植物抗旱性的生理基礎(chǔ)

植物抗旱性的生理基礎(chǔ)

干旱是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育、遺傳因素、分布和產(chǎn)量的重要因素之一，嚴(yán)重限制了作物的大規(guī)模種植。植物對(duì)干旱的適應(yīng)能力不僅與干旱強(qiáng)度、速度有關(guān),而且更受其自身基因的調(diào)控。在一定干旱閥值(droughtthreshold)脅迫范圍內(nèi),很多植物能夠進(jìn)行相關(guān)抗旱基因的表達(dá),隨之產(chǎn)生一系列生理、生化及形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的變化,從而顯現(xiàn)出抗旱性的綜合性狀。因此,從植物本身出發(fā),深入研究植物的抗旱機(jī)理,揭示其抗旱特性,提高植物品種的抗旱耐旱能力,以降低作物栽培的用水量,同時(shí)最大程度提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì),科學(xué)選育適宜廣大干旱、半干旱地區(qū)種植的優(yōu)良作物品種,已成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者們所特別關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)于水資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境的改善均有著重要的意義。干旱作為植物所遭受的所有非生物脅迫中損害最為嚴(yán)重的不利因素,直接影響世界農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明:中國(guó)農(nóng)田耗水量大約占全國(guó)總耗水量的80%,而中國(guó)受旱農(nóng)田面積由20世紀(jì)70年代的1134萬(wàn)hm2增長(zhǎng)到90年代的2667萬(wàn)hm2,全國(guó)農(nóng)田灌溉區(qū)每年缺水量約300億m。目前,生存資源、環(huán)境與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾日益突出,這就要求人們更應(yīng)高度重視農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)過(guò)程中作物逆境生物學(xué)的基礎(chǔ)研究。1干旱威脅對(duì)植物生長(zhǎng)指標(biāo)的影響1.1保證植物根系的分布植物根系的活力是體現(xiàn)植物根系吸收功能、合成能力、氧化還原能力以及生長(zhǎng)發(fā)育情況的綜合指標(biāo),能夠從本質(zhì)上反應(yīng)植物根系生長(zhǎng)與土壤水分及其環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系,因此,保證一個(gè)深層、分散、具有活力的根系是植物耐旱避旱的重要因素之一。有研究表明:當(dāng)植物生長(zhǎng)受到干旱脅迫時(shí),高羊茅(Festucaarundinacea)的根死亡率升高,其中土壤表層的根死亡率最高。當(dāng)土壤含水量低于一定程度時(shí),隨著脅迫時(shí)間的增長(zhǎng),根系活力逐漸不足以維持生命而使植物不可逆轉(zhuǎn)地徹底死亡。由此可見(jiàn),根系活力和土壤的相對(duì)含水量與植物的抗旱性密切相關(guān)。1.2抗旱性與土壤特性的關(guān)系水是植物的血液,其含量一般占組織鮮重的65%~90%。葉片的相對(duì)含水量(RWC)表征植物在遭受干旱脅迫后的整體水分虧缺狀況,反映了植株葉片細(xì)胞的水分生理狀態(tài)。因此,RWC常常是被用來(lái)衡量植物抗旱性的生理指標(biāo)。RWC比單純的含水量更能較為敏感地反映植物水分狀況的改變,在一定程度上反映了植物組織水分虧缺程度。在干旱脅迫條件下,土壤中的可利用水減少,導(dǎo)致根系吸水困難,相對(duì)含水率降低。任麗花等對(duì)圓葉決明的研究對(duì)此做出了證明:圓葉決明34721和86134的RWC與土壤相對(duì)含水量之間均呈正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.9458和0.9744。高涵、葛體達(dá)等的研究結(jié)果也同樣證明了這一點(diǎn)。余玲、王彥榮等以國(guó)內(nèi)外20個(gè)優(yōu)良紫花苜蓿為材料的研究結(jié)果表明:抗旱性強(qiáng)的品種在干旱脅迫下牧草產(chǎn)量高。