植物激素在茶樹應(yīng)對非生物逆境中的作用研究進展

李夢菡，吉艷艷，張麗平，葛詩蓓，韓文炎，李鑫*

1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，浙江 杭州 310008；2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽 合肥 230036

茶是世界上消費最廣泛的無酒精飲料[1-3]。茶樹（Camellia sinensis）是多年生常綠木本作物，分布在熱帶、溫帶地區(qū)[4-5]。在茶樹種植和生長發(fā)育過程中，經(jīng)常遭受低溫、高溫、干旱等非生物逆境的影響，逆境脅迫導(dǎo)致的氧化脅迫會嚴重影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[3,5-6]。非生物逆境會改變植物體內(nèi)激素的含量，并通過局部和遠距離信號分子以及與關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子互作，提高植物的抗逆性[7-8]。

目前，茶葉生產(chǎn)中常見的非生物逆境主要包括干旱脅迫、鹽脅迫、滲透脅迫、重金屬脅迫和溫度脅迫等。其中，低溫是限制茶樹生長、生存和地理分布的重要環(huán)境因子之一[1]。當茶樹遭受低溫逆境（包括寒凍和霜凍）時，茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)均會顯著降低，尤其是早春霜凍會影響茶芽發(fā)育，導(dǎo)致茶葉大量減產(chǎn)，帶來重大經(jīng)濟損失[9]。在冷馴化過程中，茶樹的耐寒性隨溫度的降低而增強，隨溫度的升高而降低。冷馴化過程由一系列激素互作、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控等共同構(gòu)成了復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)[1]。此外，由于全球氣候變化和日益嚴重的水資源短缺，干旱脅迫成為限制植物生長、產(chǎn)量和分布的主要因素[10-11]。目前，干旱已成為肯尼亞等茶葉主產(chǎn)區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵制約因子[12]。干旱和鹽脅迫是植物滲透脅迫的主要類型，植物在遭受滲透脅迫時，細胞正?；顒邮艿綋p害，嚴重時可導(dǎo)致植株死亡[13]。

本文對植物激素參與調(diào)控茶樹非生物逆境響應(yīng)與調(diào)控過程進行綜述，重點介紹了植物激素及其關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的互作調(diào)控機制，并詳細闡述了植物激素在茶樹應(yīng)對不同非生物逆境中的作用，討論了在非生物逆境條件下，植物激素介導(dǎo)的茶樹生理響應(yīng)及其調(diào)控機制。

1 植物激素及其關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子在植物應(yīng)對非生物逆境中的作用

1.1 植物激素在植物應(yīng)對非生物逆境中的作用

在非生物逆境條件下，植物地上部的游離生長素（Auxin）含量會顯著降低，并通過抑制生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控自身生長發(fā)育以適應(yīng)逆境條件[14]。細胞分裂素（CKs）是植物響應(yīng)脅迫中的負調(diào)控因子，對提高作物生產(chǎn)力和增強植物抗逆性具有重要作用。研究表明，細胞分裂素氧化酶CKX基因的過表達或IPT 生物合成基因失活引起的內(nèi)源性CK水平降低，增強了植物對鹽脅迫和干旱脅迫的耐受性[15]。干旱脅迫會導(dǎo)致CK 水平下降，而CK合成受抑能誘導(dǎo)脯氨酸含量增加，從而減緩葉片衰老，提高植物在干旱逆境條件下的存活率[16]。

油菜素內(nèi)酯（BRs）可以增強植物抵抗多種非生物脅迫的能力[17]，外源施用BR可以誘導(dǎo)抗逆性相關(guān)基因的表達上調(diào)，增加植物滲透保護劑的積累，提高抗氧化酶活性，促進植物的光合作用，并誘導(dǎo)其他植物激素的響應(yīng)以提高植物的抗逆性[16]。研究發(fā)現(xiàn)，外源噴施BR可以通過提高抗氧化酶活性來增強植物對鎳、鎘、銅脅迫的抗性[18]。

