低溫和干旱脅迫下牧草的抗逆性機制

韓福松, 余成群, 付 剛*, 彭 依

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，拉薩農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站，北京 100101；2.湘潭市雨湖區(qū)鶴嶺鎮(zhèn)燒湯河學(xué)校，湖南 湘潭 411100)

低溫和干旱是抑制牧草生長、降低牧草產(chǎn)量和品質(zhì)的兩個非生物脅迫因子。三基點溫度(最低溫度、最適溫度和最高溫度)是牧草生長發(fā)育最基本的溫度指標(biāo)，當(dāng)環(huán)境溫度低于牧草生長發(fā)育所需的最低溫度閾值時，牧草種子萌發(fā)、幼苗生長和營養(yǎng)物質(zhì)分配等都會受到不同程度的影響，從而造成牧草產(chǎn)量下降、甚至造成牧草死亡[1-2]。干旱尤其是極端干旱則是制約牧草規(guī)?；ㄖ埠涂茖W(xué)高效生產(chǎn)等的另外一個非常重要的非生物脅迫因子[3-4]。牧草生長發(fā)育過程中，干旱尤其是極端干旱的氣候條件會造成牧草嚴重減產(chǎn)甚至死亡[3-9]。近年來由于氣溫逐漸變暖、水資源缺乏越來越嚴重等因素，各地旱情頻繁發(fā)生，牧草的生長發(fā)育受到干旱限制的現(xiàn)象也越來越普遍[10]。因此，探討低溫和干旱對牧草生長及其產(chǎn)量等的影響規(guī)律及其調(diào)控機制，對尋找提高牧草的抗逆性、保障牧草高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)等有效措施都具有非常重要的理論意義和實踐價值。目前，有關(guān)低溫和干旱脅迫下牧草抗逆性機制方面的研究已取得了一系列進展，在此本文對其進行了綜述。

1 低溫和干旱脅迫對牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

牧草形成的抗逆性形態(tài)結(jié)構(gòu)能夠直觀地反映牧草受脅迫的程度，綜合評價牧草的抗寒性和抗旱性需要深入研究低溫和干旱脅迫下牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律。因此，在牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)對低溫和干旱脅迫方面已經(jīng)開展了大量研究，并在牧草抗寒性和抗旱性的形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的鑒定和篩選、以及低溫和干旱脅迫對牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)的一般性影響規(guī)律等方面取得了一系列研究成果[11-14]，這些研究成果能夠為牧草抗逆性機制研究等提供相對直觀的具有重要參考價值的理論和實踐指導(dǎo)。

