环境胁迫下杨树性别响应差异研究进展

蔄胜军

（辽宁省杨树研究所，辽宁 盖州 115200）

高等植物雌雄个体对环境变化的差异响应研究始于20世纪70年代。在全球气候环境变化的背景下，探究雌雄异株植物性别差异在胁迫压力下的反应和调控机制，对雌雄异株植物的保护、开发和利用有着重要意义。杨树Populusspp.是木本“模式植物”的代表性物种[1]，杨属是木本植物中研究雌雄异株个体对环境胁迫响应较好的属之一，2004年公布完成全序列数据库的毛果杨Populus trichocarpa是第一个被测序全基因组序列的多年生木本植物[2]，这也成为从形态、生理、蛋白质、激素等方向转向染色体和DNA序列等层面的开端。雌雄异株植物差异主要集中在形态、性别比例、性别分化、生殖分配、生态适应和对环境胁迫的响应等，近期雌雄异株植物性别决定相关的研究也成为热点[3-4]。雌雄异株高等植物在面临不同的环境选择压力下，除生殖系统的差异外，还在其它方面表现出性二态性[5]。杨树在较长的生活周期中，可能暴露在各种不利的条件下，如干旱、盐害和低温等，这些极大地影响了树木的生长、发育和生产力，并在物种地理分布中发挥重要作用[6]。本文总结了近年来涉及杨树雄性和雌性个体在不同压力条件（包括干旱、盐、营养缺乏、温度、重金属和紫外线等）胁迫下的响应差异研究进展。

1 干旱胁迫下杨树性别响应差异

干旱是限制植物生存和生长有害的非生物胁迫之一。不同种类杨树雌雄株对干旱胁迫反应的研究表明，青杨Populus cathayana雄株和雌株对水分缺乏的反应存在差异。在温室相同条件下，雄株和雌株的叶片面积、叶片总数、光合和蒸腾速率以及光合系统II的效率都会随干旱降低；总叶绿素浓度、碳同位素组成、脱落酸（ABA）和丙二醛含量以及过氧化物酶活性随干旱而增加；但雌株对干旱环境更敏感，其生长和光合能力比雄株下降更明显[7]。在干旱胁迫下，青杨雄株的根系对水分缺乏的敏感性也低于雌株。然而，在水分充足的条件下，雌株的芽比雄株生长得更快。将雌芽嫁接到雄株根上，能提高植物的抗旱能力[8]。在塔里木河下游干旱胁迫生境下，雌雄胡杨Populus euphratica采取了不同的应对策略来抵御干旱胁迫，不同的指标得出的雌雄胡杨抗旱性有所不同[9]。叶片气孔特征、叶片解剖结构特征、光合电子传递速率以及黎明前叶水势等特征显示胡杨雄株比雌株具有更强的耐旱性；而抗氧化酶活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、叶片相对含水量等变化显示，雌性胡杨有更强的耐旱性。在干旱胁迫下，美洲黑杨Populus deltoides雌雄株幼苗的生长都受到抑制作用，且雌株所受影响更大。雄株通过调整养分分配、改变根系形态、优化用水策略、增加适应机制等方面提高自身对干旱胁迫的抗性[10]。在干旱条件下，青杨的两性都表现出生长和生理功能的下降；然而，在接种丛枝菌根真菌（AMF）后，雄株表现出比雌株更高的抗旱性[11]。滇杨Populus yunnanensis雌株在水分缺乏的情况下比雄株经历了更明显的生长抑制、活性氧（ROS）积累、干物质积累和总叶绿素含量的下降；在对干旱胁迫响应性别差异的分子基础研究中发现[12]，在干旱胁迫下，光合作用（光合电子传输、光系统I和II及天线蛋白生物合成）、激素生物合成（ABA生物合成）和活性氧消除（编码抗坏血酸过氧化物酶、脱氢抗坏血酸还原酶和过氧化氢酶的基因）的基因表达水平的改变在雄株中比雌株更明显。因此，与雌株相比，雄株能更有效地适应水分缺乏，而雌株在干旱胁迫下，生长、光合作用和活性氧保护受到更多的抑制作用[13]。从蛋白组学角度分析，青杨雌雄株对干旱胁迫响应的差异与光合作用、稳态和应激反应相关的性别依赖性蛋白表达有关[14]。

