作物耐濕性生理及分子機(jī)理研究進(jìn)展

欒海業(yè)，楊紅燕，徐 肖，張英虎，臧 慧，喬海龍，陳 健，陳 和，沈會權(quán)，陶 紅

（江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇鹽城224000）

濕害（waterlogging）是指土壤水分過多造成的缺氧環(huán)境，對作物正常生長發(fā)育所產(chǎn)生的危害。隨著全球生態(tài)環(huán)境的惡化，極端天氣出現(xiàn)的頻率不斷增加，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，濕害已經(jīng)成為影響農(nóng)作物生產(chǎn)的主要非生物脅迫因素之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，在世界范圍內(nèi)，大約有16%的耕地均受到不同程度的濕澇危害，濕害往往導(dǎo)致作物減產(chǎn)20%～30%，嚴(yán)重的濕害甚至導(dǎo)致絕收。我國是世界上受濕澇影響較為嚴(yán)重的國家之一，每年大約有30%的耕地面積受到不同程度洪澇影響，且呈逐年增加的趨勢[2]。長江中下游麥區(qū)因地下水位偏高或雨水偏多，是我國受洪澇影響最為嚴(yán)重的地區(qū)，約占全國洪澇災(zāi)害區(qū)域的3/4 以上。目前，作物抵抗?jié)駶趁{迫缺氧環(huán)境的生理生化以及分子機(jī)理尚不清楚，耐濕基因克隆的報道還較少，制約了作物耐濕性品種分子標(biāo)記輔助選擇的進(jìn)程[3]。因此，對農(nóng)作物已有耐濕生理生化及分子機(jī)理的研究進(jìn)行綜述，可為耐濕作物新品種的選育提供參考依據(jù)。

1 作物耐濕性生理生化

1.1 啟動無氧呼吸

在濕害脅迫下，由于氧氣缺乏，有氧呼吸代謝途徑明顯受阻或中斷，植物逼迫通過無氧呼吸維持其生存所需的能量。乙醇發(fā)酵和乳酸發(fā)酵是無氧呼吸途徑的主要能量代謝途徑。在低氧脅迫下，植物首先表現(xiàn)為乳酸脫氫酶（LDH）的活性升高，當(dāng)胞質(zhì)中pH 值達(dá)到6.8 時，乙醇脫氫酶（ADH）與丙酮酸脫羧酶（PDC）被激活，迅速進(jìn)入乳酸和乙醇發(fā)酵途徑，成為氧氣缺乏時主要能量來源[4]。胡曉輝等研究了低氧脅迫對黃瓜幼苗根系無氧呼吸酶活性的影響，結(jié)果表明，根系中PDC、ADH、LDH 活性顯著升高，且升高幅度與品種抗低氧脅迫的能力密切相關(guān)[5]。

1.2 啟動抗氧化機(jī)制

作物在淹水脅迫下，根系由于處于嚴(yán)重缺氧的環(huán)境，作物不可避免會產(chǎn)生超氧陰離子（O2·）、羥自由基·OH 和H2O2等大量活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS），這些物質(zhì)的積累會造成植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的損傷，最終導(dǎo)致植株的死亡。作物同時也存在一系列抗氧化機(jī)制，受到逆境脅迫后，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）等氧化酶活性會被激活用來平衡活性氧的危害。

張曉勤等對大麥葉片中抗氧化酶活性與丙二醛（MDA）含量的研究表明，濕害初期抗氧化酶活性均上升，濕害處理后期，抗氧化酶活性在濕害敏感材料中明顯降低，而耐濕材料中變化相對較小；濕害脅迫后，MDA 含量在不同材料中均顯著上升，且在濕害敏感材料中的積累量更多，表明濕害敏感材料葉片中細(xì)胞膜的損傷程度更大[6]。周廣生等研究發(fā)現(xiàn)，小麥?zhǔn)軡窈γ{迫后，次生根與旗葉中的MDA含量比對照有所增加，而抗氧化酶SOD、POD、CAT活性均下降，且耐濕品種生理指標(biāo)的變化幅度要明顯小于濕害敏感品種[7]。

