豌豆應對非生物脅迫的研究進展

摘要：大多數農作物在遭受非生物脅迫時產量會顯著降低，研究作物在非生物脅迫下的抗逆性指標變化和響應機制、探索提高植物抗逆性的途徑，對穩定和提高作物產量具有重要意義，是可持續農業發展的重要環節。豌豆是最古老的馴化物種之一，因其對低溫、干旱、鹽堿等非生物脅迫具有較強的耐受力而被廣泛種植。同時豌豆也是重要的糧、菜、飼兼用作物，具有較高的經濟價值。本文就豌豆對干旱、鹽堿、低溫等非生物脅迫的響應機理和豌豆在非生物脅迫下的形態結構、抗逆性指標變化及提高豌豆抗逆性的途徑措施進行綜述，并就今后豌豆抗逆性研究中加強多逆境互作研究、豌豆表觀遺傳學研究、豌豆耐逆功能基因挖掘與利用進行分析展望，以期為今后豌豆育種提供方向與依據，為進一步加強豌豆抗旱、耐鹽、耐低溫等抗逆性研究夯實理論基礎。

關鍵詞：豌豆；非生物脅迫；抗旱；耐鹽；耐低溫；代謝應答

中圖分類號：S529 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）09-0172-09

植物生長發育過程中遭受的各類逆境脅迫，主要分為生物脅迫和非生物脅迫。近年來，非生物脅迫成為影響農作物產量和質量的主要限制因素，如干旱、鹽堿、低溫等。在氣候變化和人口不斷增長的壓力下，非生物脅迫因素可能會變得更加嚴重。據統計，非生物脅迫可使作物產量大幅度降低，從全球角度來看，極端氣候呈現出不斷增加趨勢，因此環境變化帶來的干旱、鹽堿、低溫等因素對農業及其全球日益增長的糧食需求是一個巨大的挑戰。最近一項關于歐洲過去數十年作物減產的研究表明，干旱和熱浪與谷物減產的關系分別為9%和7.3%。因此，非生物脅迫對農作物性狀的影響已成為當前國內外研究的熱點問題。

豌豆（Pisum satium L.）在我國栽培歷史悠久，是我國第一大食用豆類作物，也是世界第四大食用豆類作物，在世界豆類總產量中占36%左右。豌豆因其耐寒力強、生育期短、適應性強而被廣泛種植，是集糧、菜、飼、肥于一體的多用途作物，在我國農業可持續發展中發揮著重要作用。隨著農業發展和人們生活水平的提高，人們的膳食結構也在不斷改善，具有較高營養價值和廣泛利用價值的豌豆逐漸被人們認識、開發和利用。研究表明，豌豆具有較全面且均衡的營養，不但含有人體所需的蛋白質、脂肪和碳水化合物，而且含有豐富的維生素、氨基酸和微量元素等，同時也具有一定的藥用價值，起到食療保健作用。因此豌豆在食品、醫藥等方面逐漸得以發展，擁有較大的開發潛能。

近年來，我國豌豆種植面積不斷增加，而非生物脅迫是影響豌豆生長發育以及種植分布的重要制約因素之一。干旱、鹽堿、低溫、有毒金屬等非生物脅迫因子影響豌豆的生長發育，導致產量、品質下降，嚴重時可致死亡。因而，了解掌握豌豆非生物脅迫下的抗逆性研究進展非常必要。本文就豌豆對于旱、鹽堿、低溫三種非生物脅迫因子作用的響應機理，豌豆在非生物脅迫下的形態結構、生理生化等抗逆性指標的變化，提高豌豆抗逆性的途徑措施進行綜述，并對今后非生物脅迫下的豌豆抗逆性研究進行展望，以期為今后豌豆育種提供方向與依據參考，為進一步加強豌豆抗旱、耐鹽、耐低溫等研究提供信息支持。

