花椒抗旱性研究進(jìn)展

季元祖,張 德,趙軍營,趙 通,張廣忠,張露荷

(甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730070)

近年來,由于氣候變化導(dǎo)致的全球變暖和水資源短缺加劇了干旱對(duì)農(nóng)林生產(chǎn)的影響,成為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大挑戰(zhàn),引起了研究者的廣泛關(guān)注[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界1/3以上的土地處于干旱和半干旱地區(qū),涉及20多個(gè)國家和地區(qū)[2]。我國現(xiàn)有干旱區(qū)(包括干旱、半干旱和半濕潤易旱區(qū))的總面積為297.6萬km2,占國土總面積的38.3%[3]。據(jù)預(yù)測,到21世紀(jì)末,全球遭受干旱影響的總面積將增長15%～44%[4],而世界人口預(yù)計(jì)將在未來50年翻一番,糧食需求增加和作物種植面積減小之間的矛盾日益突出,因此必須充分利用目前的農(nóng)業(yè)地區(qū),同時(shí)開發(fā)更多的邊緣地區(qū)以獲取更大的產(chǎn)量[5]。

干旱作為一種多維脅迫,會(huì)引起植物表型、生理、生化再到分子水平的一系列變化。重度干旱可造成光合作用終止和新陳代謝紊亂,嚴(yán)重影響植株的正常生長發(fā)育,最終導(dǎo)致植物死亡[6]。遭受干旱脅迫后,植物進(jìn)化表現(xiàn)在干旱條件下防止水分流失、平衡重要器官的最佳供水、維持細(xì)胞水分含量等在干旱環(huán)境下生存的策略,即植物的抗旱性[7]。植物抗旱性包括避旱、御旱和耐旱等在內(nèi)的多種機(jī)制,不同的抗旱方式在同一植物體上可以同時(shí)存在,也能在不同部位同時(shí)出現(xiàn),植物抗旱方式還隨其所處的生長發(fā)育階段、生理狀態(tài)及脅迫性質(zhì)、強(qiáng)度的變化而變化[8-9]。植物抗旱性生理研究有助于了解植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)和適應(yīng),發(fā)現(xiàn)種間差異,為物種抗旱性鑒定提供理論依據(jù)。研究者們對(duì)干旱環(huán)境下植物的生長發(fā)育進(jìn)行了大量研究,包括對(duì)植物形態(tài)特征、生理生化和分子調(diào)控等方面的分析,以闡明不同植物的抗旱機(jī)制[10-11]。此外,隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,基因組測序、功能基因組學(xué)、遺傳標(biāo)記和基因工程等技術(shù)被廣泛應(yīng)用到植物干旱響應(yīng)的生化、遺傳、分子和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究等方面,來揭示植物干旱響應(yīng)以及抗旱節(jié)水的潛在機(jī)制[12]。從生理和分子水平上對(duì)植物性狀及其抗逆機(jī)制進(jìn)行了解有助于進(jìn)一步提高產(chǎn)量。因此,認(rèn)識(shí)和理解植物適應(yīng)干旱脅迫的過程是非常必要的。

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)是蕓香科花椒屬(ZanthoxyL.)植物,起源于中國,廣泛分布于中國、日本、印度、韓國等國家。通常所說的花椒指花椒(Zanthoxylumbungeanum)及花椒原變種、野花椒(Z.simulans)、川陜花椒(Z.piasezkii)、竹葉椒(Z.armatum)、青花椒(Z.schinifolium)共5個(gè)種[13]?；ń饭な侵匾呐腼兿懔虾驼{(diào)味品,還是一種傳統(tǒng)中藥,具有抗炎、鎮(zhèn)痛、抗菌和抗病毒等多種生物功能[14-15];其富含類黃酮和生物堿,在食品和藥品領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[16]?；ń窂V泛種植在干旱和半干旱地區(qū),是重要的抗旱、耐瘠薄的水土保持樹種,可作為國家實(shí)施鄉(xiāng)村振興帶動(dòng)廣大山區(qū)群眾致富的特色經(jīng)濟(jì)和油料樹種,具有重要的栽培價(jià)值[17]。受地理?xiàng)l件和天氣變化的影響,花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。長期干旱環(huán)境導(dǎo)致花椒生長不良,花和果實(shí)大量脫落,其品質(zhì)、產(chǎn)量和產(chǎn)量穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響,死亡率增加[18-19]。花椒在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)會(huì)啟動(dòng)自身的抵御機(jī)制,如通過調(diào)整葉片和根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)抗氧化防御系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)機(jī)制來適應(yīng)干旱,并通過降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率等來抵抗干旱脅迫[20]。

