山蘭稻對非生物逆境脅迫響應的研究進展

周述波,賀立靜,林 偉,賀立紅,杜前進,陳川平

(1.海南熱帶海洋學院 a生態環境學院,b水產與生命學院，海南 三亞572022; 2.湖南農業大學 湖南省植物激素與生長發育重點實驗室,長沙 410128;3.仲愷農業工程學院 農業與生物學院,廣州 510225)

0 引言

山蘭稻(OryzasativaL.)是對環境干旱缺水的一類生態型栽培旱稻,在我國主要分布于海南,屬陸稻品種,外部形態和內部解剖結構與水稻基本類似,由其演變而來、適于旱作的稻類.世界上有眾多國家栽培陸稻,其中巴西以其栽培面積大、產量高而聞名于世.我國適合旱稻的種植面積達6 000萬公頃左右,目前種植旱稻面積約為177萬公頃,其種植面積占稻作總面積的5%左右,主要分布于海南、云貴川、兩廣、湖南、江西等省份的山區、半山區及北方少雨區域[1-2].海南山蘭稻作為典型陸稻,是海南黎苗族依據其獨特的自然生境條件,通過長期的生產實踐培植出的稻種,20世紀90年代王官遠等[3]考察529份稻種資源時發現,陸稻種質有425份,占稻種資源比例為80.3%,而山蘭稻在海南陸稻中所占比例又為80%,可知山蘭稻是海南黎苗族人民曾經生存生活的主要稻種資源.常栽植于山區與丘陵地帶,分布于海南樂東、保亭、陵水、瓊中、五指山、東方、白沙、萬寧等少數民族聚集地區.海南山蘭稻具有眾多特殊而優良的農藝性狀,如大穗、大粒,米質較好,粘性強,除用于做米飯、米粉外,還可用于釀造民族特色的山蘭酒,節日時用于招待貴賓與親朋好友,有海南茅臺之稱.另外，海南山蘭稻還有較強的適應能力與抗性生理,表現為對干旱與病蟲害的抗性,需水量少,用農藥少,有綠色稻米之稱,現正成為海南一個重要特色產業在大力發展與推廣.但它也有株型不理想,高稈易倒伏、葉片寬大而披垂,光合效率及產量很低等缺點[4].

農作物生長于自然界,除了人為提供良好的生長環境,也要應對不良的脅迫環境,包括生物脅迫如動物對植物的啃食及病原體對其侵染;非生物脅迫則如水分脅迫、溫度脅迫、鹽堿害、土壤營養及重金屬砷、鎘等有害物質毒害等.其中非生物脅迫中的溫度過高與過低、水分太多或太少及鹽害等影響著植物在地理區域上的分布、是限制糧食生產與影響農作物產量的主要環境因子[5-6].隨著人類對自然環境的破壞,極端氣候的頻繁出現,將導致非生物脅迫加劇對農作物產量的影響.加強作物對環境脅迫的感受和響應研究,提高農作物對非生物逆境的抗性,有利于擴大種植區域,提高作物總產量,緩解人口對糧食需求的壓力,故培育具有非生物逆境抗性的作物品種十分重要[7].

旱稻因土壤少水,為適應環境或由野生稻經人工馴化而成,在形態與結構上與水稻具有類似性,但由于水稻高產,已成為人們作為農作物研究的模式作物之一,對水稻生物與非生物的逆境脅迫等方面研究均較多,在非生物逆境下水稻較敏感,如果能加強非生物逆境下對旱稻的研究,旱地與鹽堿地開發應用等將會成為未來糧食增產的新途徑.本文主要對近年來稻類作物中旱稻中的山蘭稻與水稻在非生物脅迫下對逆境響應取得的一些進展進行論述.

1 非生物逆境脅迫下響應的進展

1.1非生物逆境脅迫下的形態與生理響應

植物在面臨非生物逆境脅迫時并不是完全被動的等待傷害,而是通過快速感知并做出響應來應對危害,在形態與生理生化反應等方面對脅迫做出應答.

