糖料作物对干旱胁迫的形态、生理及基因响应研究进展

黄春雪,王 希,赵春雷

(1.陇东学院生命科学与技术学院,甘肃庆阳 745000;2.黑龙江大学现代农业与生态环境学院/中国农业科学院甜菜研究所,哈尔滨 150080;3.甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室,甘肃庆阳 745000;4.黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室/黑龙江省甜菜工程技术研究中心,哈尔滨 150080;5.国家糖料改良中心/中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室,哈尔滨 150080)

0 引言

食糖是关系国计民生的重要战略物资,伴随着人们生活水平的逐渐提高,中国的人均食糖消费水平呈现出逐步上升的趋势[1]。糖料作物是一种用于食糖生产的经济作物,我国的糖料作物主要有甘蔗(Saccharumofficiram)、甜菜(Betavulgaris)以及糖高粱(Sorghumbicolor)等。甘蔗具有喜高温、喜光的特性,在我国南方各省种植较为广泛,如云南、广西等地;甜菜具有很强的耐寒性,主要分布在我国北方地区,如黑龙江、新疆、内蒙古等地;糖高粱具有较强的耐逆性,在恶劣的环境中也能生长[2],其分布较为广泛,我国南北地区均有种植。

糖料作物的生长状况与自然条件有着极大的关系,当自然条件如光照、温度、土壤、水分等适宜作物生长时,作物的产量与品质便能提高,反之则会降低。对于农业生产活动来说,异常气候、土壤贫瘠、缺失水分等因素都会对植物造成一定的伤害。据统计,干旱是限制作物生长发育的主要环境因素,与其他逆境胁迫相比,其所造成的损失尤为严重[3-4]。甘蔗是世界上极为重要的糖料作物之一[5],从甘蔗生产来看,干旱胁迫会影响甘蔗的正常生长发育[6],受旱严重时常常会造成大面积的减产现象[7]。从甜菜生产来看,干旱胁迫会降低甜菜的产量[8]。从糖高粱生产来看,适当的水分胁迫有利于糖高粱生物产量的提高与糖分含量的积累[9],但在中度和重度干旱胁迫条件下,则会导致糖高粱产量大幅下降[10]。通过资料的搜集不难发现,目前干旱极大地限制了糖料产业的发展。

因此,开展糖料作物的耐旱性研究对保障糖料作物产业的稳步发展具有积极作用。本文主要介绍了糖料作物对干旱胁迫的响应以及耐旱相关调节基因的研究进展,以期为糖料作物耐旱育种提供相关理论依据。

1 干旱对糖料作物形态特征的影响

1.1 干旱对糖料作物根部形态特征的影响

糖料作物根部的形态特征会响应干旱胁迫从而发生变化,这一结论在甘蔗、甜菜、糖高粱中均有报道。赵丽萍等[11]通过对不同品种的甘蔗研究发现,在不同程度的干旱胁迫条件下,甘蔗根系生物量均有降低,且胁迫程度越强,根系生物量下降的趋势越显著。罗海斌等[12]发现干旱胁迫时间与甘蔗根系含水量之间存在负相关的关系,胁迫时间越长,根系含水量越少。唐利华等[13]通过研究土壤干旱胁迫程度对甜菜根系含水量的影响也得出类似结论,并且发现干旱胁迫程度与根系活性之间也存在着负相关的关系。相比之下,糖高粱耐逆性较强,其在干旱胁迫环境下会促进根的伸长生长以吸收更多的水分,同时减弱地上部分的生长以降低蒸腾作用,促进植株保水[14]。

1.2 干旱对糖料作物茎部形态特征的影响

干旱胁迫会抑制茎的生长,这一结论在甘蔗中报道较多。陆国盈等[15]对处于伸长期的甘蔗进行干旱处理,发现干旱条件下蔗茎的生长受到抑制,甘蔗产量变低、品质变差。李健等[16]的试验也得出了类似结论,并发现干旱胁迫对蔗茎生长的影响是不可逆的,试验组甘蔗干旱后复水其伸长量仍显著低于对照组。