研究花椒響應(yīng)干旱脅迫的生理生化、分子機(jī)理和調(diào)節(jié)機(jī)制,挖掘參與響應(yīng)干旱的功能基因并明確其作用機(jī)理,可為提高林木水分利用效率及耐旱性、選育耐旱優(yōu)良品種提供理論指導(dǎo)。本研究主要從植物響應(yīng)干旱環(huán)境的表型特性、生理生化特性、分子生物學(xué)等方面總結(jié)國內(nèi)外花椒抗旱研究進(jìn)展,探究花椒對(duì)干旱的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制,并對(duì)研究中可能存在的問題進(jìn)行歸納和討論,以期為花椒種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論參考。

1 花椒抗旱表型生理研究

植物的形態(tài)特征及生長特性可以直接或間接反映其抗旱性強(qiáng)弱。干旱脅迫下,植物體內(nèi)細(xì)胞會(huì)在結(jié)構(gòu)、生理及生物化學(xué)上發(fā)生一系列適應(yīng)性改變,最終表現(xiàn)在生長狀況和形態(tài)特征上[21]。

1.1 花椒根系對(duì)干旱的響應(yīng)

根系作為植物吸收水分的器官,其數(shù)量、大小、干質(zhì)量和生理狀況等直接影響作物抗旱性的強(qiáng)弱。劉杜玲等[22]研究表明,隨干旱脅迫程度的增加,3個(gè)花椒品種根生物量均有不同程度的下降,中度脅迫下,‘二紅袍’的根生物量下降最大(51.13%),‘大紅袍’最小(28.28%);重度脅迫下,‘大紅袍’根生物量下降最多(65.49%),‘二紅袍’最小(57.63%),且根莖比均高于對(duì)照,表明干旱脅迫下‘大紅袍’、‘二紅袍’花椒光合產(chǎn)物多向地下器官轉(zhuǎn)移,以最大限度地保持植株物質(zhì)和水分的平衡。頂壇花椒在土質(zhì)松散、貧瘠荒漠化、保水能力極差的土壤條件下通過形成發(fā)達(dá)的側(cè)根和淺根性根系適應(yīng)環(huán)境,充分吸收水分[23]。涉縣花椒和韓城花椒隨著干旱脅迫程度的增加,總生物量不斷減小,但根系干質(zhì)量占總生物量的比重呈增大趨勢(shì)[24]。表明水分脅迫下,花椒樹具有一定的自我調(diào)節(jié)保護(hù)能力,光合作用制造的有機(jī)物隨脅迫的增強(qiáng)而減少;嚴(yán)重的干旱對(duì)花椒生長發(fā)育的限制作用增強(qiáng),且影響其生物量在不同器官之間的分配。

王淥等[25]對(duì)5種對(duì)花椒根系生長研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下主根生長被抑制,側(cè)根生長被促進(jìn),但其數(shù)量減少,根尖數(shù)減少、短根數(shù)變少、根系平均直徑下降,其中低抗品種‘大紅袍’在干旱脅迫處理后根系指標(biāo)變幅相對(duì)較大,但其根尖數(shù)和短根數(shù)仍顯著高于‘獅子頭’、‘朝倉’、‘無刺大紅袍’和‘少刺大紅袍’等品種。研究發(fā)現(xiàn),花椒根系活力隨著干旱脅迫的加重呈持續(xù)下降的趨勢(shì)[26],而根系脫落酸(ABA)含量呈增加趨勢(shì)[27]。這可能是花椒在干旱下適應(yīng)性和抗性的綜合體現(xiàn),過量的ABA抑制了側(cè)根原基分生組織的活化,在保持吸水功能的前提下減弱了大根系對(duì)養(yǎng)分的消耗,表明花椒在干旱環(huán)境下能夠改變根系形態(tài)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)和緩解脅迫的影響,體現(xiàn)了花椒適應(yīng)干旱逆境的“開源”策略。

1.2 花椒莖葉對(duì)干旱的響應(yīng)