赤霉素（GA）也參與了植物非生物脅迫響應(yīng)過程，GA含量的降低和相關(guān)信號途徑受到抑制將導(dǎo)致植物在多種脅迫中（如冷、鹽和滲透脅迫）生長受限[19]。研發(fā)表明，抑制GA信號以及內(nèi)源生長素含量的降低，能夠提高植物對干旱脅迫的耐受性[8]。GA 參與調(diào)控植物對非生物逆境響應(yīng)與DELLAs 蛋白密切相關(guān)，DELLA 蛋白作為調(diào)節(jié)樞紐，可在非生物逆境條件下調(diào)控植物生長發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，外源施用GA3后，DELLA 蛋白緩解了非生物逆境對種子發(fā)芽和幼苗生長的抑制作用[20]。張春雨等[21]綜述了GA主要通過維持植物生物量、增強抗氧化作用、修復(fù)光合系統(tǒng)、隔化重金屬區(qū)和信號傳遞等來增強植物對重金屬的耐受性，此外還能通過DELLA蛋白、氣體信號分子和miRNAs與其他植物激素發(fā)生交叉反應(yīng)，進而調(diào)節(jié)植物對重金屬脅迫的耐受性。

茉莉酸（JAs）是激活植物生物脅迫響應(yīng)的重要信號[22]，同時JA 在非生物脅迫中也發(fā)揮著與脫落酸（ABA）相似的作用，在調(diào)節(jié)根系水分吸收和轉(zhuǎn)運方面發(fā)揮了重要功能，有助于植物在有限水分條件下從土壤中吸收水分，例如氣孔關(guān)閉和抗氧化酶的活性，以確保植物適應(yīng)有限的水分條件[8,23]。外源JA處理可以減少鹽脅迫引起的光系統(tǒng)PSII 反應(yīng)中心的損傷，保證碳同化反應(yīng)的正?；跃徑恹}脅迫造成的氧化脅迫[24]。

水楊酸（SA）在植物應(yīng)對高溫等非生物逆境中發(fā)揮著重要作用。Khan 等[25]報道，高溫脅迫下施用外源SA能增加脯氨酸的積累并限制高溫誘導(dǎo)的乙烯生成，以提高植物對高溫的抗性。此外，高溫脅迫下，ABA通過調(diào)控小熱休克蛋白sHSP26的基因表達保護了葉綠體中部分蛋白質(zhì)的功能，從而提高了植物的耐熱性[26]。

乙烯（ET）主要通過限制植物的生長以增強植物對非生物逆境的耐受性[7]。相關(guān)研究表明，ET 通路能正向或負向調(diào)控植物對鹽脅迫的耐受性，而在高溫脅迫下外源SA能通過限制ETH生成來減輕高溫對植物生長的脅迫[27]。近年來的研究還發(fā)現(xiàn)，新型植物激素獨腳金內(nèi)酯（SLs）在植物干旱、鹽脅迫、營養(yǎng)缺乏等脅迫中均發(fā)揮著關(guān)鍵作用[28-29]，并且能夠通過與ABA、吲哚乙酸（IAA）、CKs、GAs等激素信號途徑互作響應(yīng)提高植物對非生物逆境的抗性。

1.2 植物激素互作在植物應(yīng)對非生物逆境中的作用

不同植物激素之間的互作可以在激素的生物合成或信號傳導(dǎo)水平上通過協(xié)同或拮抗關(guān)系調(diào)控植物的防御反應(yīng)[30-31]，形成植物激素互作調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而誘導(dǎo)植物對逆境的生理適應(yīng)[31]。其中，ABA 在植物應(yīng)對非生物逆境響應(yīng)過程中具有關(guān)鍵作用，能與多種植物激素互作，是逆境響應(yīng)的主要核心元件[32]。

ABA 與ET 具有拮抗作用。研究表明，外源ET能夠迅速激活馬鈴薯塊莖中ABA分解代謝相關(guān)基因表達[33]，而ABA則通過抑制ET生物合成基因來影響ET 的水平[34]。ABA 和JA 信號通路的拮抗作用能誘導(dǎo)植物防御和逆境響應(yīng)相關(guān)基因的表達，以應(yīng)對多種逆境脅迫[35]。研究發(fā)現(xiàn)，ABA 處理可以抑制JA誘導(dǎo)的防御反應(yīng)，而ABA合成基因ABA1和ABA2的突變則導(dǎo)致JA 誘導(dǎo)的逆境應(yīng)答基因的表達上調(diào)[34]。鹽脅迫通過ABA 途徑關(guān)閉氣孔來限制植物的生長，抑制葉片中JA 代謝途徑，從而將能量從基礎(chǔ)代謝轉(zhuǎn)移到逆境脅迫適應(yīng)中[36]。ABA 和IAA 的互作，對于調(diào)節(jié)植物的氣孔閉合和側(cè)根形成具有重要作用[8]。ABA和CK在脅迫條件下通常以拮抗的方式發(fā)生互作[7-8]。在滲透脅迫下，細胞分裂素受體激酶AHK2 和AHK3 負調(diào)控ABA 和滲透脅迫響應(yīng)基因的表達，CK 的缺失突變體在滲透脅迫條件下具有更高的存活率[34]。

