辣木抗逆相關(guān)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

普天磊 韓學(xué)琴 廖承飛 鄧紅山 羅會英 金杰

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所 元謀干熱河谷植物園，元謀 651300）

辣木為十字花目辣木科辣木屬多年生落葉喬木，其為單屬科，現(xiàn)有13個種［1］，也有報道稱14個種［2］，目前，常見的品種為印度傳統(tǒng)辣木、印度培育的改良品種和非洲辣木［3］，主要在我國的云南、海南、福建、兩廣等地引種栽培［4］。辣木生長速度快，種植6個月即可開花結(jié)實［5］，喜光照，在pH 4.5-9的土壤中均能正常生長，生物產(chǎn)量大，全株均可利用，營養(yǎng)成分全面而豐富，含有賴氨酸、亮氨酸、蘇氨酸等多種氨基酸，葉酸、維生素C、維生素B、維生素E等多種維生素，以及鈣、鉀、磷、硫、鐵等多種無機元素［6］，葉片粗蛋白含量27%，種子脂肪酸含量42%-54%［7］。此外，還含有黃酮、酚類、多糖和苷類等功能性成分［8］，有較大的開發(fā)利用價值。

低溫、干旱、鹽等脅迫條件會誘發(fā)植物產(chǎn)生一系列的響應(yīng)，使活性氧（Reactive oxygen species，ROS）生成增加，細胞膜穩(wěn)定性和離子濃度改變，造成植物的脂質(zhì)過氧化、細胞膜損傷及離子毒害現(xiàn)象，在影響植物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，還會使其生長受到抑制，甚至導(dǎo)致植株死亡［9-10］。非生物脅迫條件下，辣木的響應(yīng)研究有利于推進辣木新品種選育，擴大種植面積，提高植株對環(huán)境的適應(yīng)性。辣木提取物可作為天然的生長調(diào)節(jié)劑，提高種子發(fā)芽、養(yǎng)分利用率、產(chǎn)量以及對非生物脅迫的耐受性，對減弱農(nóng)用合成化學(xué)藥品給植物、土壤造成的危害有重要意義，在不斷變化的氣候條件下，維持甚至提高植物產(chǎn)量有重要作用［11-12］。本文主要綜述了辣木抗逆性研究和其提取物在植物抗逆性方面的應(yīng)用，揭示辣木在不良環(huán)境下的形態(tài)、生理生化變化和響應(yīng)機制，以及辣木提取物對逆境中植物的調(diào)節(jié)作用，以期為抗逆辣木種質(zhì)創(chuàng)新和進一步開發(fā)利用辣木生長調(diào)節(jié)劑提供參考依據(jù)。

1 干旱脅迫抗性

降水減少、水分虧缺、溫度升高等是造成干旱脅迫的主要因素，辣木對干旱環(huán)境的適應(yīng)性強，在年降雨量300-3 000 mm的條件下均能正常生長［13］。干旱會影響辣木的生長參數(shù)，任開磊［14］研究表明隨著干旱脅迫的加劇，辣木株高、地徑、生物量總體呈下降趨勢，輕度和中度脅迫下降較快。韓學(xué)琴等［15］研究表明隨著干旱脅迫加劇，辣木株高和地徑生長趨于停滯，復(fù)葉數(shù)、主根長、主根粗降低，生物量由地上部分轉(zhuǎn)移至地下，以提高根冠比適應(yīng)干旱環(huán)境。適當(dāng)缺水可增強辣木對干旱的耐受性，辣木幼苗經(jīng)輕度水分脅迫后再復(fù)水，可減輕干旱對植株的影響，保持較高的相對含水量和水分利用率［16］。

