依靠單一的酶系統(tǒng)清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧,而是通過(guò)酶系統(tǒng)中兩種及以上酶的相互協(xié)調(diào)，緩解植物中活性氧的危害,從而提高植物的耐旱性.

在干旱脅迫下,非酶系統(tǒng)包括維生素A(VA)、維生素E(VE)、抗壞血酸(AsA)、類(lèi)胡蘿卜素(CAR)[62]、黃酮類(lèi)化合物、酚類(lèi)化合物以及脯氨酸、甘露醇等[63]參與植物抗旱過(guò)程.如干旱脅迫能增強(qiáng)植物葉片中酚類(lèi)物質(zhì)和黃酮的含量,從而使植物對(duì)干旱產(chǎn)生耐性[64];植物體內(nèi)含有的多酚含量與土壤的含水量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,即土壤含水量低時(shí),植物體內(nèi)的多酚含量增加,這就降低植物細(xì)胞的滲透壓,阻礙細(xì)胞內(nèi)水分的流失,增強(qiáng)了植物的耐旱性[65].此外AsA含量隨著干旱脅迫的加劇呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),CAR含量呈逐漸降低的趨勢(shì),而VE在葉片中的含量逐漸增加,在根中逐漸減少[66].在一定的耐受范圍內(nèi),植物的非酶類(lèi)系統(tǒng)參與活性氧的清除.

在干旱脅迫下,植物通過(guò)提高酶類(lèi)活性并與非酶類(lèi)抗氧化系統(tǒng)同時(shí)調(diào)控,使植物表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性.

2.4 滲透物在植物應(yīng)對(duì)干旱中的作用

干旱脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞失水,從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育.在長(zhǎng)期的自然選擇進(jìn)化中,植物通過(guò)滲透調(diào)節(jié)來(lái)保持水分并抵抗干旱脅迫[67],保證植物細(xì)胞的正常生長(zhǎng)發(fā)育.學(xué)者普遍認(rèn)為,與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的分子有機(jī)質(zhì)包括3類(lèi):氨基酸(如脯氨酸)、糖(如甜菜堿、海藻糖)和醇(如多元醇)[68].

脯氨酸以游離的形式廣泛存在植物體內(nèi),眾多研究顯示，脯氨酸含量隨著植物受干旱脅迫的加劇而增多,說(shuō)明植物體內(nèi)的脯氨酸含量在一定程度上與脅迫存在正相關(guān)關(guān)系.例如在干旱脅迫下,玉米耐旱品種中脯氨酸的含量上升[69],減緩了干旱對(duì)其造成的危害.但脯氨酸的含量存在一個(gè)最高閾值,超過(guò)該值也隨之下降,如隨著干旱脅迫程度的加大及脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),不同品種玫瑰葉片中的脯氨酸含量先上升后下降[70].

甜菜堿是維持細(xì)胞滲透壓的重要調(diào)節(jié)物質(zhì).研究發(fā)現(xiàn),在干旱、鹽堿等脅迫下，積累甜菜堿比積累脯氨酸植物的耐受性更強(qiáng).在水分充足的情況下[71],甜菜堿存在于棗、梨和葡萄中,其中棗中最多,其次是梨,最后是葡萄.而在輕度干旱脅迫下,梨樹(shù)葉片中甜菜堿的含量上升近1倍,而棗樹(shù)葉片中甜菜堿的含量在失水過(guò)程中沒(méi)有顯著變化.由此可見(jiàn),隨著干旱脅迫程度與時(shí)間的增加和持續(xù),植物合成的甜菜堿含量也隨之上升,但不同植物產(chǎn)生的甜菜堿的量不同[72],說(shuō)明不同植物對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)不同.

多元醇類(lèi)物質(zhì)是具有多種功能的保護(hù)劑[73],它在植物的耐受性、抗病蟲(chóng)等方面有重要的作用.以松醇類(lèi)物質(zhì)為例,在干旱脅迫下,松醇的積累量具有顯著性,是脅迫前的幾倍.在馬尾松苗木針葉中，松醇積累量大于可溶性糖的含量，說(shuō)明松醇與植物一起應(yīng)對(duì)干旱脅迫[74].