葉片保水能力強(qiáng),相對(duì)含水量也隨干旱脅迫呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。2水分脅迫對(duì)植物生產(chǎn)的影響綠色植物的光合作用是自然界中規(guī)模最大的碳素同化作用,是植物物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量形成的重要生理過(guò)程,同時(shí)也是受水分脅迫影響最為顯著的生理過(guò)程之一。沒(méi)有水,光合作用就無(wú)法進(jìn)行。2.1水量降低而下降葉片光合產(chǎn)物是各器官生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ),凈光合速率直接反應(yīng)出單位葉面積的物質(zhì)生產(chǎn)力,從理論上講它是衡量植物生物生產(chǎn)量水平的可靠指標(biāo)。路丙社等對(duì)阿月渾子(PistaciaveraL.)葉片光合特性的研究表明:光合速率和蒸騰速率隨著土壤相對(duì)含水量的降低而下降。干旱脅迫下,光合速率的下降是氣孔限制和非氣孔限制雙重作用的結(jié)果,輕度干旱脅迫下(土壤相對(duì)含水量60%~40%)氣孔限制是光合速率下降的主要原因,而嚴(yán)重干旱脅迫下(土壤相對(duì)含水量20%)非氣孔因素是光合速率下降的主要原因。國(guó)內(nèi)外研究表明,水分脅迫條件下非氣孔限制因素除了表現(xiàn)為表觀量子效率和RUBP羧化酶效率下降外,還表現(xiàn)在電子傳遞速率下降、光合磷酸化、解鏈等光化學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程的調(diào)整,而這些變化過(guò)程的直接表現(xiàn)就是“光抑制”的發(fā)生,干旱脅迫明顯降低了植株的凈光合速率。應(yīng)朝陽(yáng)等研究表明:干旱脅迫下,草坪草的根、莖、葉均會(huì)表現(xiàn)出一定的生態(tài)適應(yīng)性,會(huì)發(fā)生葉片蒸騰和光合作用的減弱。劉惠芬、高玉葆等對(duì)不同種群羊草的研究結(jié)果表明:干旱脅迫下,光合速率均有降低趨勢(shì),且不同品種的凈光合速率變化差異顯著。2.2干旱脅迫對(duì)葉片光合指標(biāo)的影響葉綠體是綠色植物葉片進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所,主要利用葉綠素進(jìn)行光能吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換,葉綠素在植物體內(nèi)是不斷進(jìn)行代謝的,與作物光合作用及產(chǎn)量形成的關(guān)系密切。葉綠素是光合作用中最重要和最有效的色素,其含量在一定程度上能反映植物同化物質(zhì)的能力,從而影響植物的生長(zhǎng)。植物缺少水分會(huì)抑制葉綠素的生物合成,而且與蛋白質(zhì)合成受阻有關(guān),嚴(yán)重缺水還會(huì)加速原有葉綠素的分解,因此植物在遭受干旱時(shí),葉片呈黃褐色。陳少裕等研究表明:干旱脅迫下,膜脂過(guò)氧化作用引起植物細(xì)胞內(nèi)葉綠素合成受阻,降解加快,其含量迅速下降。韓瑞宏等對(duì)紫花苜蓿的研究結(jié)果表明:干旱脅迫下紫花苜蓿葉片凈光合速率(P)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(G)、葉綠素含量(Chl)都有不同幅度的下降;葉綠體超微結(jié)構(gòu)遭到破壞。相比而言,抗旱性強(qiáng)的苜蓿隨干旱脅迫程度的加深,凈光合速率下降較慢,葉綠體的外形及基粒結(jié)構(gòu)受到的影響較小。3干旱威脅對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中氮代謝的影響3.1干旱脅迫對(duì)nr活性和作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響硝酸還原酶(nitratereductase,NR)可催化植物體內(nèi)的硝酸鹽還原成亞硝酸鹽,是硝酸鹽同化中第一個(gè)酶,也是限速酶。作為植物氮代謝的關(guān)鍵酶,其活性大小反映了作物對(duì)氮素的利用速度,水分脅迫下NR活性和作物生長(zhǎng)發(fā)育有密切關(guān)系。對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響。在正常情況下,植物物體內(nèi)一般不會(huì)發(fā)生硝酸鹽積累。