1.3 干旱对糖料作物叶部形态特征的影响

干旱会对植物叶片的形态特征产生影响,这一点在甘蔗、甜菜及糖高粱中均有发现。张风娟等[17]发现在持续的干旱条件下,甘蔗的叶片会逐渐萎蔫,叶色由绿变黄,最后形成枯叶。此外,干旱胁迫还会增加甘蔗叶片气孔闭合率,且随着干旱程度的加重,叶片气孔的闭合程度也随之上升。邹利茹[18]使用不同浓度的聚乙二醇(PEG)6000对甜菜幼苗进行干旱胁迫处理,发现与对照组相比,干旱处理下的甜菜叶片出现不同程度的卷曲、枯黄和萎缩,且PEG6000的浓度越高,甜菜叶片的受伤程度越严重。韩凯虹[19]通过研究发现甜菜生育期内任何时期受到水分胁迫,其叶片数、叶面积等性状都会受到明显抑制,与一直受到水分胁迫的处理相比,水分胁迫后复水处理的甜菜叶片数和叶面积均有所增加,但难以恢复到正常供水条件下的植株生理水平。糖高粱具有较强的耐旱能力,能很好地应对轻度的水分胁迫,但当水分胁迫的程度较高时,其叶片的正常生长便会受到抑制[20-21]。

2 干旱对糖料作物生理生化特性的影响

2.1 抗氧化酶类对干旱胁迫的响应

逆境胁迫下,植物体内会形成大量的活性氧自由基(ROS)。植物通过抗氧化酶系统对体内多余的自由基进行有效清除来减轻其对植物细胞造成的伤害[22]。李晓君等[23]对不同品种的甘蔗进行耐旱性分析,结果表明干旱条件下,甘蔗叶片中的过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均呈上升趋势。在甜菜和糖高粱干旱胁迫的研究中也有类似发现,彭春雪[24]研究发现干旱条件下甜菜苗叶片中SOD、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性均高于对照组,能更有效地清除甜菜体内多余的ROS。李国龙等[25]以耐旱能力不同的甜菜品种为试验材料,发现当干旱胁迫程度较高时,与耐旱性弱甜菜品种相比,耐旱性强甜菜品种体内POD、SOD和CAT活性较高。何玮等[26]对大力士甜高粱进行干旱处理,发现干旱条件下其叶片SOD、POD活力均升高。

2.2 丙二醛(MDA)含量对干旱胁迫的响应

植物在逆境条件下会发生膜脂过氧化作用并产生丙二醛(MDA),一般来说,植物体内的MDA含量越高,说明细胞膜受损越严重。殷世航等[27]发现干旱胁迫时间与甘蔗中的MDA含量成正比。甜菜干旱胁迫研究发现,正常生长条件下,甜菜叶片中MDA含量较低,约为16 μmol/L,使用不同浓度的PEG6000对甜菜进行处理,24 h后,其叶片中的MDA含量均增加,但增加的程度不同,其中15%PEG处理下增加的最为明显,高达48.23 μmol/L[28]。董喜存等[29]使用不同浓度的PEG6000对糖高粱进行处理,发现随着PEG浓度的增加,糖高粱中MDA含量持续上升。

2.3 叶绿素含量及光合特性对干旱胁迫的响应

干旱胁迫不仅会抑制植物叶片伸展,增加气孔闭合率,减弱CO2摄取能力,降低光合速率,还会破坏叶绿素的含量和结构,降低光系统Ⅱ活力[30-31]。张凤娟[32]通过解剖干旱胁迫条件下的甘蔗叶片结构分析发现,干旱条件下叶片叶绿体长、宽等指标呈逐渐下降的趋势。在较高的干旱胁迫条件下,甘蔗叶肉光合能力以及叶片的光合速率均显著降低,甘蔗产量下降[33]。王克哲等[34]研究发现,干旱胁迫会导致甜菜叶片光能利用范围缩小,光能利用能力下降,光合生产能力减弱。另有研究表明干旱条件下,甜菜叶肉细胞中光合作用相关酶类活性降低[35],甜菜蒸腾速率(Tr)和净光合速率(Pn)降低,Pn低效期延长[36-37]。关于糖高粱干旱胁迫响应的研究中也得出了类似结论,王祁等[38]研究发现不同强度干旱胁迫下,糖高粱幼苗叶片的净光合速率均降低。

