新疆野蘋果逆境響應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展

徐佳寧等

摘 要： 新疆野蘋果是我國(guó)新疆天山野果林區(qū)中珍貴的第三紀(jì)孑遺植物，具有抗寒性強(qiáng)、 耐蟲、 耐病、耐旱等優(yōu)良性狀。新疆野蘋果不僅是我國(guó)蘋果屬重要的野生資源，也是我國(guó)果樹遺傳育種優(yōu)質(zhì)的抗逆種質(zhì)資源。了解新疆野蘋果在逆境條件下的生命活動(dòng)規(guī)律，對(duì)植物抗逆育種和增產(chǎn)增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來(lái)新疆野蘋果在基因水平、蛋白質(zhì)水平和生理生化水平逆境響應(yīng)機(jī)制的研究進(jìn)展， 提出未來(lái)對(duì)新疆野蘋果的逆境響應(yīng)機(jī)制研究應(yīng)更深入到分子生物學(xué)水平。

關(guān)鍵詞： 新疆野蘋果；逆境；響應(yīng)機(jī)制

中圖分類號(hào)： S661.1-1（245） 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)： 1001 - 4942（2014）08 - 0138 - 04

Research Progress of Adversity Response Mechanism of Malus sieversii

Xu Jianing1， Liu Gang2， Ma Pan1， Huang Yipeng1， Yang Yanli1

（1.Jinan Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250316， China，

2. Shandong Water Conservancy Technology College， Zibo 255130， China）

Abstract Malus sieversii （Lebed.） Roem. is a precious tertiary relict plant， which mainly distributed in Tianshan wild fruit forest in Xinjiang. Malus sieversii is a wild apple species with cold， insect， disease and drought resistances and other good traits. It is not only an important wildlife resource， but also a good germplasm resource for stress-resistant breeding of fruit tree in our country. It would be significant to plant stress- resistant breeding and production increasing to know about the life activity laws of Malus sieversii in adversity.The recent research progresses of response mechnism to adversity in M.sieversii were summerized in this paper from gene，protein，physiological and biochemical levels.It was also put forward that the research on response mechanism to adversity should be more further at molecular biological level.

Key words Malus sieversii （Lebed.） Roem. ； Adversity； Response mechanism

蘋果原產(chǎn)于歐洲東南部、中亞和我國(guó)新疆[1]。有研究認(rèn)為，現(xiàn)代栽培蘋果 （Malus domestica Borkh.）的祖先種可能是新疆野蘋果 [Malus sieversii （Lebed.） Roem.][2]。新疆野蘋果又稱塞威士蘋果，主要分布在伊犁河谷地兩側(cè)的天山中，其次分布于塔城地區(qū)的塔爾巴哈臺(tái)山南麓、巴爾魯克山西側(cè)，海拔1 000～1 700 m的天山野果林中[3]。天山野果林是第三紀(jì)古溫帶闊葉林的殘遺群落[4]，是在荒漠地帶山地中出現(xiàn)的罕見的“海洋性”闊葉林類型[5]，其中新疆野蘋果總面積達(dá)8 786 hm2，是天山野果林的主體，屬第三紀(jì)孑遺物種[3]。

新疆野蘋果能耐極端最低溫-35℃～-30℃，耐旱力較強(qiáng)，并能耐瘠薄土壤，適應(yīng)性較強(qiáng)，是我國(guó)西北地區(qū)栽培蘋果的主要砧木[5]。與其他蘋果砧木相比，新疆野蘋果的抗旱性優(yōu)于平邑甜茶、八棱海棠、黃太平、‘M26、‘M9等蘋果砧木[6～8]；其耐寒性， 雖不及原產(chǎn)東北的山定子，但優(yōu)于萊蕪難咽和煙臺(tái)沙果[9]。因此，新疆野蘋果不僅是我國(guó)蘋果屬重要的野生資源，也是我國(guó)果樹遺傳育種優(yōu)質(zhì)的抗逆種質(zhì)資源。了解新疆野蘋果在逆境條件下的生命活動(dòng)規(guī)律，對(duì)植物的抗逆育種、增加產(chǎn)量和環(huán)境保護(hù)都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來(lái)新疆野蘋果在基因、蛋白質(zhì)和生理生化水平的逆境響應(yīng)機(jī)制的研究進(jìn)展。