1非生物脅迫對豌豆的影響

1.1干旱脅迫對豌豆的影響

水分匱乏是當今人類社會面臨的重要生態問題，干旱在制約農業生產的各類逆境因素中居第二位，僅次于病蟲害，已成為全球農業生產的最大威脅之一。一般來說，豌豆等豆類作物生產基本上依賴降雨，整個生育期中特別容易遭受干旱的影響。在世界范圍內，干旱是限制豌豆等豆類作物產量的主要環境因素。研究發現植物在干旱條件下可通過調整自身形態、生理生化和分子水平上的代謝以適應當前生存環境。研究表明，豌豆遭受干旱脅迫時可顯著降低株高、葉面積、單株葉片數和單株花數，同時單株莢數、莢長、百粒重等也顯著下降。潘多鋒等在苗期對52份箭箸豌豆種質資源進行反復干旱處理，結果顯示干旱脅迫降低其株高、地上部干鮮重、地下部干鮮重、根冠比以及根瘤數。馬丹發現，北方干旱區域豌豆苗期干旱脅迫降低其株高、分枝數，但是能促進主根生長以及側根增多。錄亞丹等采用盆栽方法于隴豌1號分枝期、孕蕾期、花莢期對其分別進行干旱試驗，表明干旱脅迫降低其干物質累積量，顯著抑制根系生長及根瘤形成，且花莢初期干旱脅迫對豌豆產量抑制作用最大。

植物應對干旱脅迫的一種常見反應機制是氣孔關閉。植物氣孔運動在保持水分穩定和調節光合作用CO2吸收等方面具有重要作用。植物受到干旱脅迫時，氣孔開度減小甚至完全關閉，氣孔阻力增大，減少水分流失的同時也限制CO2吸收，從而導致光合作用下降。研究發現，豌豆結莢期干旱脅迫會導致氣孔導度降低、光合速率下降。隨著干旱程度加劇，豌豆葉片氣孔關閉、光合作用降低，種子結實和生長隨之受到抑制。當水分缺失時，豌豆葉片氣體交換參數顯著下降，光系統PSI和PSII光化學效率降低且其核心蛋白被分解，同時類囊體排列變得松散，嚴重干旱脅迫可導致LHCI和LHCII以及PSI和PSII的部分反應中心蛋白減少，表明光合作用機制明顯紊亂。

豌豆水分缺失時，其滲透調節物質等發生改變以適應干旱環境，保護植株正常生長。隨著干旱脅迫發生，Y-氨基丁酸（GABA）、蛋白質和碳水化合物含量顯著增加，從而通過維持細胞滲透調節、緩解氧化脅迫、平衡碳氮（C：N）代謝、維持細胞代謝穩態和細胞膨脹來應對干旱缺水對豌豆幼苗的生理影響，因此在豌豆萌發期應避免嚴重干旱缺水和長期干旱脅迫，以保證豌豆幼苗正常生長和代謝。崔月發現，豌豆苗期與花期遭遇干旱脅迫會導致丙二醛（MDA）含量上升，超氧化物歧化酶（SOD）活性下降，過氧化物酶（POD）活性提高，可溶性蛋白減少，葉片中脯氨酸和可溶性糖含量增加。可見，植物在于旱脅迫下體內會積累有機或無機物質來提高細胞液濃度、降低滲透勢，以提高細胞吸水或者保水能力，從而適應干旱環境。

