鄒利茹，張福順，劉乃新，黃平仙

（1.黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，哈爾濱 150080）

0 引言

在自然環(huán)境中，植物經(jīng)常受到生物和非生物的雙重脅迫[1]。無(wú)論是高溫、低溫、鹽堿化、干旱、重金屬等非生物脅迫，還是病原體侵染、食草動(dòng)物攻擊等生物脅迫，都會(huì)顯著降低作物產(chǎn)量[2]。其中，干旱、鹽堿和溫度脅迫是影響自然界植物地理分布、限制作物生產(chǎn)力和威脅糧食安全的主要因素[3]，每年非生物脅迫都會(huì)造成6%～20%的作物損失[4]。與此同時(shí)，植物通過(guò)不斷進(jìn)化，形成極為精細(xì)復(fù)雜的生理和分子機(jī)制，從而來(lái)應(yīng)對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育中的逆境[5]。隨著分子技術(shù)興起，以基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與代謝組學(xué)等為代表的分子技術(shù)，可有效地了解、分析植物對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)機(jī)制，包括基因表達(dá)模式、蛋白表達(dá)模式和代謝產(chǎn)物模式等[6-7]。認(rèn)識(shí)植物對(duì)非生物脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制，是提高植物抗逆性的關(guān)鍵，對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和維持環(huán)境的可持續(xù)性都至關(guān)重要。

甜菜（Beta vulgarisL.）是我國(guó)東北、西北、華北三大產(chǎn)區(qū)制糖產(chǎn)業(yè)的重要原料[8]，也是世界溫帶地區(qū)重要的制糖原料[9]，甜菜糖占世界30%的糖產(chǎn)量[10]。甜菜不僅可應(yīng)用于食品工業(yè)，而且用于可再生能源的生產(chǎn)（如乙醇）、果膠的提取[11]等，還具有抗高血壓、降血糖、抗氧化、抗炎和護(hù)肝等作用[12]。甜菜葉片維管束和柵欄組織發(fā)育良好，直根系作物，根系發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的耐旱性[13]。但是，近年來(lái)，全球變暖日益加劇，水資源短缺問(wèn)題越發(fā)突出，世界干旱趨勢(shì)日趨嚴(yán)峻，并常常伴隨高溫?zé)崂税l(fā)生，二者相互作用，嚴(yán)重制約著農(nóng)作物生產(chǎn)發(fā)展[14]，其中，干旱導(dǎo)致甜菜減產(chǎn)的報(bào)道也屢見(jiàn)不鮮[15]。我國(guó)大部地區(qū)均有干旱頻繁發(fā)生現(xiàn)象[16]，并且干旱受災(zāi)面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于洪澇災(zāi)害受災(zāi)面積，近年來(lái)，我國(guó)干旱形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)重，干旱的強(qiáng)度和頻率均呈上升趨勢(shì)[17]。盡管甜菜是耐旱作物，但甜菜生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)區(qū)域依然正在向鹽堿、干旱和冷涼地區(qū)擴(kuò)展，這些地區(qū)水資源相對(duì)匱乏，干旱已經(jīng)被證實(shí)是限制甜菜產(chǎn)量及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[18-19]。

基于此，對(duì)于研究甜菜干旱脅迫條件下的響應(yīng)機(jī)制就顯得尤為必要，甜菜作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，掌握其生長(zhǎng)過(guò)程中的干旱脅迫，可有效地提高甜菜的生產(chǎn)性能，改善其產(chǎn)量。本文從生理變化、基因功能、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等方面，綜述甜菜對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)于提高甜菜逆境生產(chǎn)力具有重要意義，為培育高抗旱性的甜菜及其他作物的育種提供新的見(jiàn)解和思路。

1 甜菜干旱脅迫下的生理生化特性

1.1 甜菜在干旱脅迫下生理生化的響應(yīng)

