只佳增, 岳建偉, 張建春, 劉學(xué)敏, 趙麗娟, 杜 浩

(云南省紅河熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南 河口 661300)

香蕉(Musaspp.)作為全球重要的經(jīng)濟(jì)和糧食作物，與蘋果(Maluspumila)、葡萄(Vitisvinifera)和柑橘(Citrusspp.)并列為世界四大水果，廣泛分布于全球[1-2]。 2019年我國(guó)香蕉園面積達(dá)40萬hm2，產(chǎn)量超過1 000萬t，總產(chǎn)值超過200多億元[3-4]。隨著香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，種植面積不斷擴(kuò)大，香蕉生產(chǎn)正面臨著各種生物(真菌、細(xì)菌、病毒以及各種昆蟲)和非生物(冷害、干旱、臺(tái)風(fēng)等)的逆境脅迫[5]。病害、干旱和寒冷等逆境對(duì)香蕉的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)、光合速率和呼吸速率等造成傷害[5]。為了適應(yīng)(或抵抗)不良環(huán)境，香蕉植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵的生活史特征會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化而形成適應(yīng)性機(jī)制[6]。如遭遇病害時(shí)，香蕉營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，花芽分化減緩；干旱條件下，根系發(fā)達(dá)、葉片較?。缓r(shí)，則減緩生長(zhǎng)等。相應(yīng)地，逆境使香蕉植株體細(xì)胞脫水，細(xì)胞膜系統(tǒng)被破壞，酶活性發(fā)生改變，次生代謝活動(dòng)紊亂，細(xì)胞膜的通透性加大，呼吸速率改變[7-8]。逆境下，香蕉植物體通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)關(guān)閉一些正?；虻谋磉_(dá)程序，啟動(dòng)一些逆境基因的表達(dá)程序，使生物合成酶活性下降，水解酶活性增強(qiáng)，誘導(dǎo)糖類和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變成更多的可溶性化合物，從而形成抗性生理機(jī)制，增強(qiáng)其適應(yīng)和抵抗能力[9]。加強(qiáng)抗性生理研究，從生理角度揭示香蕉抗逆境特征，對(duì)其產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。本文從抗病性、抗旱性和抗寒性等三方面綜述了香蕉逆境生理機(jī)制的研究進(jìn)展，旨在為其產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展及抗性研究提供參考。

1 香蕉抗病性生理研究

香蕉抗病性生理研究主要涉及枯萎病的抗性機(jī)制。香蕉枯萎病是一種極具毀滅性的真菌性維管束病害，主要通過土壤傳播[10]。該病于1847年首次在澳大利亞發(fā)現(xiàn)[11]，隨后在巴拿馬大面積爆發(fā)蔓延，到20世紀(jì)中期在哥斯達(dá)黎加、巴拿馬、古巴、哥倫比亞等中南美地區(qū)嚴(yán)重肆虐，導(dǎo)致大面積蕉園荒廢[11]。1967年，我國(guó)在臺(tái)灣首次發(fā)現(xiàn)香蕉枯萎病，1996年傳入珠江三角洲地區(qū)，隨后迅速在主產(chǎn)區(qū)蔓延[12]。Deascensao et al[13]研究發(fā)現(xiàn)，參與增厚植物細(xì)胞壁的抗性物質(zhì)，如活性氧、酚類物質(zhì)和木質(zhì)素等，在防御枯萎病菌侵染過程中起作用。Duan et al[14]、Deascensao et al[15]研究表明，過氧化物酶(peroxisome, POD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)、苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase, PAL)、幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶構(gòu)成了香蕉的防御酶系統(tǒng)，它們?cè)诨钚匝醣虐l(fā)、酚類物質(zhì)和木質(zhì)素的合成中發(fā)揮重要作用。

