石斛蘭逆境生理研究進展

黃曉慧

摘 要：研究石斛蘭在逆境脅迫下的生理反應對石斛蘭栽培生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。該文簡述了石斛蘭對溫度、干旱、養(yǎng)分、鹽、水分等非生物逆境的生理適應機制及表現(xiàn)形式研究所取得的進展，并展望了石斛蘭脅迫的研究方向。

關鍵詞：石斛蘭;逆境生理;研究

中圖分類號 S682.31文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）08-0028-03

石斛蘭（Dendrobium nobile）又稱石斛，蘭科石斛屬（Dendrobium Sw.）植物，主要分布于我國西南和江南各地[1]，具有較高的藥用、觀賞價值及保健價值[2-3]。石斛蘭的花形及花姿優(yōu)美、花色種類繁多且花期較長，倍受各國人民的喜愛，被譽為“四大觀賞洋蘭”之一，并把其作為每年6月19日的“父親節(jié)之花”。石斛蘭用途廣泛且實用價值高，既是高檔的插花材料，也是菜肴碟上的裝飾花材，還是貴賓胸花、新娘捧花及花車裝飾等的重要素材[4]。經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的日益提升，有力推動了石斛蘭的生產(chǎn)和消費。但是隨著全球環(huán)境氣候的變化以及其獨特的生長條件，石斛蘭更加容易遭受逆境脅迫，野生石斛蘭的種質資源日漸瀕危。石斛蘭對生態(tài)環(huán)境要求十分嚴格，因環(huán)境脅迫（Environmental stress），如高溫、低溫、干旱和鹽漬等環(huán)境因素常對石斛蘭生長產(chǎn)生不良影響，嚴重時甚至使石斛蘭受害死亡[6]。因此，有關石斛蘭的逆境研究倍受關注。研究石斛蘭對環(huán)境脅迫的生理反應，不但有助于揭示石斛蘭的逆境生理機制，也有助于在生產(chǎn)實踐中及時采取有效的技術措施，提高石斛蘭的抗逆性，使其免受傷害，為石斛蘭的生長創(chuàng)造有利條件。

1 溫度脅迫

當植物在不適宜的環(huán)境溫度生長時，植物的細胞膜最先受到傷害，膜的透性增加，使與其結合的酶系統(tǒng)受傷害。膜脂的脂類組分及相對含量是影響溫度脅迫的主要因素[7]。

1.1 低溫脅迫 植物在遭受低溫脅迫后，生長形態(tài)會發(fā)生較大的變化，同時體內(nèi)也會發(fā)生一系列的生理生化反應，如膜脂組分、膜脂過氧化物終產(chǎn)物丙二醛（MDA）及脯氨酸含量等會發(fā)生變化[8]。

抗壞血酸過氧化物酶作為植物體內(nèi)特別是葉綠體中清除H2O2的關鍵酶，當其活性升高時有助于植物體內(nèi)清除過多的H2O2[9]。譚艷玲等[10]在研究中表明，鐵皮石斛幼苗在5℃具有一定的耐冷性，當溫度繼續(xù)降低至0℃低溫時會出現(xiàn)強烈的生理反應，抗壞血酸過氧化酶活性及丙二醛和脯氨酸含量變化顯著，且對細胞產(chǎn)生一定的傷害，嚴重影響幼苗的生長和發(fā)育。具體表現(xiàn)為，5℃低溫處理下鐵皮石斛幼苗中抗壞血酸活性隨著處理時間的延長而逐漸降低，說明該品種在5℃低溫下沒有受到低溫傷害，而代謝水平降低，以適應低溫的環(huán)境和生理條件，當將其放在0℃和-2℃環(huán)境處理時，不論是溫度的降低還是時間的延長，抗壞血酸過氧化物酶活性都呈增加趨勢。而有些品種在-2℃下隨處理時間的增加，抗壞血酸過氧化物酶活性先上升后下降，這可能是由于鐵皮石斛幼苗受到了嚴重傷害，抗壞血酸過氧化物酶遭到破壞。

