逆境脅迫下向日葵的耐受機(jī)制

都潤(rùn)，張思琦，張海文，陳濤，3*

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；2.揚(yáng)州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；3.杭州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，杭州311121

向日葵（Helianthus annuusL.）為一年生菊科植物，根據(jù)育種目的不同，有油葵和食葵2個(gè)育種方向，其中油葵是我國(guó)五大油料作物之一?？ㄗ延椭衼営退岷扛哌_(dá)65.0%～73.9%，素有“21世紀(jì)健康營(yíng)養(yǎng)油”的稱號(hào)。除此之外，因?yàn)槠鋪喡樗岷空?.2%，有良好的干性油特性，在工業(yè)上不僅廣泛作為油漆的制作原料，還是化妝品、人造奶油、塑料、潤(rùn)滑油、肥皂以及蠟燭的重要原料［1］。食葵籽仁中蛋白質(zhì)含量高達(dá)21%～30%，通過(guò)特殊的制作工藝制成的葵瓜子，深受我國(guó)廣大人民的喜愛(ài)。向日葵優(yōu)良的特性使它具有縮小世界食用油和動(dòng)物飼料生產(chǎn)與消費(fèi)差距的潛力。

向日葵具有耐瘠薄、抗鹽堿、抗干旱以及對(duì)重金屬有顯著吸收的特點(diǎn)，因此對(duì)土壤要求不高，在鹽漬地區(qū)有極高的種植價(jià)值，油葵更是有“鹽堿地先鋒作物”的稱號(hào)。作為全球的油料作物，油葵能很好地適應(yīng)環(huán)境脅迫，在各種逆境脅迫下維持較穩(wěn)定的產(chǎn)量。

近年來(lái)，全球向日葵種植面積約2 500萬(wàn)hm2，年均增長(zhǎng)1.0%左右，我國(guó)的種植面積為92 萬(wàn)hm2，種植的向日葵中食葵占70%以上［2］。我國(guó)向日葵種植多集中在北方冷涼地區(qū)，如內(nèi)蒙古、新疆、吉林、甘肅、河北等地區(qū)為葵花籽主產(chǎn)區(qū)。因?yàn)橄蛉湛鼓嫘暂^強(qiáng)，所以在這些瘠薄地區(qū)的產(chǎn)量依然可觀，能夠?yàn)楫?dāng)?shù)貛?lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

向日葵基因組由17 對(duì)染色體構(gòu)成，總長(zhǎng)度大約3.6 Gb，其中轉(zhuǎn)座子序列占比超過(guò)了3/4?；蚪M注釋的編碼蛋白的基因52 232 個(gè)，長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）5 803 個(gè)以及歸屬于43 個(gè)家族的microRNA 123個(gè)［3］。通過(guò)對(duì)向日葵進(jìn)一步的基因分析，將會(huì)更準(zhǔn)確地定位向日葵基因組中的高產(chǎn)油基因或是抗旱抗鹽堿基因，使得向日葵能夠成為適應(yīng)氣候變化的模范作物以及大范圍種植在干旱鹽堿地區(qū)的作物，為農(nóng)民帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

我國(guó)向日葵集中種植地區(qū)大部分都是干旱鹽堿地區(qū)，向日葵面臨的最大問(wèn)題就是干旱和鹽堿脅迫。干旱鹽堿脅迫會(huì)在向日葵的各個(gè)生長(zhǎng)階段造成嚴(yán)重的影響：如苗期影響出芽率、花期影響結(jié)實(shí)率等，最終都會(huì)導(dǎo)致出油率和結(jié)實(shí)率大大降低，對(duì)當(dāng)?shù)叵蛉湛a(chǎn)業(yè)造成損失。本文綜述了向日葵在干旱、鹽堿、溫度和重金屬脅迫下的耐受機(jī)制，以期為向日葵的耐逆研究提供參考。

1 干旱脅迫

干旱是影響全球范圍內(nèi)所有農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的主要非生物因素。我國(guó)約有1/2 的土地都是干旱、半干旱區(qū)域，尤其在向日葵集中種植的北方地區(qū)，因?yàn)榻邓^少，土壤相對(duì)干旱，油葵在種子萌發(fā)初期就面臨著缺水的嚴(yán)峻考驗(yàn)，使苗期發(fā)育不良導(dǎo)致其含油率和產(chǎn)量大大降低，影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 抗干旱生理基礎(chǔ)