2 盐胁迫下杨树性别响应差异

盐胁迫是抑制植物生长和发育的主要非生物影响因素之一。不同种类杨树雌雄株对盐胁迫反应的研究结果表明，青杨雄株插条对盐的敏感性低于雌株，Na+和Cl-在雌株插条叶片和茎的浓度较高，而根的浓度低于雄性的相应器官，对生长和光合作用的负面影响更为明显。据推测，盐对雌株插条的影响大于雄性插条，主要发生在生长和光合速率降低及Na+积累等方面，雄株插条有更好的能力限制Na+从根到芽的运输[15]。雄株插条参与光合作用、过氧化氢清除和应激反应的蛋白质降解较低，丰度较高；在接种丛枝菌根真菌（AMF）后，青杨雄株表现出比雌株更高的耐受性，提高了生长发育功能和抗氧化能力[16]。对盐的敏感性和盐害，滇杨雌株也比雄株高。雌株的生长速率明显降低，活性氧积累更高，细胞器损伤更严重，对盐的耐受性、生长速度和光合速率均低于雄株。通过对其转录组数据分析发现，光合作用相关基因在雄性材料中上调，而在雌性材料中下调[17]。在土壤盐分含量适宜范围内，美洲黑杨雌雄间同条件下竞争，雌株的生长速度高于雄株；而在相同浓度盐胁迫下，雄株表现出比雌株更高的渗透调节能力和抗氧化活性[18]。

3 营养缺乏胁迫下杨树性别响应差异

植物生长时常因营养缺乏受到抑制。在氮和磷元素缺乏的情况下，青杨的雄株有更高的抗氧化能力和更低光合系统损伤[19]。通过蛋白组学分析，雌株蛋白质和基因表达波动更剧烈，表明其对氮和磷元素的缺乏更为敏感，具有更快的代谢反应[20]。而在高浓度有效氮的雌雄竞争中，雌株生长的促进作用更明显，而低浓度的有效氮对雄株生长更有利[21]。在钾元素缺乏的条件下，青杨雌株叶片和茎中的钾浓度比雄株更低，说明雄株对钾缺乏症不太敏感[22]。欧洲山杨Populus tremula在氮和磷元素缺乏的情况下，雄株生长快于雌株[23]，雌株会产生更多的类黄酮、丹宁和矿物质的累积。植物生长与土壤养分和大气CO2浓度有关[24]，这是光合作用所必需的。青杨雌雄株在CO2浓度升高刺激下都将提高光合能力和生物量，且雄株的生物量高于雌株。虽然有效氮或CO2浓度的升高可分别增加雌雄叶片质量和光合速率，但当这两个条件同时存在时，叠加效应并不明显。此外，在有效氮充足条件下，CO2浓度升高，雄株的综合指标比雌株可获得更多的提高。

4 温度胁迫下杨树性别响应差异

温度和光周期是影响花芽发育的关键因素。研究结果表明，温度升高会导致欧洲山杨雄株比雌株更多的芽成熟延迟[25]。毛白杨Populus tomentosa的雌花芽比雄花芽更能适应热胁迫和冷胁迫，温度处理可提高雌花芽中过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，而雄性花芽中丙二醛含量显著增加[26]。与芽不同，青杨雌株对冷胁迫的耐受性低于雄性，在低温胁迫下，雌株中发现了破碎的叶绿体和大量倾斜的质体基粒，而雄株中的叶绿素含量和抗氧化活性较高[27]；在一些相关的研究中也发现，青杨雄株比雌株有更有效的保护反应，以防止寒冷的压力。然而，在低温和高温胁迫中，对毛果杨来说，没有明显的性别差异反应：温度胁迫处理的雌雄插穗、芽和叶片受害程度和发生时间都是相同的。

