環(huán)境脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異研究進展

蔄勝軍

（遼寧省楊樹研究所，遼寧 蓋州 115200）

高等植物雌雄個體對環(huán)境變化的差異響應(yīng)研究始于20世紀70年代。在全球氣候環(huán)境變化的背景下，探究雌雄異株植物性別差異在脅迫壓力下的反應(yīng)和調(diào)控機制，對雌雄異株植物的保護、開發(fā)和利用有著重要意義。楊樹Populusspp.是木本“模式植物”的代表性物種[1]，楊屬是木本植物中研究雌雄異株個體對環(huán)境脅迫響應(yīng)較好的屬之一，2004年公布完成全序列數(shù)據(jù)庫的毛果楊Populus trichocarpa是第一個被測序全基因組序列的多年生木本植物[2]，這也成為從形態(tài)、生理、蛋白質(zhì)、激素等方向轉(zhuǎn)向染色體和DNA序列等層面的開端。雌雄異株植物差異主要集中在形態(tài)、性別比例、性別分化、生殖分配、生態(tài)適應(yīng)和對環(huán)境脅迫的響應(yīng)等，近期雌雄異株植物性別決定相關(guān)的研究也成為熱點[3-4]。雌雄異株高等植物在面臨不同的環(huán)境選擇壓力下，除生殖系統(tǒng)的差異外，還在其它方面表現(xiàn)出性二態(tài)性[5]。楊樹在較長的生活周期中，可能暴露在各種不利的條件下，如干旱、鹽害和低溫等，這些極大地影響了樹木的生長、發(fā)育和生產(chǎn)力，并在物種地理分布中發(fā)揮重要作用[6]。本文總結(jié)了近年來涉及楊樹雄性和雌性個體在不同壓力條件（包括干旱、鹽、營養(yǎng)缺乏、溫度、重金屬和紫外線等）脅迫下的響應(yīng)差異研究進展。

1 干旱脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異

干旱是限制植物生存和生長有害的非生物脅迫之一。不同種類楊樹雌雄株對干旱脅迫反應(yīng)的研究表明，青楊Populus cathayana雄株和雌株對水分缺乏的反應(yīng)存在差異。在溫室相同條件下，雄株和雌株的葉片面積、葉片總數(shù)、光合和蒸騰速率以及光合系統(tǒng)II的效率都會隨干旱降低；總?cè)~綠素濃度、碳同位素組成、脫落酸（ABA）和丙二醛含量以及過氧化物酶活性隨干旱而增加；但雌株對干旱環(huán)境更敏感，其生長和光合能力比雄株下降更明顯[7]。在干旱脅迫下，青楊雄株的根系對水分缺乏的敏感性也低于雌株。然而，在水分充足的條件下，雌株的芽比雄株生長得更快。將雌芽嫁接到雄株根上，能提高植物的抗旱能力[8]。在塔里木河下游干旱脅迫生境下，雌雄胡楊Populus euphratica采取了不同的應(yīng)對策略來抵御干旱脅迫，不同的指標得出的雌雄胡楊抗旱性有所不同[9]。葉片氣孔特征、葉片解剖結(jié)構(gòu)特征、光合電子傳遞速率以及黎明前葉水勢等特征顯示胡楊雄株比雌株具有更強的耐旱性；而抗氧化酶活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、葉片相對含水量等變化顯示，雌性胡楊有更強的耐旱性。在干旱脅迫下，美洲黑楊Populus deltoides雌雄株幼苗的生長都受到抑制作用，且雌株所受影響更大。雄株通過調(diào)整養(yǎng)分分配、改變根系形態(tài)、優(yōu)化用水策略、增加適應(yīng)機制等方面提高自身對干旱脅迫的抗性[10]。在干旱條件下，青楊的兩性都表現(xiàn)出生長和生理功能的下降；然而，在接種叢枝菌根真菌（AMF）后，雄株表現(xiàn)出比雌株更高的抗旱性[11]。滇楊Populus yunnanensis雌株在水分缺乏的情況下比雄株經(jīng)歷了更明顯的生長抑制、活性氧（ROS）積累、干物質(zhì)積累和總?cè)~綠素含量的下降；在對干旱脅迫響應(yīng)性別差異的分子基礎(chǔ)研究中發(fā)現(xiàn)[12]，在干旱脅迫下，光合作用（光合電子傳輸、光系統(tǒng)I和II及天線蛋白生物合成）、激素生物合成（ABA生物合成）和活性氧消除（編碼抗壞血酸過氧化物酶、脫氫抗壞血酸還原酶和過氧化氫酶的基因）的基因表達水平的改變在雄株中比雌株更明顯。因此，與雌株相比，雄株能更有效地適應(yīng)水分缺乏，而雌株在干旱脅迫下，生長、光合作用和活性氧保護受到更多的抑制作用[13]。從蛋白組學角度分析，青楊雌雄株對干旱脅迫響應(yīng)的差異與光合作用、穩(wěn)態(tài)和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的性別依賴性蛋白表達有關(guān)[14]。

