植物抗旱性的生理基礎(chǔ)

植物抗旱性的生理基礎(chǔ)

干旱是影響作物生長發(fā)育、遺傳因素、分布和產(chǎn)量的重要因素之一，嚴重限制了作物的大規(guī)模種植。植物對干旱的適應(yīng)能力不僅與干旱強度、速度有關(guān),而且更受其自身基因的調(diào)控。在一定干旱閥值(droughtthreshold)脅迫范圍內(nèi),很多植物能夠進行相關(guān)抗旱基因的表達,隨之產(chǎn)生一系列生理、生化及形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的變化,從而顯現(xiàn)出抗旱性的綜合性狀。因此,從植物本身出發(fā),深入研究植物的抗旱機理,揭示其抗旱特性,提高植物品種的抗旱耐旱能力,以降低作物栽培的用水量,同時最大程度提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì),科學(xué)選育適宜廣大干旱、半干旱地區(qū)種植的優(yōu)良作物品種,已成為國內(nèi)外專家學(xué)者們所特別關(guān)注和研究的熱點問題,對于水資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境的改善均有著重要的意義。干旱作為植物所遭受的所有非生物脅迫中損害最為嚴重的不利因素,直接影響世界農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計資料表明:中國農(nóng)田耗水量大約占全國總耗水量的80%,而中國受旱農(nóng)田面積由20世紀70年代的1134萬hm2增長到90年代的2667萬hm2,全國農(nóng)田灌溉區(qū)每年缺水量約300億m。目前,生存資源、環(huán)境與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾日益突出,這就要求人們更應(yīng)高度重視農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)過程中作物逆境生物學(xué)的基礎(chǔ)研究。1干旱威脅對植物生長指標的影響1.1保證植物根系的分布植物根系的活力是體現(xiàn)植物根系吸收功能、合成能力、氧化還原能力以及生長發(fā)育情況的綜合指標,能夠從本質(zhì)上反應(yīng)植物根系生長與土壤水分及其環(huán)境之間的動態(tài)變化關(guān)系,因此,保證一個深層、分散、具有活力的根系是植物耐旱避旱的重要因素之一。有研究表明:當(dāng)植物生長受到干旱脅迫時,高羊茅(Festucaarundinacea)的根死亡率升高,其中土壤表層的根死亡率最高。當(dāng)土壤含水量低于一定程度時,隨著脅迫時間的增長,根系活力逐漸不足以維持生命而使植物不可逆轉(zhuǎn)地徹底死亡。由此可見,根系活力和土壤的相對含水量與植物的抗旱性密切相關(guān)。1.2抗旱性與土壤特性的關(guān)系水是植物的血液,其含量一般占組織鮮重的65%~90%。葉片的相對含水量(RWC)表征植物在遭受干旱脅迫后的整體水分虧缺狀況,反映了植株葉片細胞的水分生理狀態(tài)。因此,RWC常常是被用來衡量植物抗旱性的生理指標。RWC比單純的含水量更能較為敏感地反映植物水分狀況的改變,在一定程度上反映了植物組織水分虧缺程度。在干旱脅迫條件下,土壤中的可利用水減少,導(dǎo)致根系吸水困難,相對含水率降低。任麗花等對圓葉決明的研究對此做出了證明:圓葉決明34721和86134的RWC與土壤相對含水量之間均呈正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.9458和0.9744。高涵、葛體達等的研究結(jié)果也同樣證明了這一點。余玲、王彥榮等以國內(nèi)外20個優(yōu)良紫花苜蓿為材料的研究結(jié)果表明:抗旱性強的品種在干旱脅迫下牧草產(chǎn)量高。葉片保水能力強,相對含水量也隨干旱脅迫呈現(xiàn)出下降的趨勢。2水分脅迫對植物生產(chǎn)的影響綠色植物的光合作用是自然界中規(guī)模最大的碳素同化作用,是植物物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量形成的重要生理過程,同時也是受水分脅迫影響最為顯著的生理過程之一。沒有水,光合作用就無法進行。2.1水量降低而下降葉片光合產(chǎn)物是各器官生長的物質(zhì)基礎(chǔ),凈光合速率直接反應(yīng)出單位葉面積的物質(zhì)生產(chǎn)力,從理論上講它是衡量植物生物生產(chǎn)量水平的可靠指標。