綠豆對非生物逆境脅迫的生理生長應答機制響應研究進展

李 平，藺桂芬，謝淑芹

（邯鄲市農(nóng)業(yè)科學院，河北省作物雜種優(yōu)勢研究與利用重點實驗室，邯鄲市種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子輔助育種重點實驗室，河北邯鄲 056001）

綠豆是我國重要的雜糧作物，已被政府列入中國農(nóng)業(yè)行業(yè)科技專項和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術體系，這為綠豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大提供了重要支撐[1]。綠豆耐干旱、貧瘠，適應環(huán)境能力強，蛋白質(zhì)含量高,富含礦質(zhì)元素、維生素等活性物質(zhì)，具有解毒、抗菌、降血脂、預防癌癥等功效，醫(yī)食兩用。近年來，隨著人們越來越重視膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)均衡化，種植業(yè)結(jié)構(gòu)也相應發(fā)生了變化，綠豆需求量大于供給量，價格也逐年上升，越來越多的農(nóng)民傾向于選擇種植綠豆[2]。

非生物脅迫是指因外界環(huán)境的改變致使植物體內(nèi)生理生化狀態(tài)發(fā)生變化，常見的非生物脅迫種類有：水分脅迫、鹽堿脅迫、溫度脅迫、重金屬脅迫[3]。這些非生物逆境脅迫都會對作物的生長發(fā)育及其代謝產(chǎn)生嚴重影響。綠豆在其生長發(fā)育過程中面臨著多種非生物逆境脅迫，極易出現(xiàn)生長滯緩、品質(zhì)以及產(chǎn)量降低，嚴重時會導致植株死亡。國內(nèi)外眾多專家學者已經(jīng)對綠豆在逆境脅迫下生長狀態(tài)、細胞水平、活性氧化代謝等生理方面進行了相關研究，但是多僅見于綠豆苗期，而綠豆全生育期對非生物脅迫響應方面的研究相對較少，尤其在分子層面上探究和標記抗逆性基因?qū)Ψ巧锩{迫的應答機制鮮見報道。

筆者針對非生物脅迫下綠豆的生理生長應答機制進行綜述，通過分析當前研究工作中存在的不足，提出未來應當加強的研究方向，力求探明綠豆對非生物脅迫的內(nèi)部生理調(diào)控機制，旨在為綠豆抗逆性研究提供更深層次的研究思路。

1 模擬外界非生物脅迫環(huán)境條件對綠豆生理特性的影響

據(jù)統(tǒng)計，我國每年由于氣象災害造成受災的農(nóng)田面積高達0.5 億hm2以上，最嚴重時會造成糧食減產(chǎn)18%以上[4]。綠豆對外界環(huán)境變化比較敏感，一方面氣候環(huán)境的極端變化會帶來氣象災害，最頻發(fā)的氣象災害主要有干旱、洪澇、極端高溫或低溫等；另一方面，工業(yè)“三廢”、生活污水、城市生活垃圾的不合理排放以及農(nóng)藥和化肥的不合理施用都會造成農(nóng)業(yè)土壤和農(nóng)業(yè)灌溉水污染，尤其是重金屬污染會導致有害離子直接附著在綠豆體內(nèi)，高濃度重金屬污染造成作物生長發(fā)育緩慢甚至停滯[5-6]。毫無疑問，外界氣候和土壤環(huán)境的極端變化對綠豆的生長發(fā)育及其代謝過程產(chǎn)生的不利影響要遠遠大于有利影響，因此，模擬極端外界氣候和土壤環(huán)境變化，探究綠豆在非生物逆境脅迫下的生長發(fā)育狀況、物質(zhì)代謝過程以及其應對或適應非生物逆境脅迫的生理變化，對揭開綠豆抗逆生理機制起著非常重要的作用。

國內(nèi)外專家研究綠豆對外界非生物逆境脅迫下的生理響應機制主要集中在以下5 個方面：一是植株生長形態(tài)的變化；二是綠豆體內(nèi)細胞結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變；三是體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的改變；四是光合和呼吸作用的變化；五是脯氨酸和可溶性物質(zhì)的積累變化。

