绿豆对非生物逆境胁迫的生理生长应答机制响应研究进展

李 平，蔺桂芬，谢淑芹

（邯郸市农业科学院，河北省作物杂种优势研究与利用重点实验室，邯郸市种质资源创新与分子辅助育种重点实验室，河北邯郸 056001）

绿豆是我国重要的杂粮作物，已被政府列入中国农业行业科技专项和现代产业技术体系，这为绿豆产业发展壮大提供了重要支撑[1]。绿豆耐干旱、贫瘠，适应环境能力强，蛋白质含量高,富含矿质元素、维生素等活性物质，具有解毒、抗菌、降血脂、预防癌症等功效，医食两用。近年来，随着人们越来越重视膳食营养结构均衡化，种植业结构也相应发生了变化，绿豆需求量大于供给量，价格也逐年上升，越来越多的农民倾向于选择种植绿豆[2]。

非生物胁迫是指因外界环境的改变致使植物体内生理生化状态发生变化，常见的非生物胁迫种类有：水分胁迫、盐碱胁迫、温度胁迫、重金属胁迫[3]。这些非生物逆境胁迫都会对作物的生长发育及其代谢产生严重影响。绿豆在其生长发育过程中面临着多种非生物逆境胁迫，极易出现生长滞缓、品质以及产量降低，严重时会导致植株死亡。国内外众多专家学者已经对绿豆在逆境胁迫下生长状态、细胞水平、活性氧化代谢等生理方面进行了相关研究，但是多仅见于绿豆苗期，而绿豆全生育期对非生物胁迫响应方面的研究相对较少，尤其在分子层面上探究和标记抗逆性基因对非生物胁迫的应答机制鲜见报道。

笔者针对非生物胁迫下绿豆的生理生长应答机制进行综述，通过分析当前研究工作中存在的不足，提出未来应当加强的研究方向，力求探明绿豆对非生物胁迫的内部生理调控机制，旨在为绿豆抗逆性研究提供更深层次的研究思路。

1 模拟外界非生物胁迫环境条件对绿豆生理特性的影响

据统计，我国每年由于气象灾害造成受灾的农田面积高达0.5 亿hm2以上，最严重时会造成粮食减产18%以上[4]。绿豆对外界环境变化比较敏感，一方面气候环境的极端变化会带来气象灾害，最频发的气象灾害主要有干旱、洪涝、极端高温或低温等；另一方面，工业“三废”、生活污水、城市生活垃圾的不合理排放以及农药和化肥的不合理施用都会造成农业土壤和农业灌溉水污染，尤其是重金属污染会导致有害离子直接附着在绿豆体内，高浓度重金属污染造成作物生长发育缓慢甚至停滞[5-6]。毫无疑问，外界气候和土壤环境的极端变化对绿豆的生长发育及其代谢过程产生的不利影响要远远大于有利影响，因此，模拟极端外界气候和土壤环境变化，探究绿豆在非生物逆境胁迫下的生长发育状况、物质代谢过程以及其应对或适应非生物逆境胁迫的生理变化，对揭开绿豆抗逆生理机制起着非常重要的作用。

国内外专家研究绿豆对外界非生物逆境胁迫下的生理响应机制主要集中在以下5 个方面：一是植株生长形态的变化；二是绿豆体内细胞结构和形态的改变；三是体内抗氧化系统的改变；四是光合和呼吸作用的变化；五是脯氨酸和可溶性物质的积累变化。

1.1 水分胁迫

在非生物逆境胁迫中，水分胁迫是影响植物生长的重要限制因素，直接影响着农作物的生长、发育和产量[7]。水分胁迫分为2 种，一种为干旱胁迫，另一种为淹水胁迫，通常采用控水灌溉量方式和PEG-6000 模拟2 种方式来研究水分胁迫对绿豆生长发育的影响。有研究发现，绿豆胚根长度、发芽率、发芽势、株高、叶绿素含量、根冠比等多个生长指标对干旱胁迫反应敏感，随胁迫程度加剧绿豆发芽势等生长指标呈显著下降趋势[8-12]。王富刚等[12]研究发现，20%的PEG-6000 浓度胁迫处理对绿豆种子萌发期发芽率、发芽势、胚根长等均存在极显著抑制效应；但是段义忠等[9]研究发现，15%PEG-6000模拟干旱胁迫，绿豆发芽率、发芽势、胚芽长、胚根长、发芽指数和活力指数等指标均呈极显著下降。这些指标出现极显著差异时，PEG-6000 处理浓度不同，可能与作物品种抗旱性水平相关。申慧芳等[2]研究也发现，在不同程度水分胁迫下不同绿豆品种抗旱性存在差异，抗旱性强的绿豆突变体叶绿素含量减小幅度小。

