苦蕎對干旱脅迫的應(yīng)答及外源物質(zhì)的緩減效應(yīng)研究

閆旭宇，曹 艷，程艷榮，李 娟，吳 香，李 玲

（1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院；2.陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000）

苦蕎（Fagopyrumtataricum（L.）Gaertn.），屬廖科蕎麥屬的雙子葉植物，是一類假谷類自花授粉作物?？嗍w原產(chǎn)于中國西南地區(qū)高寒地帶，以及亞洲、歐洲、美洲等地區(qū)，現(xiàn)在中國西北、華北、東北等地均有種植［1］。苦蕎主要種植于我國干旱半干旱地區(qū)，是這一帶主要的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物。苦蕎的種植周期短，一般60～90 d 就可成熟，具有藥食兩用價(jià)值。研究表明，苦蕎含有淀粉、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、維生素、膳食纖維、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，以及富含蘆丁、黃酮醇、查爾酮等黃酮類化合物和酚類、多肽類、甾體類等活性成分，其抗氧化和降糖活性良好，具有降血糖、血脂、血壓，還有抗腫瘤、抗衰老、改善記憶力等功能［2-4］。

苦蕎的生育周期短，產(chǎn)量不高，所以我國苦蕎大部分依賴于進(jìn)口。2021 年我國苦蕎的出口量為0.74萬t，進(jìn)口量為2.70萬t，進(jìn)口量是出口量的三倍多［5］。這可能是由于苦蕎的根系比較弱，生長于干旱的土壤中產(chǎn)量較低，且苦蕎籽粒較甜蕎小，不易處理，以及人們對苦蕎的功效還沒有完全認(rèn)識(shí)等。蕎麥的種植容易受干旱等自然災(zāi)害的脅迫，因此研究苦蕎對干旱脅迫的應(yīng)答反應(yīng)對于篩選抗旱性的苦蕎品種具有重要意義，同時(shí)研究外源物質(zhì)對苦蕎干旱的緩減效應(yīng)，可以為苦蕎的生產(chǎn)和種植發(fā)展提供重要的技術(shù)支持，能夠帶動(dòng)干旱地區(qū)苦蕎種植的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 干旱脅迫對苦蕎生長發(fā)育的影響

1.1 形態(tài)指標(biāo)

干旱脅迫下苦蕎苗期、花期、成熟期的株高、莖粗、葉面積、莖葉干重、根系平均直徑、最大根長、根系表面積、根系體積、根系干重均降低，苦蕎苗期根系活力下降最為顯著，并且隨著干旱脅迫程度的增大而下降［6-7］。干旱脅迫對苦蕎不同生育期形態(tài)指標(biāo)的影響程度表現(xiàn)為：花期>苗期>成熟期，花期干旱脅迫對莖葉干重的影響最大［7］，并且隨著生育期的推進(jìn)，苦蕎的最大根長、根體積、根表面積呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，根冠比呈現(xiàn)先增后減趨勢［8］。

1.2 生理生化指標(biāo)

干旱脅迫對苦蕎水分、養(yǎng)分運(yùn)輸、光合作用、呼吸作用等生理過程均有影響。采用砂培盆栽控水模擬干旱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）活性、過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性、可溶性糖含量、脯氨酸（Proline，Pro）含量、脫落酸（Abscisic acid，ABA）含量、過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性和抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）活性隨著干旱程度增加呈升高趨勢，其中抗氧化酶活性與植物葉片活性氧（Reactive oxygen species，ROS）含量呈正相關(guān)［6-7］。干旱脅迫下，苦蕎葉片的初始熒光產(chǎn)量存在不同程度的增加，苦蕎的葉綠素、生長素（Auxin，IAA）的含量顯著降低，而且初始熒光產(chǎn)量的幅度也隨著脅迫程度的增加而增大，葉綠素、IAA呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢［6，9］。

1.3 種子萌發(fā)、產(chǎn)量等指標(biāo)

