梅花非生物胁迫研究进展

曾 斌，李卫东，黄国林，张 力，唐桂梅，何 涛，肖远志

（湖南省农业科学院，湖南省园艺研究所，园林花卉种质创新与综合利用湖南省重点实验室，特色木本花卉湖南省工程实验室，湖南 长沙 410125）

梅花（Prunus mume Sieb et Zucc）属于蔷薇科（Rosaceae）李属（Prunus）植物，原产于中国，是我国传统名花，具有良好的赏花、观姿、品果的特点，在我国园林应用中有着举足轻重的地位和影响[1-2]。温度是限制梅花地域分布的主要生态因子[3]，非生物胁迫如低温、高温、盐碱等直接影响梅花的生长、发育和观赏性状[4]，因此提升梅花适应非生物逆境的能力具有重要意义。2012 年梅花基因组测序的完成极大地推动了梅花逆境生理和分子生物学的发展[5-6]。笔者总结了梅花响应非生物因子胁迫的研究进展，可为今后深入阐明梅花适应非生物逆境的机制以及采取栽培调控措施提供借鉴和参考。

1 生物逆境胁迫下梅花的生理生化研究

1.1 低温胁迫伤害与耐寒性

在自然条件下温度是决定植物地域分布的主要限制因子之一，低温胁迫对植物生长发育和繁殖的影响尤为突出。梅花是亚热带树种，喜温耐寒，在年平均气温为16～23℃的地区生长良好。但梅花在开花期对温度特别敏感，一般当温度达到10℃以上时就能开花。中国梅花的自然分布主要在长江流域地区，因为低温限制了梅花进一步向北发展和推广。

梅花品种的抗寒性是进行南树北移过程中需要考虑的一个主要因素。用直播育苗、实生选种的方法选育出的北京小梅和北京玉蝶2 个品种1962—1964 年春天在北京露地开花，开创了“南梅北移”的先河。但不同类型梅花品种的抗寒性截然不同，杏梅品种群和美人梅品种群的抗寒性一般强于真梅类型[7]，例如：北京小梅、北京玉蝶只能抗-19℃的极端低温，而中山杏梅能抗-25℃的极端低温[8]。段美红等[7]研究了不同品种梅花在低温胁迫下的生理指标差异，结果表明，3 种梅花的抗寒性强弱顺序为丰后＞美人梅＞香雪宫粉。张文娇等[9]研究了低温胁迫下梅花叶片相关生理指标的变化，结果表明，5 个品种的抗寒性具有明显差异，依次为送春＞飞绿萼＞小玉蝶＞淡粉＞东方朱砂，其中飞绿萼与小玉蝶的抗寒性差异不明显。

1.2 高温胁迫伤害与耐热性

我国南方地区夏季近40℃的高温是制约梅花生长发育的主要环境因子。在南亚热带地区，高温是影响梅花观赏期和观赏效果的主要气象因子。因此，耐高温新品种选育是解决如何延长梅花观赏期和整体观赏效果的重要途径之一。

刘德良等[10]研究了夏季高温对梅花酶活性、膜热稳定性和热稳定性蛋白的影响，结果表明，在5—9月夏季高温期间，梅花的叶绿素含量有不同程度下降，丙二醛（MDA）含量呈上升趋势，超氧化物歧化酶（SOD）活性有先下降后上升趋势，过氧化物酶（POD）活性总体呈下降趋势，电导率有先上升后下的降趋势，热稳定蛋白含量总体呈下降趋势；但不同品种有差异，认为桃红宫粉、碗形宫粉抵抗夏季高温的能力较强，其次是美人梅，江南朱砂和台阁朱砂抵抗夏季高温的能力则相对较弱。吕晓倩[11]对梅花杂交幼苗耐热性的研究结果表明，通过电导率结合Logistic 方程测定一年生幼苗半致死温度，并通过聚类分析比较耐热性强弱，可为筛选耐热梅花品种以及梅花抗热育种的早期鉴定提供参考；49 个梅花一年生幼苗叶片的细胞伤害率与高温处理温度间关系呈“S”型曲线，符合Logistic 方程；在香瑞白的实生苗中，有80%以上个体的半致死温度超过50℃，具有较强的耐热性；并筛选出了耐热性强的杂交后代。