一般來(lái)說(shuō)，在干旱條件下，植物會(huì)進(jìn)化出各種生理、形態(tài)和生化反應(yīng)來(lái)應(yīng)對(duì)干旱脅迫[20]。甜菜在受到干旱脅迫，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)在體內(nèi)合成一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境，在這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中，以脯氨酸為主要調(diào)節(jié)物質(zhì)[21]。甜菜中可溶性物質(zhì)（K、Na、氨基酸、甜菜堿、葡萄糖和果糖）的濃度在生長(zhǎng)過(guò)程中呈下降趨勢(shì)，但在干旱條件下呈上升趨勢(shì)，當(dāng)添加蔗糖時(shí)，植株的溶質(zhì)總和是恒定的，其中相容性溶質(zhì)濃度與蔗糖濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，干旱條件下甜菜貯藏根中相容溶質(zhì)的積累可能是限制蔗糖積累的生理約束[15]。干旱脅迫對(duì)甜菜的大部分生化特性都有顯著影響，其中光合色素含量、游離氨基酸和過(guò)氧化物酶（POD）活性顯著降低[22]；會(huì)顯著上調(diào)葉片脯氨酸含量、丙二醛（MDA）含量、過(guò)氧化氫（H2O2）含量、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）、CAT和POD 活性及LPO（脂質(zhì)過(guò)氧化）活性[22-23]。干旱脅迫下，抗旱性強(qiáng)的甜菜基因型體內(nèi)的超氧化物歧化酶（SOD）、POD、CAT活性和抗壞血酸（AsA）含量高于抗旱性弱的甜菜基因型；而超氧陰離子自由基、H2O2、MDA 和類胡蘿卜素（Car）含量均低于抗旱性弱的甜菜基因型[24]。干旱脅迫導(dǎo)致PSII 光化學(xué)反應(yīng)中心參與光合作用有關(guān)酶類的可逆性失活，當(dāng)干旱脅迫持續(xù)加重時(shí)，葉肉細(xì)胞內(nèi)與光合作用有關(guān)酶類活性的降低成為甜菜光合生產(chǎn)的主要限制因素[25]。韓凱虹等[26]對(duì)甜菜進(jìn)行不同時(shí)期干旱脅迫及復(fù)水試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期甜菜補(bǔ)水處理（CK）的凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）日變化呈“單峰”型，而缺水呈“雙峰”變化，干旱脅迫使甜菜糖分積累期日蒸騰量及日光合量分別降低70%～75%和63%～70%，日水分利用效率升高。結(jié)果表明，干旱脅迫導(dǎo)致甜菜Pn 與Tr出現(xiàn)非可逆性降低，且Pn低效期延長(zhǎng)，這是限制甜菜產(chǎn)量的重要原因。STAGNAR等[27]對(duì)甜菜進(jìn)行不同水分脅迫處理，研究紅甜菜對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，探討其在不同水分條件下生長(zhǎng)、物質(zhì)量積累和生物活性分子積累等方面的適應(yīng)性變化。研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)水分脅迫下，植株向根系分配的干物質(zhì)較少，氣孔導(dǎo)度（Gs）明顯降低，總酚含量和甜菜素含量顯著提高，抗氧化活性提升，結(jié)果表明，紅甜菜具有很強(qiáng)的干旱適應(yīng)可塑性。李國(guó)龍等[28-29]對(duì)干旱條件下甜菜幼苗葉片抗氧化系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及部分激素對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)進(jìn)行研究，指出甜菜SOD 活性、POD 活性、MDA 含量、AsA 含量、下游離脯氨酸含量、甜菜堿含量、ABA 含量、細(xì)胞水勢(shì)等均可作為甜菜品種苗期抗旱性鑒定的有效生理指標(biāo)。

1.2 甜菜在干旱脅迫復(fù)水后生理生化的響應(yīng)