POD是香蕉植株體內(nèi)最為普遍且活性較高的一種酶，在乙稀合成和吲哚乙酸氧化過程中起重要作用，并調(diào)控植株次生代謝和木質(zhì)素合成[14]。在植株與病原菌相互作用中改變細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)香蕉植株細(xì)胞程序性死亡[15-16]。王尉等[17]以尖孢鐮刀菌FocTR4誘導(dǎo)的‘農(nóng)科1號(hào)’香蕉為試材研究抗枯萎病機(jī)制表明，當(dāng)植株受到病原菌侵染時(shí)細(xì)胞內(nèi)POD活性會(huì)上升，且抗病品種酶活性的升高幅度遠(yuǎn)大于感病品種，認(rèn)為CAT基因和POD基因與活性氧迸發(fā)有關(guān)。有研究表明，鏈霉菌FS-4顯著抑制了尖孢鐮刀菌FocTR4的孢子萌發(fā)，POD活性上升，活性氧在FocTR4菌絲中逐漸積累，破壞質(zhì)膜和造成線粒體功能障礙[15-18]。

PPO和PAL在香蕉抗真菌性枯萎病中發(fā)揮重要作用[19]。PPO與內(nèi)囊體膜相結(jié)合，通過分子氧化酚或多酚形成對(duì)病原菌具有毒性的醌，參與細(xì)胞壁蛋白質(zhì)交聯(lián)以及細(xì)胞壁木質(zhì)化過程[20]。PAL、果膠乙?；?pectin acetylase, PAE)連同POD參與了苯丙烷途徑、抗真菌免疫球蛋白(immunoglobulin)基因PR-1、PR-3表達(dá)和細(xì)胞壁加固等次生代謝活動(dòng)；另外，Deascensao et al[15]、Li et al[21]研究發(fā)現(xiàn)，PR-3基因具有降解真菌細(xì)胞壁組分的作用。 Akila et al[22-23]認(rèn)為，在接種FocTR4后，香蕉抗性的產(chǎn)生與PPO、POD酶活性的增加有關(guān)。Damodaran et al[24]研究表明，香蕉抗病性品種葉肉細(xì)胞的POD、PPO、PAL活性均高于感病品種‘巴西蕉’。劇虹伶等[25]研究表明，‘寶島蕉’、‘南天黃’等抗病品種在接種FocTR4后，PPO、POD、PAL活性均顯著高于感病品種‘巴西蕉’。香蕉對(duì)逆境的防衛(wèi)應(yīng)答機(jī)制涉及到復(fù)雜的基因表達(dá)與調(diào)控，Vanderberg et al[23]研究表明，在病原菌入侵時(shí)抗性強(qiáng)的香蕉品種能夠更早地表達(dá)PAE基因，促進(jìn)果膠質(zhì)的乙?；琍AE基因表達(dá)的多少與品種抗性有關(guān)。Vercauteren et al[26]發(fā)現(xiàn)，香蕉根系中PAE基因能水解細(xì)胞中果膠質(zhì)的聚半乳糖醛酸的酰酯鍵，催化果膠質(zhì)組分乙?；?，從而修飾細(xì)胞壁來對(duì)抗病原菌的攻擊。香蕉幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶在健康狀態(tài)下活性很低，當(dāng)受真菌性枯萎病原菌侵染時(shí)，其活性迅速升高，并且抗性品種的幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性和數(shù)量都顯著大于感病品種[27-29]。香蕉植株防御酶系活性增加、活性氧迸發(fā)、酚類合成及氧化、木質(zhì)素的積累及相關(guān)免疫蛋白表達(dá)增多等都是香蕉誘導(dǎo)抗病性的重要表征[30]。以上說明，香蕉的抗病能力與其體內(nèi)相關(guān)防御酶的活性大小有密切關(guān)系。

2 香蕉抗旱性生理研究

香蕉屬于大葉型淺根系作物，生長(zhǎng)快速，蒸騰作用旺盛，需大肥大水，怕干旱特性明顯[31]。干旱脅迫會(huì)引起香蕉假莖和葉片枯萎，導(dǎo)致植株矮小、產(chǎn)量及品質(zhì)降低，嚴(yán)重缺水時(shí)甚至死亡。我國(guó)香蕉主產(chǎn)區(qū)普遍降雨豐富，但伴隨著明顯的季節(jié)性，雨量分配極不均勻。因此，我國(guó)香蕉生產(chǎn)受季節(jié)性缺水的影響較大[32]。干旱脅迫是制約香蕉產(chǎn)業(yè)高效化和持續(xù)性發(fā)展的主要限制因子之一[33]。香蕉為應(yīng)對(duì)干旱脅迫造成的傷害，形成了適應(yīng)性生理機(jī)制[32-33]。