但在干旱條件下,由于水分脅迫減弱了酶的合成速度導(dǎo)致植株中硝酸鹽積累過(guò)多,從而發(fā)生毒害作用。葸玉琴等研究表明:干旱脅迫會(huì)使NR活性急劇降低,抗旱品種的NR活性高于不抗旱品種。李君等對(duì)馬蹄金的研究也得到了相同的結(jié)論。3.2干旱脅迫對(duì)植物抗旱性的影響在外界逆境(高溫、干旱、鹽堿、病蟲(chóng)害等)脅迫下,植物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)合成常常會(huì)受到影響(通常為抑制)。在干旱條件下,植物體內(nèi)代謝產(chǎn)生變化與調(diào)整,引起活性氧的積累,進(jìn)而導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化和蛋白質(zhì)(酶)、核酸等分子的破壞,植物自身為了避免脅迫造成的傷害,會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生某些抗逆性蛋白質(zhì)。例如干旱誘導(dǎo)蛋白的形成就是植物抵御干旱脅迫的主動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制,這些新增蛋白質(zhì)的種類(lèi)及含量與植物抗旱性密切相關(guān)。其中LEA蛋白大多是具有較高的水合能力的親水性蛋白質(zhì),干旱脅迫誘導(dǎo)LEA基因的表達(dá)以維持細(xì)胞特定結(jié)構(gòu)尤其膜結(jié)構(gòu),防止水份散失,以緩解環(huán)境脅迫的作用。有研究證明,抗旱性不同的植物品種在受到干旱脅迫時(shí),其誘導(dǎo)蛋白的形成存在差異。陳忠等研究表明:可溶性蛋白質(zhì)與調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透勢(shì)有關(guān),抗旱性越強(qiáng)的植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)含量越高。高含量的可溶性蛋白質(zhì)有助于維持植物細(xì)胞較低的滲透勢(shì)水平、增強(qiáng)耐脫水能力、保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)并且延緩衰老,以抵御干旱脅迫引起的傷害?？悼∶返葘?duì)牧草苜蓿葉片的研究結(jié)果表明:可溶性蛋白質(zhì)含量的變化與干旱脅迫的強(qiáng)度有直接關(guān)系,隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加,某些可溶性蛋白質(zhì)的變化在量上表現(xiàn)為先增多后減少的趨勢(shì)。3.3干旱脅迫對(duì)植物生態(tài)特性的影響干旱條件下,增強(qiáng)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力的關(guān)鍵是細(xì)胞中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的主動(dòng)積累。脯氨酸(proline,Pro)是在植物組織內(nèi)是作為一種理想的滲調(diào)物質(zhì)和防脫水劑,受到了廣泛的關(guān)注。其具有分子量低、高度水溶性,在生理pH范圍內(nèi)無(wú)靜電荷及低毒性等特性以游離狀態(tài)存在于植物體中,并通過(guò)調(diào)節(jié)降低細(xì)胞水勢(shì)并保持膨壓,并在清除ROS、增強(qiáng)抗氧化能力、穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞酸性以及解除氨毒等方面起重要作用。李昆和曾覺(jué)民及周嬋等的觀點(diǎn)得到很大一部分研究的證明,即盡管以脯氨酸作為抗旱鑒定的一項(xiàng)生理指標(biāo)對(duì)各種植物進(jìn)行量度有一定的局限性,但作為某些植物在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)體內(nèi)生理變化一個(gè)比較敏感的參數(shù),仍不失為一個(gè)有重要意義的依據(jù)。已有的研究表明,干旱條件下牧草(如苜蓿、羊草等)體內(nèi)游離脯氨酸含量隨脅迫強(qiáng)度的增加和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)有不同程度的增加。通過(guò)近些年在不同植物上的研究,普遍認(rèn)為抗性強(qiáng)的植物品種積累脯氨酸的能力強(qiáng),陳亞鵬等的研究表明:植物體內(nèi)的脯氨酸含量與抗旱性之間存在密切關(guān)系,其含量隨干旱脅迫的加深而積累。