苧麻響應(yīng)非生物脅迫的生理學(xué)研究進(jìn)展

全芮萍，王昕慧，劉婕儀，楊瑞芳，崔國賢，佘瑋

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

非生物脅迫主要包括干旱、高低溫、漬水、重金屬脅迫和鹽堿脅迫等，是限制作物產(chǎn)量提升的重要因子。隨著全球氣候的變化、人類活動加劇、土地次生鹽漬化的日益嚴(yán)重以及淡水資源的匱乏，作物生長面臨的問題日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅作物生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。在過去十年中，全球因干旱造成的農(nóng)作物減產(chǎn)約300億美元[1]，其他脅迫造成的減產(chǎn)損失尚無法統(tǒng)計。據(jù)估計全世界每年與非生物脅迫相關(guān)的主要農(nóng)作物產(chǎn)量損失達(dá)50%[2]。

苧麻為我國特有的蕁麻科苧麻屬多年生宿根性纖維作物，既是優(yōu)質(zhì)的紡織原料也是優(yōu)質(zhì)的高蛋白動物飼料。苧麻生長發(fā)育過程中面臨的干旱、土壤污染、高溫等逆境條件嚴(yán)重影響了苧麻的品質(zhì)與產(chǎn)量。作物耐非生物脅迫方面的研究已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題之一。非生物脅迫主要通過影響作物的正常生理代謝、細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、作物光合作用與蒸騰作用，從而影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3-4]。作物處于非生物脅迫的環(huán)境下，其自身進(jìn)化出一系列自我保護(hù)和適應(yīng)與抵制不良環(huán)境的機(jī)制[5]。本文對國內(nèi)外關(guān)于苧麻應(yīng)對非生物脅迫的生理學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納與總結(jié)，并從轉(zhuǎn)錄組、基因表達(dá)譜和響應(yīng)脅迫相關(guān)基因功能等分子生物學(xué)層面闡明了脅迫應(yīng)答的機(jī)制，旨為培育環(huán)境適應(yīng)性苧麻品種提供一定的理論依據(jù)。

1 非生物脅迫對苧麻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

水分脅迫會造成苧麻弱蔸或敗蔸，敗蔸是苧麻老化或?qū)δ婢抄h(huán)境不適應(yīng)而產(chǎn)生的一種衰老反應(yīng)，其嚴(yán)重影響苧麻的纖維產(chǎn)量和質(zhì)量[6]。苧麻在輕度干旱脅迫下表現(xiàn)為葉片萎蔫、枯死、脫落，重度脅迫下則表現(xiàn)為莖稈萎縮，生長受到抑制，產(chǎn)量與纖維品質(zhì)降低[7-8]。漬水脅迫下，隨著漬水程度加深，苧麻敗蔸情況加劇且產(chǎn)量大大降低[9]。鎘脅迫下，苧麻的生長受到抑制，與對照相比，苧麻的平均株高、莖粗、根長和生物量顯著降低[10]。高溫脅迫下，苧麻產(chǎn)量降低、纖維品質(zhì)下降[11]。鹽脅迫下，當(dāng)NaCl濃度處于1.2～2.0 g／L時，苧麻植株生長開始受到抑制，表現(xiàn)為株高、根長、生物量下降，隨濃度上升抑制逐漸加深[12]。

2 苧麻應(yīng)對非生物脅迫的生理機(jī)制

2.1 干旱脅迫

干旱脅迫是全球范圍內(nèi)植物生長面臨的最主要脅迫類型。干旱脅迫下苧麻生長速率降低、葉片萎蔫程度加劇、相對含水量下降[13-14]，體內(nèi)激素赤霉素（GA）和生長素（IAA）含量下降，脫落酸（ABA）含量上升，體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性先升高后降低[15]?？扇苄蕴呛吭诓煌猛酒r麻體內(nèi)變化不同，纖用苧麻可溶性糖含量隨著脅迫程度的加深呈先上升后下降趨勢，而飼用苧麻的可溶性糖含量則呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，脯氨酸（Pro）含量均逐漸上升，細(xì)胞膜透性和丙二醛（MDA）活性增加[16-17]。