2.1 光合特性與香蕉的抗旱性

干旱脅迫通過多種途徑間接影響香蕉光能同化作用，明顯影響香蕉生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)吸收[33]。干旱脅迫導(dǎo)致香蕉葉片細(xì)胞水勢(shì)下降，細(xì)胞水分飽和虧缺上升，造成葉綠體內(nèi)代謝失調(diào)，總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量下降，光合作用機(jī)構(gòu)遭到破壞，葉片光合能力減弱[34]；使光合碳循環(huán)中光合酶的活性降低、三羧酸循環(huán)減緩，CO2的需求量減少，光合速率迅速下降[35]。香蕉通過降低蒸騰速率與調(diào)節(jié)滲透壓來保持光合作用正常進(jìn)行，以此提高植株的耐旱性[36]。因此，在干旱脅迫下，抗旱性強(qiáng)的香蕉品種凈光合速率明顯高于抗旱性差的品種[34]。

2.2 細(xì)胞膜系統(tǒng)與香蕉的抗旱性

細(xì)胞膜由具有高度流動(dòng)性的磷脂雙分子層和鑲嵌在其中及吸附在表面的蛋白質(zhì)構(gòu)成，在物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞中起決定性作用，對(duì)不良環(huán)境極為敏感。在干旱脅迫時(shí)，最初與最基本的反應(yīng)就是通過細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的改變來維護(hù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[36]。干旱引起香蕉細(xì)胞失水，膜表面蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，膜磷脂雙分子層組分也發(fā)生變化[37]。何海旺等[38]研究表明，香蕉葉肉細(xì)胞膜的流動(dòng)性與膜結(jié)合酶直接相關(guān)，即在干旱逆境下膜脂肪酸飽和度降低，膜結(jié)合酶活性升高，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量增加，促使細(xì)胞膜脂肪酸飽和度升高，磷脂雙分子層不飽和脂肪酸含量下降，細(xì)胞膜透性增大。

2.3 滲透調(diào)節(jié)與香蕉的抗旱性

在干旱脅迫初期, 香蕉幼苗葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量提高，并隨著干旱脅迫程度的加重呈降低趨勢(shì)[32-35]。多胺能保護(hù)細(xì)胞膜的滲透性能，防止或減少細(xì)胞內(nèi)水分丟失，可促進(jìn)干旱脅迫下蛋白質(zhì)的合成[36]。通過葉面噴施外源精胺(spermine, Spm)、亞精胺(spermidine, Spd)、腐胺(sutrescine, Put)能促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，提高香蕉幼苗的滲透調(diào)節(jié)能力[36-38]。研究表明，干旱脅迫下香蕉合成脫落酸(abscisic acid, ABA)，促使氣孔關(guān)閉、阻止氣孔開放，抑制蒸騰，促進(jìn)香蕉細(xì)胞內(nèi)脯氨酸(proline, Pro)含量增加，Pro含量與香蕉抗旱性水平呈顯著正相關(guān)[39-42]。Ashraf et al[43]、Chaves et al[44]研究表明，干旱脅迫下香蕉葉面噴施外源α-亞麻酸(α-Linolenic acid, ALA)可以提高葉片和根系Pro的含量及功能。以上可見，香蕉在干旱逆境下，通過滲透調(diào)節(jié)增加Pro、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)等含量以保持細(xì)胞液濃度，從細(xì)胞膜外水勢(shì)較低的介質(zhì)中吸水，保持細(xì)胞滲透壓和細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，維持正常代謝[45-46]。

2.4 氧代謝與抗氧化防御系統(tǒng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

3 香蕉抗寒性生理研究

香蕉屬熱帶水果，喜高溫高濕、對(duì)低溫寒害較為敏感、忌霜凍，通常在18.0 ℃以下生長(zhǎng)緩慢，10.0 ℃以下幾乎停止生長(zhǎng)，1.0～2.0 ℃時(shí)葉片受寒害枯死[53]。在諸多熱帶水果中，香蕉受寒害的幾率最高、受害程度最大[54]。在低溫脅迫時(shí)，香蕉葉片最先轉(zhuǎn)黃，呈水漬狀斑點(diǎn)，后逐漸黑褐色而軟化枯干；當(dāng)溫度進(jìn)一步降低而產(chǎn)生凍害時(shí)，葉柄及假莖呈現(xiàn)濃黃褐色水漬，腐爛，導(dǎo)致植株死亡[55-56]。

