干旱脅迫對植物的影響研究

張 玉，冷海楠，曹宏杰，徐明怡

(黑龍江省科學院自然與生態研究所，哈爾濱 150040)

植物生長具有不可移動性，在整個生長發育過程中極易受到鹽漬、重金屬污染、濕澇和干旱等多種非生物因子脅迫的影響[1]。干旱是影響植物正常生長發育和抑制作物產量增加的主要非生物脅迫因子之一[2]。干旱脅迫對植物的影響包括表型、生理生化和蛋白編碼基因表達等多個層次。從不同層面探討植物對干旱脅迫的響應，對植物抗旱研究和培育篩選具有耐旱性狀的植物新品種等具有重要意義。

1 干旱脅迫對植物生長及形態結構的影響

植物生長對水分高度敏感。植物通過細胞分裂、延伸和分化完成生長。干旱脅迫下，植物分生組織細胞分裂減慢，細胞生長受到抑制，植物經常表現為生長減弱。水分匱缺后，細胞會因失水導致膨壓下降，抑制細胞生長，但也有研究結果與此不一致。玉米幼苗在干旱條件下，葉片生長速率受到顯著抑制是與細胞壁的硬化響應相關，其分生區細胞膨壓并未因水分匱缺出現明顯變化。干旱脅迫還會限制細胞有絲分裂，導致葉面積減小，植株低矮，抑制作物生長[3]。

干旱脅迫不僅會引起植物個體大小的變化，還會引起植物生物量分配的改變。干旱脅迫下，植物根冠比增加，功能根數目及長度增加。水稻根系在干旱脅迫的誘導下會伸長生長，向深層土壤扎根，同時還會分生出大量側生的毛細根向水平方向擴展。與對照相比，干旱脅迫下的真樺(BetulamaximowiczianaRegel)根系變得細而長，主根系上根毛增加變得濃密。植物通過擴大根系吸水范圍來漸緩干旱脅迫的影響，主動適應環境。

葉片是植物外部形態對水分脅迫最敏感的器官，長期干旱脅迫會導致植物葉片厚度、柵欄組織、海綿組織等解剖結構發生變化。對扁蓿豆(Medicagoruthenia)、3種蘋果屬植物及不同花生品種的抗旱性研究發現，隨著干旱程度加重，這些植物的葉片結構變化情況有所差異：扁蓿豆葉片厚度和柵欄組織厚度增加，海綿組織厚度減小；3種蘋果屬植物葉片厚度、柵欄組織厚度逐漸減小，而海綿組織厚度逐漸增加；花生的葉片厚度因品種不同，變化不一[4]。由此可見，植物葉片形態結構的改變與植物耐旱性有著密切的關系。

2 干旱脅迫對植物生理的影響

2.1 干旱脅迫對植物光合作用的影響

水是植物光合作用的原料，因此植物葉片對水分變化也最為敏感。干旱脅迫會導致植物光合作用受抑制，持續干旱，光合作用抑制越明顯。導致光合作用速率下降的原因有兩個方面，即氣孔因素和非氣孔因素。干旱早期，由于水分不足而使植物葉片水勢降低，保衛細胞失水，氣孔關閉，進入葉片的CO2減少，限制了碳同化過程，從而導致光合作用速率下降。當水分脅迫解除后，氣孔因素引起的光合作用下降可以恢復到原來水平。非氣孔因素引起的光合作用速率下降是不可逆的。隨著干旱脅迫的持續，植物體內活性氧開始積累，會導致光合色素降解速率超過合成速率，影響光合電子傳遞，致使光合作用速率降低[5]。在大麥(HordeumvulgareL.)和冬小麥(TriticumaestivumL.)對干旱脅迫響應的研究中，準確檢測到干旱脅迫可以使葉綠素熒光參數發生改變，抑制光合電子傳遞，從而降低光合速率。

2.2 干旱脅迫對植物滲透調節的影響

植物會通過在體內主動積累溶質，以增強滲透調節的方式應對干旱脅迫，保證其生理過程正常進行。滲透調節物質主要有2大類：一是細胞內合成的有機溶質，如蔗糖、海藻糖、脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿、半乳糖甘油等。二是從外界進入細胞的Na+、K+等無機離子。其中可溶性糖和游離脯氨酸較為常見，是植物抵抗干旱時參與滲透調節的關鍵因素。