2.4 渗透调节物质对干旱胁迫的响应

土壤干旱会对植物造成渗透胁迫[39]。已有研究表明脯氨酸(Proline,Pro)的积累是植物应对干旱胁迫的一种自我保护手段。当植物处于干旱环境中时,Pro的积累一方面可以加强植物组织的抗脱水能力,保护细胞膜蛋白结构的完整性;另一方面还能减轻丙二醛(MDA)等氧化物对细胞膜的损伤。除脯氨酸之外,脱落酸(ABA)、可溶性蛋白(SP)、可溶性糖(SS)等物质也是植物中重要的渗透调节物质。

罗海斌[40]以甘蔗品种‘新台糖22号’为材料对其进行干旱处理,结果表明,随着胁迫程度的增强,游离氨基酸与脯氨酸的含量均有所增加,且在干旱后期增加幅度较大,同对照组相比有明显差异。李鸿博等[41]发现,干旱胁迫后,甘蔗根系活力下降,叶片中SS、SP及Pro含量均增加。在干旱胁迫下,甜菜体内会快速合成一些渗透调节物质,脯氨酸便是其中一种主要的调节物质。李国龙[42]发现,在持续水分胁迫下,甜菜幼苗叶片中Pro、SS等渗透调节剂和ABA的含量逐渐增加,且在耐旱品种中增加较为显著。杨虎臣[43]分析了干旱胁迫对甜菜幼苗的影响,发现在干旱缺水的条件下,干旱敏感型甜菜品种中的Pro含量低于同期耐旱能力强的甜菜品种,并发现了两种在Pro积累过程中起关键作用的酶:P5CR酶和P5CS酶。荣少英等[44]研究发现普通高粱和糖高粱都能通过渗透调节物质的积累来应对干旱胁迫,但二者的渗透调节途径有所不同,在苗期,普通高粱的主要渗透调节物质是SS,而糖高粱的主要渗透调节物质则是Pro和可溶性蛋白。

3 糖料作物耐旱相关调节基因

植物耐旱基因包括以下两种类型:第一种是在植物受到逆境胁迫时,直接编码相应的耐逆性蛋白,从而发挥保护作用的功能基因;第二种是通过调节别的基因来应答干旱胁迫,间接保护受旱植物的调节基因。这两类基因通过不同的方式共同应答植物干旱胁迫,在增强植物耐旱性方面起到重要作用。本文主要探讨与糖料作物耐旱相关的调节基因(表1)。

表1 糖料作物耐旱相关主要调节基因Table 1 Drought resistance related regulatory genes in sugar crops

3.1 钙依赖蛋白激酶(CDPKs)

作为植物细胞中的第二信使[45],钙离子对植物的生长发育至关重要。其下游的钙依赖蛋白激酶(CDPKs)是植物钙离子信号转导过程中的主要作用元件[46-47],它既是重要的钙离子信号受体,也是钙离子信号传递体,在植物细胞响应各种逆境胁迫中发挥着重要的作用[48]。目前,大量研究表明CDPKs在多种植物的干旱胁迫应答中发挥作用,如大麦、谷子、马铃薯[49]等,但关于其在糖料作物干旱应答中发挥作用的研究较少。有研究学者[50]从干旱胁迫处理的甘蔗cDNA文库中克隆得到ScCDPK1基因,利用Prot Fun 2.2 Server对其编码蛋白进行分析,发现ScCDPK1蛋白可能在胁迫应答中发挥作用。

3.2 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联途径是植物中重要的信号传递途径之一,与植物逆境应答关系密切。该途径通过MAPK激酶激酶→MAPK激酶→MAPK逐级磷酸化将外来信号传递下去,再由MAPK磷酸化下游底物调控特定基因的表达,最终促使植物对逆境胁迫做出生理生化反应[51]。陈宏宇[51]从高粱基因组中鉴定出来12个MAPKKs基因和16个MAPKs基因,分别命名为SbMKKn和SbMPKn。通过对试验植物施加干旱胁迫,发现其中的3个基因表达量有所增长,推断出此类基因可能参与植株干旱胁迫的应答反应。