此外，ABA 與SLs 之間具有反饋調(diào)節(jié)機制[37]，SLs 可作為氣孔運動的調(diào)控因子，與ABA共同調(diào)節(jié)水分脅迫下葉片的氣孔關(guān)閉[38]。SLs會影響干旱下氣孔對ABA 的敏感性，許多植物SLs 合成缺陷和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體的氣孔閉合對ABA敏感性下降[31]，而低水平的SLs可能作為一種應(yīng)激信號被傳遞至葉片，引起局部SLs 的合成能力增強，顯著提高氣孔對ABA的敏感性，從而提升植株對干旱脅迫的耐受性[39]。此外，ABA、JAs、ET 等協(xié)同參與了氣孔運動的調(diào)節(jié)[39]。

BRs 與ET、JA、ABA 和SA 信號傳導(dǎo)途徑在高溫和鹽脅迫環(huán)境下具有互作作用[40]。研究表明，在擬南芥的逆境防御反應(yīng)中SA與IAA發(fā)生互作，外源施用SA 會抑制植物生長素途徑相關(guān)基因，并調(diào)控擬南芥中Aux/IAA 蛋白的表達，抑制植物生長素的應(yīng)答途徑。GA 和SA 共同參與了多種非生物逆境的調(diào)控，其中DELLA蛋白在植物防御機制中是GA 和SA 互作的重要元件，并能通過上調(diào)SA 的生物合成來增加SA 含量及增強植物對非生物逆境的適應(yīng)性[20]。蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析表明，JA 和SA 在氧化應(yīng)激脅迫下上調(diào)了逆境響應(yīng)相關(guān)蛋白的合成[20]。在JA 和ET 互作中，JAZ 蛋白、CTR1、MYC2 轉(zhuǎn)錄因子，EIN2、EIN3和AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子基因家族的相關(guān)成員在植物對非生物逆境的適應(yīng)過程中均發(fā)揮了重要的調(diào)控作用[41]。

1.3 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子在植物應(yīng)對非生物逆境中的作用

WRKY 是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，廣泛參與了植物對激素及各種逆境脅迫的響應(yīng)[42]。在逆境條件下WRKY 轉(zhuǎn)錄因子被誘導(dǎo)，觸發(fā)信號級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進而通過直接調(diào)控非生物逆境響應(yīng)相關(guān)基因、抗逆信號通路基因和自身基因的表達，或與其他蛋白互作，調(diào)控ABA 等信號途徑，來參與植物逆境生理響應(yīng)過程，啟動植物對非生物逆境的防御機制[42-43]。絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑也受到多種非生物逆境的誘導(dǎo)，并在調(diào)控植物的脅迫耐受性中發(fā)揮關(guān)鍵作用[28]。堿性亮氨酸拉鏈蛋白轉(zhuǎn)錄因子（bZIP） 家族的AREB/ABF基因是在擬南芥中發(fā)現(xiàn)的賦予植物非生物脅迫耐受性的重要轉(zhuǎn)錄因子之一[44-45]，在擬南芥和其他天然鹽生植物中，bZIP24 是細胞質(zhì)離子穩(wěn)態(tài)和滲透調(diào)節(jié)的關(guān)鍵調(diào)控因子[46]。

AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子通過與響應(yīng)脅迫的順式作用元件特異性結(jié)合并激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。近年來，利用轉(zhuǎn)錄組技術(shù)在茶樹中共鑒定到89個AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子[47]。CBF 是AP2/EREBP 家族的成員，對茶樹進行低溫、ABA 和干旱處理均能誘導(dǎo)CsCBF3的表達[48]。DRE/CRT 順式作用元件是AP2/ERF 的主要結(jié)合元件，DREB1/CBF 和DREB2亞群通過逆境誘導(dǎo)型基因啟動子中的DRE/CRT 序列調(diào)控基因集的表達，在提高植物脅迫耐受性中發(fā)揮關(guān)鍵作用[49]。

鈣離子傳感器被認為是植物響應(yīng)非生物和生物逆境的重要元件，包括鈣調(diào)蛋白（CaMs）或鈣調(diào)蛋白樣蛋白（CMLs）、鈣依賴蛋白激酶（CPKs）等[50]。部分鈣離子傳感器如AtCML37、AtCML42和AtCML9等參與了JA、ABA 信號途徑，并且以核心樞紐的方式發(fā)揮了關(guān)鍵作用[50-52]。