1.2鹽脅迫對豌豆的影響

鹽脅迫導致植物生長發育受到損傷，嚴重降低作物產量。鹽脅迫主要通過土壤中的鈉離子、氯離子等離子濃度升高引起滲透脅迫、離子脅迫與次生脅迫等。豌豆是一種較耐鹽的豆科植物，為有效應對鹽脅迫，其體內調節機制調控各類指標來減輕鹽脅迫傷害。鹽脅迫下耐鹽豌豆品種的莖與根均保持較低的Na+水平以及較高的K+水平和K+/Na+比值，且O2與H2O2累積低于鹽敏感品種，同時耐鹽品種SOD、CAT、APX活性和脯氨酸含量及P5CSJ轉錄水平高于鹽敏感品種，由此可知豌豆的耐鹽性與維持K+、Na+穩態及相關基因表達、促進脯氨酸和抗氧化防御系統有關。Shaukat等通過馴化調節K+的吸收提高豌豆的耐鹽水平，并發現鹽脅迫有效促進了葉片和根系中K+的累積，從而提高光合速率、氣孔導度和葉綠素含量，讓植株保持更高的相對含水量，產生更多的干生物量。研究表明，脯氨酸、總可溶性糖等滲透調節物質的累積，能增強滲透調節能力，降低膜脂過氧化傷害，防止細胞內水分過多散失，從而提高豌豆植株的耐鹽性。

豌豆的基因型、生長階段、鹽濃度和鹽的性質對其耐鹽性的影響存在差異。Khan等分別采用4個鹽濃度（0、8、12、16 dS/m）對8個栽培豌豆品種進行處理，結果顯示，雖然不同鹽濃度對各基因型豌豆的發芽率、鮮干重降低率、幼苗活力指數等均有顯著影響，但在12、16 dS/m鹽脅迫下豌豆的根與胚珠受到損傷，在8 dS/m鹽水平下有兩種基因型豌豆（BD4175、BD4225）表現較好。亞秀秀等的研究結果表明，豌豆具有耐鹽性，但不同豌豆品種的耐鹽性不同，150 mmol/L混合鹽脅迫是豌豆萌發期耐鹽性鑒定的理想濃度，并指出萌發期是耐鹽豌豆種質材料篩選的有效生理期。此外也有人發現豌豆種子萌發期和幼苗期是鹽脅迫極為敏感的階段，嚴重時會出現爛種、爛芽、死苗等現象。因此豌豆種子萌發期和幼苗生長期是鑒定豌豆品種耐鹽性的關鍵時期。張鳳銀等以菜用豌豆為材料證實，堿性鹽（NaH-CO2）比中性鹽（NaCl）在種子萌發期抑制作用更加明顯，在土壤中積累后對豌豆栽培影響更顯著。這與于崧等發現的中性鹽與堿性鹽對蕓豆幼苗均有不同程度的抑制作用，但堿性鹽對其抑制作用更為顯著的結果一致。

1.3低溫脅迫對豌豆的影響

豌豆雖然具有較強的耐寒能力，但是低溫寒冷仍是限制其生長發育、降低產量的重要因素之一。大量研究表明，低溫脅迫延緩種子發芽，降低發芽率，極易導致萌發失敗：也會造成根系生長異常，減少對水分的吸收：更易引起葉片結構發生改變導致葉綠體結構受損，影響葉綠素的合成，降低總葉綠素含量：同樣會導致雄性植株不育，從而引起結實率降低最終出現產量下降。Sincik等發現，10份參試豌豆種子在5-20℃下均可萌發出苗，且隨著溫度降低萌發延遲，10℃時萌發和出苗率最高，其次是20℃，但在5℃低溫時豌豆植株的頂端生長、根系發育、產量和單株重明顯下降。低溫不僅對豌豆生理特性產生影響也會引起細胞超微結構改變。羅奔等利用“蘭箭1號”（冷敏感型）與“蘭箭3號”（冷耐受型）幼苗進行10℃冷馴化研究，結果顯示，冷耐受型品種的葉綠素熒光Fv/Fm、MDA、SOD、CAT指標顯著高于冷敏感型品種，“蘭箭3號”在冷馴化中表現出較好的滲透調節能力，維持較高的抗氧化酶活性：陳旭微研究顯示，10℃低溫后，豌豆幼苗細胞抗氧化酶活性（除POD活性外）與可溶性糖含量均不同程度的上升，而且細胞超微結構發生改變，細胞質膜發生內陷、外凸，呈波浪狀或出現質壁分離，細胞內小液泡數量明顯增多，多數質體變形為啞鈴形、變形蟲形、馬蹄形、鐮刀形等，而且線粒體內部結構輕度空泡化。

