黑麦草高温胁迫抗性与抗旱性遗传育种研究进展

2011-08-15谢宏伟徐庆国

作物研究 2011年1期

谢宏伟,徐庆国,李阳

(湖南农业大学农学院,长沙 410128)

随着我国畜牧业的快速发展,牧草育种与栽培研究为其奠定了重要基础。黑麦草属(Lolium L.)植物作为牧草栽培利用的主要是一年生黑麦草和多年生黑麦草。近年来,由于各种自然灾害的影响使得自然环境受到破坏,农作物产量降低,因此抗逆育种成为目前作物研究的首要方面。为了总结黑麦草抗热育种和抗旱育种的研究成果,以便更好地种植黑麦草,笔者对有关黑麦草高温胁迫和水分胁迫的研究与应用进行了综述。

1 高温胁迫对黑麦草的影响

1.1 对农艺性状的影响

高温胁迫下黑麦草的生长速度受到影响。李善林等的研究结果显示:在设定的狗尾草密度范围内,当黑麦草生长高度与狗尾草生长高度相近时遭遇干旱和高温,7 d后黑麦草植株增长的高度存在差异[1]。同时高温可引起黑麦草生长状况下降,最初的伤害症状出现在倒数第2,3片叶叶鞘的交接处,但叶片却部分萎蔫,从基部到顶尖逐步发黄,进一步的伤害就会发生在倒4叶和较老的叶片上[2,3]。

高温胁迫影响黑麦草的生长发育,对生育期的长短有影响。不同的播种时期在一定程度上影响黑麦草的高温胁迫程度。丁成龙等进行的试验表明不同播种期对多花黑麦草全生育期天数有较大的影响,随着播种期的延迟成熟期推迟[4]。

高温降低黑麦草发芽率和幸存植株百分率,使干物质产量下降。当受热组织达到35～ 43℃时,黑麦草会呈现直接致死作用,受热胁迫的组织颜色转褐色继而腐烂[5]。

1.2 对生理生化性状的影响

高温胁迫对植物造成的热害主要表现为:蛋白质变性,光合作用和呼吸作用的速率下降,随后是生物膜的结构破损,透性丧失,质体的类囊体瓦解,质液外渗,致使植物体内生理生化代谢紊乱[6]。叶绿体受损导致光合作用受到抑制,植株因“饥饿”而死亡[7]。高温能使O2的溶解度减小,因而抑制植物的有氧呼吸,无氧呼吸增强并积累有毒物质,如乙醇、乙醛、氨等毒害细胞[8]。

1.2.1 叶绿体

万里强等试验研究显示,在35℃连续高温胁迫下,黑麦草的叶绿体受到严重损坏[9]。另外,由于叶绿体类囊体受热降解,降解产物脂质发生集结,故在受伤害较重的叶绿体内部,出现脂质球体数目增多和体积增大现象[10]。王光耀等和甄伟等研究表明,叶绿体基质片层对高温胁迫最敏感[11,12]。从耐热性角度讲,耐热性好的品种在热胁迫条件下,可维持相对较高的叶绿素含量,保持一定的光合潜能。相反,耐热性差的品种在外界热胁迫下,叶绿体降解加快,叶绿素含量偏低,光合能力下降[13]。

1.2.2 丙二醛

丙二醛(MDA)能在逆境下保持细胞膜的完整和稳定,是植物抗逆性的重要方面[14]。逆境导致膜脂过氧化是膜伤害的原因之一,MDA是膜质过氧化的主要产物之一,会引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合,且具有细胞毒性。积累量越大,说明细胞受损程度越大,因此应减少 MDA含量,增强黑麦草的抗逆性。

1.2.3 叶片膜质透性

当植物受到逆境影响时,叶片细胞膜遭到破坏,膜透性增大,从而使细胞内电解质外渗,导致植物细胞浸提液的电导率增大[15]。一般认为耐热性强的黑麦草种或品种在高温处理后细胞外渗液的电导率较低[16]。

1.2.4 过氧化物酶

过氧化物酶(POD)广泛存在于植物体中,是活性较高的一种酶,它与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等都有关系。在植物生长发育过程中它的活性不断发生变化,一般老化组织中活性较高,幼嫩组织中活性较弱。它们都是膜脂过氧化的主要保护酶系。熊作明等研究发现,高温条件下黑麦草 POD活性增强,表明高温下黑麦草抵抗逆境的自我保护也在增强[17]。

1.2.5 分子生物学指标

有关黑麦草分子生物学指标的报道较少,主要集中在热击蛋白(heat shock protein,HSP)的研究上。HSP是指生物体在受到高于植物正常生长温度 8～12℃胁迫时合成新的或合成增强的蛋白质[18]。在分子水平上,热击反应的特点是正常蛋白合成终止,瞬时合成 HSP,从而维持细胞活力水平。 HSP量的积累可使细胞具有高水平的耐热性[19,20]。