低溫和干旱脅迫條件下牧草會形成多種抗逆性形態(tài)結(jié)構(gòu)，這些形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化能很好地體現(xiàn)環(huán)境脅迫對牧草的影響或牧草對逆境的適應(yīng)能力[15-17]：(1)作為牧草生長發(fā)育的最初始階段，牧草種子萌發(fā)期往往是其最脆弱的一個生長發(fā)育階段，牧草種子萌發(fā)期對低溫和干旱脅迫等逆境條件非常敏感[7,18]。牧草種子萌發(fā)期的抗寒和抗旱能力水平直接影響著牧草的出苗、幼苗生長和草地建植等[19-21]。因此，鑒定和評價牧草種子萌發(fā)期的抗寒和抗旱能力水平具有重要的現(xiàn)實意義。牧草種子發(fā)芽率、胚根長和胚芽長等指標(biāo)是反映種子萌發(fā)特征的重要形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)[22-23]。(2)牧草葉片不僅在植物光合作用和蒸騰作用等方面發(fā)揮著極其重要的作用，而且是低溫和干旱等逆境脅迫條件下牧草最敏感的器官之一[24-26]。一般而言，牧草葉片角質(zhì)層不僅能夠有效地減少牧草體內(nèi)水分的散失，緩解水分供應(yīng)不足時牧草的萎蔫程度，而且其具有的折光性還可以避免過強的日照對牧草造成傷害；牧草葉片越厚，越可以防止水分的過分蒸騰；牧草葉片氣孔密度越大、氣孔數(shù)量越多，越利于牧草蒸騰散熱、被動吸水和光合作用氣體交換等；牧草葉片表皮毛可以通過反射強光的方式避免牧草葉片灼傷；牧草葉面積、葉片的柵欄組織、海綿組織及其比值，葉肉組織結(jié)構(gòu)緊密度、上表皮和下表皮細胞密度等也是重要的抗寒性和抗旱性形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)[4,8,17,27-30]。(3)牧草莖是其運輸補給水分和營養(yǎng)成分的重要器官[31]。牧草莖的皮層是莖中表皮與維管束之間的薄壁組織，抗旱性強的牧草莖的皮層內(nèi)往往含貯水細胞，這些貯水細胞可以調(diào)節(jié)牧草的保水能力，因此牧草莖的皮層厚度是牧草抗逆性的重要形態(tài)指標(biāo)[28]。牧草莖的維管束一般由韌皮部和木質(zhì)部組成，維管束中的導(dǎo)管直徑大小影響著莖輸送水分的有效性和抗旱能力[28,31]。(4)作為牧草吸水器官的根系不僅是最先感應(yīng)干旱等逆境脅迫從而做出相應(yīng)反應(yīng)措施的器官，而且牧草根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與牧草生理功能關(guān)系密切。根系的木質(zhì)化程度和輸導(dǎo)組織等都會影響牧草的抗逆性，因此，牧草根的形態(tài)結(jié)構(gòu)也是牧草抗逆性的重要形態(tài)結(jié)構(gòu)[15,32]。牧草根系的木質(zhì)層導(dǎo)管大小和導(dǎo)管密度等直接影響牧草根系的吸水能力[31]。

目前，有關(guān)牧草對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)方面已經(jīng)取得了一些一般性規(guī)律：(1)低溫和干旱脅迫一般會抑制牧草種子萌發(fā)、幼苗生長、株高、葉面積、葉片舒展和根長等[9,11,22,33]。(2)不同種類的牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)不同[7,30]。如干旱脅迫下苜蓿(MedicagoSativa)種子的相對發(fā)芽率/相對發(fā)芽指數(shù)都大于扁蓿豆(Medicagoruthenica)[20]；低溫脅迫下，扁穗冰草(Agropyroncristatum)的萌發(fā)率低于草原看麥娘(Alopecuruspratensis)[34]。(3)不同形態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)規(guī)律不同[7,11,13,24]。因此，通過單一的牧草生長發(fā)育的形態(tài)指標(biāo)探討牧草對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)很可能并不能科學(xué)準(zhǔn)確地反映牧草的抗逆性綜合能力大小[7,12]。為了更好地鑒定牧草的抗寒性和抗旱性，需要采用隸屬函數(shù)等方法將多個牧草生長發(fā)育形態(tài)指標(biāo)整合為一個綜合形態(tài)指標(biāo)以探討牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)規(guī)律[6,20]。(4)低溫和干旱脅迫對牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響會隨著脅迫時間的推移而發(fā)生變化[35]。如延長干旱脅迫的時間，會降低扁蓿豆葉片氣孔開放率[17]。(5)低溫和干旱脅迫對牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響會隨著脅迫程度的加劇而變化[36-37]。如扁蓿豆的葉片氣孔密度隨干旱程度增加呈倒U字形曲線[17]。干旱脅迫幅度降低可能利于牧草種子萌發(fā)，這與低幅度的干旱可能通過啟動牧草種子內(nèi)部的一些保護機制的方式降低牧草種子吸脹過程中的膜系統(tǒng)損傷以及增強膜系統(tǒng)的恢復(fù)能力有關(guān)[11]。(6)隨著牧草生長其耐低溫和抗旱能力可能會逐漸增強[6-8,13,20,38]。因此，只鑒定分析牧草某一特定時期(如種子萌發(fā)期)的形態(tài)特征的抗寒性和抗旱性并不能完全反映牧草形態(tài)結(jié)構(gòu)的抗逆性，需要從牧草種子萌發(fā)期、幼苗期甚至全生育期進行綜合評價[11-13]。

