甘薯對干旱脅迫的生理響應及分子機理研究進展

鐘月仙，黃偉群，林趙淼，張 鴻，李國良，邱思鑫，邱永祥*

(1.福建省農業科學院作物研究所，福建福州 350013；2.農業農村部南方薯類科學觀測實驗站，福建福州 350013；3.福建省特色旱作物品種選育工程技術研究中心，福建福州 350013；4.福建省種子總站，福建福州 350003)

甘薯(IpomoeabatatasLam.)是世界重要糧食作物，因其適應性強，在熱帶及溫帶地區得到廣泛的種植，中國作為世界上最大的甘薯生產國，2014年甘薯種植面積達到337.3萬hm2，鮮薯產量達到了7 130.5萬t[1]。中國地形復雜，甘薯在中國地區作為補充性糧食作物常常種植于缺乏良好灌溉條件土地上，因此甘薯生長過程中常面臨水分虧缺的問題。探究甘薯應對干旱脅迫的響應機制對于提高甘薯產量、增加甘薯種植產業的經濟效益具有重要意義。

1 甘薯光合作用對干旱脅迫的響應

水分的變化對甘薯的各個生理代謝過程都會產生重要的影響[2]。其中，最直接的體現是對光合作用的影響。在甘薯的生長過程中，水分是參與光合作用必不可少的成分。甘薯通過葉片以水和二氧化碳為原料進行光合作用，產生氧氣和糖類，而糖類則作為儲能物質直接輸送到甘薯的根系，從而使甘薯根系膨大。土壤水分作為甘薯植株中水分的最主要來源，土壤濕度與甘薯產量直接相關[3]。姜增輝等[4]的研究表明，甘薯的高產需要適宜的土壤濕度，70%的田間最大持水量較利于甘薯的高產，而當土壤含水量低于60%的田間最大持水量時會影響甘薯的產量。土壤水分過多或者過少能影響甘薯的光合作用，通過對甘薯葉片的研究發現，干旱和淹水都會使甘薯葉片的氣孔導度、蒸騰速率和凈光合速率降低[5]。

通常情況下，植物剛開始受到干旱脅迫后，關閉氣孔以減少水分的蒸騰速率，此時外界二氧化碳進入葉片受到阻礙，胞間二氧化碳被光合作用所消耗，葉片二氧化碳供應不足導致了光合作用速率降低。當水分充足時，氣孔可迅速打開，植物體內光合系統能夠繼續正常進行光合作用。在這一過程中，植物通過主動調節氣孔的開閉來響應干旱脅迫。光合速率的降低只受氣孔因素的影響。當植物受到較嚴重的干旱脅迫時，葉肉細胞上的光合系統受到破壞，光合能力降低，細胞呼吸的二氧化碳釋放量大于光合作用的吸收量，二氧化碳不斷積累導致胞間二氧化碳濃度上升。在這一過程中，植株主要是由于光合系統受到破壞從而導致光合速率的降低[6]。研究表明[7-8]，干旱脅迫下影響光合速率的因素包括氣孔限制因素和非氣孔限制因素，氣孔因素導致的光合速率下降是指在干旱脅迫下植物葉片的氣孔關閉使光合速率降低，表現為胞間二氧化碳濃度降低；非氣孔因素是指干旱脅迫破壞了植物葉片中葉肉細胞的光合系統從而導致光合速率下降，具體表現為胞間二氧化碳濃度升高[9]。龔秋等[10]的研究發現，即使在相同程度的干旱脅迫下，不同甘薯品種對脅迫的響應方式也不完全相同。其研究表明，在干旱脅迫20 d后，徐紫薯6號、徐紫薯1號、徐薯33號等甘薯品種是由于氣孔限制因素導致的光合速率降低，而徐紫薯4號、徐紫薯2號、徐紫薯3號則是由于非氣孔因素導致了光合速率的下降。這也說明了不同甘薯品種間存在著明顯的抗旱性差異。