Zhang 等研究表明，大麥葉片中主要抗氧化酶含量的變化與耐濕性間并不存在顯著的相關(guān)性，SOD 活性與耐濕性間為不顯著負(fù)相關(guān)；不同作物在濕害脅迫下，抗氧化酶活性變化的規(guī)律并不一致；同一種作物的不同器官或不同的試驗條件下，也往往得到不同的試驗結(jié)果[8]。Tang 等研究發(fā)現(xiàn)，濕害脅迫導(dǎo)致玉米葉片中SOD 和CAT 活性明顯升高，而根系SOD 和CAT 活性卻明顯下降[9]。Yordanova 等研究發(fā)現(xiàn)，濕害脅迫后大麥葉片中SOD 活性顯著下降[10]，而Zhang 等研究卻發(fā)現(xiàn)濕害脅迫后SOD 活性顯著上升[8]。

1.3 啟動激素調(diào)控機(jī)制

植物往往通過調(diào)控自身體內(nèi)激素含量的變化來抵抗?jié)窈υ斐傻牡脱趺{迫。當(dāng)土壤中含水量過多時，植物根系產(chǎn)生的乙烯氣體不能迅速地擴(kuò)散出去，在根系周圍積累，或通過根系及莖葉中的通氣組織，擴(kuò)散到植株地上部，而造成葉片的萎蔫、黃化、卷曲、脫落，抑制植株的正常生長發(fā)育[11]。Mergemann 等研究發(fā)現(xiàn)，乙烯可以作為一種重要的信號分子，在根節(jié)部位堆積促進(jìn)新生不定根的生成，替代濕害中損傷的種子根，提高了植物的耐濕性[12]。Kim 等對大豆?jié)窈γ{迫5 d 后，發(fā)現(xiàn)耐濕材料根系中乙烯的含量增加了8 倍，而濕害敏感材料僅增加了不到2 倍，通過電鏡觀察根系橫切面，同時發(fā)現(xiàn)耐濕材料根系中產(chǎn)生了更加發(fā)達(dá)的通氣組織[13]。王文泉等研究發(fā)現(xiàn)，濕害處理后，耐濕芝麻的根系中乙烯含量增加了6.06 倍，不定根數(shù)目也明顯增加，且在初生根和不定根中均形成了典型的通氣組織[14]。

脫落酸（ABA）、赤霉素（GA）、生長素（IAA）和細(xì)胞分裂素（CTK）等激素在濕害脅迫下均會發(fā)生相應(yīng)的變化。Saika 等研究表明，植物在遭受濕害逆境時，地上部ABA 含量會增加，并且會減少向地下部的運輸；葉片中ABA 含量的增加，會導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，蒸騰作用和呼吸作用均下降，進(jìn)而影響到植物光合作用[15]。Shimamura 等研究發(fā)現(xiàn)，大豆淹水脅迫24 h 后，子葉下胚軸處形成發(fā)達(dá)的通氣組織，ABA含量卻明顯下降，表明ABA 可作為一種負(fù)調(diào)控因子來促進(jìn)通氣組織形成[16]。Kim 等研究表明，濕害脅迫后，大豆耐濕材料的根系中形成了發(fā)達(dá)的通氣組織，其植株ABA 含量顯著下降[13]。赤霉素（GA）則主要通過控制細(xì)胞的形狀和數(shù)目來調(diào)控植株的生長發(fā)育和參與植株的逆境脅迫反應(yīng)。Fukao 等研究發(fā)現(xiàn)，水稻淹水脅迫時，GA 含量明顯上升，且增加了水稻節(jié)間的長度，使植株迅速逃離濕害脅迫[17]。乙烯、赤霉素、脫落酸間可能存在某種互作，從而決定了細(xì)胞程序性死亡以及不定根原基出現(xiàn)和生長的時間及位置。