3.1 細(xì)胞膜系統(tǒng)與香蕉抗寒性

香蕉抗寒性與細(xì)胞膜系統(tǒng)中磷脂及脂肪酸的不飽和度密切相關(guān)?？购贩N的細(xì)胞膜系統(tǒng)一般具有較高的不飽和脂肪酸，在較低溫度下仍可保持膜的流動(dòng)性，維持細(xì)胞內(nèi)的正常生理功能[57-59]。在低溫脅迫下，細(xì)胞膜的選擇透性減小或喪失，活性氧和MDA積累，使細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)大量外滲，導(dǎo)致組織浸泡液的電導(dǎo)率增高。香蕉抗寒能力強(qiáng)弱可以根據(jù)葉片細(xì)胞組織液電導(dǎo)率的大小推測(cè)[58]。韋弟等[59]研究表明，在低溫脅迫下，香蕉膜脂過氧化的加劇引起自由基的積累，自由基又進(jìn)一步促進(jìn)膜脂過氧化產(chǎn)生MDA, MDA與蛋白質(zhì)結(jié)合會(huì)引起膜蛋白的結(jié)構(gòu)和功能變化，使膜流動(dòng)性降低，損傷細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致質(zhì)膜透性增加。MDA含量的大小是衡量細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度的重要指標(biāo)[60]。何維弟[61]研究發(fā)現(xiàn)，通過早期積累的過氧化物酶和水通道蛋白來調(diào)控體內(nèi)活性氧平衡和細(xì)胞水勢(shì)可能是香蕉抗寒的主要原因之一。低溫鍛煉會(huì)刺激β-1,3葡聚糖酶活性的提高，也能提高香蕉幼苗游離Pro、甘油、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性還原糖的含量[62-64]。這些物質(zhì)的積累可提高細(xì)胞液濃度，增加細(xì)胞持水力及組織中非結(jié)冰水，從而降低細(xì)胞質(zhì)的冰點(diǎn)，起到保持香蕉幼苗細(xì)胞組織免受寒害的作用[65-66]。

3.2 生理代謝與香蕉抗寒性

香蕉的抗寒性生理研究主要包括光合作用、呼吸作用和酶三個(gè)方面。周麗麗等[67]、高潔[68]認(rèn)為，低溫抑制香蕉幼苗吸收水分，造成葉片水分虧缺和氣孔關(guān)閉，光合色素含量減少，使光合速率降低。在低溫誘導(dǎo)下，香蕉植株體內(nèi)可溶性糖含量增多，提高了葉片細(xì)胞液濃度，增加細(xì)胞滲透壓，使冰點(diǎn)降低，緩沖細(xì)胞質(zhì)過度脫水，從而保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膠體不致遇冷凝固，增強(qiáng)植株的抗寒性[69-72]。李茂富等[73]研究發(fā)現(xiàn)，香蕉葉片可溶性蛋白含量的增加，有利于提高束縛水/自由水比值、減少細(xì)胞膜過氧化產(chǎn)物MDA的積累，從而增加對(duì)細(xì)胞水分的束縛能力，減輕低溫對(duì)細(xì)胞膜的傷害，提高幼苗的抗寒能力。賴恭梯[74]、匡云波[75]研究表明，低溫脅迫下香蕉葉片細(xì)胞脂質(zhì)代謝相關(guān)酶的增加可促進(jìn)甘油磷脂酸(glycerophosphatidic acid, PA)、二酰基甘油(diacylglycerol, DAG)和三?；视?triacylglycerol, TAG)向磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine, PC)轉(zhuǎn)化，積累不飽和磷脂，提高細(xì)胞膜的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。三磷酸腺苷酶(Adenosine triphosphatase, ATPase)的增加，有利于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的磷脂向葉綠體轉(zhuǎn)運(yùn)，增加單半乳糖二脂酰甘油合酶(monogalactosyl diacylglycerolase, MGDGase)和雙半乳糖二脂酰甘油合酶(digalactosyl diacylglycerolase, DGDGase)，促進(jìn)特殊的磷脂酰甘油(phosphatidyl-glycerol, PG)合成，從而穩(wěn)定光合膜系統(tǒng)[61,76]。林善枝等[77]研究認(rèn)為，6-磷酸葡萄糖脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PDHase)在低溫脅迫中能轉(zhuǎn)變成磷酸戊糖代謝，為許多生物合成反應(yīng)提供電子供體，從而產(chǎn)生能量供給香蕉利用，提高香蕉的抗寒能力。