2 植物激素和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子在茶樹非生物逆境中的調(diào)控作用

2.1 在茶樹響應(yīng)干旱脅迫中的調(diào)控作用

干旱是茶樹在生長發(fā)育過程中常見的非生物逆境。ABA 在茶樹應(yīng)對干旱脅迫的響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，通過改善蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運、碳代謝和相關(guān)抗性蛋白的表達來調(diào)控茶樹的抗旱性[53]。干旱脅迫誘導(dǎo)茶樹中ABA 生物合成相關(guān)基因的上調(diào)表達，從而誘導(dǎo)活性氧（ROS）、一氧化氮（NO）和Ca2+等第二信使發(fā)揮作用，進一步影響靶向離子通道的蛋白激酶/磷酸酶的活性，最終導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，防止水分流失[5,54]。

此外，陳博雯等[53]探討了干旱脅迫下茶樹內(nèi)源激素動態(tài)變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫發(fā)生后茶樹內(nèi)源ABA 含量顯著升高，而玉米素（ZR）、GA3、IAA則整體呈下降趨勢。Li等[55]研究也發(fā)現(xiàn)，ABA、GA3含量在脅迫前期顯著降低而在脅迫12 h后逐漸升高，且ABA水平在脅迫2 h時最低，而IAA、BR含量呈先增加后減少的趨勢。

2.2 在茶樹響應(yīng)鹽脅迫中的調(diào)控作用

茶樹對鹽脅迫較為敏感，Wan 等[56]利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析了茶樹響應(yīng)鹽脅迫的分子機制。研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，ABA 信號通路、Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和MAPK級聯(lián)反應(yīng)等差異表達基因（DEGs）參與茶樹對鹽脅迫的逆境應(yīng)答，其中多數(shù)DEGs也是茶樹耐鹽相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和關(guān)鍵功能蛋白，這些基因構(gòu)成了茶樹應(yīng)對鹽脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。周旋等[57]發(fā)現(xiàn)外源噴施SA能顯著增加鹽脅迫下茶葉的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，改善茶樹的滲透調(diào)節(jié)和抗氧化能力，增強細胞膜穩(wěn)定性，減輕鹽脅迫的危害。然而，目前關(guān)于茶樹應(yīng)對鹽脅迫的研究較少，仍有待進一步的研究。

2.3 在茶樹響應(yīng)溫度脅迫中的調(diào)控作用

2.3.1 對茶樹低溫抗性的調(diào)控

低溫脅迫會造成茶樹低溫冷害或霜凍災(zāi)害，尤其是春季茶樹生長期間，經(jīng)常遭遇“倒春寒”天氣的影響，造成茶樹芽葉生長受阻[58]。王瑩等[59]對低溫脅迫下貴州云霧貢茶內(nèi)源植物激素的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)ABA等生長抑制類激素明顯增加，而IAA、GA 等促進茶樹生長相關(guān)激素降低，這表明茶樹通過調(diào)節(jié)植物激素平衡來應(yīng)對低溫脅迫。

李磊等[60]發(fā)現(xiàn)適量的外源ABA 能通過提升茶樹葉片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及抗氧化酶活性來提高茶樹的抗冷性。陳娟等[61]通過對低溫脅迫后的茶樹噴施6-BA，發(fā)現(xiàn)能有效提高茶樹光合速率及光合產(chǎn)物積累，促進樹體的自我修復(fù)。同時，茶樹葉片中可溶性糖、可溶性蛋白含量以及抗氧化酶活性均有所提高，丙二醛（MDA）含量減少，游離氨基酸迅速提高，從而增強了茶樹抗寒性。外源褪黑素處理可通過誘導(dǎo)茶樹的氧化還原平衡狀態(tài)和抗氧化酶的活性來誘導(dǎo)茶樹的抗逆性，并調(diào)控相關(guān)途徑中關(guān)鍵基因的表達上調(diào)[62]，提高茶樹對低溫逆境的耐受性。