科研人員為了更好地了解豌豆對低溫脅迫的分子響應開展了許多工作。崔悅通過轉錄組、代謝組聯合分析發現，“蘭箭3號”箭箸豌豆通過提高糖類和氨基酸類物質的代謝水平及相關基因的表達量從而提高其抗冷能力。Badowiec等利用長、短期低溫脅迫與脅迫恢復對豌豆萌發期根系蛋白質組進行分析研究，結果表明受調控的蛋白大部分涉及代謝、逆境保護、細胞周期調節、細胞結構維持和激素合成，推測此類蛋白可能共同影響植株早期根系的生長發育，且豌豆根系蛋白質組模式的改變依賴于脅迫持續時間。豌豆細胞壁代謝對低溫響應的研究表明，低溫誘導了含木糖、阿拉伯糖、半乳糖和半乳糖醛酸殘基的聚合物變化，導致果膠甲基化程度增加，通過分析果膠在霜凍敏感基因型和耐霜凍基因型之間的差異表明果膠在抗凍機制中具有保護作用。由多種肌動蛋白結合蛋白參與調解（節）的動態微絲骨架在植物生長發育、耐低溫等逆境脅迫下發揮重要作用。張春等研究發現豌豆肌動蛋白異型體PEAcll基因在對照溫度（25℃）和低溫（4℃）條件下表達模式差距較大，豌豆葉片經過低溫處理后，PEAell基因表達量先增后降而后趨于穩定，表明PEAcll基因可能通過表達量的變化參與豌豆幼苗低溫脅迫的生理生化過程。

2豌豆對非生物脅迫的代謝應答

代謝過程的變化對植物非生物脅迫應答具有重要作用。植物通過代謝應答反應產生各種代謝物來應對非生物脅迫，以幫助自身應對不斷變化的外界環境。植物應激代謝產生的初級代謝產物如碳水化合物、有機酸、氨基酸等以及次級代謝物如酚類物質、類黃酮等對植物生長發育、逆境適應和防御具有至關重要的作用。脯氨酸作為蛋白質氨基酸中的一員，在植物初生代謝中具有重要作用。脯氨酸是一種多功能分子，在各種非生物脅迫下以高濃度積累，調節胞質和液泡之間滲透勢的平衡，且能通過抗氧化酶系統的協同作用清除過量活性氧（ROS）以減輕氧化應激的不良影響，并在脅迫解除后為植物生長提供能量。

糖類不僅是植物的能量來源，而且對植物生長具有重要的調控作用，此外還可以保護細胞膜和蛋白質，維持細胞的膨脹壓力。非生物脅迫觸發植物體內可溶性糖和多元醇的積累，如蔗糖、甘露醇等。在應激條件下，蔗糖作為一種滲透調節分子，可以防止植物脫水，調節轉錄因子和其他參與激素和防御信號傳導的基因表達。研究表明，在土壤干旱和復水條件下，豌豆芽部代謝物含量變化主要發生在氨基酸和一些可溶性碳水化合物的濃度方面，其中脯氨酸、y-氨基丁酸、羥脯氨酸、絲氨酸、肌醇和棉子糖在每次土壤干旱下均有積累且復水后減少，此外脯氨酸的積累似乎是豌豆對干旱記憶的重要組成部分。