在遭受干旱脅迫后,植物通過(guò)產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)外的水勢(shì)差,從而使植物產(chǎn)生一定的耐受性.

2.5 miRNA 在植物應(yīng)對(duì)干旱中的作用

MicroRNA (miRNA) 是一類(lèi)由內(nèi)源基因編碼、長(zhǎng)度約為22個(gè)核苷酸組成的非編碼單鏈RNA分子.研究發(fā)現(xiàn)[75],miRNA依照堿基互補(bǔ)的原則結(jié)合到mRNA上,通過(guò)使其靶基因降解和終止翻譯調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育.miRNA 充當(dāng)1個(gè)主要的調(diào)控因子，并能調(diào)控多個(gè)目標(biāo)基因.它的調(diào)控過(guò)程包括生理功能、光合作用、呼吸作用、生物反應(yīng)和環(huán)境脅迫等[76].

在耐旱性強(qiáng)的植物中,miRNA廣泛存在且種類(lèi)繁多.Li等從紫苜蓿根系中篩選出18個(gè)參與干旱脅迫應(yīng)答的miRNA[77],從葉片中篩選出12個(gè)參與干旱脅迫應(yīng)答的miRNA.

miRNA在干旱脅迫下呈現(xiàn)差異表達(dá),如油菜中miRNA167在干旱脅迫24 h時(shí),呈下調(diào)表達(dá),而在干旱脅迫72 h后,呈上調(diào)表達(dá)[78].在干旱脅迫下,miRNA168在黃芪葉片和根部表達(dá)也具有差異性,其在葉片中呈現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì),在根部呈現(xiàn)下調(diào)趨勢(shì)[79].miRNA168在擬南芥和玉米中也因干旱脅迫的影響而呈現(xiàn)差異表達(dá)[80].miRNA169可有效降低番茄植株葉片的氣孔密度和氣孔導(dǎo)度,減少水分蒸發(fā)量,從而提高植株的干旱耐受性[81].鷹嘴豆在經(jīng)過(guò)干旱處理后,miRNA408的表達(dá)水平升高,而過(guò)表達(dá)的植株在干旱脅迫下可正常生長(zhǎng),如DREB1A和DREB2A轉(zhuǎn)錄因子參與植物的干旱耐受性過(guò)程.在干旱脅迫下，miRNA408過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植物中，轉(zhuǎn)錄因子DREB1A和DREB2A的表達(dá)量都升高,說(shuō)明miRNA參與植物的干旱耐受性過(guò)程[82].

miRNA通過(guò)參與植物的生長(zhǎng)生理過(guò)程,調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育,從而使植物增強(qiáng)對(duì)非生物脅迫的適應(yīng)性.

3 人為因素促進(jìn)植物抗旱

3.1 基因調(diào)控、蛋白質(zhì)表達(dá)在植物應(yīng)對(duì)干旱中的作用

隨著基因操作技術(shù)和分子生物學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用,更多的基因被證明具有調(diào)控脅迫的功能[83].參與抗旱性的基因通常被分為功能基因和調(diào)控基因[84].功能基因是直接編碼抗旱性蛋白基因,如滲透調(diào)節(jié)基因P5CS[85]、激素基因MtCaMP1和膜結(jié)構(gòu)蛋白基因等.這些基因可調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)及酶類(lèi)的含量等,從而提高植物的抗旱性.對(duì)沙棘的根、莖、葉進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)P5CS的表達(dá)量呈上調(diào)趨勢(shì),增加了沙棘中脯氨酸的含量,從而增強(qiáng)了沙棘的抗旱性[86],說(shuō)明P5CS基因可調(diào)控脯氨酸的含量.在干旱脅迫下,功能基因的表達(dá)量也發(fā)生動(dòng)態(tài)變化.通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR法測(cè)定4種小麥葉片中部分功能基因的表達(dá)情況[87],發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下,脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白酶(TaLTP1)的表達(dá)量先上升后下降,膨脹素基因(TaEXPB23)的表達(dá)量增加.