2 黑麦草高温胁迫抗性的种和品种间差异

黑麦草品种耐热性是一个综合指标,是牧草在夏季高温季节经受高温、高湿、干旱和病虫害等多种因素胁迫下的一种综合表现[21]。段碧华等通过生化培养箱对紫羊茅、草地早熟禾和多年生黑麦草进行 4种温度热胁迫处理,其耐热性能的强弱顺序为:紫羊茅>草地早熟禾>多年生黑麦草[22]。石永红等运用电导率法对6个黑麦草牧用品种进行耐热性测定,结果显示它们耐热性的强弱次序是雅晴>欧必克>努依>多福>凤凰>卓越[16]。黑麦草耐热性强的品种较耐热性弱的品种无论是在高温还是在常温下均具有更高的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性[23～25],且以不耐热的品种的变化幅度大于耐热品种[26,27]。

3 黑麦草高温胁迫的鉴定指标和鉴定方法

3.1 黑麦草高温胁迫的鉴定指标

(1)农艺性状鉴定指标。越夏率和缺水状况下与高温条件下的凋谢率,另外高温胁迫中叶片的叶型和叶色等是衡量品种耐热性的重要形态指标[28]。

(2)生态指标:半致死温度。

(3)生理生化指标。包括可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、核酸含量、磷脂含量、不饱和脂肪酸含量、游离氨基酸含量、游离脯氨酸含量、丙二醛含量、过氧化物酶活性、抗坏血酸含量、电导率、电阻值、pH值等。

3.2 黑麦草高温胁迫的鉴定方法

3.2.1 活力测定法

大多数牧草的抗热性鉴定方法是通过田间生长试验测定植物的越夏性而对其温度胁迫抗性进行鉴定。但越夏性不等于抗热性,因此,高温处理结合活力测定才是鉴定黑麦草抗热性的可靠方法。王钦等利用氯化三苯四氮唑(TTC)染色法测定了高温胁迫后植株伤害率和植株存活率[29]。

3.2.2 电导率测定法

已被公认的耐热性鉴定指标有细胞外渗液电导率。细胞膜透性的稳定性(CMT)是测定离体叶片的渗透情况在一定温度范围内的特性,是一种灵敏、快捷的估测植物抗热性的方法。CM T可以预测全株耐热性。用 T TC法测定热胁迫后的组织活力,具有方法简便的优点。但易高估耐热性,这一问题可通过在测试前清洗细胞加以改进[30～33]。石永红等运用电导率法通过Logistic拐点确定半致死温度初步确定各个品种的耐热性[16]。

3.2.3 生理生化指标测定法

耐热性测定的常用生理生化指标有:游离脯氨酸含量、丙二醛含量、过氧化氢酶活性等,它们对应的测定方法为:酸性茚三酮法测定,双组分分光光度计法和紫外分光光度法测定。在高温胁迫下,植物叶片相对伤害率越低,细胞膜的热稳定性就越高,耐热性就越强[34]。

4 黑麦草高温胁迫抗性的机理

由高温引起植物的伤害称为热害,可以分为直接伤害和间接伤害。

4.1 高温对黑麦草的直接伤害

直接伤害是高温直接影响细胞质的结构,在短期(几秒到几十秒)出现症状,并可从受热部位向非受热部位传递蔓延,最终致使细胞受损。其伤害实质较复杂,可能原因是由于高温引起蛋白质构型变化而变性以及膜脂的液化,使膜失去半透性和主动吸收的特性[8]。高温常引起植物过渡蒸腾失水,此时同旱害相似,因细胞失水而造成一系列代谢失调,导致生长不良。

4.2 高温对黑麦草的间接伤害

间接伤害是指高温导致代谢异常,渐渐使植物受害,其过程是缓慢的。热害的间接伤害具体表现为以下几方面:(1)由于在较高温度下牧草植物的呼吸作用大于光合作用,贮存的营养物质消耗加快,造成饥饿;(2)高温下牧草植物组织内氧分压降低,使无氧呼吸增强,积累了乙醛、乙醇等有毒物质,同时高温下蛋白质分解大于合成,形成大量游离氨气毒害细胞;(3)高温使细胞产生的水解酶类和溶酶体破裂放出的水解酶类使蛋白质分解,同时由于氧化磷酸化解偶联,三磷酸腺苷(ATP)减少,蛋白质合成受阻。此外,高温破坏了核糖体与核酸的生物活性。因此,牧草植物体内蛋白质含量下降,代谢紊乱,植物生长不良,引起严重的伤害[35]。