1.1 水分脅迫

在非生物逆境脅迫中，水分脅迫是影響植物生長的重要限制因素，直接影響著農(nóng)作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量[7]。水分脅迫分為2 種，一種為干旱脅迫，另一種為淹水脅迫，通常采用控水灌溉量方式和PEG-6000 模擬2 種方式來研究水分脅迫對綠豆生長發(fā)育的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，綠豆胚根長度、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、株高、葉綠素含量、根冠比等多個生長指標對干旱脅迫反應敏感，隨脅迫程度加劇綠豆發(fā)芽勢等生長指標呈顯著下降趨勢[8-12]。王富剛等[12]研究發(fā)現(xiàn)，20%的PEG-6000 濃度脅迫處理對綠豆種子萌發(fā)期發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚根長等均存在極顯著抑制效應；但是段義忠等[9]研究發(fā)現(xiàn)，15%PEG-6000模擬干旱脅迫，綠豆發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽長、胚根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標均呈極顯著下降。這些指標出現(xiàn)極顯著差異時，PEG-6000 處理濃度不同，可能與作物品種抗旱性水平相關。申慧芳等[2]研究也發(fā)現(xiàn)，在不同程度水分脅迫下不同綠豆品種抗旱性存在差異，抗旱性強的綠豆突變體葉綠素含量減小幅度小。

脯氨酸作為植物細胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在逆境非生物脅迫條件下積累的脯氨酸含量能夠在一定程度上反映植株體內(nèi)的水分狀況，可以作為判斷植株缺水與否的重要衡量指標。劉世鵬等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，大明綠豆幼苗在水分脅迫下可以通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，降低水勢，提高其抗旱能力。尹智超等[15]研究結(jié)果表明，綠豆苗期體內(nèi)SOD 活性、MDA含量、可溶性糖含量對干旱脅迫處理反應無響應，PEG-6000 脅迫處理與對照相比變化無規(guī)律，且各處理之間也無明顯變化。而王富剛等[12]研究發(fā)現(xiàn)，15% PEG-6000 處理時各品種綠豆種子的SOD、POD、CAT 活性都顯著上升甚至達到最高水平；當PEG-6000 濃度上升到20%時，各處理的SOD 活性顯著下降，并且不同品種之間存在差異，榆綠1 號反應最為敏感。綠豆苗期氧化系統(tǒng)酶活性和可溶性糖含量對水分脅迫的響應變化以及其敏感性等存在一定分歧，需進一步進行深入研究。此外，關于干旱條件下綠豆開花期、結(jié)莢期生理酶活性變化以及對光合速率等光合系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的研究相對較少。

在小麥、棉花、大豆、玉米等大田主要作物上已大量開展了淹水脅迫對作物影響的研究，而在綠豆等雜糧作物方面研究報道相對較少。張克清等[16]通過研究不同生長時期淹水對綠豆生長生理以及根系解剖結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，與對照相比，淹水條件下綠豆葉綠素含量、莖葉生長強度和根系活力呈現(xiàn)顯著下降態(tài)勢，早期淹水誘導下胚軸部分細胞解體形成通氣組織，根系孔隙度增加，后期淹水則不會形成通氣組織，根系孔隙度增加不明顯。試驗結(jié)果表明，后期淹水對其生長傷害較大。于奇等[17]研究結(jié)果表明，在不同生育時期淹水脅迫下，綠豆在始花期和始粒期進行淹水脅迫會加劇綠豆SPAD值下降，MDA 含量增加，導致細胞膜質(zhì)過氧化程度加深。

綠豆在水分脅迫下光合、熒光特性參數(shù)方面的研究鮮見報道。不同學者對生育期內(nèi)氧化系統(tǒng)酶的活性、可溶性糖敏感變化研究結(jié)果存在分歧；同時，綠豆品種根、莖、葉在干旱脅迫下的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)研究較少，全生育期的綜合抗旱性生理變化尚需深入研究。