在間歇性干旱地區(qū)，產(chǎn)量的形成取決于脅迫停止后植株的恢復(fù)能力[30]，我國(guó)“三北”地區(qū)是典型的間歇性干旱區(qū)。雖然間歇性干旱對(duì)植物生理和代謝過(guò)程的影響經(jīng)常被提及，但對(duì)植物復(fù)水反應(yīng)的研究是有限的[31]。就甜菜而言，Bloch等[32]在不同嚴(yán)重干旱脅迫條件下，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究?jī)煞N基因型甜菜的主根成分和與品質(zhì)相關(guān)的溶質(zhì)濃度的差異、復(fù)水后干旱影響的可逆性以及對(duì)干旱反應(yīng)的基因型差異，結(jié)果表明干旱導(dǎo)致甜菜主根溶質(zhì)積累，甜菜品質(zhì)顯著下降，通過(guò)復(fù)水，只有部分可逆，而溶質(zhì)的積累與耐旱性沒(méi)有關(guān)系。MONTI等[33]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在干旱條件下甜菜的光合性能顯著下降，干物質(zhì)積累和蔗糖含量也呈下降趨勢(shì)，復(fù)水后甜菜的光合性能顯著提升，但蔗糖含量卻沒(méi)有增加。李陽(yáng)陽(yáng)等[13]對(duì)甜菜葉叢生長(zhǎng)期在干旱脅迫條件下的生理特性進(jìn)行研究，對(duì)土壤持水量（WHC）進(jìn)行70%、50%和30%的處理（參照田間持水量）。研究發(fā)現(xiàn)，甜菜葉叢生長(zhǎng)期中度缺水處理（50%WHC）的補(bǔ)償指數(shù)最大，甜菜葉片中CAT 活性、MDA 含量、可溶性糖含量及相對(duì)電導(dǎo)率均在復(fù)水后24 h產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)，脯氨酸在復(fù)水后48 h產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)，而POD 未發(fā)生補(bǔ)償效應(yīng)，酶促活性氧清除系統(tǒng)中以CAT 反應(yīng)最為靈敏。同時(shí)，李陽(yáng)陽(yáng)等[34]還對(duì)相同處理下甜菜糖分積累期的生理特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，30%WHC 處理，無(wú)論是產(chǎn)量還是產(chǎn)糖量都顯著高于70%和50%WHC，而復(fù)水前30%WHC處理葉片Pn顯著低于其他兩組處理，復(fù)水后葉片Pn的差異隨時(shí)間推移減小，而胞間CO2濃度（Ci）則表現(xiàn)相反，在這些指標(biāo)中，葉片脯氨酸和可溶性糖含量與缺水程度呈正相關(guān)，且變化最為靈敏，復(fù)水后的葉片，抗氧化防御體系、細(xì)胞膜透性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)生正補(bǔ)償效應(yīng)，MDA 含量降低，抗氧化性酶活性增強(qiáng)，脯氨酸和可溶性糖含量呈增加趨勢(shì)。因此，在甜菜葉叢快速生長(zhǎng)期，當(dāng)下降至50%WHC 時(shí)，及時(shí)進(jìn)行水分補(bǔ)充灌溉，可促使葉片產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)，降低干旱脅迫對(duì)甜菜根產(chǎn)量和含糖的影響；在糖分積累期，下降至30%WHC時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，可緩解水分虧缺對(duì)甜菜產(chǎn)生的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)滴灌甜菜節(jié)水高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。WEDEKING 等[30]對(duì)干旱脅迫復(fù)水后甜菜葉和根的代謝恢復(fù)差異性進(jìn)行研究，通過(guò)非靶向1H-NMR代謝組學(xué)分析，對(duì)己糖-磷酸鹽、淀粉、氨基酸、硝酸鹽和蛋白質(zhì)進(jìn)行靶向分析，測(cè)定相對(duì)含水量、滲透電位、電解質(zhì)滲漏和MDA 濃度等生理指標(biāo)，結(jié)果表明，干旱引起初級(jí)代謝的變化，而且器官特異性的代謝恢復(fù)反應(yīng)是存在差異的，就新陳代謝而言，恢復(fù)并不僅僅是應(yīng)激反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)。因此，為了保持甜菜高產(chǎn)，了解短暫干旱后葉和根在代謝調(diào)節(jié)和恢復(fù)中的相似性和特異性是很有必要的。唐利華等[35]證實(shí)甜菜具有較強(qiáng)的耐旱能力，并強(qiáng)調(diào)進(jìn)行甜菜耐旱性研究時(shí)，一定要在發(fā)生永久萎蔫之前進(jìn)行復(fù)水補(bǔ)救，能使其根系活力回升，保證甜菜正常生長(zhǎng)。WEDEKING 等[36]對(duì)連續(xù)干旱后灌水的甜菜進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)甜菜細(xì)胞形態(tài)、水分狀況、滲透調(diào)節(jié)、代謝變化和膜損傷破壞性進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在復(fù)水過(guò)程中，甜菜幼苗迅速恢復(fù)水分關(guān)系，但由于膜損傷和部分氣孔關(guān)閉持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能對(duì)后續(xù)的脅迫結(jié)果產(chǎn)生影響，同時(shí)，在甜菜次生生長(zhǎng)的開(kāi)始階段，主根比芽需要更多的時(shí)間來(lái)恢復(fù)水分狀態(tài)和重新調(diào)整初級(jí)代謝產(chǎn)物。綜上所述，甜菜干旱脅迫復(fù)水后的生理響應(yīng)的研究，對(duì)于提高甜菜干旱脅迫下的產(chǎn)量具有重要意義。

2 甜菜干旱脅迫響應(yīng)中的組學(xué)技術(shù)應(yīng)用

近年來(lái)，基于下一代測(cè)序（NGS）、基因編輯系統(tǒng)、基因沉默和過(guò)表達(dá)方法的基因組學(xué)知識(shí)為揭示植物生物和非生物脅迫反應(yīng)機(jī)制提供了大量的遺傳信息[37]。在轉(zhuǎn)錄組水平上，技術(shù)的創(chuàng)新使得我們能對(duì)不同環(huán)境脅迫條件下轉(zhuǎn)錄組水平上發(fā)生的變化進(jìn)行概述，微陣列和RNA測(cè)序技術(shù)被用來(lái)闡明在各種植物中生物和非生物脅迫下的基因差異表達(dá)[38-39]。蛋白質(zhì)組學(xué)是后基因組時(shí)代新興的基因組學(xué)技術(shù)[40]，蛋白質(zhì)技術(shù)對(duì)上千種蛋白質(zhì)進(jìn)行自主識(shí)別和定量[41]，蛋白質(zhì)組學(xué)可用來(lái)比較不同脅迫條件下的植物蛋白質(zhì)組[42]，這是理解生物系統(tǒng)及其規(guī)則的必要工具。代謝組學(xué)的研究對(duì)象大都是相對(duì)分子質(zhì)量1 000以內(nèi)的小分子物質(zhì)，是尋找代謝物與生理病理變化相對(duì)關(guān)系的一種研究方式，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分[43]，近年來(lái)，代謝組學(xué)被廣泛用于研究植物代謝產(chǎn)物對(duì)非生物脅迫的反應(yīng)，如干旱、洪澇、鹽堿和極端溫度（冷、熱）等[44]。顯然，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)之間可相互驗(yàn)證和互補(bǔ)，可進(jìn)一步為提高植物抗逆性提供有效途徑。