2 作物耐濕性的分子機(jī)理研究

作物對濕害脅迫的響應(yīng)是一個復(fù)雜的分子調(diào)控過程，迄今為止，已經(jīng)建立了不同作物在濕害脅迫后的基因表達(dá)譜，并篩選出了大量與耐濕性相關(guān)的差異表達(dá)基因。Christianson 等利用全基因組芯片對棉花淹水脅迫后根系和葉片中的基因表達(dá)分析表明：4 h濕害處理，根系中鑒定到1 012 個差異表達(dá)基因，主要與細(xì)胞壁的修飾和生長、糖酵解、線粒體電子傳遞和氮代謝等生理功能相關(guān)；24 h 濕害處理，葉片中鑒定到1 305 個差異表達(dá)基因，主要與細(xì)胞壁修飾和生長、激素響應(yīng)、淀粉代謝和氮代謝等功能相關(guān)[18]。Sharmin等對不同淹水時間段的大豆種子進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析，在濕害敏感材料和抗性材料中分別鑒定出1 958 和1 563 個差異基因，通過功能分析，差異基因主要與細(xì)胞壁、抗氧化活性、轉(zhuǎn)錄因子活性等功能相關(guān)，預(yù)測了3 個GmERFVII 轉(zhuǎn)錄因子和MAPK1基因是重要的候選基因[19]。Yu 等對濕害脅迫下玉米的根系進(jìn)行蛋白組學(xué)分析，共檢測到211 個差異表達(dá)蛋白，其中有81 個在耐濕系中特異表達(dá)，57 個在濕害敏感系中特異性表達(dá)；差異表達(dá)蛋白功能主要與代謝、能量、轉(zhuǎn)運和抗病/防御等相關(guān)，差異基因可減少能量消耗、維持正常pH 水平以及減小氧化損傷[20]。

已有研究從水稻和擬南芥等植物中克隆了部分與耐濕相關(guān)的基因，部分基因的功能已被驗證[21-23]。Quimio 等構(gòu)建了PDC1 基因的超表達(dá)載體轉(zhuǎn)化水稻，轉(zhuǎn)基因株系抵抗淹水脅迫的能力明顯提高[21]。耐澇基因Sub1A-1 編碼一個乙烯響應(yīng)因子，在不耐濕的粳稻中超表達(dá)Sub1A-1，轉(zhuǎn)基因株系中內(nèi)源Sub1C、Expansin3 和Sus3 表達(dá)量降低，而ADH1/2和PDC2/4 的表達(dá)量明顯提高，表明Sub1A-1 能夠提高水稻抵抗淹水脅迫的能力[22]。除此之外，還發(fā)現(xiàn)乙烯響應(yīng)因子SKs 基因也與耐淹相關(guān)，超表達(dá)SKs株系的節(jié)間明顯伸長，抵抗淹水脅迫能力提高。SKs和Sub1A-1 都能響應(yīng)乙烯信號。此外，SKs 還可以刺激GA 信號，而Sub1A-1 則通過抑制短側(cè)根基因SLR1 的降解負(fù)調(diào)控GA 信號途徑，表明兩者可以通過不同途徑調(diào)控植物適應(yīng)淹水脅迫[23]。Liu 等研究表明擬南芥中，RAP2.6L 編碼一個AP2/ERF 家族的基因，超表達(dá)RAP2.6L 基因，導(dǎo)致APX1、SOD1、ABA1、ABH1 和ADH1 等抗氧化酶類基因轉(zhuǎn)錄本的增加，表明超表達(dá)RAP2.6L 延遲了植株在濕害脅迫下的黃化死亡，耐濕性提高[24]。

3 展望

濕害是影響作物生長發(fā)育的主要非生物脅迫因子之一，為了深入研究作物耐濕性的機(jī)理，培育耐濕性作物新品種，未來需要在以下幾個方面開展研究：1）準(zhǔn)確的評價指標(biāo)，是優(yōu)異種質(zhì)資源篩選鑒定的基礎(chǔ)。在作物耐濕性評價方面，主要是以黃葉數(shù)、株高等表型性狀的變化為主，以后可能要考慮多個性狀的綜合評價指標(biāo)。2）生理生化指標(biāo)的變化與作物不同的發(fā)育階段密切相關(guān)，濕害的鑒定與溫度的變化也密切相關(guān)。目前大多數(shù)研究主要集中在作物苗期階段，以后要多增加作物成株期耐濕性鑒定的研究。3）作物耐濕性是復(fù)雜的數(shù)量性狀，由多個基因控制，目前克隆的耐濕相關(guān)基因還較少。通過構(gòu)建遺傳定位群體，定位克隆耐濕相關(guān)主效基因，利用關(guān)聯(lián)分析群體，挖掘耐濕優(yōu)異等位變異，仍是作物耐濕研究的主要任務(wù)。4）濕害脅迫發(fā)生后，不同作物會產(chǎn)生形態(tài)適應(yīng)，如不定根和通氣組織的形成，這些形態(tài)變化的生理、分子機(jī)理仍然不是十分清楚，有待進(jìn)一步研究分析。隨著現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、高通量測序、基因編輯等新技術(shù)的發(fā)展，作物耐濕分子機(jī)理的研究會越來越多，使利用分子標(biāo)記輔助選育作物耐濕新品種成為可能。