干旱脅迫會影響辣木的光合作用，葉綠素是植物參與光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換的重要物質(zhì)，干旱脅迫會促進其分解導(dǎo)致光合作用下降，這可能是由于葉綠素與葉綠體蛋白在干旱環(huán)境中結(jié)合變松弛，使葉綠素遭到破壞，或葉綠素酶活性增強，促進葉綠素分解造成［17］。呂亞等［18］研究表明在干旱環(huán)境下，多油辣木苗期葉綠素含量、最大熒光、可變熒光呈遞減趨勢，初始熒光值呈增長趨勢，葉片的光合效率和光能利用率均下降。與此同時，任開磊［14］研究表明隨干旱脅迫程度加深，印度、緬甸、肯尼亞種源辣木的葉綠素a、葉綠素（a+b）、類胡蘿卜素含量呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。翁愛芳等［19］發(fā)現(xiàn)辣木在干旱脅迫下，葉綠素a和總?cè)~綠素呈降-升-降的趨勢，葉綠素b和葉綠素a/b呈先上升后下降趨勢，這可能是由于干旱脅迫下葉片的保護作用使葉綠素絕對含量減少，同時葉片含水量降低，導(dǎo)致葉綠素濃度反而增加。

抗氧化酶系統(tǒng)相關(guān)物質(zhì)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)常用于評估植物的抗旱性。夏菁等［20］發(fā)現(xiàn)隨著脅迫程度增加，多油辣木幼苗可溶性糖、脯氨酸（Proline，Pro）、丙二醛（Malonaldehyde，MDA）、相對電導(dǎo)率含量總體上增加，過氧化酶活性總體上高于對照組，并表明幼苗葉片中的Pro對其抗旱性起著重要作用。宿愛芝［21］研究表明隨著辣木澆水頻率的減少，干旱脅迫增加、Pro增加、蛋白質(zhì)和超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）先增后減。抗氧化酶活性增加有助于氧化應(yīng)激系統(tǒng)清除過量的ROS以減弱干旱脅迫給植株造成的損傷，隨著脅迫時間延長其活力下降，表明干旱脅迫導(dǎo)致辣木葉片細胞結(jié)構(gòu)和功能的破壞，從而影響抗氧化酶的表達。

植物由鈣離子、激酶和磷酸酶等感知干旱信號，通過ABA依賴途徑和ABA不依賴途徑傳導(dǎo)信號，調(diào)節(jié)下游滲透調(diào)節(jié)基因、抗氧化代謝基因、逆境誘導(dǎo)蛋白基因的表達，產(chǎn)生相應(yīng)功能蛋白，導(dǎo)致植物形態(tài)、光合系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等指標發(fā)生變化［22］。然而，植物的抗旱性較為復(fù)雜，不同植物間的抗旱性也存在差異。Cecilia等［23］研究表明辣木在干旱脅迫作用下生物產(chǎn)量降低，是由于ABA含量增加，誘導(dǎo)氣孔快速關(guān)閉，光合作用受到抑制造成。此外，抗旱植物可通過增加具有抗氧化功能的次級代謝產(chǎn)物的生成量（例如異戊二烯和類黃酮），限制脂質(zhì)過氧化，防止植株產(chǎn)生嚴重的光抑制現(xiàn)象［24-25］。異戊二烯可通過抗氧化劑或膜穩(wěn)定作用應(yīng)對干旱脅迫，保護類囊體膜的完整性，清除ROS自由基，從而降低氧化損傷［26-27］。類黃酮可作為抵抗植物脅迫的抗氧化劑，存在于細胞核、液泡、葉綠體外膜等其它抗氧化劑不能起作用的亞細胞區(qū)室［28］，其生物合成增加與脅迫條件下ROS穩(wěn)態(tài)或電子傳輸途徑的改變相關(guān)［29］。

2 低溫脅迫抗性

辣木生長適宜溫度為25-35℃，低溫條件下，辣木生長緩慢，當(dāng)溫度低于10℃時植株出現(xiàn)寒害［30］。表型鑒定是辣木抗寒性研究中最為直觀和關(guān)鍵的評價方法，低溫條件下，辣木種子萌發(fā)和幼苗生長情況的研究，一般通過幼苗發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)等萌發(fā)指標和苗高、莖粗、生物量等生長指標來確定幼苗的耐冷性強弱。張?zhí)煜璧龋?1］探索辣木種子和幼苗對不同溫度的適應(yīng)性，表明辣木種子發(fā)芽的最適溫度是25℃，幼苗最適生長溫度是30℃；當(dāng)溫度低至15℃時，辣木胚根突破種皮后生長緩慢，不能正常破土萌發(fā)，同時幼苗苗高、莖粗、根長、鮮質(zhì)量增量等生長指標下降，隨著處理時間的延長有進一步停止生長的趨勢。楊樸麗等［32］研究表明PKM1辣木種子在5℃處理4 d和8 d發(fā)芽率為35%和20%，且隨著處理時間的延長，出苗率、苗高、胚根長、胚根鮮重和總鮮重越低。

