干旱脅迫對(duì)植物的影響研究

張 玉，冷海楠，曹宏杰，徐明怡

(黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040)

植物生長(zhǎng)具有不可移動(dòng)性，在整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程中極易受到鹽漬、重金屬污染、濕澇和干旱等多種非生物因子脅迫的影響[1]。干旱是影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育和抑制作物產(chǎn)量增加的主要非生物脅迫因子之一[2]。干旱脅迫對(duì)植物的影響包括表型、生理生化和蛋白編碼基因表達(dá)等多個(gè)層次。從不同層面探討植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，對(duì)植物抗旱研究和培育篩選具有耐旱性狀的植物新品種等具有重要意義。

1 干旱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)及形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

植物生長(zhǎng)對(duì)水分高度敏感。植物通過細(xì)胞分裂、延伸和分化完成生長(zhǎng)。干旱脅迫下，植物分生組織細(xì)胞分裂減慢，細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制，植物經(jīng)常表現(xiàn)為生長(zhǎng)減弱。水分匱缺后，細(xì)胞會(huì)因失水導(dǎo)致膨壓下降，抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，但也有研究結(jié)果與此不一致。玉米幼苗在干旱條件下，葉片生長(zhǎng)速率受到顯著抑制是與細(xì)胞壁的硬化響應(yīng)相關(guān)，其分生區(qū)細(xì)胞膨壓并未因水分匱缺出現(xiàn)明顯變化。干旱脅迫還會(huì)限制細(xì)胞有絲分裂，導(dǎo)致葉面積減小，植株低矮，抑制作物生長(zhǎng)[3]。

干旱脅迫不僅會(huì)引起植物個(gè)體大小的變化，還會(huì)引起植物生物量分配的改變。干旱脅迫下，植物根冠比增加，功能根數(shù)目及長(zhǎng)度增加。水稻根系在干旱脅迫的誘導(dǎo)下會(huì)伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，向深層土壤扎根，同時(shí)還會(huì)分生出大量側(cè)生的毛細(xì)根向水平方向擴(kuò)展。與對(duì)照相比，干旱脅迫下的真樺(BetulamaximowiczianaRegel)根系變得細(xì)而長(zhǎng)，主根系上根毛增加變得濃密。植物通過擴(kuò)大根系吸水范圍來漸緩干旱脅迫的影響，主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境。

葉片是植物外部形態(tài)對(duì)水分脅迫最敏感的器官，長(zhǎng)期干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉片厚度、柵欄組織、海綿組織等解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。對(duì)扁蓿豆(Medicagoruthenia)、3種蘋果屬植物及不同花生品種的抗旱性研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度加重，這些植物的葉片結(jié)構(gòu)變化情況有所差異：扁蓿豆葉片厚度和柵欄組織厚度增加，海綿組織厚度減小；3種蘋果屬植物葉片厚度、柵欄組織厚度逐漸減小，而海綿組織厚度逐漸增加；花生的葉片厚度因品種不同，變化不一[4]。由此可見，植物葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變與植物耐旱性有著密切的關(guān)系。

2 干旱脅迫對(duì)植物生理的影響

2.1 干旱脅迫對(duì)植物光合作用的影響

水是植物光合作用的原料，因此植物葉片對(duì)水分變化也最為敏感。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物光合作用受抑制，持續(xù)干旱，光合作用抑制越明顯。導(dǎo)致光合作用速率下降的原因有兩個(gè)方面，即氣孔因素和非氣孔因素。干旱早期，由于水分不足而使植物葉片水勢(shì)降低，保衛(wèi)細(xì)胞失水，氣孔關(guān)閉，進(jìn)入葉片的CO2減少，限制了碳同化過程，從而導(dǎo)致光合作用速率下降。當(dāng)水分脅迫解除后，氣孔因素引起的光合作用下降可以恢復(fù)到原來水平。非氣孔因素引起的光合作用速率下降是不可逆的。隨著干旱脅迫的持續(xù)，植物體內(nèi)活性氧開始積累，會(huì)導(dǎo)致光合色素降解速率超過合成速率，影響光合電子傳遞，致使光合作用速率降低[5]。在大麥(HordeumvulgareL.)和冬小麥(TriticumaestivumL.)對(duì)干旱脅迫響應(yīng)的研究中，準(zhǔn)確檢測(cè)到干旱脅迫可以使葉綠素?zé)晒鈪?shù)發(fā)生改變，抑制光合電子傳遞，從而降低光合速率。

