番茄對非生物脅迫響應(yīng)機制研究進展

徐佳寧++徐艷群++嚴(yán)振++張利云++高建偉

摘要：番茄是我國保護地種植經(jīng)濟效益較高的蔬菜，約占整個保護地蔬菜種植面積的30%，在設(shè)施蔬菜栽培中占有重要地位。不同非生物脅迫對番茄的生長發(fā)育、產(chǎn)量及果實品質(zhì)等產(chǎn)生不同程度的影響。因此，了解番茄在不同非生物脅迫下的生命活動規(guī)律，對其抗逆育種和增產(chǎn)增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來番茄在生長發(fā)育、生理生化和基因調(diào)控方面對非生物脅迫響應(yīng)機制的研究進展，并建議對番茄非生物脅迫響應(yīng)機制的研究應(yīng)上升到組學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：番茄；非生物脅迫；響應(yīng)機制

中圖分類號：S641. 201

文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942 （2015）12-0120-05番茄是茄科（Solanaceae）番茄屬（Lycopersi-con）一年或多年生植物，在南緯45°至北緯65°均有種植，遍及全球160余個國家或地區(qū)。番茄的所有野生種均分布在南美西部的安第斯山脈狹長地帶。16世紀(jì)番茄從秘魯傳人意大利，17世紀(jì)從意大利傳人中國和爪哇，18世紀(jì)傳人英國、法國、北美和日本，此后作為一種世界性蔬菜廣泛在世界各地種植。

近年來，番茄作為我國一種保護地內(nèi)種植經(jīng)濟效益較高的蔬菜，約占整個保護地蔬菜種植面積的30%，在設(shè)施蔬菜栽培中占有重要地位。番茄含有糖、蛋白質(zhì)、脂肪、有機酸、纖維素以及豐富的維生素和微量元素等，營養(yǎng)價值較高；此外，番茄還具有一定的藥用價值，如番茄中所含有的番茄紅素有抗氧化和抗腫瘤作用。

非生物脅迫是指由非生物因素引起的對植物正常生長發(fā)育造成逆境影響的總稱。番茄屬于中度鹽敏感物種，一定濃度的鹽處理可以調(diào)節(jié)番茄的風(fēng)味、色澤以及可溶性物質(zhì)含量，有利于提高番茄果實中糖酸比，進而提高番茄的品質(zhì)；而鹽分濃度過高則常導(dǎo)致番茄生長緩慢、產(chǎn)量和品質(zhì)下降等問題。此外，干旱、高溫、重金屬脅迫都會對番茄的生長發(fā)育、產(chǎn)量和果實品質(zhì)等產(chǎn)生不同程度的影響。因此，了解番茄在鹽堿、干旱、溫度、重金屬等非生物脅迫條件下的生命活動規(guī)律，對其抗逆育種和增產(chǎn)增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來番茄在生長發(fā)育、生理生化和基因調(diào)控方面對非生物脅迫響應(yīng)機制的研究進展。

1 非生物脅迫對番茄生長發(fā)育的影響

1.1 非生物脅迫對番茄葉片生長發(fā)育的影響

干旱脅迫會阻礙番茄葉片的生長，并降低氣孔張開率。已有研究表明，番茄的葉長、葉寬、葉面積、葉片含水量和氣孔張開率，均會隨土壤含水量的下降而下降，且在脅迫4天后下降速率進一步加大。此外，干旱脅迫還會導(dǎo)致葉片柵欄組織和海綿組織的厚度減小。

葉綠素含量是反映植物光合強度的一項重要生理指標(biāo)。當(dāng)番茄受到鹽害時，葉片內(nèi)氮素含量下降，而氮素是葉綠素分子的組成成分，故植株表現(xiàn)為葉色變淺，葉綠素含量減少。在一定的鉛脅迫條件下，番茄植株老葉出現(xiàn)葉肉變黃而葉脈仍保持綠色的網(wǎng)狀失綠癥狀，并伴有輕微的萎蔫；且隨處理時間的延長，葉片的失綠癥狀加劇。

1.2 非生物脅迫對番茄果實生長發(fā)育的影響

不同的水分處理對番茄產(chǎn)量的影響不同，輕度脅迫下番茄果實重量以及產(chǎn)量變化不大；中度和重度脅迫下番茄果實重量和產(chǎn)量則明顯較低。黃立華等發(fā)現(xiàn)，不同程度的蘇打鹽堿脅迫可使番茄果實的單果重和有機酸含量下降，可溶性糖含量和糖酸比增加；輕度蘇打鹽堿脅迫可提高番茄果實中維生素C含量，而重度蘇打鹽堿脅迫則不利于番茄果實中維生素C的積累。李紅彥等發(fā)現(xiàn)不同濃度的Na₂SO₄鹽脅迫對番茄果實的影響不顯著。