聚乙二醇（Polyethylene glycol-6000，PEG-6000）是常用的模擬干旱脅迫的物質(zhì)。利用不同濃度的PEG-6000 模擬干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PEG-6000 濃度為25%時(shí)，苦蕎發(fā)芽率最低，為3.33%，苦蕎相較于甜蕎耐干旱［10］。研究發(fā)現(xiàn)，干旱條件下，苦蕎的單株粒重、百粒重、產(chǎn)量均降低，分別與對照組相比降低了11.07%、10.1%、5.35%，3 個(gè)生育期的降幅表現(xiàn)為：花期>苗期>成熟期，因此苦蕎花期時(shí)受到干旱脅迫對單株粒重、百粒重、產(chǎn)量的影響最大［7，9］。15% PEG-6000 模擬干旱脅迫下，苦蕎的種子萌發(fā)受到抑制，降低了苦蕎的胚芽長、幼苗活力指數(shù)，儲(chǔ)藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率，而25% PEG-6000 脅迫下苦蕎未發(fā)芽［11］。這可能是由于15% PEG-6000對苦蕎萌發(fā)的抑制程度比25% PEG-6000的抑制程度輕。干旱脅迫下，通過減少種子萌發(fā)所需的水分，且不同的干旱處理損失的水分不一，導(dǎo)致蒸騰失水量少于根系吸水量，而使體內(nèi)缺少水分，抑制苦蕎的萌發(fā)。

2 苦蕎對干旱脅迫的生理機(jī)制

2.1 抗氧化物質(zhì)

植物體內(nèi)ROS的產(chǎn)生主要通過胞外和胞內(nèi)兩種途徑，胞外主要通過質(zhì)膜還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶的產(chǎn)生。植物在干旱脅迫下，氣孔關(guān)閉以降低蒸騰作用，氣孔關(guān)閉過早會(huì)導(dǎo)致CO2濃度降低，光合速率也隨之降低，而這又影響卡爾文循環(huán)，減少消耗NADPH 和腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine triphosphate，ATP），導(dǎo)致ROS 過度產(chǎn)生。而胞內(nèi)ROS 是在線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等不同細(xì)胞器內(nèi)由各種代謝活動(dòng)產(chǎn)生的［12］。

植物體內(nèi)存在負(fù)責(zé)清除ROS 的抗氧化系統(tǒng)。在正常條件下，植物體內(nèi)ROS 的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡，而在干旱條件下，苦蕎體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的清除ROS 的能力下降，平衡被打破?？嗍w內(nèi)有SOD、CAT、POD、APX 等酶促防御的保護(hù)酶系統(tǒng)以及維生素E、維生素C、類胡蘿卜素等非酶類的自由基清除系統(tǒng)。干旱脅迫下，苦蕎中SOD、POD、CAT、APX 等含量升高，植物體內(nèi)通過抗氧化系統(tǒng)來清除由干旱脅迫下產(chǎn)生的活性氧自由基，以防止膜損傷。

2.2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

植物在逆境脅迫下會(huì)累積滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以降低滲透勢來適應(yīng)環(huán)境。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有可溶性糖、有機(jī)酸和無機(jī)鹽離子，其中一部分是植物細(xì)胞內(nèi)合成的有機(jī)物質(zhì)，如Pro、可溶性糖、甜菜堿等，另一部分是由外界進(jìn)入細(xì)胞的無機(jī)離子，如K+、Na+、Ca2+、Cl-等［12］。

在干旱條件下，外界離子可以進(jìn)入苦蕎的細(xì)胞中，累積在液泡內(nèi)，從而降低滲透勢，使細(xì)胞可以吸收外界的水分，正常生長。細(xì)胞內(nèi)自身合成的物質(zhì)，不會(huì)影響苦蕎細(xì)胞內(nèi)正常的生化反應(yīng)，其中Pro是較親和的物質(zhì)。在干旱脅迫下，苦蕎內(nèi)Pro 含量會(huì)累積，保持原生質(zhì)體與環(huán)境中的水分平衡，阻止失水，同時(shí)在復(fù)水后，脯氨酸可作為直接利用的氮源。甜菜堿是一類季銨化合物，干旱脅迫下，植物的甜菜堿含量會(huì)升高，主要由于甜菜堿醛脫氫酶活性增強(qiáng)，甜菜堿累積，從而抵御干旱脅迫［13］。干旱脅迫下，苦蕎可溶性糖含量增加，主要可能由于淀粉等糖類的分解，以及光合產(chǎn)物形成的過程中，直接轉(zhuǎn)向相對分子質(zhì)量低的蔗糖等物質(zhì)。

