植物干旱脅迫響應的研究進展

溫琦 趙文博 張幽靜

摘要：干旱是影響植物正常生長發育和限制作物產量的主要非生物脅迫之一，會影響植物的生長、發育和繁殖等生命活動，同時也是研究得較多的逆境因子之一。當土壤中的水分不能滿足植物生長所需時，就會形成干旱的環境，而植物在受到干旱脅迫時，可以通過細胞對干旱信號的感知和傳遞來調節基因的表達并產生新的蛋白質，從而引起大量形態學、生理學和生物化學的變化。本文通過對干旱脅迫下植物的生理生化指標、植物激素以及相關抗性基因和蛋白的變化進行綜述，以期為耐旱植物品種的研究及抗性植株的培育提供理論參考。

關鍵詞：植物;干旱脅迫;生理生化;植物激素;抗旱性

由于植物只能固定在原始的生長環境中，因此，植物在整個生長和發育過程中容易受到各種非生物環境脅迫的影響，如鹽漬、濕澇、高溫、低溫、重金屬離子和干旱等[1]。其中，干旱是影響植物正常生長發育和限制作物產量的主要非生物脅迫因子之一。目前，世界陸地面積的1/3處于干旱或半干旱狀態，干旱問題已經是一個普遍的問題。同時，干旱也是限制作物產量的一個非常重要的影響因素，有報道表明，每年因干旱導致的作物減產達50%以上[2-4]。作為一種多維脅迫，干旱可以引起植物中一系列從表型、生理學、生物化學和分子水平的變化，嚴重的干旱會導致光合作用終止和代謝紊亂，最終導致植物死亡[5]。因此，對植物抗旱的研究顯得尤為重要，探索植物的抗旱性對于研究植物的耐旱機制及培育耐旱植物新品種具有重要意義。

1 干旱脅迫下植物表型的變化

植物對干旱脅迫的反應可以通過植物的表型來鑒定，主要依據植物在干旱條件下根系、葉片結構的變化等。例如，水稻根系通過增加導管數量從而促進水分運輸效率的提高，可以幫助植株抵御干旱[6]。此外，根系分支與密度的增加也可促進水稻根系吸水，從而提高植株的抗旱性[7]。有研究結果表明，大麥葉片氣孔密度的減小可以增強其對缺水脅迫的耐受性，從而響應干旱脅迫[8]。

2 干旱脅迫下植物生理生化指標的變化

植物在經受干旱脅迫后，其外部形態會發生一系列改變，然后將誘導植物發生一系列生理生化變化，例如在光合作用下的變化、膜脂質過氧化產物的變化、滲透調節物質的變化，以及不同抗氧化酶含量上的變化等，這些改變作為植物的“語言”均反映了植物在干旱脅迫下受到的不同程度的影響。

2.1 干旱脅迫導致植物的光合作用能力減弱

水是光合作用的原料，干旱條件首先會導致光合作用下降，因此水在綠色植物的生理過程中起著重要作用，它可以為植物的生長發育提供能量和材料。當葉片接近水分飽和狀態時，最適宜進行光合作用，而干旱脅迫會導致植物光合速率降低，葉綠體的吸收能力及傳導效率下降，這主要是由于氣孔的關閉切斷了供應原料CO2的輸送，從而使得葉肉細胞的光合活性降低。在通常情況下，葉綠素含量在干旱脅迫下呈降低趨勢[9]。

2.2 膜脂過氧化

干旱對植物最直接的影響是引起原生質脫水，而原生質脫水是旱害的核心，由此可以引起一系列傷害，主要表現為改變膜的結構與透性等。丙二醛（MDA）是細胞膜脂質過氧化最重要的產物之一，丙二醛的含量水平反映了細胞膜的過氧化程度，其含量通常可以作為干旱脅迫下植物細胞損傷嚴重程度的一個基準[10]。質膜的相對透性是評價植物抗旱性的一個重要指標[11]，可以反映干旱脅迫下膜的穩定性和植物組織的損傷程度，如果植物細胞的原生質脫水，膜系統被破壞，會增加植物細胞膜的滲透性。在質膜過氧化程度方面，抗旱性強的植株的增幅要低于抗旱性較弱的植株，因此抗旱性強的植株的丙二醛含量相對較低[12]。許多研究發現，在干旱脅迫下，植物中的丙二醛含量呈增加趨勢[13-16]。