干旱脅迫還導(dǎo)致苧麻葉片SPAD值下降，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量明顯降低，且對葉綠素b的影響大于葉綠素 a[18]；苧麻葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）降低[19]，其中輕度干旱脅迫對苧麻光合系統(tǒng)的影響較小，中度、重度干旱脅迫使苧麻光合系統(tǒng)受到抑制，光合器官遭到破壞，嚴(yán)重影響苧麻的光合作用[20]，從而影響苧麻生長發(fā)育。干旱脅迫下，苧麻體內(nèi)生長相關(guān)激素含量下降，ABA含量上升，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累，抗氧化酶系統(tǒng)和光合系統(tǒng)受到影響，隨脅迫程度加深對苧麻的影響加大。

2.2 漬水脅迫

漬水脅迫下，隨著淹水時間的增加，苧麻株高、莖粗、皮厚、鮮皮重、有效株、原麻產(chǎn)量均呈下降趨勢，其中株高、莖粗、鮮皮重、原麻產(chǎn)量差異顯著，葉片SPAD值、根系活力大幅度下降，根系過氧化物酶活性呈上升趨勢[4]，敗蔸情況加劇，顯著影響苧麻的纖維產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.3 重金屬鎘脅迫

苧麻對重金屬有較高的耐受與富集能力[21-23]，作為纖維作物具有不進(jìn)入食物鏈的優(yōu)點(diǎn)，使其成為重金屬污染土壤替代種植的理想作物。在一定的重金屬濃度范圍內(nèi)，植物可以啟動自身的解毒機(jī)制，植物細(xì)胞通過抗氧化酶和抗氧化物協(xié)同作用抵御脅迫，清除逆境脅迫產(chǎn)生的活性氧，提高植物對重金屬的耐性[24]，谷胱甘肽（GSH）代謝也發(fā)揮著重要作用。

在Cd濃度為0～240 mg／L時，苧麻體內(nèi)抗氧化物系統(tǒng)SOD、POD、CAT活性先升高后降低，根系質(zhì)膜ATPase活性下降，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、Pro含量上升，短時期脅迫下葉綠素含量增加、光合速率增強(qiáng)，長時期脅迫下葉綠素含量降低、光合速率減弱[25-26]，這與許英[27]、李雪玲[28]、李玉蘭[29]、王凱榮[30]等研究結(jié)果相似，但由于不同苧麻品種耐Cd性不同，導(dǎo)致不同品種酶活性變化過程中最大值對應(yīng)的鎘濃度不同，高耐品種對應(yīng)濃度較高，低耐品種對應(yīng)濃度較低。

在Cd濃度為0～80 mg／kg時，處理20 d后苧麻體內(nèi)還原型抗壞血酸和還原型谷胱甘肽含量、抗壞血酸過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶活性均上升[31]。但也有研究[29]發(fā)現(xiàn)在Cd濃度為0～50 mg／L時，處理7 d后不同敏感型品種中GSH、非蛋白巰基（NPT）、植物螯合肽（PCs）含量變化不同，敏感品種葉片和根系中NPT、GSH濃度顯著下降，PCs含量顯著上升，抗性低積累品種葉片中NPT、GSH、PCs含量顯著降低，根系NPT、GSH、PCs含量顯著增加，這可能與不同品種苧麻的抗性相關(guān)，但結(jié)果均表明苧麻通過加速抗壞血酸-谷胱甘肽代謝循環(huán)清除活性氧，使植株避免氧化傷害，提高了苧麻抗性。

2.4 低溫脅迫

0℃低溫脅迫下，對于新栽苧麻，由于地下部分不夠發(fā)達(dá)，易造成植株整體死亡，對于地下部分發(fā)達(dá)的成齡苧麻，則造成地上部分死亡，地下根莖不會死亡；苧麻體內(nèi)SOD活性、POD活性、MDA及葉綠素含量隨著脅迫時間增加而增加，且均在脅迫3 d時達(dá)到最高，而CAT活性隨著脅迫時間增加而降低，可溶性蛋白在脅迫2 d含量最高。