植物激素是植物通過自身代謝合成并在低濃度下即可產生顯著生理效應的小分子有機信號物質，是植物適應不同環境條件的重要因素之一。植物激素不僅在正常情況下保持植物的生長發育，而且還參與響應各種逆境脅迫的應答。在脅迫相關的九大類植物激素中，ABA是主要的抗性調節因子之一。在逆境脅迫下，植物大量合成ABA，抑制氣孔開放，促進水分吸收，減少水分運輸途徑，達到水分管理的目的，從而抵御外界環境的脅迫。除此之外，ABA還作為信號分子參與抗逆性調節，如冷響應的CBF調節、耐鹽基因的表達等。ABA在植物生長發育和抵抗逆境脅迫中發揮的重要作用已在多種作物中被證實。Huang等于授粉前對4個豌豆品種分別進行不同時間的高溫處理（38℃），結果表明，在熱應激下，ABA大量積累，處理3h后ABA開始迅速響應，且耐熱品種ABA合成和轉化率高于熱敏感品種，由此可見ABA響應差異與豌豆的耐熱性有關。研究表明，干旱脅迫下ABA處理的鴿豌豆中黃酮類化合物含量大量積累，進一步分析發現其生物合成途徑發生了顯著變化并篩選出多個可能參與類黃酮積累的MYB和bHLH轉錄因子，而這些基因均受ABA調控，這為ABA調節次生代謝從而影響植物的抗旱性提供了依據。

與脅迫相關的植物激素如水楊酸（SA）、茉莉酸（JA）、油菜索內酯（BR）、生長素（AUX）、赤霉素（GA）等在眾多文獻中均已有報道，同時也證實它們在作物對非生物脅迫的應激反應中發揮重要作用。此外，其他幾種已知的植物激素也引起了研究人員的注意，其中褪黑素作為具有多種生理作用的植物激素，其潛在作用最近才被發現，現已證明其對各種作物的抗逆性有積極作用。由此可知，植物激素可以改善作物在非生物脅迫下的生產潛力，通過它們調節作物的應激代謝是一種非常有利的作物保護策略。值得關注的是豌豆在此方面開展的研究工作相較于其他作物還較少，并不廣泛。

3提高豌豆非生物脅迫抗逆性的途徑

3.1改進耕作與栽培調控技術

為抵御干旱、低溫等非生物脅迫的威脅，保證豌豆產量、品質等性狀的穩定性，研究優化栽培調控技術是豌豆生產節本增效的重要措施之一。在應對干旱脅迫時，除發展節水灌溉、節水栽培外，早期研究人員提出的“早、深、肥”促根抗旱栽培三字作業法建立了以促根為中心的適時早播、適當深播和增施磷肥這樣一種栽培方法，通過協調根土關系，促進根系發育，使豌豆產量顯著提高，取得良好的經濟效益。有研究指出，應對低溫脅迫時，可通過篩選生育期適宜的品種進行適時播種：提高播種質量，即播種環節精細，播種深度一致，覆土嚴密，加快種子萌發出苗，確保一播全苗：必要時可采取催芽種植方式等栽培技術以抵抗低溫脅迫。此外北方越冬豌豆可進行覆膜種植，待天氣回暖及時揭膜，以保障順利越冬。

3.2施用外源調控物質

外源植物激素通過影響內源激素的動態平衡、光合生理特性等可以有效改善作物的生長發育，進而提高其抗逆性。施用外源植物激素如脫落酸、水楊酸、褪黑素等能夠提高作物抗氧化酶活性，增加滲透調節物質與抗逆蛋白含量，減少蒸騰作用等，從而增強作物對逆境的耐受性。脫落酸（ABA）是植物體內參與脅迫響應的一種重要激素，外源ABA及其合成類似物是調控作物抗逆耐受性的一種潛在途徑，在相關研究中發現，豌豆幼苗噴施ABA刺激了光系統I周圍的循環電子流，降低其光合CO2的同化量，提高光合作用的耐熱性。鴿豌豆通過褪黑素預處理，發現對鹽、干旱和高溫脅迫的抗性顯著增強，表明褪黑素通過介導類黃酮生物合成增強植株對多種脅迫的耐受性。此外，外源褪黑素可以通過增強抗氧化能力和調節滲透活性、養分吸收和多胺生物合成來減輕鹽害，這在開心蓮幼苗噴施外源褪黑素研究中得以驗證。