3.3 DREB转录因子

DREB转录因子是AP2/ERF家族的成员[52],在植物对逆境胁迫的应答调控中扮演着重要的角色。在逆境条件下,DREB转录因子能够特异识别并结合DRE/CRT顺式作用元件,通过逆境信号的传递,使一系列下游逆境应答基因以及功能蛋白得以表达,从而提高植物在逆境条件下的生存能力和耐受性。

研究表明,DREB转录因子在甘蔗应对干旱胁迫中起到了重要作用。MALHOTRA等[53]研究发现,甘蔗DREB1A转录因子具有干旱胁迫诱导的特性,干旱条件下转基因甘蔗的DREB1A基因表达量显著增加。REIS等[54]发现在甘蔗中表达拟南芥AtDREB2ACA基因能增强甘蔗的耐旱能力,而且不会造成生物量损失。施肖堃[55]研究发现在干旱胁迫下,转DREB基因甘蔗中的可溶性糖含量增幅均高于非转基因甘蔗。蒋洪涛[56]对转Ea-DREB2B基因甘蔗施加干旱胁迫,研究发现在干旱条件下,以非转基因甘蔗为对照,转基因甘蔗叶片中的Ea-DREB2B基因过量表达,叶绿素总量与相对含水量明显较高,且死亡所需时间较长,耐旱性明显增强。吴杨[57]将外源Ea-DREB2B基因转入甘蔗中也得到了类似的结果。谢登雷等[58]从高粱中克隆得到1个DREB类基因SbDREB2,发现该基因受干旱、高盐的强烈诱导,在干旱、高盐条件下该基因表达量迅速上调。

3.4 NAC转录因子

NAC转录因子是植物转录因子家族中的一个重要组成部分,它不仅参与植物的生长发育过程,而且参与应答干旱、低温、病原菌、盐碱等逆境胁迫[59]。有研究发现,NAC家族的各种转录因子的过表达可以增强植物对干旱的耐受性[60]。程志远等[61]以甘蔗细茎野生种为研究材料,从中克隆得到ScNAC1基因,通过荧光定量PCR检测技术发现该基因在甘蔗生长发育的各个时期都能响应干旱信号。谷书杰等[62]以蔗茅‘99-2’为材料,首次克隆得到EfNAC基因,通过对材料进行干旱胁迫,发现经过胁迫后蔗茅中EfNAC基因的表达量是之前的77倍,说明该基因参与了甘蔗的干旱胁迫应答过程。NOGUEIRA等[63]从甘蔗中发现了SsNAC23基因,后续研究证明其参与了甘蔗的水分胁迫应答。徐晓阳[64]通过转录组测序技术和荧光定量PCR技术分析了干旱胁迫下甜菜NAC基因的表达趋势。研究结果显示:甜菜NAC家族中共有52个基因,在干旱条件下,共有 23个基因的表达上调。糖高粱中也有一些NAC家族基因,其耐逆功能对增强糖高粱耐旱能力至关重要[65]。祖祎祎等[66]从高粱中克隆得到SbNAC0584基因,研究发现该基因在PEG、脱水、NaCl胁迫诱导等条件下表达量上调,推测其在高粱非生物逆境胁迫响应过程中起重要作用。卢敏[67]从耐旱性较强的高粱品种中克隆得到SbSNAC1基因,研究证明,该基因的表达量在各类逆境胁迫条件下均有上调,在对SbSNAC1基因的耐旱功能鉴定研究中发现:转SbSNAC1基因株系耐旱性显著提升。

3.5 WRKY转录因子

WRKY转录因子是在高等植物中发现的一类大型转录调控因子家族[68],在植物生长发育及逆境胁迫响应中发挥重要作用。越来越多的研究表明,WRKY转录因子参与糖料作物的干旱胁迫响应过程。张旭等[69]从甘蔗中克隆得到ScWRKY6基因,研究发现,在干旱条件下该基因在甘蔗中的表达量显著升高,推测其可能在甘蔗干旱胁迫应答过程中起作用。徐荣等[70]、LIU等[71]的研究也得出了类似结论。李国龙等[72]发现,水分胁迫下,甜菜WRKY转录因子家族成员BvWRKY23基因表达量显著上调,推测其可能参与甜菜的耐旱应答。万庆[73]通过巢式PCR技术从糖高粱中克隆得到两个WRKY基因,分别以SSWRKY28、SSWRKY76命名,研究发现随着干旱时间的延长,这两个基因的表达量先在0～24 h呈下降趋势,而后在24～48 h呈上调趋势。由此推测糖高粱SSWRKY28基因和SSWRKY76基因可能在糖高粱响应干旱胁迫时发挥一定的作用。徐磊等[74]的研究也得到了类似结果。