研究表明,水分脅迫較輕時(shí),花椒葉片會(huì)表現(xiàn)出光澤度下降、失水萎蔫等現(xiàn)象;脅迫較重時(shí),葉片會(huì)變褐、卷曲、干枯直至脫落,且抗性品種‘獅子頭’的形態(tài)性狀變化明顯小于敏感型‘大紅袍’[14,25,28];同時(shí),花椒苗高、地徑生長也受到抑制,根冠比增大,表明干旱條件促使花椒將光合產(chǎn)物較多地分配到地下部分,植株通過降低地上部分水分消耗來適應(yīng)干旱環(huán)境[22-23]。劉杜玲等[22]研究表明,在中度和重度干旱脅迫下,‘大紅袍’花椒莖生物量降幅最大(43.12%,70.74%),‘豆椒’降幅最小(31.65%,57.27%),‘二紅袍’居中,但均顯著低于對(duì)照;隨干旱脅迫程度的增加,3種花椒葉片相對(duì)含水量均呈下降趨勢(shì),其中,‘二紅袍’降幅最大,‘豆椒’降幅最小;在重度脅迫下,與對(duì)照相比,‘豆椒’、‘二紅袍’和‘大紅袍’花椒葉片相對(duì)含水量分別下降了10.10%、16.78%和9.58%,表明在干旱脅迫過程中,‘豆椒’可能通過維持較高的葉片相對(duì)含水量以有效保持葉綠體結(jié)構(gòu)和PSⅡ功能的完整性,保證光合作用的順利進(jìn)行,從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱能力。頂壇花椒(竹葉花椒Zanthoxylumarmatum變種)在應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境時(shí),植株通過葉片表皮外壁發(fā)達(dá)的角質(zhì)層減少水分向大氣散失,同時(shí)葉片退變成小鱗片狀,部分嫩葉脫落來增強(qiáng)抗旱性[29]。葉片作為水分消耗的重要器官,其在干旱脅迫條件下的變化是植物維持體內(nèi)水分平衡的重要表現(xiàn),表明干旱環(huán)境下花椒能通過減少葉片數(shù)和減小葉面積來降低蒸騰速率,維持葉片及植株體內(nèi)相對(duì)高的含水量,增強(qiáng)適應(yīng)性,體現(xiàn)了花椒適應(yīng)干旱逆境的“節(jié)流”策略。

莖葉的解剖結(jié)構(gòu)能直觀反映植物對(duì)逆境的響應(yīng),判斷其抗性[30]。容麗等[31]在地表干旱缺水的喀斯特山區(qū)研究發(fā)現(xiàn),頂壇花椒葉片解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出柵欄組織排列緊密、柵欄細(xì)胞長柱形的旱生類型。前人對(duì)干旱環(huán)境下根莖葉形態(tài)解剖的研究多集中于一些園藝作物[32]和農(nóng)作物[33],關(guān)于花椒莖葉響應(yīng)干旱的研究多集中于外部形態(tài)變化,對(duì)其解剖特性相關(guān)研究較少。

2 花椒抗旱生理生化研究

2.1 花椒水分代謝對(duì)干旱的響應(yīng)

目前對(duì)干旱脅迫下花椒水分利用效率的研究較多通過葉片WUE揭示植株內(nèi)在耗水機(jī)制。種培芳等[26]通過瞬時(shí)水分利用效率(Instant water use efficiency,WUEI)、長期水分利用效率(Long-term water use efficiency,WUEL)、穩(wěn)定碳同位素比率(δ13C)揭示了花椒水分利用效率與干旱脅迫的關(guān)系,結(jié)果表明花椒在干旱脅迫下葉片氣孔導(dǎo)度下降,光合速率和蒸騰速率隨之降低,且蒸騰速率下降速度大于光合速率,使其水分利用效率升高,減緩了脅迫引起的生物量下降,從而提高植株對(duì)干旱逆境的適應(yīng)性;隨水分脅迫的加劇,δ13C與WUEL間的正相關(guān)性越來越顯著,表明干旱脅迫下高δ13C值是評(píng)定花椒高WUE的可靠指標(biāo)。劉淑明等[34]對(duì)不同品系花椒水分利用的研究表明,與正常水分處理相比,重度干旱脅迫條件下,抗性花椒品種‘小紅冠’和敏感品種‘美鳳椒’WUE分別提高了26.3%和12.2%,蒸騰耗水量分別降低了65.5%和51.8%,表明‘小紅冠’花椒可能通過關(guān)閉氣孔、降低蒸騰耗水提高WUE以獲得較多的生長量來適應(yīng)干旱條件,這與Li等[35]研究結(jié)論相一致,即耐旱性較強(qiáng)的品種表現(xiàn)出高水分利用效率的特點(diǎn)。Zhang等[7]研究表明,干旱條件下具有高WUE的植物通常具有較高的產(chǎn)量。因此,在水分限制條件下,植物水分利用效率提高是花椒抗旱性強(qiáng)的重要表現(xiàn),WUE可以作為花椒抗旱育種研究的一個(gè)重要指標(biāo)。

2.2 花椒光合系統(tǒng)對(duì)干旱的響應(yīng)