脯氨酸作为植物细胞质内渗透调节物质，在逆境非生物胁迫条件下积累的脯氨酸含量能够在一定程度上反映植株体内的水分状况，可以作为判断植株缺水与否的重要衡量指标。刘世鹏等[13-14]研究发现，大明绿豆幼苗在水分胁迫下可以通过增加渗透调节物质含量，降低水势，提高其抗旱能力。尹智超等[15]研究结果表明，绿豆苗期体内SOD 活性、MDA含量、可溶性糖含量对干旱胁迫处理反应无响应，PEG-6000 胁迫处理与对照相比变化无规律，且各处理之间也无明显变化。而王富刚等[12]研究发现，15% PEG-6000 处理时各品种绿豆种子的SOD、POD、CAT 活性都显著上升甚至达到最高水平；当PEG-6000 浓度上升到20%时，各处理的SOD 活性显著下降，并且不同品种之间存在差异，榆绿1 号反应最为敏感。绿豆苗期氧化系统酶活性和可溶性糖含量对水分胁迫的响应变化以及其敏感性等存在一定分歧，需进一步进行深入研究。此外，关于干旱条件下绿豆开花期、结荚期生理酶活性变化以及对光合速率等光合系统和呼吸系统的研究相对较少。

在小麦、棉花、大豆、玉米等大田主要作物上已大量开展了淹水胁迫对作物影响的研究，而在绿豆等杂粮作物方面研究报道相对较少。张克清等[16]通过研究不同生长时期淹水对绿豆生长生理以及根系解剖结构的影响发现，与对照相比，淹水条件下绿豆叶绿素含量、茎叶生长强度和根系活力呈现显著下降态势，早期淹水诱导下胚轴部分细胞解体形成通气组织，根系孔隙度增加，后期淹水则不会形成通气组织，根系孔隙度增加不明显。试验结果表明，后期淹水对其生长伤害较大。于奇等[17]研究结果表明，在不同生育时期淹水胁迫下，绿豆在始花期和始粒期进行淹水胁迫会加剧绿豆SPAD值下降，MDA 含量增加，导致细胞膜质过氧化程度加深。

绿豆在水分胁迫下光合、荧光特性参数方面的研究鲜见报道。不同学者对生育期内氧化系统酶的活性、可溶性糖敏感变化研究结果存在分歧；同时，绿豆品种根、茎、叶在干旱胁迫下的形态解剖结构研究较少，全生育期的综合抗旱性生理变化尚需深入研究。

1.2 盐碱胁迫

土壤盐碱化会引起植物渗透胁迫并影响作物正常生长。由于全球气候的变异以及人类活动的逐渐加剧，土壤盐渍化问题已经日趋严重，作物抗盐性研究已成为热点。高盐会导致作物叶片气孔关闭，光合速率降低[18-19]。范美华等[20]研究表明，绿豆在100、300、500 mmol/L NaCl 胁迫处理下种子的发芽率分别比对照显著降低6.59%、17.01%、32.9%，且处理间均出现显著差异。吴楚等[21]研究发现，盐碱胁迫会使叶绿素酶活性增强，叶绿素合成受到抑制，最终导致叶绿素发生降解。在水杨酸（SA）浸种对照条件下，绿豆幼苗各处理的脯氨酸含量随盐浓度的升高而增加，绿豆种子发芽率则随NaCl 处理浓度的上升而下降。范美华等[20]和陈淑芳[22]的研究结果均表明，不同程度的NaCl 胁迫均显著抑制了绿豆种子的萌发。研究表明，盐胁迫处理抑制绿豆幼苗根系和芽的生长，导致植株矮小，根系变短，幼苗叶片的叶绿素含量降低，MDA 与Pro 含量水平显著上升，细胞膜的透性增加，从而对绿豆造成一定程度的氧化伤害[23-25]。

