油茶對脅迫因子的響應機制研究進展

劉 鵬，吳巧花，舒惠理，周莉蔭，王小東

（江西省林業(yè)科學院，南昌 330013）

0 引言

油茶(Camellia oleifera)為中國特有油料植物，是世界四大木本油料植物之一，在國內(nèi)分布于南方低山丘陵地區(qū)[1]，國外日本、泰國、馬來西亞等有分布[2]。茶油為一種品質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定的食用油[3]，中國高度重視食用油安全，并上升到了國家戰(zhàn)略高度[4]，出臺了《全國油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2009—2020)》，有效地加速了全國油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)外學者在油茶對脅迫因子響應機制上開展了大量研究，筆者綜述了干旱、溫度、低磷、低鋁、脅迫因子遺傳機制及其他因子脅迫對油茶生長、發(fā)育和生理生化影響的研究成果，以期為油茶的研究提供科學依據(jù)，并推動相關(guān)研究工作的深入開展。

1 干旱脅迫

1.1 對油茶生長的影響

干旱是植物生命活動及生長代謝最主要的非生物脅迫因素之一[5]，也是樹木正常生長的最常見逆境因子之一，嚴重制約著油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[6-7]。研究顯示，不同時期油茶幼苗對干旱脅迫的響應存在差異，前期影響小，后期影響最為嚴重，甚至發(fā)生枯萎直至死亡[8-9]。這種影響會使油茶的器官形態(tài)發(fā)生一系列的變化，為適應干旱脅迫，其根冠比提高，葉片、表皮厚度下降[10]。此外，油茶也會根據(jù)干旱程度，主動調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)，以維持生存生長需要[11]。油茶果實也會隨干旱程度發(fā)生變化，持續(xù)干旱使油茶果實橫縱徑發(fā)生變化[12-14]。干旱脅迫對油茶果實生長產(chǎn)生的不良效應可通過一些措施彌補，如補水、地表覆蓋、土壤翻耕等均可有效緩解干旱脅迫產(chǎn)生的影響[15-16]。其中，補水措施較為常用，但補水應在干旱前期處理，在中度干旱脅迫后補水成效不明顯[13]。通過土壤補充水分，可防止油茶由暫時萎蔫變成永久萎蔫[17]。油茶幼苗恢復正常生長與土壤含水量有顯著關(guān)系，當土壤相對含水量高于30.6%時，復水后油茶苗能恢復正常生長；而當相對含水量低于21.1%時，復水后并不能恢復正常生長[18]。研究也顯示，不同栽培方式對土壤補水量需求不一。對于油茶容器苗而言，當基質(zhì)保持在失水率20%左右時，有利于苗木生長發(fā)育，失水過多對苗生長不利[19]，當基質(zhì)含水量下降至81%以下時，苗木開始受到干旱脅迫[20]。在油茶生產(chǎn)實踐中，可通過降低林內(nèi)近地層溫度，提高林內(nèi)濕度，來調(diào)節(jié)油茶林小氣候，進而提高油茶產(chǎn)量[21]。

1.2 對光合作用的影響

過度干旱脅迫會使植物光合系統(tǒng)受到破壞，進而影響光合作用的正常進行[22]。干旱會使植物光合作用有關(guān)的因素發(fā)生變化，且與干旱程度有關(guān)。隨著干旱程度的增加，葉片光合色素含量、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)、水分利用效率(WUE)下降，葉片光合色素的含量下降[17-18,23]，胞間CO2濃度(Ci)上升[23]。葉片含水量、葉綠素和類胡蘿卜素的含量隨干旱程度的加深呈先升后降的變化，但總體呈降低趨勢[9,15]。油茶也可通過調(diào)節(jié)氣孔開度以減少水分蒸發(fā)，適應干旱脅迫[24]。研究也顯示，水分含量過高不利于光合作用和呼吸作用[19]，對油茶成林的光合作用影響機理有待進一步研究[23]。

1.3 對生理生化指標的影響

干旱對油茶生理生化會產(chǎn)生一定的影響。研究顯示，隨著干旱程度的增加，油茶的相對電導率、丙二醛(MDA)、脯氨酸、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性呈增加趨勢；過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性呈先增加后下降趨勢；而可溶性蛋白含量在葉片與根系間存在差異，根系中含量先升后降[20,25]，葉片中含量持續(xù)下降；不同油茶品種葉綠素含量的變化規(guī)律存在差異[25-27]。葉片相對電導率、MDA和可溶性糖在干旱脅迫70天時達到最大值[8]，這可能與處理的方式不同有關(guān)。隨著干旱程度加重和脅迫時間延長，POD、多酚氧化酶(PPO)、CAT的活性上升達到最大值，隨后急劇下降至失活狀態(tài)[17,28]。葉片相對含水率、葉片自然飽和虧等各指標變化情況因優(yōu)良無性系的不同（油茶長林系列）而存在差異[27]。油茶葉片內(nèi)源激素會在干旱達到一定時間和程度后啟動響應機制，通過調(diào)節(jié)提高脫落酸(ABA)含量，降低玉米素核苷(ZR)含量應對干旱脅迫的影響[12]。對油茶不同樹齡間的抗旱性持續(xù)追蹤研究，可深入、全面了解不同油茶品種的抗性，應是今后研究開展的方向[25-26]。

