非生物胁迫对月季生长发育影响的研究进展

石力匀, 冯叶, 赵宗胜, 王佳妮, 代挽玉, 焦明丽, 何松林,2, 王政, 尚文倩, 申玉晓

(1．河南农业大学风景园林与艺术学院,河南 郑州 450002;2．河南科技学院园艺园林学院,河南 新乡 453003)

月季(Rosahybrida)作为蔷薇科(Rosaceae)蔷薇属(Rosa)的半常绿木本植物,是中国传统名花,栽培历史悠久,栽培范围广,品种繁多,花型多样,花色丰富,观赏和经济价值高[1-2]。月季花卉产业为助力乡村振兴、带动旅游发展、促进三产融合提供了有力保障。此外,月季在现代城市建设中也广泛应用于道路和高架桥绿化、墙面围栏美化、花坛种植及专类园建设等。然而,月季在生产或园林养护过程中经常遇到各种非生物胁迫,如高温、弱光、干旱、盐碱和重金属等,导致月季生长发育受限、观赏价值降低、病虫害加重、养护成本增加甚至死亡。研究月季非生物胁迫响应机制,对于月季的生长和农林业生产具有重要的理论意义和实践价值。月季为适应逆境环境,会在分子、细胞、器官、生理生化等水平上做出调控,通过改变自身形态和生理生化水平来适应逆境。因此,从不同非生物胁迫(温度、光照、水分、盐和重金属)对月季形态变化、生理水平及分子水平的影响进行综述,以期为月季逆境应答机制研究提供参考,也为月季的抗逆育种、生产栽培及园林应用提供理论指导。

1 温度胁迫对月季生长发育影响

生长期温度是月季生长量和观赏品质的重要影响因素之一。月季的适宜生长温度为日平均气温10～25 ℃,当生长温度低于5 ℃或高于30 ℃,月季就会处于休眠或半休眠状态,花芽停止分化,也很难生产出枝条长度、花苞大小符合要求的高品质花枝。温度的变化会影响月季植株的蒸腾、光合和新陈代谢及几乎所有的酶促反应。温度对月季的株高、茎粗、叶数、花的品质和鲜质量等都产生一定的作用,进而影响月季的外观品质及其商业价值。

1.1 高温胁迫

1.1.1 高温胁迫下月季形态及生理生化适应性变化 在形态方面,一定温度范围内,温度越高,月季切花产量越高,其腋芽萌发和花芽形成越快,盲枝数量越少,开花周期显著缩短。但当温度高于月季的适宜生长温度,就会产生高温胁迫,月季的花茎、花枝长度、瓶插寿命等会降低。高温胁迫会引起月季叶片损伤、焦灼、叶面积和干质量比例减少,发黄发皱,甚至萎蔫枯死[3]。此外,高温胁迫影响月季植株的长势,使植株发育不良、开花时间变短、残花期变长、花色变浅、花梗增长、花蕾变短和花型不规范等。高温胁迫还常伴随干旱、病虫害的发生及弯梗和变叶病等花朵畸形现象的出现[4]。

在生理生化方面,高温胁迫下,月季叶片含水量下降,其电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)随胁迫时间延长或胁迫程度增加呈先减小后增加的趋势,EIS中弧的大小先增大后减小,胞外电阻率上升,胞内电阻率与胞外电阻率变化趋势相反呈下降趋势,弛豫时间先下降后上升[5]。短时间高温胁迫会增强月季植株的水分蒸发能力,防止叶片温度过高引起的伤害,但随着胁迫的加剧,蒸腾速率(Tr)开始下降并维持在较低的水平,从而避免失水过多造成月季植株萎蔫[6]。高温胁迫会抑制月季的光合作用,使叶绿体结构受到损伤,叶绿体活力、叶绿素含量(Chl)、光能利用率(LUE)及最大荧光(Fm)、光化学猝灭系数(qP)、表观电子传递速率(ETR)、光系统Ⅱ(PSⅡ)原初光能转化效率(Fv/Fm)指标均显著降低,气孔导度(Gs)、叶片净光合速率(Pn)、初始荧光(Fo)指标则呈上升趋势[7]。此外,受高温胁迫的影响,月季相对电导率和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量显著增加,其细胞膜受到破坏,导致不可逆的伤害甚至死亡。为抵御高温胁迫带来的伤害,植物会积累有机物或无机物来提高其吸水或保水能力,降低细胞渗透势并维持细胞膜结构稳定[6]。张方静等[7]研究发现,随高温胁迫时间的延长,脯氨酸含量先上升后逐渐下降,可溶性糖含量先上升后下降,可溶性蛋白含量则先下降后缓慢上升。这说明不同渗透调节物质会在不同时间开启对植株的保护机制。高温胁迫下月季的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性、过氧化物酶(peroxidase,POD)活性也有所下降。也有研究表明,SOD活性会随高温胁迫时间的延长而呈现先上升后下降的趋势[8]。这是因为高温胁迫的前期抗氧化系统开启,相关生理响应活跃,而后期酶活性则随着高温胁迫的加剧降低。在月季叶片上喷施适宜浓度的水杨酸和CaCl2均可有效缓解高温胁迫[9-10]。WANG等[11]发现,在月季品种‘卡罗拉’叶面上喷施适宜浓度的水杨酸、6-苄氨基嘌呤(6-BA)或脱落酸(abscisic acid,ABA),可以增强其高温胁迫下的光合作用,显著提高其抗氧化酶活性和渗透调节物质含量,从而维持细胞膜结构的稳定性,缓解高温伤害。