有機滲透調節劑多為親水物質，調控質膜滲透勢，維護酶和細胞膜的穩定性。植物生理干旱時，它們的增加有助于減少有毒離子對細胞的傷害。對于不同植物滲透調節物質的研究，仍存在一定的差異。隨著干旱脅迫強度的增加，甘薯可溶性蛋白和可溶性糖含量均呈現先升高再降低的變化規律，脯氨酸含量逐漸增加；裸果木(Gymnocarposprzewalski)葉片的可溶性蛋白顯著積累，中齡植株葉片的可溶性糖含量和老齡植株葉片的脯氨酸含量先增加后顯著降低[6]；PEG處理重樓植株，脯氨酸含量在脅迫2 h 顯著提高，可溶性糖含量在脅迫12 h 增加明顯，處理后期仍保持在較高水平[7]；文冠果各種源葉片中可溶性糖含量數均呈現上升趨勢，大部分種源文冠果幼苗葉片中可溶性蛋白含量隨著干旱脅迫加劇呈上升趨勢，少數種源表現出先增加后降低的趨勢[8]；刺槐(Robiniapseudoacacia)與皂莢(Gleditsiasinensis)2種苗木葉片的脯氨酸含量、可溶性糖含量比正常水分時升高，皂莢葉片中可溶性蛋白含量增加，刺槐葉片中可溶性蛋白含量降低[9]。

無機離子通常調節液泡滲透勢，維持細胞膨壓，在滲透調節中同樣發揮著重要作用。研究發現，相對于脯氨酸和可溶性糖等有機滲透調節劑，Na+在沙漠旱生植物霸王(Zygophyllumxanthoxylum)和梭梭(Haloxylonammodendron)適應干旱生境中發揮著更突出的作用[10]。K+的大量積累在文冠果和白刺花水分脅迫下也發揮著重要的滲透調節作用[8]。

2.3 干旱脅迫對植物抗氧化系統的影響

正常生長環境下，植物體內活性氧的產生和清除處于動態平衡狀態，活性氧含量較低，不會對植物細胞造成傷害。許多逆境脅迫(如干旱、鹽害等)會擾亂這種自我調節平衡，造成線粒體和葉綠體內的活性氧過度積累，引起膜脂過氧化、蛋白質和核酸等損傷，破壞葉綠體結構，干擾代謝活動，最終導致細胞死亡。但它同時也可作為細胞受到脅迫的信號分子或第二信使參與脅迫信號傳導途徑，激發植物的脅迫響應和保護防御。為了避免環境脅迫產生的活性氧自由基的毒害作用，植物在長期進化過程中，形成了一套復雜的抗氧化防御系統。抗氧化系統主要分為2類：一類為抗氧化酶類，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物還原酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽S-轉移酶(GST)等；另一類為抗氧化劑，包括抗壞血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、類胡蘿卜素(CAR)和花青素等。

干旱脅迫可增強抗氧化酶活性。SOD和POD活性會受到植物品種及耐旱性的影響。中度干旱與嚴重干旱處理條件下，杠柳的SOD與POD活性持續上升，檉柳SOD和POD活性先上升后下降。不同耐旱型大麥品種的抗氧化系統研究表明，干旱敏感型大麥的CAT和SOD活性高于耐旱型大麥；而不同耐旱性冬小麥品種中，SOD活性均呈下降趨勢，且耐旱性強的品種下降幅度較小。干旱脅迫下不同植物CAT活性變化不同。許多喬木的CAT活性隨干旱程度增加呈先升高后下降的趨勢[11]。

2.4 干旱脅迫對植物內源激素含量的影響

植物內源激素對植物的生長發育及分化具有至關重要的作用，并且在植物響應非生物脅迫過程中，可以通過復雜的調控機制對植物進行保護[12]。因此，植物內源激素的變化也成為衡量植物抗旱能力的重要生理指標之一。

干旱脅迫引起的植物內源激素變化，尤以脫落酸(ABA)表現最為明顯。干旱能夠誘導ABA大量積累，調節干旱響應基因表達，進而使植物產生多個響應，提高植物的抗旱適應能力。ABA已被視為植物在“脅迫-感知-響應”路徑中的逆境信號。ABA通過胞內信號轉導，調控氣孔關閉，減少蒸騰損失，減緩植物生長。擬南芥干旱脅迫響應研究中還發現，ABA作為信號分子參與調控了擬南芥的信號轉導過程，并在該過程中發揮作用[13]。此外，ABA還可調控保衛細胞離子通道活性、鈣調蛋白及相關基因的表達。

