干旱胁迫对植物的影响及植物的响应机制

2022-02-09马福林马玉花

宁夏大学学报（自然科学版） 2022年4期

关键词：抗旱性脯氨酸抗旱

马福林, 马玉花

(青海大学农牧学院农林系,青海西宁 810016)

1 干旱对植物的影响

1.1 干旱胁迫对植物生长发育的影响

水不仅是植物的重要组成成分,同时也是细胞内的重要溶剂和植物细胞分裂生长的重要物质基础,外部水分状况直接影响植物的正常生长[1].

种子萌发是植物生长发育的必要阶段,它受多方面因素影响,但水分是关键因素.有关种子萌发阶段的干旱胁迫研究发现,随着干旱胁迫梯度的增加,种子萌发的指标,如发芽率、发芽指数和活力指数均呈下降趋势,且不同植物均表现出种子萌发被抑制的现象,重度水分胁迫完全抑制种子的萌发[2-3].

处于生长阶段的植物,干旱会影响其体内的水平衡,干扰其正常生长,改变其生理和形态的特征,从而导致其萎谢、死亡[2].研究发现[4],干旱胁迫下植物的叶面积呈现降低的趋势,从而影响植物的光合和蒸腾作用,进而影响植物的生长发育.同时,植物的茎蔓长度也明显受到干旱胁迫的抑制.

除了对植物的生长发育有直接的影响外,干旱胁迫影响植物根际土壤的小环境,从而影响土壤元素、土壤酶、土壤养分、土壤结构及微生物群落等[5].研究发现[6],过多的土壤水分会降低土壤酶的活性,适量的土壤水分有利于土壤酶发挥最大的活性.干旱胁迫下，根际土壤酶中蔗糖酶、蛋白酶、纤维素酶和过氧化氢酶的活性有所提高[7].干旱胁迫使土壤养分含量发生变化,如在干旱胁迫下,甘蔗土壤中总氮的含量上升,而速效磷和有机质的含量则下降[8].

在自然规律下,适当的胁迫有助于植物的生长发育.研究发现[3],低强度的干旱胁迫可促进植物的根系发育,从而提高其根系总长、总面积以及总体积等.对苜蓿的研究发现,在一定程度干旱胁迫下,抗旱性强的苜蓿较抗性弱的苜蓿根系总长度、总表面积、平均直径、根体积、根尖数等均显著增加;在严重干旱后期,各指标开始下降，但在抗旱性弱的苜蓿中,上述指标呈现持续降低的趋势[9].

综上可知,干旱胁迫影响植物的根、茎和叶生长,甚至根际的土壤环境.

1.2 干旱胁迫对植物中有害物质积累的影响

植物在生长发育的历程中,生物胁迫和非生物胁迫均改变植物的生理生化平衡.正常植物内，自由基的产生与清除处于一个动态平衡,但在干旱胁迫下,植物本身的防御及清除系统反应不及时、不彻底,导致植物体内产生有害物质,使膜脂质过氧化产物丙二醛(MDA)的含量增多[10].而且,随着干旱胁迫强度的增加,MDA含量出现动态变化的趋势,含量峰值出现的越早,说明植物的抗旱性越弱[11-12],如在干旱胁迫下,小檗、中国沙棘等抗旱植物体中MDA含量均呈上升的趋势[13].

活性氧(ROS)是植物在代谢过程中产生的自由基,通常是含氧自由基和极易形成自由基的过氧化物的总称,包括超氧自由基(·O2-).过氧化氢(H2O2)和羟基自由基(·OH)等[14].ROS含量积累达到一定量会导致细胞死亡,进而造成植物枯死[15].研究发现[16],随着干旱胁迫时间的持续和强度的增强,植物体内超氧自由基和过氧化氢的含量呈上升趋势,并且抗旱性强的植株体中ROS含量的增加速率低于抗旱性弱的植株.干旱胁迫促进细胞内超氧阴离子和过氧化氢的累积,一定含量的这些自由基对植物生长有利,但是过多的活性氧自由基会毒害植物,破坏植物的光合系统和细胞膜稳定性,从而使植物的生长受到抑制[17].