了解向日葵的抗旱機(jī)理，人們就可以進(jìn)一步提高向日葵在缺水條件下的含油率和產(chǎn)量，這對(duì)向日葵的可持續(xù)管理具有重要意義，也是保證向日葵可持續(xù)生產(chǎn)的前提，能夠?yàn)楦珊怠敫珊档貐^(qū)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。向日葵優(yōu)秀的抗旱能力離不開(kāi)發(fā)達(dá)的根系、表面布滿剛毛的莖、葉脈密布且輸導(dǎo)組織發(fā)達(dá)的葉，這些形態(tài)特征為向日葵抗旱提供了堅(jiān)實(shí)的生理基礎(chǔ)。

1.1.1 光合作用 抗旱性強(qiáng)的植物一般均有較強(qiáng)的保水能力和吸水能力。向日葵具有很高的光合潛力和光合勢(shì)（類似于C4 植物）。向日葵光合勢(shì)高是由于葉片兩側(cè)均有氣孔存在，導(dǎo)致CO2擴(kuò)散的組織通透性增加，RuBisCO 活性高。干旱脅迫下向日葵光合作用過(guò)程受2 種不同機(jī)制的影響：①氣孔關(guān)閉導(dǎo)致葉片內(nèi)CO2擴(kuò)散減少；②CO2代謝受到抑制。氣孔關(guān)閉導(dǎo)致光合速率降低，從而限制CO2在葉片中的擴(kuò)散，在水分虧缺的條件下，向日葵的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力受到強(qiáng)烈影響。RuBP 在整個(gè)光合作用中起重要作用，是暗反應(yīng)的關(guān)鍵。在嚴(yán)重脅迫的完整葉片中，羧化和RuBP 再生能力都會(huì)下降，但在耐旱基因型中，其CO2含量隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，說(shuō)明產(chǎn)生的RuBP 更多，這是耐旱的標(biāo)志。Ghobadi 等［4］研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對(duì)向日葵光合作用、保持綠色、光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)效率、氣孔導(dǎo)度有負(fù)面影響。Kulund?i?等［5］發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下不同向日葵基因型的光合效率都有所下降。Cechin 等［6］也發(fā)現(xiàn)，干旱會(huì)降低向日葵氣孔導(dǎo)度，最終降低細(xì)胞間CO2濃度和光合作用。

以上研究表明，干旱脅迫通過(guò)氣孔關(guān)閉和CO2固定降低使向日葵的光合作用下降。與CO2同化相比，氣孔關(guān)閉介導(dǎo)的CO2在向日葵葉片中的擴(kuò)散更為明顯。在干旱脅迫下，CO2水平升高可以補(bǔ)償干旱引起的光合損傷。

1.1.2 營(yíng)養(yǎng)吸收 干旱脅迫降低了向日葵的蒸騰速率，破壞了主動(dòng)運(yùn)輸和膜的滲透性，這些特性導(dǎo)致作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收能力降低。因此，干旱脅迫下作物根系對(duì)莖部養(yǎng)分的吸收能力較弱，限制了根系對(duì)莖部養(yǎng)分的輸送。氮是植物最需要的元素，其構(gòu)成多種植物成分，包括氨基酸和核酸。干旱脅迫降低了土壤的非礦化，最終降低了氮素的有效性。干旱脅迫導(dǎo)致蒸騰作用減弱使根向芽氮轉(zhuǎn)運(yùn)降低的另一個(gè)因素［7］。有數(shù)據(jù)顯示，在水分缺乏的條件下，磷的吸收受到阻礙［8］。除了磷元素以外，有實(shí)驗(yàn)研究了12 種不同基因型的向日葵在干旱下對(duì)各種元素的吸收，包括鉀（K）、硫（S）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、銅（Gu）、鋅（Zn）、錳（Mn）、氯（Cl）、鉬（Mo）、硅（Si）、鈉（Na）、釩（V）、鋁（Al）、鍶（Sr）、銣（Rb）、鈦（Ti）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、溴（Br）和鋇（Ba）。結(jié)果表明，在干旱脅迫下，12 種向日葵對(duì)這些元素的吸收都有一定程度上的抑制，說(shuō)明干旱顯著降低了向日葵對(duì)礦物質(zhì)的吸收并打破了營(yíng)養(yǎng)平衡［9］。

綜上，干旱脅迫抑制了向日葵對(duì)礦物質(zhì)的吸收。低水分導(dǎo)致的礦化減少和低運(yùn)輸導(dǎo)致的礦物質(zhì)向芽的轉(zhuǎn)移受限是礦物吸收減少的主要機(jī)制。在干旱脅迫下，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和膜通透性受損是導(dǎo)致向日葵營(yíng)養(yǎng)失衡的另一限制因素。營(yíng)養(yǎng)失衡最終會(huì)對(duì)各種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1.2 不同品種間對(duì)干旱脅迫的差異