2.5 鹽堿脅迫

鹽堿脅迫是植物面臨的主要非生物脅迫因子。鹽堿脅迫下，在苧麻葉片中抗氧化物系統(tǒng)的SOD和CAT活性在NaCI濃度為9 g／L時達(dá)到最大值，POD活性在NaCl濃度為6 g／L時達(dá)到最大值[32]。苧麻嫩梢水培苗在NaCl濃度高于2.0 g／L時全部死亡；在NaCl濃度低于0.8 g／L時，苧麻植株的株高、根長、生物量及葉綠素含量均高于對照；在NaCl濃度處于1.2～2.0 g／L時，苧麻植株生長受到抑制，表現(xiàn)為株高、根長、生物量及葉綠素含量的下降，且隨著處理濃度增高下降幅度增大[33]。苧麻在一定的鹽堿脅迫下可通過調(diào)節(jié)體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)酶活性與葉綠素含量抵御外界刺激，且幼苗時期耐受程度較低。

3 外源物質(zhì)對苧麻抗逆性的影響

3.1 外源物質(zhì)對干旱脅迫的影響

干旱脅迫下，通過覆蓋稻草處理能顯著提高苧麻株高增長率[34]，外源補(bǔ)償GA可使苧麻體內(nèi)抗氧化酶活性回升，且增加苧麻的株高，提高苧麻的產(chǎn)量[35]。外源噴施水楊酸可恢復(fù)植物體內(nèi)氮代謝相關(guān)酶（NR、GS、GOGAT和GDH）和纖維發(fā)育相關(guān)酶（蔗糖合成酶、IAA氧化酶和β-1，3-葡聚糖酶）的活性，增加可溶性糖含量，維持植物正常生長[36]。外源噴施甜菜堿處理則通過降低苧麻葉片相對電導(dǎo)率變化率和MDA含量，提高葉片可溶性糖含量和生長后期POD活性，以此提高苧麻鮮莖重和鮮皮重[37]。

3.2 外源物質(zhì)對漬水脅迫的影響

通過漬水前噴施100 mg／L SA、6-BA，或于恢復(fù)期噴施100 mg／L SA，可使葉片中丙二醛出現(xiàn)不同程度的下降，脯氨酸和可溶性糖含量顯著升高，SOD、POD和CAT活性呈不同程度的升高，能夠有效緩解由漬水帶來的農(nóng)藝性狀和纖維品質(zhì)變差等問題[38]。

3.3 外源物質(zhì)對重金屬鎘脅迫的影響

氮三乙酸（NTA）和檸檬酸混合，螯合劑EDTA（乙二胺四乙酸）、檸檬酸與泥炭的混合施用均有利于苧麻在鎘污染土壤上的生長，可增加苧麻的生物產(chǎn)量，促進(jìn)苧麻對鎘的吸收[39-40]。外源施用檸檬酸和草酸、外源鈣和亞精胺、螯合劑EDTA和乙二胺二琥珀酸（EDDS）、天然表面活性劑茶皂素、硒和硅均可與Cd形成金屬螯合物，在增加苧麻對重金屬吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)水平的基礎(chǔ)上緩解Cd對植物產(chǎn)生的毒害作用，促進(jìn)了植物體內(nèi)Cd的積累[41-43]。

外源添加硒、硅、一氧化氮（硝普鈉）、硒、NTA和檸檬酸、鈣、外源精胺、亞硒酸鹽和硅酸鹽均可改善Cd脅迫下苧麻的生理代謝狀況，提高植物體內(nèi)抗氧化酶的活性，增加GSH的含量，刺激抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的高效運(yùn)行，加快對體內(nèi)過量自由基的清除效率，緩解由于鎘脅迫帶來的氧化傷害[44-46]。