不同月季品种的耐热性存在显著差异。在高温胁迫下,耐热性越强的月季品种的Chl、LUE指标越高,叶片净光合速率相对变化率和蒸腾速率变化越小。月季中耐热品种的可溶性蛋白含量、脯氨酸含量均高于不耐热品种,且脯氨酸的积累与月季的耐热性呈正相关[12-13],而耐热品种抗氧化酶活性下降幅度比不耐热品种小。此外,叶片厚度和气孔密度也会提高月季的耐热性[14]。因此,上述指标可被用来判断月季品种的耐热性,并体现其在温度适应性上的变化。

1.1.2 高温胁迫下月季响应分子水平变化 在高温胁迫下,植物启动多条相互联系的信号转导途径来适应环境。转录因子是植物高温响应过程中的主要调控因子[15]。植物主要通过热激转录因子(heat shock transcription factors,HSFs)和热激蛋白(heat shock proteins,HSPs)介导的高温应答网络来适应高温胁迫[16]。高温容易引起蛋白质变性,由此产生的错误折叠蛋白被某些HSPs感知。在正常温度条件下,植物中HSPs结合并阻止HSFs激活HSPs的表达,但在高温条件下,错误折叠的蛋白质积累和结合释放HSF激活热应激响应,HSP和HSF快速清除变性蛋白,防止其过度累积造成细胞坏死[17]。研究发现,除了HSF转录因子外,WRKY、MYB、NAC及ERF等转录因子也参与高温胁迫应答过程[18-19]。

对于月季而言,关于其高温响应相关基因及其分子调控机制的研究较为有限。ZHANG等[20]从月季中分离出首个热激蛋白RcHSP17.8,其基因可被高温、盐、干旱等胁迫快速强烈诱导,并锁定了启动子中响应高温胁迫的重要区域。JIANG等[21]从热敏感和耐热的月季中筛选出另一个热激蛋白RcHSP70,将其在烟草中异源表达表现出较强的耐热能力。除此之外,XU等[22]发现,月季真核翻译起始因子RceIF5A基因响应高温、氧化和渗透胁迫。ZHANG等[23]从月季中分离出由高温诱导的胚胎发育后期丰富蛋白RcLEA,证明其可能参与多种非生物胁迫中。LI等[24]对月季‘月月红’进行高温胁迫处理并在不同时间点采集叶片组织进行转录组测序,发现MYB、AP2/ERF、WRKY、NAC及HSF类转录因子在热胁迫过程中表达量发生了显著性变化,同时bHLH、AP2/DREB、C2H2、GRAS、ARF等类型转录因子也在高温处理后显著性上调或下调表达。上述研究表明,月季通过多个途径参与高温胁迫应答,但目前月季高温响应相关基因研究相对较少,仍需进一步挖掘和验证。

1.2 低温胁迫

1.2.1 低温胁迫下月季形态及生理生化适应性变化 低温影响植物生长发育、花芽分化及形成。降低温度能刺激植物腋芽和基部枝的萌发和生长,但容易引起花芽的败育,延缓花枝的发育速度,减少高品质花枝的数量[25]。对于月季,低温胁迫会抑制芽的萌发、影响花枝的生长速率和花朵品质。当温度低至12 ℃或日平均气温低于15 ℃时,月季会出现花瓣分化过多、短小而宽、向花心弯曲现象,严重时花朵中心变平及2心、3心等,形成“平头花”或花瓣颜色变黑。低温还会引起月季“盲花”现象,表现为枝条不能完成花的发育过程[26]。