調(diào)控基因是在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)時(shí)起作用的相關(guān)基因[88],如轉(zhuǎn)錄因子、脫水結(jié)合蛋白(DREB)[89].研究顯示，具有抗干旱脅迫或鹽脅迫的轉(zhuǎn)錄因子基因家族有WRKY,MYB,bHLH,NAC,TZF和AP2/EREBP等[83].通過(guò)RNAi技術(shù)獲得番茄SlWDR204基因下調(diào)的轉(zhuǎn)基因植株[90].干旱脅迫實(shí)驗(yàn)表明,轉(zhuǎn)基因番茄對(duì)干旱脅迫較敏感,說(shuō)明SlWDR204基因正向調(diào)控植物對(duì)干旱的響應(yīng).DREB蛋白是一種常見(jiàn)的植物抗逆轉(zhuǎn)錄因子,參與植物的非生物脅迫、抗寒及抗旱等,AmDREB1，AmDREB2過(guò)表達(dá)可提高轉(zhuǎn)基因植物的耐受性[91].大量的研究結(jié)果說(shuō)明，轉(zhuǎn)錄因子作為調(diào)控基因在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫過(guò)程中起著重要作用.

角質(zhì)層保持植物體中水分,在干旱脅迫下可維持植株的正常生長(zhǎng).岳琳祺等研究谷子的角質(zhì)層合成與調(diào)控，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)耐旱品種M79中，8個(gè)角質(zhì)層的合成基因都存在顯著差異,且都編碼親水性蛋白質(zhì);其中Seita.8G128800和Seita.7G197000 在 M79 中上調(diào)表達(dá),剩下的基因下調(diào)表達(dá),說(shuō)明這8個(gè)基因參與了谷子抗旱生理生化過(guò)程[92].在干旱脅迫下，植物通過(guò)調(diào)控角質(zhì)層合成基因?qū)Ω珊得{迫作出響應(yīng).

陳露倩等研究黃瓜中PIP2;4基因的生物信息及干旱脅迫下的誘導(dǎo)表達(dá),發(fā)現(xiàn)水通道蛋白質(zhì)(AQP)在植物體內(nèi)的水分吸收、運(yùn)輸和逆境脅迫中起著重要的作用.該蛋白質(zhì)中有一個(gè)保守的NPA結(jié)構(gòu)域,說(shuō)明PIP2;4基因在物質(zhì)運(yùn)輸和維持植株正常生長(zhǎng)方面具有重要的作用.在干旱模擬實(shí)驗(yàn)中，CsPIP2;4基因表達(dá)量顯著增加,促進(jìn)了植株根系對(duì)水分的吸收[93].

因此在受到干旱脅迫時(shí),植物各層次結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化,從表觀變化到基因合成,基因合成又反過(guò)來(lái)調(diào)控表觀變化,表明植物耐旱性是多基因、多層次調(diào)控的動(dòng)態(tài)過(guò)程.

3.2 噴施外源物在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫中的作用

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑是從天然產(chǎn)物中分離出來(lái)的、人工合成且具有植物激素活性及可以調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的有機(jī)物質(zhì).研究顯示，生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑具有提高植物抗旱性的能力.在干旱脅迫下，噴施適當(dāng)?shù)耐庠次?如植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、植物激素等)有利于植物抵抗干旱脅迫.此外,人工合成的生長(zhǎng)素類(lèi)似物有2,4-二氯苯氧乙酸、吲哚乙酸(IBA)、萘乙酸(NAA)等,與生長(zhǎng)素具有相似的調(diào)節(jié)功能[94].