路丙社等對阿月渾子(PistaciaveraL.)葉片光合特性的研究表明:光合速率和蒸騰速率隨著土壤相對含水量的降低而下降。干旱脅迫下,光合速率的下降是氣孔限制和非氣孔限制雙重作用的結(jié)果,輕度干旱脅迫下(土壤相對含水量60%~40%)氣孔限制是光合速率下降的主要原因,而嚴重干旱脅迫下(土壤相對含水量20%)非氣孔因素是光合速率下降的主要原因。國內(nèi)外研究表明,水分脅迫條件下非氣孔限制因素除了表現(xiàn)為表觀量子效率和RUBP羧化酶效率下降外,還表現(xiàn)在電子傳遞速率下降、光合磷酸化、解鏈等光化學(xué)和生物化學(xué)過程的調(diào)整,而這些變化過程的直接表現(xiàn)就是“光抑制”的發(fā)生,干旱脅迫明顯降低了植株的凈光合速率。應(yīng)朝陽等研究表明:干旱脅迫下,草坪草的根、莖、葉均會表現(xiàn)出一定的生態(tài)適應(yīng)性,會發(fā)生葉片蒸騰和光合作用的減弱。劉惠芬、高玉葆等對不同種群羊草的研究結(jié)果表明:干旱脅迫下,光合速率均有降低趨勢,且不同品種的凈光合速率變化差異顯著。2.2干旱脅迫對葉片光合指標的影響葉綠體是綠色植物葉片進行光合作用的場所,主要利用葉綠素進行光能吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換,葉綠素在植物體內(nèi)是不斷進行代謝的,與作物光合作用及產(chǎn)量形成的關(guān)系密切。葉綠素是光合作用中最重要和最有效的色素,其含量在一定程度上能反映植物同化物質(zhì)的能力,從而影響植物的生長。植物缺少水分會抑制葉綠素的生物合成,而且與蛋白質(zhì)合成受阻有關(guān),嚴重缺水還會加速原有葉綠素的分解,因此植物在遭受干旱時,葉片呈黃褐色。陳少裕等研究表明:干旱脅迫下,膜脂過氧化作用引起植物細胞內(nèi)葉綠素合成受阻,降解加快,其含量迅速下降。韓瑞宏等對紫花苜蓿的研究結(jié)果表明:干旱脅迫下紫花苜蓿葉片凈光合速率(P)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(G)、葉綠素含量(Chl)都有不同幅度的下降;葉綠體超微結(jié)構(gòu)遭到破壞。相比而言,抗旱性強的苜蓿隨干旱脅迫程度的加深,凈光合速率下降較慢,葉綠體的外形及基粒結(jié)構(gòu)受到的影響較小。3干旱威脅對植物生長過程中氮代謝的影響3.1干旱脅迫對nr活性和作物生長發(fā)育的影響硝酸還原酶(nitratereductase,NR)可催化植物體內(nèi)的硝酸鹽還原成亞硝酸鹽,是硝酸鹽同化中第一個酶,也是限速酶。作為植物氮代謝的關(guān)鍵酶,其活性大小反映了作物對氮素的利用速度,水分脅迫下NR活性和作物生長發(fā)育有密切關(guān)系。對農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響。在正常情況下,植物物體內(nèi)一般不會發(fā)生硝酸鹽積累。但在干旱條件下,由于水分脅迫減弱了酶的合成速度導(dǎo)致植株中硝酸鹽積累過多,從而發(fā)生毒害作用。葸玉琴等研究表明:干旱脅迫會使NR活性急劇降低,抗旱品種的NR活性高于不抗旱品種。李君等對馬蹄金的研究也得到了相同的結(jié)論。3.2干旱脅迫對植物抗旱性的影響在外界逆境(高溫、干旱、鹽堿、病蟲害等)脅迫下,植物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)合成常常會受到影響(通常為抑制)。在干旱條件下,植物體內(nèi)代謝產(chǎn)生變化與調(diào)整,引起活性氧的積累,進而導(dǎo)致膜脂過氧化和蛋白質(zhì)(酶)、核酸等分子的破壞,植物自身為了避免脅迫造成的傷害,會誘導(dǎo)產(chǎn)生某些抗逆性蛋白質(zhì)。例如干旱誘導(dǎo)蛋白的形成就是植物抵御干旱脅迫的主動自我保護機制,這些新增蛋白質(zhì)的種類及含量與植物抗旱性密切相關(guān)。其中LEA蛋白大多是具有較高的水合能力的親水性蛋白質(zhì),干旱脅迫誘導(dǎo)LEA基因的表達以維持細胞特定結(jié)構(gòu)尤其膜結(jié)構(gòu),防止水份散失,以緩解環(huán)境脅迫的作用。有研究證明,抗旱性不同的植物品種在受到干旱脅迫時,其誘導(dǎo)蛋白的形成存在差異。陳忠等研究表明:可溶性蛋白質(zhì)與調(diào)節(jié)植物細胞的滲透勢有關(guān),抗旱性越強的植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)含量越高。