2.1 甜菜在干旱脅迫下蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用

HAJHEIDARI等[45]研究了干旱脅迫下甜菜蛋白質(zhì)組學(xué)變化，收集播種后157 d的正常澆水和干旱處理的植物葉子，使用2D-DIGE 分析蛋白質(zhì)的變化，然后進(jìn)行圖像分析，結(jié)果檢測(cè)到500 多個(gè)蛋白點(diǎn)，其中79 個(gè)點(diǎn)在干旱脅迫下有顯著變化，將其中的20 個(gè)蛋白點(diǎn)進(jìn)行LC-MS/MS 鑒定，鑒定到其中有11 種蛋白質(zhì)參與到氧化應(yīng)激、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和氧化還原調(diào)節(jié)等過(guò)程。SCHNEIDER 等[46]為了找到甜菜對(duì)干旱脅迫快速反應(yīng)的調(diào)控關(guān)鍵機(jī)制，對(duì)甜菜進(jìn)行連續(xù)干旱11 d 或9 d，再逐步灌水14 d的試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)葉片蛋白質(zhì)組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)甜菜在從中度干旱脅迫過(guò)渡到重度干旱脅迫時(shí)，蛋白質(zhì)反應(yīng)延遲，而這種延遲的蛋白質(zhì)反應(yīng)在嚴(yán)重干旱和最初復(fù)水后的反應(yīng)強(qiáng)度是相似的。在復(fù)水后，誘導(dǎo)應(yīng)力響應(yīng)過(guò)程減慢，其中一些蛋白質(zhì)在復(fù)水后的幾天內(nèi)仍然保持原位或進(jìn)一步增加/減少，直至恢復(fù)到控制水平。因此，SCHNEIDER等[46]認(rèn)為其中一些殘留蛋白質(zhì)可能參與干旱脅迫的適應(yīng)和記憶效應(yīng)。彭春雪[47]利用雙向電泳分離出了‘T510’和‘T210’兩種甜菜品系干旱脅迫響應(yīng)蛋白，經(jīng)質(zhì)譜分析鑒定及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索，發(fā)現(xiàn)與能量代謝、信號(hào)傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄和光合作用相關(guān)的蛋白在提高甜菜抗旱能力上有重要作用。李國(guó)龍等[48]為從蛋白質(zhì)組學(xué)水平了解甜菜對(duì)干旱脅迫的應(yīng)答，進(jìn)一步明確甜菜的抗旱分子機(jī)理，通過(guò)雙向電泳技術(shù)對(duì)甜菜耐旱品種‘HI0466’正常供水和干旱脅迫條件下葉片差異表達(dá)蛋白質(zhì)組進(jìn)行對(duì)比研究，質(zhì)譜鑒定獲得17個(gè)差異表達(dá)蛋白點(diǎn)，其中，豐度上調(diào)10 個(gè)，新出現(xiàn)蛋白點(diǎn)6個(gè)，豐度下調(diào)1 個(gè)。這表明干旱脅迫蛋白在光合作用、物質(zhì)與能量代謝、活性氧清除、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運(yùn)輸和蛋白質(zhì)合成等方面發(fā)揮重要作用。WANG 等[49]對(duì)兩個(gè)具有不同耐旱性甜菜的生理和蛋白組學(xué)進(jìn)行分析，驗(yàn)證蛋白質(zhì)在植物耐旱性中的作用，結(jié)果顯示，在干旱條件下，在敏感品種和耐旱品種中分別鑒定出23個(gè)和27個(gè)抗旱蛋白，根據(jù)其功能，這些蛋白質(zhì)被分為9類，不同的生物過(guò)程中，許多蛋白質(zhì)和基因型之間顯示出不同的豐度模式，盡管在兩品種間，有些蛋白質(zhì)的變化趨勢(shì)相似，但它們的變化程度還是存在差異的。此外，也證實(shí)了轉(zhuǎn)錄組與蛋白水平之間的相關(guān)性較差，這有助于加深我們對(duì)干旱脅迫下不同甜菜基因型的綜合生理和蛋白質(zhì)組反應(yīng)的理解。