ABA廣泛存在于植物體中,影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育.ABA含量增加可加快葉片氣孔的關(guān)閉[18],達(dá)到減少水分散失的目的,外施ABA可促使植物體內(nèi)源激素含量抗氧化酶SOD，POD，CAT的合成,及時(shí)清除干旱過(guò)程積累的活性氧,從而增強(qiáng)植物的耐旱性[95].此外,干旱脅迫使植株內(nèi)源激素ABA含量升高、GA3含量下降,從而調(diào)控植物的萌芽和休眠,而外施GA3可降低植物體內(nèi)源ABA的含量,提高GA1/3及GA1/3與ABA含量的比值,促進(jìn)苗木的早期萌發(fā)和生長(zhǎng)[96].

除ABA外,其他外源人工合成激素對(duì)植物耐旱性也有一定的促進(jìn)作用.對(duì)煙草幼苗施加外源激素6-BA、2,4-二氯苯氧乙酸、IBA,發(fā)現(xiàn)這些激素均可增加葉綠素含量、鮮質(zhì)量,從而提高植物抗逆性[97].此外,植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑可使干旱條件下小麥[98]、大豆幼苗[99]、玉米幼苗[100]、羊草[101]中的脯氨酸含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量均提高,同時(shí)促進(jìn)根的生長(zhǎng),提高植物保水、吸水能力,從而增強(qiáng)植株的抗旱性.

除了外源激素可提高植物耐旱性外,一些外源施加物也對(duì)植物的耐旱性有促進(jìn)作用,如水楊酸(SA)、H2及CO2等.研究發(fā)現(xiàn)，適宜的外源SA抑制干旱脅迫下烏塌菜中MDA的積累,提高了抗氧化酶的活性,增強(qiáng)了烏塌菜的抗旱性[102].經(jīng)25%和50%的外源H2處理的大麥幼苗[103]，植株的根長(zhǎng)、脯氨酸含量和相對(duì)含水量均增加,抑制MDA的積累,提高了抗氧化酶的活性.外源CO2可提高大豆中ABA的含量,促進(jìn)抗氧化酶POD的活性,從而提高大豆植株的抗旱能力[104].

綜上所述,人為干預(yù)可提高植株的耐受性,且在特殊環(huán)境下,這種措施的效果顯著.

4 小結(jié)

干旱脅迫影響植物的整個(gè)生物學(xué)進(jìn)程,輕度脅迫導(dǎo)致枯萎、生長(zhǎng)受抑制等,重度脅迫則導(dǎo)致植物失水枯死.植物受干旱脅迫后,植株內(nèi)生理生化也發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,例如隨著干旱脅迫的加劇,植株體內(nèi)會(huì)積累有害物質(zhì)(如丙二醛(MDA)、活性氧(ROS)等).

隨著干旱脅迫的加劇，植物內(nèi)部也發(fā)生一系列生理生化變化,例如植株根際微生物群落結(jié)構(gòu)、抗氧化保護(hù)性物質(zhì)的含量、植物激素的含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量、功能基因及調(diào)控基因的表達(dá)等都呈動(dòng)態(tài)變化,從而提高植株的耐旱性.人為的干預(yù)也使植株的耐旱性提高,比如施加外源激素等.

隨著分子生物學(xué)和功能基因組學(xué)的發(fā)展,植物的抗旱機(jī)理研究也必將向這個(gè)方向發(fā)展,未來(lái)更多的研究是通過(guò)基因的表達(dá)和調(diào)控闡明植物的抗旱機(jī)理,這也有利于發(fā)掘與植物抗旱相關(guān)的基因,為轉(zhuǎn)基因植物的培育提供參考.

在研究植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫的機(jī)制時(shí),目前多數(shù)研究都是分析單一的因子,然而在應(yīng)對(duì)干旱脅迫的過(guò)程中,抗旱相關(guān)基因的調(diào)控存在串聯(lián)效應(yīng),如幾個(gè)甚至幾十個(gè)基因同時(shí)調(diào)控氣孔關(guān)閉、滲透物質(zhì)的積累和抗氧化酶的活性增強(qiáng)等.因此，今后應(yīng)加強(qiáng)多基因聯(lián)合研究.