干旱脅迫對植物光合作用的影響是多方面的，不僅能直接對葉肉細胞中的光合結構造成損傷，同時也能影響光合電子傳遞。盧從明等[11]對甘薯葉肉細胞的光合電子傳遞的研究發現，干旱脅迫能夠促進甘薯葉肉細胞解偶聯的光合電子傳遞，產生解偶聯效應，降低ATP的合成。葉綠素熒光誘導動力學是目前研究植物內部光合作用機理的重要方法[12]。葉綠素熒光參數能夠反應植物體在環境脅迫下其光合系統的受損程度[13]。初始熒光量(Fo)作為PSⅡ光化學反應的光輻射部分，其大小與葉綠素濃度有關。當反應中心失活或者遭到破壞時，Fo上升。可變熒光量(Fv)是參與PSⅡ光化學反應的光能輻射部分，反映了PSⅡ原初電子受體QA的還原情況。最大熒光量(Fm)反映了通過PSⅡ的電子傳遞情況。PSⅡ的最大量子產量(Fv/Fm)反映了植物的潛在最大光合能力，高等植物的葉片在經過15～30 min的暗處理后，Fv/Fm值一般在0.80～0.84，當植物受到脅迫時，Fv/Fm顯著下降[14-16]。張云華等[17]利用葉綠素熒光動力學對甘薯的研究發現，干旱脅迫破壞了甘薯的光合機構，使原初光化學效率下降，此時甘薯葉片的葉綠素含量降低也同樣說明光合系統受到破壞。因此，利用葉綠素熒光參數對甘薯抗旱品種的鑒定與選育具有十分重要的意義[18]。

2 甘薯抗氧化系統對干旱脅迫的響應

在植物受到干旱脅迫后，細胞中的葉綠體、線粒體、過氧化物酶體、質外體等部位會產生大量的活性氧(ROS)[19]。生物體內適量的ROS可以作為細胞內信號傳導通路的第二信使，激活免疫細胞、使細胞增生和程序性死亡[20]。但是ROS的大量積累可使類脂中的不飽和脂肪酸發生過氧化反應，產生丙二醛，破壞生物膜結構，并且對蛋白質、DNA、RNA等造成氧化傷害[21]。因此，及時清除過度積累的ROS，使ROS維持在低水平的平衡狀態，是植物體保護自身免受ROS毒害的重要防御機制。植物清除ROS的抗氧化系統包括超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)、谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽轉硫酶(GST)和過氧化氫酶(CAT)等，其中 SOD、過氧化物酶(POD)和 CAT 是植物體內清除活性氧的重要保護酶，其活性與植物的抗旱性呈正相關關系[22]。

POD是植物抵御逆境傷害的一種關鍵酶，它能夠與SOD和CAT協同配合，共同清除植物體內多余的H2O2。研究表明[23]，甘薯的抗旱性與其細胞中的POD活性相關。POD不僅可以清除細胞在逆境或衰老過程中產生的H2O2，還能夠在植物衰老的末期階段參與活性氧的生成、葉綠素的降解[24]。在通常情況下，甘薯葉片中丙二醛(MDA)含量與過氧化物酶活性呈負相關，過氧化物酶活性越低則葉片細胞脂膜的過氧化程度越高[25-26]。而干旱脅迫常常會使POD的活性提高[27]，劉恩良等[28]的試驗研究表明，在干旱脅迫下，抗旱和非抗旱品種的POD活性和MDA含量都較大幅度地先增后減。抗旱性強的甘薯品種在干旱脅迫各階段均具有較高的POD活性，但只在干旱脅迫早期具有較高水平的MDA，且最終MDA能恢復到相對較低的水平。而抗旱性較弱的甘薯品種，干旱早期的MDA較少，但最終積累的卻較多，這進一步說明POD對MDA的清除能力以及對質膜的保護作用。耐旱性越強的甘薯品種，在干旱脅迫下過氧化物和超氧陰離子生成速率越低，抗氧化酶活性增加的幅度越大[29-30]。

CAT作為植物防御系統中重要的保護酶，在提高植物對鹽堿、干旱、凍害等非生物脅迫的抗性有著顯著的作用[31-33]。SOD是細胞內第一道抗氧化防線，在保護細胞免受氧自由基的傷害中起到關鍵的作用。目前研究認為，SOD根據其結合的金屬離子可以分為Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、Fe-SOD和Ni-SOD[34]。其中Cu/Zn-SOD存在于植物體細胞的線粒體、葉綠體、過氧化物酶體等結構中，在生物體中含量最多，被認為是SOD家族中最重要的一類酶，也是清除活性氧的最主要執行者。在甘薯葉片中轉入Cu/Zn-SOD基因能夠顯著提高甘薯的抗旱性，緩解逆境對甘薯質膜的氧化傷害[35]。SOD通過歧化反應把超氧陰離子轉化為過氧化氫，過氧化氫再被CAT和POD催化成無毒害的O2和H2O，從而使細胞中的超氧陰離子維持在較低水平，緩解植物受到的傷害[36]。

