草地早熟禾對干旱脅迫的響應(yīng)研究進(jìn)展

王君玲，劉穎

(青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海省高寒草地適應(yīng)性管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

植物的水分狀況對植物的生理活動具有重要的影響，水分虧缺影響植物的生長發(fā)育和繁殖。據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的《2022年干旱數(shù)字報(bào)告》，21世紀(jì)以來，全球干旱次數(shù)和持續(xù)時(shí)間已經(jīng)增加了29%。推測未來干旱事件發(fā)生將越頻繁且越劇烈[1]。降雨模式和氣候的變化可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)脆弱化[2]。同時(shí)，氣溫升高導(dǎo)致干旱脅迫加劇[3]。目前，研究發(fā)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)對干旱的響應(yīng)最為敏感[4]。例如，干旱可以引起植物群落性狀變異，進(jìn)而調(diào)控草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[5]。因此，干旱缺水對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能可產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

草地早熟禾(Poapratensis)由于其具有生長速度快、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被作為草坪建植和生態(tài)修復(fù)的品種之一，其栽培分布范圍非常廣泛。草地早熟禾是一種冷季型禾草[6]，可在寒冷的干旱區(qū)和半干旱區(qū)生長[7]，具有侵略性的根莖型[8]，能進(jìn)行橫向和縱向擴(kuò)展，且再生能力強(qiáng)[9]，導(dǎo)致其在生態(tài)系統(tǒng)中占居重要的生態(tài)位，并可改變草地的生態(tài)過程，使得生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而改變生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[10]。而且草地早熟禾毛根和根莖可以在地下形成一層致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有固土保水的功能[11]，是治理礦山、修復(fù)退化草地重要的禾草[12，13]。但與披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)、老芒麥(ElymussibiricusLinn.)等禾草相比，草地早熟禾的抗旱性并不是很強(qiáng)[14]，為提高草地早熟禾的抗旱性，全面了解草地早熟禾響應(yīng)干旱的機(jī)理勢在必行。因此，本文從形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、代謝機(jī)制及基因調(diào)控等方面綜述了草地早熟禾對干旱的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制，以期為草地早熟禾抗旱基因的篩選和抗旱分子機(jī)制的研究提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 草地早熟禾形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)對干旱脅迫的響應(yīng)

植物在水分虧缺條件下，主要通過改變根系、葉片等自身結(jié)構(gòu)來避免干旱脅迫引起的不利影響，進(jìn)而維持正常的生理過程[15]。另外，干旱脅迫的強(qiáng)度和脅迫時(shí)間對植物的耐受性不同，促使植物產(chǎn)生不同的適應(yīng)策略。

1.1 根系對干旱脅迫的響應(yīng)

根系為植物提供水分和營養(yǎng)物質(zhì)，通過草地早熟禾根系的構(gòu)型適應(yīng)在不同生境中的生長。相關(guān)研究結(jié)果表明，比根長、比表面積與最大吸水比例呈正相關(guān)，同時(shí)土壤干旱促使更多的碳水化合物投入到根系生長，使草地早熟禾根系總生物量累積以適應(yīng)干旱[16]。隨著干旱脅迫加強(qiáng)，草地早熟禾的根冠比下降幅度增大[17]，進(jìn)一步說明植物通過改變地下生物量來吸收更多的水分。此外，也有研究表明野生草地早熟禾處于一定水分脅迫時(shí)，通過改變地下根莖形態(tài)結(jié)構(gòu)來建立根系系統(tǒng)，有利于其在嚴(yán)重的水分虧缺條件下維持體內(nèi)的正常水分需求[18]。隨著干旱程度的增加，草地早熟禾的中柱和導(dǎo)管直徑顯著變小，占根系直徑比例同時(shí)減小[19]。綜上所述，草地早熟禾根系結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有利于從土壤中獲取水分，維持正常的生理生化過程。

1.2 葉片對干旱脅迫的響應(yīng)