干旱胁迫下，植株体内会积累各种有害物质,破坏植株体内物质的正常动态平衡,从而毒害植株.

1.3 干旱胁迫对植物中叶绿素含量的影响

植物的大部分能量是通过光合作用产生的,叶绿素是植物进行光合作用的一种绿色色素,主要分布在植物的叶片等组织中.干旱胁迫影响叶片的生长，导致叶片气孔关闭，使叶片中叶绿素的含量降低，破坏光系统,从而影响植物的光合效率[18].

对地果幼苗的研究显示[4],随着干旱胁迫的加剧,地果幼苗中叶绿素含量呈逐渐下降的趋势,且在重度胁迫时的下降速率大于轻度和中度胁迫下的,说明植物受干旱胁迫下产生的MDA、活性氧等有害物质和失水的影响,加剧了叶绿素含量的下降速率.对干旱胁迫下抗旱品种济薯21号和不抗旱品种济紫薯1号的研究表明[19],抗旱品种的叶面积系数、叶绿素含量等均低于不抗旱品种的,说明这些指标受干旱的影响,且可反映植物对干旱胁迫的适应性.对4种地被植物的研究表明[20],干旱胁迫下抗旱性强的植物中叶绿素含量降幅较小.在水分胁迫及复水条件下,对细竹篙草、牛轭草、假紫万年青及铺地锦竹草的生理生化研究表明[21],在胁迫初期,叶片缺水导致叶绿素含量聚集,4种植物中叶绿素的含量呈现上升的趋势,随着干旱的持续,叶绿素的合成被抑制,叶绿素的含量降低.

干旱胁迫影响植物中叶绿素含量的多少,从而进一步抑制植物的能量供应及生长,轻则导致植株矮小,重则枯死.

1.4 干旱胁迫下植物渗透调节物质及抗氧化酶

在干旱胁迫下,植物体内发生复杂的生理生化变化,这可能也是植物具有耐旱性的原因.笔者仅讨论在干旱胁迫下植物内部的生理生化改变,不做规律方面的探讨.随着干旱胁迫的加剧,植物体内普遍表现出叶片中相对含水量(RWC)、丙二醛(MDA)、渗透调节物质(脯氨酸(Pro)、可溶性糖(Ss)和可溶性蛋白(SPC等)及抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT))等的活性改变.

沙棘、山杏和油松在土壤干旱胁迫下的生理生化研究表明[22],随着干旱胁迫的加剧,3种树种中Pro和Ss的含量逐渐增加;POD和SOD的活性呈现先升高后降低的趋势.以4种茶菊幼苗为材料,发现当干旱胁迫加剧时,植物体中的MDA,Pro,SPC，Ss,MDA含量上升[23-26]，SOD,POD及CAT等的活性先上升后下降[26-28].

在干旱胁迫下,植物体内发生的一系列生理生化改变,是植物耐旱性提高的部分原因.

2 植物应对干旱胁迫的响应机制

2.1 植物耐受性的根际微生物

植物根系是植物的主要营养器官,植物所需的营养物质主要依靠根的吸收和转化.与植物根系密切接触的土壤微生物与植物的生长和抗逆性有一定的关系[29].微生物是土壤的组成部分,可反映土壤的水肥及与作物的关系[30],它有分解的作用,能促进物质的循环,起到肥沃土壤的作用[31].影响土壤中微生物的因素主要有土壤水分、pH值、温度等[32].研究表明[33-34],植物在遭受一定的干旱胁迫时,有益微生物与植物根际建立一定的关系,一同应对干旱危害.