細胞分裂素(CTK)是干旱脅迫下的信號響應物質。水分虧缺時，植株體內ABA含量增加，CTK含量降低，CTK/ABA值降低，氣孔導度也顯著降低，ABA和CTK共同作用對氣孔導度進行調節，進而對光合電子傳遞及光合速率等產生影響。

生長素(IAA)也可以協同調節氣孔關閉。干旱脅迫下，不同植物IAA含量變化趨勢不同。有研究發現，紫花苜蓿幼苗葉片中IAA含量隨干旱強度增加而增加，但對降香黃檀幼苗的研究發現，IAA含量隨干旱強度增加呈現下降趨勢。甚至不同干旱強度下同一植物的IAA含量變化趨勢也不盡相同。云杉在輕度和中度水分虧缺下IAA含量呈上升趨勢，而重度水分虧缺時呈下降趨勢[14]。

赤霉素(GA)可以促進植株伸長生長，其含量變化也與干旱強度有關。輕度干旱有利于GA合成，中度及重度干旱抑制植株生長，進而GA含量顯著降低[15]。

3 干旱脅迫對植物蛋白編碼基因表達的影響

植物除了生理方面對干旱脅迫信號有反應，在蛋白編碼基因表達方面也會對干旱脅迫信號做出相應的反應。許多植物的蛋白編碼基因表達受干旱脅迫誘導。這些應激蛋白的產生或含量增加，是植物適應脅迫的重要策略。它們的誘導可以提高植物的抗逆性，對植物應激適應期起到保護作用。根據蛋白作用的不同，可以將這些應激蛋白分為兩大類：一是調節蛋白。主要與信號傳遞及基因表達調控相關的蛋白，包括蛋白激酶、磷酸酶、轉錄因子。二是功能性蛋白。直接參與保護細胞免受脅迫傷害或作為滲透調節劑和解毒類蛋白維護細胞正常生理代謝，包括水分通道蛋白、LEA、ASR、抗氧化蛋白、代謝調整酶等。

逆境相關轉錄因子可以與順式作用元件結合，調控相關基因的表達。這些轉錄因子過表達，可以激活很多抗逆基因的同時表達，增強植物的抗性。研究表明，水稻中的4種ERFs轉錄因子均參與水稻非生物脅迫反應，其中TSRF1基因過表達，可以增加水稻的抗旱性[16]。負責編碼NAC轉錄因子的C7基因，主要表達部位為氣孔保衛細胞，干旱脅迫時，該基因的表達能夠促進氣孔關閉，提高水稻抗旱能力。

ASR蛋白是一種高親水性的小分子堿性蛋白，極耐高溫，存在于很多植物細胞中。對轉基因擬南芥的研究發現，超表達百合ASR基因的擬南芥及過表達香蕉MpASR基因的擬南芥，其植株耐旱能力均可以得到不同程度的提高[17]。

干旱脅迫下，植物通過積累大量的滲透調節劑降低細胞滲透勢，來維持細胞的正常功能。對海藻糖合酶基因TPS1、甜菜堿醛脫氫酶基因BADH及脯氨酸合成途徑關鍵酶基因P5CS的表達水平與耐旱能力關系的研究中發現，TPS1過表達、BADH超表達及P5CS高表達，均可促進滲透調節劑的生物合成，降低滲透勢，從而顯著提高植物耐旱能力[18]。

4 展望

水資源短缺和不均衡性仍是未來全球面臨的主要問題，嚴重制約著農業生產及生態環境的健康發展。綜合評價植物的抗旱特性需要綜合植物生長發育動態、光合特性及表型等性狀的變化特征及規律，合理評價植物的抗旱性。同時，植物的抗旱狀性由多基因控制，從分子、細胞、組織到整體植株的抗旱機制在不同層次上存在顯著差異。隨著基因編輯技術、分子標記技術等的飛速發展，充分利用以CRISPR/Cas9為代表的基因定點編輯技術開展作物抗旱性的遺傳改良，利用SNP為代表的第三代分子標記技術和全基因組關聯分析等技術挖掘抗旱基因并且深入研究植物對干旱生境的響應與適應機制仍是未來應對極端干旱生境研究領域的熱點。