2 鹽脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異

鹽脅迫是抑制植物生長和發(fā)育的主要非生物影響因素之一。不同種類楊樹雌雄株對鹽脅迫反應(yīng)的研究結(jié)果表明，青楊雄株插條對鹽的敏感性低于雌株，Na+和Cl-在雌株插條葉片和莖的濃度較高，而根的濃度低于雄性的相應(yīng)器官，對生長和光合作用的負面影響更為明顯。據(jù)推測，鹽對雌株插條的影響大于雄性插條，主要發(fā)生在生長和光合速率降低及Na+積累等方面，雄株插條有更好的能力限制Na+從根到芽的運輸[15]。雄株插條參與光合作用、過氧化氫清除和應(yīng)激反應(yīng)的蛋白質(zhì)降解較低，豐度較高；在接種叢枝菌根真菌（AMF）后，青楊雄株表現(xiàn)出比雌株更高的耐受性，提高了生長發(fā)育功能和抗氧化能力[16]。對鹽的敏感性和鹽害，滇楊雌株也比雄株高。雌株的生長速率明顯降低，活性氧積累更高，細胞器損傷更嚴重，對鹽的耐受性、生長速度和光合速率均低于雄株。通過對其轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，光合作用相關(guān)基因在雄性材料中上調(diào)，而在雌性材料中下調(diào)[17]。在土壤鹽分含量適宜范圍內(nèi)，美洲黑楊雌雄間同條件下競爭，雌株的生長速度高于雄株；而在相同濃度鹽脅迫下，雄株表現(xiàn)出比雌株更高的滲透調(diào)節(jié)能力和抗氧化活性[18]。

3 營養(yǎng)缺乏脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異

植物生長時常因營養(yǎng)缺乏受到抑制。在氮和磷元素缺乏的情況下，青楊的雄株有更高的抗氧化能力和更低光合系統(tǒng)損傷[19]。通過蛋白組學分析，雌株蛋白質(zhì)和基因表達波動更劇烈，表明其對氮和磷元素的缺乏更為敏感，具有更快的代謝反應(yīng)[20]。而在高濃度有效氮的雌雄競爭中，雌株生長的促進作用更明顯，而低濃度的有效氮對雄株生長更有利[21]。在鉀元素缺乏的條件下，青楊雌株葉片和莖中的鉀濃度比雄株更低，說明雄株對鉀缺乏癥不太敏感[22]。歐洲山楊Populus tremula在氮和磷元素缺乏的情況下，雄株生長快于雌株[23]，雌株會產(chǎn)生更多的類黃酮、丹寧和礦物質(zhì)的累積。植物生長與土壤養(yǎng)分和大氣CO2濃度有關(guān)[24]，這是光合作用所必需的。青楊雌雄株在CO2濃度升高刺激下都將提高光合能力和生物量，且雄株的生物量高于雌株。雖然有效氮或CO2濃度的升高可分別增加雌雄葉片質(zhì)量和光合速率，但當這兩個條件同時存在時，疊加效應(yīng)并不明顯。此外，在有效氮充足條件下，CO2濃度升高，雄株的綜合指標比雌株可獲得更多的提高。

4 溫度脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異

溫度和光周期是影響花芽發(fā)育的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果表明，溫度升高會導致歐洲山楊雄株比雌株更多的芽成熟延遲[25]。毛白楊Populus tomentosa的雌花芽比雄花芽更能適應(yīng)熱脅迫和冷脅迫，溫度處理可提高雌花芽中過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，而雄性花芽中丙二醛含量顯著增加[26]。與芽不同，青楊雌株對冷脅迫的耐受性低于雄性，在低溫脅迫下，雌株中發(fā)現(xiàn)了破碎的葉綠體和大量傾斜的質(zhì)體基粒，而雄株中的葉綠素含量和抗氧化活性較高[27]；在一些相關(guān)的研究中也發(fā)現(xiàn)，青楊雄株比雌株有更有效的保護反應(yīng)，以防止寒冷的壓力。然而，在低溫和高溫脅迫中，對毛果楊來說，沒有明顯的性別差異反應(yīng)：溫度脅迫處理的雌雄插穗、芽和葉片受害程度和發(fā)生時間都是相同的。

