甜菜抗非生物脅迫研究進(jìn)展

賈也純，陳潤儀，賀澤霖，倪洪濤

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

中國甜菜主產(chǎn)區(qū)位于西北、華北、東北的干旱-半干旱地區(qū)，這些地區(qū)具有年降水相對匱乏，季節(jié)相對變化大，缺少灌溉設(shè)施體系，土壤中有機(jī)質(zhì)貧瘠等特點(diǎn)，所以容易發(fā)生鹽堿、干旱脅迫，影響甜菜產(chǎn)量與品質(zhì)[1]。甜菜本身為喜涼作物，可忍受一定的低溫，但由于其主要分布于新疆、黑龍江、內(nèi)蒙古等北方寒溫帶地區(qū)，經(jīng)常受到春季時(shí)倒春寒、寒潮等低溫的影響[2]。隨著全球氣候變化趨勢，干旱、土地鹽漬化、重金屬污染等非生物脅迫問題日益突出，極端天氣日益頻繁[3]。因此，深入了解研究非生物脅迫對甜菜作物的影響、增強(qiáng)甜菜耐非生物脅迫能力具有重要意義。本研究主要對近些年旱澇、鹽堿、高低溫和重金屬對甜菜生長發(fā)育的影響及甜菜對4種主要非生物脅迫的生理、分子響應(yīng)進(jìn)行綜述；同時(shí)，在對國內(nèi)外甜菜抗非生物脅迫分子生物學(xué)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，就目前存在的問題以及未來甜菜抗非生物脅迫研究方向進(jìn)一步的探討，旨在為提高甜菜抗逆能力提供借鑒與參考。

1 甜菜抗水分脅迫研究進(jìn)展

1.1 水分脅迫對甜菜生長發(fā)育的影響及甜菜的生理響應(yīng)

水分是制約甜菜含糖量與產(chǎn)量的重要因子[4]。淹水條件下，土壤中的氧含量降低造成植物缺氧而使最終產(chǎn)量及品質(zhì)下降[5]。由于甜菜的生長區(qū)分布大多干旱，目前，甜菜抗水淹脅迫的相關(guān)研究較少。付婷婷等[6]結(jié)合鹽脅迫研究水淹條件下甜菜的出苗率及生理變化表明，隨著鹽、澇交互脅迫的增強(qiáng)，甜菜中Na+含量升高，K+吸收減少，植株干重明顯降低，葉綠素含量未受水淹條件影響。鹽澇互作可降低甜菜地上部分和根的干重，根部孔隙度隨鹽分增加而降低，不同耐性品種間存在差異[7]。

在缺水條件下，植株常常表現(xiàn)為生長勢變?nèi)?，葉片數(shù)量、最大葉面積以及生物產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯降低的趨勢[8]。甜菜在長期的進(jìn)化過程中形成了強(qiáng)大的根系組織，使其在缺水的環(huán)境下可以通過吸取土壤內(nèi)的水分以維持自身的正常生長，但苗期抗旱能力很弱[9]。同時(shí)，甜菜的糖分積累期、塊根膨大期以及葉叢生長期對水分的要求也很高，若這些時(shí)期水分供應(yīng)不足，將直接造成最終產(chǎn)量下降[10]。

脯氨酸是甜菜對于干旱脅迫最敏感的滲調(diào)物質(zhì)[11]。在干旱脅迫時(shí)，甜菜會(huì)迅速在體內(nèi)合成以脯氨酸為主的各類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，包括氨基酸、無機(jī)離子以及糖[12]。通過對2種抗旱性不同的甜菜品種進(jìn)行干旱處理發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生了不同程度的生理生化特性變化。抗旱性強(qiáng)的甜菜品種體內(nèi)的超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)以及脫氫抗壞血酸還原酶(DJAR)的活性顯著高于抗旱性弱的品種[13]。甜菜在干旱脅迫條件下游離氨基酸、過氧化物酶(POD)活性以及光合色素含量會(huì)顯著降低，葉片內(nèi)的脯氨酸(PRO)、丙二醛(MDA)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)以及脂質(zhì)過氧化酶(LPO)等的活性上升[14-15]。而紅甜菜體內(nèi)甜菜素以及總酚含量升高[16]。