電導(dǎo)率、可溶性糖、Pro等生理指標和MDA、SOD、CAT等抗氧化指標可用于辣木不同植株或品種的抗寒性評價。李帥［33］研究表明在冬季低溫環(huán)境下，辣木葉片電導(dǎo)率、MDA含量高，葉綠素含量低，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量呈現(xiàn)出高于其余月份的趨勢。程習(xí)梅［34］以MDA、可溶性糖、Pro、SOD活性為指標發(fā)現(xiàn)，3個辣木品種的耐寒性依次為：PKM2＞PKM1＞傳統(tǒng)辣木。此外，相關(guān)研究表明低溫脅迫下細胞膜透性增強，細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲。因此，還可通過電解質(zhì)滲出率的變化反應(yīng)植物的冷害程度［35］。林宗鏗［36］以3個辣木品種嫩梢為材料，采用電解質(zhì)滲出率法配合Logistic方程測定低溫半致死溫度發(fā)現(xiàn)，隨著處理溫度的降低，電解質(zhì)滲出率呈升高趨勢，確定辣木抗寒能力依次為：狹瓣辣木＞PKM1＞多油辣木。

植物受到低溫脅迫時，質(zhì)膜流動性和蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，并由細胞膜蛋白識別感知，將低溫信號通過鈣離子、脫落酸等第二信使傳遞，誘導(dǎo)CBF、鋅指蛋白、堿性亮氨酸拉鏈蛋白等轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)生，通過轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用激活相關(guān)基因的表達，使細胞內(nèi)不飽和脂肪酸和磷脂含量增加，膜脂的相變溫度降低，細胞膜流動性增強，引發(fā)植物的抗凍保護。同時生成有膜保護作用的碳水化合物，如可溶性糖，積累氨基酸（如Pro）、季胺和多元醇等滲透調(diào)物質(zhì)，引發(fā)滲透保護。此外，低溫條件下ROS含量增加，激活SOD、CAT等抗氧化酶，減弱自由基對植物的損傷。在抗氧化酶系統(tǒng)、滲透保護和自身抗凍保護的作用下，受低溫脅迫植物的物質(zhì)和能量代謝平衡，從而提高植物的低溫抗性。

3 鹽脅迫抗性

鹽脅迫對植物的影響首先表現(xiàn)為持續(xù)的滲透脅迫，然后表現(xiàn)為離子失調(diào)引起的毒害［37-38］，最后引發(fā)氧化脅迫導(dǎo)致膜透性改變、生理生化代謝紊亂等［39-40］。辣木鹽脅迫抗性的報導(dǎo)并不多見，Letizia等［41］發(fā)現(xiàn)辣木組培苗經(jīng)過100 μmol/L NaCl溶液處理30 d后，鐵離子和ABTS自由基清除活性提高，同時200 μmol/L高劑量NaCl會抑制愈傷組織的生長，降低其生物活性和次生代謝產(chǎn)物量。孫潔等［42］研究表明，鹽脅迫顯著降低辣木的光合作用，隨著鹽濃度的增大，葉綠素含量下降，POD、SOD酶活性降低，MDA含量增加，同時他們還指出辣木苗對鹽脅迫反應(yīng)較敏感，不宜在鹽堿地推廣種植。

目前，有關(guān)辣木對鹽脅迫的分子響應(yīng)機制仍鮮見報道。植物對鹽脅迫分子響應(yīng)機制的研究還處于初級階段，植物耐鹽性相關(guān)基因的研究主要集中于離子轉(zhuǎn)運蛋白基因、滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因、信號傳導(dǎo)相關(guān)基因和細胞抗氧化相關(guān)基因［43］。