1.2 鹽堿脅迫

土壤鹽堿化會引起植物滲透脅迫并影響作物正常生長。由于全球氣候的變異以及人類活動的逐漸加劇，土壤鹽漬化問題已經(jīng)日趨嚴重，作物抗鹽性研究已成為熱點。高鹽會導致作物葉片氣孔關閉，光合速率降低[18-19]。范美華等[20]研究表明，綠豆在100、300、500 mmol/L NaCl 脅迫處理下種子的發(fā)芽率分別比對照顯著降低6.59%、17.01%、32.9%，且處理間均出現(xiàn)顯著差異。吳楚等[21]研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫會使葉綠素酶活性增強，葉綠素合成受到抑制，最終導致葉綠素發(fā)生降解。在水楊酸（SA）浸種對照條件下，綠豆幼苗各處理的脯氨酸含量隨鹽濃度的升高而增加，綠豆種子發(fā)芽率則隨NaCl 處理濃度的上升而下降。范美華等[20]和陳淑芳[22]的研究結(jié)果均表明，不同程度的NaCl 脅迫均顯著抑制了綠豆種子的萌發(fā)。研究表明，鹽脅迫處理抑制綠豆幼苗根系和芽的生長，導致植株矮小，根系變短，幼苗葉片的葉綠素含量降低，MDA 與Pro 含量水平顯著上升，細胞膜的透性增加，從而對綠豆造成一定程度的氧化傷害[23-25]。

1.3 溫度脅迫

張靜[26]研究發(fā)現(xiàn)，綠豆種子最適萌發(fā)溫度為15～25 ℃，幼苗在25 ℃左右生長發(fā)育正常，低于20 ℃或高于35 ℃對綠豆花芽分化不利，綠豆生育后期對溫度反應敏感，溫度達到35 ℃左右時會導致提早成熟，低于20 ℃時抑制開花結(jié)莢，影響產(chǎn)量。陳旭微等[27-28]采用透射電子顯微鏡觀察10 ℃低溫處理2 d 的綠豆下胚軸細胞超微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，細胞受到不同程度的傷害，并且絕大多數(shù)細胞損傷是可逆的而非致死性的。田學軍等[29]研究結(jié)果表明，高溫脅迫抑制綠豆下胚軸的生長發(fā)育，綠豆體內(nèi)脯氨酸和可溶性糖含量隨著脅迫溫度升高而增加，抗壞血酸則隨著溫度升高而降低。這可能導致綠豆清除自由基的能力下降，加劇綠豆的氧化損傷，降低綠豆抵御高溫脅迫誘導的氧化損傷能力，最終影響綠豆正常生長發(fā)育。溫度脅迫對綠豆光合作用以及活性氧化酶系統(tǒng)等方面的生理指標的影響研究比較少。

1.4 重金屬脅迫

種子發(fā)芽以及幼苗生長是檢測土壤環(huán)境污染的重要指標[30]。重金屬通過抑制作物細胞分裂和伸長，激發(fā)或抑制酶活性，影響蛋白質(zhì)合成，降低光合作用和呼吸作用，傷害細胞膜系統(tǒng)，引起膜質(zhì)過氧化，導致細胞膜損傷[30-32]，進而影響作物生長和發(fā)育。曹勇等[33]研究發(fā)現(xiàn)，10 mg/L 鉛處理后的第4 天和第8 天，綠豆幼苗生長受到抑制，葉片SPAD 值降低，可溶性蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先增加后顯著下降的變化趨勢，丙二醛和脯氨酸含量增加。重金屬脅迫處理下，綠豆SOD、POD 等抗氧化酶活性提高，有些酶可以與金屬結(jié)合誘導產(chǎn)生結(jié)合蛋白，降低重金屬毒性[34-35]，蛋白質(zhì)的增加還能夠提高細胞滲透濃度以及功能蛋白的數(shù)量，維持細胞的正常代謝活動[36]。郝曦煜等[37]研究發(fā)現(xiàn)，以50 mmol/L 的CuSO4、MgSO4、FeSO4溶液在播種期進行浸種處理，在分枝期、開花期和成熟期分別進行噴施處理均能起到增加葉綠素含量、MDA 含量，提高SOD、POD 活性的作用。Cu2+、Pb2+和Cr6+適量濃度脅迫對綠豆種子發(fā)芽也有促進作用。重金屬脅迫對綠豆幼苗生長的毒性大于對種子發(fā)芽的毒性。高濃度脅迫下綠豆根部發(fā)育受阻，甚至畸形。這與一些學者的研究結(jié)果相一致[38-43]。