高含量的可溶性蛋白質(zhì)有助于維持植物細胞較低的滲透勢水平、增強耐脫水能力、保護細胞結(jié)構(gòu)并且延緩衰老,以抵御干旱脅迫引起的傷害?？悼∶返葘δ敛蒈俎Ｈ~片的研究結(jié)果表明:可溶性蛋白質(zhì)含量的變化與干旱脅迫的強度有直接關(guān)系,隨著干旱脅迫強度的增加,某些可溶性蛋白質(zhì)的變化在量上表現(xiàn)為先增多后減少的趨勢。3.3干旱脅迫對植物生態(tài)特性的影響干旱條件下,增強細胞滲透調(diào)節(jié)能力的關(guān)鍵是細胞中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的主動積累。脯氨酸(proline,Pro)是在植物組織內(nèi)是作為一種理想的滲調(diào)物質(zhì)和防脫水劑,受到了廣泛的關(guān)注。其具有分子量低、高度水溶性,在生理pH范圍內(nèi)無靜電荷及低毒性等特性以游離狀態(tài)存在于植物體中,并通過調(diào)節(jié)降低細胞水勢并保持膨壓,并在清除ROS、增強抗氧化能力、穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、降低細胞酸性以及解除氨毒等方面起重要作用。李昆和曾覺民及周嬋等的觀點得到很大一部分研究的證明,即盡管以脯氨酸作為抗旱鑒定的一項生理指標對各種植物進行量度有一定的局限性,但作為某些植物在應(yīng)對干旱脅迫時體內(nèi)生理變化一個比較敏感的參數(shù),仍不失為一個有重要意義的依據(jù)。已有的研究表明,干旱條件下牧草(如苜蓿、羊草等)體內(nèi)游離脯氨酸含量隨脅迫強度的增加和脅迫時間的延長有不同程度的增加。通過近些年在不同植物上的研究,普遍認為抗性強的植物品種積累脯氨酸的能力強,陳亞鵬等的研究表明:植物體內(nèi)的脯氨酸含量與抗旱性之間存在密切關(guān)系,其含量隨干旱脅迫的加深而積累。這些累積的脯氨酸通過質(zhì)量作用定律進行滲透調(diào)節(jié),以維持細胞一定的含水量和膨壓勢,從而增強植物的抗旱能力和抗逆性,是植物對干旱逆境的一種抵御機制和維持自身正常生命活動的生理調(diào)節(jié)方式。4植物對脅迫的反應(yīng)在長期的進化過程中,植物形成了受遺傳性制約的逆境適應(yīng)機制。氧代謝在這些適應(yīng)性機制中占據(jù)重要位置,是植物對逆境脅迫的最基本的反應(yīng)。大量研究表明:干旱誘導(dǎo)的膜脂過氧化是造成植物細胞膜受到損傷的關(guān)鍵因素,而膜損傷又是導(dǎo)致植物組織傷害和衰老的重要誘導(dǎo)因素,但植物在遭受水分脅迫時可以啟動保護酶系統(tǒng)來有效地防御和清除自由基,保護細胞免受氧化傷害。4.1抗氧化酶系統(tǒng)保護作用植物體在正常代謝過程中,通過多條途徑和多個部位產(chǎn)生活性氧自由基,直接或間接啟動膜質(zhì)的過氧化作用,從而導(dǎo)致膜的損壞,植物細胞在長期進化過程中形成了防御活性氧的離子毒害的保護酶系統(tǒng)。即:超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等各種酶類,以維持植物體內(nèi)活性氧離子代謝的動態(tài)平衡。這些保護酶在超氧自由基、過氧化氫、過氧化物以及阻止或減少羥基自由基形成等方面起重要的作用,且CAT、SOD對脂質(zhì)過氧化引起的DNA損傷有一定程度的保護作用。酶活性越高,植物的抗逆性越強。植物在逆境條件下的保護酶系統(tǒng)活性的變化,已廣泛用于植物對逆境反應(yīng)機理的研究。正常情況下,植物體細胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生的清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)。但是當(dāng)植物處于逆境條件下(如強光、干旱、鹽堿、高溫、霜凍、缺素等)及衰老時,根據(jù)生物自由基傷害學(xué)說,植物細胞內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生和清除代謝的平衡受到破壞,使活性氧自由基的產(chǎn)生占據(jù)主導(dǎo)地位從而導(dǎo)致自由基含量過多積累且超過閾值,進而引發(fā)或加劇了細胞的膜脂過氧化,給植物體造成傷害。