2.3 內(nèi)源激素

植物內(nèi)源激素包括ABA、IAA、細(xì)胞分裂素（Cytokinin，CK）、乙烯（Ethylene，ETH）、赤霉素（Gibberellin，GA）、油菜素內(nèi)酯（Brassinolide，BRs）等，這些植物內(nèi)源激素是植物生長發(fā)育的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)，是植物體內(nèi)的信號分子，對環(huán)境改變的響應(yīng)靈敏，可以響應(yīng)植物受到的干旱脅迫，激活植物體內(nèi)的生理生化反應(yīng)［14］。

研究發(fā)現(xiàn)，在不同水分處理濃度下，苦蕎葉片中的IAA、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（1-Aminocyclo propanecarboxylic Acid，ACC）、玉米素+玉米素核苷（Zeaxanthin+trans-Zeatin-riboside，Z+ZR）和多胺含量呈先增加后降低的趨勢，ABA 含量則呈先降低后增加的趨勢［15］。干旱脅迫下苦蕎葉片IAA 含量顯著降低，與對照組相比降低了27.05%，ABA 含量顯著升高，與對照組相比升高了52.66%；在復(fù)水處理后產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)，即IAA 含量升高，ABA 含量降低，彌補(bǔ)干旱對其造成的損傷［16］?？嗍w通過內(nèi)源激素的變化響應(yīng)干旱脅迫，進(jìn)而提高苦蕎的抗旱能力。

3 苦蕎對干旱脅迫的分子機(jī)制

3.1 基因表達(dá)

查爾酮合酶（Chalcone synthase，CHS）是苯丙烷途徑的限速酶之一，也是生物類黃酮合成途徑中的關(guān)鍵酶，其基因表達(dá)可調(diào)節(jié)植物的組織發(fā)育和非生物脅迫。研究表明，通過克隆苦蕎葉片CHS基因，獲得編碼391 個(gè)氨基酸殘基的1 188 bPFtCHS基因，實(shí)時(shí)熒光定量PCR 分析該基因在PEG-6000模擬干旱脅迫下苦蕎葉片的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)FtCHS的基因表達(dá)在12 h 內(nèi)表達(dá)水平很低，變化不顯著，而在12～48 h時(shí)明顯增加。結(jié)果表明，F(xiàn)tCHS基因總體波動(dòng)較小且基因表達(dá)趨于穩(wěn)定，可在短時(shí)間內(nèi)對干旱脅迫具有相對穩(wěn)定的適應(yīng)性，推測FtCHS基因參與了苦蕎植株的耐旱響應(yīng)過程［17］。

PEG-6000 模擬干旱處理后，苦蕎中的總黃酮含量與基因的表達(dá)量呈現(xiàn)某種關(guān)系，其中苦蕎葉中黃酮合成關(guān)鍵酶基因（CHI、FLS、FLS1、F3H）的基因表達(dá)量與總黃酮含量不一致，根、莖中這些基因表達(dá)量明顯提高，但總黃酮含量增加較少。這可能是由于花期中苦蕎由根、莖向葉中運(yùn)輸合成黃酮的前體物質(zhì)，并且篩管中存在著黃酮合成酶，在運(yùn)輸過程中可以完成黃酮的合成，從而引起葉片中總黃酮含量的增加。在干旱脅迫處理24 h 后，苦蕎葉片中的基因表達(dá)量提高，并且根、莖中總黃酮含量也增加。這可能是因?yàn)楦⑶o向葉中運(yùn)輸黃酮的前體減少，導(dǎo)致葉片中相關(guān)基因的表達(dá)，維持一定的總黃酮含量以期抵抗干旱脅迫［18］。

乙醇脫氫酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）是植物糖酵解過程中關(guān)鍵酶，可以降低代謝產(chǎn)物對自身的毒害作用。果膠甲酯酶（Pectin methyl esterase，PME）是果膠去甲酯化修飾的關(guān)鍵酶類，與植物的逆境響應(yīng)有關(guān)。郝彥蓉［19］從品苦1 號cDNA 中克隆到FtADH1 與FtPMEI13，結(jié)果分析表明，F(xiàn)tADH1 主要在根和莖中表達(dá)，F(xiàn)tPMEI13 主要在莖和葉中表達(dá)。甘露醇干旱處理后，與對照相比，二者轉(zhuǎn)基因株系抗氧化酶活性提高，ROS含量降低。PEG-6000處理毛狀根發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)根系中FtADH1 和FtPMEI13基因表達(dá)量顯著高于對照；且FtADH1 過表達(dá)根系的CAT、POD 和SOD 酶活性提升，MDA 含量下降?？梢奆tADH1 和FtPMEI13 均參與抗氧化酶活性調(diào)節(jié)，調(diào)控苦蕎抗旱途徑。