1.4 干旱脅迫的協(xié)同調(diào)節(jié)

不少學者對抗旱性油茶品系選育方面做了一些研究，發(fā)現(xiàn)不同品系及栽培方式的油茶抗旱能力存在一定的差異性[8,17,27]，且不同林齡林分的抗旱性也有差異[14]，抗旱性可能與其自身生態(tài)幅有一定的關(guān)系[1]。在一定干旱脅迫范圍內(nèi)，油茶組織主動適應，產(chǎn)生抗逆反應以應對干旱脅迫；但超出臨界值時，會發(fā)生不可逆反應，導致油茶枯萎[20]。油茶主動響應干旱脅迫方式有2種，一種是調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)氣孔開度，減少水分蒸發(fā)，維持正常生存和生長[12,15,24]；另一種是通過調(diào)節(jié)脫落酸(ABA)、玉米素核苷(ZR)等內(nèi)源激素含量，應對干旱脅迫的影響[12]。人工方式（如地表覆蓋、土壤翻耕和及時補水等）也可以有效應對干旱脅迫的損傷[16,29]。通過抗旱鍛煉可培育抗旱性強的油茶砧木及嫁接苗[30-31]。

2 溫度脅迫

2.1 低溫脅迫

溫度是限制油茶地理分布的主要環(huán)境因子[32]，油茶能夠形成溫度適應機制，有一定的抗寒性[33]，但溫度過低會產(chǎn)生不可逆?zhèn)Γ胫滤罍囟仍?13.3～-10.7℃[34]。不同的油茶品種抗寒性不同[34-37]。隨著溫度的持續(xù)降低，油茶MDA含量、POD和CAT活性、可溶性糖含量逐漸增大[33]；相對電導率上升，呈“S”型[34]，SOD活性、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量呈先升后降趨勢，總抗氧化能力(T-AOC)變化呈“V”型[36]；最大光化學效率(Fv/Fm)呈略下降趨勢，影響不明顯[35]。也有研究顯示，經(jīng)低溫脅迫處理后，油茶SOD最高活性因品種不同[35]。細胞傷害率存在品種差異[33,38]，馬錦林等[38]研究顯示，無論溫度升高降低與否，香花油茶的葉片細胞傷害率呈“S”型變化。研究也發(fā)現(xiàn)，低溫預處理有利于誘導花藥愈傷組織，最適宜時間因油茶品種有差異[39]。對普通油茶和小果油茶(C.meiocarpa)的花藥愈傷組織誘導顯示，其效率均達到70%以上。因此，低溫預處理可以作為花藥培養(yǎng)的橋梁物種，在其他物種的實驗研究中也可以應用[39]。

2.2 高溫脅迫

油茶在持續(xù)高溫無降水條件下，生長會受到抑制，不同品種間因高溫灼傷程度差異明顯[34,37,40]。半致死溫度在52.0～55.2℃[34]。高溫脅迫導致葉片中的可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量、相對電導率、MDA含量和SOD活性均顯著升高，且不同油茶品種間存在顯著的耐熱性差異[34,41]。相對電導率和MDA含量呈顯著正相關(guān)，脯氨酸含量和POD活性呈顯著正相關(guān)[42]。油茶葉片細胞傷害曲線呈現(xiàn)“慢-快-慢”的趨勢[37]。研究顯示，葉片相對電導率、MDA含量和SOD活性可以作為評價油茶耐熱性的重要指標[41]，為以后油茶培育耐熱品種選育提供依據(jù)。確定油茶低溫和高溫的半致死溫度可為油茶引種提供理論依據(jù)[38]。

3 營養(yǎng)脅迫

3.1 低磷脅迫

不同油茶無性系間耐低磷脅迫差異顯著[43-44]，在低磷脅迫下，油茶能較好地利用土壤中的難溶性磷，且有效重復利用自身體內(nèi)的有機磷來應對低磷環(huán)境，有良好的耐低磷脅迫能力[43-44]。隨著磷濃度的降低，油茶生物量、氮磷吸收效率減少，但利用效果增強[43]。不同磷水平下，最大光化學效率Fv/Fm值的變化趨勢不明顯[45]。SOD、POD、CAT、APase酶活性及MDA濃度因不同油茶品種存在明顯差異[46]。凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、光合色素含量及RuBP羧化酶活性在不同磷濃度水平上存在差異[47]。研究顯示，這是因為根系中CoALMT基因參與了油茶對低磷的響應機制，可能影響油茶的磷吸收與利用效率，而CoALMT基因在油茶莖、葉中的表達與根有差異[48]。此外，氮與磷、磷與水互作有明顯耦合效應[49]。