卜曉霞等［10］試驗(yàn)種植油用型向日葵新品種（系）12 個(gè)，分別為墾油8號(hào)、MGS、F2、S18、TK3303、S-31、TK3307、Q5105、Q5160、PR2301、PR2302、F08-2，對(duì)照是油用型向日葵品種法A18。種植實(shí)驗(yàn)在半干旱山區(qū)進(jìn)行，根據(jù)對(duì)其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、主要農(nóng)藝性狀、物候期的觀察，參與試驗(yàn)的油用型向日葵品種（系）都能在當(dāng)?shù)赝耆墒?，其中墾? 號(hào)、PR2302、F2、S-31、Q5160、TK3303等品種（系）生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，墾油8 號(hào)、Q5160、S-31、法A18、F2等品種（系）生長(zhǎng)整齊。PR2301 的產(chǎn)量最高，達(dá)到了3 731.76 kg·hm-2，墾油8號(hào)、F08-2、F2、TK3303、TK3307、Q5160較對(duì)照品種都增產(chǎn)10%以上。

1.3 抗旱的分子機(jī)理

向日葵Hahb-4 轉(zhuǎn)錄因子受干旱和脫落酸的調(diào)控，過(guò)表達(dá)該轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株耐旱性顯著增強(qiáng)［11］。向日葵的HaWRKY76 轉(zhuǎn)錄因子使擬南芥表現(xiàn)出更高的產(chǎn)量以及對(duì)干旱脅迫更高的耐受性［12］。有研究顯示，DREB 轉(zhuǎn)錄因子在向日葵材料根、莖和葉中均受干旱誘導(dǎo)，表達(dá)量上調(diào)，脅迫超過(guò)一定時(shí)間，表達(dá)逐漸受到抑制［13］。

2 鹽堿脅迫

土地鹽堿化已成為全球范圍內(nèi)的環(huán)境難題，據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的鹽堿地面積為3 600 萬(wàn)hm2，約占全球鹽堿化耕用地的1/28，耕地鹽堿面積為921 萬(wàn)hm2，占我國(guó)總耕地面積的1/4，嚴(yán)重制約我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，由于向日葵種植面積的持續(xù)增長(zhǎng)，向日葵種植過(guò)程中面臨的鹽堿問(wèn)題也開(kāi)始引起人們的重視。篩選耐鹽向日葵品種，是針對(duì)耕地鹽漬化和耕地農(nóng)業(yè)高效利用的一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。因此，研究向日葵的耐鹽性及其機(jī)理具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 抗鹽堿生理基礎(chǔ)

土壤的鹽堿化意味著植物面對(duì)高鹽滲入時(shí)，植物的內(nèi)部離子平衡會(huì)被打破，造成滲透脅迫，產(chǎn)生離子毒害從而對(duì)植物造成影響。鹽堿脅迫還會(huì)造成植物體內(nèi)的pH升高，進(jìn)一步加劇毒害。除此之外，植物體內(nèi)pH的升高還會(huì)影響自身從外界環(huán)境中吸收離子（如Ca2+、Mg2+等）的效率，進(jìn)而導(dǎo)致植物機(jī)體的代謝活動(dòng)紊亂。

向日葵之所以能作為抗鹽堿植物，是因?yàn)樵谏L(zhǎng)期間，向日葵植株葉片寬大濃密，田間郁閉封壟早，覆蓋地面上空，遮蔽陽(yáng)光，減少土壤水分蒸發(fā)，從而減少鹽分向地面上升和凝結(jié)，因此，雜交油葵又被稱為“鹽堿地先鋒作物”。在生理特征方面，向日葵的根系細(xì)胞濃度較高，在一定程度的鹽堿地上仍然能吸收水分，滿足生長(zhǎng)發(fā)育的需要，因此能夠比一般作物更好地適應(yīng)鹽害引起的生理干旱現(xiàn)象。向日葵主根下扎極深，通常深入土壤150～200 cm，最深可達(dá)300 cm，能吸收深層土壤中含鹽較少的水分。除此之外，向日葵還能將根系吸收的鹽分貯存于莖稈和根系之中。據(jù)測(cè)定，向日葵莖稈中含鹽量高達(dá)0.5%，因而比一般作物受鹽分干擾的程度低。除了生理特性改變，向日葵在生化反應(yīng)方面應(yīng)對(duì)抗鹽堿的機(jī)制主要有滲透調(diào)節(jié)、離子平衡調(diào)節(jié)、離子區(qū)域化等幾個(gè)方面。