1.3 温度胁迫

张静[26]研究发现，绿豆种子最适萌发温度为15～25 ℃，幼苗在25 ℃左右生长发育正常，低于20 ℃或高于35 ℃对绿豆花芽分化不利，绿豆生育后期对温度反应敏感，温度达到35 ℃左右时会导致提早成熟，低于20 ℃时抑制开花结荚，影响产量。陈旭微等[27-28]采用透射电子显微镜观察10 ℃低温处理2 d 的绿豆下胚轴细胞超微结构发现，细胞受到不同程度的伤害，并且绝大多数细胞损伤是可逆的而非致死性的。田学军等[29]研究结果表明，高温胁迫抑制绿豆下胚轴的生长发育，绿豆体内脯氨酸和可溶性糖含量随着胁迫温度升高而增加，抗坏血酸则随着温度升高而降低。这可能导致绿豆清除自由基的能力下降，加剧绿豆的氧化损伤，降低绿豆抵御高温胁迫诱导的氧化损伤能力，最终影响绿豆正常生长发育。温度胁迫对绿豆光合作用以及活性氧化酶系统等方面的生理指标的影响研究比较少。

1.4 重金属胁迫

种子发芽以及幼苗生长是检测土壤环境污染的重要指标[30]。重金属通过抑制作物细胞分裂和伸长，激发或抑制酶活性，影响蛋白质合成，降低光合作用和呼吸作用，伤害细胞膜系统，引起膜质过氧化，导致细胞膜损伤[30-32]，进而影响作物生长和发育。曹勇等[33]研究发现，10 mg/L 铅处理后的第4 天和第8 天，绿豆幼苗生长受到抑制，叶片SPAD 值降低，可溶性蛋白质含量呈现先增加后显著下降的变化趋势，丙二醛和脯氨酸含量增加。重金属胁迫处理下，绿豆SOD、POD 等抗氧化酶活性提高，有些酶可以与金属结合诱导产生结合蛋白，降低重金属毒性[34-35]，蛋白质的增加还能够提高细胞渗透浓度以及功能蛋白的数量，维持细胞的正常代谢活动[36]。郝曦煜等[37]研究发现，以50 mmol/L 的CuSO4、MgSO4、FeSO4溶液在播种期进行浸种处理，在分枝期、开花期和成熟期分别进行喷施处理均能起到增加叶绿素含量、MDA 含量，提高SOD、POD 活性的作用。Cu2+、Pb2+和Cr6+适量浓度胁迫对绿豆种子发芽也有促进作用。重金属胁迫对绿豆幼苗生长的毒性大于对种子发芽的毒性。高浓度胁迫下绿豆根部发育受阻，甚至畸形。这与一些学者的研究结果相一致[38-43]。

2 外源激素调控对绿豆抗逆性的影响

外源激素能有效提高作物抗逆能力，减轻作物受害程度，促进作物生长发育。IQBAL 等[44]研究认为，绿豆在非生物胁迫下引起豆荚非同步成熟，植株倒伏、结荚率低以及炸荚而造成绿豆产量降低，而外源激素是一种有效措施，可以提高绿豆的抗逆能力，从而提高绿豆产量。范美华等[20]研究发现，适当浓度的水杨酸（SA）浸种能有效缓解盐碱胁迫对绿豆幼苗的伤害，提高其耐盐性。在相同浓度的NaCl 胁迫处理下，绿豆的芽长、根长、叶绿素含量和脯氨酸含量均随着SA 浸种浓度的增加而呈现先上升后下降的趋势。研究结果表明，适宜浓度的SA 能有效提高作物的耐盐性。王红星等[45]研究结果也表明，100 mg/L 的SA 能有效诱导绿豆体内抗氧化酶的生成，增强抗氧化系统酶代谢活性，降低绿豆体内毒素的积累，减轻非生物胁迫对绿豆的毒害作用。左官强等[46]通过在三节期喷施植物生长调节剂CGR3-1，发现其能显著提高绿丰2 号绿豆在始花期叶片蔗糖和淀粉含量，并且对籽粒中脂肪含量有调节作用。张伟等[47]研究发现，在绿豆结荚时期叶面喷施30 mg/L 烯效唑（S3307），能显著提高叶片光合速率和水分利用效率，增加SOD 等抗氧化系统酶活性，绿豆百粒质量、单株粒质量也显著增高。刘洋等[48-49]研究表明，鼓粒期喷施烯效唑可提高绿豆植株光合速率以及糖分积累，有效提高绿豆叶片保护性酶活性。外源激素如赤霉素、矮壮素等改变和提高作物抗逆性的相关研究也有报道[50-52]。于奇等[17]喷施烯效唑（S3307）减轻了淹水胁迫下绿豆叶片细胞膜质过氧化作用，提高了始花期和始粒期淹水胁迫下绿豆的叶绿素含量、光合性能以及单株产量。因此，可以根据绿豆不同逆境胁迫因素、不同发育时期等选择适合的外源激素进行相应处理[53-54]，缓解逆境胁迫对绿豆生长发育的影响，提高其产量。