3.2 鋁脅迫

鋁脅迫最初作用部位是根，被作為衡量脅迫的重要參數(shù)[50]。不同濃度鋁脅迫對油茶根際與非根際土壤微生物數(shù)量存在顯著差異。研究顯示，高、中濃度的鋁脅迫使土壤根際和非根際土壤酶的活性受到明顯抑制，抑制效應與Al3+的濃度呈顯著正相關(guān)[51]。不同油茶耐鋁性雖存在差異，但SOD活性呈下降趨勢，POD、CAT活性先升高后降低[52]。低濃度鋁能促進油茶幼苗的光合作用，而高濃度鋁可抑制光合作用[53]，研究顯示，類胡蘿卜素在高鋁和低磷脅迫下具有光保護作用[54]，磷在一定程度上可緩解鋁脅迫對實際光合效率、最大光合效率的抑制作用[55]。磷含量的增加，使受鋁毒危害的油茶根冠比、根系總長度、表面積、體積、平均直徑呈上升趨勢。研究顯示，磷濃度的變化會使油茶苗調(diào)整根系形態(tài)以適應鋁毒環(huán)境，可緩解鋁毒危害[56]。

4 光照脅迫

弱光脅迫促使油茶更為有效地利用葉綠素和類胡蘿卜素優(yōu)先合成葉綠素[57]。弱光會使油茶葉片組織發(fā)生變化，如變大變薄、根生物量比和根冠比降低等[58-60]。Pn日變化在弱光脅迫下呈“雙峰”和“單峰”曲線2種形式。何小燕[59]研究顯示，弱光是影響凈光合作用的主要因素。隨著光照的不斷增強，熒光參數(shù)Fo、Fm、ETR不斷上升，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo下降[60]。通過調(diào)節(jié)光照處理可有效促進油茶的生長，研究顯示，30%的遮蔭處理可有效伸長油茶新梢[54]，60%～90%的遮蔭處理使葉片利用弱光進行光合作用的能力增強[44]。因此，控制最適光強對油茶幼苗生長較為有利[43]。

5 脅迫分子調(diào)控基因

在對野生油茶低溫處理的實驗中發(fā)現(xiàn)了低溫表達差異基因DEGs，大多數(shù)DEGs在不同緯度野生油茶間存在遺傳差異，這種基因可能參與了跨膜轉(zhuǎn)運體活動[61]。研究也顯示，基因DEGs與干旱脅迫和轉(zhuǎn)錄相關(guān)的代謝有關(guān)，應進一步研究[7]。Yang等[62]研究發(fā)現(xiàn)，unigenes(DEUs)會在干旱脅迫的不同階段發(fā)生差異，這為油茶應對干旱脅迫提供了科學依據(jù)。而Co-rbcL和Co-rbcS可用來評價油茶品種對干旱和熱脅迫的反應，Rubisco活化酶可用于評價補水后的恢復情況[63]。

6 展望

目前，已有較多關(guān)于油茶干旱、溫度、光照、低磷等因子脅迫和響應機制的研究，取得了一定的成果，并對油茶研究和生產(chǎn)實際起到較好的效果。但研究主要集中在油茶生長、生理生化以及油茶品種間的差異上，綜合學者研究的成果，筆者認為今后在以下方面有較大的研究空間。

（1）油茶脅迫因子的研究多集中在幼林，對成林油茶研究較少，應進一步研究成林油茶脅迫因子的響應機制，探討油茶不同發(fā)育階段各項指標間的差異。此外，加強人工輔助措施研究，多措施緩解脅迫因子對油茶的影響，為生產(chǎn)實踐提供技術(shù)支撐。

（2）開展油茶品種間的抗性差異研究，針對不同地區(qū)的溫度、水文、光照等差異，培育適宜本地區(qū)栽培的油茶品種。目前，木本植物的脅迫因子主要集中在耐旱等方向[64-66]，但也有較少研究涉及鹽脅迫對油茶的影響，隨著土壤鹽漬化的不斷嚴重，今后可在此方面進行一些探討性研究。

（3）目前，脅迫因子對油茶的影響多為單因子脅迫研究，應開展油茶多因子協(xié)同耦合機制及模擬不同因子間的變動趨勢，揭示油茶生長過程中因子需求規(guī)律。

（4）研究顯示，油茶耐錳能力較強[67]，可針對該樹種在尾礦山、水污染等生態(tài)修復方面開展相關(guān)研究。

（5）關(guān)于油茶脅迫因子調(diào)控基因機制方面的研究依然較少，未能從遺傳機理上對其響應機制進行深入研究，脅迫調(diào)控基因未能精確篩選。目前對低溫脅迫研究多集中在單一組學或2個組學，僅能在單一水平顯示低溫調(diào)控網(wǎng)絡[68]，應結(jié)合多組學技術(shù)開展研究，進一步揭示脅迫功能基因[69-70]。