鐘月仙,黃偉群,林趙淼,張 鴻,李國(guó)良,邱思鑫,邱永祥*
(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,福建福州 350013;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方薯類科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,福建福州 350013;3.福建省特色旱作物品種選育工程技術(shù)研究中心,福建福州 350013;4.福建省種子總站,福建福州 350003)
甘薯(IpomoeabatatasLam.)是世界重要糧食作物,因其適應(yīng)性強(qiáng),在熱帶及溫帶地區(qū)得到廣泛的種植,中國(guó)作為世界上最大的甘薯生產(chǎn)國(guó),2014年甘薯種植面積達(dá)到337.3萬(wàn)hm2,鮮薯產(chǎn)量達(dá)到了7 130.5萬(wàn)t[1]。中國(guó)地形復(fù)雜,甘薯在中國(guó)地區(qū)作為補(bǔ)充性糧食作物常常種植于缺乏良好灌溉條件土地上,因此甘薯生長(zhǎng)過(guò)程中常面臨水分虧缺的問(wèn)題。探究甘薯應(yīng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制對(duì)于提高甘薯產(chǎn)量、增加甘薯種植產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。
水分的變化對(duì)甘薯的各個(gè)生理代謝過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生重要的影響[2]。其中,最直接的體現(xiàn)是對(duì)光合作用的影響。在甘薯的生長(zhǎng)過(guò)程中,水分是參與光合作用必不可少的成分。甘薯通過(guò)葉片以水和二氧化碳為原料進(jìn)行光合作用,產(chǎn)生氧氣和糖類,而糖類則作為儲(chǔ)能物質(zhì)直接輸送到甘薯的根系,從而使甘薯根系膨大。土壤水分作為甘薯植株中水分的最主要來(lái)源,土壤濕度與甘薯產(chǎn)量直接相關(guān)[3]。姜增輝等[4]的研究表明,甘薯的高產(chǎn)需要適宜的土壤濕度,70%的田間最大持水量較利于甘薯的高產(chǎn),而當(dāng)土壤含水量低于60%的田間最大持水量時(shí)會(huì)影響甘薯的產(chǎn)量。土壤水分過(guò)多或者過(guò)少能影響甘薯的光合作用,通過(guò)對(duì)甘薯葉片的研究發(fā)現(xiàn),干旱和淹水都會(huì)使甘薯葉片的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率降低[5]。
通常情況下,植物剛開始受到干旱脅迫后,關(guān)閉氣孔以減少水分的蒸騰速率,此時(shí)外界二氧化碳進(jìn)入葉片受到阻礙,胞間二氧化碳被光合作用所消耗,葉片二氧化碳供應(yīng)不足導(dǎo)致了光合作用速率降低。當(dāng)水分充足時(shí),氣孔可迅速打開,植物體內(nèi)光合系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常進(jìn)行光合作用。在這一過(guò)程中,植物通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)氣孔的開閉來(lái)響應(yīng)干旱脅迫。光合速率的降低只受氣孔因素的影響。當(dāng)植物受到較嚴(yán)重的干旱脅迫時(shí),葉肉細(xì)胞上的光合系統(tǒng)受到破壞,光合能力降低,細(xì)胞呼吸的二氧化碳釋放量大于光合作用的吸收量,二氧化碳不斷積累導(dǎo)致胞間二氧化碳濃度上升。在這一過(guò)程中,植株主要是由于光合系統(tǒng)受到破壞從而導(dǎo)致光合速率的降低[6]。研究表明[7-8],干旱脅迫下影響光合速率的因素包括氣孔限制因素和非氣孔限制因素,氣孔因素導(dǎo)致的光合速率下降是指在干旱脅迫下植物葉片的氣孔關(guān)閉使光合速率降低,表現(xiàn)為胞間二氧化碳濃度降低;非氣孔因素是指干旱脅迫破壞了植物葉片中葉肉細(xì)胞的光合系統(tǒng)從而導(dǎo)致光合速率下降,具體表現(xiàn)為胞間二氧化碳濃度升高[9]。龔秋等[10]的研究發(fā)現(xiàn),即使在相同程度的干旱脅迫下,不同甘薯品種對(duì)脅迫的響應(yīng)方式也不完全相同。其研究表明,在干旱脅迫20 d后,徐紫薯6號(hào)、徐紫薯1號(hào)、徐薯33號(hào)等甘薯品種是由于氣孔限制因素導(dǎo)致的光合速率降低,而徐紫薯4號(hào)、徐紫薯2號(hào)、徐紫薯3號(hào)則是由于非氣孔因素導(dǎo)致了光合速率的下降。這也說(shuō)明了不同甘薯品種間存在著明顯的抗旱性差異。