2 低溫和干旱脅迫下牧草抗逆性生理機制

牧草抗逆性生理機制是牧草響應(yīng)和適應(yīng)低溫和干旱等脅迫的重要機制之一，綜合評價牧草的抗寒性和抗旱性需要深入研究低溫和干旱脅迫下牧草的生理生化特征的響應(yīng)規(guī)律[39-43]。因此，圍繞低溫和干旱對牧草的生理生化指標(biāo)的影響規(guī)律已經(jīng)開展了一系列研究，并在牧草抗寒性和抗旱性的生理生化指標(biāo)的鑒定和篩選、以及牧草抗寒性和抗旱性生理生化機制等方面取得了豐富的研究成果[11,44-46]。

通常當(dāng)牧草未遇到環(huán)境脅迫時，牧草細胞活性氧自由基及其清除機制處于動態(tài)平衡中。低溫或干旱等脅迫會引起牧草細胞內(nèi)活性氧自由基的快速積累，從而打破牧草細胞內(nèi)原有的活性氧自由基的產(chǎn)生和清除的動態(tài)平衡狀態(tài)，進而危害牧草蛋白質(zhì)、質(zhì)膜透性以及其它細胞成分甚至造成細胞死亡等[39,56,65]。(1)低溫等逆境下種子失去萌發(fā)能力的一個很重要的原因可能是環(huán)境脅迫抑制了牧草種子細胞中相應(yīng)酶的活化，從而抑制了種子內(nèi)部一系列的生理生化反應(yīng)[66-67]。(2)低溫和干旱等脅迫主要通過氣孔限制和非氣孔限制影響光合作用[44,59]。低溫和干旱等逆境一方面可以通過破壞葉綠素的片層結(jié)構(gòu)抑制葉綠素的合成，另一方面通過加快對已經(jīng)合成葉綠素的分解影響光合作用[8,17]。(3)牧草處于低溫或干旱脅迫條件下時，牧草可以通過調(diào)控光合產(chǎn)物在根、莖和葉中的再分配方式提高其抗寒性和抗旱性[17,30,44,68]。(4)不同物種的牧草的生理生化特征對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)不同[61,65,69-71]，這可能與它們的生存環(huán)境、遺傳特性以及在低溫和干旱脅迫下的抗性形成的生理生化機制不同有關(guān)[8,66,71]。(5)不同的牧草生理生化指標(biāo)對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)規(guī)律不一致[6,65]。扁蓿豆葉片游離脯氨酸對干旱表現(xiàn)出的變化趨勢與可溶性蛋白并不相同，這可能與它們所起的作用和調(diào)節(jié)機制不同有關(guān)[72]。這說明單一的牧草生理生化指標(biāo)并不能全面解釋牧草抗寒性和抗旱性形成的生理生化機制，需要結(jié)合多個生理生化指標(biāo)綜合反映牧草的抗逆性形成的生理生化機制[14,65,70,73]。(6)牧草生理生化指標(biāo)會隨著脅迫時間的延長而發(fā)生變化，牧草葉綠素等的不可逆破壞需要經(jīng)歷長期的低溫和干旱脅迫[8,17,49,61,65]。如干旱脅迫時間與扁蓿豆幼苗葉片相對含水量呈負相關(guān)關(guān)系[72]。(7)不同程度的低溫和干旱脅迫對牧草生理生化指標(biāo)的影響規(guī)律不同[6,8,65,70,74]。如增加扁蓿豆幼苗的低溫脅迫程度，其葉片內(nèi)超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性表現(xiàn)為先升后降[56]。隨著干旱脅迫程度的增加，白草(PennisetumflaccidumGrisebach)的脯氨酸和葉綠素含量總體呈先升后降趨勢[75]。