1 與逆境響應(yīng)相關(guān)基因的研究

植物的抗逆性為數(shù)量性狀，由多基因控制。植物在逆境脅迫條件下，會(huì)關(guān)閉一部分正常表達(dá)的基因，同時(shí)誘導(dǎo)表達(dá)一部分與逆境適應(yīng)相關(guān)的基因。植物在逆境下的生長(zhǎng)情況會(huì)發(fā)生改變，包括從形態(tài)到生理功能和生物化學(xué)甚至分子結(jié)構(gòu)上的改變[10]。這些變化都離不開逆境適應(yīng)相關(guān)基因的誘導(dǎo)表達(dá)。

徐彥等[11]通過(guò)抑制性差減雜交的方法構(gòu)建了新疆野蘋果根組織在干旱脅迫下的誘導(dǎo)表達(dá)差減文庫(kù)和抑制表達(dá)差減文庫(kù)，測(cè)序鑒定后共得到了參與新陳代謝、能量代謝、轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)修飾與降解、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、DNA加工等16個(gè)生物學(xué)功能大類的268個(gè)有效ESTs。Zhao等[12]克隆了新疆野蘋果的 MsDREBA5 基因，并發(fā)現(xiàn)低溫、干旱和外源ABA脅迫可誘導(dǎo) MsDREBA5 基因的表達(dá)，鹽脅迫則抑制其表達(dá)。在擬南芥中過(guò)表達(dá) MsDREBA5 基因可降低其干旱脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)水平。Peng等[13]檢測(cè)了新疆野蘋果、湖北海棠和八棱海棠在干旱脅迫下促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）基因的表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)其表達(dá)水平與抗旱性呈正相關(guān)，抗旱性最強(qiáng)的新疆野蘋果 MAPK 表達(dá)水平最高。

2 與逆境響應(yīng)相關(guān)蛋白的研究

植物體在多種逆境條件下都會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生逆境蛋白，同時(shí)抑制部分正常蛋白的合成。逆境蛋白可以被廣泛的誘導(dǎo)和存在于植物的不同生長(zhǎng)階段、不同器官和不同組織中[10]。其中植物細(xì)胞生物膜系統(tǒng)中的逆境蛋白與植物的抗逆性密切相關(guān)。

植物根系中的水孔蛋白對(duì)水分的傳輸起重要作用。代佳佳[14]用HgCl2處理使正常水分和不同程度干旱條件下的新疆野蘋果幼苗根系水流速率和水流導(dǎo)度均明顯下降，且下降的幅度與HgCl2的濃度呈正相關(guān)。用β-巰基乙醇恢復(fù)處理后，其根系水流速率都得到了一定程度的恢復(fù)。這說(shuō)明新疆野蘋果幼苗根系中存在一部分對(duì)HgCl2敏感的水孔蛋白。根系的水流速率和水流導(dǎo)度下降，說(shuō)明干旱條件下根系水孔蛋白的活性受到了抑制。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，新疆野蘋果根系質(zhì)膜水孔蛋白多以二聚體和單體的混合物形式存在，其表達(dá)受逆境脅迫誘導(dǎo)或抑制。不同的水孔蛋白在干旱脅迫下的不同表達(dá)模式，說(shuō)明新疆野蘋果幼苗根系中的水孔蛋白可能存在多種調(diào)節(jié)機(jī)制。Peng等[13]檢測(cè)了新疆野蘋果、湖北海棠和八棱海棠在干旱脅迫下促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）的活性，發(fā)現(xiàn)其活性水平與抗旱性呈正相關(guān)，抗旱性最強(qiáng)的新疆野蘋果MAPK活性最高。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)蘋果MAPK響應(yīng)干旱脅迫時(shí)，其酶活性受磷酸化和去磷酸化作用的調(diào)控。

3 與逆境響應(yīng)相關(guān)生理生化機(jī)制的研究

3.1 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)逆境的響應(yīng)

為適應(yīng)高低溫、干旱、鹽堿等逆境脅迫影響而造成的植物細(xì)胞水分的虧缺，植物細(xì)胞會(huì)通過(guò)主動(dòng)形成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)提高溶質(zhì)濃度降低水勢(shì)的方式從外界獲得充足的水分[11]。這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有無(wú)機(jī)滲透調(diào)節(jié)離子、可溶性糖、可溶性蛋白和游離的脯氨酸等。

新疆野蘋果的幼苗在干旱脅迫的條件下，其可溶性糖、游離脯氨酸和可溶性蛋白都呈現(xiàn)不同程度的積累。隨著脅迫程度加重和脅迫時(shí)間的增加，這三種物質(zhì)的含量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明在干旱脅迫時(shí)，新疆野蘋果幼苗可通過(guò)滲透調(diào)節(jié)作用來(lái)適應(yīng)逆境[14]。