干旱脅迫導(dǎo)致植物葉片失水,進(jìn)而影響葉綠素的生物合成,并促進(jìn)已合成的葉綠素分解。Hu等[17]對(duì)干旱脅迫下2個(gè)不同抗性花椒品種的研究發(fā)現(xiàn),脅迫降低了葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素的含量,可能是其加速了葉綠體的降解并抑制了葉綠素的合成[22],也可能是脅迫下類囊體膜上產(chǎn)生較多的活性氧(ROS)破壞了光合色素所致[7,36];該研究還表明,在脅迫后期抗性品種‘漢椒’葉片葉綠素含量降幅小于敏感型品種‘鳳椒’,且前者葉綠素含量及光合速率高于后者。劉玲[37]和王淥等[25]也得出了相似的研究結(jié)論,表明不同基因型品種對(duì)干旱逆境的響應(yīng)不同,通過保持較高的葉綠素含量提高光合效率,以為其提供更多的光合產(chǎn)物可能是抗性品種應(yīng)對(duì)干旱逆境的一種策略。

光合作用受水分、CO2濃度和光照等多種因素的影響,且其對(duì)水分虧缺高度敏感,受到水分脅迫后通常會(huì)減弱[38]。研究表明,在不同脅迫階段,不同品種花椒葉片光合作用受氣孔及非氣孔因素影響不同[13-14],降幅主要取決于脅迫的程度和其耐旱能力[39]。劉杜玲等[22]研究認(rèn)為輕度脅迫不影響花椒葉片氣孔正常開放;隨干旱脅迫的加劇,花椒葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均逐漸降低,Ci顯著上升[40]。王淥等[25]對(duì)5個(gè)花椒品種的研究發(fā)現(xiàn),弱抗性品種‘大紅袍’在持續(xù)干旱下Gs和Ci逐漸升高,非氣孔因素導(dǎo)致Pn和Tr下降;而強(qiáng)抗性品種‘獅子頭’在干旱脅迫前期Gs增大,Ci先增后降,說明脅迫前期Pn降低可能是氣孔因素和非氣孔因素共同導(dǎo)致的,脅迫后期Ci升高,氣孔限制值(Ls)降低,主要受非氣孔因素限制。綜上所述,對(duì)于抗旱性相對(duì)較強(qiáng)的花椒品種,脅迫(輕度干旱和中度干旱)前期可能主要通過氣孔限制使其光合速率降低,后期非氣孔限制因素占主導(dǎo);抗旱性相對(duì)較弱的花椒品種,光合速率則較早受非氣孔因素限制。表明不同花椒品種光合速率的限制因素在脅迫過程中是變化的、非單一性的。Hu等[17]則有不同的觀點(diǎn),其認(rèn)為干旱通過氣孔性和非氣孔性兩種途徑同時(shí)導(dǎo)致花椒葉片光合作用下降。在氣孔性途徑中,干旱誘導(dǎo)ABA積累并激活A(yù)BA信號(hào),導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,Ci降低,Tr受到抑制;在非氣孔性途徑中,干旱誘導(dǎo)的ABA信號(hào)傳遞到TF蛋白,轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控葉綠素代謝相關(guān)基因和LCH蛋白編碼基因的表達(dá)影響光能捕獲和轉(zhuǎn)化效率。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反映植物葉片在逆境條件下PSⅡ?qū)饽艿奈?、傳遞、利用與分配[41]。謝芳等[42]對(duì)花椒幼苗干旱處理后發(fā)現(xiàn),其葉片F(xiàn)v/Fm和ETR均顯著下降,與CK相比分別下降了10%和84%;在貴州喀斯特生境下,花椒樹葉片表現(xiàn)出相對(duì)較高的F0、Fm和PSII電子傳遞活性,表明其光合作用的碳同化能力和光能利用率較強(qiáng),促進(jìn)了葉片光能的利用,以應(yīng)對(duì)干旱高熱的地域環(huán)境[43]。關(guān)于花椒葉綠素?zé)晒鈪?shù)響應(yīng)干旱脅迫的系統(tǒng)研究報(bào)道相對(duì)較少,有待進(jìn)一步探究。

2.3 花椒滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)干旱的響應(yīng)

滲透調(diào)節(jié)(OA)是植物的一種抗旱生理機(jī)制,其關(guān)鍵是植物細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的主動(dòng)積累[44],包括無機(jī)離子(K+、Na+、Cl-等)和有機(jī)物(可溶性糖(SS)、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白(SP)等)[45]。