2.3 滲透調節物質

滲透調節是植物在水分逆境下降低滲透勢、抵抗逆境脅迫的一種重要方式。通過滲透調節，植物可以在干旱條件下維持一定的膨壓，從而使其生理過程正常進行[17]。可溶性糖（SS）、游離脯氨酸（Pro）是參與植物滲透調節的關鍵因素，它們可以提高植物適應環境脅迫的能力。有研究發現，Pro的積累是植物為了對抗干旱脅迫而采取的一種保護性措施[18]，在干旱脅迫下Pro含量呈急劇上升的趨勢[19]。隨著干旱脅迫時間的延長、干旱脅迫程度的增加，沙棘葉片內的SS、Pro含量增加[20]。在水稻中也發現類似的現象，當水稻基因JERF3過表達時，可以增加水稻中SS、Pro的積累量，從而抵抗干旱[21]。

2.4 抗氧化酶活性

在正常條件下，細胞內活性氧（ROS）的生成和清除處于動態平衡狀態。有研究發現，ROS過度積累會損害細胞，最終導致細胞死亡[22]。當植物經受干旱脅迫后，原有的動態平衡被破壞，為了避免干旱脅迫下不斷產生的ROS對植物造成的毒害作用，植物自身進行了一系列非常有效的防御[23]。在干旱脅迫的過程中，植物通過積累抗氧化酶來抵制活性氧的傷害，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）等酶在清除活性氧的過程中發揮了重要作用。此外，相關研究發現，抗氧化酶活性在干旱脅迫下會得到增強[24-25]。

3 干旱脅迫下相關植物激素的變化

植物激素，如脫落酸（ABA）、乙烯（ET）等對植物的生長和發育具有廣泛的作用，并且它們可以調節植物對生物和非生物脅迫[26-27]的保護性反應。

3.1 脫落酸

干旱引起的植物激素變化，最明顯的表現是干旱能促進ABA含量增加，通過引發高滲透壓信號，使ABA積累，進而導致植物產生多個響應。ABA是植物體內的五大類激素之一，不僅能夠抑制植物生長，還具有促進葉片脫落等能力。當植物處于干旱、低溫、鹽堿等不利環境條件下時，植物體內的ABA大量增加，進而使植物對逆境環境產生抗性。此外，ABA還能調節植物在干旱脅迫下的基因表達，一旦ABA水平升高，信號轉導機制便被激活，會刺激基因表達，從而啟動氣孔關閉，減少蒸騰損失，進而幫助植物避免干旱脅迫的影響。有研究發現，ABA的增加和氣孔的關閉具有一致性[28]。在水分脅迫下，ABA作為逆境信號在植物受到干旱時大量積累，進而對植物抗旱起到一定的作用[29]。有研究發現，信號分子H2S、ABA在擬南芥的干旱脅迫響應中參與調控擬南芥的信號轉導過程并發揮著作用[30]。

3.2 乙烯

乙烯存在于植物的某些組織和器官中，在有足夠氧供應的條件下由甲硫氨酸（Met）轉化生成，其生理效應包括參與三重反應、促進果實成熟、打破植物種子和芽的休眠等，此外還可促進RNA和蛋白質的合成，并增強高等植物細胞膜的滲透性和呼吸作用。過敏蛋白（harpins）是革蘭氏陰性細菌產生的一類蛋白質激發子，試驗證明，harpins通過激活乙烯信號通路而促進植物生長，誘導植物的抗蟲性[31]。早期的研究發現，來自番茄的ET響應因子蛋白JERF3通過調節氧化應激反應來增強轉基因煙草對干旱、鹽和冷害的耐受性[32]。有研究發現，在擬南芥中過量表達油菜ET響應因子BrERF4基因可以增強擬南芥對干旱和鹽的耐受性[33]。還有研究發現，MaASR1基因提高擬南芥抗旱性的機制與ET信號途徑有密切關系，MaASR1基因在根、葉中的表達量顯著增加，表明MaASR1主要參與植物對干旱脅迫[34]的響應。

3.3 其他

此外，植物還通過激活一些其他物質的分泌來達到抗旱的目的。如殼聚糖能夠誘導辣椒葉片減少水分蒸騰作用，從而達到抗旱的目的[35];幾丁質能夠誘導擬南芥參與抗旱脅迫基因AtMPK3的早期表達[36]。Xing等研究發現，大豆幼苗可以通過提高生長素含量來增強對干旱的耐受性[37]。苜蓿（Medicago sativa）BADH基因的表達會促進植株合成更多甜菜堿，使植株的抗旱性顯著提高[38]。高粱過表達mtlD基因或者積累較多甘露醇，都會使其葉片的含水量顯著上升，從而使植株增強對干旱的耐受性[39]。

