苜蓿秋眠性調控機理的初步研究

樊文娜,嚴學兵,王成章

（河南農業大學牧醫工程學院,河南 鄭州 450002）

苜蓿（Medicagosativa）的秋眠性（fall dormancy）是苜蓿在秋季因日照長度變短和氣溫下降時的一種適應性生長特性,這種生長特性與植物的抗寒性和生產性能相關[1-3]。

隨著對苜蓿生產區域化的要求,在苜蓿秋眠性的遺傳、生理生化以及秋眠性測定和不同秋眠苜蓿的生產力等方面都取得了一定的成果[4-5],進入分子基因工程技術階段[6],對苜蓿秋眠性的研究日益加深,但對苜蓿秋眠性的分子調控機理研究報道很少[7]。

1 植物的休眠

休眠是植物必須經歷的生長階段,若不能完成正常休眠過程,影響植物下一階段的生長發育。研究者[8]將越冬植物的休眠分為抑制性休眠（para-dormancy）、內生性休眠（endo-dormancy）和生態休眠（eco-dormancy）3種類型（圖1）。休眠的誘導作為休眠開始的前提,是一個漸進過程,有研究表明是由枝梢基部之上開始的在葉腋部分逐漸形成休眠芽而進入休眠[9]。苜蓿的秋眠屬于內生性休眠,也叫真休眠。植物的休眠在生理方面有著廣泛的研究[10-12],但目前國內國外關于植物休眠的分子水平調控機理、基因表達等方面的研究非常少。

2 苜蓿秋眠性

圖1 植物不同季節條件下的生長與休眠

2.1 苜蓿秋眠性苜蓿秋眠性是苜蓿的一種生長特性,即在北緯中高緯度地區,秋季光照減少和氣溫下降,導致苜蓿的形態類型和生產性能發生變化[13],已經證明不同苜蓿品種對低溫和短日照的反應有差異,據此可將其分為秋眠（fall dormancy,1-3級）、半秋眠（semi-fall dormancy,4-6級）和非秋眠（non-fall dormancy,7-9級）3種類型[14-15]。苜蓿品種的秋眠習性與其再生能力、潛在產量特別是耐寒性高度相關。秋眠型苜蓿抗寒性強,但產量相對較低,再生較慢；非秋眠型苜蓿品種抗熱抗病性強,產量高,再生快,但耐寒性差；半秋眠型苜蓿品種介于兩者之間。

李向林和萬里強[3]認為苜蓿的秋眠性與環境脅迫因素誘導的休眠有著本質的不同。一般意義上的休眠發生在逆境脅迫條件下,如寒冷或干旱等引起的苜蓿休眠。對于具秋眠性的苜蓿品種而言即使不存在任何環境脅迫,也會出現秋眠的現象,因為秋眠是由日照長度的變化控制的,而不是低溫、干旱等環境脅迫。當環境溫度不斷下降時,有些苜蓿品種會出現冬眠現象,從而抵御寒冷天氣的脅迫。不論日照長短,具有抗寒基因的苜蓿品種都會出現冬眠反應,而氣溫一旦回升,就會打破冬眠而恢復生長。當苜蓿遭受干旱脅迫時,同樣會出現干旱休眠。干旱休眠期間,苜蓿基本明顯處于生長停滯狀態,而旱季一過,休眠很快解除,又迅速恢復生長,這顯然定義苜蓿秋眠只和日照長度及光周期敏感度有關,與溫度等環境因素無關,但研究發現光照和溫度調控植物的休眠[16-18],秋眠是苜蓿應對環境變化的一種特殊休眠方式,是光照、溫度等多種因素共同作用的結果,目前國內外研究都支持這一結論[18-21]。

2.2 光周期、光敏色素與休眠現象光周期被廣泛認為是誘導休眠的重要因子之一,有報道證實短日照能明顯抑制草莓（Fragaria ananassa）、蓮（Nelumbo nuci f era）等多種草本植物的生長[22-23]。光周期效應是生物對光與黑暗交替的24 h循環過程作出的反應[24]。光周期現象1920年被發現,但直到1959年光敏色素被發現以后,人們才真正從內部生理和分子水平來解釋植物的光周期現象。而且,進一步的實驗證明,光周期不僅能影響到植物的開花,而且還能影響到色素的形成、葉子的脫落、種子的休眠等一系列生理過程,童哲等[25]曾證明光敏色素通過光周期參與調節光敏稻的雄性器官發育。

Devlin等[26]利用突變技術,發現擬南芥（Arabidopsisthaliana）的光敏色素 E（PHYE）缺失突變體的開花時間提前,而且,它也減弱了幼苗的光敏色素A（PHYA）、光敏色素B（PHYB）對遠紅光的反應。Kretsch等[27]發現,PHYB的一個亞中心是高度保守的,這個亞中心的一個氨基酸發生了交換,這個突變株表現出對持續紅光的敏感性,在短日照條件下,其表型發生了改變。最近的研究表明,擬南芥的PHYB突變體開花提早,光敏色素D（PH YD）能通過控制開花時間來控制植物的避陰反應[28]。在植物的光周期反應中,至少涉及到低輻照度反應（LFR）和高輻照度反應（HIR）2種類型的光敏色素[29],而且,一般性的結論是:PH YA與長日照植物（LDP）誘導的光周期有關,它是感受延長光照信號所必需的；而PHYB與短日照植物（SDP）誘導光周期有關,PHYD、PHYE和光敏色素C（PHYC）與PHYB在功能上有重疊[30-31]。王偉等[32]在光敏核不育水稻（Oryza sativa）中的研究表明PHYA在暗期中的顯著增加可能是誘導育性轉變的光周期反應所必需的。