2.2 干旱脅迫對(duì)植物滲透調(diào)節(jié)的影響

植物會(huì)通過在體內(nèi)主動(dòng)積累溶質(zhì)，以增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)的方式應(yīng)對(duì)干旱脅迫，保證其生理過程正常進(jìn)行。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有2大類：一是細(xì)胞內(nèi)合成的有機(jī)溶質(zhì)，如蔗糖、海藻糖、脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿、半乳糖甘油等。二是從外界進(jìn)入細(xì)胞的Na+、K+等無機(jī)離子。其中可溶性糖和游離脯氨酸較為常見，是植物抵抗干旱時(shí)參與滲透調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素。

有機(jī)滲透調(diào)節(jié)劑多為親水物質(zhì)，調(diào)控質(zhì)膜滲透勢(shì)，維護(hù)酶和細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。植物生理干旱時(shí)，它們的增加有助于減少有毒離子對(duì)細(xì)胞的傷害。對(duì)于不同植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的研究，仍存在一定的差異。隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，甘薯可溶性蛋白和可溶性糖含量均呈現(xiàn)先升高再降低的變化規(guī)律，脯氨酸含量逐漸增加；裸果木(Gymnocarposprzewalski)葉片的可溶性蛋白顯著積累，中齡植株葉片的可溶性糖含量和老齡植株葉片的脯氨酸含量先增加后顯著降低[6]；PEG處理重樓植株，脯氨酸含量在脅迫2 h 顯著提高，可溶性糖含量在脅迫12 h 增加明顯，處理后期仍保持在較高水平[7]；文冠果各種源葉片中可溶性糖含量數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，大部分種源文冠果幼苗葉片中可溶性蛋白含量隨著干旱脅迫加劇呈上升趨勢(shì)，少數(shù)種源表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)[8]；刺槐(Robiniapseudoacacia)與皂莢(Gleditsiasinensis)2種苗木葉片的脯氨酸含量、可溶性糖含量比正常水分時(shí)升高，皂莢葉片中可溶性蛋白含量增加，刺槐葉片中可溶性蛋白含量降低[9]。

無機(jī)離子通常調(diào)節(jié)液泡滲透勢(shì)，維持細(xì)胞膨壓，在滲透調(diào)節(jié)中同樣發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于脯氨酸和可溶性糖等有機(jī)滲透調(diào)節(jié)劑，Na+在沙漠旱生植物霸王(Zygophyllumxanthoxylum)和梭梭(Haloxylonammodendron)適應(yīng)干旱生境中發(fā)揮著更突出的作用[10]。K+的大量積累在文冠果和白刺花水分脅迫下也發(fā)揮著重要的滲透調(diào)節(jié)作用[8]。

2.3 干旱脅迫對(duì)植物抗氧化系統(tǒng)的影響

正常生長(zhǎng)環(huán)境下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，活性氧含量較低，不會(huì)對(duì)植物細(xì)胞造成傷害。許多逆境脅迫(如干旱、鹽害等)會(huì)擾亂這種自我調(diào)節(jié)平衡，造成線粒體和葉綠體內(nèi)的活性氧過度積累，引起膜脂過氧化、蛋白質(zhì)和核酸等損傷，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，干擾代謝活動(dòng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。但它同時(shí)也可作為細(xì)胞受到脅迫的信號(hào)分子或第二信使參與脅迫信號(hào)傳導(dǎo)途徑，激發(fā)植物的脅迫響應(yīng)和保護(hù)防御。為了避免環(huán)境脅迫產(chǎn)生的活性氧自由基的毒害作用，植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中，形成了一套復(fù)雜的抗氧化防御系統(tǒng)。抗氧化系統(tǒng)主要分為2類：一類為抗氧化酶類，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物還原酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)等；另一類為抗氧化劑，包括抗壞血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、類胡蘿卜素(CAR)和花青素等。