這些累積的脯氨酸通過(guò)質(zhì)量作用定律進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),以維持細(xì)胞一定的含水量和膨壓勢(shì),從而增強(qiáng)植物的抗旱能力和抗逆性,是植物對(duì)干旱逆境的一種抵御機(jī)制和維持自身正常生命活動(dòng)的生理調(diào)節(jié)方式。4植物對(duì)脅迫的反應(yīng)在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,植物形成了受遺傳性制約的逆境適應(yīng)機(jī)制。氧代謝在這些適應(yīng)性機(jī)制中占據(jù)重要位置,是植物對(duì)逆境脅迫的最基本的反應(yīng)。大量研究表明:干旱誘導(dǎo)的膜脂過(guò)氧化是造成植物細(xì)胞膜受到損傷的關(guān)鍵因素,而膜損傷又是導(dǎo)致植物組織傷害和衰老的重要誘導(dǎo)因素,但植物在遭受水分脅迫時(shí)可以啟動(dòng)保護(hù)酶系統(tǒng)來(lái)有效地防御和清除自由基,保護(hù)細(xì)胞免受氧化傷害。4.1抗氧化酶系統(tǒng)保護(hù)作用植物體在正常代謝過(guò)程中,通過(guò)多條途徑和多個(gè)部位產(chǎn)生活性氧自由基,直接或間接啟動(dòng)膜質(zhì)的過(guò)氧化作用,從而導(dǎo)致膜的損壞,植物細(xì)胞在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成了防御活性氧的離子毒害的保護(hù)酶系統(tǒng)。即:超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)等各種酶類(lèi),以維持植物體內(nèi)活性氧離子代謝的動(dòng)態(tài)平衡。這些保護(hù)酶在超氧自由基、過(guò)氧化氫、過(guò)氧化物以及阻止或減少羥基自由基形成等方面起重要的作用,且CAT、SOD對(duì)脂質(zhì)過(guò)氧化引起的DNA損傷有一定程度的保護(hù)作用。酶活性越高,植物的抗逆性越強(qiáng)。植物在逆境條件下的保護(hù)酶系統(tǒng)活性的變化,已廣泛用于植物對(duì)逆境反應(yīng)機(jī)理的研究。正常情況下,植物體細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生的清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。但是當(dāng)植物處于逆境條件下(如強(qiáng)光、干旱、鹽堿、高溫、霜凍、缺素等)及衰老時(shí),根據(jù)生物自由基傷害學(xué)說(shuō),植物細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生和清除代謝的平衡受到破壞,使活性氧自由基的產(chǎn)生占據(jù)主導(dǎo)地位從而導(dǎo)致自由基含量過(guò)多積累且超過(guò)閾值,進(jìn)而引發(fā)或加劇了細(xì)胞的膜脂過(guò)氧化,給植物體造成傷害。Herouart等研究指出:在干旱脅迫下,苜蓿中活性氧產(chǎn)生于自身與其根瘤菌的共生體系形成的最初階段,在侵染的細(xì)絲上可以發(fā)現(xiàn)氧自由基和過(guò)氧化氫,在幼苗的根瘤上可以發(fā)現(xiàn)氧化氮,隨著抗氧化防御體系的減弱,苜蓿根生突變體將會(huì)對(duì)根瘤造成傷害。4.2干旱脅迫對(duì)植物膜脂透性和抗氧化活性的影響SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的最重要的保護(hù)酶之一,當(dāng)外界脅迫導(dǎo)致產(chǎn)生大量的活性氧自由基時(shí),SOD能夠及時(shí)有效地清除活性氧自由基,保護(hù)植物細(xì)胞免受脅迫所帶來(lái)的傷害,維持氧代謝的平衡。POD也是植物體抗氧化酶系統(tǒng)中重要的酶類(lèi),當(dāng)植物受到水分脅迫時(shí),可誘導(dǎo)葉片內(nèi)POD活性升高,從而起到保護(hù)生物膜的作用。許桂芳等對(duì)干旱脅迫下兩種過(guò)路黃的抗性生理生化的研究表明:在干旱脅迫下,超氧化物歧化酶和過(guò)氧化物酶的活性均出現(xiàn)了先上升后降低的趨勢(shì)。楊青川、耿華珠等的研究證明:苜蓿的抗旱性等生理學(xué)特征與POD活性相適應(yīng)。