土壤中细菌占70%～90%,对土壤养分较敏感[35].真菌也是土壤中不可缺少的成分,在农业生产中,它可以减轻病虫害等,如拟青霉属是植物根系寄生线虫的重要天敌,是一种生物防治类真菌[36].对种植棉花和不种植棉花土壤中的微生物进行研究，发现在干旱和正常条件下,种植棉花土壤中微生物种群较丰富,如在干旱胁迫下，棉花根际土壤中曲霉属和青霉属的含量较高.这些菌属可促进植物体中ABA,Pro的合成，增强抗氧化酶的活性,从而提高植物的干旱耐受性,有助于植物应对非生物胁迫[37].对朱槿根际微生物的研究表明,在重度干旱胁迫下,土壤中微生物的多样性差异显著,细菌中厌氧绳菌属的丰富度提高,且发现岩石环境中的菌属,如酸微菌属,它可氧化金属硫化物;粪壳菌属、拟青霉属、枝孢霉属真菌在重度胁迫下的相对含量较高;格孢腔菌属真菌在对照组中的相对含量最高[38].此外,一定程度的干旱条件能改变植物根际微生物在数量和结构上的变化,甚至超过根际微生物阈值并降低其多样性[5].

植物根际促生菌(PGPR)是一种与植物根系经过多年的自然选择而形成的联合体,即植物从真菌得到植物所需要的营养物质及微量元素,真菌也从植物根系吸取自身生长发育所需要的营养,这就使植物可抵抗各种胁迫,提高其防御性.丛枝菌根真菌(AM)通过影响植物体内的内源激素、挥发性化合物、渗透物的积累和根部形态等提高植物对干旱的抗性[39].植物在遭受干旱胁迫时,根际促生菌能使植物产生大量的脱落酸(ABA)、渗透调节物质，从而增强植物的耐旱能力[40].

植物根际微生物与植物共同进化,这与植物的生长、发育和抗逆性有一定的关联.因而,通过发掘土壤中有益微生物提高植物的适逆性，是植物抗旱研究的新方向.

2.2 植物激素对植物抗旱的作用

植物激素，如脱落酸(ABA)、生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)、乙烯(ETH)和赤霉素(GA)等广泛存在于植物体内,不仅调控植物的生长发育,同时也参与植物应对生物和非生物胁迫[41].干旱胁迫使植物体内的激素含量发生变化.研究表明[42],随着干旱胁迫程度的增加,抑制细胞生长、分裂的ABA,ETH的含量增加,而促进细胞生长的 CTK,IAA 及 GA 的含量呈现下降趋势.作物的抗旱能力与上述激素的含量呈正相关关系.

对桃、苹果[43]、小麦[44]、高粱[45]等的研究发现,干旱胁迫导致植物体内ABA含量上升,从而促进叶片气孔关闭,增加植物体内Pro的含量,增强植物的抗旱性[46].叶片中ABA含量远远高于根系,表明ABA主要作用于植物叶片.由此可见,ABA的合成与植物抗旱性强弱密切相关,抗旱性强的植物合成的ABA量高.

GA主要参与植株的生长发育、种子的萌发,能快速打破器官休眠等过程.研究发现[47],在干旱胁迫下,部分植物体中GA含量上升,抑制了IAA的生成,使植物体内积累IAA,从而增强植物的干旱抗性.对于部分植物,抗旱性强的植物体中GA含量下降幅度显著高于抗旱性弱的[48].可见干旱对GA含量的影响并不一致.

IAA是一种植物激素,其功能主要是促进植物茎、根的生长,抑制侧芽的生长,分布于植物的各个部位.IAA在植物体中的含量变化并没有一定的规律,如在干旱胁迫下,柽柳中IAA含量显著高于对照中的,但在红皮云杉和降香黄檀中，IAA的含量随着干旱的加重而逐渐降低[49].

植物的耐旱性与两种及以上的内源激素的含量有一定的关系,且通过激活基因和调控细胞的通透性以及调节叶片气孔的运动应对干旱.

2.3 抗氧化保护性物质对植物抗旱的作用

干旱胁迫使植物体内产生大量的活性氧,当活性氧的含量超过植物自身清除活性氧的能力时,需清除多余的活性氧,以维持自身的平衡.植物体内活性氧清除系统包括酶系统和非酶系统[50]：酶系统有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶 (CAT)等；非酶系统有抗坏血酸过氧化物酶(AsA-POD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和维生素等[51].