葉片是植物蒸騰和同化的主要器官，隨著水分環(huán)境的變化，植物的結(jié)構(gòu)與水分環(huán)境相互適應(yīng)。相關(guān)研究表明，草地早熟禾富含體積較大的貯水細(xì)胞，在干旱環(huán)境下，可以改善自身的保水能力；木質(zhì)部與維管束面積比、韌皮部與維管束面積比會增大，有利于運(yùn)輸水分和有機(jī)物質(zhì)，能更好地適應(yīng)環(huán)境[20]。另外，大多數(shù)草地早熟禾葉組織內(nèi)進(jìn)化出了泡狀細(xì)胞，有利于避免過多水分流失，可以提高在水分脅迫下的抗旱能力[11]。草地早熟禾通過氣孔器的形態(tài)和開閉狀態(tài)，硅質(zhì)乳突密度及分布規(guī)律，影響葉片水分運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而維持基本生理活動[21]。尹瑩瑩構(gòu)建的草地早熟禾葉片外觀形態(tài)生長模型，可以反應(yīng)葉片在干旱脅迫下的生長規(guī)律，為實(shí)時(shí)監(jiān)測植物的生長過程提供了重要依據(jù)[22]。以上結(jié)果說明，草地早熟禾莖葉組織特異結(jié)構(gòu)是為了抵御和躲避外界環(huán)境，維持正常的生命活動。

2 草地早熟禾對干旱脅迫的生理響應(yīng)

在非生物脅迫下，植物會發(fā)生一系列的生理生化變化來適應(yīng)和抵抗脅迫，調(diào)節(jié)各種生物環(huán)境引起的波動。干旱脅迫可以引起植物光合生理及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化。相關(guān)研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致4種不同類型的草地早熟禾葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降[23]；Hu等發(fā)現(xiàn)干旱脅迫脅迫下，耐旱基因材料可維持較高的單葉凈光合速率，Rubisco處于激活狀態(tài)，羧化效率較高，氣孔限制較小[24]。相對電導(dǎo)率能夠反映草地早熟禾細(xì)胞膜的透性，長期和嚴(yán)重的干旱可能導(dǎo)致質(zhì)膜結(jié)構(gòu)損傷，引起細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，使相對電導(dǎo)率升高[25]。在干旱脅迫期間，草地早熟禾的相對含水量和葉綠素含量隨脅迫時(shí)間的延長均呈下降趨勢，脯氨酸含量總體表現(xiàn)出上升趨勢，但是變化幅度因材料不同而不同[26]。藺亞平等發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫能夠?qū)е?種禾草葉片組織含水量和葉綠素含量下降，細(xì)胞膜透性升高，抗氧化酶活性升高[14]；董沁等指出長期干旱導(dǎo)致7種野生草地早熟禾葉片游離脯氨酸、可溶性糖和MDA含量逐漸增加，過氧化氫酶和可溶性蛋白含量逐漸減少，超氧化物歧化酶活性呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢[27]，以上結(jié)果說明植物處于干旱環(huán)境中時(shí)，可通過細(xì)胞內(nèi)積累一些對原生質(zhì)無傷害的物質(zhì)來調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢的動態(tài)平衡。

在水分脅迫條件下，植物激素含量的變化，促使植物對水分的吸收增加。前人研究發(fā)現(xiàn)，草地早熟禾在干旱脅迫下，葉片中的脫落酸與細(xì)胞分裂素、吲哚-3-乙酸共同調(diào)控氣孔關(guān)閉，進(jìn)而通過光合生理維持生長發(fā)育，以適應(yīng)干旱對其造成的傷害[28]。脫落酸含量也會顯著增加，進(jìn)一步通過氣孔調(diào)控、促進(jìn)根系發(fā)育和脫落酸依賴途徑的啟動等增強(qiáng)植物的抗旱性。此外，脫落酸可以與乙烯、生長素、赤霉素等其他激素相互作用，增強(qiáng)植株的耐旱性[29]。

3 草地早熟禾抗旱相關(guān)基因的挖掘與功能鑒定

3.1 抗旱基因及蛋白質(zhì)介導(dǎo)干旱脅迫

近幾年來，眾多學(xué)者從草地早熟禾的根莖葉中克隆出了一些調(diào)控基因，這些抗旱基因直接或間接地響應(yīng)干旱脅迫。陳雅君等從草地早熟禾克隆出了脫落酸的應(yīng)答基因，此基因參與對水分脅迫信號的接受與傳遞[30]；B.Shaun Bushman等研究發(fā)現(xiàn)了大量具有蛋白質(zhì)折疊和保護(hù)功能的伴侶基因家族參與草地早熟禾干旱脅迫，且兩個(gè)脫水蛋白基因RAB15和HVA1在干旱脅迫下高度表達(dá)[31]；此外，干旱脅迫抑制PHR2和OSK4基因在草地早熟禾根、葉的表達(dá)[32，33]；PpSWEET12、PpSWEET15和PpNAC10可作為草地早熟禾抗旱脅迫響應(yīng)的候選基因[34,35]；輕度干旱有利于草地早熟禾N(yùn)ADH-GOGAT基因的表達(dá)[36]；長期干旱導(dǎo)致SnRK2.2相對表達(dá)量下降[37]。