3 低溫和干旱脅迫下牧草抗逆性分子機制

從分子生物學(xué)角度探討牧草對逆境脅迫的應(yīng)答機制是草業(yè)科學(xué)家們探索的關(guān)鍵科學(xué)問題[2,76]。低溫和干旱脅迫下，牧草抗逆性分子機制是牧草低溫和干旱脅迫下重要的內(nèi)在調(diào)控和適應(yīng)機制，綜合評價牧草的抗寒性和抗旱性需要深入研究低溫和干旱脅迫下牧草抗逆性分子機制[77-78]。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，組學(xué)(包括轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等)已經(jīng)成為研究牧草抗逆性分子機制的重要手段，從基因組到代謝組，是從上游到下游的一個調(diào)控過程，越靠近下游檢測的結(jié)果越接近逆境環(huán)境下的牧草表型[79-80]。低溫和干旱脅迫下牧草抗性基因、關(guān)鍵蛋白和酶類的鑒定和篩選等與牧草抗逆性分子機制相關(guān)的研究已經(jīng)取得了一系列研究成果，如擬南芥(Arabidopsisthaliana)和蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)等模式植物的基因組測序工作已經(jīng)完成[47,81-82]。已有研究成果不僅能夠為未來鑒定和分析適應(yīng)不利脅迫環(huán)境的候選基因提供有價值的基因資源，而且對牧草的遺傳改良等具有重要的實踐價值[82-84]。然而牧草應(yīng)答逆境脅迫的機制是復(fù)雜多樣的。當(dāng)牧草處于逆境環(huán)境時，牧草會在基因表達、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝產(chǎn)物形成等多個層次響應(yīng)，然而單一的組學(xué)研究在解釋牧草抗逆性分子機制方面的能力有限[80]。因此，今后需要加強多組學(xué)聯(lián)合分析，從多領(lǐng)域和多層面探討牧草的抗逆性分子機制，對從整體上認知牧草逆境脅迫的應(yīng)答機制以及為提高牧草的抗逆性提供理論依據(jù)。

為了抵御和適應(yīng)低溫和干旱等逆境環(huán)境條件，牧草形成了涉及多基因和多信號途徑的應(yīng)答反應(yīng)機制[64,79,84-85]。在分子水平上，牧草的抗寒和抗旱能力表現(xiàn)為牧草對低溫和干旱脅迫產(chǎn)生迅速應(yīng)答、低溫和干旱信號在牧草體內(nèi)的轉(zhuǎn)導(dǎo)、應(yīng)答和抵御基因的表達的綜合作用[47,86]。逆境脅迫下信號傳導(dǎo)過程一般可以分為信號感知、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、響應(yīng)基因的表達以及生理生化和形態(tài)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的激活等[84,86]。上游低溫和干旱脅迫信號的感知及其轉(zhuǎn)導(dǎo)等是開啟/關(guān)閉轉(zhuǎn)錄調(diào)控的誘導(dǎo)因子[63-64]。Ca2+、脫落酸和促分裂原活化蛋白激酶級聯(lián)信號通路等是調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的重要信號途徑[47,84-87]。具體表現(xiàn)如下：(1)低溫和干旱脅迫會促使牧草細胞內(nèi)Ca2+的迅速增加，從而開啟Ca2+依賴的脅迫響應(yīng)信號通路，進而調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達[83-84,88]。(2)脫落酸在干旱等脅迫的誘導(dǎo)下在細胞中積累，并與脫落酸受體PYR/PYL/RCAR結(jié)合形成ABA-PYR/PYL/RCAR復(fù)合體，該復(fù)合體可以降低蛋白磷酸酶2C的活性并釋放蔗糖非酵解蛋白激酶2，從而通過磷酸化對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)下游的脫落酸功能基因的表達，并最終引起氣孔關(guān)閉[84]。(3)干旱脅迫抑制了干草根細胞壁中天冬酰胺酰內(nèi)肽酶等的基因表達，而促進了干草根中乙烯、細胞分裂素和脫落酸等的生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而提高了干草適應(yīng)干旱脅迫的能力[89]。(4)隨著干旱脅迫時間的推移，響應(yīng)干旱脅迫的ABC轉(zhuǎn)運蛋白的種類及其響應(yīng)幅度都不同[90]。