5 预防黑麦草高温胁迫的措施

5.1 培育和选用合适品种

根据不同地区的具体气候条件和黑麦草的抗逆基因遗传潜势,有目的的引种和配需具有较强温度胁迫抗性的良种,是最经济有效的方法。通过杂交、辐射等育种手段与野生种的选育均能得到抗热性较好的草种。常规育种和生物技术育种相结合可选育优良的黑麦草牧用品种。

5.2 喷施生长调节剂

利用植物生长调节剂可以提高黑麦草的抗热性,并安全越夏。具体应用时要注意两点:一是选择合适的药剂类型;二是适宜浓度。施用化学物质如多效唑(PP333)可提高植物的抗热性。熊作明等采用不同浓度的 PP333喷施多年生黑麦草,观察到各处理较对照均显著减缓了出叶速度,增加了游离脯氨酸积累量、叶片相对含水量和可溶性蛋白含量,提高了抗坏血酸、过氧化物酶和硝酸还原酶活性[15]。

5.3 进行抗热锻炼

许多试验已经证明,抗热锻炼是提高黑麦草抗热性能的一种有效的方法。徐胜等通过对多年生黑麦草热锻炼预处理,显著缓减了高温条件下黑麦草叶片膜脂过氧化程度的加剧,降低了叶片过氧化氢和超氧阴离子的产生速率[36]。

6 干旱对黑麦草的影响

水是植物体的重要组成部分,无论是长期的干旱还是短时间的水分亏缺都会给植物的生长发育带来不利甚至有害的影响,天然草原和人工草地常因年度或季节性缺水而降低其产草量[37]。汝红等通过试验在不同的干旱胁迫下,黑麦草幼苗叶片中的过氧化氢酶活性和脯氨酸含量均随胁迫时间的延长而增加[38]。郑敏娜等利用透射电镜技术,研究了水分胁迫下多年生黑麦草叶肉细胞叶绿体和线粒体超微结构的变化,受伤害严重的叶绿体中的基粒和被膜破损,线粒体数目增加且对水分胁迫的耐受性强于叶绿体[39]。

根据前人的研究得出,抗旱性强的品种叶片保水力强,叶绿素含量高,游离脯氨酸维持积累时间长且累积量较高,并能保持相对较高的细胞膜完整性。石永红等通过试验经抗旱性综合评价得出,6个黑麦草品种抗旱性强弱依次为:爱神特>首相>百舸>顶峰>卡特>球道[40]。董超等对黑麦草进行试验结果显示:3个黑麦草品种抗旱能力表现为顶峰>VNS>耐特[41]。

7 黑麦草抗旱性的鉴定指标和鉴定方法

7.1 黑麦草抗旱性的鉴定指标

(1)种子萌发期的抗旱指标:相对发芽率、发芽势和根系长度等。

(2)苗期的抗旱指标:叶片相对含水量、细胞膜相对透性、游离脯氨酸、叶绿素、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及丙二醛含量等。

7.2 黑麦草抗旱性的鉴定方法

黑麦草的抗旱鉴定主要应用生理生化指标测定法。植物在受到水分胁迫后,抵御适应干旱的途径和方式多种多样,因而用单一或个别生理生化指标难以进行复杂的抗旱鉴定,应采用多项指标进行综合评价。石永红等通过试验对 6个多年生黑麦草相对含水量、细胞膜相对透性、游离脯氨酸、叶绿素、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及丙二醛含量等抗性生理生化指标进行测定,并对其抗旱性进行综合评价[40]。

8 黑麦草水分胁迫抗性的机理

植物的抗旱性是指植物通过一定的抗旱方式在长期干旱胁迫状况下生存的能力,是一个受多因素控制的并且非常复杂的性状,各因素之间往往还有交叉作用。植物抵御或适应干旱的途径通常有两种,一是避旱;二是耐旱[42]。干旱胁迫对牧草的形态结构和物质代谢都产生很大影响。

8.1 气孔调控

植物水分胁迫时,可以通过关闭气孔来减少蒸腾失水。气孔进行周期性运动时,气孔口保持在较小的开度水平,能有效减少水分蒸腾散失,同时又保持足够的吸收,调整CO2吸收和水分散失之间的平衡,从而使水分利用最佳化[42]。

8.2 渗透调节

渗透调节作为植物适应干旱胁迫的重要生理机制,已成为抗旱生理研究最活跃的领域[43]。干旱下植物体内游离氨基酸累积,包括脯氨酸和其他各种游离氨基酸和酰胺,对降低渗透势均有一定的贡献,其中,又以脯氨酸最重要[44]。

