油茶干旱胁迫响应机制的研究进展

董斌 李荣喜 洪文泓 黄丽英 黄永芳 赖巧晖

（1. 广东农工商职业技术学院，广州 510507；2. 华南农业大学，广州 510642；3. 佛山科技学院，佛山 528231）

油茶（Camellia oleiferaAbel.）是中国特有的木本油料作物。性喜阳，喜温暖，怕寒冷，生长在中国南方亚热带地区的山地及丘陵地带，适应干旱贫瘠的环境［1］。油茶是世界著名的经济林树种，与油橄榄（Olea europaea）、椰子（Cocos nucifera）、油棕（Elaeis guineensis）并称世界“四大木本油料植物”［2］。茶油是最好的食用油之一，具有“东方橄榄油”的美誉，其脂肪酸主要由油酸、亚油酸和少量的饱和脂肪酸组成，含有多种功能性成分［3-4］。茶油中不含胆固醇，对于维持心血管系统功能，提高人体免疫力，预防和治疗高血压等具有显著功效［5］。用茶油烹饪食物颜色鲜美，味香可口，深受大众喜爱。此外，油茶全身是宝，其副产品在工业、农业、医药等方面均具有较大经济价值，可用于生产肥皂、凡士林、润滑油、饲料、有机肥，以及青、链霉素的油剂等，其上下游产业链饱满，极具经济价值［6-7］。此外，油茶还具有水土保持，防火防灾，美化及保护环境的生态功能［8］。

近年来，我国为进一步提高食用油尤其是高端食用油的自给，油茶作为重点发展的油料作物，地位被提升至新高度。在国家优惠政策引导下，众多资源投入油茶产业。截至2017 年底，我国油茶栽培总面积已约达4.5×104万hm2，在湖南、江西、广西、福建、贵州、广东等18 个省均有分布，年产茶籽超90×10 万t，产油近30×10 万t［9］。

油茶虽然被归为耐旱树种，但其主要种植在南方丘陵山地，灌溉难度大。此外，南方季风性气候区域夏季高温少雨，干旱胁迫已经成为制约油茶产业发展的一个主要障碍。

1 油茶对干旱胁迫的响应机理

干旱胁迫是指土壤含水量严重低于植物正常生长的耐受范围，使植物蒸腾失水多于根系吸水，进而对其外部形态及生理生化等造成损害，影响植物的正常生长发育。在干旱胁迫过程中，油茶细胞感知外界干旱信号，通过信号转导，引起响应基因表达，进而产生相应功能蛋白，导致植物形态、生理、生化等指标发生变化。植物对干旱胁迫的响应是从单个基因到整个生物体水平的复杂过程［10-11］。

2 干旱胁迫对油茶形态指标的影响

干旱影响油茶生长，造成植株脱水，根、茎、叶、花、果等形态逐步变化，甚至导致植株死亡。长期持续的非致死干旱胁迫会造成树体老化早衰，形成“小老树”［12］。

曹永庆等［13］的研究发现，油茶受旱害症状包括新叶卷曲变褐、顶梢弯曲枯萎，老叶下垂枯萎，老枝下垂枯萎，叶片脱落，枝条枯萎等，持续的非致死干旱会导致抽穗变短，抽穗时间推迟。袁昌选等［14］的研究发现，油茶幼林在干旱胁迫下的保存率与林龄呈正比例关系。曹林清等［15］对7 年生“长林4 号”油茶的研究发现，干旱胁迫导致成熟叶片变薄变小，栅海比变小，气孔面积、气孔周长、气孔大小、气孔开度减小，主脉厚度增加，这些变化能增强油茶对干旱环境的适应。张规富等［16］发现，低强度干旱胁迫抑制根长与根体积的增加，高强度干旱胁迫显著促进根长与根体积的增加。丁少净等［17］对6 年生长林系列油茶林跟踪研究，发现干旱胁迫导致花径的生长量较自然状况减少21.01%。王瑞辉等［18］的研究发现，干旱会造成油茶果的果径、果高、果形指数和体积等参数降低。