2.2 甜菜在干旱脅迫下基因組學(xué)的應(yīng)用

植物已經(jīng)進(jìn)化出適應(yīng)的機(jī)制來(lái)抵抗環(huán)境脅迫，其中脯氨酸的積累便是一種干旱響應(yīng)策略[50]。Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）是谷氨酸合成途徑中氨酸合成中的關(guān)鍵酶，它是一個(gè)雙功能酶[21]。P5CS的作用在擬南芥中已經(jīng)得到驗(yàn)證，在干旱條件下，擬南芥中過(guò)表達(dá)的P5CS1可以增強(qiáng)脯氨酸積累和提高擬南芥的抗逆性[51]。P5CS在甜菜中的作用也得到了充分的挖掘。龔攀等[52]通過(guò)在甜菜中構(gòu)建病毒誘導(dǎo)基因沉默體系，驗(yàn)證了P5CS具有抗旱功能。楊虎臣[21]使用15% PEG6000 對(duì)3 個(gè)耐旱性不同的甜菜品系‘W6-1’、‘CL-6’、‘DY-5’進(jìn)行模擬干旱脅迫，從生理及分子生物學(xué)角度研究發(fā)現(xiàn)Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶（P5CR）和P5CS基因是抗旱關(guān)鍵基因，它們通過(guò)調(diào)節(jié)脯氨酸積累參與甜菜抗逆，在干旱脅迫后，δ-OAT基因表達(dá)量無(wú)明顯變化，P5CR和P5CS基因表達(dá)量上調(diào)，ProDH基因表達(dá)量下調(diào)，從而得出P5CR和P5CS基因是抗旱相關(guān)基因，其中P5CS基因是抗旱關(guān)鍵基因，干旱脅迫后，通過(guò)上調(diào)P5CS基因表達(dá)量，提高P5CS酶活性，從而提高脯氨酸的合成。李國(guó)龍[53]對(duì)國(guó)內(nèi)外30 份甜菜種質(zhì)資源的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選出抗旱性強(qiáng)、弱的兩個(gè)品種為試驗(yàn)材料，對(duì)其抗旱生理生化及分子機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下，脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖、可溶性蛋白在滲透調(diào)節(jié)中的作用顯著，其中脯氨酸和甜菜堿在P5CS和BADH基因的實(shí)時(shí)、過(guò)量表達(dá)下，成為兩種甜菜的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的增加及增幅的增強(qiáng)可提高甜菜抗旱性。孫宗艷[19]采用生物信息學(xué)分析與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段研究干旱脅迫下甜菜不同品種幼苗葉、根中miR160/164及其靶基因的表達(dá)量變化，使用15%PEG6000 對(duì)甜菜耐旱品種‘W6-1’和干旱敏感型品種‘CL-6’幼苗進(jìn)行模擬干旱脅迫處理，利用熒光定量PCR技術(shù)對(duì)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的甜菜幼苗根葉樣品進(jìn)行miR160/164及其靶基因和及P5CS基因的表達(dá)量分析，得出miR160/164及其靶基因參與干旱脅迫應(yīng)答過(guò)程。

盡管只有十幾年的研究，但眾多學(xué)者對(duì)H+-PPase 基因的研究已取得了很大的進(jìn)展，其中，在AVP1遺傳轉(zhuǎn)化上應(yīng)用較多。PARK 等[54]將AVP1基因轉(zhuǎn)入番茄中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因番茄的根系生長(zhǎng)快且比較發(fā)達(dá)，其抗旱能力明顯增強(qiáng)。為了探討AVP1基因在甜菜中是否具有相似作用，王曉嬌等[55]將AVP1基因?qū)胩鸩酥校@得轉(zhuǎn)基因植株，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植物具有一定的抗旱性。王曉嬌[56]利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將AVP1基因轉(zhuǎn)入甜菜中，對(duì)部分轉(zhuǎn)基因株系進(jìn)行干旱脅迫處理，測(cè)定非轉(zhuǎn)基因植株和轉(zhuǎn)基因植株葉及根中相對(duì)含水量、游離脯氨酸、MDA 含量變化，初步證明轉(zhuǎn)AVP1基因提高轉(zhuǎn)基因甜菜的抗旱性。在此基礎(chǔ)上，劉雪[57]對(duì)轉(zhuǎn)AVP1基因甜菜的分子檢測(cè)和功能進(jìn)行鑒定，將轉(zhuǎn)基因甜菜和野生型甜菜進(jìn)行干旱和鹽脅迫處理，比較了二者在形態(tài)、MDA含量、游離脯氨酸含量等方面的差異，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)AVP1基因甜菜對(duì)高鹽和干旱脅迫的適應(yīng)性優(yōu)于野生型甜菜，進(jìn)一步證明了轉(zhuǎn)AVP1基因甜菜具有一定的耐鹽、耐旱性。

除了上述基因之外，甜菜的干旱響應(yīng)還可能與甜菜堿醛脫氫酶（BADH）基因、2-半胱氨酸過(guò)氧氧化蛋白（2-cysprx）和核苷二磷酸激酶（NDPK）候選基因有關(guān)。BADH是植物合成甜菜堿的關(guān)鍵酶，受BADH基因調(diào)控[58]。LI等[59]通過(guò)盆栽試驗(yàn)，比較了兩個(gè)耐旱性不同的甜菜品種甜菜堿含量與BADH基因表達(dá)的關(guān)系，結(jié)果表明，在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)錄本上調(diào)與甜菜堿積累之間存在明顯相關(guān)性，其中，耐旱品種的甜菜堿含量和BADH基因表達(dá)顯著增加。因此，甜菜堿積累和BADH基因表達(dá)可能是甜菜消除干旱負(fù)面影響的一種響應(yīng)，對(duì)水分脅迫下甜菜維持光合活性起關(guān)鍵作用。當(dāng)然，除了上述的基因家族，甜菜中也存在其他干旱響應(yīng)基因。RAJABI等[60]對(duì)4個(gè)不同基因型甜菜的干旱響應(yīng)進(jìn)行研究，在干旱脅迫條件下，采用RT-PCR對(duì)2-cysprx和NDPK候選基因的表達(dá)進(jìn)行分析，結(jié)果表明這兩種基因都與干旱脅迫相關(guān)，但其具體功能還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。此外，王宇光等[61]還發(fā)現(xiàn)甜菜M14 品系咖啡酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（BvM14-CCoAOMT）基因可以提高甜菜植株的抗旱及耐鹽性。抗旱性強(qiáng)的甜菜品種體內(nèi)SOD基因表達(dá)量大于抗旱性弱的品種，但SOD基因的表達(dá)量與干旱脅迫強(qiáng)度無(wú)關(guān)，POD基因表達(dá)量多少與POD酶活性變化呈正相關(guān)關(guān)系[24]。