4 辣木提取物在植物抗逆中的應(yīng)用

目前緩解干旱、極端溫度、鹽度、重金屬等非生物脅迫對植物造成不利影響的策略是有限的，辣木提取物可作為安全有效的生長調(diào)節(jié)劑改善這些不利影響。水是提取辣木葉提取物（Moringa leaf extracts，MLE）的首選溶劑，Latif等［44］采集新鮮成熟的辣木葉加水冷凍提取過夜，以制備出MLE。然而Brockman等［45］研究表明乙醇-己烷連續(xù)萃取液制備的MLE比水提液提高12%的谷物收率和11%的生物量。MLE富含Pro、酚類、類黃酮、抗壞血酸等抗氧化成分，氨基酸、可溶性糖等滲透保護成分和吲哚-3-乙酸、赤霉素等植物激素成分是生長調(diào)節(jié)劑的良好來源［44］。同時，Rady等［46］也發(fā)現(xiàn)MLE中含赤霉素、吲哚乙酸和脫落酸。

辣木提取物在一定程度上緩解植物的低溫、鹽度及干旱脅迫。Batool等［47］發(fā)現(xiàn)低溫（12.9-20.1℃）條件下，辣木幼苗生長一個月后噴施3% MLE可增加分枝數(shù)（66%）、葉片（52%）、小葉（42%）、葉綠素a（41%）、b（71%）、總?cè)~綠素（49%）、膜穩(wěn)定性指數(shù)（45%）和葉片多酚含量（78%），MLE可提高幼苗對低溫脅迫的防御能力。Saad等［48］發(fā)現(xiàn)NaCl和CdCl2會增加菜豆電解質(zhì)泄露、脂質(zhì)過氧化和Cd2+的含量，降低膜穩(wěn)定性指數(shù)和相對含水量，噴施MLE后可顯著提高菜豆的生長性狀、產(chǎn)量、Pro含量、抗氧化酶活性等參數(shù)，消除NaCl、CdCl2造成的脅迫。Taia等［49］發(fā)現(xiàn)經(jīng)MLE處理的干旱脅迫南瓜的光合色素、可溶性糖、Pro、相對含水量、生長和產(chǎn)量參數(shù)等提升，3%MLE施用可有效緩解南瓜的干旱脅迫。

辣木除了葉提取物對植物生長有促進作用外，EI-Sayed等［11］研究表明辣木籽提取物能顯著增加受重金屬污染甜椒的Pro、CAT活性、葉綠素含量等參數(shù)，降低Cd2+含量，促進甜椒生長，提高果實產(chǎn)量。同時，Iqbal等［50］通過研究不同濃度辣木根和葉提取物對向日葵株高、花徑、葉面積等生長參數(shù)，出苗期、出苗率等萌發(fā)參數(shù)和鮮重、干重、千粒重等產(chǎn)量參數(shù)的影響，表明葉提取物比根提取物更加促進向日葵生長。在應(yīng)用方法上，辣木提取物除了可以噴施于逆境植物的葉片外，還可用于浸泡種子或球莖，以提高植物對脅迫的耐受性［51］。Iftikhar等［52］研究表明MLE顯著改善小蒼蘭的生長、品質(zhì)和產(chǎn)量，球莖浸泡優(yōu)于葉面噴施。

辣木生長調(diào)節(jié)劑研究的起步時間并不長，相關(guān)學(xué)者對其作用機制進行了簡要闡述。Latif等［44］研究表明MLE可作為抗氧化劑激活環(huán)境脅迫下豆科植物的抗氧化成分，減輕氧化損傷，從而改善植物在逆境脅迫下的生長抑制、光合下降、超微結(jié)構(gòu)損傷等現(xiàn)象。也有學(xué)者認為辣木提取物可增加植物的激素水平，這些激素可調(diào)節(jié)與脅迫相關(guān)的抗氧化基因、次生代謝基因和抗病基因的表達，增加植物對生物和非生物脅迫的耐受性［53-54］。Ali等［55］研究表明MLE中含有細胞分裂素，對于促進細胞分裂、伸長及葉綠素生物合成有關(guān)鍵作用。Alkuwayti等［56］通過監(jiān)測應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)基因的表達，研究MLE對羅勒基因表達的影響，表明MLE對羅勒的生長和產(chǎn)量表現(xiàn)出生物刺激作用，同時MLE有改變羅勒類滲調(diào)蛋白（Osmotin-like protein）基因表達的趨勢，這種趨勢與植物生長和產(chǎn)量增加呈正相關(guān)。