在低温胁迫下,随着温度降低,月季中抗寒性较弱品种的叶片Chl呈下降趋势,而抗寒性较强的品种则具有一定的保护功能,Chl呈先上升后下降的趋势。可溶性蛋白含量呈现逐渐递增的趋势,可溶性糖含量则先增加后降低。MDA含量在不同月季品种中表现出不同趋势。抗寒性强品种中MDA的变化呈倒“S”型[27],这是因为低温使细胞膜脂过氧化作用增强,MDA含量增加,然后随着胁迫加剧,其细胞内较强的活性氧清除能力又会使MDA含量降低,最终达到相对较低的水平。而抗寒性较弱品种由于丧失了活性氧清除能力,随着低温胁迫的加剧MDA含量持续增加[28-29]。低温胁迫过程中,在月季方面抗寒性较弱品种过氧化氢酶(catalase,CAT)活性一直处于下降趋势,而抗寒性较强品种CAT活性都先小幅上升而后下降[30]。低温损坏了月季植株内的细胞,影响酶的合成,降低了POD的活性[31]。在低温胁迫环境中,月季叶片相对电导率含量明显增加,游离脯氨酸含量也有所增加[32]。这是月季为适应逆境提高细胞保水能力所致。

1.2.2 低温胁迫下月季响应分子水平变化 当植物遭受低温胁迫时,ICEs-CBF/DREB1s-CORs转录级联反应在感知上游低温信号和调控下游基因的表达中发挥重要作用。根据CBF是否参与转录,低温响应可分为CBF/DREB1依赖型和非CBF/DREB1依赖型途径。目前,CBF/DREB1依赖型的低温响应信号途径的转录调控、转录后调控及翻译后修饰方面研究较为透彻,然而其他不依赖于CBF/DREB1的低温响应信号途径尚缺乏深入研究[33]。在月季方面,翟俊峰等[34]从月季‘寒锦4号’中分离发现RhCBF基因,该基因可能在月季耐寒和耐盐中起调控作用。DOS等[35]分析月季低温胁迫下不同时间点的花芽转录组数据,发现134个基因上调表达,169个基因下调表达,其中共有8个基因在处理后不同时间点均显著性上调表达,1个基因在处理后不同时间点均显著性下调表达。DOS等[35]还发现,月季叶片中AP2/ERF类基因比在花芽中更迅速被低温诱导,这表明AP2/ERF类基因与月季低温响应密切相关,且月季营养组织相较于花器官能更早适应低温胁迫。目前,关于月季低温响应的相关研究更多集中在种质资源耐寒性评价和生理生化适应性变化等,而低温应答相关基因的挖掘及其功能分析和调控机制仍有待进一步深入。

2 光照胁迫对月季生长发育影响

月季为日中性植物,在光强满足的条件下,其开花时间对光周期相对不敏感。当光照条件不足时,月季生长不良,花色变淡、花量减少且花型较小[36]。在一定范围内光照越强,月季的光合速率越大,但是光照过强也会烧伤花瓣,影响切花品质。光照过多或过少都会形成光照胁迫并对月季产生不良的影响。

2.1 强光胁迫

2.1.1 强光胁迫下月季形态及生理生化适应性变化 当光照过强时,月季植株温度升高,花瓣和叶片中的水分蒸发和流失率上升,Chl和花青素含量下降,进而引起叶片焦黄、花瓣褪色、花瓣数量减少、花朵畸形率增加、观赏品质下降等[37]。PSⅡ在强光胁迫下产生光抑制,形成光合“午睡”现象,光合速率降低,抑制月季正常生长[38]。蓝光会引起月季光合速率下降,气孔导度、胞间CO2摩尔分数(Ci)上升,而Chl显著下降,Chla/b上升[39]。

2.1.2 强光胁迫下月季响应分子水平变化 强光胁迫会导致植物光抑制和体内ROS产生,进而对植物造成伤害。月季通过调节激素、光合作用和苯丙氨酸途径对强光做出反应,并且强光响应需要ABA和PIFs转录因子的参与[40]。蓝光/UV-A光感受器CRY1和UVR8对强光敏感,CRY1以一种不依赖叶绿体的方式参与其中,特别是CRY1的激活与ROS的形成相关,能够诱导细胞死亡[41]。此外,CRY1还通过COP1/SPA1/HY5依赖的方式诱导PAP1/PAP2的表达,促使月季产生花青素[42]。在过度光照处理之前,月季在蓝色/UV-A光下的生长表明,CRYs通过促进叶片中可溶性酚类化合物的积累,改善对强光胁迫的响应,提高光合效率[43]。UV-A和UVR8受体也显示了类黄酮积累的类似作用[44]。因此,下一步应以不同光感受器为研究对象,探究月季中相关化合物的积累在缓解强光胁迫的具体作用。