2.3 甜菜在干旱脅迫下轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用

植物的生存環(huán)境復(fù)雜多變，容易遭受干旱、低溫、高鹽和病蟲害等逆境的脅迫，嚴(yán)重制約植株正常生長(zhǎng)發(fā)育和作物產(chǎn)量。不同作物可以通過(guò)自身基因的表達(dá)調(diào)控抵御逆境的侵害。研究表明，植物特異NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的、最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，在響應(yīng)植物干旱脅迫反應(yīng)等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[62]。WU等[63]發(fā)現(xiàn)，枸橘NAC 轉(zhuǎn)錄因子PtrNAC72基因可以調(diào)節(jié)腐胺活性，降低植株耐旱性。甜菜NAC 轉(zhuǎn)錄因子基因（BvNAC）家族成員近年來(lái)也逐漸受到科研工作者的關(guān)注。徐曉陽(yáng)等[62]以NAC 保守結(jié)構(gòu)域序列為檢索序列通過(guò)HMM 和BLAST 在甜菜數(shù)據(jù)中進(jìn)行同源性搜索，對(duì)甜菜BvNAC 家族成員進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明，在干旱脅迫下BvNAC 家族成員中有23 個(gè)基因上調(diào)表達(dá)，為揭示甜菜耐旱分子機(jī)理和發(fā)掘甜菜耐旱基因提供了理論依據(jù)。徐曉陽(yáng)[64]還對(duì)甜菜抗旱相關(guān)NAC 轉(zhuǎn)錄因子Bv_twas和Bv_hdfh基因進(jìn)行克隆和功能驗(yàn)證，將Bv_twas和Bv_hdfh在擬南芥中異源過(guò)表達(dá)，干旱脅迫下，觀察到轉(zhuǎn)基因株系根長(zhǎng)及側(cè)根數(shù)量增加，地上部分長(zhǎng)勢(shì)也優(yōu)于野生型；同時(shí)，轉(zhuǎn)基因擬南芥葉片的SOD、CAT活性明顯高于野生型，但POD 活性無(wú)明顯差異，相對(duì)電導(dǎo)率低于野生型，這表明Bv_twas和Bv_hdf是耐旱功能基因。

除了NAC 轉(zhuǎn)錄因子外，MYB轉(zhuǎn)錄因子家族也是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一[65]，其最早發(fā)現(xiàn)于擬南芥和玉米中，調(diào)控著許多重要基因的表達(dá)[66]。已有研究表明，MYB轉(zhuǎn)錄因子參與植物逆境脅迫調(diào)控[67]，如光照、干旱、鹽甚至病蟲害等。此外，MYB轉(zhuǎn)錄因子還參與調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育、生理代謝、細(xì)胞的形態(tài)和模式建成等生理過(guò)程[68]。劉蕊等[69]研究干旱環(huán)境下甜菜MYB 基因家族的表達(dá)模式，對(duì)15%PEG 模擬干旱脅迫處理試驗(yàn)組和蒸餾水對(duì)照組萌發(fā)期甜菜的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行高通量測(cè)序，結(jié)果表明，試驗(yàn)獲得的79個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子中42個(gè)在干旱脅迫下差異表達(dá)，這為甜菜抗干旱脅迫育種提供了基因資源和理論基礎(chǔ)。

3 外源調(diào)控物質(zhì)對(duì)甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

3.1 施用L-鳥(niǎo)氨酸對(duì)甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

有研究表明，在干旱條件下，植物會(huì)通過(guò)一些生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和滲透保護(hù)劑來(lái)應(yīng)對(duì)干旱，其中包含如游離氨基酸、糖和多胺等[70]。其中，L-鳥(niǎo)氨酸是多胺的前體，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起重要作用[71]，它是精氨酸生物合成的中間化合物，也是植物中滲透保護(hù)物質(zhì)脯氨酸合成過(guò)程中的初始底物[72]。多胺影響植物DNA、RNA和蛋白質(zhì)的生物合成，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，具有延緩衰老，提高植物抗性[73]，清除植物體內(nèi)自由基等作用，在一定程度上能保護(hù)膜免受氧化損傷，從而緩解植物干旱脅迫負(fù)面影響[74]。HUSSEIN 等[22]通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了L-鳥(niǎo)氨酸作為多胺前體在盆栽甜菜中的應(yīng)用，結(jié)果表明，葉面施用L-鳥(niǎo)氨酸能有效緩解干旱脅迫對(duì)甜菜根長(zhǎng)、根重和莖重的有害影響，調(diào)節(jié)可溶性糖和游離氨基酸等物質(zhì)積累，降低脂質(zhì)過(guò)氧化，增加抗氧化酶和合成新的多肽，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，從而提高甜菜的耐旱性。盡管L-鳥(niǎo)氨酸是脯氨酸的合成途徑之一，但楊虎臣[21]的研究表明，干旱脅迫后，甜菜通過(guò)調(diào)控增加幼葉脯氨酸含量來(lái)達(dá)到抗旱的目的，而在脯氨酸積累的過(guò)程中，鳥(niǎo)氨酸→脯氨酸途徑不占主導(dǎo)地位，谷氨酸→脯氨酸途徑才是主要途徑。L-鳥(niǎo)氨酸是一種昂貴的緩解干旱脅迫效應(yīng)的氨基酸，盡管不是甜菜體內(nèi)脯氨酸合成的主要途徑，但從經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的角度來(lái)看，它是一種重要的天然化合物，能有助于提高植物的干旱耐受性。