5 存在的問題及展望

環(huán)境脅迫會抑制植物生長，這種抑制可能是由于細胞分裂、細胞伸長、分生組織活動減少、水分吸收減少和代謝減少造成［57］。辣木提取物可作為天然的生物刺激劑，不僅能促進植物生長，而且對減輕農(nóng)用化學(xué)品對環(huán)境造成的污染有重要意義。辣木生長調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用研究和辣木的非生物脅迫研究集中于宏觀的形態(tài)指標和生理指標層面，未能有效地利用分子生物學(xué)手段，從微觀層面充分解釋辣木的響應(yīng)及調(diào)控機制，限制了辣木提取物在植物抗逆上的應(yīng)用，延長了辣木抗逆育種的周期，降低了育種效率。同時，與辣木抗逆相關(guān)的功能基因未能有效篩選精確定位，資源分類上的混亂亦限制了對辣木優(yōu)良抗性的深入探索。

目前，有關(guān)辣木抗逆性研究中，存在不同研究在同一逆境脅迫條件下的研究結(jié)果不一致現(xiàn)象，首先這可能與脅迫因子總體效應(yīng)有關(guān)，脅迫因子的總體效應(yīng)較為復(fù)雜，通常取決于多種相互作用的因素，如施加脅迫的時間、脅迫的強度、植物品種和種植地環(huán)境等［58］。因此，后續(xù)的抗逆性研究應(yīng)提供具體的脅迫時間及強度、種植品種/種質(zhì)來源、海拔、氣候條件等參數(shù)；其次，辣木抗逆性的評價體系并不完善，現(xiàn)有研究主要根據(jù)植物學(xué)表觀性狀及光合系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)等生理生化指標進行評價，雖然不同非生物脅迫對植株會造成生長抑制、產(chǎn)量/品質(zhì)降低等現(xiàn)象，但是不同脅迫，其誘因也不同，植株的響應(yīng)也存在特殊性，應(yīng)針對不同的脅迫類型，建立不同的評價體系。

在非生物脅迫狀態(tài)下，植物產(chǎn)生過量ROS，引起植物的氧化應(yīng)激反應(yīng)，其內(nèi)部也有很多復(fù)雜機制來減輕ROS造成的氧化損傷，如上調(diào)脅迫響應(yīng)相關(guān)基因、積累防御蛋白、合成次生代謝產(chǎn)物等［59］，其中，合成次生代謝物就是一種很重要的抗氧化損傷機制。辣木的次生代謝物，如多糖類、黃酮類、酚酸類、維生素類等具有良好的抗氧化活性［60］，可作為抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的第一道防線，不但能緩解外界非生物脅迫給辣木帶來的氧化損傷，而且對提高辣木生長調(diào)節(jié)劑的效應(yīng)有積極促進作用。辣木經(jīng)伽馬輻射處理后，黃酮類化合物含量升高，與其結(jié)構(gòu)類似的代謝物綠原酸及其衍生物有助于減輕伽馬射線造成的氧化損傷［61］。Ramabulana等［62］研究表明電離輻射可提高辣木的次生代謝物水平，如芥子油苷及其衍生物，并認為它們是辣木誘導(dǎo)防御機制的組成部分。因此，培育次生代謝物高的品種，對辣木抗逆性及其在抗逆方面的應(yīng)用有積極的意義。

近年來，隨著辣木不斷地推廣種植，辣木抗逆性及其提取物利用的研究逐漸開展，今后的研究需要充分利用分子生物學(xué)和生物信息學(xué)的方法，闡述辣木在逆境中的響應(yīng)機制及其提取物對逆境植物的作用機制，同時建立完善的抗逆評價體系，加強次生代謝產(chǎn)物高的辣木品種培育，對提高辣木的環(huán)境適應(yīng)性、促進抗逆性強的辣木種質(zhì)資源良種選育及充分開發(fā)利用辣木生長調(diào)節(jié)劑有著舉足輕重的意義。