番茄果實中糖含量是決定果實品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。在25～29℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，番茄果實心室隔壁中蔗糖積累逐漸增多，果肉和膠質(zhì)胎座中蔗糖積累逐漸減少。番茄果實的著色受溫度的影響較大，番茄紅素在高溫條件下合成受到抑制，因此持續(xù)高溫處理會使番茄呈現(xiàn)黃色。番茄在開花期前后或初果時期，若溫度過高則果實的空洞果數(shù)量會增加，當(dāng)溫度超過35℃且持續(xù)時間較長時，果實生長發(fā)育速度不協(xié)調(diào)，形成空洞果。

1.3 非生物脅迫對番茄根生長發(fā)育的影響

高鹽濃度無論是對種子萌發(fā)或幼苗生長狀況及根尖微核率，都有明顯影響。輕度干旱脅迫則可促進番茄幼苗的根系生長：根系的長度、表面積和體積均呈現(xiàn)增加的趨勢。

2 非生物脅迫對番茄光合作用的影響

干旱脅迫下葉片會生成大量的活性氧，對細(xì)胞膜造成傷害，導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅱ的活性降低，光合產(chǎn)物生成量減少。干旱脅迫還可導(dǎo)致葉片氣孔密度和氣孔大小的下降，大部分氣孔關(guān)閉且深陷，葉綠體變大變圓，基粒片層排列紊亂，淀粉粒減少或消失。在低溫脅迫下，光合色素的含量下降；而在高溫脅迫下，光合色素含量則上升。與常溫相比，溫度脅迫期間，氣孔導(dǎo)度和光合強度均呈先降低后升高的趨勢，隨著脅迫時間的延長又呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。魯少尉等發(fā)現(xiàn)鹽脅迫可破壞番茄葉片的光合機能，降低光合作用效率，同時改變番茄葉片中的糖代謝方向，促進了淀粉和蔗糖的分解，提高了葉片中的果糖和葡萄糖含量。

3 非生物脅迫對番茄生理生化指標(biāo)的影響

丙二醛（Malondialdehyde，MDA）是膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量高低可反映膜脂過氧化程度的大小，植物組織中MDA的含量一般隨脅迫程度的增大而增大。楊再強等研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫的加劇，番茄葉片的膜脂過氧化作用逐漸加強。宋勤飛等研究發(fā)現(xiàn)，番茄葉片中MDA的含量隨鉛濃度的增加而明顯升高。丁海東等研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cd2+、2n2+脅迫濃度的增大，番茄根系和葉片中MDA含量也呈增加趨勢。相對電導(dǎo)率（Electrical conductivity，EC）是反映細(xì)胞膜透性的重要指標(biāo)之一。相對電導(dǎo)率越大，膜透性越大，質(zhì)膜受損傷的程度越高。孟長軍等發(fā)現(xiàn)，隨著鹽脅迫濃度的增高，番茄植株的EC值均呈升高趨勢。

植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除機制的動態(tài)平衡維護著植物的正常生長，而逆境脅迫會打破這種平衡，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。植物體內(nèi)參與活性氧的酶促清除機制的抗氧化酶類包括：超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）和過氧化物酶（Perox-idase，POD）等。endprint

SOD作為活性氧清除劑，在保護細(xì)胞膜系統(tǒng)中起一定的作用。在低鹽脅迫下，番茄體內(nèi)SOD活性隨著鹽濃度的增加而增加；在高鹽脅迫下，SOD活性隨著鹽濃度的增加而降低。在鹽脅迫條件下，高活性的SOD能有效清除細(xì)胞內(nèi)的活性氧，使番茄保持一定的耐鹽性。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，一定的干旱脅迫條件下番茄體內(nèi)SOD和POD的活性先升高后下降，而CAT的活性持續(xù)升高。在鉛離子脅迫下，番茄葉片中POD的活性隨著鉛濃度的增加也呈先增加后降低的趨勢。丁海東等發(fā)現(xiàn)，隨著Cd²⁺、2n²⁺脅迫濃度的增大，番茄植株中APX、POD和CAT的活性上升，抗氧化酶活性的上升能夠提高幼苗適應(yīng)和抵抗重金屬脅迫的能力。

4 番茄抗逆功能基因的研究進展

在自然界中，植物要遭受來自外部環(huán)境的多種非生物脅迫。在長期的進化過程中植物形成了相應(yīng)的應(yīng)變機制即調(diào)節(jié)相關(guān)抗性基因的表達(dá)，從而在環(huán)境改變后得以繼續(xù)存活。

劉輝從耐低溫多毛番茄（S.habrochaites）中克隆了2個不同類型的抗寒相關(guān)基因，分別是脫水素基因（S.habrochaites Dehydrin，shDHN）和牦牛兒基牦牛兒基還原酶基因（S.habrochaites Gera-nylgeranyl reductase，shCHLP）。根據(jù)芯片分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：超量表達(dá)shDHN可以提高植株的抗寒和抗旱性，促進了番茄植株的生長發(fā)育；超量表達(dá)shCHLP提高了番茄植株葉片葉綠素含量。