2.2 弱光胁迫

2.2.1 弱光胁迫下月季形态及生理生化适应性变化 当光照不足时,月季的开花时间延后,花产量减少,光合作用下降,茎长变短,花枝畸形[45]。在弱光胁迫下,同化产物供应不足,月季花枝败育率增大。花芽发育早期,高强度光照时间越短,越易发生花芽败育。随着弱光胁迫程度增加,月季的叶片厚度、花径大小和成花率均呈降低趋势,弱光处理还导致根部非结构性碳水化合物下降,抑制了月季的生长量和生活率[46]。弱光胁迫会引起月季中红色品种花瓣变蓝,黄色品种黄色减少,变色品种红色斑纹消失,这是因为弱光抑制花青素的合成,pH值上升,胡萝卜素含量减少;同时弱光胁迫还会导致粉色、红色、橙色品种花瓣黑化,特别是在不适宜的温度条件下,这种黑化现象更为严重[47]。月季腋芽的萌发与光照度及红光/远红光(R/FR)的值有关,R/FR值较低会抑制腋芽的萌发。叶幕中的腋芽通常不萌发,这是叶片吸收了部分透过的红光和R/FR值下降造成的。外施6-苄基腺嘌呤后会减缓弱光胁迫对月季植株的影响[48]。

弱光胁迫会改善月季叶片中的水分状况,但光合速率并未因此提升,使月季叶片中Chl和气孔限制值(Ls)上升,Pn、Tr、Gs和Ci降低[49]。研究显示,在遮阴条件下,月季的光饱和点和光补偿点、暗呼吸速率下降,表现出其对光照降低的生理适应机制;月季在弱光胁迫下叶片PSⅡ受到了明显伤害,其中光合作用原初反应过程受到抑制,光合电子传递受到影响[50]。弱光胁迫下细胞分裂素含量显著上升,而乙烯含量显著下降。随着光照度减弱,切花月季母枝最上部侧枝中的赤霉素类物质的活性随之降低,在下部侧枝中的活性降低更加明显,这些侧枝更易发生败育现象。光照不足,特别是在温室条件下,紫外线含量少,月季体内生长素含量增加,只利于茎的伸长而不利于开花[51]。这说明光照条件引起月季体内激素含量的变化,二者共同协作,从而改变月季生长发育进程。

2.2.2 弱光胁迫下月季响应分子水平变化 植物演化出一系列避免遮阴的策略,如下胚轴、茎和叶柄的伸长。然而过度的茎伸长对植物生长是不利的,因此,植物也同时进化出多种反馈调节机制以减弱避阴反应[52]。研究发现,远红光受体光敏色素A(phyA)通过促进生物钟核心组分的表达,抑制PIF4和PIF5的活性来共同限制植物在低R/FR条件下的避阴反应[53]。这暗示光信号与生物钟在胁迫条件下共同调控植物发育。红光受体光敏色素B(phyB)的失活可以激活bHLH转录因子PIFs(phytochrome interacting factors),并特异性介导植物的避阴反应。

研究发现,弱光下生长的月季比强光下生长的月季开花时间延迟14 d以上,株高和节间明显降低[45]。在弱光条件下,月季中RcPIF1、RcPIF3、RcPIF4在蛋白水平和转录水平都出现明显的积累,随即发现RcPIFs基因调控月季花期和株高的发育[45]。这与拟南芥中的PIFs类基因功能相似。另外,RcPIFs蛋白之间可以相互作用,并且同时与RcCO蛋白互作形成多元复合体,而光照强度通过改变该复合体的稳定性调控RcFT基因的转录水平和开花[45]。在模式植物中,对避阴反应的分子机制已进行了大量的研究,但是在月季中的研究仍然有限。光照不足是月季切花生产中面临的常见问题之一,补光能明显增加月季商品花枝的产量、减少盲枝形成[54-55],但是人工补光成本约占生产成本的10%～30%,制约中国月季产业提质增效[56]。因此,研究月季的光响应规律,挖掘光响应重要基因,可以为实现月季的精准补光和提高月季的光资源利用效率提供依据。

3 水分胁迫对月季生长发育影响

土壤水分是植物生长发育所必需的重要因素之一[57]。月季较为喜水,但又忌涝,设施生产时灌溉过多或者浇水不足都会对月季的产量和品质产生严重的影响。另外,随着气候和季节性降雨的影响,干旱和淹水胁迫频繁发生,导致露地栽培的月季生长减缓乃至死亡[58]。