在水分脅迫條件下，葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)減小，CO2供應(yīng)不足；葉片失水情況加重，葉肉細(xì)胞逐步失活，導(dǎo)致甜菜的光合速率明顯下降，葉片光能利用率降低，光合產(chǎn)物積累減少，凈光合速率(Pn)以及光飽和點(diǎn)(LSP)降低，但光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)升高；復(fù)水后發(fā)現(xiàn)蒸騰速率(Tr)與凈光合速率(Pn)恢復(fù)，但未能達(dá)到未受水分脅迫前的強(qiáng)度；極度缺水環(huán)境會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)中部分光合反應(yīng)中心永久性失活[17-18]。

1.2 甜菜的抗旱性分子生物學(xué)研究進(jìn)展

隨著對分子水平研究的不斷深入，逐漸認(rèn)識(shí)到植物通過相關(guān)基因表達(dá)，引起一系列的生理生化反應(yīng)來適應(yīng)外界的不良環(huán)境[19]。積聚的脯氨酸是植物對干旱等不良環(huán)境脅迫的重要應(yīng)答措施。在擬南芥中研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下P5CS1表達(dá)合成脯氨酸，從而提高對干旱脅迫的抵抗[20]。楊虎臣[12]對3個(gè)抗旱能力不同的甜菜品系模擬干旱處理發(fā)現(xiàn)，P5CR基因以及P5CS基因是甜菜抗旱時(shí)的關(guān)鍵基因。孫宗艷[21]成功克隆出P5CS基因cDNA序列，同時(shí)提出miR160/164及其靶基因參與的抗逆境信號(hào)通路，并且通過生物信息技術(shù)與高通量測序結(jié)合手段預(yù)測了甜菜miR160/164的靶基因?yàn)锳RF17/18和NAC(21/22)/10。目前，張皓等[22]也已經(jīng)通過RT-PCR技術(shù)在甜菜中成功克隆出P5CS基因。

Li等[23]通過對不同耐旱性甜菜品種進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，對其中的甜菜堿含量和BADH基因表達(dá)水平進(jìn)行比較。結(jié)果表明，BADH基因通過影響甜菜堿的合成，消除干旱脅迫的負(fù)面影響，同時(shí)維持甜菜在缺水條件下光合作用的活性。RAJABI等[24]通過RT-PCR技術(shù)，對4個(gè)不同基因型的甜菜進(jìn)行干旱脅迫研究，初步證明2-cysprx和NDPK基因與甜菜干旱響應(yīng)相關(guān)。李國龍等[25]分別對水分脅迫以及復(fù)水條件下的幼苗根系、葉片cprx1的基因進(jìn)行研究，初步證明cprx1基因在甜菜的干旱響應(yīng)中起作用。

隨著液泡膜H+-PPase基因的研究逐漸深入，其中AVP1的研究應(yīng)用最多[26]。王曉嬌[27]通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將AVP1導(dǎo)入甜菜體內(nèi)，與非轉(zhuǎn)基因甜菜對比發(fā)現(xiàn)，MDA、游離脯氨酸以及葉與根中的相對含水量均發(fā)生變化，證明AVP1可以提高甜菜的抗旱性。劉雪[28]通過對轉(zhuǎn)APV1基因甜菜進(jìn)行PCR和qPCR檢測，進(jìn)一步證明了此轉(zhuǎn)基因甜菜的耐旱耐鹽性，同時(shí)篩選出一個(gè)轉(zhuǎn)AVP1基因甜菜新株系。