1.3 盐胁迫伤害与耐盐性

耕地盐碱化加重会严重影响作物的生长和产量。通过提高作物的耐盐性可以保证作物高产、高效，从而能够解决粮食匮乏的问题[12]。梅花具有较强的耐碱能力，能够在pH 值 8～9 的土壤中正常生长，但随着pH 值增加梅花的一年生枝条长度有降低趋势，在高pH 值土壤条件下梅花的着花量减少，花径有变小的趋势[13]。梅花和山桃种子的发芽率一般随着盐胁迫（NaCl 胁迫）浓度的升高而下降，种子的MDA 含量和脯氨酸含量增加，SOD、POD 活性呈先升高后降低趋势，胁迫浓度越高对种子的伤害越大；但丰后梅的种子耐盐性较山桃种子强[14]。随着NaCl 胁迫浓度的升高，梅花的盐害指数和盐害率均逐渐增大，叶片的长和宽、株高、新梢长度总体都呈下降趋势；与对照相比，胁迫后梅花的相对电导率、游离脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白和SOD、POD 活性总体均呈上升趋势，叶片组织含水量总体呈下降趋势。梅花的幼苗期是栽培的关键时期，同时也是对盐胁迫较为敏感的时期。但香雪宫粉、丰后和美人3 个梅花品种幼苗的耐盐性有差异，其耐盐阈值分别是6.96、6.53、6.09 g/kg，耐盐能力从强到弱依次为香雪宫粉＞丰后＞美人[15]。嫁接对梅花耐盐性具有一定的促进作用，以耐盐性较强的山杏做砧木与丰后梅嫁接后，嫁接苗比其自根苗的耐盐性增强；自根苗和嫁接苗的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、可变荧光、潜在光化学效率、PS Ⅱ有效光化学量子产量和表观光合电子传递效率等光合指标均呈下降趋势，叶片胞间CO2浓度呈上升趋势，且自根苗弱于嫁接苗；在0.6%～0.9%的盐处理下，嫁接苗能显著提高梅花叶片的光合作用[16]。

虽然在梅花的耐寒性、耐热性和耐盐性等方面进行了上述研究，但对揭示其胁迫机制还远远不够。另外，对梅花的其他非生物胁迫因子如干旱、水涝、重金属等的相关研究较少，各种胁迫因子之间的交叉作用也有待进一步深入研究。

2 非生物胁迫下梅花相关基因的挖掘

2.1 耐寒性相关基因

研究梅花的低温响应机制和抗寒分子机理，并在此基础上进行分子育种是快速高效提高梅花抗寒能力的一种手段。在低温条件下，植物中大量的胁迫响应基因和耐受基因会被诱导表达，这些基因产生的特异蛋白能够增强植物对于低温胁迫的耐受性，同时还会调控植物在低温胁迫下的基因表达[17]。彭婷[18]从11 个抗寒性存在差异的梅花品种中克隆了10 个PmCBFa、PmCBFb 和PmCBFc 全长序列，分析结果表明：Prunus 属的CBFs 基因都聚在一个亚组；CBF基因均能响应低温胁迫，但表达丰值与品种抗寒性之间无显著关联性；超表达试验证明PmhCBFc 可能通过增加抗氧化酶相关基因的表达从而增强ROS 的清除能力，从而降低低温诱导下氧化胁迫对细胞膜的伤害。过聪等[19-20]克隆编码“雪梅”的低温转录因子CBF/DREB1 基因，发现PmCBFa 和PmCBFa 基因在梅花基因组DNA 上的串联排布现象；梅花CBF/DREB1 同源蛋白属于CBF/DREB1 转录因子枝的双子叶植物分枝；梅花CBF/DREB1 基因同源基因能被低温、干旱和机械扰动诱导。另外CBF 基因与生长激素如GA3、ABA 相互交叉作用在梅花生长低温胁迫途径与休眠调控之间有非常重要的作用[21]。