5 重金属胁迫下杨树性别响应差异

适合浓度的一些金属元素是植物不可缺少的，但高浓度的重金属会抑制植物的生长发育。研究结果表明，青杨雌雄株受铅元素胁迫的影响都是负面的，其中雄株比雌株在光合作用中显现更高的可缩性，而且干旱能增加雌株对重金属胁迫的敏感性[28]；雌株暴露在镉元素压力下，比雄株有更多的累积和更重的伤害；雄株比雌株对铝元素的压力抗性更强，具有更强抗氧化能力和更高的叶绿体含量[29]；对铜元素的压力，雄株比雌株抗性也强，在雄株叶中可耐受更高浓度的铜元素；对铁元素缺乏的压力反应也是雄株好于雌株，雌株对铁元素缺乏的症状更明显[30]。美洲黑杨被发现雌株也比雄株对镉元素压力更敏感，主要表现在叶子症状、脂质过氧化以及细胞超微结构的改变等方面。滇杨雌株对铅、镉、铝、铜、锌重金属胁迫和铁元素缺乏更敏感，其生长受到更多的抑制，光合作用系统损伤较大，抗氧化活性也较低。

6 紫外线胁迫下杨树性别响应差异

中波段紫外线（UV-B）辐射增强会对植物产生负面影响。研究发现，青杨雄株对UV-B辐射引起的应激表现出比雌性具有更大的耐受性，抗氧化酶的效率更高[31]。在UV-B辐射胁迫下，对青杨雌雄材料进行转录组测序分析结果表明，参与氨基酸代谢的基因在雄性样品中上调，在雌性样品中下调，在雄性中基因调控策略比雌性更有效[32]。在高UV-B辐射条件下，通过对青杨雌雄材料蛋白质组学性别差异分析，蛋白质表达水平（参与翻译、转录、转录后修饰、应激反应和氨基酸代谢）的变化在雄性中高于雌性[33]。在对高海拔地区冬瓜杨Populus purdomii雌雄比例的调查中发现，有雄性偏向的现象，在诸多的影响因素中，包括高的UV-B辐射水平[34]。

7 环境胁迫下杨树性别响应差异

近年来，关于环境胁迫性别响应差异的研究在基因组、表观遗传、蛋白质及生理水平上展开。在非生殖特征上，一些杨树种类在雌雄间没有发现性别响应差异。以生长在瑞典的野生欧洲山杨雄株和雌株为实验材料，在不受特定的实验胁迫下，在形态、生物化学特性、节肢动物丰度、性别偏好和转录谱方面进行了比较，发现除了两个基因（Potri.019G047300和Potri.014G155300）的表达外，没有发现性别二态性。其中第一个基因位于性别决定区域[35]，在雌株中有缺失[36]。在自然条件下，对1 300株毛果杨和香脂杨Populus balsamifera进行性别差异测试，测试指标包括70个功能性状和26个与木材有关的性状，评价的结果未发现雌雄间非生殖特征的显著差异[37]。对于环境胁迫下性别响应差异的实验结果，推测除了有实验材料和环境条件的差异等因素影响外，在不同的杨树种群中，生理和形态是不同的，应激反应可能与特定的种群和基因型有关[38]。