2.1.1 滲透調(diào)節(jié) 向日葵在受到鹽堿脅迫時(shí)，由于外界環(huán)境滲透壓大于細(xì)胞內(nèi)滲透壓，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分流失，細(xì)胞失水，從而影響正常的生理代謝。為了應(yīng)對(duì)這種情況，向日葵通過(guò)自身滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，以保證在面對(duì)鹽堿脅迫時(shí)，細(xì)胞不會(huì)失水過(guò)多死亡。

滲透調(diào)節(jié)分為無(wú)機(jī)滲透調(diào)節(jié)和有機(jī)滲透調(diào)節(jié)。在面對(duì)鹽堿脅迫時(shí)，向日葵從外界吸收無(wú)機(jī)離子（K+、Ca2+、Cl-等）的能力會(huì)大幅提升，通過(guò)積累這些離子來(lái)提高細(xì)胞內(nèi)的滲透壓，從而使向日葵細(xì)胞能從外界吸水，緩解鹽堿脅迫帶來(lái)的壓力［14］。除此之外，向日葵還可以合成具有相容性的有機(jī)小分子物質(zhì)，如甜菜堿、脯氨酸及松醇、甘油醇、山梨醇等多元醇，以及一些多糖分子物質(zhì)。脯氨酸是植物蛋白質(zhì)的組分之一，并可以游離狀態(tài)廣泛存在于植物體中。在干旱、鹽漬等脅迫條件下，許多植物體內(nèi)脯氨酸大量積累。積累的脯氨酸除了作為植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，還在穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫(kù)調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢(shì)等方面起重要作用［12］。很多研究表明，當(dāng)向日葵處于鹽堿逆境脅迫時(shí)，其細(xì)胞內(nèi)的脯氨酸含量會(huì)顯著升高。因此，鹽堿脅迫下植物脯氨酸含量的變化可以衡量其抗鹽堿的能力。

2.1.2 離子平衡調(diào)節(jié) 正常情況下，離子的動(dòng)態(tài)平衡主要依靠在植物細(xì)胞內(nèi)積累的負(fù)離子（Cl-）和正離子（K+、Na+）。在鹽堿脅迫下，Na+的大量積累會(huì)使細(xì)胞膜系統(tǒng)遭到破壞。而K+作為重要的無(wú)機(jī)溶質(zhì)，在維持水平衡和降低細(xì)胞滲透勢(shì)方面都發(fā)揮著重要作用。因此，植物在細(xì)胞質(zhì)中保持高K+/Na+值的能力就代表植物具有耐鹽堿的能力。植物體內(nèi)的離子平衡離不開(kāi)拒鹽機(jī)制，拒鹽機(jī)制主要涉及到4 個(gè)過(guò)程：①作物根細(xì)胞不吸收Na+，即使有Na+進(jìn)入細(xì)胞也可通過(guò)質(zhì)子泵將其排出胞外，這可能與作物及品種的細(xì)胞質(zhì)膜有關(guān)；②作物將吸收的Na+貯存于根、莖基部、葉鞘等薄壁細(xì)胞的中央液泡中，阻止Na+向葉片運(yùn)輸；③吸收的Na+在木質(zhì)部向上運(yùn)輸過(guò)程中被木質(zhì)部或韌皮部傳遞細(xì)胞吸收，隨后分泌到韌皮部中運(yùn)回根部，再排到環(huán)境中；④由于作物對(duì)無(wú)機(jī)離子的選擇吸收，尤其是Na+/K+的選擇吸收，作物根吸收的Na+向地上部特別是葉片和籽粒的運(yùn)輸選擇性降低，而K+的運(yùn)輸選擇性增強(qiáng)［15］。

油用向日葵植株在鹽脅迫下，Na+主要集中在根部和莖稈，葉片中較少；葉柄和葉片中的K+含量顯著增加，且葉柄、葉片運(yùn)輸K+、Na+的比率（TSK、Na）和根系吸收Na+、K+的選擇性比率（SK、Na）都顯著上升，這表明在離子吸收和向上運(yùn)輸過(guò)程中，油用向日葵對(duì)K+具有較強(qiáng)的選擇性。另外，在低濃度鹽脅迫條件下，向日葵體內(nèi)Na+主要集中在莖和根中，葉中較少；向日葵幼苗在海水脅迫下，各個(gè)部位始終是葉部的K+/Na+最高，根部最低，且根莖葉中的SK、Na值都大于1，表明向日葵幼苗在低濃度海水脅迫下對(duì)Na+有截流作用，同時(shí)幼苗在海水脅迫下，根部K+具有較強(qiáng)的向地上部選擇性運(yùn)輸和較強(qiáng)的選擇性吸收作用的能力［16］。