作為植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子之一，NAC轉(zhuǎn)錄因子在非生物脅迫中起著重要作用[29]。徐曉陽等[30]研究了52個(gè)BvNAC基因并將其分為16個(gè)家族，并進(jìn)行RNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)其中23個(gè)家族成員在干旱脅迫條件下有表達(dá)的上升趨勢。從而推測Bv-txas對甜菜干旱脅迫的調(diào)控更密切。通過RT-PCR技術(shù)，李國龍等[31]用抗旱強(qiáng)的甜菜品種‘HI0466’克隆了一個(gè)NAC類轉(zhuǎn)錄因子基因的cDNA序列。MYB轉(zhuǎn)錄因子也對甜菜的逆境脅迫調(diào)控起作用，劉蕊等[32]研究MYB基因家族在干旱脅迫下的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，79個(gè)MYB基因家族中42個(gè)表達(dá)有差異。李國龍[33]對干旱條件下甜菜的轉(zhuǎn)錄組分析得出，BvWRKY23表達(dá)明顯上調(diào)；同時(shí)通過“酶切-連接”的方法構(gòu)建其RNAi表達(dá)載體。梁文潔等[34]將洋蔥的蔗糖-果糖基轉(zhuǎn)移酶(SST)基因?qū)胩鸩丝擅黠@提高甜菜的抗旱性。

蛋白質(zhì)組學(xué)是研究甜菜抗逆性的重要手段之一。在干旱條件下，彭春雪對抗旱能力強(qiáng)弱的2種甜菜品系進(jìn)行研究，成功分離出2種甜菜品系的干旱脅迫響應(yīng)蛋白，并鑒定出部分蛋白在參與光合作用、能量和物質(zhì)代謝以及信號(hào)傳導(dǎo)、脅迫防御等方面起著重要作用，從而提高甜菜抗旱能力[35]。李國龍[36]研究表明，干旱脅迫蛋白在活性氧清除、光合作用、維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運(yùn)輸、蛋白質(zhì)合成以及物質(zhì)和能量代謝方面發(fā)揮著重要作用。Wang等[37]對耐旱性不同的2種甜菜品種進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，結(jié)果敏感品種鑒定出23個(gè)抗旱蛋白，而抗旱品種鑒定出27個(gè)抗旱蛋白；同時(shí)指出轉(zhuǎn)錄組和蛋白水平之間的相關(guān)性不強(qiáng)。Schneider等[38]通過干旱和復(fù)水研究表明甜菜干旱誘導(dǎo)蛋白對于水分脅迫是有一定的適應(yīng)能力和記憶效應(yīng)。

2 甜菜抗鹽堿脅迫研究進(jìn)展

鹽分脅迫導(dǎo)致植物離子脅迫、滲透脅迫和氧化脅迫。耐鹽脅迫是非常復(fù)雜的機(jī)制，從分子到整個(gè)植物層面的不同運(yùn)作機(jī)制確保了宏觀分子的合成，保護(hù)系統(tǒng)的形成，以及植物對新條件的適應(yīng)。大量的氯化鈉調(diào)控基因編碼離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、水道、三磷酸腺苷酶(ATP)，在由鹽度引起的植物—土壤系統(tǒng)的水勢起重要作用，維持離子平衡，克服鹽引起的離子的不平衡，以及滲透和抗氧化系統(tǒng)成分的生物合成[39]。

2.1 鹽脅迫對甜菜生長發(fā)育的影響及甜菜的生理響應(yīng)

鹽脅迫會(huì)抑制種子萌發(fā)，甜菜幼苗期對鹽脅迫的敏感性可在一定程度上反映植物的耐鹽性強(qiáng)弱[40]。目前其抑制機(jī)理受到爭議。一種認(rèn)為是鹽離子對種子細(xì)胞生理生化過程進(jìn)行破壞；一種認(rèn)為是鹽脅迫條件下種子無法正常吸收水分，造成生理干旱[41]。滲透脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞膜功能喪失、營養(yǎng)不平衡和抗氧化及光合活性降低[42]。