2.3.2 對茶樹高溫抗性的調(diào)控

高溫脅迫能嚴重影響植物的生長及生產(chǎn)能力[63]，其中光合作用是對高溫脅迫最敏感的生理過程。李治鑫[64]研究了高溫脅迫對茶樹葉片光合系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)高溫會使茶樹葉片光合速率持續(xù)下降，且光系統(tǒng)PS1 和PSII 的結(jié)構(gòu)在高溫脅迫下受到了傷害。而在高溫脅迫下對茶樹葉片外源噴施2,4-表油菜素內(nèi)酯（EBR），發(fā)現(xiàn)茶樹葉片氣孔導(dǎo)度顯著提高，外源EBR 能通過促進光合碳反應(yīng)的進行來緩解脅迫對茶樹葉片光合作用的抑制，同時有效調(diào)控多種抗氧化途徑以清除葉片細胞內(nèi)的自由基和活性氧，從而緩解高溫脅迫對茶樹的傷害[65]。

2.4 在茶樹響應(yīng)重金屬脅迫中的調(diào)控作用

重金屬脅迫通常會導(dǎo)致植物生長緩慢、植株矮小，根系伸長受到抑制[66]。植物能通過主動調(diào)節(jié)內(nèi)源植物激素水平來緩解重金屬脅迫，生產(chǎn)中也可通過外源植物激素處理改善植物對重金屬的耐性。茶樹作為葉用經(jīng)濟作物，其根系會吸收富集鎘元素，并部分向地上部轉(zhuǎn)運，最后富集到新梢部位[67]。Li等[68]研究發(fā)現(xiàn)，砷脅迫會顯著降低茶樹葉片光合系統(tǒng)II 的最大光化學(xué)效率，增加活性氧的積累和脂質(zhì)過氧化程度，從而誘發(fā)茶樹葉片中劇烈的氧化應(yīng)激反應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，施用外源IAA 能緩解鎘脅迫對茶樹的毒害作用，具體表現(xiàn)為茶樹根系活力增加，根、莖、老葉和新梢葉中的各抗氧化酶活性提高，鮮葉理化成分含量增加，茶樹葉片光合作用能力提高，且各組織中鎘含量也顯著降低，茶樹生長量提高[69]。近年來的研究表明，褪黑素可以選擇性地提高茶樹葉片中花青素生物合成相關(guān)基因的表達，促進葉片中花青素積累，從而減輕了砷脅迫對茶樹葉片光系統(tǒng)的影響[68]。相關(guān)研究為利用植物激素提高茶樹對重金屬脅迫的耐受性以及保障茶葉質(zhì)量安全提供了新的思路。

3 結(jié)論與展望

我國茶區(qū)分布廣泛，近年來極端天氣頻發(fā)，茶園遭受非生物逆境日益嚴重。本文重點介紹了常見植物激素和轉(zhuǎn)錄因子在茶樹非生物脅迫響應(yīng)中的潛在作用，在參考其他植物相關(guān)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，綜合分析了茶樹在應(yīng)對非生物逆境方面的研究內(nèi)容和進展。在茶樹中，內(nèi)源植物激素水平在非生物逆境如溫度脅迫、干旱脅迫、鹽脅迫等條件下會發(fā)生顯著變化，并誘導(dǎo)相關(guān)信號通路、關(guān)鍵作用元件以及植物激素之間互作共同調(diào)控茶樹的抗逆性。從植物生理和分子生物學(xué)角度解析內(nèi)源植物激素在茶樹逆境響應(yīng)中的作用，可以為選育抗逆性強的優(yōu)良種質(zhì)以及研發(fā)抗性栽培技術(shù)提供一定理論依據(jù)[70]。

近年來，茶樹基因組的解析以及轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)等技術(shù)的迅速發(fā)展為進一步闡明植物激素介導(dǎo)的茶樹對非生物逆境的響應(yīng)與調(diào)控機制提供了重要技術(shù)支撐。然而，由于茶樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)尚未取得明顯突破。因此，在茶樹逆境響應(yīng)中，植物激素和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，如CBFs、DREBs、WRKYs 和MAPKs 等的協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍有待進一步深入解析。此外，利用表觀遺傳學(xué)等技術(shù)手段，闡明DNA甲基化和組蛋白修飾等在調(diào)控植物激素介導(dǎo)的逆境響應(yīng)中的作用機制，將有可能為茶樹逆境生物學(xué)研究提供新的思路。植物激素互作及其在茶樹逆境響應(yīng)中的調(diào)控機制研究，仍然將是茶樹栽培生理生態(tài)研究的熱點問題，相關(guān)研究的深入開展將為未來氣候變化條件下茶樹抗逆性調(diào)控提供重要理論依據(jù)，從而保障茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。