3.1 干旱胁迫

3.1.1 干旱胁迫下月季形态及生理生化适应性变化 月季在失水条件下,枝条长度变短,鲜质量变轻,并且新枝的数量减小。严重的失水会降低月季花朵的质量,花瓣变短、花朵畸形,甚至花芽败育[59-60]。干旱胁迫通过影响叶片光合作用和呼吸作用,使植物的生长受到抑制。在干旱环境中,月季植物的光合速率受到气孔限制因素和非气孔限制因素的影响[61]。随着干旱胁迫的加重,Chl、Pn、Tr和Gs均呈逐渐降低趋势,月季植株中的水分利用率(WUE)先升高后降低,而Ci则呈先降后升趋势。干旱胁迫下,月季叶绿素荧光参数Fo升高,Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/Fo降低,Ci、非光化学淬灭系数(qN)和调节性能量耗散Y(Y(NPQ))上升,月季的Pn和Tr均表现为“双峰”形[37,61]。干旱胁迫在一定程度上提高了月季体内的抗氧化酶活性及渗透调节物质含量。随着干旱程度的增加,花青苷含量、SOD活性呈现下降后上升的趋势,植物体内的活性氧代谢失活,CAT活性出现了无规律变化[62]。因此,月季通过产生大量的抗氧化酶,来适应干旱胁迫。

3.1.2 干旱胁迫下月季响应分子水平变化 在干旱胁迫下,植物胁迫响应基因受多种信号的调节,胁迫信号通过不同的转导途径在植物体内传递[63]。响应干旱胁迫诱导的基因主要分为调控性基因、信号转导相关基因和功能性基因。其中,调控性基因,主要包括转录因子类基因,如AREB/ABFs、DREB、MYB、WRKY、NAC及bZIP等;信号转导相关基因如钙调蛋白基因、CDPK、MAPK基因等;功能性基因主要包括抗氧化酶基因、渗透调节因子合成酶基因、胚胎发育晚期丰富蛋白基因(LEA)、水通道蛋白基因(AQP)、热激蛋白基因(HSP)等[64-65]。上述基因通过复杂的网络共同参与植物干旱胁迫响应,以保证干旱条件下植物的正常生长发育。

在月季干旱胁迫研究中,ZHANG等[66]发现,月季水通道蛋白RhPIP2;1与膜系MYB蛋白RhPTM的相互作用,在平衡月季的生长和抗逆方面十分重要。LI等[67]发现,干旱处理后月季中的植物激素、信号转导和光合作用相关基因发生显著性变化,且发生了可变终止位点的剪切。干旱胁迫处理后月季叶片和根中的ABA和生长素含量发生了显著变化,ABA和生长素合成及信号转导相关基因也发生了显著性变化,如ABA合成相关基因NCEDs和信号转导基因PYR/PYL在月季干旱处理后显著性上调表达。JIA等[68]研究发现,月季植株通过离子通道蛋白等信号受体感知外部干旱刺激,并通过Ca2+、ROS和植物激素信号转导进行传递,且信号转导蛋白激酶和蛋白磷酸酶通过激活转录因子触发下游干旱响应基因的转录,从而调节细胞的稳态;该研究还分析了响应月季干旱的核心转录因子包括WRKY、MYB、NAC、ERF、ARF和bHLH等。此外,在月季失水胁迫研究中发现,RhNAC2、RhEXPA4、RhNAC3和RhABF2/RhFer1转录因子参与调节月季花瓣膨胀期间的脱水耐受性,其中RhNAC3转录因子可以通过正向调控渗透调节相关基因的表达和介导ABA信号传导来增强月季花瓣的脱水耐受性,RhABF2/RhFer1转因子则在失水条件下通过局部螯合游离铁离子来增强植物的脱水耐受力[69-71]。上述研究为进一步研究月季干旱调控网络提供依据。

3.2 水涝胁迫

3.2.1 水涝胁迫下月季形态及生理生化的适应性变化 土壤(基质)中水分过多、排水不良或积水,都会使月季根系通气不良、供氧不足,进而影响根系养分吸收,导致月季明显萎蔫、叶片脱落,甚至植株死亡。水涝胁迫显著降低了月季的根、茎、叶生物量与总生物量,而叶片中的可溶性糖含量增加[72]。在水涝胁迫条件下,月季植株内的MDA含量增加,而耐涝性较好的品种的MDA含量的增加会有不同程度的回落;逆境下月季中SOD活性降低,且随着胁迫程度加大,对SOD活性抑制作用越强,进而使脯氨酸氧化受阻;同时因为谷氨酸合成脯氨酸的速率增加,月季叶片游离脯氨酸累积;耐涝品种脯氨酸含量高于不耐涝品种,因此水涝胁迫后耐涝品种脯氨酸上升幅度较大[73-74]。