5 重金屬脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異

適合濃度的一些金屬元素是植物不可缺少的，但高濃度的重金屬會抑制植物的生長發(fā)育。研究結(jié)果表明，青楊雌雄株受鉛元素脅迫的影響都是負面的，其中雄株比雌株在光合作用中顯現(xiàn)更高的可縮性，而且干旱能增加雌株對重金屬脅迫的敏感性[28]；雌株暴露在鎘元素壓力下，比雄株有更多的累積和更重的傷害；雄株比雌株對鋁元素的壓力抗性更強，具有更強抗氧化能力和更高的葉綠體含量[29]；對銅元素的壓力，雄株比雌株抗性也強，在雄株葉中可耐受更高濃度的銅元素；對鐵元素缺乏的壓力反應(yīng)也是雄株好于雌株，雌株對鐵元素缺乏的癥狀更明顯[30]。美洲黑楊被發(fā)現(xiàn)雌株也比雄株對鎘元素壓力更敏感，主要表現(xiàn)在葉子癥狀、脂質(zhì)過氧化以及細胞超微結(jié)構(gòu)的改變等方面。滇楊雌株對鉛、鎘、鋁、銅、鋅重金屬脅迫和鐵元素缺乏更敏感，其生長受到更多的抑制，光合作用系統(tǒng)損傷較大，抗氧化活性也較低。

6 紫外線脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異

中波段紫外線（UV-B）輻射增強會對植物產(chǎn)生負面影響。研究發(fā)現(xiàn)，青楊雄株對UV-B輻射引起的應(yīng)激表現(xiàn)出比雌性具有更大的耐受性，抗氧化酶的效率更高[31]。在UV-B輻射脅迫下，對青楊雌雄材料進行轉(zhuǎn)錄組測序分析結(jié)果表明，參與氨基酸代謝的基因在雄性樣品中上調(diào)，在雌性樣品中下調(diào)，在雄性中基因調(diào)控策略比雌性更有效[32]。在高UV-B輻射條件下，通過對青楊雌雄材料蛋白質(zhì)組學性別差異分析，蛋白質(zhì)表達水平（參與翻譯、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾、應(yīng)激反應(yīng)和氨基酸代謝）的變化在雄性中高于雌性[33]。在對高海拔地區(qū)冬瓜楊Populus purdomii雌雄比例的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有雄性偏向的現(xiàn)象，在諸多的影響因素中，包括高的UV-B輻射水平[34]。

7 環(huán)境脅迫下楊樹性別響應(yīng)差異

近年來，關(guān)于環(huán)境脅迫性別響應(yīng)差異的研究在基因組、表觀遺傳、蛋白質(zhì)及生理水平上展開。在非生殖特征上，一些楊樹種類在雌雄間沒有發(fā)現(xiàn)性別響應(yīng)差異。以生長在瑞典的野生歐洲山楊雄株和雌株為實驗材料，在不受特定的實驗脅迫下，在形態(tài)、生物化學特性、節(jié)肢動物豐度、性別偏好和轉(zhuǎn)錄譜方面進行了比較，發(fā)現(xiàn)除了兩個基因（Potri.019G047300和Potri.014G155300）的表達外，沒有發(fā)現(xiàn)性別二態(tài)性。其中第一個基因位于性別決定區(qū)域[35]，在雌株中有缺失[36]。在自然條件下，對1 300株毛果楊和香脂楊Populus balsamifera進行性別差異測試，測試指標包括70個功能性狀和26個與木材有關(guān)的性狀，評價的結(jié)果未發(fā)現(xiàn)雌雄間非生殖特征的顯著差異[37]。對于環(huán)境脅迫下性別響應(yīng)差異的實驗結(jié)果，推測除了有實驗材料和環(huán)境條件的差異等因素影響外，在不同的楊樹種群中，生理和形態(tài)是不同的，應(yīng)激反應(yīng)可能與特定的種群和基因型有關(guān)[38]。

8 楊樹性別決定遺傳基礎(chǔ)