2.1.3 離子區(qū)域化 向日葵作為非鹽生植物，其離子區(qū)域化一般盡量減少對(duì)有害鹽離子的吸收，同時(shí)將吸收的鹽離子輸送到老的組織儲(chǔ)存起來(lái)，以犧牲老的組織為代價(jià)，保護(hù)幼嫩組織［17］。

2.2 不同品種對(duì)鹽堿脅迫的差異

在應(yīng)對(duì)鹽堿脅迫時(shí)，向日葵主要通過(guò)細(xì)胞膜對(duì)Na+、K+吸收和積累來(lái)達(dá)到影響膜滲透性的目的，從而改變細(xì)胞在鹽堿脅迫下吸收離子的不平衡能力，使鹽堿脅迫帶來(lái)的不良生理反應(yīng)得到降低。不同品種的向日葵對(duì)離子吸收的程度也不同。崔云玲等［18］研究了隴葵雜1 號(hào)（LK1）、新葵雜6 號(hào)（XK-6）和法A15 3 個(gè)品種的抗鹽堿脅迫差異，結(jié)果表明，3 個(gè)品種出苗階段的耐鹽性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于成苗至成熟期，低鹽脅迫對(duì)油葵的出苗和后期的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。油葵對(duì)鹽脅迫最直接的響應(yīng)是生長(zhǎng)受到抑制，且這種作用隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和強(qiáng)度的增加表現(xiàn)得更加明顯，上述3個(gè)油葵品種對(duì)鹽脅迫的敏感性都為花期、顯蕾期＞苗期＞成熟期，且隴葵雜1號(hào)耐鹽性最強(qiáng)，新葵雜6號(hào)耐鹽性最差，法A15在兩者之間。

王桂芹等［19］研究表明，食用葵與雜交油葵之間的耐鹽堿性差異也非常顯著。2 個(gè)品種達(dá)到70%發(fā)芽率時(shí)，食用葵耐受最高鹽堿濃度為0.5%，而雜交油葵高達(dá)12.0%。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)低濃度的鹽分可明顯促進(jìn)雜交油葵種子的萌發(fā)，而淡水對(duì)種子萌發(fā)有一定的抑制作用。

2.3 抗鹽堿的分子機(jī)理

對(duì)鹽堿脅迫下的向日葵鹽敏感品種P29和耐鹽品種P50 進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和Denovo 組裝［20］，在向日葵轉(zhuǎn)錄組的GO 功能分類中，發(fā)現(xiàn)屬于結(jié)合、細(xì)胞過(guò)程、催化活性、轉(zhuǎn)運(yùn)活性、代謝過(guò)程的terms較多，說(shuō)明在植物應(yīng)答非生物脅迫中，這些功能發(fā)揮著重要作用。在COG 功能分類中，一些功能注釋與鹽堿脅迫密切相關(guān)，如防御機(jī)制、能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)導(dǎo)、離子轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。在KEGG 注釋中，發(fā)現(xiàn)向日葵中耐鹽性相關(guān)的一些重要物質(zhì)的代謝通路都有轉(zhuǎn)錄組中unigenes 的參與，說(shuō)明在受到鹽脅迫時(shí)，向日葵的應(yīng)答機(jī)制復(fù)雜多樣，涉及多個(gè)復(fù)雜的代謝途徑和生理機(jī)制。

3 溫度脅迫

溫度對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著重要作用。如果環(huán)境溫度超過(guò)植物的最適溫度范圍，就會(huì)對(duì)植物造成溫度脅迫，從而影響植物的細(xì)胞膜流動(dòng)性、光合作用、氧化還原反應(yīng)、蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)等生理代謝反應(yīng)以及滲透壓力。而由于植物生根發(fā)芽的特性導(dǎo)致植物只能被動(dòng)地應(yīng)對(duì)脅迫，不能主動(dòng)逃避脅迫，因此在漫長(zhǎng)的進(jìn)化中，植物體內(nèi)存在著一系列應(yīng)對(duì)溫度脅迫的生理反應(yīng)機(jī)制。