2 外源激素調(diào)控對綠豆抗逆性的影響

外源激素能有效提高作物抗逆能力，減輕作物受害程度，促進作物生長發(fā)育。IQBAL 等[44]研究認為，綠豆在非生物脅迫下引起豆莢非同步成熟，植株倒伏、結(jié)莢率低以及炸莢而造成綠豆產(chǎn)量降低，而外源激素是一種有效措施，可以提高綠豆的抗逆能力，從而提高綠豆產(chǎn)量。范美華等[20]研究發(fā)現(xiàn)，適當濃度的水楊酸（SA）浸種能有效緩解鹽堿脅迫對綠豆幼苗的傷害，提高其耐鹽性。在相同濃度的NaCl 脅迫處理下，綠豆的芽長、根長、葉綠素含量和脯氨酸含量均隨著SA 浸種濃度的增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。研究結(jié)果表明，適宜濃度的SA 能有效提高作物的耐鹽性。王紅星等[45]研究結(jié)果也表明，100 mg/L 的SA 能有效誘導綠豆體內(nèi)抗氧化酶的生成，增強抗氧化系統(tǒng)酶代謝活性，降低綠豆體內(nèi)毒素的積累，減輕非生物脅迫對綠豆的毒害作用。左官強等[46]通過在三節(jié)期噴施植物生長調(diào)節(jié)劑CGR3-1，發(fā)現(xiàn)其能顯著提高綠豐2 號綠豆在始花期葉片蔗糖和淀粉含量，并且對籽粒中脂肪含量有調(diào)節(jié)作用。張偉等[47]研究發(fā)現(xiàn)，在綠豆結(jié)莢時期葉面噴施30 mg/L 烯效唑（S3307），能顯著提高葉片光合速率和水分利用效率，增加SOD 等抗氧化系統(tǒng)酶活性，綠豆百粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量也顯著增高。劉洋等[48-49]研究表明，鼓粒期噴施烯效唑可提高綠豆植株光合速率以及糖分積累，有效提高綠豆葉片保護性酶活性。外源激素如赤霉素、矮壯素等改變和提高作物抗逆性的相關研究也有報道[50-52]。于奇等[17]噴施烯效唑（S3307）減輕了淹水脅迫下綠豆葉片細胞膜質(zhì)過氧化作用，提高了始花期和始粒期淹水脅迫下綠豆的葉綠素含量、光合性能以及單株產(chǎn)量。因此，可以根據(jù)綠豆不同逆境脅迫因素、不同發(fā)育時期等選擇適合的外源激素進行相應處理[53-54]，緩解逆境脅迫對綠豆生長發(fā)育的影響，提高其產(chǎn)量。

3 物理輻射脅迫對綠豆抗逆性的影響

3.1 磁場強度

磁場脅迫是影響植物生長的一個重要因素。有研究表明，植物種子經(jīng)過一定強度的磁場處理后，其幼苗生長發(fā)育代謝過程也會受到明顯影響[55-57]。王紅梅[58]研究發(fā)現(xiàn)，當磁感應強度為0.6 T 時，綠豆種子的發(fā)光強度以及POD 活性達到最高值，但隨著磁感應強度提高，種子的發(fā)光強度和POD 活性均下降。這表明外界磁場影響作物對光能的吸收與利用，磁感應強度增加甚至引起發(fā)光抑制。