3.6 AVP1基因

植物质子焦磷酸酶(H+-pyrophosphatase, H+-PPase)是植物细胞中常见的一种水解酶,在植物生命活动中扮演着重要的角色[75]。该酶在参与蔗糖的生物合成,提高植物耐旱、耐盐能力,增强植物耐低磷、低氮胁迫的能力等方面都发挥着重要作用[76]。有研究表明,质子焦磷酸酶编码基因AVP1的过表达能加强转基因植物的耐旱能力[77-78]。这一结论在拟南芥[79]、苜蓿[80]、大麦[81]以及糖料作物中均有发现。王晓娇[82]将AVP1基因转入甜菜得到了转基因植株,通过对其进行水分胁迫处理和生理生化特性鉴定,发现转AVP1基因提高了转基因植株的耐旱性。刘雪[83]比较了经过高盐和干旱胁迫处理的野生型甜菜和转AVP1基因甜菜各类生理生化指标差异,发现转AVP1基因甜菜对于逆境具有更强的适应性。

3.7 糖料作物其他耐旱调节基因

除了上述的糖料作物耐旱相关主要调节基因,糖料作物中还发现了一些其它的耐旱调节基因。罗海斌等[84]克隆了甘蔗ScHAK10基因并分析了其在干旱条件下的表达模式,发现该基因的表达受干旱胁迫诱导,推测ScHAK10基因的表达能增强甘蔗的耐旱能力。李晓君[85]从甘蔗中克隆得到一个锌指蛋白基因ShSAP1,发现在干旱胁迫下,该基因表达量显著升高,推测ShSAP1基因参与了甘蔗干旱胁迫应答过程。刘蕊等[86]对PEG处理的试验组甜菜及蒸馏水处理的对照组甜菜进行了高通量测序,发现79个MYB家族成员中有42个在干旱条件下差异表达。刘乃新等[87]对甜菜进行了相同的处理并进行高通量测序,发现在干旱胁迫下,有3个ARF转录因子差异表达,推测这3个基因在干旱条件下发挥作用。此外,有研究发现ARF转录因子在水分胁迫处理的糖高粱中也会表达上调[88]。有学者对耐旱能力较弱的高粱进行干旱胁迫,发现在干旱条件下,一个未知基因SbEST8表达上调,推测该基因在高粱干旱胁迫中发挥作用[89]。

4 总结与展望

随着农业高新技术的不断发展,农业现代化水平不断提高,耕作效率、种植水平日益提升,但随之而来的是土地资源的日益匮乏,环境质量的急速下降。为缓解我国作物生产与日益恶化的环境条件之间的矛盾,必须通过科学的手段提高作物的耐逆性,改善其对自然环境的适应能力。干旱胁迫是逆境胁迫中的重点研究领域,作物耐旱性受到多种因素的影响,如品种基因型、植株形态特征、生理生化特性、干旱发生时期、干旱强度、干旱持续时间等。甘蔗、甜菜、糖高粱作为我国重要的糖料作物,一直以来都是学者们关注的热点。

就目前的研究而言,关于糖料作物形态特征及生理生化特性对干旱胁迫的响应机制方面的研究较为完善,但分子层面的研究还有待提高。随着分子生物学的迅速发展,生物技术手段和生物信息学逐渐完善。利用分子生物技术深入探究糖料作物耐旱分子机制、挖掘耐旱相关基因已经成为提高糖料作物耐旱遗传改良效率的重要手段。由于植物的各类数量性状一般是由多个基因相互协调、互作来进行调控的,故我们在进行植物耐旱性调控机制的研究工作时,应将重点放在探讨多个基因的共转导方面,而不是囿于单个基因的研究,今后应在继续挖掘植物耐旱相关基因的基础上进行糖料作物耐旱基因的遗传转化研究,真正地将理论知识付诸生产实践。