3.1 溫度脅迫對(duì)向日葵的影響

溫度脅迫包括高溫脅迫和低溫脅迫，且由于向日葵在生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期的最適溫度不同，不同的溫度對(duì)向日葵造成的影響也不同。

3.1.1 溫度與向日葵苗期的關(guān)系 向日葵種子發(fā)芽出苗對(duì)溫度要求較低，4 ℃即可發(fā)芽，5 ℃可以出苗。幼苗能夠經(jīng)受數(shù)小時(shí)-4 ℃的低溫，低溫處理后能夠較快地恢復(fù)生長(zhǎng)，地表溫度下降到-9 ℃，向日葵幼苗受凍后仍然能發(fā)出新的枝杈。在這個(gè)階段，向日葵對(duì)溫度脅迫的響應(yīng)也是最為明顯的。目前我國(guó)普遍將5 ℃作為向日葵苗期的生物學(xué)零點(diǎn)溫度指標(biāo)。陳建忠等［21］實(shí)驗(yàn)表明，向日葵的播種出苗發(fā)育階段的生物學(xué)零點(diǎn)溫度為≥2.5 ℃，在一定溫度范圍內(nèi)（6.58～32.20 ℃），隨著溫度的升高，向日葵的出苗天數(shù)逐漸減少。但目前關(guān)于向日葵苗期對(duì)溫度脅迫生理響應(yīng)的研究尚不透徹，值得進(jìn)一步探究。

3.1.2 溫度脅迫對(duì)向日葵花期的影響 在向日葵的發(fā)育過(guò)程中，花期對(duì)溫度的要求最為嚴(yán)格，溫度脅迫會(huì)造成向日葵花期的提早或推遲，而由于植物花粉和雌蕊相比，花粉對(duì)溫度更敏感，溫度脅迫常會(huì)導(dǎo)致花粉和子房發(fā)育不同步、花粉敗育等結(jié)果。因此，了解溫度脅迫對(duì)向日葵花期花粉發(fā)育的影響和花粉對(duì)溫度脅迫的生理響應(yīng)，對(duì)指導(dǎo)向日葵的作物育種、提升向日葵產(chǎn)量等生產(chǎn)實(shí)踐方面具有重要的意義。

目前針對(duì)植物花粉發(fā)育對(duì)溫度脅迫的敏感時(shí)期，學(xué)術(shù)界主要流行兩種觀點(diǎn)：第一種是在四分體產(chǎn)生以前對(duì)溫度脅迫最敏感；另一種是從花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂到受精和種子發(fā)育的過(guò)程對(duì)溫度脅迫都非常敏感。盡管向日葵花粉和其他植物花粉對(duì)溫度的敏感程度不同，但在其花粉的發(fā)育過(guò)程中，減數(shù)分裂時(shí)期，特別是減數(shù)分裂中胞質(zhì)分裂形成四分體的時(shí)期，仍是發(fā)育過(guò)程中對(duì)溫度脅迫最為敏感的時(shí)期［22-23］。

溫度變化會(huì)影響花粉壁形成。有研究表明，低溫脅迫通過(guò)影響四分體時(shí)期胼胝質(zhì)的正常降解和絨氈層的程序性細(xì)胞死亡過(guò)程，最終導(dǎo)致花粉外壁異常發(fā)育，致使花粉無(wú)正常的生理功能［24］。研究表明，絨氈層不能降解是導(dǎo)致花粉不育的重要原因。通過(guò)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)觀察顯示，低溫脅迫最先影響絨氈層的粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小體的出現(xiàn)以及不正常的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)排列方式［25］。除此之外，低溫還會(huì)破壞花粉壁的結(jié)構(gòu)從而影響花粉的發(fā)育。高溫脅迫同樣也能造成絨氈層的不正常降解，有研究表明，四季豆在經(jīng)過(guò)高溫處理后，改變了絨氈層粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與正常的呈堆積狀結(jié)構(gòu)相比，呈現(xiàn)不正常的波浪狀、環(huán)狀以及線狀等［26］。在此方面關(guān)于向日葵的研究并不多，不過(guò)不同物種間的相似性可以作為參考。

溫度脅迫對(duì)花期的影響還包括：花粉發(fā)育過(guò)程中的激素水平以及花粉發(fā)育過(guò)程中的糖代謝［24］?？傊?，溫度脅迫從多方面對(duì)向日葵花期中的花粉發(fā)育過(guò)程造成影響，從而引起向日葵的結(jié)實(shí)率下降，影響出油率和產(chǎn)量。