研究表明,在干旱胁迫下,地果幼苗[4]、燕麦[52]、玉米[53]及马铃薯[54]等植株体内CAT,SOD,POD的活性，随着干旱胁迫的加剧均高于对照中的.由此可见,植物体内主要抗氧化酶的活性随着干旱胁迫的加剧呈显著增加的趋势.

受到干旱胁迫后，植物体内抗氧化酶的活性并不都处于持续上升的过程.随着干旱胁迫的加剧,植物体内抗氧化酶的活性变化是动态的：在受到胁迫初期，呈现上升的趋势,随着胁迫的加剧,又处于下降的趋势.如随着胁迫程度的加剧,葛藤[55]体内CAT的活性呈上升趋势,但是紫苏[56]、中国沙棘[57]、铁皮石斛叶片[58]、百合花[59]及水稻[60]中SOD,POD,CAT,APX和GR等的活性均呈先上升后降低的趋势.研究发现[61],在干旱胁迫下,CAT,SOD,POD存在协调性,在轻度和中度胁迫下起主要作用的是POD,SOD,而在重度胁迫时CAT起主要作用,从而发挥降低膜的通透性、维持膜的结构等作用.可见,植物在受到干旱胁迫时,不是依靠单一的酶系统清除体内产生的活性氧,而是通过酶系统中两种及以上酶的相互协调，缓解植物中活性氧的危害,从而提高植物的耐旱性.

在干旱胁迫下,非酶系统包括维生素A(VA)、维生素E(VE)、抗坏血酸(AsA)、类胡萝卜素(CAR)[62]、黄酮类化合物、酚类化合物以及脯氨酸、甘露醇等[63]参与植物抗旱过程.如干旱胁迫能增强植物叶片中酚类物质和黄酮的含量,从而使植物对干旱产生耐性[64];植物体内含有的多酚含量与土壤的含水量存在负相关关系,即土壤含水量低时,植物体内的多酚含量增加,这就降低植物细胞的渗透压,阻碍细胞内水分的流失,增强了植物的耐旱性[65].此外AsA含量随着干旱胁迫的加剧呈现先增加后降低的趋势,CAR含量呈逐渐降低的趋势,而VE在叶片中的含量逐渐增加,在根中逐渐减少[66].在一定的耐受范围内,植物的非酶类系统参与活性氧的清除.

在干旱胁迫下,植物通过提高酶类活性并与非酶类抗氧化系统同时调控,使植物表现出较强的抗旱性.

2.4 渗透物在植物应对干旱中的作用

干旱胁迫导致植物细胞失水,从而影响植物的生长发育.在长期的自然选择进化中,植物通过渗透调节来保持水分并抵抗干旱胁迫[67],保证植物细胞的正常生长发育.学者普遍认为,与渗透调节有关的分子有机质包括3类:氨基酸(如脯氨酸)、糖(如甜菜碱、海藻糖)和醇(如多元醇)[68].

脯氨酸以游离的形式广泛存在植物体内,众多研究显示，脯氨酸含量随着植物受干旱胁迫的加剧而增多,说明植物体内的脯氨酸含量在一定程度上与胁迫存在正相关关系.例如在干旱胁迫下,玉米耐旱品种中脯氨酸的含量上升[69],减缓了干旱对其造成的危害.但脯氨酸的含量存在一个最高阈值,超过该值也随之下降,如随着干旱胁迫程度的加大及胁迫时间的延长,不同品种玫瑰叶片中的脯氨酸含量先上升后下降[70].

甜菜碱是维持细胞渗透压的重要调节物质.研究发现,在干旱、盐碱等胁迫下，积累甜菜碱比积累脯氨酸植物的耐受性更强.在水分充足的情况下[71],甜菜碱存在于枣、梨和葡萄中,其中枣中最多,其次是梨,最后是葡萄.而在轻度干旱胁迫下,梨树叶片中甜菜碱的含量上升近1倍,而枣树叶片中甜菜碱的含量在失水过程中没有显著变化.由此可见,随着干旱胁迫程度与时间的增加和持续,植物合成的甜菜碱含量也随之上升,但不同植物产生的甜菜碱的量不同[72],说明不同植物对干旱胁迫的反应不同.