干旱脅迫下,花椒通過積累葉片中Pro、SS、SP等有機(jī)物參與滲透調(diào)節(jié)。有研究表明,花椒幼苗在持續(xù)干旱脅迫下葉片Pro含量可達(dá)對(duì)照的2倍多[24],SS含量可達(dá)對(duì)照的6倍多,表明花椒能通過Pro、SS的積累來降低細(xì)胞滲透勢(shì),增加干旱條件下根系的吸水量和細(xì)胞內(nèi)水分的保留,維持一定的膨壓,從而保持細(xì)胞生長、氣孔開放和光合作用等生理過程的正常進(jìn)行,增強(qiáng)植株抵抗力[46]。且抗旱性越強(qiáng)的品種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累量越高,變化速度越快[27,47]。SP會(huì)給細(xì)胞內(nèi)的束縛水提供一個(gè)結(jié)合襯質(zhì),以增加植物組織束縛水含量,提高細(xì)胞的保水力,有脫水保護(hù)劑的作用[48]。輕度脅迫時(shí)花椒體內(nèi)SP含量減少,中度和重度脅迫時(shí)則增加,表明在脅迫過程中,花椒可能通過合成新的蛋白質(zhì)提高SP水平來參與滲透調(diào)節(jié)[22,49],以適應(yīng)干旱環(huán)境。無機(jī)離子對(duì)于植物生長、酶平衡和滲透調(diào)節(jié)等方面有重要作用[50]。車家驤等[29]研究表明,在干旱脅迫下,花椒細(xì)胞內(nèi)Ca2+可作為第二信使傳遞干旱信號(hào),調(diào)節(jié)干旱脅迫導(dǎo)致的生理反應(yīng);鹽脅迫下花椒根部積累Na+優(yōu)先于葉片,使Na+保留在根部,減輕了其對(duì)地上部分的毒害[51]。

2.4 花椒抗氧化系統(tǒng)對(duì)干旱的響應(yīng)

植物受到干旱脅迫會(huì)產(chǎn)生過量ROS,導(dǎo)致膜脂質(zhì)過氧化等,最終使細(xì)胞膜系統(tǒng)受損;而ROS又可作為信號(hào)分子激發(fā)植物體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)(酶促系統(tǒng)與非酶促系統(tǒng)),引發(fā)一系列下游反應(yīng)[52]。

2.5 花椒內(nèi)源激素對(duì)干旱的響應(yīng)

植物激素平衡的變化可能對(duì)植物獲得更高的抗脅迫能力有重要作用[57]。Fei等[30]研究表明,更高的ABA轉(zhuǎn)移效率和更高的ABA積累可能有助于提高花椒耐旱性。干旱脅迫下,花椒WRKY轉(zhuǎn)錄因子參與了茉莉酸(JA)、水楊酸(SA)和乙烯信號(hào)通路,且ZbWRKY轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫中的作用依賴于JA信號(hào)通路中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中心,其中,ZbWRKY33能夠直接結(jié)合乙烯合成前體基因ACS6,促進(jìn)乙烯合成[58]。表明花椒內(nèi)源激素可能通過激活轉(zhuǎn)錄因子(TFs)來調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)和植物生理反應(yīng),以應(yīng)對(duì)干旱的不利影響。

前人對(duì)花椒響應(yīng)干旱脅迫的研究主要集中于形態(tài)及生理生化方面,Hu等[27]首次通過多組學(xué)手段從形態(tài)特征、生理指標(biāo)到轉(zhuǎn)錄組和代謝組對(duì)干旱脅迫下‘漢椒’和‘鳳椒’進(jìn)行了綜合分析,并提出了花椒的耐旱模型,得到了大量耐旱相關(guān)的候選基因;利用UPLC-MS/MS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫提高了花椒葉片氨基酸營養(yǎng)水平,并通過WGCNA分析鑒定出3個(gè)氨基酸合成相關(guān)基因FBA3、DELTA-OAT、PROC和15個(gè)TF基因,這些基因可能參與干旱條件下花椒葉片氨基酸的生物合成[59]。Hu等[17]提出了干旱脅迫下花椒光合作用的模型,確定了花椒在干旱脅迫下ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因、LCH編碼基因和葉綠素代謝基因以及7個(gè)可能在干旱條件下調(diào)控光合作用的TF基因。

3 花椒抗旱基因工程研究

近年來,應(yīng)用基因工程技術(shù)使抗旱調(diào)節(jié)基因(轉(zhuǎn)錄因子、蛋白酶基因)、抗旱功能蛋白基因(LEA蛋白基因、甜菜堿合成酶基因等)過表達(dá)是提升植物耐旱性的有效途徑之一,已成為植物抗逆基因工程的研究熱點(diǎn)和重要研究方向。