3.1 表觀遺傳學(xué)

越來越多的研究從表觀遺傳學(xué)角度探討了低溫和干旱脅迫等逆境下牧草抗逆性分子機制，表觀遺傳學(xué)是以DNA甲基化和組蛋白修飾為主的染色質(zhì)修飾影響基因的轉(zhuǎn)錄功能，同時非編碼RNA修飾和RNA甲基化影響mRNA翻譯為蛋白質(zhì)的能力，進而促使植物表型產(chǎn)生變化。在低溫和干旱等脅迫下，牧草通過改變甲基化程度影響DNA甲基化狀態(tài)、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和相關(guān)基因的表達，進而調(diào)控牧草對逆境脅迫的響應(yīng)[91]。與空白對照組相比，扁蓿豆在低溫或干旱脅迫處理下的MrMET1和MrDRM2基因表達量發(fā)生了變化，且隨著低溫或干旱脅迫累計時間的延長而發(fā)生變化[91]。干旱脅迫幅度越大，老芒麥(Elymussibiricu)基因組DNA甲基化水平越高[92]，多年生黑麥草(Loliumperenne)甲基化水平則下降[93]。低溫脅迫會提高紫花苜?；蚪MDNA甲基化水平[94]。Ding等[95]研究發(fā)現(xiàn)三胸蛋白調(diào)控著干旱脅迫下擬南芥的響應(yīng)。

3.2 轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)