CAT是植物體內(nèi)重要的抗氧化保護(hù)酶,在干旱脅迫條件下,水分的缺失可誘導(dǎo)植物葉片內(nèi)CAT活性的增強(qiáng),加速了對(duì)H2O2的分解,進(jìn)而避免羥基自由基的生成,一定程度上減緩了植物細(xì)胞的膜質(zhì)過(guò)氧化。MDA是植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的主要產(chǎn)物之一,并且是最終分解產(chǎn)物,在干旱脅迫時(shí),植物體內(nèi)活性氧自由基大量產(chǎn)生,進(jìn)而引發(fā)或加劇了膜脂過(guò)氧化產(chǎn)生丙二醛,造成植物細(xì)胞膜系統(tǒng)受到破壞。大量研究表明,干旱誘導(dǎo)的膜脂過(guò)氧化是造成植物細(xì)胞膜受到損傷的關(guān)鍵因素。王洪春研究認(rèn)為膜系統(tǒng)是干旱傷害的最初且關(guān)鍵的部位,MDA對(duì)細(xì)胞具有很強(qiáng)的毒性,能夠嚴(yán)重破壞膜和細(xì)胞中的許多生物功能分子,如蛋白質(zhì)、核酸以及酶等,并且參與破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能,其含量的高低和細(xì)胞膜脂透性的變化作為重要的生理生化指標(biāo),反映了植物受到干旱脅迫后細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的強(qiáng)弱和細(xì)胞質(zhì)膜被破壞的程度,且隨脅迫強(qiáng)度的增加及時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。對(duì)兩種草坪草的研究結(jié)果表明:MDA的含量隨著干旱脅迫程度或干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而升高,其含量在脅迫初期上升較慢,但達(dá)到一定程度后迅速增長(zhǎng)。在嚴(yán)重干旱脅迫下,丙二醛的含量越高表明物種的抗旱性越弱。劉國(guó)花對(duì)干旱脅迫下辣椒的生理機(jī)制的研究表明:在嚴(yán)重干旱脅迫下,丙二醛的含量越高表明物種的抗旱性越弱。莫紅等對(duì)大豆苗期葉片的研究表明:隨著干旱脅迫程度的加強(qiáng),質(zhì)膜透性和MDA含量逐漸增加,同時(shí)具有較高的SOD、CAT和POD活性。應(yīng)朝陽(yáng)等對(duì)多年生落花生的研究表明:隨著土壤干旱脅迫的加劇,多年生落花生莖葉的超氧陰離子自由基和MDA的含量、質(zhì)膜透性以及SOD和POD的活性均有不同程度的上升。張永清等對(duì)小麥的研究和劉艷等對(duì)香根草的研究同樣也對(duì)此做出證明。5利用現(xiàn)代生物基因組織技術(shù)進(jìn)行干旱脅迫的研究干旱脅迫常常影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育,造成作物嚴(yán)重減產(chǎn),對(duì)農(nóng)作物造成損失在所有的非生物脅迫中占首位,僅次于病蟲(chóng)害造成的損失。隨著淡水資源的日益匱乏,干旱已經(jīng)成為全球各國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。因此,深入了解干旱脅迫對(duì)植物的傷害機(jī)理及植物細(xì)胞對(duì)干旱脅迫的應(yīng)答反應(yīng)愈來(lái)愈成為國(guó)內(nèi)外植物生理學(xué)專(zhuān)家學(xué)者關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。從目前對(duì)干旱脅迫下作物生長(zhǎng)的研究進(jìn)展看來(lái),作物對(duì)缺水環(huán)境會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的適應(yīng)和抗旱機(jī)制。隨著分子和基因組時(shí)代的到來(lái),近年來(lái)對(duì)植物抗旱性的研究也已經(jīng)深入到了分子水平,在植物抗旱生理方面的研究也已經(jīng)取得了較大的成就。許多與脅迫相關(guān)的基因及其調(diào)控因子已通過(guò)現(xiàn)代基因分離技術(shù)得到鑒定,并且利用各種現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)成功克隆出一批能有效地提高植物的滲透調(diào)節(jié)能力、增強(qiáng)植物的抗逆性的基因。例如各種經(jīng)脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的大量調(diào)控性