3.2 施用脯氨酸對(duì)甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

滲透調(diào)節(jié)劑是應(yīng)用于葉片的兼容化合物，通過(guò)減少滲透脅迫相關(guān)的損傷來(lái)保護(hù)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)免受干旱的傷害[75]，如脯氨酸等，通過(guò)緩解非生物脅迫對(duì)作物的不利影響，調(diào)節(jié)植物中的滲透電位，從而應(yīng)對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中的生物或非生物脅迫[76]。除了滲透調(diào)節(jié)特性外，脯氨酸還具有維持生物膜、穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、碳和氮儲(chǔ)存以及平衡干旱脅迫植物的氧化還原狀態(tài)等作用[77]。LIANG 等[76]指出施用葉面脯氨酸，可以上調(diào)植株的脯氨酸水平，增強(qiáng)植株的耐旱性。據(jù)ALI 等[78]報(bào)道，對(duì)玉米葉片用脯氨酸處理，可以提高干旱脅迫下玉米光合能力。在甜菜中，葉面脯氨酸的施用也能提高其耐旱能力。GHAFFARI等[23]驗(yàn)證了施用葉面脯氨酸對(duì)甜菜耐旱能力的影響，結(jié)果顯示，在脯氨酸的應(yīng)用下，MDA 和過(guò)氧化氫含量會(huì)顯著下調(diào)，同時(shí)還能減輕干旱導(dǎo)致的葉片光合色素、葉片相對(duì)含水量、膜穩(wěn)定性指數(shù)和甜菜根產(chǎn)量下降的現(xiàn)象?？偠灾?，脯氨酸的應(yīng)用可通過(guò)增強(qiáng)抗氧化酶活性，減少M(fèi)DA和過(guò)氧化氫的含量，從而緩解干旱在甜菜中的有害影響。

3.3 施用茉莉酸對(duì)甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

有研究表明茉莉酸（JA）參與植物的干旱脅迫[79]，在許多植物中，都證實(shí)了施用外源茉莉酸甲酯（MeJA）或其甲基化衍生物，可以提高植物干旱條件下的性能[79-80]。據(jù)報(bào)道[80-81]，干旱脅迫植物在接受JA 或MeJA 處理后，光合速率、葉片相對(duì)含水量、葉綠素濃度、脯氨酸濃度、甜菜堿濃度和生物量積累都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，減輕了脂質(zhì)過(guò)氧化和膜損傷程度。FUGATE 等[82]研究了MeJA 是否可以減輕甜菜的干旱影響，結(jié)果表明，MeJA延遲了甜菜細(xì)胞脫水，保護(hù)甜菜光合器官免受干旱引起的損害。因此，外源施用MeJA 可以緩解甜菜幼苗干旱脅迫，是減少甜菜生產(chǎn)初期因干旱造成經(jīng)濟(jì)損失的一種有效手段。

3.4 施用富勒烯醇納米顆粒對(duì)甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

除了上述施用L-鳥(niǎo)氨酸、MeJA、脯氨酸等以外，施用富勒烯醇納米顆粒（FNPs）也能有效緩解干旱對(duì)甜菜的影響。主要是由于FNPs能夠穿透植物的葉子和根組織，在不同的細(xì)胞隔間與水分結(jié)合[83]，可作為額外的細(xì)胞間供水物質(zhì)，從而緩解干旱脅迫的影響[84]。BORI?EV 等[85]研究FNPs對(duì)干旱脅迫下甜菜植株的影響，結(jié)果表明，在干旱甜菜葉片上應(yīng)用FNPs可以改善細(xì)胞內(nèi)的水分代謝，F(xiàn)NPs 可以作為細(xì)胞內(nèi)水的結(jié)合劑，創(chuàng)造額外的水儲(chǔ)備，使其能夠適應(yīng)干旱脅迫。此外，對(duì)植物抗氧化酶活性（CAT、APX和GPX）、MDA 和GSH含量的分析表明，富勒烯醇葉面施用能緩解干旱脅迫的氧化效應(yīng)。