3.2 植物激素相關(guān)基因介導(dǎo)干旱脅迫

草地早熟禾對干旱脅迫的響應(yīng)通常有植物內(nèi)源激素的參與。調(diào)控植物內(nèi)源激素的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，可進(jìn)一步調(diào)控草地早熟禾的耐旱性。張?zhí)m等從草地早熟禾中首次克隆得到了葉綠素酶基因PpCHL1，并發(fā)現(xiàn)PpCHL1能響應(yīng)脫落酸、茉莉酸和茉莉酸甲酯信號誘導(dǎo)途徑[38]；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，草地早熟禾PpCHL1基因可能調(diào)控葉綠素降解，以適應(yīng)環(huán)境的變化[39]。Chen等發(fā)現(xiàn)干旱處理下，草地早熟禾葉片中PYL、JAZ、BSK等基因參與脫落酸、茉莉酸、油菜素內(nèi)酯等激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；此外，長期干旱導(dǎo)致脫落酸、茉莉酸和油菜素內(nèi)酯濃度增加[40]；檀鵬輝發(fā)現(xiàn)，PpGA2ox基因受GA3、茉莉酸甲酯及生長素三種激素的誘導(dǎo)[41]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)PpGA2ox基因啟動子序列含有響應(yīng)激素誘導(dǎo)和逆境脅迫的作用元件[42]。

3.3 其他基因介導(dǎo)干旱脅迫

蠟烷烴的生物合成和植物的抗旱性，也存在正向反饋關(guān)系。Wang等發(fā)現(xiàn)候選基因PpCER1-2通過編碼草地早熟禾的烷烴生成酶，促進(jìn)烷烴的生物合成，使草地早熟禾角質(zhì)層通透性降低，從而增強(qiáng)草地早熟禾對水分的脅迫[43]。YuNi等提出草地早熟禾葉片中參與表皮蠟合成、分泌和調(diào)控的候選基因有LACS、KCS、KCR、FAR和CER1[44]。

內(nèi)參基因的選擇和驗(yàn)證是實(shí)時(shí)熒光定量PCR中必要條件，內(nèi)參基因在不同的生物和組織及不同的非生物環(huán)境脅迫下，內(nèi)參基因表達(dá)穩(wěn)定性存在差異。?？e等發(fā)現(xiàn)ACT 和SAM 在干旱處理葉片中保持穩(wěn)定表達(dá)，GAPDH 聯(lián)合ACT 在干旱處理根系中保持穩(wěn)定表達(dá)[45]；張?zhí)m等發(fā)現(xiàn)GAPDH 在草地早熟禾不同組織器官中表達(dá)最為穩(wěn)定；在葉片不同發(fā)育期ACT 表達(dá)最為穩(wěn)定[46]。

4 展望

草地早熟禾是草坪建植和生態(tài)修復(fù)的優(yōu)勢種。21世紀(jì)以來，全球干旱問題日益加劇，草地早熟禾的抗旱機(jī)理研究也逐漸成為熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對草地早熟禾的形態(tài)、生理、細(xì)胞及分子方面做了大量的研究和探討，科學(xué)界對草地早熟禾的抗旱機(jī)制有了進(jìn)一步的了解。但基于研究理論方法的限制，品種種質(zhì)資源的差異，使得草地早熟禾在組學(xué)領(lǐng)域中的研究報(bào)道相對較少。因此，今后在研究草地早熟禾響應(yīng)干旱脅迫的機(jī)理時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面研究：一是利用代謝組學(xué)技術(shù)，研究細(xì)胞受到外界環(huán)境刺激后的代謝反應(yīng)，進(jìn)而利用高空間分辨率實(shí)現(xiàn)代謝物之間的差異分布。對植物組織的代謝物實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和含量測定，探討代謝物的生物合成途徑并解析重要酶功能。二是將表型組學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)整合分析，探討草地早熟禾根莖擴(kuò)散機(jī)制及抗旱機(jī)制，挖掘相關(guān)抗旱基因。另外，通過基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，預(yù)測相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；三是進(jìn)一步加強(qiáng)糖代謝通路、脂質(zhì)代謝通路和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的作用和調(diào)控模式，以及參與調(diào)控的基因等相關(guān)研究。