番茄对非生物胁迫响应机制研究进展
2016-02-05徐佳宁徐艳群严振张利云高建伟
徐佳宁++徐艳群++严振++张利云++高建伟
摘要：番茄是我国保护地种植经济效益较高的蔬菜，约占整个保护地蔬菜种植面积的30%，在设施蔬菜栽培中占有重要地位。不同非生物胁迫对番茄的生长发育、产量及果实品质等产生不同程度的影响。因此，了解番茄在不同非生物胁迫下的生命活动规律，对其抗逆育种和增产增收都具有十分重要的意义。本文综述了近年来番茄在生长发育、生理生化和基因调控方面对非生物胁迫响应机制的研究进展，并建议对番茄非生物胁迫响应机制的研究应上升到组学水平。
关键词：番茄；非生物胁迫；响应机制
中图分类号：S641. 201
文献标识号：A 文章编号：1001-4942 （2015）12-0120-05番茄是茄科（Solanaceae）番茄属（Lycopersi-con）一年或多年生植物，在南纬45°至北纬65°均有种植，遍及全球160余个国家或地区。番茄的所有野生种均分布在南美西部的安第斯山脉狭长地带。16世纪番茄从秘鲁传人意大利，17世纪从意大利传人中国和爪哇，18世纪传人英国、法国、北美和日本，此后作为一种世界性蔬菜广泛在世界各地种植。
近年来，番茄作为我国一种保护地内种植经济效益较高的蔬菜，约占整个保护地蔬菜种植面积的30%，在设施蔬菜栽培中占有重要地位。番茄含有糖、蛋白质、脂肪、有机酸、纤维素以及丰富的维生素和微量元素等，营养价值较高；此外，番茄还具有一定的药用价值，如番茄中所含有的番茄红素有抗氧化和抗肿瘤作用。
非生物胁迫是指由非生物因素引起的对植物正常生长发育造成逆境影响的总称。番茄属于中度盐敏感物种，一定浓度的盐处理可以调节番茄的风味、色泽以及可溶性物质含量，有利于提高番茄果实中糖酸比，进而提高番茄的品质；而盐分浓度过高则常导致番茄生长缓慢、产量和品质下降等问题。此外，干旱、高温、重金属胁迫都会对番茄的生长发育、产量和果实品质等产生不同程度的影响。因此，了解番茄在盐碱、干旱、温度、重金属等非生物胁迫条件下的生命活动规律，对其抗逆育种和增产增收都具有十分重要的意义。本文综述了近年来番茄在生长发育、生理生化和基因调控方面对非生物胁迫响应机制的研究进展。
1 非生物胁迫对番茄生长发育的影响
1.1 非生物胁迫对番茄叶片生长发育的影响
干旱胁迫会阻碍番茄叶片的生长，并降低气孔张开率。已有研究表明，番茄的叶长、叶宽、叶面积、叶片含水量和气孔张开率，均会随土壤含水量的下降而下降，且在胁迫4天后下降速率进一步加大。此外，干旱胁迫还会导致叶片栅栏组织和海绵组织的厚度减小。
叶绿素含量是反映植物光合强度的一项重要生理指标。当番茄受到盐害时，叶片内氮素含量下降，而氮素是叶绿素分子的组成成分，故植株表现为叶色变浅，叶绿素含量减少。在一定的铅胁迫条件下，番茄植株老叶出现叶肉变黄而叶脉仍保持绿色的网状失绿症状，并伴有轻微的萎蔫；且随处理时间的延长，叶片的失绿症状加剧。
1.2 非生物胁迫对番茄果实生长发育的影响
不同的水分处理对番茄产量的影响不同，轻度胁迫下番茄果实重量以及产量变化不大；中度和重度胁迫下番茄果实重量和产量则明显较低。黄立华等发现，不同程度的苏打盐碱胁迫可使番茄果实的单果重和有机酸含量下降，可溶性糖含量和糖酸比增加；轻度苏打盐碱胁迫可提高番茄果实中维生素C含量，而重度苏打盐碱胁迫则不利于番茄果实中维生素C的积累。李红彦等发现不同浓度的Na2SO4盐胁迫对番茄果实的影响不显著。
番茄果实中糖含量是决定果实品质的重要指标之一。在25～29℃范围内，随着温度的升高，番茄果实心室隔壁中蔗糖积累逐渐增多，果肉和胶质胎座中蔗糖积累逐渐减少。番茄果实的着色受温度的影响较大，番茄红素在高温条件下合成受到抑制，因此持续高温处理会使番茄呈现黄色。番茄在开花期前后或初果时期，若温度过高则果实的空洞果数量会增加，当温度超过35℃且持续时间较长时，果实生长发育速度不协调，形成空洞果。