低溫下產(chǎn)生的活性氧可引發(fā)或加劇膜脂過氧化作用，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量的變化是衡量質膜受破壞程度的標志之一[11]。從譚艷玲等[10]研究中可以看出，鐵皮石斛幼苗在5～0℃處理下，MDA含量隨著溫度的降低及處理時間的延長均有所增加，但當處理溫度低于-2℃時，MDA含量隨著處理時間的延長而降低，這可能是低溫脅迫超出了細胞抵御的最大能力，使細胞的膜脂過氧化系統(tǒng)遭到破壞。脯氨酸的積累是由植物體內(nèi)脯氨酸的生物合成激活和脯氨酸的降解抑制共同導致的[12]，并在逆境壓力結束后被分解利用[13]。譚艷玲等[10]研究中發(fā)現(xiàn)不同品種脯氨酸含量在低溫脅迫下都有不同程度的累積，有些品種在不同溫度處理下，脯氨酸的含量隨著時間的延長而增加，有些品種隨時間的延長先上升后下降，即不同品種在不同溫度及時間處理下所受到的損傷程度不一樣。

1.2 高溫脅迫 世界氣候變化不僅意味著平均溫度逐漸上升，而且意味著極端高溫的經(jīng)常出現(xiàn)，許多植物將面臨著高溫的挑戰(zhàn)。高溫脅迫下植物在生物膜、葉片相關的生理活動和相應的生理生化效應上的變化情況，均產(chǎn)生不同的影響，影響到植物的正常生長，嚴重時甚至導致死亡[14]。

吳姝漪等研究表明[15]，華石斛幼苗對高溫較為敏感，對持續(xù)高溫或極端高溫抵御能力差，高溫脅迫下華石斛幼苗的形態(tài)特征發(fā)生明顯變化，抑制其正常的生理代謝，從而導致葉片出現(xiàn)萎蔫、失綠、掉落，持續(xù)的高溫或極端高溫中可致全株枯死。另外，高溫脅迫對植物的影響也可從葉綠素含量變化反映出來[16]，華石斛幼苗在高溫處理下葉綠素含量均有所下降，且處理溫度越高、處理時間越長，葉綠素含量下降越快。再者，高溫脅迫下會造成膜透性增加和膜脂質過氧化[17]，華石斛受高溫脅迫后相對電導率持續(xù)增加，恢復生長后膜脂質過氧化產(chǎn)物MDA變化不大，說明其抗逆性較弱。高溫脅迫初期可溶性糖、可溶性蛋白含量和超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫（CAT）和過氧化物酶（POD）活性變化與溫度逐漸上升呈正相關，符合植物在逆境下的一般反應[18]，持續(xù)高溫脅迫后SOD、POD和CAT活性出現(xiàn)下降，這可能是由于不斷加劇的高溫破壞了酶本身[19]。華石斛幼苗通過協(xié)調體內(nèi)營養(yǎng)物質、滲透調節(jié)物質和保護酶活性等的動態(tài)平衡，增強抗熱性，從而減緩高溫帶來的傷害，是對其高溫脅迫的適應性反應和耐熱生存的重要調節(jié)機制[20]。

2 干旱脅迫

干旱脅迫作為影響植物生長發(fā)育的主要因子，當植物蒸騰速率超過水分吸收速率或者土壤缺乏植物可利用的水分時，植物發(fā)生干旱脅迫。不同的植物對干旱的反應敏感度差異比較明顯，有些植物只需幾分鐘或者幾秒，有些植物要幾個小時，這與物種差異、水分喪失強度和持續(xù)時間、植株生長發(fā)育的年齡和階段、器官和細胞的類型以及亞細胞分室作用等有關[21]。裴忠孝[22]分析了春石斛在不同干旱脅迫下滲透調節(jié)物、抗氧化酶系統(tǒng)及光合特性的變化情況，以研究其抗旱機制和生長特性。在干旱處理下，春石斛體內(nèi)可溶性糖含量及可溶性蛋白含量均呈先升髙后降低趨勢，脯氨酸含量在處理期間持續(xù)升高;抗氧化酶（CAT、POD和SOD）中3種酶對干旱脅迫的響應存在一定差異，CAT可能作用于中度脅迫及重度脅迫前期，POD作用于整個重度脅迫時期，而SOD主要作用于重度脅迫后期。干旱脅迫對春石斛光合生理指標的影響不顯著，干旱脅迫早期光合作用受抑制主要是氣孔限制，后期為非氣孔限制即生物膜受到損傷，光合器官遭到破壞。此外，劉張棟[23]研究發(fā)現(xiàn)干旱處理后美花石斛和秋石斛‘索尼婭的蘋果酸和碳水化合物早晚差值均很大，即夜間積累蘋果酸、消耗碳水化合物，白天相反，屬于專性CAM植物;而金釵石斛、鼓槌石斛、春石斛‘V1和春石斛‘V4在2種狀態(tài)下蘋果酸含量、碳水化合物含量早晚差值發(fā)生顯著性差異，即在夜間積累蘋果酸增加，且消耗更多的碳水化合物，屬于C3/CAM中間型植物。