甜菜抵抗鹽脅迫其生理生化過程產(chǎn)生了重大的變化。鹽脅迫條件下，由于葉綠體內(nèi)離子平衡和類囊體結(jié)構(gòu)受到破壞，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生破裂，多種生理酶活性發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞，葉綠素含量減少；同時(shí)，Gs減小，細(xì)胞內(nèi)CO2濃度降低，導(dǎo)致光合效率降低，產(chǎn)量降低[39,43]。隨著鹽濃度的增加甜菜內(nèi)游離多氨含量和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)均顯著增加；同時(shí)增加葉面抗壞血酸(ASA)的施用Na+和K+的含量則表現(xiàn)為緩慢降低，而抗壞血酸過氧化物酶(APX)、抗氧化酶谷胱甘肽還原酶(GR)活性逐漸加強(qiáng)[44-45]。葉片內(nèi)的硝酸還原酶(NR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)，谷氨酰胺合成酶(GS)，過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、羧酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCK)、NADP-蘋果酸酶以及NADP-蘋果酸脫氫酶活性隨鹽濃度增加呈先升高后下降的趨勢，而葉片質(zhì)膜透性、MDA、甜菜堿、蘋果酸和檸檬酸的含量增加，Rubisco酶的活性表現(xiàn)為降低[37,46]。通過室內(nèi)營養(yǎng)液水培培養(yǎng)方式測定不同NaCl濃度下甜菜內(nèi)源激素含量的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明ABA含量隨著NaCl濃度的升高而升高，IAA和GA3隨著NaCl濃度的升高而降低，GA3/ABA和IAA/ABA隨NaCl濃度的升高而降低，且隨著時(shí)間的延長表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢[47]。對3個(gè)野生甜菜(Beta vulgarisspp.Maritima)和1個(gè)商用甜菜同時(shí)進(jìn)行持續(xù)干旱和鹽度效應(yīng)處理。結(jié)果表明：所有種群都能從嚴(yán)重的脅迫中恢復(fù)過來；干旱的影響要比鹽堿的影響大。每個(gè)野生甜菜種群的遺傳項(xiàng)（等位基因豐富度）非常豐富，表現(xiàn)出生理可塑性，即在生理上適應(yīng)環(huán)境變化的能力[48]。

2.2 甜菜耐鹽性分子生物學(xué)研究進(jìn)展

鹽脅迫下，由于轉(zhuǎn)錄因子、傳感器分子、基因轉(zhuǎn)錄傳遞細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的激活使各基因進(jìn)行表達(dá)[39]。甜菜M14品系是雜交獲得的單體附加系，具有耐鹽、抗旱等優(yōu)良特性，是挖掘抗逆基因的良好材料[49]。張庭躍等通過RACE技術(shù)獲得BvM14-Tpx基因的cDNA全長，同時(shí)明確了BvM14-Tpx基因在甜菜受到鹽等逆境脅迫下產(chǎn)生抗氧化的作用[50]。呂笑顏等[51]成功克隆了甜菜M14品系木質(zhì)素合成相關(guān)基因BvM14-CCoAOMT的cDNA，同時(shí)證明了BvM14-CCoAOMT基因在抵抗鹽脅中起促進(jìn)作用。Wu等[52]還發(fā)現(xiàn)BvM14-glyoxalase1基因在甜菜對抗鹽脅迫時(shí)起到重要作用。Wang等[53]證實(shí)BvM14-cystation的過度表達(dá)使甜菜表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽性。Ma等[54]發(fā)現(xiàn)BvM14-SAMS2基因表達(dá)隨鹽濃度的增加而升高。

甜菜堿也是甜菜重要的一種滲透保護(hù)劑，甜菜M14品系中的BvM14-BADH和BvM14-CMO基因在鹽脅迫條件下表現(xiàn)為顯著上調(diào)。目前已經(jīng)通過PCR克隆技術(shù)從甜菜M14品系中克隆出BvM14-CMO和BvM14-BADH的cDNA全長[55]。Kito等[56]分別對鹽脅迫下絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶基因（BvSHMTa和BvSHM5Tb）的表達(dá)水平，以及葉綠體內(nèi)用于編碼D-3-磷酸甘油酸脫氫酶基因（BvPGDHa和BvPGDHb）mRNA轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫條件下BvPGDHa的mRNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)增多，而BvPGDHb的mRNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)減少，BvSHMTa短暫表達(dá)，而BvSHMTb未有明顯表達(dá)水平的變化。BvpAPX是全長cDNA編碼的過氧化物異酸過氧化酶，也是甜菜的抗氧化保護(hù)酶。通過RT-PCR和RACE的方法獲得BvpAPX的cDNA和基因序列，同時(shí)觀察到，BvpAPX在長期鹽脅迫條件下呈增長態(tài)勢，而在短期鹽脅迫條件下沒有明顯變化[57]。

WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子直接或間接的參與著植物的抗非生物脅迫[58]。端木慧子等[59]通過對甜菜M14品系中WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行NaCl誘導(dǎo)，得出WRKY13可能是甜菜在鹽脅迫條件下的正調(diào)控因子，而WRKY53則是負(fù)調(diào)控因子。WRKY15、WRLY3、WRKY32、WRKY23、WRKY27、WRKY74轉(zhuǎn)錄因子被證實(shí)在鹽脅迫條件下表達(dá)量產(chǎn)生變化。孔維龍等[60]通過RNA-seq和qRT-PCR分析得BvWRKY6、BvWRKY1、BvWRKY19、BvWRKY33以及BvWRKY31在鹽脅迫條件下表現(xiàn)為上升趨勢。

Li等[61]將甜菜葉和根內(nèi)的差異豐富蛋白(DAP)進(jìn)行功能分類，并證實(shí)一些DAP與甜菜的抗鹽性密切相關(guān)，如膽堿單加氧酶、F型H+轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶等，在甜菜適應(yīng)鹽脅迫時(shí)，葉和根具有不同的分子代謝調(diào)節(jié)機(jī)制?？导褜幍萚62]利用iTRAO技術(shù)手段，對不同NaCl濃度處理的甜菜M14品系根部膜蛋白質(zhì)進(jìn)行定量和定性的蛋白組學(xué)分析，測定出膜蛋白質(zhì)73個(gè)，其中22個(gè)蛋白質(zhì)下調(diào)表達(dá)，51個(gè)蛋白質(zhì)上調(diào)表達(dá)。同時(shí)，將根部鹽應(yīng)答蛋白質(zhì)進(jìn)行分類。李金娜[63]則通過Pro-Q Diamond熒光染色法以及雙向凝膠電泳法2個(gè)方法，獲得鹽脅迫下甜菜M14在鹽脅迫下的差異磷酸化蛋白，發(fā)現(xiàn)有189個(gè)差異表達(dá)的磷酸化蛋白質(zhì)，其中，95個(gè)表現(xiàn)為下調(diào)，94個(gè)表現(xiàn)為上調(diào)。同時(shí)將差異表達(dá)磷酸化蛋白質(zhì)進(jìn)行分類。李鶴男[64]則通過DDRT-PCR以及銀染技術(shù)對高鹽誘導(dǎo)的甜菜幼苗分析，并從中分離出50條差異表達(dá)的片段，其中有35條表現(xiàn)為上調(diào)，15條表現(xiàn)為下調(diào)，同時(shí)，對其中Northem雜交呈陽性的序列片段測序后再進(jìn)行BLAST比對分析，獲得12條cDNA片段，包括SOS信號(hào)通路、NADH脫氫酶、葉綠體mRNA以及tRNA和耐鹽相關(guān)蛋白等。

3 甜菜抗極端溫度脅迫研究進(jìn)展

3.1 極端溫度脅迫對甜菜生長的影響及甜菜的生理響應(yīng)

隨著全球溫室效應(yīng)不斷加劇，高溫脅迫下對甜菜生長發(fā)育的影響也引起各國專家的關(guān)注，但目前研究較少。甜菜在高溫條件下PSⅡ最大光化學(xué)效應(yīng)(Fv/Fm)降低，甜菜在42℃處理時(shí)PSⅡ損失。隨著溫度的升高，甜菜體內(nèi)光能吸收中的電子傳遞(ΦEo)降低而熱耗散量子比率(ΦDo)逐漸升高，甜菜通過熱耗散的途徑緩解高溫脅迫下機(jī)體的受損程度[41,65]。

栽培甜菜是兩年生植物，甜菜幼苗在低溫條件下會(huì)出現(xiàn)一年抽薹的情況，嚴(yán)重影響了塊根的生長和糖分的累積，致使塊根產(chǎn)量減產(chǎn)10% ～20%，含糖率下降0.8% ～1.6%。嚴(yán)重影響了甜菜的生產(chǎn)品質(zhì)與產(chǎn)量[66]。