何冰等[37]對甘薯不同抗性品種的研究發現，隨著干旱脅迫程度的加重，過氧化物酶活性在耐旱與不耐旱的品種中都呈下降趨勢；超氧化物歧化酶在耐旱性品種中呈波浪式先下降后上升再下降的趨勢，在不耐旱品種中呈下降趨勢；而過氧化氫酶則在耐旱與不耐旱的甘薯品種中都呈上升趨勢。但是也有研究認為，干旱脅迫會使過氧化氫酶活性急劇下降，只是相對于不耐旱的品種，耐旱甘薯品種的過氧化氫酶活性下降速率會比較緩慢[38]。這可能是由于不同的試驗材料以及不同方式的干旱脅迫處理導致研究結果有分歧。進一步在甘薯的細胞水平進行研究[39]，發現甘薯愈傷組織在干旱脅迫24 h內，愈傷組織的SOD活性隨著脅迫程度的增大而升高，但隨著時間的延長，SOD活性會出現下降趨勢。這與個體水平上的研究結果類似[40]。

植物體除了能夠利用自身的抗氧化物質抵御干旱脅迫外，還能通過外源物質來響應水分的脅迫。如抗旱節水劑對甘薯的滲透調節物質和膜保護系統酶具有顯著的影響，都能顯著地減少作物在干旱脅迫下的游離脯氨酸、丙二醛含量，提高POD、SOD和CAT的活性[41]。外源施加ABA能夠降低甘薯的葉片相對電導率，抑制葉片和根系中丙二醛的積累，提高根系活力，提高葉片和根系中SOD、POD、CAT、APX 和GR 的活性。外源ABA顯著提高了抗氧化酶活性從而提高甘薯苗期葉片和根系的抗氧化酶系統的防御能力[42]。植物生長調節劑縮節胺能夠提高甘薯根系的POD活性，降低甘薯根系的丙二醛濃度，而烯效唑和生根粉能不同程度降低甘薯根系的POD活性和丙二醛濃度；與烯效唑和縮節胺不同，生根粉提高甘薯根系中的SOD活性。顯然，不同植物生長調節劑對干旱條件下甘薯苗期根系的抗氧化系統都具有顯著的影響，但是存在調節劑種類和甘薯品種之間的特異性[43-44]。

3 甘薯滲透調節物質對干旱脅迫的響應

植物在干旱脅迫下，為了防止細胞過度的失水，植物體主動地提高胞內溶質濃度，維持細胞內低滲透壓，從而使細胞能夠繼續從胞外吸水，該過程稱為滲透調節。植物通過代謝用于降低胞內滲透壓的溶質稱為滲透調節物質。在植物體中滲透調節物質一般分為2種，一種是無機離子，包括K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-等；一種是有機物質，如游離氨基酸、可溶性糖、可溶性蛋白、甜菜堿等物質。在不同程度的干旱脅迫下，這些滲透調節物質都有不同程度的變化[45]。

脯氨酸作為游離氨基酸中最主要的滲透調節物質，在調節胞內滲透壓的同時還能夠增加蛋白質的水合度，提高其可溶性，避免蛋白質大量沉淀，從而維持蛋白質結構的完整及功能的穩定性。因此，脯氨酸常常作為檢測植物抗旱性的重要指標[46]。植物體內可溶性糖主要有蔗糖、葡萄糖、果糖等，它不但是一種滲透調節物質，也是一種儲能物質。目前研究認為，在干旱脅迫下，植物體內大分子碳水化合物加快分解為小分子的可溶性糖，并且光合產物在形成過程中不合成淀粉而是直接轉化為低分子量的蔗糖。蔗糖通過玻璃態化作用來保護細胞，蔗糖的大量積累能夠產生具有團體機械特性的超飽和液體，從而防止胞內生成結晶，使細胞不易塌陷，限制大分子物質的混合，讓細胞處在穩定的靜止狀態[47]。在干旱脅迫下，甘薯葉片中脯氨酸含量會隨著脅迫程度的加重而上升[48-49]，對于甘薯的近緣野生種同樣也表現出相同的變化趨勢[50]。田間抗旱性較強的甘薯品種在干旱脅迫下，游離脯氨酸的含量有較大的提高，即游離脯氨酸的相對值與抗旱指數呈顯著正相關[51]。有些研究則表明，抗旱性較強的甘薯品種滲透調節物質的積累均高于抗旱性弱的品種，但脯氨酸積累的數量與甘薯品種的抗旱性無關，對滲透調節的貢獻由高至低依次為總游離氨基酸>K+>可溶性糖>脯氨酸[52]。 張明生等[53]對不同抗性甘薯品種的研究同樣表明，甘薯葉片中可溶性糖、總游離氨基酸和K+的相對值與品種抗旱性均呈極顯著正相關；而游離脯氨酸含量在干旱脅迫下雖有提高，但其相對值與品種抗旱性間的相關性不顯著。