3.3選育強耐逆性豌豆品種

由于遺傳或長期自然選擇，作物面臨干旱、低溫、鹽堿等不良環境脅迫時，不同品種對逆境脅迫的敏感程度不同，因此可以通過自然與人工雙重選擇篩選出適應逆境種植的優質品種。定西市農業科學研究院以抗旱耐瘠、豐產穩產為育種目標，通過常規雜交與人工選擇相結合的方法先后選育出適應干旱半干旱地區種植的豌豆新品種定豌9號和定豌10號。亞秀秀等對32份豌豆種質資源進行了耐鹽性評價，其中法國618、TW201619、TW201630、QW28等8個豌豆品種（系）表現為高耐鹽，可作為優異耐鹽育種資源或者示范推廣品種加以利用。總體而言，我國豌豆種質資源薄弱，缺乏高抗性種質資源，需要加強國內現有種質資源的挖掘創新，豐富育種資源，選育出生產需要的豌豆品種。

3.4加強抗逆基因的挖掘

近年來，隨著基因工程技術的發展，通過現代分子育種手段對種質資源中的優良基因進行深入挖掘和充分利用，這對種質資源創新和新品種選育具有重要意義。武曉亮等在煙草中過表達花生ABA途徑抗逆基因AhLOS5發現其植株內源ABA含量顯著升高，滲透調節物質含量也高，膜脂完整性好，抗氧化酶活性及抗氧化物質含量明顯升高，轉基因株系的耐鹽性明顯提高。研究表明，CBF基因在響應低溫與干旱脅迫時起關鍵作用，在樺木中過表達CBF基因顯著提高其耐寒性；過表達擬南芥CBF，基因可以提高柑橘、紫花苜蓿、木薯等作物對干旱和鹽脅迫的耐受性；GpZF基因可能通過調節應答逆境相關基因來提高耐旱能力，過表達GpZF基因顯著提高豌豆干旱脅迫的耐受力。由此可知，抗逆性基因的挖掘與利用為培育強抗逆性作物優良品種提供了良好的理論基礎。

4展望

隨著全球氣候復雜性變化的加劇，低溫、干旱、鹽堿等非生物脅迫對豌豆生產的影響在未來或許更加廣泛，因此了解豌豆對多種非生物脅迫的響應機理，有助于加快豌豆抗逆性機理研究及優良新品種培育的步伐。本文綜述了干旱、鹽堿、低溫三種非生物脅迫對豌豆的影響，概述了逆境下豌豆的應激代謝反應及提高應對非生物脅迫的措施。綜上所述，雖然學者們對豌豆在非生物脅迫下的形態結構、生理生化、抗逆性基因挖掘等方面進行了一些探索，但是未來還需要加強以下幾方面研究：

一是加強多逆境互作研究。目前豌豆非生物抗逆性研究多數是在單一逆境下開展，而自然環境是變化多端的，往往伴隨著多種逆境共同作用，這在一定程度上限制了豌豆抗逆性信息表達的精確性，因此在今后工作開展中應注重多種逆境的相互作用，更加完整與深入地研究抗逆響應機理。

二是加強豌豆表觀遺傳學研究。表觀遺傳學變異雖然不涉及基因組序列的變化，但環境變化導致的表觀遺傳修飾會通過調控基因的表達來影響作物性狀，且這種表觀遺傳修飾具有更強的遺傳潛力，對子代環境適應能力具有重要作用。因此，加強優異表觀修飾變異在育種中的應用非常必要。開拓表觀等位變異的挖掘和調控機理解析，篩選優異的表觀等位變異，開發高效、精準、定向的表觀遺傳育種新技術等也是提高豌豆育種的措施之一。

三是加強豌豆耐逆功能基因的挖掘與利用。近年來，其他作物抗逆性基因的挖掘與利用已積累了大量研究成果，但是豌豆中還相對較少。隨著現代分子生物學技術、基因工程技術等快速發展，今后應結合多種組學方法、QTL定位技術、基因工程技術等生物分子技術開展豌豆抗逆相關基因的挖掘，明確其功能與表達調控網絡，并運用到豌豆育種實踐中，創制出抗逆性強的優良豌豆種質資源，以育出適宜生產需要的新品種。