1.3 非生物胁迫对番茄根生长发育的影响
高盐浓度无论是对种子萌发或幼苗生长状况及根尖微核率，都有明显影响。轻度干旱胁迫则可促进番茄幼苗的根系生长：根系的长度、表面积和体积均呈现增加的趋势。
2 非生物胁迫对番茄光合作用的影响
干旱胁迫下叶片会生成大量的活性氧，对细胞膜造成伤害，导致光系统Ⅱ的活性降低，光合产物生成量减少。干旱胁迫还可导致叶片气孔密度和气孔大小的下降，大部分气孔关闭且深陷，叶绿体变大变圆，基粒片层排列紊乱，淀粉粒减少或消失。在低温胁迫下，光合色素的含量下降；而在高温胁迫下，光合色素含量则上升。与常温相比，温度胁迫期间，气孔导度和光合强度均呈先降低后升高的趋势，随着胁迫时间的延长又呈现逐渐降低的趋势。鲁少尉等发现盐胁迫可破坏番茄叶片的光合机能，降低光合作用效率，同时改变番茄叶片中的糖代谢方向，促进了淀粉和蔗糖的分解，提高了叶片中的果糖和葡萄糖含量。
3 非生物胁迫对番茄生理生化指标的影响
丙二醛（Malondialdehyde，MDA）是膜脂过氧化的产物，其含量高低可反映膜脂过氧化程度的大小，植物组织中MDA的含量一般随胁迫程度的增大而增大。杨再强等研究发现，随着干旱胁迫的加剧，番茄叶片的膜脂过氧化作用逐渐加强。宋勤飞等研究发现，番茄叶片中MDA的含量随铅浓度的增加而明显升高。丁海东等研究发现，随着Cd2+、2n2+胁迫浓度的增大，番茄根系和叶片中MDA含量也呈增加趋势。相对电导率（Electrical conductivity，EC）是反映细胞膜透性的重要指标之一。相对电导率越大，膜透性越大，质膜受损伤的程度越高。孟长军等发现，随着盐胁迫浓度的增高，番茄植株的EC值均呈升高趋势。
植物体内活性氧的产生与清除机制的动态平衡维护着植物的正常生长，而逆境胁迫会打破这种平衡，从而导致活性氧在植物体内积累，引起植物体发生各种不良生理生化变化。植物体内参与活性氧的酶促清除机制的抗氧化酶类包括：超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）和过氧化物酶（Perox-idase，POD）等。endprint
SOD作为活性氧清除剂，在保护细胞膜系统中起一定的作用。在低盐胁迫下，番茄体内SOD活性随着盐浓度的增加而增加；在高盐胁迫下，SOD活性随着盐浓度的增加而降低。在盐胁迫条件下，高活性的SOD能有效清除细胞内的活性氧，使番茄保持一定的耐盐性。此外，有研究发现，一定的干旱胁迫条件下番茄体内SOD和POD的活性先升高后下降，而CAT的活性持续升高。在铅离子胁迫下，番茄叶片中POD的活性随着铅浓度的增加也呈先增加后降低的趋势。丁海东等发现，随着Cd2+、2n2+胁迫浓度的增大，番茄植株中APX、POD和CAT的活性上升，抗氧化酶活性的上升能够提高幼苗适应和抵抗重金属胁迫的能力。
4 番茄抗逆功能基因的研究进展
在自然界中，植物要遭受来自外部环境的多种非生物胁迫。在长期的进化过程中植物形成了相应的应变机制即调节相关抗性基因的表达，从而在环境改变后得以继续存活。
刘辉从耐低温多毛番茄（S.habrochaites）中克隆了2个不同类型的抗寒相关基因，分别是脱水素基因（S.habrochaites Dehydrin，shDHN）和牦牛儿基牦牛儿基还原酶基因（S.habrochaites Gera-nylgeranyl reductase，shCHLP）。根据芯片分析结果发现：超量表达shDHN可以提高植株的抗寒和抗旱性，促进了番茄植株的生长发育；超量表达shCHLP提高了番茄植株叶片叶绿素含量。