3.3 關(guān)鍵酶基因?qū)ο憬犊购缘恼{(diào)控

細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的主要蛋白富羥脯氨酸糖蛋白(hydroxyproline rich glycoprotein, HRGPs)在香蕉抗寒中起著重要作用。其中，阿拉伯聚半乳糖蛋白(arabinogalase protein, AGPs)的冷響應(yīng)基因在低溫脅迫下呈差異性表達(dá)[71]。β-1,3葡聚糖酶基因在8 ℃低溫刺激下，可能作為抗寒途徑的上游信號(hào)傳導(dǎo)因子起到早期調(diào)控作用，通過與絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)的磷酸化作用，提高基因表達(dá)量，將抗寒信號(hào)快速從細(xì)胞膜傳遞至細(xì)胞核，協(xié)助激活下游基因表達(dá)。賴恭梯[74]研究表明，野生蕉的抗寒基因脂肪酸去飽和酶(fatty acid desaturase, FADs)家族基因感受環(huán)境溫度降低并啟動(dòng)抗寒抵御反應(yīng)。已有研究發(fā)現(xiàn)，CBF7-1、miRNAs在野生蕉響應(yīng)低溫脅迫過程中發(fā)揮作用，其中miR171、miR408及靶基因在低溫脅迫下會(huì)出現(xiàn)顯著的差異表達(dá)，推測(cè)miR171、miR408可以通過調(diào)控靶基因的表達(dá)而參與光合途徑、糖酵解途徑、木質(zhì)素合成等響應(yīng)低溫脅迫的過程[66-67,69]。劉靜[62]研究表明，與半纖維素生物合成相關(guān)的甘露聚糖合成酶(mannan synthase)基因和UDP-葡糖基轉(zhuǎn)移酶(UDP- glucosyl-transferase)基因可能與香蕉的抗寒性密切相關(guān)。匡云波[75]、Sreedharan et al[76]對(duì)香蕉葉片糖代謝關(guān)鍵酶基因應(yīng)答低溫脅迫的分子機(jī)制研究表明，香蕉葉片糖代謝關(guān)鍵酶基因在不同溫度下有差異性表達(dá)，其中酸性轉(zhuǎn)化酶lnv-N蛋白亞家族lnv-N1隨著溫度的降低和持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷上調(diào)表達(dá)，從而調(diào)控可溶性糖含量的變化，可能在應(yīng)答低溫脅迫的分子機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用。

4 展望

目前，香蕉抗逆境生理研究主要集中在抗枯萎病、抗旱性、抗寒性方面，而有關(guān)抗葉斑病、抗花葉心腐病、抗蟲害、耐鹽堿性和抗?jié)承缘壬頇C(jī)制研究報(bào)道較少。已有抗逆性研究以幼苗為試驗(yàn)材料較多，而有關(guān)成年期、花期和果期對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)方式、途徑、適應(yīng)類型等研究較少見[78]。此外，不同的土壤條件、微生物菌群和種植模式等對(duì)香蕉生長(zhǎng)有顯著影響[79-81]，但對(duì)栽培環(huán)境、微生物菌群與香蕉抗逆境的相關(guān)性報(bào)道較少，有待進(jìn)一步探索。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，分子生物學(xué)、基因?qū)W等生物技術(shù)的發(fā)展，香蕉抗逆性機(jī)理的研究更加深入化，手段更加多樣化，從分子水平上闡述香蕉抗逆性的物質(zhì)基礎(chǔ)及其生理功能，通過基因工程手段進(jìn)行抗性基因重組，創(chuàng)造香蕉抗性新品種將是今后的研究重點(diǎn)[82]。此外，抗性品種的田間驗(yàn)證、抗性藥劑的篩選等方面還有待進(jìn)一步研究。加強(qiáng)香蕉的抗逆境機(jī)制研究，從生理學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)的角度解釋香蕉的抗逆性機(jī)制特征，從而為抗逆性品種的選育、抗逆性栽培方法及抗病藥劑的研發(fā)提供理論依據(jù)，對(duì)香蕉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。