1.1.1形態響應

當植物面臨干旱脅迫時,地上部分可通過縮小或關閉氣孔,減少葉片伸展以降低蒸騰作用,滿足植物生存所需水分;地下部分則可通過根的伸長、增加根的數量,改善根的結構加強對水分吸收以維持自身生理所需[8].何光亮[9]研究山蘭稻水旱作條件下,發現根半徑,大導管數目和橫截面積影響差異不顯著,但旱作條件下,根的響應表現為根系中柱直徑、面積、中柱面積與根橫截面積比值減少,為降低水分和養分在根中的縱向輸送速率來響應干旱;莖對干旱的響應主要通過增大皮層與基本組織厚度,減少皮層到表皮間的細胞層數,減少維管束數量,增大維管束間距離,來減少對養分與水分的消耗.陳層宇[10]發現旱稻葉片可通過減少主脈維管束導管數量,增加小維管束導管數量,在氣腔數不變情況下減少氣腔面積,增加角質層厚度,減少氣孔密度等變化來響應干旱.在非生物逆境脅迫下,植物在生長發育上做出的應答有減緩植物的生長速率,葉片生長受抑,老葉脫落,開花結實提前等縮短與完成生活史,繁衍后代.

唐力瓊等[11]發現山蘭稻種子能在山坡生長,是其萌發抗旱指數和相對發芽率高對干旱響應的結果,為響應干旱,其根長和發根力相對值較高(大多在60%以上),這些均表明山蘭稻根系的生存能力和復原抗性能力好,其離體葉片的保水率比普通水稻強,都是對干旱的響應.

周述波等[12]用海水與NaCl對山蘭稻種子進行脅迫,發現隨著濃度增加,種子萌發受到抑制響應鹽脅迫,5%的低濃度海水能刺激山蘭稻幼苗的生長,莖的增粗,根的伸長,為山蘭稻對低濃度鹽堿地脅迫響應提供了應用依據.在高濃度條件下,主要以根長受抑,葉片卷曲來響應鹽脅迫.

1.1.2生理響應

植物在非生物逆境脅迫下如高溫、強光等作用下,通過減弱光合作用,氧化物增加,氣孔變少或關閉,滲透調節物質與保護蛋白增多,植物逆境激素ABA和乙烯增加等方式來響應逆境.鄭成木等[15]研究發現,在高滲溶液中,山蘭稻與水稻相比,細胞質膜的穩定性、根系吸水能力及離體葉片保水率等均優勢明顯,是對干旱區域栽植響應的結果.利用山蘭稻和水稻雜交得到的新品系,發現后代具有抗旱且高產特性,為抗旱育種提供了依據;劉維俊等[13]對2個山蘭稻與雜交水稻品種在干旱脅迫下苗期表型性狀及生理差異進行研究,發現山蘭稻以降低地上部分而增加地下部分的生物量,提高葉綠素含量、增加脯氨酸和丙二醛含量來響應干旱脅迫.莫饒等[14]通過水分脅迫下的山蘭稻的同工酶分析,發現酯酶的酶帶活性減弱程度輕于水稻,有利于響應干旱.

1.2非生物逆境脅迫下的細胞響應

旱稻由于具有與水稻類似的形態結構,目前對稻類作物水稻在非生物逆境脅迫下的研究從亞細胞結構,脅迫下離子物質的響應,到基因表達調控等取得了許多成果.

1.2.1脅迫下亞細胞結構的響應

(1)細胞壁的響應.細胞壁對植物細胞起保護作用,其變化會顯著地影響到植物的抗逆性.在非生物逆境脅迫如干旱脅迫、鹽害或其他滲透脅迫作用下,過氧化物(ROS)的積累,可使細胞壁中酚醛樹脂與糖蛋白如伸展蛋白等發生交聯而讓壁硬化;通過對擴張蛋白和木葡聚糖修飾酶基因的過表達可重塑細胞壁,這些變化會改變植物細胞對逆境的響應.Endler等[15]發現纖維素合成酶中有兩種蛋白對合成酶復合體與微管的連接有益,可大大提高植物對鹽脅迫的響應.

(2)質膜的響應.質膜上分布有逆境信號的受體,主要是感知信號與傳遞信號,在膜上目前只發現了少數幾個脅迫感受信號的感受器,如調控水稻冷脅迫的感受器COLD1[16],植物擬南芥中的滲透脅迫感受器OSCA1[17],膜上感受器主要是蛋白,而感受蛋白缺失對脅迫響應效果要么不顯著,要么本身就是植物生長所必需,缺失則會導致死亡,無法深入探索,目前技術難以證明一些大分子是感受器.

(3)細胞器的響應.內質網(ER)是蛋白質合成的主要場所,脅迫時其響應為引起蛋白質的不折疊或折疊錯誤.不折疊蛋白(UPR)形成可視為真核生物保守的一種脅迫反應,脅迫下可增強蛋白折疊能力、通過類似于ER的elF2a的PKR激酶以調控ER降解或抑制相關基因表達,以降低新合成的蛋白質總量,達到蛋白質折疊能力和需求間處于平衡的一種穩態[18].脅迫信號如熱信號可通過亮氨酸拉鏈結構bZIP28與分子伴侶蛋白BIP互作來感知,脅迫過程中不折疊或折疊錯誤的蛋白質積累與BIP作用,使bZIP28與BIP從結合態游離出來,運向高爾基體中部分則被降解,胞質中bZIP28重新定位到細胞核激活脅迫相關基因的表達并重建ER動態平衡[19].