3.2.2 水涝胁迫下月季响应分子水平变化 水涝胁迫下植物通过调节其形态结构、能量代谢、光合作用、呼吸作用和内源激素等变化来响应胁迫,涉及植物激素合成及信号转导、基因表达和酶活性的变化等[75]。在水涝胁迫下,乙烯、脱落酸和赤霉素含量增加,细胞分裂素和生长素含量降低[76-78];糖酵解途径或与糖代谢相关的基因,如丙酮酸脱羧酶基因(pyruvate decarboxylase,PDC)、乙醇脱氢酶基因(alcohol dehydrogenase,ADH)等在水涝胁迫下显著性上调表达,而参与PSⅡ光捕获复合物的转化酶或编码叶绿素a/b结合蛋白的基因表达下调[79]。许多胁迫相关转录因子在水涝胁迫下表达水平也存在差异,如水涝胁迫下,ERFs和WRKYs转录因子表达上调,而单锌指 DNA 结合蛋白(DNA-binding with one finger,Dof)类转录因子表达下调[80]。下一步应在水涝胁迫对月季生理生态影响的研究基础上,进一步对月季水涝胁迫响应相关调控基因和功能基因进行挖掘。

4 盐胁迫对月季生长发育影响

月季主要在温室内栽培,但由于灌水频率高、蒸腾量大、化肥使用等问题使土壤中残存大量盐分,含盐量不断增加,对月季产生盐胁迫,影响代谢过程和光合效率[81]。

4.1 盐胁迫下月季形态及生理生化适应性变化

盐胁迫会抑制月季生长,导致植株矮化、存活率降低[82],叶片发黄、焦边、干枯甚至脱落,根系变黑、根活力下降,花量减少、花朵变小、观赏品质严重降低。随着盐胁迫程度增加,月季叶片含水量显著下降,根系含水量呈先下降后上升的趋势。当土壤中盐碱含量超过月季的耐受程度时,月季的光合作用受到显著抑制,表现为呼吸作用、光合速率降低;Tr、Gs、Fv/Fm、qP等显著下降,而Ci、qN和Y(NPQ)上升;叶片中叶绿素含量下降,其中下降趋势最明显的是叶绿素a,而叶绿素b含量在不同的月季品种间呈现出不同的变化[83]。盐胁迫在一定程度上提高月季体内的抗氧化酶活性及渗透调节物质含量,但随着盐胁迫的增加,酶活性和渗透调节物质的变化趋势则各不相同。为了维持细胞稳态的能力,Na+含量显著增加,且根部Na+含量都远高于叶片;同时,叶片中K+含量呈现整体上升趋势,而根部中K+含量随着盐胁迫时间的延长呈下降趋势;脯氨酸含量随着胁迫的加剧呈现出明显的上升趋势[84-85]。

不同月季品种在盐胁迫下表现出的耐盐性不同。根据耐受盐分极限程度,可将月季分为3类:致死质量分数≥0.5%为高抗类;致死质量分数在0.3%～0.4%为中抗类;致死质量分数≤0.2%为低抗类。研究结果显示,氯化钠浓度为0.6 mol·L-1时,各月季品种的受害速率适中,盐害指数差异大且相对稳定,可作为筛选月季耐盐品种的最佳质量浓度[86]。适宜浓度的外源褪黑素处理可显著降低盐胁迫下月季叶片的相对电导率和MDA浓度,同时显著提高可溶性蛋白质、抗坏血酸和脯氨酸的质量分数,以及SOD、POD和CAT的活性,从而抑制活性氧的积累,防止膜脂过氧化,提高耐盐性[87]。外施水杨酸和茉莉酸甲酯提高了月季叶片中叶绿素含量及叶片和根系中脯氨酸含量,使MDA含量降低,且茉莉酸甲酯的缓解效果优于水杨酸[88]。盐胁迫下外源喷施独脚金内酯(rac-GR24),可减轻叶片受害程度,降低叶片中叶绿素的损耗速率及相对电导率,缓解盐胁迫对月季的伤害[89]。