4 干旱脅迫下相關抗性基因及蛋白質表達的變化

干旱會導致核酸的代謝過程被破壞，從而使植株體內DNA、RNA含量下降，干旱還會使蛋白質加強分解而削弱蛋白質的合成過程，從而積累大量脯氨酸。植物對干旱脅迫信號的反應包括細胞水平的生理反應和基因表達的變化2個方面。在細胞水平上，受體細胞對胞間信使的識別、轉導與反應最終會調節特異基因的表達和代謝反應，從而使植物的抗旱性增強。而在基因表達的變化方面，許多植物基因的表達受到干旱造成的水分脅迫的誘導。

4.1 干旱脅迫下相關基因的表達

在脅迫條件下，與逆境相關的轉錄因子可以結合到順式作用元件上，從而調節相關功能基因的表達和信號轉導，這些轉錄因子在轉基因植物中的過表達可激活許多脅迫抗性基因的同時表達。因此，通過轉化調節基因來增強植物的抗旱性是一個行之有效的方法。水稻中ERFs轉錄因子基因TSRF1的過量表達可以增強水稻的抗旱性[40]。目前，人們已經在水稻中克隆并鑒定了4種ERF轉錄因子OsBIERF1～OsBIERF4，這些因子均參與了植物對非生物脅迫的反應[41]。同樣的，NAC（N-乙酰半胱氨酸）轉錄因子在植物生長發育過程中也起到重要作用。NAC是植物中最獨特的轉錄因子家族之一，在植物信號轉導及非生物損傷和脅迫應答的過程中，NAC作為轉錄因子起到激活或抑制應答的功能。Hu等克隆了水稻耐旱耐鹽基因C7，其編碼NAC轉錄因子，主要表達于氣孔保衛細胞中，在干旱脅迫期間能夠促進氣孔關閉，但不影響光合速率，因此其表達能使水稻的抗旱能力大大提高[42]。張琳等利用RNAi（RNA干擾）技術獲得了番茄SlWDR204基因下調的轉基因植株，并對轉基因植株進行干旱脅迫，確定了番茄SlWDR204基因對干旱脅迫具有很好的抵御作用[1]。

4.2 干旱脅迫下相關蛋白質的表達

干旱脅迫也會使植物體內產生干旱誘導蛋白質。干旱誘導蛋白質是指植物在干旱脅迫下新合成或合成量增多的一種蛋白質，植物適應壓力的重要策略是快速合成許多應激誘導的蛋白質，應激誘導的蛋白質對植物應激適應具有保護作用，它們的誘導是植物對環境的一種適應，可以提高植物的抗逆性，應激誘導的蛋白可分為在細胞內發揮直接保護作用的功能性蛋白質和在細胞內起間接保護作用的調節性蛋白質兩大類[43-44]。干旱環境還會誘導植物產生一種特殊脫水蛋白質（dehydrin，簡稱DHN），如紫花針茅（Stipa purpurea）的SpDHN1蛋白和雪蓮（Saussurea involucrata Kar. et Kin.）的SiDHN蛋白能夠提高轉基因擬南芥和轉基因煙草的耐旱性[45]。目前已鑒定出與植物脅迫耐受相關的C2H2型鋅指蛋白的部分成員，如ZFP245、ZFP252、ZFP179等參與了水稻對干旱等非生物脅迫的應激反應[46]。從抗旱野生番茄品種Solanum pennellii（潘那利番茄，品種編號：LA0716）中分離得到的蛋白編碼基因SPPKE1，在轉基因煙草中可以促進植物對鹽和干旱脅迫的耐受性[47]。水稻可以通過HVA1基因的表達來合成LEA（胚胎晚期豐富蛋白），從而提高植株的抗旱耐受性[48]。油菜質膜上的水通道蛋白（AQP），可通過磷酸化和去磷酸化來維持細胞水勢，調節植株對干旱脅迫的響應[49]。

5 展望

干旱脅迫嚴重影響了作物生長發育，降低了作物產量，同時也限制了作物的推廣。因此，提高作物的抗旱能力已經成為現代農業研究工作中急需解決的重點方向。植物的抗旱性是由多基因控制的復雜性狀，存在從分子、細胞、組織到整體植株不同層次的抗旱機制。因此，對植物抗旱性的評價也是多層次的，通過對植物抗旱性的研究，從而全面揭示植物抗旱的分子機制、綜合改良植物的抗旱性是當前和今后一段時間內研究植物抗旱性的重點。因此，目前應該關注以下幾個方面的研究：在穩產、高產、優質的前提下，以培育抗旱性較強的作物品種為重點;進一步加強作物耐旱、抗旱機制及其應用的發掘和創新;應用基因技術改良作物品質及進行轉基因植物抗性育種的研究。

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