有研究表明,干旱脅迫下,轉(zhuǎn)錄因子(TF)與脅迫相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件特異性結(jié)合,改變整個(gè)基因級(jí)聯(lián),調(diào)控脅迫響應(yīng)基因的表達(dá),增強(qiáng)植物的耐旱性[60]?；ń吩赑EG-6000脅迫下12個(gè)ZbWRKY轉(zhuǎn)錄因子顯著上調(diào),其中響應(yīng)干旱最強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)錄因子ZbWRKY33可能直接與乙烯合成前體基因ACS6結(jié)合,促進(jìn)乙烯合成并與乙烯激活蛋白釋放信號(hào)結(jié)合,激活下游一系列冷應(yīng)激和滲透應(yīng)激反應(yīng)基因,參與花椒的抗旱過程[58]。Hu等[17]對(duì)干旱脅迫下2個(gè)不同抗性(抗旱型和旱敏型)的花椒品種研究發(fā)現(xiàn),19個(gè)與光合作用相關(guān)基因表達(dá)水平均下降,其中WRKY6、WRKY33、WRKY48、BZIP23、GBF4、IDD1、SCL14被鑒定為干旱條件下調(diào)控光合作用的重要轉(zhuǎn)錄因子基因,表明相關(guān)基因表達(dá)水平的高低可能會(huì)決定光合作用的效率,從而影響品種抗旱性強(qiáng)弱。

研究表明,花椒在干旱脅迫下通過調(diào)控代謝途徑、合成代謝物和產(chǎn)生植物激素應(yīng)對(duì)干旱脅迫[27]。Fei等[30]通過轉(zhuǎn)錄組分析揭示了10個(gè)響應(yīng)花椒干旱的長鏈非編碼RNA(Incrna)可能參與調(diào)控線粒體和葉綠體的膜穩(wěn)定性,幫助維持光合作用和呼吸作用正常運(yùn)行,并激活茉莉酸(JA)、ABA、生長素(IAA)、乙烯(ET)、赤霉素(GA)和MAPK信號(hào)通路以提高花椒的抗旱性。此外,干旱逆境下,ROS大量積累并作為一種次級(jí)信號(hào),通過激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)激活相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子,進(jìn)而激活下游基因的表達(dá),導(dǎo)致包括戊糖磷酸途徑(PPP)強(qiáng)度增強(qiáng)、抗氧化酶活性增加、滲透物質(zhì)和代謝物(氨基酸及其衍生物)的積累、熱休克蛋白(HSP)的合成以及ABA和油菜素內(nèi)酯(BR)的產(chǎn)生和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)加快等在內(nèi)的一系列干旱反應(yīng),都可能促進(jìn)花椒抗旱能力的提升[27,49]。

4 花椒抗旱性主要評(píng)價(jià)方法

抗旱性是植物形態(tài)、生理生化和原生質(zhì)特性等控制的綜合性狀,單一指標(biāo)無法很好地反映植物的抗旱性,通過多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合抗旱性評(píng)價(jià)更為可靠,此外評(píng)價(jià)方法不同,結(jié)果也會(huì)有差異[61]。因此,應(yīng)根據(jù)不同的研究目的與指標(biāo)體系篩選最適合的林木抗旱性評(píng)價(jià)方法。當(dāng)前花椒抗旱性評(píng)價(jià)中應(yīng)用較多的方法有隸屬函數(shù)法、主成分分析法、聚類分析法等。

4.1 隸屬函數(shù)法

隸屬函數(shù)法采用Fuzzy中隸屬函數(shù)的方法依據(jù)樹種各抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)平均值評(píng)定抗旱性,值越大,說明植物控水能力和耐旱能力越強(qiáng)[62]。陳紅林等[24]采用隸屬函數(shù)法得出5種不同品系花椒的抗旱性表現(xiàn)依次為韓城花椒>涉縣花椒>秦安花椒>循化花椒>鳳縣花椒;劉杜玲等[22]得出‘豆椒’的抗旱性強(qiáng)于‘二紅袍’和‘大紅袍’;王淥等[25]采用葉綠素含量、MDA含量、Pn、Tr、WUE、Gs、Ci共7個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)加權(quán)平均值評(píng)價(jià)了5種花椒的抗旱性,抗性表現(xiàn)為‘獅子頭’>‘無刺大紅袍’>‘朝倉’>‘少刺大紅袍’>‘大紅袍’,且各指標(biāo)的平均權(quán)重均大于0.1,表明選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)與花椒的抗旱性密切相關(guān)。

