牡丹抗旱性研究进展

马燕　李锦馨　张银　张阁

摘要 概述了干旱胁迫下，牡丹的渗透调节系统、保护酶活性及光合特性指标的变化，以及与牡丹抗旱性相关的分子生物学机制，包括逆境信号、抗旱蛋白、抗旱基因的变化，以期为牡丹抗旱性机制的深入研究提供思路，并为牡丹的进一步开发利用提供参考。

关键词 牡丹；干旱胁迫；抗旱

中图分类号 S685.11 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）13-0027-03

Research Progress on Drought Resistance in Paeonia suffruticosa

MA Yan，LI Jinxin， ZHANG Yin et al

（Agricultual College，Ningxia University，Yinchuan，Guangxi 750021）

Abstract The study summarized the worldwide research progresses under drought resistance circumstances referring to the change of osmostic regulation system，antioxidant enzymes，photosynthetic characteristics. It is also relate to the molecular mechanisms，which including the change of stress signal，drought resistant protein and gene.The study provides thought for the indepth study of the drought resistance mechanism of Paeonia suffruticosa，and provides reference for the further development and utilization of Paeonia suffruticosa.

Key words Paeonia suffruticosa；Drought stress；Drought resistance

目前全球干旱、半干旱地區约占土地总面积的36%，占耕地面积的43%[1-2]，据统计，我国是世界上13个水资源严重短缺的国家之一[3-5]，干旱、半干旱地区约占全国土地面积的50%。现代节水农业已受到高度重视，选育抗旱节水植物新品种、提高植物的抗旱性已成为未来研究中一个前景广阔的领域。

牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）属于芍药科（Paeoniaceae）芍药属（Paeonia）牡丹组（Sect.Moutan DC.）多年生落叶小灌木，是我国传统名花[6-7]。因其花大色艳，雍容华贵，有极高的观赏、食用和药用价值，深受人民喜爱[8-9]。干旱胁迫会严重影响植物的生长发育及结果，对其抗旱性研究不仅对选育抗旱品种具有重要的实际意义，而且对解决干旱、半干旱地区土地利用率和提高单位面积产值具有极其重要的现实意义。

植物防御干旱是通过改变其分子、细胞、生理水平上的各种因素，如基因型、失水程度、生活周期以及组织类型等来实现[10]。相关渗透调节物质在植物抵抗干旱胁迫时起调节细胞渗透压和稳定蛋白的作用[11]。

干旱胁迫下，植物通过对干旱刺激信号的感知、转导和反应，为保护细胞不受水分亏缺的伤害，会诱导或抑制相关基因的表达和蛋白的合成，使植物具有在低水势情况下维持生长发育并耐脱水的能力[12-13]。近年来，牡丹的研究大多集中在牡丹的价值开发及成分分析；引种栽培等方面有一些研究，仅有少数学者对牡丹个别品种的抗旱性进行研究。

笔者基于国内外文献数据库中有关牡丹抗旱机理的研究，就牡丹抗旱性生理生化机制、分子生物学机制进行综合分析和评价，以期为国内学者进一步开展牡丹抗旱性研究指明方向，也为我国牡丹产业的健康、有序、快速发展奠定坚实的理论基础。

1 牡丹抗旱性生理生化机制

1.1 细胞膜透性与抗旱性

细胞膜是植物细胞感受外界环境最重要的部位，当植物遭遇干旱胁迫时，其选择透性功能改变或者丧失，细胞内溶物外渗，电解质渗透量增加，则其相对电导率增大，细胞膜发生过氧化作用而受到破坏，从而引起丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量的增加。

阿日文[14]和彭民贵等[15]研究表明，随着胁迫程度的增加及胁迫时间的延长，各品种牡丹的细胞膜透性均出现持续上升趋势，较长时间的干旱胁迫会使细胞膜严重受损。

彭民贵等[15]用聚乙二醇（polyethylenegloycol，PEG）模拟干旱，王岑涅[16]采用盆栽称重控水法进行干旱胁迫，结果均显示MDA含量呈明显增加趋势。

1.2 渗透调节系统与抗旱性

受到干旱胁迫时，植物产生信号，通过转化成其他物质来控制基因的表达和代谢的变化，从而适应干旱环境。此过程中渗透调节为关键一步，即植物体内积累各种有机物质和无机物质，以提高细胞液浓度，降低其渗透势，以此来保持体内水分[17-20]。渗透物质包括脯氨酸（proline，Pro）、可溶性糖、可溶性蛋白等[21]。如Pro具有调节渗透压、稳定亚细胞结构、清除自由基、担当信号分子等功能[22]，其积累与植物抗干旱胁迫的能力直接相关[23]。

李军等[24]和彭民贵等[15]研究表明，随着水分胁迫程度的增加，供试牡丹的可溶性糖含量、Pro含量均逐渐升高，可溶性蛋白质含量均先升高后降低。而王岑涅[16]的研究结果稍有不同，干旱胁迫下，牡丹Pro、可溶性糖、可溶性蛋白含量持续增加。