線粒體是呼吸作用的場所,呼吸電子的傳遞,在逆境脅迫下,與葉綠體,過氧化物體類似,產生ROS和一些代謝物進行響應,其中一些可作為信號分子.有報道線粒體復合體 I、或CHY1 基因突變可引起過氧化物積累,抑制冷應答相關的基因表達,植物對低溫脅迫的響應變得敏感[21-22].

1.2.2脅迫下離子信號物質的響應

鹽堿害的實質就是土壤中離子(主要為Na+)影響植物的生長,鹽堿地現正成為制約全球農業生產的一個因素.高鹽溶液對植物可產生滲透脅迫、離子毒害及氧化損傷等次級脅迫.植物細胞感受Na+不十分清楚.Zhu[6]在植物中建立的非生物脅迫信號SOS途徑,植物運用此途徑來響應鹽脅迫信號與對Na+的耐受性,SOS基因功能失調,則會降低植物對鹽脅迫的抗性.SOS1其作用可能與促進Na+從根到葉的運輸有關,因其在根表皮細胞與木質部薄壁細胞都有表達,可裝載Na+進入木質部隨蒸騰流進行長距離運輸到葉[23].HKT1作為Na+運輸中另一載體,發現與SOS1作用相拮抗,在葉中通過裝載Na+進入韌皮部再循環到根部,在根中通過卸載木質部Na+,以限制蒸騰流中Na+總量.目前SOS1 和HKT1在維管系統的同一細胞中表達情況不清楚[6].

1.2.3脅迫下基因調控表達響應

(1) 水分脅迫下的響應.缺水干旱是造成作物減產的主因,稻類作物對水份需求比較敏感,尤其是水稻,需水量大而利用率低,培育出節水的陸稻提高糧食產量顯得十分重要.在干旱情況下,對抗旱應答有兩類主要基因,即功能基因與調控基因.功能基因直接保護作物免受干旱傷害,調控基因如轉錄因子和蛋白激酶在信號傳遞和基因表達中起調節作用.乙醛脫氫酶家族和含BURP結構域的家族為典型的功能蛋白或編碼酶基因家族.有研究發現DRO1功能基因可改變根的生長角度,優化根系結構提高水稻避旱能力[24].對干旱響應起調節作用的轉錄因子基因家族主要有MYB、DREB、AP2/EREBP、NAC、WRKY、bZIP、TIFY、XHS結構域家族、類受體激酶等.超表達OSBZIP16/23/46/71/72、過表達SNAC1、OSNAC5/6/9/10等均能提高水稻的抗旱能力.SNAC1、OSASR5[25]和ZMPIF1等[26]主要通過調節脫落酸(ABA)促進氣孔的關閉對干旱做出響應,OSNAC5與OSNAC6 以及SANC1 基因協作促使水稻根部增粗提高對逆境的響應[27].

淹水與洪澇對作物同樣會減產,影響光合作用,抑制呼吸與對營養物質吸收等,加快能量消耗而死亡.淹水時脅迫響應的基因主要有ERF轉錄因子基因的SK家族(SNORKEL1/2)[28],SUB家族(SUB1A/1B/1C)[29]及OSETOL1[30]與GID1[31]等.水稻淹水脅迫下SK家族的SNORKEL1/ 2通過參與乙烯信號響應,積累乙烯并誘導基因表達,促進節間伸長來應答澇害脅迫.Sub家族的Sub1A在淹澇脅迫下負調控編碼淀粉降解和蔗糖酶基因表達來減少能量物質的消耗,增加ABA 響應,抑制乙烯合成,激活對ROS清除,對丙酮酸脫羧酶(PDC)及乙醇脫氫酶(ADH) 的基因表達正調控,誘導脅迫下特異性轉錄因子與下游基因表達,促進適應低氧環境,提高在氧化和干旱脅迫下的響應[32-33].