干旱脅迫對(duì)植物光合作用的影響是多方面的,不僅能直接對(duì)葉肉細(xì)胞中的光合結(jié)構(gòu)造成損傷,同時(shí)也能影響光合電子傳遞。盧從明等[11]對(duì)甘薯葉肉細(xì)胞的光合電子傳遞的研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫能夠促進(jìn)甘薯葉肉細(xì)胞解偶聯(lián)的光合電子傳遞,產(chǎn)生解偶聯(lián)效應(yīng),降低ATP的合成。葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)是目前研究植物內(nèi)部光合作用機(jī)理的重要方法[12]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反應(yīng)植物體在環(huán)境脅迫下其光合系統(tǒng)的受損程度[13]。初始熒光量(Fo)作為PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)的光輻射部分,其大小與葉綠素濃度有關(guān)。當(dāng)反應(yīng)中心失活或者遭到破壞時(shí),F(xiàn)o上升??勺儫晒饬?Fv)是參與PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)的光能輻射部分,反映了PSⅡ原初電子受體QA的還原情況。最大熒光量(Fm)反映了通過(guò)PSⅡ的電子傳遞情況。PSⅡ的最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)反映了植物的潛在最大光合能力,高等植物的葉片在經(jīng)過(guò)15~30 min的暗處理后,F(xiàn)v/Fm值一般在0.80~0.84,當(dāng)植物受到脅迫時(shí),F(xiàn)v/Fm顯著下降[14-16]。張?jiān)迫A等[17]利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)對(duì)甘薯的研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫破壞了甘薯的光合機(jī)構(gòu),使原初光化學(xué)效率下降,此時(shí)甘薯葉片的葉綠素含量降低也同樣說(shuō)明光合系統(tǒng)受到破壞。因此,利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)甘薯抗旱品種的鑒定與選育具有十分重要的意義[18]。
在植物受到干旱脅迫后,細(xì)胞中的葉綠體、線粒體、過(guò)氧化物酶體、質(zhì)外體等部位會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS)[19]。生物體內(nèi)適量的ROS可以作為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路的第二信使,激活免疫細(xì)胞、使細(xì)胞增生和程序性死亡[20]。但是ROS的大量積累可使類脂中的不飽和脂肪酸發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng),產(chǎn)生丙二醛,破壞生物膜結(jié)構(gòu),并且對(duì)蛋白質(zhì)、DNA、RNA等造成氧化傷害[21]。因此,及時(shí)清除過(guò)度積累的ROS,使ROS維持在低水平的平衡狀態(tài),是植物體保護(hù)自身免受ROS毒害的重要防御機(jī)制。植物清除ROS的抗氧化系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)、谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶(GST)和過(guò)氧化氫酶(CAT)等,其中 SOD、過(guò)氧化物酶(POD)和 CAT 是植物體內(nèi)清除活性氧的重要保護(hù)酶,其活性與植物的抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系[22]。