干旱脅迫可增強(qiáng)抗氧化酶活性。SOD和POD活性會(huì)受到植物品種及耐旱性的影響。中度干旱與嚴(yán)重干旱處理?xiàng)l件下，杠柳的SOD與POD活性持續(xù)上升，檉柳SOD和POD活性先上升后下降。不同耐旱型大麥品種的抗氧化系統(tǒng)研究表明，干旱敏感型大麥的CAT和SOD活性高于耐旱型大麥；而不同耐旱性冬小麥品種中，SOD活性均呈下降趨勢(shì)，且耐旱性強(qiáng)的品種下降幅度較小。干旱脅迫下不同植物CAT活性變化不同。許多喬木的CAT活性隨干旱程度增加呈先升高后下降的趨勢(shì)[11]。

2.4 干旱脅迫對(duì)植物內(nèi)源激素含量的影響

植物內(nèi)源激素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育及分化具有至關(guān)重要的作用，并且在植物響應(yīng)非生物脅迫過程中，可以通過復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制對(duì)植物進(jìn)行保護(hù)[12]。因此，植物內(nèi)源激素的變化也成為衡量植物抗旱能力的重要生理指標(biāo)之一。

干旱脅迫引起的植物內(nèi)源激素變化，尤以脫落酸(ABA)表現(xiàn)最為明顯。干旱能夠誘導(dǎo)ABA大量積累，調(diào)節(jié)干旱響應(yīng)基因表達(dá)，進(jìn)而使植物產(chǎn)生多個(gè)響應(yīng)，提高植物的抗旱適應(yīng)能力。ABA已被視為植物在“脅迫-感知-響應(yīng)”路徑中的逆境信號(hào)。ABA通過胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控氣孔關(guān)閉，減少蒸騰損失，減緩植物生長(zhǎng)。擬南芥干旱脅迫響應(yīng)研究中還發(fā)現(xiàn)，ABA作為信號(hào)分子參與調(diào)控了擬南芥的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，并在該過程中發(fā)揮作用[13]。此外，ABA還可調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞離子通道活性、鈣調(diào)蛋白及相關(guān)基因的表達(dá)。

細(xì)胞分裂素(CTK)是干旱脅迫下的信號(hào)響應(yīng)物質(zhì)。水分虧缺時(shí)，植株體內(nèi)ABA含量增加，CTK含量降低，CTK/ABA值降低，氣孔導(dǎo)度也顯著降低，ABA和CTK共同作用對(duì)氣孔導(dǎo)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)光合電子傳遞及光合速率等產(chǎn)生影響。

生長(zhǎng)素(IAA)也可以協(xié)同調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉。干旱脅迫下，不同植物IAA含量變化趨勢(shì)不同。有研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿幼苗葉片中IAA含量隨干旱強(qiáng)度增加而增加，但對(duì)降香黃檀幼苗的研究發(fā)現(xiàn)，IAA含量隨干旱強(qiáng)度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。甚至不同干旱強(qiáng)度下同一植物的IAA含量變化趨勢(shì)也不盡相同。云杉在輕度和中度水分虧缺下IAA含量呈上升趨勢(shì)，而重度水分虧缺時(shí)呈下降趨勢(shì)[14]。

赤霉素(GA)可以促進(jìn)植株伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，其含量變化也與干旱強(qiáng)度有關(guān)。輕度干旱有利于GA合成，中度及重度干旱抑制植株生長(zhǎng)，進(jìn)而GA含量顯著降低[15]。