Herouart等研究指出:在干旱脅迫下,苜蓿中活性氧產(chǎn)生于自身與其根瘤菌的共生體系形成的最初階段,在侵染的細絲上可以發(fā)現(xiàn)氧自由基和過氧化氫,在幼苗的根瘤上可以發(fā)現(xiàn)氧化氮,隨著抗氧化防御體系的減弱,苜蓿根生突變體將會對根瘤造成傷害。4.2干旱脅迫對植物膜脂透性和抗氧化活性的影響SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的最重要的保護酶之一,當(dāng)外界脅迫導(dǎo)致產(chǎn)生大量的活性氧自由基時,SOD能夠及時有效地清除活性氧自由基,保護植物細胞免受脅迫所帶來的傷害,維持氧代謝的平衡。POD也是植物體抗氧化酶系統(tǒng)中重要的酶類,當(dāng)植物受到水分脅迫時,可誘導(dǎo)葉片內(nèi)POD活性升高,從而起到保護生物膜的作用。許桂芳等對干旱脅迫下兩種過路黃的抗性生理生化的研究表明:在干旱脅迫下,超氧化物歧化酶和過氧化物酶的活性均出現(xiàn)了先上升后降低的趨勢。楊青川、耿華珠等的研究證明:苜蓿的抗旱性等生理學(xué)特征與POD活性相適應(yīng)。CAT是植物體內(nèi)重要的抗氧化保護酶,在干旱脅迫條件下,水分的缺失可誘導(dǎo)植物葉片內(nèi)CAT活性的增強,加速了對H2O2的分解,進而避免羥基自由基的生成,一定程度上減緩了植物細胞的膜質(zhì)過氧化。MDA是植物細胞膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一,并且是最終分解產(chǎn)物,在干旱脅迫時,植物體內(nèi)活性氧自由基大量產(chǎn)生,進而引發(fā)或加劇了膜脂過氧化產(chǎn)生丙二醛,造成植物細胞膜系統(tǒng)受到破壞。大量研究表明,干旱誘導(dǎo)的膜脂過氧化是造成植物細胞膜受到損傷的關(guān)鍵因素。王洪春研究認為膜系統(tǒng)是干旱傷害的最初且關(guān)鍵的部位,MDA對細胞具有很強的毒性,能夠嚴重破壞膜和細胞中的許多生物功能分子,如蛋白質(zhì)、核酸以及酶等,并且參與破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能,其含量的高低和細胞膜脂透性的變化作為重要的生理生化指標,反映了植物受到干旱脅迫后細胞膜脂過氧化作用的強弱和細胞質(zhì)膜被破壞的程度,且隨脅迫強度的增加及時間的延長而增加。對兩種草坪草的研究結(jié)果表明:MDA的含量隨著干旱脅迫程度或干旱脅迫時間的延長而升高,其含量在脅迫初期上升較慢,但達到一定程度后迅速增長。在嚴重干旱脅迫下,丙二醛的含量越高表明物種的抗旱性越弱。劉國花對干旱脅迫下辣椒的生理機制的研究表明:在嚴重干旱脅迫下,丙二醛的含量越高表明物種的抗旱性越弱。莫紅等對大豆苗期葉片的研究表明:隨著干旱脅迫程度的加強,質(zhì)膜透性和MDA含量逐漸增加,同時具有較高的SOD、CAT和POD活性。應(yīng)朝陽等對多年生落花生的研究表明:隨著土壤干旱脅迫的加劇,多年生落花生莖葉的超氧陰離子自由基和MDA的含量、質(zhì)膜透性以及SOD和POD的活性均有不同程度的上升。張永清等對小麥的研究和劉艷等對香根草的研究同樣也對此做出證明。5利用現(xiàn)代生物基因組織技術(shù)進行干旱脅迫的研究干旱脅迫常常影響植物的生長發(fā)育,造成作物嚴重減產(chǎn),對農(nóng)作物造成損失在所有的非生物脅迫中占首位,僅次于病蟲害造成的損失。隨著淡水資源的日益匱乏,干旱已經(jīng)成為全球各國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上面臨的嚴峻問題。因此,深入了解干旱脅迫對植物的傷害機理及植物細胞對干旱脅迫的應(yīng)答反應(yīng)愈來愈成為國內(nèi)外植物生理學(xué)專家學(xué)者關(guān)注的研究熱點之一。從目前對干旱脅迫下作物生長的研究進展看來,作物對缺水環(huán)境會產(chǎn)生相應(yīng)的適應(yīng)和抗旱機制。隨著分子和基因組時代的到來,近年來對植物抗旱性的研究也已經(jīng)深入到了分子水平,在植物抗旱生理方面的研究也已經(jīng)取得了較大的成就。許多與脅迫相關(guān)的基因及其調(diào)控因子已通過現(xiàn)代基因分離技術(shù)得到鑒定,并且利用各種現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)成功克隆出一批能有效地提高植物的滲透調(diào)節(jié)能力、增強植物的抗逆性的基因。例如各種經(jīng)脅迫誘導(dǎo)表達的大量調(diào)控性