4.2 主成分分析法

主成分分析法是將多個(gè)彼此具有相關(guān)性的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的少數(shù)獨(dú)立的綜合指標(biāo),并將給定的一組相關(guān)變量通過線性轉(zhuǎn)成另一組不相關(guān)變量,依次遞減進(jìn)行重新排序[63],能較為客觀地反映實(shí)際情況。王紀(jì)輝等[49]利用主成分分析研究表明,POD活性、MDA含量、相對(duì)含水量、葉綠素含量、SP含量與竹葉花椒(Zanthoxylumarmatum)耐旱性關(guān)系密切,可作為評(píng)價(jià)其耐旱性的指標(biāo);孫超凡[64]通過主成分分析綜合得分法和隸屬函數(shù)分析法評(píng)價(jià)了包括花椒在內(nèi)的4種小喬木的抗旱性,得出一致結(jié)論。

4.3 聚類分析法

聚類分析法將特征元素的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果以平方歐氏距離為度量準(zhǔn)則、以組間連結(jié)法(Between-group linkage)為組群合并準(zhǔn)則對(duì)測定指標(biāo)進(jìn)行歸類,也可以通過林木的抗旱能力對(duì)試驗(yàn)樹種進(jìn)行歸類[65]。劉玲[37]利用所測定的抗旱生理生化指標(biāo)的隸屬函數(shù)值對(duì)10種花椒進(jìn)行歐氏距離聚類分析,并綜合各品種隸屬函數(shù)值對(duì)不同品種花椒進(jìn)行了抗旱性評(píng)價(jià)。張俊佩[66]以喀斯特地區(qū)包括花椒在內(nèi)的20個(gè)特有喬、灌樹種為材料,研究了人為模擬和自然干旱脅迫下不同植物的水分、光合生理和生物產(chǎn)量等適應(yīng)策略,通過生理指標(biāo)的量化比較和聚類分析,對(duì)其抗旱能力和抗旱機(jī)理做出判斷和評(píng)價(jià)。

4.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色關(guān)聯(lián)度分析法根據(jù)數(shù)列的可比性和相似性,分析系統(tǒng)內(nèi)部主要因素之間的相關(guān)程度,確定相關(guān)程度最大的因素[67]。種培芳等[26]利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)包括花椒在內(nèi)的5個(gè)經(jīng)濟(jì)林樹種的10個(gè)主要生理指標(biāo)和抗旱性的關(guān)系進(jìn)行了研究,提出Pro、CAT、SS、SP、MDA和細(xì)胞膜透性可作為抗旱性鑒定的依據(jù),而這6個(gè)指標(biāo)屬于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、酶活性系統(tǒng)和質(zhì)膜過氧化3個(gè)體系,充分反映了5個(gè)經(jīng)濟(jì)林樹種對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性機(jī)制。但其涉及的評(píng)價(jià)指標(biāo)僅為生理生化性狀,未涉及農(nóng)藝、基因性狀。因此,將花椒抗旱性相關(guān)的農(nóng)藝性狀、生理生化性狀、基因性狀等置于灰色系統(tǒng)中共同進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,分析其與抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度,明確花椒抗旱能力的根本決定因素,在花椒抗旱種質(zhì)評(píng)價(jià)和品種選育中加強(qiáng)選擇與利用,以提高抗旱品種和指標(biāo)選擇的效率和準(zhǔn)確性。

綜上,隸屬函數(shù)法和主成分分析法在花椒抗旱性綜合評(píng)價(jià)時(shí)運(yùn)用較多,但在實(shí)際應(yīng)用中因各指標(biāo)重要程度不盡相同而存在一定局限性。采用主成分分析法或主成分因子分析后再進(jìn)行隸屬函數(shù)加權(quán)或灰色關(guān)聯(lián)度分析可篩選反映花椒耐旱性的主要指標(biāo),并排除影響較小的參數(shù),使評(píng)價(jià)結(jié)果更接近實(shí)際情況。前人主要針對(duì)花椒幼苗階段抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià),由于植物不同生長發(fā)育時(shí)期抗旱性存在一定差異,因此,可進(jìn)一步對(duì)花椒不同生長發(fā)育階段的抗旱性進(jìn)行研究,并探索應(yīng)用更簡單、更精確以及適用性更好的評(píng)價(jià)方法,以期獲得更為全面、系統(tǒng)的抗旱性評(píng)價(jià)。