(2) 溫度脅迫下的響應.溫度脅迫有低溫與高溫,低溫又有冷害與凍害,稻類作物在苗期很多時候會遇到低溫脅迫,對低溫脅迫有響應的基因有OSCOLD1、DREB類轉錄因子基因(OSDREB1A/1B/1F)、MYB類轉錄因子基因家族(OSMYB3R-2、OSMYB2/4、MYBS3)、編碼鋅指蛋白基因(OSISAP1/8、OSCOIN、OSZFP177/245/182) 和一些編碼轉錄因子的基因(OSBHIH1、SNAC2、OSNAP、ROS-BZIP1等)、各種蛋白激酶MAPK、CIPK、CDPK等、編碼解毒或滲透調節物質的基因,如抗壞血酸過所化物酶基因OSAPXA,合成果聚糖基因WFT1/2,編碼膽堿單加氧酶合成甜菜堿的CMO,編碼水稻泛素連接酶OSHOS1等通過過表達或通過其他因子的互作參與低溫的響應調控.高溫響應的基因有ZFP177、OSDREB2B、OSTT1、OSHSFA2E、OSWRKY11、OSHSP17.7/18.6/101家族、OSAKR1、OSHSF7、OSLEA5等,均能提高水稻對高溫的響應,OSGSK1對高溫響應有負調控作用[27].

(3) 鹽脅迫下的響應.作物對鹽脅迫的響應有滲透脅迫和離子脅迫兩階段.滲透脅迫會使細胞脫水,抑制地上與地下部分生長速率與光合作用;離子脅迫使細胞中積累過多的Na+和Cl-,抑制生長速率與降低產量.目前對鹽脅迫響應的基因有SKC1,蛋白激酶OSCDPK7/21轉錄因子如bZIP、DREB、NAC、OSNHX2/3/4/5、鋅指蛋白、OSHKT1/2、OSVHA、OSKT1和OSHAK21等,通過維持胞質中低Na+水平和合適的Na+/K+比,讓脅迫下離子盡量處于穩態方面對鹽脅迫響應[27,34-35].

(4)其他類脅迫下的響應.紫外線會抑制作物生長,甚至引起減產,基因QUVR-10與OSWRKY89能夠提高水稻對紫外線的響應;對金屬有害物質如耐鋁基因STAR1/2[36]、ART1[37]、NRAT1[38]、OSALS1[39]對土壤中鋁離子進行響應;有研究表明在旱稻中,硅元素對鋁毒害作用有響應[40].

2 結論與展望

糧食生產關系到國家穩定與發展.環境的破壞,惡劣自然災害的頻發,會對糧食生產帶來一定的影響,逆境脅迫下尤其對水稻產量影響比較大.隨著人口數量的劇增,擴大種植面積,提高糧食產量,發展旱稻將成為解決我國糧食問題的新途徑.旱稻在我國栽培歷史悠久,但從雜交稻問世以來,其高產沖擊,給我國旱稻資源的發展帶來了很大的影響,由于旱稻產量相對較低,導致許多具有優良抗性的農家品種因產量低不被栽植而淘汰,而許多優良基因未得到應有的發掘,種質資源在不斷消失,海南旱稻中山蘭稻則由以前的100多個品種減少到目前不足30個,搶救與保護山蘭稻資源都已刻不容緩.

鄭成木等[41]分析了海南白沙、保亭與樂東的12份山蘭稻與3份水稻的農藝指標中的9項性狀:株高、主莖的葉片數、穗頸長度、穗長、單株有效穗數、每穗穗粒數、千粒重和結實率以及單株產量,發現旱地栽植山蘭稻在單株穗粒數、結實率、千粒重及單株產量等性狀上顯著優于水稻.山蘭稻不僅干旱脅迫時表現出優于水稻的特性,且在抗鹽,抗病蟲等方面也有一些優良特性。

在非生物逆境條件下抗性相關的生理特性與許多功能基因在一些模式植物如擬南芥中均已探索與鑒定,甚至水稻的抗性研究也比較深入與廣泛,但對旱稻資源的逆境抗性的遺傳和分子機制則有待深入探索.如果我們利用現代高通量突變體篩選技術等,抗逆品種和敏感品種間的比較轉錄組、蛋白質組和代謝組等分析應用于旱稻研究,相信旱稻資源眾多的優良特性將進一步挖掘,旱地與鹽堿地開發與應用也會指日可待.

近年來海南將山蘭稻作為地產特色產業在白沙、樂東、瓊中、五指山等地大面積推廣,且申報國家農業文化遺產,這不僅是將山蘭稻作為少數民族耕作文明的一種傳承,更是對海南旱稻資源的搶救與保護。加大在逆境下響應較好的山蘭稻資源開發,發掘更多具有優良特性的基因，對未來發展旱稻生產和改善農業生態環境具有重要意義.