性別決定是高等植物生長發(fā)育過程中非常重要的階段。除了銀白楊Populus alba及近似種為ZW型性別決定系統(tǒng)外[39]，絕大多數(shù)楊屬植物都為XY型，性別決定區(qū)域定位于第19條染色體上，雄性和雌性在基因組水平上相差650個SNP，這一區(qū)域與性別決定顯著相關(guān)。XY型楊樹的性別決定區(qū)域相對較小，大約100 kb，它含有編碼METHYL‐TRANSFERASE1（MET1）的基因，參與DNA甲基化，與植物脅迫響應(yīng)調(diào)控機制相關(guān)[40]。研究發(fā)現(xiàn)，位于香脂楊性別決定區(qū)域發(fā)生特異性甲基化的PbRR9基因，與擬南芥Arabidopsis thaliana性別發(fā)育基因ARR16和17高度同源，其功能是編碼細胞分裂素信號應(yīng)答[41]，推測參與調(diào)控花發(fā)育過程。楊屬至少存在兩個不同的性別決定區(qū)域，銀白楊、美洲山楊Populus tremuloides和歐洲山楊性別決定區(qū)域位于19號染色體中心體周圍，而毛果楊和香脂楊等的性別決定區(qū)域位于19號染色體的遠末端（近端粒）。對組裝在Y-染色體上的候選基因進一步測序后發(fā)現(xiàn)[42]，ARR17的1-4外顯子上有雄性特異的片段反向重復，鑒定出ARR17雄性特異非編碼轉(zhuǎn)錄本，關(guān)聯(lián)重要的sRNAs，尤其是24-nt RNAs，利用CRISPR-Cas9技術(shù)來驗證ARR17基因的功能——性別決定的開關(guān)，當ARR17正常調(diào)控時引起雌性發(fā)育，而當功能缺失時引起雄性發(fā)育。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ARR17會引起楊樹從XY系統(tǒng)到ZW系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，盡管存在這一重復的轉(zhuǎn)換事件，但是ARR17的特異性調(diào)控性別在整個楊屬中是保守的，而且可能在更大范圍的其它的種屬中也是保守的。通過對美洲黑楊19號染色體上近端粒區(qū)的X和Y連鎖區(qū)域的測序發(fā)現(xiàn)，在Y連鎖的區(qū)域存在兩個特殊基因[43]，其中一個基因（FERR-R）是非Y連鎖、雌性特異表達響應(yīng)調(diào)控的重復拷貝，該基因會產(chǎn)生siRNAs，進而阻斷雌性特異表達基因的表達，從而抑制雌性發(fā)育。另外一個基因（MSL）是一個LTR/Gypsy轉(zhuǎn)座子元件家族的成員，該基因會形成長鏈非編碼RNAs。在擬南芥中過表達該基因會促進雄蕊的發(fā)育；這兩個基因也同樣在小葉楊的性別決定區(qū)域存在，但僅有一個重復的響應(yīng)調(diào)控子基因在山楊和歐洲山楊的性別決定區(qū)域存在。據(jù)此推測，楊屬植物的雌雄異株系統(tǒng)可能由不同分支獨立演化而來；雄性和雌性之間的遺傳差異不僅影響生殖器官，而且影響次要的性別特征，可能導致非生殖特征的性別差異。因此，不同性別對環(huán)境壓力反應(yīng)是十分復雜的，這也是物種多樣性的動力之一。

9 小結(jié)與展望

關(guān)于楊樹物種在不利條件下性別響應(yīng)差異的研究已積累了豐富的數(shù)據(jù)。大多數(shù)研究表明，雄性楊樹對環(huán)境脅迫（如干旱、鹽、營養(yǎng)缺乏、溫度和重金屬等）的耐受性優(yōu)于雌性植物。雄株表現(xiàn)出較少的生長速率和光合活性降低，以及較少的細胞損傷和較高的抗氧化活性。而在溫度脅迫和高UV-B輻射條件下，雌花芽損傷程度較小。因此可以認為，在不利的條件下，雄性樹木的策略是維持其生長和營養(yǎng)質(zhì)量，而雌性則是為了保護其生殖器官，有利于繁衍后代。一些楊樹在非生殖性性狀和適應(yīng)策略上并沒有性別差異，物種本身就是一個具有共同基因庫的、與其它類群有生殖隔離的同類，但隨著分子生物學等技術(shù)和理論的成熟，在這些方面將迎來更多的契機。首先，雌雄異株植物在脅迫條件下的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號通路的互作機制現(xiàn)仍然知之甚少，但隨著基因組學、蛋白組學和代謝組學等多組學聯(lián)用對雌雄異株植物研究的深入，與氣候敏感性相關(guān)的關(guān)鍵性狀等的性別差異及性別比研究等相結(jié)合，將增強對雌雄異株植物在遺傳學、生態(tài)生理學和分子生物學等方向調(diào)控機制的理解。其次，目前研究多集中在雌雄異株植物營養(yǎng)期的抗逆性機制上，生殖發(fā)育階段對脅迫環(huán)境也異常敏感，擴大在生殖發(fā)育階段對脅迫環(huán)境響應(yīng)的研究，對其整體調(diào)控策略將會有更深的理解。同時，包括楊樹在內(nèi)的雌雄異株木本植物達到性成熟所需的時間比較長，野外條件難以控制，將野外觀測和室內(nèi)測試相結(jié)合，加大性別相關(guān)抗性全基因組關(guān)聯(lián)分析，深入闡明脅迫響應(yīng)中涉及的重要生長、繁殖功能的調(diào)控機制，全面揭開雌雄異株植物性別偏倚的謎底。