多元醇类物质是具有多种功能的保护剂[73],它在植物的耐受性、抗病虫等方面有重要的作用.以松醇类物质为例,在干旱胁迫下,松醇的积累量具有显著性,是胁迫前的几倍.在马尾松苗木针叶中，松醇积累量大于可溶性糖的含量，说明松醇与植物一起应对干旱胁迫[74].

在遭受干旱胁迫后,植物通过产生渗透调节物质来稳定细胞内外的水势差,从而使植物产生一定的耐受性.

2.5 miRNA 在植物应对干旱中的作用

MicroRNA (miRNA) 是一类由内源基因编码、长度约为22个核苷酸组成的非编码单链RNA分子.研究发现[75],miRNA依照碱基互补的原则结合到mRNA上,通过使其靶基因降解和终止翻译调控植物的生长发育.miRNA 充当1个主要的调控因子，并能调控多个目标基因.它的调控过程包括生理功能、光合作用、呼吸作用、生物反应和环境胁迫等[76].

在耐旱性强的植物中,miRNA广泛存在且种类繁多.Li等从紫苜蓿根系中筛选出18个参与干旱胁迫应答的miRNA[77],从叶片中筛选出12个参与干旱胁迫应答的miRNA.

miRNA在干旱胁迫下呈现差异表达,如油菜中miRNA167在干旱胁迫24 h时,呈下调表达,而在干旱胁迫72 h后,呈上调表达[78].在干旱胁迫下,miRNA168在黄芪叶片和根部表达也具有差异性,其在叶片中呈现上调趋势,在根部呈现下调趋势[79].miRNA168在拟南芥和玉米中也因干旱胁迫的影响而呈现差异表达[80].miRNA169可有效降低番茄植株叶片的气孔密度和气孔导度,减少水分蒸发量,从而提高植株的干旱耐受性[81].鹰嘴豆在经过干旱处理后,miRNA408的表达水平升高,而过表达的植株在干旱胁迫下可正常生长,如DREB1A和DREB2A转录因子参与植物的干旱耐受性过程.在干旱胁迫下，miRNA408过表达的转基因植物中，转录因子DREB1A和DREB2A的表达量都升高,说明miRNA参与植物的干旱耐受性过程[82].

miRNA通过参与植物的生长生理过程,调控植物的生长发育,从而使植物增强对非生物胁迫的适应性.

3 人为因素促进植物抗旱

3.1 基因调控、蛋白质表达在植物应对干旱中的作用

随着基因操作技术和分子生物学的发展和应用,更多的基因被证明具有调控胁迫的功能[83].参与抗旱性的基因通常被分为功能基因和调控基因[84].功能基因是直接编码抗旱性蛋白基因,如渗透调节基因P5CS[85]、激素基因MtCaMP1和膜结构蛋白基因等.这些基因可调控相关基因的表达及酶类的含量等,从而提高植物的抗旱性.对沙棘的根、茎、叶进行研究,发现P5CS的表达量呈上调趋势,增加了沙棘中脯氨酸的含量,从而增强了沙棘的抗旱性[86],说明P5CS基因可调控脯氨酸的含量.在干旱胁迫下,功能基因的表达量也发生动态变化.通过实时荧光定量PCR法测定4种小麦叶片中部分功能基因的表达情况[87],发现在干旱胁迫下,脂质转移蛋白酶(TaLTP1)的表达量先上升后下降,膨胀素基因(TaEXPB23)的表达量增加.

调控基因是在信号转导和基因表达时起作用的相关基因[88],如转录因子、脱水结合蛋白(DREB)[89].研究显示，具有抗干旱胁迫或盐胁迫的转录因子基因家族有WRKY,MYB,bHLH,NAC,TZF和AP2/EREBP等[83].通过RNAi技术获得番茄SlWDR204基因下调的转基因植株[90].干旱胁迫实验表明,转基因番茄对干旱胁迫较敏感,说明SlWDR204基因正向调控植物对干旱的响应.DREB蛋白是一种常见的植物抗逆转录因子,参与植物的非生物胁迫、抗寒及抗旱等,AmDREB1，AmDREB2过表达可提高转基因植物的耐受性[91].大量的研究结果说明，转录因子作为调控基因在植物应对干旱胁迫过程中起着重要作用.