甜菜在低溫條件下通過增強(qiáng)呼吸作用，改變多種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)濃度，分泌多種耐冷蛋白以及提高抗氧化系統(tǒng)中多種保護(hù)酶活性等活動(dòng)來完成甜菜的正常生命活動(dòng)[67]。低溫條件下，甜菜幼苗葉片中MDA、IAA、ABA、可溶性物質(zhì)含量以及CAT、SOD酶活性增加，其中IAA與ABA在低溫脅迫下發(fā)揮重要作用，增加的抗氧化酶活性通過減少低溫產(chǎn)生的自由基來維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定[67-68]。吳旭紅[69]研究低溫條件下甜菜線粒體內(nèi)MDH以及CCO的比活性以及總活性，用Coomassie染色對線粒體內(nèi)蛋白SDS帶進(jìn)行分析，推測線粒體可能是甜菜在低溫脅迫條件下的熱休克蛋白對抗氧化壓力的主要場所之一。

3.2 甜菜耐極端溫度分子生物學(xué)研究進(jìn)展

甜菜在短期亞致命低溫脅迫下，幼葉和根中都會(huì)在轉(zhuǎn)錄水平上觸發(fā)廣譜暫時(shí)調(diào)整反應(yīng)。幼葉和根中早期大約3%轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生調(diào)節(jié)，低溫脅迫下主要是轉(zhuǎn)錄上調(diào)/誘導(dǎo)，在葉和根占調(diào)控序列的80%以上。這表明，低溫脅迫使植物立即發(fā)生廣泛的代謝重新調(diào)整。轉(zhuǎn)錄反應(yīng)廣泛分布于葉子和根上。調(diào)控主要包括幾個(gè)基因的上調(diào)或誘導(dǎo)，同時(shí)在幼葉和根2個(gè)器官有38% ～47%的上調(diào)/誘導(dǎo)序列，而只有15%的下調(diào)/抑制序列。大多數(shù)DE序列被識(shí)別為與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、蛋白磷酸化/去磷酸化、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化、細(xì)胞壁重塑、Ca與激素信號(hào)傳遞，以及碳水化合物和脂質(zhì)代謝相關(guān)[70]。

通過代表性差異分析cDNA-RDA技術(shù)，戴建軍等[71]獲得低溫以及長日照誘導(dǎo)的甜菜幼苗莖尖中的表達(dá)差異基因片段DP3。在此模板的基礎(chǔ)上通過cDNA-RNA以及RACE 2種方法對cDNA末端快速擴(kuò)增，獲得了Ty7Br900DNA以及Ty7Br600cDNA序列[72]。對Ty7Br600cDNA序列進(jìn)行Southern和Northern印跡雜交進(jìn)一步證明，低溫脅迫產(chǎn)生甜菜抽薹基因的差異表達(dá)[73]。減數(shù)分裂重組通過創(chuàng)造新的等位基因組合在植物育種中起著至關(guān)重要的作用。通過在28℃/25℃（晝/夜）下處理甜菜F1植株，研究熱脅迫對甜菜重組的影響?；蛐蛿?shù)據(jù)表明，每次減數(shù)分裂的交叉頻率整體增加，而熱處理下的中心體重組增加。表明，僅在雌性減數(shù)分裂中被誘導(dǎo)發(fā)生變化，表明甜菜在熱脅迫下異質(zhì)減少[74]。鄒鋒康等[75]以磷脂酰肌醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CRS1為模板成功克隆甜菜SbSEC14基因，并證明該基因在逆境條件下起到信號(hào)傳導(dǎo)的功能。植物在非生物脅迫條件下積累棉子糖，Kito等[76]在甜菜中提取到編碼棉子糖的基因的BvRS1和BvRS2以及編碼肌醇半乳糖苷合成酶的BvGolS1，并證明BvRS1和BvRS2分別是低溫脅迫和鹽脅迫下棉子糖合成酶的關(guān)鍵基因。

4 甜菜抗重金屬脅迫研究進(jìn)展

4.1 重金屬脅迫對甜菜生長的影響及甜菜的生理響應(yīng)