光周期是否通過光受體光敏色素來調控苜蓿的秋眠,王成章等[33]報道,PHYB作為綠色植物主要光受體可能通過光周期調控或參與了苜蓿的秋眠,可能是PHYB含量多寡程度調控了光周期反應。樊文娜[34]試驗證明,紫花苜蓿采用不同光周期處理后,葉片中 PHYB mRNA表達量與PHYB蛋白表達規律一致,這從分子水平證明了光周期通過光敏色素參與了對苜蓿秋眠的調控。目前,從分子水平研究苜蓿秋眠的調控機理仍處于起步階段,究竟有多少相關的基因參與了對苜蓿秋眠的調控,有待于進一步研究。

2.3 植物激素與休眠現象植物激素在樹木、作物、蔬菜等的休眠中的作用早已得到證實,植物的多種激素對植物體的休眠均有調控作用,只不過作用不同。如生長素（IAA）對生長有明顯促進作用[35-36],赤霉素（GA3）能有效地打破種子和其他器官的休眠,促進發芽,但其中主要物質是脫落酸（ABA）。英國的Waring和Cleary證明樺樹（Betula platyphylla）中的 ABA在進入秋天時升高,把樹暴露在人工模擬的光周期條件下時,產生與秋天到來時類似的效果,ABA的量也增加[37]。大量研究表明,在秋季短日照下,許多木本植物葉子ABA含量增多,促進芽進行休眠,將人工合成的ABA噴灑到這些木本植物生長旺盛的小枝上時,可誘導芽進入休眠[38]。在植物受到諸如寒冷、干旱、鹽漬等環境脅迫時,會刺激芽或葉中ABA含量增加從而導致氣孔關閉。大量研究表明,乙烯、脫落酸、赤霉素等在調控休眠中發揮作用[39-42]。

苜蓿的秋眠也是對環境脅迫因子低溫和短日照的反應,因此可能帶來ABA的變化。在正常條件下,植物組織中ABA濃度很低,但在成熟衰老組織或即將進入休眠狀態的器官中ABA含量很高,尤其是在各種逆境（如干旱、低溫、鹽漬等）條件下,內源ABA含量明顯增加[43]。當日照時數低于某一閾值時,植物體內的脫落酸就會大量形成,從而引起芽的一系列變化而進入休眠狀態[44-45]。王成章等[33]報道,苜蓿短日照處理有利于ABA的合成,3種不同秋眠型苜蓿均施以外源ABA,結果是各品種內源ABA均隨噴施濃度的提高而增加,IAA、GA3含量降低,從而抑制了生長,加強了秋眠。ABA可能是調控或誘導秋眠的激素,為進一步研究激素調控苜蓿的秋眠性及在生產中應用該理論提供了科學的依據和參考。

2.4 休眠機理的研究目前,植物休眠的調控機理研究仍有很多空白,Horvath關于植物內生性休眠機理如圖2所示[46],晝夜節律循環、日照長度、溫度等都參與調控了植物的休眠。晝夜節律循環在內生性休眠中所起的確切作用目前還不明確。但很多研究表明,它們之間具有很強的聯系,板栗（Castanea mollissima）在冬季的生態休眠中,晝夜節律功能似乎停止作用,但晝夜節律調控的相關基因在內生性休眠芽和幼苗中卻被啟動[47-48]。相似的現象也發生在日照長度誘導葡萄（Vitisspp.）的休眠,PHYA、PHYB含量在正常生長季節不穩定,一旦被轉移至短日照誘導休眠的條件下,PHYA和PH YB不穩定的表達現象都停止,取而代之的是表達量均增加[39,49]；關于短日照誘導植物的休眠,在楊樹（Populudsp.）、葡萄、狗木（Cornus sericea）中得到了證實[50-52],很明顯,日照長度影響晝夜節律循環中的某些因素,改變楊樹日照長度也能改變休眠反應[51,53],在短日照條件下,PHYA的超表達阻礙了赤霉素水平的下降和冷鍛煉,PHYA的超表達也能引起CO的超表達,CO的超表達又能引起FT的超表達[54-55]。日照長度通過PHYA來調控T位點開花基因,進而調控植物的休眠也并不是唯一的機制。但不管在什么情況下,DAM基因家族都在內生性休眠的誘導中發揮重要的作用,DAM基因家族經克隆與表達分析,證明其在內生性休眠的誘導與釋放中發揮作用[39-40,56-58]；溫度對休眠影響的試驗證明,光反應通過光敏色素來改變溫度反應[59-61],溫度反應通過T位點開花基因直接影響PHYB調控開花時間[60],低溫也被證明直接影響T位點開花基因[62]。

圖2 植物內生性休眠調控機理示意圖

3 小結

我國的苜蓿種植面積很大,而且還在不斷擴大,國外新的苜蓿品種也不斷地引進國內。為此,需要更深入地了解苜蓿的秋眠性,并利用秋眠性來預測新品種并研發轉基因新品種,以便進一步提高我國苜蓿品種的產量水平和適應范圍。有關苜蓿的秋眠性的傳統觀點正在發生變化,本研究對苜蓿秋眠性的激素調控、光敏色素在秋眠性調控中的作用以及休眠的機理進行了初步探討,對有關苜蓿秋眠的調控機理尚缺乏有力證據支持,仍需要進一步進行研究。

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