4.2 盐胁迫下月季响应分子水平变化

植物对盐胁迫的感知,是通过盐超敏感(salt overly sensitive,SOS)信号转导途径、ROS信号途径、ABA信号途径等响应并适应盐胁迫[90-91]。植物主要通过Ca2+依赖的SOS通路来响应盐胁迫,该通路负责Na+在细胞内的外排,对于植物Na+/K+稳态的调节至关重要[19]。盐胁迫的诱导通过Ca2+信号使植物体内产生ROS,在ROS浓度较低时可以作为一种信号激活盐胁迫的响应,ROS引起细胞内高氧化状态从而改变一些转录因子的表达活性,调控响应胁迫基因的表达。盐胁迫可以通过诱导酶清除剂或者无酶清除剂来降低ROS含量[92]。此外,盐胁迫会通过Ca2+信号和ROS信号增加植物细胞中ABA的合成,进而激活ABA信号通路相关基因的表达从而调控气孔的开闭在生理上响应盐胁迫[79]。部分AP2/ERF、MYB、WRKY和NAC等转录因子的表达水平受盐碱胁迫的诱导,通过调控ROS途径、SOS途径或者ABA信号途径等,在响应盐碱胁迫中发挥重要作用[93-94]。

在月季中,TIAN等[95]对盐胁处理后的月季耐盐品种‘Tineke’和盐敏感品种‘Hiogi’进行分析,结果发现,2个品种之间的耐盐强弱主要是植物激素信号转导和谷胱甘肽代谢2条途径中基因表达差异引起的,其中,ABA信号通路是月季参与盐胁迫响应的主要途径。TIAN等[95]还发现,在‘Tineke’中,基因SnRK2、ABF、HSP、GSTs和GSH1在盐胁迫下表现出较高的转录水平,这些基因被认为是耐盐的标志基因。JIANG等[96]从月季中分离出RhMYB96基因,该基因可以显著增强转基因植株的耐盐能力,推断其通过调控ABA途径调节植物的耐盐性。包颖等[97]从月季‘月月粉’中分离出响应盐处理的R2R3型MYB转录因子RcMYB102,并推测可能与水杨酸和茉莉酸信号转导途径相关并在月季响应盐胁迫中起一定作用。SU等[98]鉴定了月季中新的受盐胁迫诱导的basic helix-loop-helix家族转录因子Ⅺ亚族成员RcbHLH59,并首次揭示了月季中新的适应高盐胁迫的调控路径,即RcbHLH59通过调控RcPR4和RcPR5基因的表达,调节胼胝质的累积,进而促进Na+/K+平衡获得耐盐性。而在月季近缘种玫瑰中,相继分离出盐胁迫响应相关基因RrNHX1、RrVHA-c及RrLBDs,但这些基因功能还有待进一步验证[99]。目前,对月季耐盐性的研究仍主要集中在形态和生理水平上,而在分子水平上对月季耐盐分子机制的解析和耐盐基因的挖掘仍待深入。上述研究表明,一些转录因子在响应盐胁迫的信号转导过程中充当胁迫信号和相关基因之间的桥梁,通过接收上游信号并调控下游抗性相关基因的表达来调控月季的耐盐性。此外,相关研究可以对从月季近缘种入手并进行对比,以获得新的方向。

5 重金属胁迫对月季生长发育影响

当重金属含量超过植物的承受范围时就会对植物产生毒性,抑制或破坏植物酶系统,诱导植物产生毒性症状,抑制植物生长发育,严重时会造成植物死亡[100]。研究发现,月季对多种重金属元素具有富集能力,如彩虹月季对镉(Cd)、铅(Pb)表现出一定的抗逆性,可以用作园林绿化和修复[101]。

5.1 重金属胁迫下月季形态及生理生化适应性变化

重金属中镉(Cd)、铅(Pb)毒性强,危害大,在环境污染的理论研究和治理实践中备受关注。月季在重金属胁迫方面研究也主要集中在Cd、Pb胁迫[102]。栽培基质中不同浓度的Cd、Pb对月季生长发育起到不同程度的抑制作用。当出现Cd、Pb胁迫时,月季叶片黄化、叶面积减小、植株矮化、根的形成受到抑制。因此,月季植株生长的抑制程度与Cd、Pb胁迫程度呈正相关。