3 物理辐射胁迫对绿豆抗逆性的影响

3.1 磁场强度

磁场胁迫是影响植物生长的一个重要因素。有研究表明，植物种子经过一定强度的磁场处理后，其幼苗生长发育代谢过程也会受到明显影响[55-57]。王红梅[58]研究发现，当磁感应强度为0.6 T 时，绿豆种子的发光强度以及POD 活性达到最高值，但随着磁感应强度提高，种子的发光强度和POD 活性均下降。这表明外界磁场影响作物对光能的吸收与利用，磁感应强度增加甚至引起发光抑制。

3.2 UV-B 辐射

臭氧浓度降低导致越来越多UV-B 辐射直达地表，学者已经开始研究增多的UV-B 辐射对作物的影响[59]。UV-B 辐射对作物的影响与作物体内核酸和蛋白质吸收UV-B 多少有关[60]。贺军民等[61-62]研究发现，0.35 W/m2的UV-B 辐射下绿豆幼苗净光合速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度和Rubisco 含量均明显降低。杨美红等[63]研究表明，在3 000×g、4 h 超重力处理下绿豆体内游离脯氨酸含量显著提高，MDA 含量降低，SOD 活性增强，这提高了绿豆幼苗的抗盐性，但随超重力处理加大，绿豆发芽率和发芽指数呈现下降趋势，游离脯氨酸含量以及SOD 活性降低，绿豆生长受到抑制。

4 抗逆基因调控

近年来，国内外学者利用多种类型的分子标记方法（RFLP、RAPD、AFLP、SNP、SSR 等）构建了大概20 张绿豆遗传图谱，我国众多专家学者在学习、借鉴国外绿豆研究进展的同时也开展了绿豆遗传连锁图谱的构建工作。赵丹等[64-65]、吴传书等[66]、WANG 等[67]、NAIR 等[68]构建了多张具有遗传连锁群的绿豆遗传图谱，但尚未发布绿豆全染色体连锁群的图谱。刘震旦等[69]根据已构建的遗传图谱开展了对绿豆重要功能基因的定位和克隆以及数量性状位点定位等研究工作。在绿豆的育种、分子遗传研究以及基于绿豆遗传连锁图的绿豆抗豆象研究等方面取得了重要进展[69]。KHAN[70]指出，单一指标对作物抗逆性鉴定具有片面性，并且不同的作物适应逆境的方式也大不相同，应利用多个指标进行综合评价。叶卫军[71]研究发现，绿豆抗旱性、耐盐性、抗虫性等大多数抗逆性重要的性状都表现为数量性状遗传，受多基因控制，遗传基础十分复杂并且较易受环境影响，相关位点的鉴定和克隆也比较困难。但是，大量已知序列信息将有助于SSR、SNP 等标记的开发，能够为开展构建高密度连锁图谱和定位基因等研究工作提供有力帮助，并且选育和利用抗性品种是降低非生物逆境胁迫最经济、安全、有效的措施，这就愈发凸显发掘和鉴定抗性资源和抗性基因的重要性。

5 结论

绿豆在生长发育过程中，随时会面临干旱、寒冷、高温、盐碱、重金属污染等多种非生物逆境胁迫，众多学者已对其在非生物胁迫下的生理响应机制进行了大量研究，例如：生长指标发芽率、株高、茎粗、叶面积以及氧化系统和渗透系统酶类物质活性指标。但是这些研究多仅限于绿豆苗期，全生育期的相关研究较少，今后应继续深入研究苗期、花荚期和成熟期等多个不同生育期各项生理生长指标以及产量指标对非生物逆境胁迫的综合响应。同时，研究绿豆在非生物逆境胁迫条件下的分子调控网络，挖掘绿豆逆境相关基因以及逆境信号转导的分子机制，以期筛选得到具有特定抗性基因标记的绿豆植株个体，例如：耐寒绿豆、抗旱绿豆等，为绿豆抗逆分子育种及扩大其种植区域提供理论基础和科学依据。