李军等[24]研究表明，相比于重度干旱胁迫，复水后供试牡丹的渗透调节物质含量均有所降低。在用PEG模拟干旱胁迫的研究中，彭民贵等[15]研究表明，在相同胁迫时间内，其Pro含量、可溶性糖含量均随PEG质量浓度的增大而增加；PEG质量浓度相同时，随胁迫时间的延长，其Pro含量、可溶性糖含量均先增加后减少，8 d后达到最高。

1.3 抗氧化酶活性与抗旱性

干旱胁迫通常会诱导植物细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）物质的过度积累，最终导致氧化胁迫的产生[25-26]。ROS 能够直接与蛋白质、核酸和脂类等物质结合，从而导致 DNA 损伤，植物体内酶失活及细胞渗透壓改变等一系列的过氧化链式反应，危害细胞膜系统正常生理功能，甚至直接导致植物死亡[27]。抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶（ superoxide dismutase，SOD） 、过氧化氢酶（ catalase，CAT） 、抗坏血酸过氧化物酶（ ascorbate peroxidase，APX） 、谷胱甘肽还原酶（ glutathione reductase，GR）等[28]。

关于 SOD和CAT的变化，王岑涅[16]和李军等[24]的研究结果相似，在干旱胁迫下其活性均呈先升高后降低再升高的变化趋势。而朱丹[29]研究表明，SOD、POD 为牡丹叶片清除体内活性氧的主要抗氧化酶，随着胁迫加剧，SOD、POD 整体呈先升高后降低趋势，CAT 活性则为降低趋势。阿日文[14]研究结果与上述试验结果不符，随着胁迫程度的增加及胁迫时间的延长供试牡丹品种叶片SOD 活性均呈下降趋势，且胁迫程度越大则降低幅度越大。

1.4 光合作用系统与抗旱性

光合作用是植物最基本的生理反应，是植物合成有机物和获取能源的根本途径，直接关系植物的生长状况和最终产量。干旱胁迫下，植物光合速率下降，当水势降低到一定程度后，光合速率趋近于0[30]。干旱胁迫引起的水分亏缺造成气孔关闭，CO2扩散阻力增加，也会导致叶绿体片层膜体系结构改变，光系统Ⅱ活性减弱甚至丧失，光合磷酸化解偶联，叶绿体合成速度减慢，光合酶活性降低等[31]。

王岑涅[16]研究表明，在中度、重度干旱胁迫下，净光合速率（net phoyosynthesis rate，Pn）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、气孔导度（stomatal conductance，Cond）、胞间CO2浓度（intercellular CO2 concentration， Ci）降低，水分利用效率（water use efficiency，WUE）升高，而轻度胁迫相反。郭丽丽等[32]研究表明，随着干旱胁迫加剧，2种牡丹的Pn、Tr、Ci，WUE均呈逐渐下降趋势，Cond则随胁迫程度的增加而减小。李军等[24]研究了逐渐干旱和复水过程中Pn、Cond、Ci、Tr和WUE等光合特性的动态变化。

关于叶绿素含量的变化，王岑涅[16]研究表明，干旱胁迫下，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、类胡萝卜素含量升高。而阿日文[14]研究结果则相反，随着胁迫程度的增加及胁迫时间的延长，供试牡丹品种叶片叶绿素含量呈下降趋势，且胁迫程度越大则降低幅度越大。

2 牡丹抗旱性分子生物学机制

2.1 逆境信号与抗旱性的关系

植物感知失水信号后，激活依赖脱落酸（abscisic acid，ABA）和非依赖ABA 2个途径来调节一系列的蛋白激酶和磷酸化酶的信号转导[33] ，从而合成一些能抵抗胁迫的新蛋白[34] 。

研究表明，ABA 一直是植物抗旱响应研究的重点[35-36]，在干旱条件下植物产生内源性激素ABA，且在根部迅速积累，主要通过调节气孔的开闭、保持组织内水分平衡、增强根的吸水性、提高水的通导性来增强植物抗旱性，同时诱导ABA相关基因表达 [37]。此外，干早时期植物体内ABA的增加能改变某些与Pro合成有关的物质，从而促进Pro的积累[38]。

关于干旱胁迫下ABA的研究，在农作物领域开展的较深入。干旱初期，束缚型 ABA 为主要来源，干旱期间，ABA主要来自新合成的 ABA。干旱时，植物的根系感知土壤水分，诱导 ABA 合成酶系统，合成大量 ABA，然后运输到地上部，促使保卫细胞关闭，降低蒸腾作用，减少水分丢失。研究表明，干旱胁迫时，外源喷施 ABA 可以增强抗氧化酶活性，降低活性氧含量，防止叶绿素降解，增大叶片相对含水量，减小质膜透性及MDA含量，增强光系统Ⅱ（PSII） 的修复功能[39-42]。

最近一系列对赤霉素（gibberelin，GAs）及其相关基因在抗旱响应中作用的研究，有助于人们更清楚地了解植物耐受干旱胁迫的激素调控和应答网络。研究发现，拟南芥中 CBF/DREB2 转录因子对AtGA2ox7基因的表达有正向调节作用，过表达转录因子可同时促进AtGA2ox7基因的表达，进而导致活性 GAs 含量降低，达到提高抗旱性的作用[43]。