工業(yè)廢水、廢氣的不合理排放，造成土壤中的Cu、Cd等重金屬逐漸累積。在過量的重金屬含量下，植物體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大分子失活，蛋白質(zhì)功能破壞等現(xiàn)象，影響農(nóng)作物的生長以及人體健康[77]。

張福順等[78]通過營養(yǎng)液培育分析得出，Cd脅迫會(huì)影響甜菜對微量元素的吸收與利用，導(dǎo)致甜菜幼苗生長遲緩甚至死亡。過量的Cu2+會(huì)引起甜菜細(xì)胞產(chǎn)生過量的活性氧，使膜脂產(chǎn)生過氧化作用，從而破壞生物膜結(jié)構(gòu)，引起甜菜生長遲緩甚至死亡[79]。金屬耐受蛋白基因MTPs通過協(xié)助陽離子擴(kuò)散，間接或直接參與細(xì)胞對重金屬離子的轉(zhuǎn)移與代謝過程[80]。

4.2 甜菜抗重金屬的分子生物學(xué)研究進(jìn)展

雖然Cu、Co、Fe、Mn、Zn等金屬是植物低劑量的功能性微量營養(yǎng)素，但在高濃度下可能會(huì)導(dǎo)致有害的影響，如氧化還原電位的改變，導(dǎo)致在膜、蛋白質(zhì)或DNA水平上的結(jié)構(gòu)損傷；重金屬可能會(huì)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和細(xì)胞、亞細(xì)胞水平的不平衡。miRNAs積極的參與和緩解重金屬脅迫相關(guān)的響應(yīng)[42]。在極端條件下，金屬通過干擾折疊過程來深刻地影響細(xì)胞蛋白的穩(wěn)態(tài)，但它們也能促進(jìn)初期或非天然蛋白聚集導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和降低細(xì)胞活性。然而，有一組被稱為應(yīng)激蛋白或HSPs蛋白，在脅迫下被優(yōu)先表達(dá)。HSPs限制了新生蛋白或非天然蛋白的聚集，但會(huì)觸發(fā)錯(cuò)誤折疊蛋白的修復(fù)[77]。

劉大麗等[81]通過RT-PCR等技術(shù)成功克隆了甜菜谷胱甘肽合成酶(BvGS)基因的全長CDS序列，并且證明了BVGS基因與Cd2+逆境存在應(yīng)答關(guān)系。王錦霞等[80]發(fā)現(xiàn)BvMTP11基因在甜菜抵抗重金屬逆境時(shí)表現(xiàn)出明顯的差異，并通過RT-PCR克隆技術(shù)成功克隆了BvMTP11基因，并推測該基因編碼一個(gè)重要的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以抵抗重金屬脅迫。魯振強(qiáng)等[82]通過RT-PCR克隆了BvHIPP24基因，并將其導(dǎo)入大腸桿菌內(nèi)，觀察其對Cd耐受性隨之增加，并初步推測Cd逆境下BvHIPP24基因在甜菜體內(nèi)發(fā)揮著重要作用。楊舒涵等[83]通過RT-PCR技術(shù)克隆了BvGST基因，并將其導(dǎo)入酵母體內(nèi)觀察其生長情況，推測BvGST基因在甜菜Cd逆境下存在應(yīng)答關(guān)系。

5 提高甜菜抗非生物脅迫的策略

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，甜菜響應(yīng)非生物脅迫的生理生化研究方面比較完善，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究取得一定進(jìn)展。但與水稻、玉米、大豆等主要農(nóng)作物相比，與抗逆有關(guān)的甜菜組學(xué)研究更顯薄弱。此外，目前對于甜菜非生物脅迫的研究，大多集中于甜菜抗旱及抗鹽研究中，關(guān)于甜菜抗極端溫度以及重金屬研究較少，并且，針對逆境脅迫的研究因素較為單一。為提高甜菜抗逆性，促進(jìn)甜菜產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，本研究提出如下建議。