伴隨著轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)(RNA-Seq)等相關(guān)技術(shù)的誕生和發(fā)展，目前已經(jīng)從牧草中篩選出大量的參與低溫和干旱脅迫應(yīng)答的基因[47,64,76,81,87-88,91,96-98]，這些基因一般可以分為功能基因和調(diào)節(jié)基因兩類[84]。逆境脅迫應(yīng)答功能基因通過編碼各種重要的酶和代謝蛋白(如水通道和離子轉(zhuǎn)運蛋白等)直接保護細胞免受逆境脅迫的傷害[84]。逆境脅迫應(yīng)答調(diào)節(jié)基因通過編碼各種調(diào)節(jié)蛋白(包括轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶和蛋白磷酸酶)調(diào)節(jié)逆境脅迫反應(yīng)中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達[83-84]。其中蛋白激酶通過逐級磷酸化激活下游的轉(zhuǎn)錄因子，從而啟動相關(guān)基因的表達。當(dāng)處于低溫和干旱脅迫條件下，牧草會通過一系列信號途徑激活轉(zhuǎn)錄因子，被激活的轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控一系列相關(guān)抗逆功能基因或其他轉(zhuǎn)錄因子的表達，從而提高牧草的抗寒性和抗旱性[64]。轉(zhuǎn)錄因子還可以通過調(diào)節(jié)各種生化代謝途徑調(diào)控植物對低溫和干旱脅迫的響應(yīng)[84]。雖然單個轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控(激活、抑制)大量下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，但是單一的靶基因又受到不同的轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，因此，在植物逆境脅迫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，轉(zhuǎn)錄因子間的串?dāng)_現(xiàn)象普遍存在[83-84]。典型的轉(zhuǎn)錄因子一般由DNA結(jié)合域(DNA-bindingdomain)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控域(transcription-regulation domain)、寡聚化位點(oligomerization site)和核定位信號區(qū)(nuclear localization signal)等功能域組成[85]。轉(zhuǎn)錄因子可分為AP2/ERF,bHLH,MYB和WRKY等家族[84-85]。如(1)作為植物特有的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子通過依賴或不依賴于激素信號途徑在牧草響應(yīng)低溫和干旱脅迫過程中發(fā)揮重要作用[63-64]。AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子包括DREB和ERF等5個亞家族[63,85]。(2)bHLH轉(zhuǎn)錄因子通常與E-Box順式作用元件組合，進而調(diào)控下游基因的表達[83,99]。(3)MYB是調(diào)控植物對環(huán)境脅迫的重要成員[100-101]。作為一個含有約52個氨基酸的區(qū)域，MYB結(jié)構(gòu)域可以形成螺旋-環(huán)-螺旋構(gòu)象，進而與特定的DNA結(jié)合[102]。雖然植物中的MYB轉(zhuǎn)錄因子一般可能含有1至4個MYB DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，然而最常見的是R2R3類轉(zhuǎn)錄因子(其含有兩個MYB DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域)[102-103]。作為R2R3-MYB家族的轉(zhuǎn)錄因子成員，MYB15能夠與MYB識別的CBFs啟動子區(qū)域結(jié)合，從而抑制CBFs的表達，降低植物的抗寒性[47,83]。(4)WRKY轉(zhuǎn)錄因子具有特殊的七肽保守序列WRKYGOK[104]。根據(jù)結(jié)構(gòu)域數(shù)量和鋅指結(jié)構(gòu)特征，WRKY轉(zhuǎn)錄因子可劃分為三類：第一類含2個WRKY結(jié)構(gòu)域；第二類含有1個WRKY結(jié)構(gòu)域且鋅指結(jié)構(gòu)為C2H2型；而第三類含1個WRKY結(jié)構(gòu)域且鋅指結(jié)構(gòu)為C2HC型[83]。WRKY轉(zhuǎn)錄因子主要通過特異性與啟動子區(qū)域的W-box結(jié)合，從而調(diào)控靶標(biāo)基因的表達、參與植物響應(yīng)低溫和干旱脅迫的信號通路，并可以與多種蛋白發(fā)生相互作用從而實現(xiàn)WRKY轉(zhuǎn)錄因子在低溫和干旱信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的功能[83,104]。任永娟等[104]指出WRKY轉(zhuǎn)錄因子主要是通過調(diào)控非生物脅迫響應(yīng)相關(guān)基因、抗逆信號通路基因和自身基因的表達，調(diào)控ABA等信號途徑，與其他蛋白互作以及參與植物生理過程實現(xiàn)調(diào)控植物對非生物的脅迫。(5)干旱脅迫對大多數(shù)NAC轉(zhuǎn)錄因子都有影響[84]。許多NAC轉(zhuǎn)錄因子都是干旱脅迫條件下脫落酸信號通路中的重要參與者。

3.3 蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)是系統(tǒng)研究各種不同時空、環(huán)境條件下由生物體基因組、細胞或組織表達的所有蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和功能等的學(xué)科[82]。低溫和干旱脅迫都會引起牧草體內(nèi)的生理生化和基因表達等方面的系列變化，從而造成蛋白質(zhì)水平的差異表達，即牧草的大量蛋白質(zhì)特異性表達以應(yīng)對低溫和干旱脅迫過程[105]。牧草體內(nèi)的光合作用相關(guān)蛋白、脫水蛋白和營養(yǎng)貯藏蛋白等的積累在調(diào)節(jié)低溫脅迫下牧草的響應(yīng)方面具有關(guān)鍵作用[82,106]。分子伴侶蛋白和熱休克蛋白(HSP60，HSP70和HSP90)都參與維持蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性[107-109]，組織蛋白酶B、半胱氨酸蛋白酶、脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白和水通道蛋白都參與水解和跨膜運輸，谷胱甘肽磷脂氫過氧化物酶、過氧化物酶、脫氫抗壞血酸還原酶和單脫氫抗壞血酸還原酶的活性都參與活性氧清除[107-108,110]，這些蛋白都是響應(yīng)干旱脅迫的重要蛋白。如干旱脅迫通過降低苜蓿RuBisCO含量以及限制固氮酶的激活與再生的方式對苜蓿光合作用產(chǎn)生抑制作用[111]。