3 干旱胁迫对油茶产量和品质的影响

农谚中流传的“七月干果、八月干油”，是对干旱胁迫影响油茶产量和茶油品质的真实写照。在众多气象因子中，降水油茶含油率的影响最大［19］，充足的降水和水分供给能明显提高茶油的品质［20］。田间持水量控制在80%-90%之间，有利于提高油茶果实产量及产油量［21-22］。陈隆升等［23］从2009-2015 年连续7 年对湖南省25 个不同生长阶段的油茶林进行产量跟踪研究发现，干旱对花芽分化期，花期，以及油脂转化高峰期影响较大，能直接导致减产。刘中新等［24］和卯吉华等［25］的研究表明，高温干旱和土壤水分亏缺会导致花果大量脱落，影响油茶产量。丁少净等［26］的研究显示，干旱导致“长林4 号”6 年生油茶苗的鲜籽产量较自然状况下降45.73%。王小艺等［27］和何汉杏等［28］对油茶林的跟踪研究发现，8 月上中旬-9 月上中旬和9 月下旬-10月上旬两个油脂转化高峰期的供水状况对油茶种子含油率的高低影响显著。张乃燕等［29］发现，充足的年均降雨量能提高茶油中油酸和亚油酸的含量，提高油茶的健康价值和品质。

4 干旱胁迫对油茶生理生化指标的影响

干旱条件下，油茶能通过一系列的生理生化响应来应答干旱胁迫，包括合成渗透调节物质，产生抗旱物质，启动保护酶系统和光合蒸腾作用变化等。

4.1 干旱胁迫对油茶渗透调节的影响

植物通过降低细胞含水量，减少细胞体积，以及增加细胞液溶质这3 种方式实现渗透调节。通过渗透调节，植物能维持细胞结构在胁迫环境中的稳定，维持含水量，保持气孔开放，使光合作用继续进行，这些调节作用对植物的正常生长发育起着重要作用。张诚诚等［30］和刁兆龙等［31］分别对“凤阳1 号”和“闽43 号”一年生油茶苗的水分胁迫试验中发现，干旱胁迫导致油茶叶片游离脯氨酸、可溶性糖的含量大幅增加，从而提高其渗透调节能力以应对干旱胁迫，提高了油茶的抗旱能力［30-31］。

4.2 干旱胁迫对油茶保护酶系统的影响

干旱胁迫会引起植物形成过量的活性氧（ROS）及其衍生物，对其正常生长造成严重损伤和危害。植株体内的ROS 能被过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽转硫酶（GST）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）以及谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等酶类清除，使植物抵御胁迫条件［32］。董斌等［33］和邓艳等［34］的研究均显示，干旱胁迫导致油茶苗叶片的POD、SOD、CAT 活性上升，产生抗逆反应以抵御干旱胁迫。但随着胁迫的持续和加剧，上述酶类的活性会逐步下降甚至接近失活［35］。丙二醛（MDA）是由膜脂过氧化反应而产生的一种有害物质，可以用于判断植物遭受干旱胁迫的伤害程度。黄钰等［36］的研究发现，随着干旱胁迫的持续和加重，油茶体内MDA 含量不断上升，增幅随胁迫强度的加大而增大。

4.3 干旱胁迫对油茶内源激素的影响

油茶能通过调节内源激素间的平衡以适应干旱胁迫。在干旱胁迫下，油茶体内的生长素（IAA）、赤霉素（GA）及细胞分裂素（CTK）等几类生长发育类激素会下降，而脱落酸（ABA）、乙烯（ETH）、水杨酸（SA）及茉莉酸（JA）等几类生长发育抑制类激素会升高，使其进入生长停滞或半停滞状态以抵御干旱胁迫。抗旱性强的植物品种其内源激素改变幅度较大［37］。陈博雯等［38］和丁少净等［39］的研究显示，在干旱胁迫下，“岑软3 号”幼苗和“长林4 号”6 年生植株叶片中的ABA 含量升高，而玉米核苷（ZR）、GA，IAA 含量下降。而曹林青［40］提出在低浓度下“长林4 号”7 年生油茶根部IAA 含量增高，这有利于根系增长以保持合理的水分平衡，减轻胁迫对植株造成的伤害。