低浓度的Cd、Pb胁迫在一定程度上会使叶片中SOD的活性上升,而在高浓度胁迫中则显著降低。MDA含量会随着Cd、Pb胁迫程度的增加而增加。虽然抗氧化酶活性在胁迫条件下有一定程度增加,但是植株的细胞膜仍会受到伤害。月季的根系活力在低浓度Cd、Pb胁迫中有一定程度上升,但随胁迫浓度增加,根系活力也显著下降。叶片中的脯氨酸含量随着Cd、Pb胁迫程度明显增加。此外,Cd、Pb胁迫通过气孔限制和非气孔限制2种因素,抑制月季叶片光合作用,且处理浓度越高抑制作用则越明显。月季‘大游行’‘奥赛娜’‘第一夫人’在胁迫条件下Pn、Gs和Ci值同时下降,这是由气孔因素引起光合速率降低;而月季‘伊丽莎白女王’‘维西利亚’‘彩虹’的Pn值在胁迫条件下降低,而Ci值则在一定程度上提高,这是非气孔因素即细胞光合特性下降引起的光合速率降低所致[103]。光合速率影响了月季的生长、产量和观赏品质。月季的茎、叶对Cd具有一定的富集能力,茎、叶、花对Cd具有一定的转运能力;月季的茎、叶对Pb都具有一定的转运能力。根据Cd、Pb的富集、转运能力、胁迫适应性和萃取情况,月季可作为碱性耕地土壤Cd、Pb复合污染的修复植物推广应用。不同月季品种对重金属Cd、Pb的胁迫适应性有显著的差异。月季‘维西利亚’和‘彩虹’对Cd胁迫的反应比较稳定,‘歌林娇红’(‘Colin Kelly’)对Pb胁迫环境的适应性较强,而‘歌林娇红’(‘Colin Kelly’)和‘御用马车’(‘Parkdirektor Riggers’)则对Cd、Pb复合胁迫环境的适应能力均较强[103]。选育优良的重金属污染修复月季品种并解析植株耐受和富集重金属的潜在机制,对于通过观赏植物修复土地重金属污染问题具有重要意义。不同品种的月季对重金属的富集与转运及其生理响应有待于进一步研究。

5.2 重金属胁迫下月季响应分子水平变化

植物是重金属进入食物链主要途径[104]。植物一方面阻止根部吸收重金属或者减少重金属向地上部的运输,另一方面不断调整生长状态以维持各种生理生化过程的正常运行来提高对重金属的耐受性[105]。植物通过将重金属滞留在细胞壁间或代谢活性较低的液泡内以缓解重金属对原生质的毒害作用。例如细胞壁中的果胶可以积累固定重金属,防止其进入原生质;当重金属进入原生质后,植物螯合肽通过与重金属发生螯合作用,将重金属变为无毒的螯合物,然后转运蛋白通过将重金属螯合物转运至代谢活性较低的液泡内或者将重金属排出,缓解重金属对原生质的毒害作用[106]。拟南芥ATP-binding cassette transporters (ABCC1和ABCC2)可以将重金属螯合物Cd-PCs和As-PCs转运到液泡内,在重金属Cd和砷的解毒过程中发挥着重要的作用[107]。对于月季而言,当重金属毒害发生之后,月季启动抗氧化系统,如上调抗氧化酶类基因的表达水平来提高抗氧化酶活性,加速ROS的清除,以缓解ROS对细胞造成不可逆的伤害。由于重金属胁迫能够以渗透胁迫的形式传递到细胞受体,因此,月季通过各种信号转导系统引起胞内网络级联反应的响应,诱导抗逆相关调控基因和功能基因的表达,加速激素、酶、次生代谢物等的合成,减轻重金属胁迫的危害[108]。但是,目前尚未对月季各信号传导系统在重金属胁迫响应中的机制进行具体分析,因此需要深入研究。

6 存在问题与展望

目前,对月季的非生物胁迫研究多集中在胁迫条件下月季形态变化、生理生化响应、部分抗性基因的挖掘和验证及月季抗逆性评价和育种工作,月季非生物胁迫响应相关的分子调控机制的研究相对较为滞后。由于环境因子的复杂性和多变性,植物在面临环境胁迫时所产生的影响仍需要更多关注和深入研究。随着月季基因组的公布及多组学的快速发展,将不同组学技术整合到一起,将分子信息与植物表征变化联系到一起,对植物响应非生物胁迫过程中的表型、基因、转录、蛋白和代谢水平的变化进行全面深入解析,从而更好了解月季应答非生物胁迫的分子调控网络,也为挖掘月季非生物胁迫响应的关键功能基因提供参考。随着月季转基因技术的成熟,利用分子技术育种为定向创制新优月季品种提供技术支持。此外,传统杂交育种仍然是现代月季改良的重要手段,收集国内外新优月季种质资源,开展适宜切花和景观应用的新优高抗月季新品系选育工作,既能丰富月季品种以满足鲜切花市场和园林需求,又能降低栽培和养护管理的成本。综上,深入研究月季的非生物胁迫应答机制,通过杂交育种或者分子育种提高月季的切花质量和观赏品质、降低月季维护成本和扩大月季应用范围,具有重要的理论和实践意义。