8.3 抗氧化防御系统

人们对干旱胁迫下植物体内抗氧化防御系统进行了研究,取得了大量的研究成果。抗氧化系统是由一些能清除活性氧的酶类和抗氧化物质组成,如超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化物酶 (POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸等。单一的抗氧化酶或抗氧化物不足以防御这种氧化胁迫。因此,它们往往协同抵抗干旱胁迫诱导的氧化伤害,如 SOD催化2个超氧自由基发生歧化反应形成 O2和 H2O2,再被POD和 CAT催化除掉。一般来讲,干旱胁迫下植物体内 SOD等酶的活性与植物抗氧化胁迫能力呈正相关。抗旱性强的植物,在干旱胁迫下,SOD,POD和 CAT的活性较高,能有效地清除活性氧,阻抑膜脂过氧化,因而抗旱性强的植物膜脂过氧化水平较低[45]。

9 提高黑麦草抗旱性的措施

9.1 培育和选用合适品种

根据不同地区的具体气候条件和黑麦草的抗逆基因遗传潜势,通过杂交、辐射等育种手段与野生种的选育均能得到抗旱性较好的草种。常规育种和生物技术育种相结合可选育优良的黑麦草牧用品种。杨凤萍等应用生物技术进行试验研究,结果表明,利用逆境诱导型启动子(rd29B)来调控外源 CBF1基因的表达能显著改良黑麦草的抗旱能力[46]。

9.2 栽培措施

在干旱胁迫下,黑麦草的根系吸水功能受阻,增加根冠比可以弥补根系的吸水功能。脯氨酸是一种理想的渗透调节物质,在干旱时可以与蛋白质分子上的疏水基作用,扩大亲水基的表面,从而保护细胞膜结构[47]。焦晋川等通过试验研究采用不同浓度的钾肥对多年生黑麦草进行处理,结果显示干旱环境下一定浓度的钾肥能显著促进种子发芽率、增大叶片厚度和根冠比,从而提高多年生黑麦草的抗旱能力[48]。

9.3 喷施生长调节剂

近年来,有关烯效唑在农业上应用的研究越来越多,如降低植株高度、促进分蘖、提高抗逆性等[49～52]。但是关于烯效唑提高黑麦草抗旱生理机制的研究报道较少[53,54]。马艳华等通过不同质量浓度烯效唑对黑麦草进行试验研究结果显示,在进行干旱胁迫前,叶面喷施烯效唑,能够在黑麦草受到干旱胁迫时不同程度的提高黑麦草的抗旱性[55]。高景慧等通过试验采用聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)浸种及叶面喷施多效唑处理多年生黑麦草,综合效应表明,2%PVA浸种预处理+叶面喷施150 mg/m2多效唑处理能有效减轻水分匮乏对幼苗的胁迫并延缓植株生长[56]。

9.4 聚乙二醇(PEG-6000)对黑麦草抗旱性的影响

用 PEG-6000溶液模拟干旱胁迫是抗旱育种研究比较实用的方法。近年来,一些研究者已经采用水稻、老芒麦等植物运用 PEG-6000溶液模拟干旱胁迫研究植物的抗旱机制[57,58],但是关于用聚乙二醇(PEG-6000)处理种子来比较黑麦草抗旱能力方面的研究还鲜见报道。万里强等利用不同浓度 PEG-6000溶液对多年生黑麦草品种进行不同程度的水分胁迫处理和叶片生理生化指标响应,结果表明:PEG胁迫处理下品种“首相”对渗透胁迫的抗性最强,品种“欧必克”的抗旱性最强,而“凤凰”的抗旱性最弱[59,60]。

10 问题与展望

我国黑麦草育种起步晚,主要是通过从国外引进优良品种,在国内进行遗传改良从而加速黑麦草的育种进程。黑麦草作为一种重要的牧草资源,在推动我国畜牧业的发展中起到了一定的作用。由于黑麦草抗干旱、高温等抗逆性较差,因而限制了在我国范围内大规模的栽培。 2010年我国西南各省遭受特大旱灾,云南各地区和贵州西部等重旱区降水较少,抗旱育种迫在眉睫。

黑麦草是异花授粉作物,具有自交高度不亲和性。转基因育种在弥补传统育种不足的同时也带来了一些问题。基因工程并非是解决一切问题的万全之策,通过植物基因工程得到的只是一种人工种质新材料,而不是生产上可以立即应用的新品种,它必须经过常规育种考验。只有将传统的抗虫、抗除草剂育种与遗传工程及田间综合防治相互结合起来,才能更好地控制害虫和杂草的发生,更好地改良植物。因此植物基因工程技术必须与常规育种相结合,并经大田试验将转基因植物的外源目的基因持续遗传给后代或通过有性繁殖转移到其他品种上去。为了粮食安全和生态环境的保护,黑麦草的抗热和抗旱育种将为人类的可持续发展贡献一份微薄力量。

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