促分裂素原活化蛋白激酶（Mitogen activatedprotein kinase，MAPK）级联反应是真核生物信号传递网络中的重要途径之一，在植物抗逆过程中发挥着重要作用。Li等通过对干旱、盐和低温逆境胁迫下番茄SpMPKl/StMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因表达模式的研究发现干旱、盐、低温逆境胁迫均能诱导SpMPKl/SIMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因的表达。
Jia等研究发现转甜菜碱醛脱氢酶（Betainealdehyde dehdyoregn，BADH）基因可提升番茄植株的耐盐性，其主要表现在番茄盐胁迫条件下根系的发生和发育上。此外，还在一定程度上引起POD和SOD的活性升高，使细胞抗氧化胁迫的能力增加，保持细胞内环境的相对平衡和稳定。
5 转录因子对番茄逆境应答的调控机制
转录因子又称反式作用因子，其主要功能是激活或抑制基因的转录效应。转录因子作为复杂的信号网络中的成员，在调节植物应对来自周围环境因子胁迫的过程中发挥着重要作用。
WRKY是一类植物体特有的抗逆相关转录调控因子，在高等植物中组成一个庞大的蛋白家族。刘畅等研究发现，过量表达SIWRKY53基因能够一定程度增强植株抵抗盐胁迫的能力。
刘淑君发现，番茄同-MYB转录因子在不同的条件下表达量不同，在不同逆境和激素胁迫处理下，MYB转录因子表达量均有显著变化，且诱导强度均较大，表明番茄MYB转录因子参与了植株抵御环境胁迫。
NAC转录因子是植物中所特有的，该家族基因在植物生长发育和抵抗生物或非生物胁迫中发挥着极其重要的作用。SISRN1定位于细胞核，是番茄抵抗干旱胁迫的负调控因子。该基因沉默后可增强番茄的抗旱能力。刘辉从番茄LA1777中克隆了一个NAC转录因子，命名为ShNAC，低温、干旱和高盐胁迫均能诱导该基因的表达。超量表达ShNAC转基因植株较野生型对低温和干旱更敏感。ShNAC可能是植物生长发育及非生物逆境应答的一个负调节因子。Ma等从番茄叶片中克隆到一个NAC转录因子StNAC1，发现过表达该基因提高了番茄植株的耐冷性。多项试验表明，SINAC1可能通过上调CBF1的表达激活了下游的冷响应基因，提高了番茄植株的低温抗性。
ICEI （Inducer of CBF expression l）转录因子，可响应低温信号，并通过调控CBF/DREB1转录因子进而激活下游COR（Cold-regulated）基因的表达，从而调节植物的耐低温能力。Feng等从番茄叶片中克隆到一个新的ICE1基因，过表达番茄ICE1和CBF转录因子都能够提高转基因植物的耐低温能力，因此位于番茄CBF下游的调控网络中的基因可能是导致番茄对低温敏感的决定性因素。
锌指蛋白（Zinc finger protein，ZIP）是植物中最为丰富、研究最为深入的一类转录因子，它在植物各个时期的生长发育和逆境胁迫中发挥调控作用。有研究表明，超表达锌指家族成员SIZF6可提高番茄的耐盐性和抗旱性。
6 展望
综上所述，非生物胁迫对番茄的生长发育及各项生理指标有着极其重要的影响。在不同胁迫条件下，番茄组织中MDA和EC的含量均与胁迫程度呈正相关；而抗氧化酶类的活性变化在不同胁迫条件下的变化趋势不同。
近年来，关于番茄抗逆功能基因的挖掘和研究已取得一些研究成果，但植物体对于胁迫的响应是由多基因控制的数量性状，单个基因功能的挖掘并不能阐明番茄对于胁迫响应的分子机制。目前，随着番茄全基因组数据的发布，对于番茄的研究已正式进入组学时代。因此，利用新一代高通量测序技术，对番茄基因组及胁迫条件下转录组、蛋白质组和代谢组的表达变化研究，将有助于阐明番茄在发育的各个阶段对非生物胁迫响应的分子机制，为今后番茄的抗逆育种提供理论基础。endprint