3.2 抗溫度脅迫的分子機(jī)理

在溫度脅迫下，向日葵細(xì)胞內(nèi)會(huì)經(jīng)過(guò)多種途徑產(chǎn)生活性氧，由此形成氧化脅迫作用。形成的活性氧位于葉綠體中的光合反應(yīng)中心，所以激活抗氧化系統(tǒng)并對(duì)活性氧進(jìn)行有效處理，可以使植物體具備高效的抗溫度脅迫功能，而激活抗氧化系統(tǒng)涉及到一系列的酶促反應(yīng)，且反應(yīng)需要的酶離不開(kāi)相關(guān)基因的表達(dá)，如高溫環(huán)境下植物體內(nèi)的抗氧化水平顯著提升，氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶含量的增多，可明顯提升清除自由基水平能力。但具體的相關(guān)基因尚未明確，值得進(jìn)一步分析。

4 重金屬脅迫

近年來(lái)，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的急速發(fā)展，導(dǎo)致土壤中重金屬含量日益增多，重金屬污染日益嚴(yán)重。我國(guó)近2 000 萬(wàn)hm2耕地面積受到重金屬的污染，占耕地面積的1/5，其中最嚴(yán)重的是鎘（Cd）污染，其次是鉛（Pb）、鋅（Zn）、銅（Cu）、汞（Hg）等。重金屬污染不僅易累積、范圍廣，而且毒性和隱蔽性強(qiáng)，嚴(yán)重影響作物的正常生理機(jī)能，導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降；此外，重金屬還會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人類體內(nèi)，影響人體健康。據(jù)調(diào)查，我國(guó)每年因?yàn)橥寥乐亟饘傥廴径斐傻募Z食減產(chǎn)超過(guò)1 000 萬(wàn)t，因?yàn)橹亟饘傥廴径速M(fèi)的糧食更是多達(dá)1 200 萬(wàn)t，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。而向日葵對(duì)重金屬的富集性和耐受性能都比較強(qiáng)，且能選擇性吸收多種放射性物質(zhì)，如銫等，因此，向日葵在重金屬污染土壤的治理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)［27］。

4.1 向日葵的抗重金屬生理基礎(chǔ)

4.1.1 絡(luò)合重金屬離子 向日葵能夠降低重金屬造成的毒害，其重要機(jī)制是通過(guò)體內(nèi)含有的氨基酸、有機(jī)酸、金屬硫蛋白和植物螯合肽等對(duì)各種重金屬離子絡(luò)合，從而降低自由離子的活度系數(shù)［28］。有研究表明，向日葵葉和根中的谷氨酸肽和植物螯合肽含量都隨著Pb2+脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加［29］。Cd 脅迫會(huì)降低中性脂質(zhì)和總脂質(zhì)在向日葵種子中的含量，而磷脂和糖脂這些極性脂質(zhì)的含量則完全相反——隨著Cd 濃度的增加而增加［30］。還有研究表明，向日葵中的腐胺和脯氨酸含量，在面對(duì)高濃度Cu 和Cd 脅迫時(shí)會(huì)增加［31］。向日葵根系土壤中乙醇酸、戊二酸、蘋(píng)果酸、琥珀酸、乳酸、乙酸等低分子有機(jī)酸，在Cd脅迫下的含量會(huì)增加。向日葵地上和根系部分分泌的檸檬酸和蘋(píng)果酸含量也會(huì)隨著金屬離子濃度（Cd2+、Zn2+、Al3+）的增加呈上升趨勢(shì)［32］。

4.1.2 激活抗氧化系統(tǒng) 在面對(duì)重金屬脅迫時(shí)，向日葵會(huì)通過(guò)啟動(dòng)多種防御系統(tǒng)來(lái)降低重金屬對(duì)細(xì)胞造成的傷害，其中，抗氧化系統(tǒng)的激活、自由基的清除是向日葵的主要解毒機(jī)制。有研究表明，在面對(duì)重金屬脅迫時(shí)，向日葵體內(nèi)的抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）、抗壞血酸還原酶（AR）、谷胱甘肽還原酶（GR）、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GSTs）活性以及過(guò)氧化脂質(zhì)、過(guò)氧化氫（H2O2）的濃度會(huì)顯著提高。除此之外，還有研究表明，向日葵可以通過(guò)提高抗氧化物酶活性和花青素含量來(lái)抵御金屬鋇（Ba）的毒害。而且不同的向日葵品種、組織器官、重金屬類型以及濃度和脅迫的時(shí)間都會(huì)對(duì)向日葵抗氧化系統(tǒng)的激活造成一定的差異［33-35］。