角质层保持植物体中水分,在干旱胁迫下可维持植株的正常生长.岳琳祺等研究谷子的角质层合成与调控，发现在强耐旱品种M79中，8个角质层的合成基因都存在显著差异,且都编码亲水性蛋白质;其中Seita.8G128800和Seita.7G197000 在 M79 中上调表达,剩下的基因下调表达,说明这8个基因参与了谷子抗旱生理生化过程[92].在干旱胁迫下，植物通过调控角质层合成基因对干旱胁迫作出响应.

陈露倩等研究黄瓜中PIP2;4基因的生物信息及干旱胁迫下的诱导表达,发现水通道蛋白质(AQP)在植物体内的水分吸收、运输和逆境胁迫中起着重要的作用.该蛋白质中有一个保守的NPA结构域,说明PIP2;4基因在物质运输和维持植株正常生长方面具有重要的作用.在干旱模拟实验中，CsPIP2;4基因表达量显著增加,促进了植株根系对水分的吸收[93].

因此在受到干旱胁迫时,植物各层次结构都发生变化,从表观变化到基因合成,基因合成又反过来调控表观变化,表明植物耐旱性是多基因、多层次调控的动态过程.

3.2 喷施外源物在植物应对干旱胁迫中的作用

植物生长调节剂是从天然产物中分离出来的、人工合成且具有植物激素活性及可以调节植物生长发育的有机物质.研究显示，生长调节剂具有提高植物抗旱性的能力.在干旱胁迫下，喷施适当的外源物(如植物生长调节剂、植物激素等)有利于植物抵抗干旱胁迫.此外,人工合成的生长素类似物有2,4-二氯苯氧乙酸、吲哚乙酸(IBA)、萘乙酸(NAA)等,与生长素具有相似的调节功能[94].

ABA广泛存在于植物体中,影响植物的生长发育.ABA含量增加可加快叶片气孔的关闭[18],达到减少水分散失的目的,外施ABA可促使植物体内源激素含量抗氧化酶SOD，POD，CAT的合成,及时清除干旱过程积累的活性氧,从而增强植物的耐旱性[95].此外,干旱胁迫使植株内源激素ABA含量升高、GA3含量下降,从而调控植物的萌芽和休眠,而外施GA3可降低植物体内源ABA的含量,提高GA1/3及GA1/3与ABA含量的比值,促进苗木的早期萌发和生长[96].

除ABA外,其他外源人工合成激素对植物耐旱性也有一定的促进作用.对烟草幼苗施加外源激素6-BA、2,4-二氯苯氧乙酸、IBA,发现这些激素均可增加叶绿素含量、鲜质量,从而提高植物抗逆性[97].此外,植物生长调节剂可使干旱条件下小麦[98]、大豆幼苗[99]、玉米幼苗[100]、羊草[101]中的脯氨酸含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量均提高,同时促进根的生长,提高植物保水、吸水能力,从而增强植株的抗旱性.

除了外源激素可提高植物耐旱性外,一些外源施加物也对植物的耐旱性有促进作用,如水杨酸(SA)、H2及CO2等.研究发现，适宜的外源SA抑制干旱胁迫下乌塌菜中MDA的积累,提高了抗氧化酶的活性,增强了乌塌菜的抗旱性[102].经25%和50%的外源H2处理的大麦幼苗[103]，植株的根长、脯氨酸含量和相对含水量均增加,抑制MDA的积累,提高了抗氧化酶的活性.外源CO2可提高大豆中ABA的含量,促进抗氧化酶POD的活性,从而提高大豆植株的抗旱能力[104].

综上所述,人为干预可提高植株的耐受性,且在特殊环境下,这种措施的效果显著.