3 養(yǎng)分脅迫的研究

植物主要通過根系從土壤中吸收礦質養(yǎng)分。因此除了植物本身的遺傳特性外，土壤和其他環(huán)境因子對養(yǎng)分的吸收以及向地上部分的運移都有顯著的影響。栽培基質中，礦質營養(yǎng)的缺乏，對植物生長發(fā)育產(chǎn)生明顯的脅迫作用。龔建英等[24]在無土栽培基質優(yōu)化篩選研究中發(fā)現(xiàn)，石斛蘭營養(yǎng)生長的好壞對于提高植株的抗病性、貯存充足的養(yǎng)分以及為生殖生長打下基礎等均具有重要的作用。

唐樹梅等[25]利用掃面電鏡觀察了石斛蘭在養(yǎng)分脅迫條件下葉片的表面結構，受養(yǎng)分脅迫的石斛蘭葉表面角質層花紋發(fā)生改變，葉片氣孔形狀及數(shù)量受到制約。養(yǎng)分脅迫極大限制了葉片表皮細胞正常的角質化形成角質層。角質層起到保護葉片的作用故而養(yǎng)分脅迫時必然造成植株抗寒抗旱抗病能力的下降。石斛蘭葉片表面結構受元素的影響極其明顯。其中缺磷和缺鎂時電鏡觀察上找不到氣孔[25]。缺S時葉片角質層被剝蝕且干物重量最少，缺K時葉片表面有結晶狀物質。且受S元素的影響極其明顯，K元素次之，這說明葉片表面結構的變化與生長發(fā)育表現(xiàn)出同樣規(guī)律，石斛蘭對缺S和缺K敏感[25]。

4 鹽脅迫的研究

土壤鹽漬化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的一個重要因素。高鹽分會影響植物的理化性質，影響植物的正常生長。鹽脅迫對植物的傷害主要改變了植物細胞中水和離子的熱力學平衡，導致高滲脅迫、離子不平衡和離子毒害。吳超等[26]研究表明，用100～200mM的NaCl進行處理，石斛葉片的SOD、POD和CAT活性發(fā)生明顯變化。生理生化的變化反應及生長抑制是鹽脅迫對植物最普遍、最顯著的效應[27]。另外，有些鹽生植物還具有專門的表皮貯水囊泡，貯水囊泡的存在大大提髙了植物的貯水體積，增強了植物的保水能力，利于植物避免因鹽害而導致的生理干旱[28]。

鹽脅迫下植物多個部位呈現(xiàn)不同的影響，嚴重影響了植物的生長發(fā)育。張吉起等[29]探索了鹽脅迫對石斛蘭根系的影響，結果顯示隨著鹽脅迫濃度的升高，春石斛蘭根的鮮重、根長及根活力受到抑制，其中根長下降最為明顯，說明石斛的根長對鹽脅迫更為敏感。楊雪飛等[30]利用基因槍法將來源于大麥的抗旱耐鹽基因lea3導入鐵皮石斛的類原球莖中，獲得耐鹽脅迫能力明顯增強的轉基因植株，為抗旱耐鹽新品種的選育開辟了一條新途徑。

5 結語

石斛蘭因其具備觀賞價值、藥用價值及經(jīng)濟價值，受到消費者的喜愛，需求量隨著人們生活水平的進步而不斷增加。當前對石斛蘭的研究主要集中在基質或營養(yǎng)液、花期調控、組織培養(yǎng)和快繁以及景天酸代謝光合途徑調節(jié)等方面，而對其逆境脅迫下的響應機理相關研究報道還較少。石斛蘭的逆境是一個極其復雜的生理生化過程，許多問題有待進一步研究。綜上所述，筆者認為以下幾個方面可以作為下一步深入研究的方向：（1）石斛蘭抗逆境受體中信號通路的調節(jié)與控制;（2）逆境脅迫下與重要表型相關的基因克隆、鑒定以及反義表達等;（3）隨著石斛蘭逆境生理和機理研究的不斷深入，結合轉基因技術，在石斛蘭體內(nèi)建成成熟的逆境脅迫轉基因表達體系，為石斛育種提供新途徑。

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（責編：王慧晴）