4.1.3 其他防御機(jī)制 除了上述兩種防御機(jī)制，向日葵還可以通過(guò)在細(xì)胞和組織水平上對(duì)有毒重金屬離子進(jìn)行區(qū)隔化作用，或者通過(guò)細(xì)胞膜選擇吸收作用，以及通過(guò)細(xì)胞壁吸附、沉積作用，從而達(dá)到限制重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞的目的，以降低有毒重金屬離子對(duì)正常機(jī)體生理代謝活動(dòng)的影響。有研究表明，Cd 的積累主要集中在植株老葉和根系中，而頂端組織的積累較少。伴隨著Cd2+濃度的增加，葉片吸收Cd的能力不如根和莖?；ㄑ科陂g，向日葵將Zn、Cu 和Cd 主要集中在老葉組織和根系中，而成熟期累積的重金屬則被遷移到不同組織中。在向日葵的生長(zhǎng)階段，向日葵體內(nèi)的重金屬遷移系數(shù)高于后期生長(zhǎng)階段［32］。此外，在生長(zhǎng)過(guò)程中，向日葵依靠轉(zhuǎn)移不同的組織器官來(lái)富集重金屬，重金屬在生長(zhǎng)前期主要被積累于根系部分，在后期生長(zhǎng)階段逐漸被遷移到地上部分，這可能是向日葵另一種用來(lái)增強(qiáng)對(duì)重金屬抗逆性的防御機(jī)制。

4.2 不同品種面對(duì)重金屬脅迫的差異

對(duì)同一重金屬來(lái)講，不同品種（系）的向日葵抗性表現(xiàn)有所不同；對(duì)不同重金屬來(lái)講，同一品種（系）抗性表現(xiàn)也有所不同。因此，選擇重金屬脅迫抗性優(yōu)秀的品種是提高向日葵修復(fù)重金屬污染土壤能力的途徑之一。有實(shí)驗(yàn)將品種RH118、No.665、QFS14 在Cd 脅迫下進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果表明向日葵品種RH118 比QFS14 和No.665 更 耐Cd 脅迫［36］。Atta 等［37］將向日葵品種Hysun-33 和SF-5009 在Cr 脅迫下培育，結(jié)果表明Hysun-33 體內(nèi)Cr 的累積量明顯高于SF-5009。國(guó)內(nèi)向日葵品種關(guān)于重金屬脅迫的差異對(duì)比資料較少，未來(lái)可以著重選育抗重金屬脅迫性能優(yōu)越的品種。根據(jù)已有研究猜測(cè)出向日葵體內(nèi)的相關(guān)基因可以提高植物螯合劑含量和關(guān)鍵酶的表達(dá)量，并提高對(duì)重金屬的富集與解毒能力。

5 展望

近幾年，隨著國(guó)家對(duì)“一帶一路”計(jì)劃支持力度的加強(qiáng)，沿線國(guó)家的農(nóng)業(yè)發(fā)展成為一個(gè)備受重視的熱點(diǎn)。“一帶一路”沿線國(guó)家，尤其是中亞地區(qū)的氣候、水文、地形及種植習(xí)慣等與我國(guó)北方向日葵產(chǎn)區(qū)相似。如烏克蘭是向日葵種植面積最大的國(guó)家，因此培育高產(chǎn)抗逆的向日葵新品種并推廣到中亞等國(guó)家，既可以提升我國(guó)在向日葵研究領(lǐng)域的科技創(chuàng)新能力，又能增強(qiáng)我國(guó)種業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

向日葵抗逆材料的選育、分子機(jī)理研究以及在分子育種上的應(yīng)用是推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品供給側(cè)改革、調(diào)整產(chǎn)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、推進(jìn)干旱或半干旱地區(qū)特色農(nóng)業(yè)的重要手段。盡管我國(guó)目前對(duì)向日葵的抗逆研究已有較多報(bào)道，但仍存在研究薄弱環(huán)節(jié)，如向日葵抗高低溫以及重金屬脅迫的分子遺傳機(jī)制、各種脅迫下品種間差異的分子機(jī)理等。未來(lái)，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化向日葵抗逆性篩選，加強(qiáng)逆境脅迫的基礎(chǔ)研究，并開(kāi)展向日葵高產(chǎn)耐逆分子育種，以達(dá)到提高向日葵產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。