4.4 干旱胁迫下对油茶光合参数的影响

干旱导致植物光合作用快速下降，以抵御或适应胁迫环境，光合指标是判断植物遭受干旱胁迫和评价其抗旱性强弱的重要依据。何小三等［41］、黄拯等［42］和罗梓琼等［43］的研究均显示，干旱胁迫能导致油茶叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）下降，同样的变化趋势在山茶科植物中被验证［44］。轻度或中度干旱导致油茶的水分利用率（WUE）上升，而重度干旱则引起WUE下降［45］。干旱胁迫引起Pn降低的因素主要有气孔限制和非气孔限制两大类，胞间CO2浓度（Ci）是一个关键的判断指标。董斌等［46］针对产自广西的4 个油茶品种进行干旱胁迫实验，在低、中、高3 种强度胁迫下，Ci出现先降后升的变化趋势，表明在胁迫前期，Pn下降主要是由气孔因素引起的；后期随着胁迫的持续出现Ci升高，光合系统受到损伤，逐步转变成非气孔因素引起的Pn下降。

4.5 干旱胁迫对油茶叶绿素荧光参数的影响

干旱胁迫导致植物叶绿素含量的降低，进而影响光合作用。叶绿素荧光动力学主要关注光合系统中的PS Ⅱ系统，叶绿素荧光参数能反映叶片光合作用过程中光系统对外部光能的收集吸收，光能电子传递，光能利用耗散以及光能传递分配等情况。针对油茶开展叶绿素荧光动力学的研究偶有见报，如刁兆龙［47］的研究发现，干旱胁迫导致油茶光化学量子效率（ΦPS Ⅱ）和表观光电子传递效率（ETR）快速升高，减缓了非光化学淬灭（NPQ）和初始荧光（Fo）上升的速度，也降低了表观光电子传递效率（Fv/Fm）、非光化学粹灭系数（qP）和最大荧光（Fm）的下降速度。此外，干旱胁迫也导致金花茶叶绿素荧光参数出现了类似的变化，导致了PS Ⅱ系统结构与功能受到损伤与破坏，出现Fo升高，而Fm、Fv/Fm以及ΦPS Ⅱ则下降［48］。

5 油茶干旱胁迫分子生物学研究

在分子水平研究油茶干旱胁迫的文章近年偶有见报，多是结合最新测序技术和组学技术开展的研究。Yang 等［49］分别对“湘林4 号”干旱胁迫和复水处理的油茶叶片进行转录组测序分析，成功注释了35259 个unigenes，并对4 个转录组数据进行了COG 和KEGG 聚类。Dong 等［50］对“岑软3 号”和“桂无4 号”抗旱能力差异显著的2 个品种进行持续干旱胁迫实验，成功构建了8 个转录组数据，注释了52531 个unigenes，包括一系列和ABA 合成，POD，SOD 和CAT 等保护酶合成，维生素B6 途径，渗透调节物质，转录因子等关键功能基因。该类研究借助高通量测序技术，实现在转录组水平对功能基因的快速、大量挖掘，为后续开展抗性育种提供了丰富的基因材料。但整体而言，在分子水平开展油茶干旱胁迫的研究仍处于启步阶段，相对于其它经济作物或模式植物仍存在较大差距。

6 存在的问题和展望

虽然针对油茶开展干旱胁迫，了解其响应机制和抗旱机理的研究已有一定研究成果和突破，但大部分成果集中在形态指标和生理指标层面，仅能从宏观层面初步了解和判断油茶遭受干旱胁迫的变化及品种间的抗旱能力差异，研究深度有待提高。许多先进、高效、直接的分子生物学技术和手段未有应用，未能从微观层面对其响应机制和抗旱机理进行充分解释，功能基因未能有效筛选及精确定位。这种研究现状严重制约了油茶育种，延长了育种周期和降低了育种效率。

近年来，随着油茶cDNA［51］、EST 文库［52］、转录组［53-54］、mi-RNA［55］、叶绿体基因组［56］及代谢组［57］等基因数据库的逐步构建和充实，可以预见在不久的将来，油茶全基因组测序必将完成和公布，更多的核酸序列数据库资源将被进一步丰富和公共化。随着功能基因组学和基因工程研究的快速发展，结合最新的转录组、蛋白组和代谢组等组学技术，开展组学数据与形态指标、产量品质、生理指标等性状的综合研究，必将有一系列重要的抗旱调控基因（转录因子、信号因子），抗旱功能基因（渗透调节基因、抗氧化代谢基因、逆境诱导蛋白基因等）和干旱胁迫响应机制被进一步挖掘和考证［58］。此外，结合多组学技术开展综合研究将进一步精确挖掘和鉴定抗旱功能基因［59-60］，使抗旱功能基因被更多标记和克隆［61-62］。利用功能基因针对性地开展抗性育种，逐步将科研成果转化为实际生产力，是促进油茶产业健康快速发展的高效途径。