施加有機(jī)肥、石灰和海泡石、天然表面活性劑茶皂素等改良劑均可絡(luò)合土壤中重金屬Cd，降低重金屬Cd的生物有效性，從而促進(jìn)葉綠素含量及a／b值的增加，改善光合作用，提高苧麻生物量[47-49]。

3.4 外源物質(zhì)對溫度脅迫的影響

低溫脅迫時，適當(dāng)覆蓋處理可以提高土壤溫度，緩解低溫對苧麻的傷害，使出苗時間提前，較未覆蓋處理，覆蓋處理可明顯提高株高、有效株率及纖維產(chǎn)量，并促進(jìn)生長發(fā)育、提高產(chǎn)量[35]。

4 苧麻應(yīng)對非生物脅迫的分子機(jī)制

4.1 水分脅迫

作物遭遇水分脅迫主要由干旱、高溫、高鹽等環(huán)境因素引起，并且各脅迫之間通常相互作用，如高溫導(dǎo)致干旱、高鹽引起干旱、干旱常與鹽堿共存。苧麻抗旱轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)，共有16 798個基因差異性表達(dá)，其中，葉片中有9281個，根中有8627個[50]。通過比較苧麻不同溫度下轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，共篩選到14 228個差異表達(dá)基因，其中一些基因與細(xì)胞壁組裝或生物發(fā)生、細(xì)胞擴(kuò)張、纖維素合成等相關(guān)[51]，當(dāng)前，苧麻已克隆得到與水分脅迫相關(guān)的部分基因，其受水分脅迫后上／下調(diào)表達(dá)（見表1）。

表1 苧麻已克隆的與水分脅迫相關(guān)基因Table 1 Cloned genes related to water stress in ramie

4.2 重金屬鎘脅迫

苧麻對Cd具有耐受性，是理想的Cd富集作物[63]。Cd脅迫苧麻基因表達(dá)譜共篩選到差異表達(dá)基因3887個，包含2883個上調(diào)基因和1004個下調(diào)基因，其中功能已知的差異基因主要為抗氧化系統(tǒng)、信號傳導(dǎo)、蛋白合成等相關(guān)基因[64]。當(dāng)前，苧麻已克隆得到Cd脅迫相關(guān)的部分基因，其受Cd脅迫后上／下調(diào)表達(dá)（見表2）。

表2 苧麻已克隆的與Cd脅迫相關(guān)基因Table 2 Cloned genes related to cadmium stress in ramie

5 問題和展望

非生物逆境影響苧麻體內(nèi)生理代謝，導(dǎo)致其無法正常生長發(fā)育，從而影響苧麻的產(chǎn)量與品質(zhì)。大田環(huán)境下苧麻的非生物脅迫通常受多種因素的綜合影響，且在苧麻生長發(fā)育的多個時期產(chǎn)生不同程度的影響。當(dāng)前眾多學(xué)者已對苧麻在非生物脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了大量研究，例如株高、莖粗、葉綠素含量、激素含量、可溶性糖含量以及抗氧化物酶系統(tǒng)和滲透酶系統(tǒng)活性指標(biāo)，在一定的外界脅迫下，苧麻可通過調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化物酶系統(tǒng)活性來抵御其帶來的損傷，同時不同外源物質(zhì)施加或混合施加均可通過調(diào)節(jié)不同的代謝途徑進(jìn)一步提高苧麻抗逆性。但是目前研究大部分局限于地上部的抗氧化物酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，缺乏整株的系統(tǒng)研究，試驗(yàn)多為土壤盆栽與水培試驗(yàn)，且僅為單季麻。今后應(yīng)結(jié)合田間試驗(yàn)繼續(xù)深入研究苧麻不同生育期與不同季別的生理特性以及產(chǎn)量指標(biāo)對非生物逆境脅迫的綜合響應(yīng)。同時，研究苧麻在非生物逆境脅迫條件下的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘苧麻逆境相關(guān)基因以及逆境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制，為今后利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)創(chuàng)造培育高質(zhì)、高產(chǎn)、多抗和多適的苧麻品種奠定理論基礎(chǔ)。