促分裂素原活化蛋白激酶（Mitogen activatedprotein kinase，MAPK）級聯(lián)反應(yīng)是真核生物信號傳遞網(wǎng)絡(luò)中的重要途徑之一，在植物抗逆過程中發(fā)揮著重要作用。Li等通過對干旱、鹽和低溫逆境脅迫下番茄SpMPKl/StMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因表達(dá)模式的研究發(fā)現(xiàn)干旱、鹽、低溫逆境脅迫均能誘導(dǎo)SpMPKl/SIMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因的表達(dá)。

Jia等研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)甜菜堿醛脫氫酶（Betainealdehyde dehdyoregn，BADH）基因可提升番茄植株的耐鹽性，其主要表現(xiàn)在番茄鹽脅迫條件下根系的發(fā)生和發(fā)育上。此外，還在一定程度上引起POD和SOD的活性升高，使細(xì)胞抗氧化脅迫的能力增加，保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對平衡和穩(wěn)定。

5 轉(zhuǎn)錄因子對番茄逆境應(yīng)答的調(diào)控機制

轉(zhuǎn)錄因子又稱反式作用因子，其主要功能是激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)。轉(zhuǎn)錄因子作為復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)中的成員，在調(diào)節(jié)植物應(yīng)對來自周圍環(huán)境因子脅迫的過程中發(fā)揮著重要作用。

WRKY是一類植物體特有的抗逆相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在高等植物中組成一個龐大的蛋白家族。劉暢等研究發(fā)現(xiàn)，過量表達(dá)SIWRKY53基因能夠一定程度增強植株抵抗鹽脅迫的能力。

劉淑君發(fā)現(xiàn)，番茄同-MYB轉(zhuǎn)錄因子在不同的條件下表達(dá)量不同，在不同逆境和激素脅迫處理下，MYB轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)量均有顯著變化，且誘導(dǎo)強度均較大，表明番茄MYB轉(zhuǎn)錄因子參與了植株抵御環(huán)境脅迫。

NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物中所特有的，該家族基因在植物生長發(fā)育和抵抗生物或非生物脅迫中發(fā)揮著極其重要的作用。SISRN1定位于細(xì)胞核，是番茄抵抗干旱脅迫的負(fù)調(diào)控因子。該基因沉默后可增強番茄的抗旱能力。劉輝從番茄LA1777中克隆了一個NAC轉(zhuǎn)錄因子，命名為ShNAC，低溫、干旱和高鹽脅迫均能誘導(dǎo)該基因的表達(dá)。超量表達(dá)ShNAC轉(zhuǎn)基因植株較野生型對低溫和干旱更敏感。ShNAC可能是植物生長發(fā)育及非生物逆境應(yīng)答的一個負(fù)調(diào)節(jié)因子。Ma等從番茄葉片中克隆到一個NAC轉(zhuǎn)錄因子StNAC1，發(fā)現(xiàn)過表達(dá)該基因提高了番茄植株的耐冷性。多項試驗表明，SINAC1可能通過上調(diào)CBF1的表達(dá)激活了下游的冷響應(yīng)基因，提高了番茄植株的低溫抗性。

ICEI （Inducer of CBF expression l）轉(zhuǎn)錄因子，可響應(yīng)低溫信號，并通過調(diào)控CBF/DREB1轉(zhuǎn)錄因子進而激活下游COR（Cold-regulated）基因的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)植物的耐低溫能力。Feng等從番茄葉片中克隆到一個新的ICE1基因，過表達(dá)番茄ICE1和CBF轉(zhuǎn)錄因子都能夠提高轉(zhuǎn)基因植物的耐低溫能力，因此位于番茄CBF下游的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的基因可能是導(dǎo)致番茄對低溫敏感的決定性因素。

鋅指蛋白（Zinc finger protein，ZIP）是植物中最為豐富、研究最為深入的一類轉(zhuǎn)錄因子，它在植物各個時期的生長發(fā)育和逆境脅迫中發(fā)揮調(diào)控作用。有研究表明，超表達(dá)鋅指家族成員SIZF6可提高番茄的耐鹽性和抗旱性。

6 展望

綜上所述，非生物脅迫對番茄的生長發(fā)育及各項生理指標(biāo)有著極其重要的影響。在不同脅迫條件下，番茄組織中MDA和EC的含量均與脅迫程度呈正相關(guān)；而抗氧化酶類的活性變化在不同脅迫條件下的變化趨勢不同。

近年來，關(guān)于番茄抗逆功能基因的挖掘和研究已取得一些研究成果，但植物體對于脅迫的響應(yīng)是由多基因控制的數(shù)量性狀，單個基因功能的挖掘并不能闡明番茄對于脅迫響應(yīng)的分子機制。目前，隨著番茄全基因組數(shù)據(jù)的發(fā)布，對于番茄的研究已正式進入組學(xué)時代。因此，利用新一代高通量測序技術(shù)，對番茄基因組及脅迫條件下轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組的表達(dá)變化研究，將有助于闡明番茄在發(fā)育的各個階段對非生物脅迫響應(yīng)的分子機制，為今后番茄的抗逆育種提供理論基礎(chǔ)。endprint