POD是植物抵御逆境傷害的一種關(guān)鍵酶,它能夠與SOD和CAT協(xié)同配合,共同清除植物體內(nèi)多余的H2O2。研究表明[23],甘薯的抗旱性與其細(xì)胞中的POD活性相關(guān)。POD不僅可以清除細(xì)胞在逆境或衰老過(guò)程中產(chǎn)生的H2O2,還能夠在植物衰老的末期階段參與活性氧的生成、葉綠素的降解[24]。在通常情況下,甘薯葉片中丙二醛(MDA)含量與過(guò)氧化物酶活性呈負(fù)相關(guān),過(guò)氧化物酶活性越低則葉片細(xì)胞脂膜的過(guò)氧化程度越高[25-26]。而干旱脅迫常常會(huì)使POD的活性提高[27],劉恩良等[28]的試驗(yàn)研究表明,在干旱脅迫下,抗旱和非抗旱品種的POD活性和MDA含量都較大幅度地先增后減??购敌詮?qiáng)的甘薯品種在干旱脅迫各階段均具有較高的POD活性,但只在干旱脅迫早期具有較高水平的MDA,且最終MDA能恢復(fù)到相對(duì)較低的水平。而抗旱性較弱的甘薯品種,干旱早期的MDA較少,但最終積累的卻較多,這進(jìn)一步說(shuō)明POD對(duì)MDA的清除能力以及對(duì)質(zhì)膜的保護(hù)作用。耐旱性越強(qiáng)的甘薯品種,在干旱脅迫下過(guò)氧化物和超氧陰離子生成速率越低,抗氧化酶活性增加的幅度越大[29-30]。
CAT作為植物防御系統(tǒng)中重要的保護(hù)酶,在提高植物對(duì)鹽堿、干旱、凍害等非生物脅迫的抗性有著顯著的作用[31-33]。SOD是細(xì)胞內(nèi)第一道抗氧化防線,在保護(hù)細(xì)胞免受氧自由基的傷害中起到關(guān)鍵的作用。目前研究認(rèn)為,SOD根據(jù)其結(jié)合的金屬離子可以分為Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD和Ni-SOD[34]。其中Cu/Zn-SOD存在于植物體細(xì)胞的線粒體、葉綠體、過(guò)氧化物酶體等結(jié)構(gòu)中,在生物體中含量最多,被認(rèn)為是SOD家族中最重要的一類酶,也是清除活性氧的最主要執(zhí)行者。在甘薯葉片中轉(zhuǎn)入Cu/Zn-SOD基因能夠顯著提高甘薯的抗旱性,緩解逆境對(duì)甘薯質(zhì)膜的氧化傷害[35]。SOD通過(guò)歧化反應(yīng)把超氧陰離子轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫,過(guò)氧化氫再被CAT和POD催化成無(wú)毒害的O2和H2O,從而使細(xì)胞中的超氧陰離子維持在較低水平,緩解植物受到的傷害[36]。
何冰等[37]對(duì)甘薯不同抗性品種的研究發(fā)現(xiàn),隨著干旱脅迫程度的加重,過(guò)氧化物酶活性在耐旱與不耐旱的品種中都呈下降趨勢(shì);超氧化物歧化酶在耐旱性品種中呈波浪式先下降后上升再下降的趨勢(shì),在不耐旱品種中呈下降趨勢(shì);而過(guò)氧化氫酶則在耐旱與不耐旱的甘薯品種中都呈上升趨勢(shì)。但是也有研究認(rèn)為,干旱脅迫會(huì)使過(guò)氧化氫酶活性急劇下降,只是相對(duì)于不耐旱的品種,耐旱甘薯品種的過(guò)氧化氫酶活性下降速率會(huì)比較緩慢[38]。這可能是由于不同的試驗(yàn)材料以及不同方式的干旱脅迫處理導(dǎo)致研究結(jié)果有分歧。進(jìn)一步在甘薯的細(xì)胞水平進(jìn)行研究[39],發(fā)現(xiàn)甘薯愈傷組織在干旱脅迫24 h內(nèi),愈傷組織的SOD活性隨著脅迫程度的增大而升高,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),SOD活性會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這與個(gè)體水平上的研究結(jié)果類似[40]。
植物體除了能夠利用自身的抗氧化物質(zhì)抵御干旱脅迫外,還能通過(guò)外源物質(zhì)來(lái)響應(yīng)水分的脅迫。如抗旱節(jié)水劑對(duì)甘薯的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和膜保護(hù)系統(tǒng)酶具有顯著的影響,都能顯著地減少作物在干旱脅迫下的游離脯氨酸、丙二醛含量,提高POD、SOD和CAT的活性[41]。外源施加ABA能夠降低甘薯的葉片相對(duì)電導(dǎo)率,抑制葉片和根系中丙二醛的積累,提高根系活力,提高葉片和根系中SOD、POD、CAT、APX 和GR 的活性。外源ABA顯著提高了抗氧化酶活性從而提高甘薯苗期葉片和根系的抗氧化酶系統(tǒng)的防御能力[42]。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑縮節(jié)胺能夠提高甘薯根系的POD活性,降低甘薯根系的丙二醛濃度,而烯效唑和生根粉能不同程度降低甘薯根系的POD活性和丙二醛濃度;與烯效唑和縮節(jié)胺不同,生根粉提高甘薯根系中的SOD活性。顯然,不同植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)干旱條件下甘薯苗期根系的抗氧化系統(tǒng)都具有顯著的影響,但是存在調(diào)節(jié)劑種類和甘薯品種之間的特異性[43-44]。