3.2 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子

轉(zhuǎn)錄因子是調(diào)控植物基因表達(dá)的重要因子，同樣在蕎麥的生長發(fā)育中揮發(fā)著重要的作用。目前，對苦蕎轉(zhuǎn)錄因子研究主要在骨髓母細(xì)胞增生癥病毒致癌基因同源物（v-myba-vian myeloblastosis viral oncogene homolog，V-MYB）、脫水反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（dehydration responsive element binding protein，DREB）、NAC（NAC transcription factors）轉(zhuǎn)錄因子等的家族上。MYB轉(zhuǎn)錄因子（MYB transcription factors）是含有MYB結(jié)構(gòu)域的一類轉(zhuǎn)錄因子，是調(diào)控黃酮合成途徑中最重要的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，表1 顯示了干旱脅迫下部分MYB家族成員及其功能。

表1 苦蕎MYB家族部分成員及其功能

DREB 是響應(yīng)逆境脅迫的一類重要轉(zhuǎn)錄因子。研究發(fā)現(xiàn)苦蕎發(fā)芽期的轉(zhuǎn)錄因子FtDREB1 和FtDREB2 對干旱脅迫中的應(yīng)答效應(yīng)，推測FtDREB1和FtDREB2 的C-末端多樣性可能與其轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控相關(guān)，通過轉(zhuǎn)錄后加工、缺失或其他方式來調(diào)控靶基因的表達(dá)水平，F(xiàn)tDREB1 和FtDREB2 主要在抵抗干旱脅迫中發(fā)揮重要作用［28］。趙夢雨等［29］從苦蕎中克隆得到FtDREB6 轉(zhuǎn)錄因子，其在苦蕎幼苗根中的表達(dá)量最高，且受干旱誘導(dǎo)表達(dá)。同時(shí)，該轉(zhuǎn)錄因子基因在擬南芥中過表達(dá)可通過提高擬南芥的發(fā)芽率，在毛狀根中過表達(dá)可通過提高SOD、CAT酶活性，進(jìn)而提高毛狀根對干旱的耐受性。

NAC（NAC transcription factors）是植物所特有的轉(zhuǎn)錄因子，在植物中參與干旱脅迫。黃娟等［30］研究發(fā)現(xiàn)，通過克隆FtNAC15 基因，分析表明FtNAC15基因可以調(diào)控蕎麥種子發(fā)育和響應(yīng)干旱脅迫。利用20% PEG-6000 干旱處理后，F(xiàn)tNAC17 基因的表達(dá)量呈波浪形變化，表明FtNAC17 可以響應(yīng)干旱脅迫并且可能與多個(gè)基因協(xié)同響應(yīng)干旱脅迫［31］。李靜歡等［32］研究發(fā)現(xiàn)，通過不同組織中FtNAC11 基因的表達(dá)水平，F(xiàn)tNAC11 調(diào)控蕎麥根的生長、花至種子的發(fā)育過程。楊迪等［33］從苦蕎中克隆得到FtNAC11 轉(zhuǎn)錄因子基因，其在苦蕎幼苗的葉片中表達(dá)量最高，且受干旱脅迫誘導(dǎo)表達(dá)。

TCP（Teosinte branched1/Cycloidea/Proliferating cell factor）轉(zhuǎn)錄因子是高等植物特有的一種轉(zhuǎn)錄因子家族，在植物生長發(fā)育和逆境脅迫中都有著很重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱處理下，苦蕎FtTCP2基因表達(dá)量在初期變化幅度不明顯或呈上升趨勢，在24 h 達(dá)到最大值；苦蕎FtTCP19基因表達(dá)量顯著上調(diào)，在12 h達(dá)到峰值［34］。

4 外源物質(zhì)對苦蕎干旱脅迫的緩減效應(yīng)