3.2 植物抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)逆境的響應(yīng)

植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除機(jī)制的動(dòng)態(tài)平衡維護(hù)著植物的正常生長(zhǎng)[15]，而逆境脅迫會(huì)打破這種平衡，從而導(dǎo)致活性氧在植物體內(nèi)積累，引起植物體發(fā)生各種不良生理生化變化[16]。高低溫、干旱、鹽堿等逆境條件都會(huì)增強(qiáng)植物體內(nèi)的活性氧代謝，產(chǎn)生過(guò)量的可以損傷蛋白質(zhì)膜脂和其他細(xì)胞組分的過(guò)氧化物自由基。因此，植物體內(nèi)清除活性氧的能力是評(píng)價(jià)植物對(duì)逆境抗性的關(guān)鍵因素之一。

研究表明，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，可導(dǎo)致蘋果屬植物葉片中活性氧物質(zhì)的不斷積累[17]，細(xì)胞膜的透性增加，葉片的相對(duì)電導(dǎo)率逐漸上升[7]，但抗旱性較強(qiáng)的品種如新疆野蘋果增幅較小，而抗旱性弱的品種如平邑甜茶的增幅較大。說(shuō)明這些指標(biāo)的上升幅度可在一定程度上反映品種間對(duì)逆境抗性的差異。

譚冬梅[7]發(fā)現(xiàn)平邑甜茶的葉片干旱脅迫處理后，經(jīng)0.1% 氯化硝基四氮唑藍(lán)液（NBT）染色首先發(fā)生顏色變化，新疆野蘋果的著色時(shí)間則明顯延后，說(shuō)明新疆野蘋果體內(nèi)的活性氧清除機(jī)制比平邑甜茶強(qiáng)。因此，隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)新疆野蘋果體內(nèi)的活性氧清除機(jī)制能有效清除活性氧，使其保持較低水平，而平邑甜茶快速在體內(nèi)累積活性氧。

SOD和CAT 是機(jī)體清除超氧化物自由基的酶類，在脅迫過(guò)程中 SOD 和 CAT 活性水平的變化，可以反映細(xì)胞內(nèi)保護(hù)酶類在超氧化物自由基產(chǎn)生和清除的平衡之間的調(diào)控關(guān)系。在干旱脅迫處理的條件下，隨干旱脅迫程度的加劇，新疆野蘋果的細(xì)胞質(zhì)膜相對(duì)透性和 MDA 含量增加[8]，同時(shí)其細(xì)胞內(nèi)的保護(hù)酶SOD和CAT活性水平顯著上升，復(fù)水后，中度和重度水分梯度處理的新疆野蘋果 SOD的活性與對(duì)照無(wú)顯著差異，CAT活性與對(duì)照分別為差異不顯著和差異顯著。

3.3 核酸代謝與逆境響應(yīng)

研究表明，干旱脅迫可使蘋果屬植物葉片中的DNA和RNA 的含量降低，但抗旱性較強(qiáng)的品種下降幅度小于抗旱性較弱的品種[18]。曹慧等[17]研究表明，抗旱性較強(qiáng)的新疆野蘋果在干旱脅迫下幼苗葉片的DNA和RNA含量下降的幅度以及DNase、RNase活性上升的幅度均小于抗旱性較弱的平邑甜茶。平邑甜茶和新疆野蘋果幼苗葉片的DNA、RNA 含量在干旱脅迫下與DNase和RNase 活性均呈顯著相關(guān)。

3.4 細(xì)胞程序性死亡與逆境響應(yīng)

細(xì)胞程序性死亡是生物體發(fā)育過(guò)程中普遍存在的，是一個(gè)由基因決定的細(xì)胞主動(dòng)的有序的死亡方式，是生物體產(chǎn)生逆境應(yīng)答的基本特征之一[19，20]。譚冬梅等[18]在研究干旱脅迫與新疆野蘋果葉片細(xì)胞程序性死亡的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫可誘導(dǎo)Caspase 蛋白酶基因的表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致其葉片及根部的細(xì)胞發(fā)生程序性死亡，并且在細(xì)胞程序性死亡過(guò)程中伴有類Caspase-3 蛋白酶的產(chǎn)生。

3.5 內(nèi)源激素對(duì)逆境的響應(yīng)