5 研究展望

花椒是我國特色的經(jīng)濟(jì)林木樹種,因干旱導(dǎo)致的生長發(fā)育不良、低產(chǎn)、低質(zhì)等現(xiàn)象已成為花椒生產(chǎn)當(dāng)前面臨的主要問題。目前學(xué)者在花椒的形態(tài)、生理、細(xì)胞、分子水平等方面對(duì)干旱的響應(yīng)做了大量研究,并進(jìn)行了抗旱品種的篩選。但由于研究年限較短且多為人為控制性試驗(yàn),控制周期短、研究材料差異大,同時(shí)大田條件多變,相關(guān)理論方法、指標(biāo)數(shù)據(jù)難以在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用。因此,通過開展自然條件下花椒對(duì)干旱抗性響應(yīng)的研究并建立系統(tǒng)的抗旱性鑒定評(píng)價(jià)方法體系,同時(shí)結(jié)合多組學(xué)手段開展花椒抗旱機(jī)制研究對(duì)當(dāng)前花椒生產(chǎn)具有重要意義。

5.1 深入探究花椒響應(yīng)干旱的生理生化機(jī)制

在自然環(huán)境下研究植物抗性響應(yīng),結(jié)果更接近其真實(shí)水平。關(guān)于花椒抗旱性的研究報(bào)道多為其在短期內(nèi)盆栽等人為控水措施下的脅迫反應(yīng),鮮見自然干旱條件下花椒抗旱性的動(dòng)態(tài)周期變化及抗旱性形成的研究。葉片形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征被認(rèn)為最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響及植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[68],結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)的差異和變化會(huì)影響生理功能。因此,通過光鏡(LM)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等設(shè)備,采用石蠟切片、樹脂包埋塊半薄/超薄切片等方法從根、莖、葉組織解剖結(jié)構(gòu)、表皮微形態(tài)變化特征分析揭示花椒抗旱機(jī)理尤為必要。植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)與光合作用的各個(gè)反應(yīng)過程緊密相關(guān),葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的變化可反映出干旱脅迫對(duì)光合作用的影響,是研究植物光合生理與逆境脅迫的內(nèi)在探針[69]。因此,探究植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)及其在脅迫下的響應(yīng)特征,結(jié)合光合、生理等指標(biāo)進(jìn)一步明晰花椒的抗旱機(jī)理,對(duì)于完成不同脅迫程度下抗旱等級(jí)的識(shí)別、耐旱品種的選育及生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義?；ń肥俏覈l(fā)展林下經(jīng)濟(jì)的重要樹種,通過探索不同農(nóng)林間作模式對(duì)花椒抗旱性的影響尋求最佳的栽培管理模式,既有利于緩解環(huán)境變化對(duì)花椒的不良影響,又能助力實(shí)現(xiàn)農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5.2 建立系統(tǒng)的花椒抗旱性鑒定評(píng)價(jià)體系

植物的抗旱能力需要依據(jù)相關(guān)的抗旱指標(biāo)進(jìn)行鑒定和評(píng)價(jià)。目前研究中,針對(duì)花椒的系統(tǒng)抗旱鑒定評(píng)價(jià)體系仍不夠完善。由于品種的多樣性和生理生化過程的復(fù)雜性,以及外界環(huán)境條件的多變性,花椒響應(yīng)干旱脅迫的措施也多種多樣。同時(shí),花椒的抗旱性是極其復(fù)雜的數(shù)量性狀,對(duì)其全生育期抗旱性進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià),需將生長發(fā)育、外部形態(tài)、生理生化、產(chǎn)量和抗旱功能基因、干旱誘導(dǎo)蛋白等鑒定評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合,還需引入先進(jìn)的儀器設(shè)備和科學(xué)的分析方法,從而提高抗旱鑒定評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

5.3 運(yùn)用多組學(xué)手段開展花椒抗旱機(jī)制研究

目前,國內(nèi)外對(duì)植物抗旱機(jī)制的研究重心已逐漸由單一的生理生化層面轉(zhuǎn)移到分子生物學(xué)及兩者相結(jié)合論證的層面,但關(guān)于花椒分子水平上的抗旱機(jī)制研究較少。在花椒抗旱基因方面,分離并鑒定的干旱抗性基因較少,加之植物抗旱性是由多基因控制的綜合性狀,因此需要結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、表型組學(xué)、表觀遺傳學(xué)、相互作用組學(xué)等多“組學(xué)”研究結(jié)果交聯(lián)脅迫條件下的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)網(wǎng)絡(luò),確定主效基因,研究蛋白互作模式,探究干旱與其他環(huán)境因子復(fù)合脅迫對(duì)花椒生長發(fā)育的影響;同時(shí),開展花椒自身抗旱能力改良的研究,如抗旱分子標(biāo)記、抗旱基因的選擇及表達(dá)、高光效基因型的篩選和利用、逆境信號(hào)傳導(dǎo)、抗旱蛋白的挖掘等,在分子水平上綜合分析其抗旱機(jī)制,培育優(yōu)質(zhì)耐旱新品種。