4.1 礦質(zhì)元素類

礦質(zhì)元素是除碳、氫、氧外，植物主要由根系從土壤中吸收的元素，是植物生長所必需的元素，可以促進(jìn)植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，合理地施加外源磷可以改善苦蕎的生長狀況，促進(jìn)苦蕎的地上生長和地下生長，增加根系與土壤的接觸面積，根系的抗氧化能力也顯著增加，有利于苦蕎抗旱性生長［35］。在干旱脅迫下增加施氮量來促進(jìn)苦蕎生長，增加其產(chǎn)量［36］。在相同施加氮、磷及氮磷肥條件下，隨著灌水量的減少，苦蕎幼苗根系的SOD、POD 活性以及MAD、可溶性糖、游離脯氨酸含量呈現(xiàn)增加趨勢?？嗍w莖高隨著氮、鉀施用量的增加，株高、單株粒數(shù)、單株粒重和千粒重呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢［37-38］。

4.2 外源激素類

植物激素，是植物體內(nèi)產(chǎn)生的微量有機(jī)化合物，在干旱逆境脅迫中發(fā)揮重要作用。褪黑素是一種多功能分子的生長促進(jìn)劑，可以提高ROS 的清除效率，以期植株免受干旱脅迫，有助于保護(hù)光合作用和防止干旱引起的氧化損傷，從而有助于提高植株的抗旱能力［39］。DEBNATH 等［40］研究發(fā)現(xiàn)，外源施加100 μmol/L 褪黑素，可以刺激酶促、非酶和次生代謝物酶的抗氧化活性，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來改善葉片水分狀況，增加蕎麥的抗旱能力。此外，外源施加褪黑素可以調(diào)節(jié)氣孔的運(yùn)動(dòng)，通過光合作用來保持水分的平衡。外源噴施100 μmol/L 褪黑素可以顯著提高苦蕎幼苗地上、地下部分的鮮重和干重，并且不同濃度處理的根冠比大于干旱脅迫處理的根冠比，減輕了干旱脅迫對光合色素的降解、細(xì)胞膜的損傷和膜脂的過氧化程度，緩解苦蕎的干旱脅迫［41］。

烯效唑是一種高效植物生長調(diào)節(jié)劑，是赤霉素合成抑制劑，可以抑制細(xì)胞生長、縮短節(jié)間、矮化植株，促進(jìn)側(cè)芽生長和花芽形成，增強(qiáng)抗逆性。選用烯效唑浸種處理苦蕎，降低苦蕎苗高，提高苦蕎莖粗、葉面積、根冠比，提高葉片的相對含水量、脯氨酸含量、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量，提高根系含水量。通過對苦蕎浸種處理，降低了脂質(zhì)過氧化程度，減少M(fèi)DA的含量，保護(hù)細(xì)胞膜的完整性，抵御干旱逆境脅迫［42］。

脫落酸、赤霉素、茉莉酸甲酯等外源激素亦能增強(qiáng)苦蕎對干旱脅迫的抗性。研究發(fā)現(xiàn)，利用ABA、GA3、茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate，MeJA）和水楊酸（Salicylic acid，SA）處理苦蕎幼苗，均能誘導(dǎo)FtTCP2 和FtTCP19 在苦蕎莖和葉片中的表達(dá)，進(jìn)而提高苦蕎響應(yīng)干旱逆境脅迫的能力［34］。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，苦蕎作為一種天然綠色的食品原料和重要的食藥兼用作物，其營養(yǎng)價(jià)值突出，適合現(xiàn)代倡導(dǎo)的健康飲食。近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上受到干旱等自然災(zāi)害的影響，苦蕎產(chǎn)量呈下降趨勢。研究苦蕎對干旱脅迫的應(yīng)答機(jī)制以及外源物質(zhì)的緩減效應(yīng)，有助于明晰干旱對苦蕎生理、分子指標(biāo)上的應(yīng)答變化，進(jìn)而選育出耐旱性苦蕎品種，為開發(fā)出更多功效價(jià)值提供參考，選擇合適的緩減干旱物質(zhì)，提高苦蕎的產(chǎn)量?？嗍w抗旱性研究可以指導(dǎo)其在農(nóng)業(yè)上的生產(chǎn)，但目前外源物質(zhì)對苦蕎的緩減效應(yīng)機(jī)理尚不清楚，以及對外源物質(zhì)開發(fā)利用的不全面，所以在今后的研究中可以探究不同的外源物質(zhì)對苦蕎干旱脅迫的緩減效應(yīng)，進(jìn)一步闡明其緩減效應(yīng)的機(jī)理及意義，為苦蕎的生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)，對苦蕎產(chǎn)量及品質(zhì)的提升具有重要意義。