植物在干旱脅迫下,為了防止細(xì)胞過(guò)度的失水,植物體主動(dòng)地提高胞內(nèi)溶質(zhì)濃度,維持細(xì)胞內(nèi)低滲透壓,從而使細(xì)胞能夠繼續(xù)從胞外吸水,該過(guò)程稱為滲透調(diào)節(jié)。植物通過(guò)代謝用于降低胞內(nèi)滲透壓的溶質(zhì)稱為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。在植物體中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)一般分為2種,一種是無(wú)機(jī)離子,包括K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-等;一種是有機(jī)物質(zhì),如游離氨基酸、可溶性糖、可溶性蛋白、甜菜堿等物質(zhì)。在不同程度的干旱脅迫下,這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)都有不同程度的變化[45]。
脯氨酸作為游離氨基酸中最主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在調(diào)節(jié)胞內(nèi)滲透壓的同時(shí)還能夠增加蛋白質(zhì)的水合度,提高其可溶性,避免蛋白質(zhì)大量沉淀,從而維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整及功能的穩(wěn)定性。因此,脯氨酸常常作為檢測(cè)植物抗旱性的重要指標(biāo)[46]。植物體內(nèi)可溶性糖主要有蔗糖、葡萄糖、果糖等,它不但是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),也是一種儲(chǔ)能物質(zhì)。目前研究認(rèn)為,在干旱脅迫下,植物體內(nèi)大分子碳水化合物加快分解為小分子的可溶性糖,并且光合產(chǎn)物在形成過(guò)程中不合成淀粉而是直接轉(zhuǎn)化為低分子量的蔗糖。蔗糖通過(guò)玻璃態(tài)化作用來(lái)保護(hù)細(xì)胞,蔗糖的大量積累能夠產(chǎn)生具有團(tuán)體機(jī)械特性的超飽和液體,從而防止胞內(nèi)生成結(jié)晶,使細(xì)胞不易塌陷,限制大分子物質(zhì)的混合,讓細(xì)胞處在穩(wěn)定的靜止?fàn)顟B(tài)[47]。在干旱脅迫下,甘薯葉片中脯氨酸含量會(huì)隨著脅迫程度的加重而上升[48-49],對(duì)于甘薯的近緣野生種同樣也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)[50]。田間抗旱性較強(qiáng)的甘薯品種在干旱脅迫下,游離脯氨酸的含量有較大的提高,即游離脯氨酸的相對(duì)值與抗旱指數(shù)呈顯著正相關(guān)[51]。有些研究則表明,抗旱性較強(qiáng)的甘薯品種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累均高于抗旱性弱的品種,但脯氨酸積累的數(shù)量與甘薯品種的抗旱性無(wú)關(guān),對(duì)滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)由高至低依次為總游離氨基酸>K+>可溶性糖>脯氨酸[52]。 張明生等[53]對(duì)不同抗性甘薯品種的研究同樣表明,甘薯葉片中可溶性糖、總游離氨基酸和K+的相對(duì)值與品種抗旱性均呈極顯著正相關(guān);而游離脯氨酸含量在干旱脅迫下雖有提高,但其相對(duì)值與品種抗旱性間的相關(guān)性不顯著。
由于不同甘薯品種的抗旱能力不同,許多具有優(yōu)良性狀的品種可通過(guò)一些含有較強(qiáng)抗性基因的野生種雜交而來(lái)[54]。對(duì)甘薯抗旱相關(guān)基因的挖掘分析顯得尤為重要。對(duì)干旱脅迫下的甘薯轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析常常作為挖掘相關(guān)抗性基因的重要手段[55-56]。為了探究甘薯對(duì)干旱脅迫復(fù)雜的遺傳響應(yīng)機(jī)制,許多學(xué)者重點(diǎn)對(duì)抗逆相關(guān)基因的功能進(jìn)行研究分析。這些抗性基因有的直接編碼抗旱相關(guān)的功能蛋白,例如,XvSap1基因編碼與細(xì)胞壁穩(wěn)定相關(guān)的蛋白,能夠顯著提高甘薯的耐旱性,具體表現(xiàn)為,水分脅迫下轉(zhuǎn)基因植株的葉綠素含量、游離脯氨酸含量、相對(duì)含水量均高于野生型,脂質(zhì)過(guò)氧化作用明顯降低[57];液泡Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)基因IbNHX2編碼的蛋白能夠協(xié)助將鈉離子從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中從而提高甘薯植株的耐鹽性和耐旱性[58]。