3.4 代謝組學(xué)

代謝組學(xué)(Metabolomics或Metabonomics)是定性和定量分析生物或細胞全部低分子量代謝產(chǎn)物的合成、分解和轉(zhuǎn)化規(guī)律等的學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，在揭示植物生命活動規(guī)律方面發(fā)揮著越來越重要的作用[80]。牧草代謝產(chǎn)物作為牧草基因轉(zhuǎn)錄與蛋白修飾的最終產(chǎn)物，更接近牧草的表型，對其進行研究可以揭示低溫和干旱等脅迫條件下牧草的抗逆性分子機制[79-80,112]。代謝組主要可以分為靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)[112]。靶向代謝組雖然可以針對單個或少量目標(biāo)代謝產(chǎn)物進行檢測，但是可檢測的通量相對較低。非靶向代謝組可以在對整個代謝組進行系統(tǒng)和全面分析的基礎(chǔ)上獲取大量代謝產(chǎn)物數(shù)據(jù)，從而找出差異表達代謝產(chǎn)物的一種方法。牧草可以通過不同代謝途徑減少逆境影響，包括代謝靶標(biāo)、氨基酸代謝以及碳水化合物類(糖類)代謝等[113]。其中碳水化合物(糖類)作為牧草生命活動的基礎(chǔ)物質(zhì)，是牧草抗逆代謝的基礎(chǔ)。氨基酸不僅可以協(xié)助牧草響應(yīng)逆境脅迫，而且是很多重要代謝產(chǎn)物的合成源[113]。

3.5 基因組學(xué)

基因組學(xué)(Genomics)是通過高通量測序技術(shù)(如宏基因測序等)對牧草進行全部/部分基因組測序等的學(xué)科，已歷經(jīng)一代、二代和三代測序。紫花苜蓿、蒺藜苜蓿等牧草基因組的破譯(尤其是抗旱、抗寒基因的破譯)[47,81-82]對于牧草抗旱/抗寒的分子機制的進一步深入研究、抗旱/抗寒轉(zhuǎn)基因牧草的研發(fā)等都具有極其重要的指導(dǎo)意義。隨著科學(xué)技術(shù)的高速高質(zhì)量發(fā)展，未來通過基因組學(xué)技術(shù)，可以大大提高牧草抗逆性。如高璇等發(fā)現(xiàn)橡膠草(Taraxacumkok-saghyz)的TkAPX3基因很可能是低溫和干旱脅迫下的抗逆性基因[114]。舒必超等發(fā)現(xiàn)了低溫脅迫下狗牙根(Cynodondactylon)的耐旱基因(CBF1,COR,LEA)[97]。

4 問題與展望

寒旱區(qū)是我國重要的牧業(yè)基地，這些區(qū)域牧草生長長期面臨低溫和干旱的雙重脅迫。盡管當(dāng)前針對牧草抗寒、抗旱機制的研究成果較為豐富，但是各個研究相對獨立，且寒旱區(qū)牧草對全球變化的響應(yīng)與適應(yīng)的相關(guān)研究相對較少。因此，未來應(yīng)加強以下三個方面的研究：(1)加強牧草形態(tài)、生理生化和分子生物學(xué)的系統(tǒng)性綜合抗逆性研究；(2)結(jié)合全球氣候變化特征，研究寒旱區(qū)牧草對全球氣候變化的響應(yīng)、適應(yīng)和反饋機制；(3)優(yōu)選主栽牧草，開展全球變化背景下主栽牧草的系統(tǒng)性抗逆性試驗研究。這些研究將有利于更加全面認識牧草抗逆性機制長期動態(tài)變化規(guī)律，從而為篩選適宜寒旱區(qū)的優(yōu)良牧草品種提供科技保障，并最終為我國寒旱區(qū)草牧業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供科技支撐。