ICE1 基因是CBF 反应通路的最上游基因，在常温条件下呈组成型表达，在遭受低温胁迫时进行蛋白修饰，继而触发下游基因的表达，从而提高植物的抗寒性。研究推断ICE1 通过直接调控CBF 的基因表达来调控植物低温响应，ICE1 转录因子直接参与调控低温响应基因CBF 以及部分COR（cold-responsive）基因的表达[22]。曹宁[23]从梅花品种三轮玉蝶中克隆了ICE1 基因，该基因定位于梅花第7 条染色体上，在梅花的各个器官均有不同程度的组成型表达，且该基因受到低温胁迫的诱导。彭婷等[24]从雪梅中分离的WRKY 转录因子基因PmWRKY40 受低温、氧化胁迫诱导，且诱导程度存在差异，推测PmWRKY40 可能在梅花响应低温胁迫过程中起到重要作用。转录因子主要是通过调节下游靶基因的表达来响应各种胁迫。雪梅中锌指蛋白基因PmZAT12 在多种非生物胁迫下表达，能够持续而强烈地响应低温和干旱，而盐和ABA 抑制其表达[25]。转C2H2 型锌指蛋白基因PmBBX32 拟南芥具有更低的相对电导率和ROS 积累量，以及更高的抗氧化酶活性和脯氨酸含量，通过提高抗氧化酶活性和脯氨酸的含量增强植株的抗寒性；同时可上调冷胁迫和SOD 相关基因的表达，提高植株抗寒性[26]。

2.2 耐热性相关基因

小分子热激蛋白（sHSPs）已被证实与植物应激耐受有关，其具有分子伴侣的作用，调节植物体内蛋白表达与传送，增强植物抗逆性。李晓白[27]从雪梅中扩增到小分子热激蛋白基因，有组成型表达和诱导性表达。梅花热休克转录因子（Hsfs）对热休克蛋白（Hsps）的转录激活参与了热耐受的关键调控作用，大部分Hsp 基因在受到热胁迫后表达上调[28]。Wan等[29]从梅花中克隆了一个sHSP 基因PmHSP17.9，序列比对和系统发育分析表明其属于植物胞质类型，盐、干旱、氧化应激和ABA 均可上调PmHSP17.9 基因；高温下转基因拟南芥叶片持续积累低水平的O2-和H2O2，过表达PmHSP17.9 基因可提高幼苗的耐热性和超氧化物酶活性。

2.3 耐盐性相关基因

梅花基因组测序的完成推动了梅花分子生物学的深入开展。Zhang 等[6]构建了首个长度为237 Mb 的梅花基因组图谱，同时发现梅基因组中存在很多PR基因家族，尤其是PR10 家族显著扩张并推测可能与梅花耐盐及抵抗真菌等病菌相关。严松涛[30]鉴定了梅花基因组中的bZIP 家族基因，在高盐、干旱处理下梅花有22 个相关bZIP 基因表达上调，5 个bZIP 基因表达下调，3 个bZIP 基因在高盐和干旱处理下均上调。另外，盐可上调PmHSP17.9[29]基因、脱水素相关基因[31]的表达，并抑制PmZAT12 基因[25]的表达。

虽然已有上述梅花耐寒性、耐热性和耐盐性相关基因的研究报道，初步克隆并获得了相关基因，但其相关耐非生物胁迫的分子机制并不清楚，且无完善的遗传转化体系。

3 展 望

梅花作为中国的传统名花，是中国园林绿化和园林造景中的重要植物，在中国园林应用中有着举足轻重的地位和影响。梅花虽然具有较高的观赏价值，但因其对环境因子的敏感性而限制了梅花向更广泛的地区推广。因此，梅花品种的选育不仅要关注花香、花色和抗病性等性状的改良，还应注重梅花抵抗非生物胁迫能力的改进。针对低温、高温、盐碱、干旱、重金属、水涝等非生物胁迫进行资源挖掘和分子生物学研究，可以开展以下研究工作。

（1）鉴定评价种质资源，挖掘优异基因。收集、保存和鉴定优异种质资源并推广应用是现阶段梅抗性资源研究的重点。从野生种质或现有种质中挖掘与抗逆性状有关的优异基因是今后研究的主要方向。

（2）深入开展耐非生物胁迫机制研究。基因组测序给梅花抗性基因高效挖掘提供了一个发展机遇，也为深入开展耐非生物胁迫机制研究奠定了基础。梅花在生长过程中往往同时受到高温、干旱以及土壤盐碱化、重金属等各种非生物因子的交叉胁迫，应加强梅花应对各种非生物因子胁迫的机理研究。