3.2 UV-B 輻射

臭氧濃度降低導致越來越多UV-B 輻射直達地表，學者已經(jīng)開始研究增多的UV-B 輻射對作物的影響[59]。UV-B 輻射對作物的影響與作物體內(nèi)核酸和蛋白質(zhì)吸收UV-B 多少有關[60]。賀軍民等[61-62]研究發(fā)現(xiàn)，0.35 W/m2的UV-B 輻射下綠豆幼苗凈光合速率、氣孔導度、細胞間隙CO2濃度和Rubisco 含量均明顯降低。楊美紅等[63]研究表明，在3 000×g、4 h 超重力處理下綠豆體內(nèi)游離脯氨酸含量顯著提高，MDA 含量降低，SOD 活性增強，這提高了綠豆幼苗的抗鹽性，但隨超重力處理加大，綠豆發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，游離脯氨酸含量以及SOD 活性降低，綠豆生長受到抑制。

4 抗逆基因調(diào)控

近年來，國內(nèi)外學者利用多種類型的分子標記方法（RFLP、RAPD、AFLP、SNP、SSR 等）構(gòu)建了大概20 張綠豆遺傳圖譜，我國眾多專家學者在學習、借鑒國外綠豆研究進展的同時也開展了綠豆遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建工作。趙丹等[64-65]、吳傳書等[66]、WANG 等[67]、NAIR 等[68]構(gòu)建了多張具有遺傳連鎖群的綠豆遺傳圖譜，但尚未發(fā)布綠豆全染色體連鎖群的圖譜。劉震旦等[69]根據(jù)已構(gòu)建的遺傳圖譜開展了對綠豆重要功能基因的定位和克隆以及數(shù)量性狀位點定位等研究工作。在綠豆的育種、分子遺傳研究以及基于綠豆遺傳連鎖圖的綠豆抗豆象研究等方面取得了重要進展[69]。KHAN[70]指出，單一指標對作物抗逆性鑒定具有片面性，并且不同的作物適應逆境的方式也大不相同，應利用多個指標進行綜合評價。葉衛(wèi)軍[71]研究發(fā)現(xiàn)，綠豆抗旱性、耐鹽性、抗蟲性等大多數(shù)抗逆性重要的性狀都表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳，受多基因控制，遺傳基礎十分復雜并且較易受環(huán)境影響，相關位點的鑒定和克隆也比較困難。但是，大量已知序列信息將有助于SSR、SNP 等標記的開發(fā)，能夠為開展構(gòu)建高密度連鎖圖譜和定位基因等研究工作提供有力幫助，并且選育和利用抗性品種是降低非生物逆境脅迫最經(jīng)濟、安全、有效的措施，這就愈發(fā)凸顯發(fā)掘和鑒定抗性資源和抗性基因的重要性。

5 結(jié)論

綠豆在生長發(fā)育過程中，隨時會面臨干旱、寒冷、高溫、鹽堿、重金屬污染等多種非生物逆境脅迫，眾多學者已對其在非生物脅迫下的生理響應機制進行了大量研究，例如：生長指標發(fā)芽率、株高、莖粗、葉面積以及氧化系統(tǒng)和滲透系統(tǒng)酶類物質(zhì)活性指標。但是這些研究多僅限于綠豆苗期，全生育期的相關研究較少，今后應繼續(xù)深入研究苗期、花莢期和成熟期等多個不同生育期各項生理生長指標以及產(chǎn)量指標對非生物逆境脅迫的綜合響應。同時，研究綠豆在非生物逆境脅迫條件下的分子調(diào)控網(wǎng)絡，挖掘綠豆逆境相關基因以及逆境信號轉(zhuǎn)導的分子機制，以期篩選得到具有特定抗性基因標記的綠豆植株個體，例如：耐寒綠豆、抗旱綠豆等，為綠豆抗逆分子育種及擴大其種植區(qū)域提供理論基礎和科學依據(jù)。