3.5 施用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

此外，礦物營(yíng)養(yǎng)在減輕干旱脅迫等方面也漸露頭角，例如，在干旱脅迫條件下，葉片施鉀、氮、磷等可提高小麥產(chǎn)量[86]。值得注意的是，Ca2+在緩解干旱脅迫中的作用得到廣泛研究，不僅提高植物對(duì)干旱脅迫的耐受性[87]，還可改善脅迫誘導(dǎo)的活性氧代謝、生長(zhǎng)性能、光合作用和氮同化[88]?；诖耍琀OSSEINI等[89]為了解在干旱脅迫下，Ca2+在甜菜中是否具有緩解干旱脅迫的作用，選擇一個(gè)甜菜基因型進(jìn)行模擬干旱脅迫處理，結(jié)果表明，葉片Ca2+的施用提高了干旱脅迫下甜菜的葉綠素水平和植株生物量，增加葉片中蔗糖合成，提高甜菜體內(nèi)的鎂和硅濃度，并在轉(zhuǎn)錄上調(diào)節(jié)糖轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因（BvSUC3和BvTST3），促進(jìn)糖的合成，同時(shí)，BvSUC3和BvTST1的調(diào)節(jié)又能支撐更多的蔗糖進(jìn)入甜菜根系中?？傊鸩巳~片中Ca2+的施用是一種很有前途的施肥策略，可提高甜菜的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)效率、糖代謝、氧化還原狀態(tài)，從而緩解干旱脅迫的影響，提高抗旱能力。

4 提高甜菜抗干旱脅迫策略

本文從生理生化、基因功能、蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和外源調(diào)節(jié)物質(zhì)等方面綜述了甜菜對(duì)干旱脅迫的應(yīng)答機(jī)制與響應(yīng)。在生理變化方面，提高酶和非酶促抗氧化劑的含量是甜菜在干旱脅迫下調(diào)節(jié)ROS和氧化還原平衡的主要策略，脯氨酸的增加是甜菜響應(yīng)干旱脅迫的主要生理指標(biāo)之一。此外，甜菜SOD 活性、POD 活性、MDA 含量、AsA 含量、下游離脯氨酸含量、甜菜堿含量、細(xì)胞水勢(shì)及ABA 含量等均可作為甜菜品種苗期抗旱性鑒定的有效生理指標(biāo)。同時(shí)，甜菜中P5CS、AVP1、BADH基因、2-cysprx及NDPK候選基因賦予了甜菜較強(qiáng)耐旱能力；而干旱脅迫誘導(dǎo)甜菜NAC轉(zhuǎn)錄因子基因家族、MYB轉(zhuǎn)錄因子基因家族在轉(zhuǎn)錄水平上響應(yīng)干旱脅迫；葉面施用L-鳥(niǎo)氨酸、MeJA、脯氨酸、富勒烯醇納米顆粒及礦物質(zhì)都能顯著提高甜菜的抗旱能力。這些研究為揭示甜菜對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)制提供了新的見(jiàn)解，對(duì)于提高甜菜逆境生產(chǎn)力具有重要意義，為培育高抗旱性甜菜和其他作物的育種提供新的見(jiàn)解和思路。

提高甜菜抗旱能力已經(jīng)成為研究工作中急需提高的研究重點(diǎn)，為緩解干旱對(duì)甜菜產(chǎn)質(zhì)量的影響，在依賴于節(jié)水高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)、提高水分利用效率的基礎(chǔ)上，提出提高甜菜抗干旱脅迫策略：一是在確保穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的前提下，以培育抗旱性較強(qiáng)的甜菜品種為根本、為重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，多胚甜菜全同胞家系與細(xì)胞質(zhì)雄性不育系（CMS）雜交，在干旱脅迫下后代根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量表現(xiàn)出顯著的遺傳變異，許多雜種具有較強(qiáng)的耐旱性，根產(chǎn)量在干旱脅迫下的遺傳力（0.46）高于非脅迫下（0.34），表明可借由耐旱性植株作為父本，從而提高甜菜的耐旱性，培育耐旱品種[90]；對(duì)甜菜進(jìn)行體外組織培養(yǎng)和γ射線誘導(dǎo)甜菜變異，獲得了公認(rèn)的耐旱品種甜菜[91]。二是進(jìn)一步加強(qiáng)甜菜耐旱、抗旱機(jī)制及其應(yīng)用的發(fā)掘與創(chuàng)新。就目前的研究現(xiàn)狀而言，在甜菜響應(yīng)干旱的生理生化研究方面比較完善，但分子層次的研究還有待提高，對(duì)于甜菜響應(yīng)干旱的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究已小有成效，但還不夠全面，還有待進(jìn)一步深入研究；在代謝組學(xué)方面，近年來(lái)，代謝組學(xué)已被廣泛用于研究植物代謝產(chǎn)物對(duì)非生物脅迫的反應(yīng)，如干旱、洪水、鹽和極端溫度（冷、熱）等，但對(duì)于甜菜對(duì)非生物脅迫響應(yīng)方面的研究較少，尤其是干旱脅迫。三是應(yīng)用組學(xué)技術(shù)改良作物品質(zhì)及轉(zhuǎn)基因植物抗性育種的研究。四是應(yīng)用外源調(diào)控物質(zhì)改善作物干旱脅迫境況。