5.1 進(jìn)一步加強(qiáng)甜菜抗非生物脅迫機(jī)制及應(yīng)用的挖掘與創(chuàng)新

干旱、鹽度、高（低）溫和重金屬等非生物脅迫可能對植物，包括核和細(xì)胞器DNA造成廣泛的破壞，在這復(fù)雜的情況下，miRNAs起到基本的調(diào)節(jié)作用[42]。植物對非生物脅迫的響應(yīng)是動(dòng)態(tài)且復(fù)雜的，通過基因組序列和高通量技術(shù)可進(jìn)一步分析同步性和同源性的逆境脅迫響應(yīng)基因，多組學(xué)研究能夠更好地揭示新的互作和調(diào)節(jié)機(jī)制[[84-85]。近年來，代謝組學(xué)廣泛應(yīng)用于植物對非生物脅迫的反應(yīng)研究中，而甜菜開展的研究較少，尤其是干旱脅迫方面[26]。今后應(yīng)該加強(qiáng)多組學(xué)、生物信息學(xué)以及系統(tǒng)生物學(xué)研究，進(jìn)一步挖掘與創(chuàng)新甜菜抗非生物脅迫機(jī)制及應(yīng)用。

5.2 充分挖掘野生種中DREB基因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育抗逆性強(qiáng)的甜菜品種（系）

大量研究表明DREB家族基因廣泛參與了植物多種逆境脅迫下的應(yīng)答調(diào)節(jié)機(jī)制，具有抗逆調(diào)控功能[86]。近幾十年來，CRISPR/Cas9技術(shù)作為一種多用途的、目標(biāo)特異性的基因操作方法，廣泛應(yīng)用植物等生物體中，利用CRISPR/Cas9技術(shù)有望獲得非生物脅迫相關(guān)性狀的微小基因變異，在抗逆品種的培育中具有巨大潛力[87]。建議充分挖掘甜菜野生種中的DREB基因，結(jié)合CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)，利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)將更多優(yōu)秀外源抗逆基因?qū)胩鸩?，建立高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系，以此培育抗逆性強(qiáng)的轉(zhuǎn)DREB基因新甜菜品種（系）。

5.3 開展多種逆境條件下甜菜的抗非生物脅迫研究

自然界中，植物通常同時(shí)受到多種逆境因子共同脅迫造成傷害。為了更貼近真實(shí)的自然環(huán)境，為大田生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。建議在單一逆境研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展多種逆境的條件下甜菜的抗逆研究。如干旱與高溫、干旱與鹽脅迫等2種以上脅迫相互作用對甜菜的影響。不論是單一脅迫還是協(xié)同脅迫，相關(guān)植物的研究必須從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向田間，探究多基因協(xié)同效應(yīng)，以真正實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)基因植物的潛力開發(fā)。

5.4 應(yīng)用外源調(diào)控物、抗氧化劑、硅等抵御甜菜非生物脅迫環(huán)境

許多研究表明，在干旱條件下，植物會(huì)通過一些生長調(diào)節(jié)劑和滲透保護(hù)劑來應(yīng)對干旱[88]。葉面施用L-鳥氨酸、外源茉莉酸甲酯(MeJA)、脯氨酸、富勒烯醇納米顆粒及礦物質(zhì)都能顯著提高甜菜的抗旱能力[11,26]。多種外源調(diào)節(jié)物質(zhì)可通過增強(qiáng)光合作用、提高滲透勢、增加抗氧化酶活性及減少離子毒害等方式來減輕鹽害[89]。谷胱甘肽(GSH)是一種參與抗氧化應(yīng)激的防御機(jī)制的抗氧化劑，甜菜細(xì)胞中GSH是抵抗重金屬脅迫的重要物質(zhì)[90]。此外，甜菜還通過提高SOD、POD等抗氧化酶的活性抵抗過量的重金屬危害[91]。硅可以激發(fā)抗氧化、光合的保護(hù)、離子平衡、次生代謝的合成及有毒金屬的螯合作用；硅還能改變植物細(xì)胞壁，并調(diào)節(jié)參與幾種導(dǎo)致脅迫耐受途徑基因的表達(dá)。已證明硅可誘導(dǎo)茉莉酸、水楊酸和乙烯信號(hào)傳導(dǎo)及其自然防御機(jī)制，應(yīng)用硅可以減輕生物和非生物脅迫，提高產(chǎn)量[92]。