8 杨树性别决定遗传基础

性别决定是高等植物生长发育过程中非常重要的阶段。除了银白杨Populus alba及近似种为ZW型性别决定系统外[39]，绝大多数杨属植物都为XY型，性别决定区域定位于第19条染色体上，雄性和雌性在基因组水平上相差650个SNP，这一区域与性别决定显著相关。XY型杨树的性别决定区域相对较小，大约100 kb，它含有编码METHYL‐TRANSFERASE1（MET1）的基因，参与DNA甲基化，与植物胁迫响应调控机制相关[40]。研究发现，位于香脂杨性别决定区域发生特异性甲基化的PbRR9基因，与拟南芥Arabidopsis thaliana性别发育基因ARR16和17高度同源，其功能是编码细胞分裂素信号应答[41]，推测参与调控花发育过程。杨属至少存在两个不同的性别决定区域，银白杨、美洲山杨Populus tremuloides和欧洲山杨性别决定区域位于19号染色体中心体周围，而毛果杨和香脂杨等的性别决定区域位于19号染色体的远末端（近端粒）。对组装在Y-染色体上的候选基因进一步测序后发现[42]，ARR17的1-4外显子上有雄性特异的片段反向重复，鉴定出ARR17雄性特异非编码转录本，关联重要的sRNAs，尤其是24-nt RNAs，利用CRISPR-Cas9技术来验证ARR17基因的功能——性别决定的开关，当ARR17正常调控时引起雌性发育，而当功能缺失时引起雄性发育。进一步研究发现，ARR17会引起杨树从XY系统到ZW系统的转变，尽管存在这一重复的转换事件，但是ARR17的特异性调控性别在整个杨属中是保守的，而且可能在更大范围的其它的种属中也是保守的。通过对美洲黑杨19号染色体上近端粒区的X和Y连锁区域的测序发现，在Y连锁的区域存在两个特殊基因[43]，其中一个基因（FERR-R）是非Y连锁、雌性特异表达响应调控的重复拷贝，该基因会产生siRNAs，进而阻断雌性特异表达基因的表达，从而抑制雌性发育。另外一个基因（MSL）是一个LTR/Gypsy转座子元件家族的成员，该基因会形成长链非编码RNAs。在拟南芥中过表达该基因会促进雄蕊的发育；这两个基因也同样在小叶杨的性别决定区域存在，但仅有一个重复的响应调控子基因在山杨和欧洲山杨的性别决定区域存在。据此推测，杨属植物的雌雄异株系统可能由不同分支独立演化而来；雄性和雌性之间的遗传差异不仅影响生殖器官，而且影响次要的性别特征，可能导致非生殖特征的性别差异。因此，不同性别对环境压力反应是十分复杂的，这也是物种多样性的动力之一。

9 小结与展望

关于杨树物种在不利条件下性别响应差异的研究已积累了丰富的数据。大多数研究表明，雄性杨树对环境胁迫（如干旱、盐、营养缺乏、温度和重金属等）的耐受性优于雌性植物。雄株表现出较少的生长速率和光合活性降低，以及较少的细胞损伤和较高的抗氧化活性。而在温度胁迫和高UV-B辐射条件下，雌花芽损伤程度较小。因此可以认为，在不利的条件下，雄性树木的策略是维持其生长和营养质量，而雌性则是为了保护其生殖器官，有利于繁衍后代。一些杨树在非生殖性性状和适应策略上并没有性别差异，物种本身就是一个具有共同基因库的、与其它类群有生殖隔离的同类，但随着分子生物学等技术和理论的成熟，在这些方面将迎来更多的契机。首先，雌雄异株植物在胁迫条件下的分子调控网络和信号通路的互作机制现仍然知之甚少，但随着基因组学、蛋白组学和代谢组学等多组学联用对雌雄异株植物研究的深入，与气候敏感性相关的关键性状等的性别差异及性别比研究等相结合，将增强对雌雄异株植物在遗传学、生态生理学和分子生物学等方向调控机制的理解。其次，目前研究多集中在雌雄异株植物营养期的抗逆性机制上，生殖发育阶段对胁迫环境也异常敏感，扩大在生殖发育阶段对胁迫环境响应的研究，对其整体调控策略将会有更深的理解。同时，包括杨树在内的雌雄异株木本植物达到性成熟所需的时间比较长，野外条件难以控制，将野外观测和室内测试相结合，加大性别相关抗性全基因组关联分析，深入阐明胁迫响应中涉及的重要生长、繁殖功能的调控机制，全面揭开雌雄异株植物性别偏倚的谜底。