許多抗旱基因雖然沒(méi)有直接編碼抗逆功能的蛋白,但是作為植株體內(nèi)抗旱物質(zhì)合成的關(guān)鍵酶,在干旱脅迫中也起著重要的作用。IbLCYB2是編碼類胡蘿卜素合成酶的基因,甘薯的IbLCYB2基因超表達(dá)體植株中涉及類胡蘿卜素和脫落酸生物合成途徑和非生物脅迫反應(yīng)的基因均發(fā)生了上調(diào)表達(dá)。在非生物脅迫下,ABA、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性顯著升高,而丙二醛和H2O2含量顯著降低。這表明,IbLCYB2基因通過(guò)調(diào)控甘薯類胡蘿卜素和ABA的生物合成途徑,提高甘薯類胡蘿卜素的含量和抗非生物脅迫能力[59]。苯丙氨酸代謝途徑中的肉桂酸-4-羥化酶是多種次生代謝物合成的關(guān)鍵酶,甘薯基因IbC4H在煙草中的超表達(dá)顯著提高了煙草植株的抗旱性,并且許多逆境脅迫相關(guān)基因也在超表達(dá)植株中發(fā)生了上調(diào)表達(dá)[60]。肌醇合成的限速酶編碼基因IbMIPS1在甘薯植株中超表達(dá)使其肌醇的生物合成提高,光合作用及活性氧清除系統(tǒng)等相關(guān)的基因都發(fā)生了上調(diào)表達(dá),并在田間條件下表現(xiàn)出耐鹽耐旱性[61]。
甘薯的抗旱基因除了能夠提高自身的抗逆性,某些抗性基因在其他物種的表達(dá)也能對(duì)干旱脅迫產(chǎn)生積極的響應(yīng)。例如甘薯IbOr基因轉(zhuǎn)入馬鈴薯中可以顯著提高馬鈴薯的耐旱性和塊莖產(chǎn)量,從而改善重要的農(nóng)藝性狀[62]。而將其轉(zhuǎn)入紫花苜蓿中,轉(zhuǎn)基因植株也表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐旱能力以及更高的類胡蘿卜素水平[63]。除了這些編碼功能蛋白的基因具有抗旱作用外,一些轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫過(guò)程中也具有重要的調(diào)節(jié)作用。如轉(zhuǎn)錄因子bZIP在植物中起著調(diào)控花的發(fā)育、種子的成熟、病原體的防御和脅迫信號(hào)的作用。甘薯IbbZIP1基因在擬南芥中的過(guò)表達(dá)顯著提高了耐鹽性和耐旱性,在鹽脅迫和干旱脅迫下,轉(zhuǎn)基因擬南芥植株ABA和脯氨酸生物合成及活性氧清除系統(tǒng)相關(guān)基因顯著上調(diào),ABA和脯氨酸含量顯著升高,H2O2含量顯著降低[64]。DREB/CBF轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物適應(yīng)低溫環(huán)境具有重要調(diào)節(jié)作用,甘薯中的IbCBF3基因同樣能夠受到干旱脅迫的誘導(dǎo)表達(dá),其超表達(dá)體在干旱脅迫下表現(xiàn)出較高的光合效率以及較低的過(guò)氧化氫水平[65]。
甘薯作為我國(guó)重要的糧食作物,由于其具有較好的生態(tài)適應(yīng)性,是旱地種植糧食作物的首要選擇,干旱脅迫也是甘薯生長(zhǎng)過(guò)程中重要的限制因素,因此甘薯耐旱性一直是產(chǎn)業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。甘薯的耐旱機(jī)理的研究,對(duì)提高耐旱材料的篩選、抗旱品種的育種及開展高效耐旱栽培技術(shù)研發(fā)均能起到重要的推動(dòng)作用。目前,對(duì)甘薯的耐旱性研究主要是在田間試驗(yàn)條件下對(duì)甘薯產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀的變化進(jìn)行表面的趨勢(shì)分析,缺乏對(duì)其內(nèi)部響應(yīng)機(jī)制的研究,而對(duì)于甘薯的生理生化響應(yīng)機(jī)制的研究則較多地停留在實(shí)驗(yàn)室受控的條件下進(jìn)行單因素分析。甘薯對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制是多基因參與的在各個(gè)層次上與環(huán)境相互作用,共同調(diào)節(jié)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。因此,在田間條件下對(duì)甘薯的生化與分子遺傳機(jī)制進(jìn)一步進(jìn)行研究十分必要。