3 干旱脅迫對(duì)植物蛋白編碼基因表達(dá)的影響

植物除了生理方面對(duì)干旱脅迫信號(hào)有反應(yīng)，在蛋白編碼基因表達(dá)方面也會(huì)對(duì)干旱脅迫信號(hào)做出相應(yīng)的反應(yīng)。許多植物的蛋白編碼基因表達(dá)受干旱脅迫誘導(dǎo)。這些應(yīng)激蛋白的產(chǎn)生或含量增加，是植物適應(yīng)脅迫的重要策略。它們的誘導(dǎo)可以提高植物的抗逆性，對(duì)植物應(yīng)激適應(yīng)期起到保護(hù)作用。根據(jù)蛋白作用的不同，可以將這些應(yīng)激蛋白分為兩大類：一是調(diào)節(jié)蛋白。主要與信號(hào)傳遞及基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)的蛋白，包括蛋白激酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)錄因子。二是功能性蛋白。直接參與保護(hù)細(xì)胞免受脅迫傷害或作為滲透調(diào)節(jié)劑和解毒類蛋白維護(hù)細(xì)胞正常生理代謝，包括水分通道蛋白、LEA、ASR、抗氧化蛋白、代謝調(diào)整酶等。

逆境相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子可以與順式作用元件結(jié)合，調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)。這些轉(zhuǎn)錄因子過表達(dá)，可以激活很多抗逆基因的同時(shí)表達(dá)，增強(qiáng)植物的抗性。研究表明，水稻中的4種ERFs轉(zhuǎn)錄因子均參與水稻非生物脅迫反應(yīng)，其中TSRF1基因過表達(dá)，可以增加水稻的抗旱性[16]。負(fù)責(zé)編碼NAC轉(zhuǎn)錄因子的C7基因，主要表達(dá)部位為氣孔保衛(wèi)細(xì)胞，干旱脅迫時(shí)，該基因的表達(dá)能夠促進(jìn)氣孔關(guān)閉，提高水稻抗旱能力。

ASR蛋白是一種高親水性的小分子堿性蛋白，極耐高溫，存在于很多植物細(xì)胞中。對(duì)轉(zhuǎn)基因擬南芥的研究發(fā)現(xiàn)，超表達(dá)百合ASR基因的擬南芥及過表達(dá)香蕉MpASR基因的擬南芥，其植株耐旱能力均可以得到不同程度的提高[17]。

干旱脅迫下，植物通過積累大量的滲透調(diào)節(jié)劑降低細(xì)胞滲透勢(shì)，來維持細(xì)胞的正常功能。對(duì)海藻糖合酶基因TPS1、甜菜堿醛脫氫酶基因BADH及脯氨酸合成途徑關(guān)鍵酶基因P5CS的表達(dá)水平與耐旱能力關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，TPS1過表達(dá)、BADH超表達(dá)及P5CS高表達(dá)，均可促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)劑的生物合成，降低滲透勢(shì)，從而顯著提高植物耐旱能力[18]。

4 展望

水資源短缺和不均衡性仍是未來全球面臨的主要問題，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展。綜合評(píng)價(jià)植物的抗旱特性需要綜合植物生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)、光合特性及表型等性狀的變化特征及規(guī)律，合理評(píng)價(jià)植物的抗旱性。同時(shí)，植物的抗旱狀性由多基因控制，從分子、細(xì)胞、組織到整體植株的抗旱機(jī)制在不同層次上存在顯著差異。隨著基因編輯技術(shù)、分子標(biāo)記技術(shù)等的飛速發(fā)展，充分利用以CRISPR/Cas9為代表的基因定點(diǎn)編輯技術(shù)開展作物抗旱性的遺傳改良，利用SNP為代表的第三代分子標(biāo)記技術(shù)和全基因組關(guān)聯(lián)分析等技術(shù)挖掘抗旱基因并且深入研究植物對(duì)干旱生境的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制仍是未來應(yīng)對(duì)極端干旱生境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。