4 甘薯在干旱脅迫下的分子響應機理研究

由于不同甘薯品種的抗旱能力不同，許多具有優良性狀的品種可通過一些含有較強抗性基因的野生種雜交而來[54]。對甘薯抗旱相關基因的挖掘分析顯得尤為重要。對干旱脅迫下的甘薯轉錄組數據進行分析常常作為挖掘相關抗性基因的重要手段[55-56]。為了探究甘薯對干旱脅迫復雜的遺傳響應機制，許多學者重點對抗逆相關基因的功能進行研究分析。這些抗性基因有的直接編碼抗旱相關的功能蛋白，例如，XvSap1基因編碼與細胞壁穩定相關的蛋白，能夠顯著提高甘薯的耐旱性，具體表現為，水分脅迫下轉基因植株的葉綠素含量、游離脯氨酸含量、相對含水量均高于野生型，脂質過氧化作用明顯降低[57]；液泡Na+/H+逆向轉運基因IbNHX2編碼的蛋白能夠協助將鈉離子從細胞質轉運到液泡中從而提高甘薯植株的耐鹽性和耐旱性[58]。

許多抗旱基因雖然沒有直接編碼抗逆功能的蛋白，但是作為植株體內抗旱物質合成的關鍵酶，在干旱脅迫中也起著重要的作用。IbLCYB2是編碼類胡蘿卜素合成酶的基因，甘薯的IbLCYB2基因超表達體植株中涉及類胡蘿卜素和脫落酸生物合成途徑和非生物脅迫反應的基因均發生了上調表達。在非生物脅迫下，ABA、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性顯著升高，而丙二醛和H2O2含量顯著降低。這表明，IbLCYB2基因通過調控甘薯類胡蘿卜素和ABA的生物合成途徑，提高甘薯類胡蘿卜素的含量和抗非生物脅迫能力[59]。苯丙氨酸代謝途徑中的肉桂酸-4-羥化酶是多種次生代謝物合成的關鍵酶，甘薯基因IbC4H在煙草中的超表達顯著提高了煙草植株的抗旱性，并且許多逆境脅迫相關基因也在超表達植株中發生了上調表達[60]。肌醇合成的限速酶編碼基因IbMIPS1在甘薯植株中超表達使其肌醇的生物合成提高，光合作用及活性氧清除系統等相關的基因都發生了上調表達，并在田間條件下表現出耐鹽耐旱性[61]。

甘薯的抗旱基因除了能夠提高自身的抗逆性，某些抗性基因在其他物種的表達也能對干旱脅迫產生積極的響應。例如甘薯IbOr基因轉入馬鈴薯中可以顯著提高馬鈴薯的耐旱性和塊莖產量，從而改善重要的農藝性狀[62]。而將其轉入紫花苜蓿中，轉基因植株也表現出更強的耐旱能力以及更高的類胡蘿卜素水平[63]。除了這些編碼功能蛋白的基因具有抗旱作用外，一些轉錄因子在干旱脅迫過程中也具有重要的調節作用。如轉錄因子bZIP在植物中起著調控花的發育、種子的成熟、病原體的防御和脅迫信號的作用。甘薯IbbZIP1基因在擬南芥中的過表達顯著提高了耐鹽性和耐旱性，在鹽脅迫和干旱脅迫下，轉基因擬南芥植株ABA和脯氨酸生物合成及活性氧清除系統相關基因顯著上調，ABA和脯氨酸含量顯著升高，H2O2含量顯著降低[64]。DREB/CBF轉錄因子對植物適應低溫環境具有重要調節作用，甘薯中的IbCBF3基因同樣能夠受到干旱脅迫的誘導表達，其超表達體在干旱脅迫下表現出較高的光合效率以及較低的過氧化氫水平[65]。

5 結語

甘薯作為我國重要的糧食作物，由于其具有較好的生態適應性，是旱地種植糧食作物的首要選擇，干旱脅迫也是甘薯生長過程中重要的限制因素，因此甘薯耐旱性一直是產業關注的重點。甘薯的耐旱機理的研究，對提高耐旱材料的篩選、抗旱品種的育種及開展高效耐旱栽培技術研發均能起到重要的推動作用。目前，對甘薯的耐旱性研究主要是在田間試驗條件下對甘薯產量等農藝性狀的變化進行表面的趨勢分析，缺乏對其內部響應機制的研究，而對于甘薯的生理生化響應機制的研究則較多地停留在實驗室受控的條件下進行單因素分析。甘薯對干旱脅迫的響應機制是多基因參與的在各個層次上與環境相互作用，共同調節的復雜網絡。因此，在田間條件下對甘薯的生化與分子遺傳機制進一步進行研究十分必要。