植物的內(nèi)源激素不僅在調(diào)節(jié)植物發(fā)育過(guò)程中起重要作用，同時(shí)也在信號(hào)通路響應(yīng)生物脅迫和非生物脅迫中起重要作用。Bai等[21]研究了新疆野蘋果和湖北海棠在低氧脅迫下根和葉組織中內(nèi)源激素的變化情況。結(jié)果顯示，低氧脅迫對(duì)這兩個(gè)蘋果品種的生長(zhǎng)都有抑制作用。與湖北海棠相比，新疆野蘋果對(duì)低氧脅迫有更強(qiáng)的適應(yīng)性。低氧脅迫下兩個(gè)蘋果品種根和葉中的脫落酸、赤霉素和吲哚-3-乙酸的含量均上升；而玉米素核苷、異戊烯基腺嘌呤和雙氫玉米素的表達(dá)模式存在品種間差異。這說(shuō)明蘋果對(duì)低氧脅迫的應(yīng)答過(guò)程并不是由單一內(nèi)源激素響應(yīng)，而是有多種內(nèi)源激素的參與。

3.6 光合作用對(duì)逆境的響應(yīng)

葉綠素是反映光合作用強(qiáng)度的重要指標(biāo)， 在干旱脅迫條件下，抗旱性越強(qiáng)，葉綠素含量下降的幅度越小。張靜等[6]用25% 的PEG 處理M9、M26、八棱海棠、平邑甜茶、新疆野蘋果，其相對(duì)葉綠素含量與對(duì)照相比分別下降了45.64%、52.01%、34.58%、12.07%、7.20%。由此可知，新疆野蘋果的葉綠素含量下降幅度最小，抗旱性最強(qiáng)。

正常水分處理和中度干旱脅迫下新疆野蘋果葉片凈光合速率日變化為不典型雙峰型[22]，且葉片凈光合速率下降主要受氣孔因素限制；重度干旱脅迫下新疆野蘋果葉片凈光合速率的日變化呈現(xiàn)嚴(yán)重午休型，葉片凈光合速率下降主要受非氣孔因素限制。差異顯著性分析表明，中度和重度干旱脅迫使新疆野蘋果葉片凈光合速率日均值與對(duì)照分別達(dá)到顯著和極顯著差異。3種水分梯度處理后新疆野蘋果水分利用率日變化均呈先快速下降后緩慢上升的趨勢(shì)，并表現(xiàn)上午時(shí)段的水分利用率大于下午時(shí)段；水分利用率日均值按對(duì)照、中度和重度干旱脅迫依次降低。相關(guān)性分析表明，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，大氣溫度、大氣CO2濃度和相對(duì)濕度等生態(tài)因子對(duì)新疆野蘋果葉片凈光合速率的影響增大，其中相對(duì)濕度對(duì)葉片凈光合速率的影響最顯著。

曹慧等[23，24]研究了新疆野蘋果在干旱脅迫條件下的光合過(guò)程，發(fā)現(xiàn)新疆野蘋果光合速率的影響除受氣孔因素限制外，在脅迫后期由活性氧代謝失調(diào)所誘導(dǎo)的非氣孔因素也是限制光合速率的主要因素之一。

4 展望

綜上所述，新疆野蘋果作為耐寒、耐蟲、耐病、耐旱的優(yōu)良野生種質(zhì)資源，近年來(lái)，已有大量關(guān)于其抗逆機(jī)理及其評(píng)價(jià)指標(biāo)方面的研究。但同時(shí)也存在許多亟待解決的問(wèn)題：一是植物逆境脅迫應(yīng)答過(guò)程中表現(xiàn)為多個(gè)生理生化指標(biāo)的變化，而各個(gè)指標(biāo)通過(guò)哪些具體的通路發(fā)生聯(lián)系的，對(duì)此研究還不夠深入；二是研究條件主要集中在干旱脅迫這一種逆境條件下，難以研究其對(duì)不同逆境響應(yīng)機(jī)制的共性和特異性；三是研究多集中在其抗逆生理指標(biāo)的測(cè)定，沒有從分子水平上闡明新疆野蘋果的抗逆機(jī)制。

目前，隨著基因工程和分子生物學(xué)研究的飛速發(fā)展和試驗(yàn)方法的豐富，從分子水平上闡明新疆野蘋果的抗逆機(jī)制及其生理功能、分離抗逆功能基因以培育蘋果抗逆新品種、并用分子手段確定抗逆性評(píng)價(jià)指標(biāo)已成為可能[25，26]。因此，加強(qiáng)新疆野蘋果逆境響應(yīng)機(jī)制的系統(tǒng)研究，在分子水平上研究和闡明其抗逆機(jī)理，不僅為保護(hù)新疆野蘋果種質(zhì)資源具有重要意義，同時(shí)也可為培育高抗逆性的蘋果品種提供理論和技術(shù)支持。

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