研究表明，ABA信号中应对干旱等非生物胁迫的关键元件MYB和WRKY27等受DELLA蛋白调控[44-45]，而对拟南芥中耐旱相关基因XERICO的研究发现，XERICO基因不但参与ABA代谢，而且还是DELLA蛋白的下游目的基因之一[46]。说明DELLA蛋白可能作为植物干旱胁迫的调控节点，在GAs信号与ABA信号间起联系作用。

2.2 抗旱蛋白与抗旱性的关系

植物干旱诱导蛋白按其功能可分为两大类：第一大类是功能蛋白，在细胞内直接发挥保护作用，主要包括胚胎发育晚期蛋白、渗调蛋白、水通道蛋白、代谢酶类等；另一大类是调节蛋白，参与水分胁迫的信号转导或基因的表达调控，起间接保护作用，主要包括蛋白激酶、磷脂酶C、磷脂酶D、G蛋白、钙调素、转录因子和一些信号因子[47]。

研究表明，由于脱水蛋白的无序性，它们可以非特异地结合生物大分子。同时，其高亲水性又能帮助它们大量结合水分子。因此，在细胞失水时，脱水蛋白可以帮助维持细胞初始形态，避免细胞过度失水而坍塌[48]。脱水蛋白具有与活性氧分子结合的能力，脱水蛋白可能在活性氧暴发的情况下通过自我牺牲的方式消耗活性氧从而保护其他蛋白质免受损伤[49]。

2.3 抗旱基因与抗旱性的关系

近年来，由于牡丹栽培面积迅速扩大，与其相关基因的克隆及转抗基因的研究逐渐增多。李军等[24]对牡丹干旱胁迫下的转录组开展研究，为牡丹耐受干旱的分子机制研究奠定了基础。石红梅等[50]在前期工作的基础上，通过RACE（rapidamplification of cDNA ends）擴增、测序和序列拼接获PsWRKY基因全长互补脱氧核糖核酸（complementary DNA，cDNA），推测的氨基酸与其他WRKY蛋白相同。虽然该试验并未涉及PsWRKY基因调控与牡丹抗旱性是否相关，但近年来大量试验结果证明WRKY基因与植物的抵御逆境胁迫相关，如大麦WRKY38在冷害和干旱胁迫中表达，表明其在冷害和干旱胁迫的信号转导中起调控功能[51]，也为牡丹后期抗旱性研究奠定了基础。

DREB（dehydration responsive element binding protein）转录因子是一个干旱应答元件的结合蛋白，在植物对干旱胁迫的分子反应中起重要的调控作用[52-53]。刘慧春等[54]以牡丹“洛阳红”品种叶片提取的总DNA为模板，PCR 扩增获得DREB基因的 cDNA 序列，命名为 PsDREB。

关于牡丹PseIF5A基因克隆与功能研究较多，重组菌株（pET32a-PseIF5A）由于诱导表达了PseIF5A的融合蛋白，PseIF5A的大量积累明显提高了缩主大肠杆菌BL21对重金属、高盐、高pH、氧化等非生物胁迫的抗性[55]，表明牡丹PseIF5A能响应多种非生物胁迫，而该研究并未涉及抗旱试验，有待继续研究。

王晓庆等[56]通过 RT-PCR 和 RACE 技术克隆得到了牡丹中编码 9–顺式–环氧类胡萝卜素加双氧酶蛋白（NCED）的一条 cDNA 基因全长——Ps-NCED1，通过与拟南芥中CCD（类胡萝卜素分解加双氧酶）家族氨基酸序列比对后发现，Ps-NCED1与调控 ABA 合成的At-NCED3一致性最高，而一些研究已经证实At-NCED3是拟南芥在受到胁迫时被诱导表达合成 ABA 的最主要基因[57]，因此，Ps-NCED1在牡丹中也可能存在相同的作用机制，可能在响应环境胁迫诱导 ABA 合成过程中发挥重要作用。

关于牡丹抗旱性的分子生物学机制，目前国内外研究均较少，在ABA、GAs与干旱诱导蛋白的研究中，在PsWRKY、PsDREB、PseIF5A、 Ps-NCED1等基因克隆与分析工作中，虽未明确表示其与牡丹抗旱性机制相关，但前人以及最新的研究结果表明，其确实与植物抗逆性有关。

3 展望

关于牡丹研究虽然已经取得了一定成就，为生产实践提供了一定的指导意义，但国内外对牡丹抗旱性研究相对较少，尤其是关于牡丹抗旱基因方面的研究。不同时期、不同干旱程度、不同品种的反应机理也不完全相同，因此，应设计更加全面的试验进行研究。除对干旱胁迫进行生理生化机理、分子机理以及基因表达调控方面的研究外，还需要利用高通量的技术和蛋白质组学方法在不同水平上进行更全面深入的研究。

可以预见，随着蛋白质组学与现代分子生物学技术的结合与应用，牡丹抗旱性机理研究将会不断深入，越来越多的抗旱品种将会在其生产中发挥重要作用。

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