王君玲，劉穎

(青海大學畜牧獸醫(yī)科學院，青海省高寒草地適應性管理重點實驗室，青海 西寧 810016)

植物的水分狀況對植物的生理活動具有重要的影響，水分虧缺影響植物的生長發(fā)育和繁殖。據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的《2022年干旱數(shù)字報告》，21世紀以來，全球干旱次數(shù)和持續(xù)時間已經增加了29%。推測未來干旱事件發(fā)生將越頻繁且越劇烈[1]。降雨模式和氣候的變化可能導致生態(tài)系統(tǒng)脆弱化[2]。同時，氣溫升高導致干旱脅迫加劇[3]。目前，研究發(fā)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)對干旱的響應最為敏感[4]。例如，干旱可以引起植物群落性狀變異，進而調控草地生態(tài)系統(tǒng)的生產力[5]。因此，干旱缺水對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能可產生深遠的影響。

草地早熟禾(Poapratensis)由于其具有生長速度快、抗逆性強等優(yōu)點被作為草坪建植和生態(tài)修復的品種之一，其栽培分布范圍非常廣泛。草地早熟禾是一種冷季型禾草[6]，可在寒冷的干旱區(qū)和半干旱區(qū)生長[7]，具有侵略性的根莖型[8]，能進行橫向和縱向擴展，且再生能力強[9]，導致其在生態(tài)系統(tǒng)中占居重要的生態(tài)位，并可改變草地的生態(tài)過程，使得生物群落結構發(fā)生變化，進而改變生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[10]。而且草地早熟禾毛根和根莖可以在地下形成一層致密的網絡結構，具有固土保水的功能[11]，是治理礦山、修復退化草地重要的禾草[12，13]。但與披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)、老芒麥(ElymussibiricusLinn.)等禾草相比，草地早熟禾的抗旱性并不是很強[14]，為提高草地早熟禾的抗旱性，全面了解草地早熟禾響應干旱的機理勢在必行。因此，本文從形態(tài)、解剖結構、代謝機制及基因調控等方面綜述了草地早熟禾對干旱的響應和適應機制，以期為草地早熟禾抗旱基因的篩選和抗旱分子機制的研究提供科學依據(jù)和理論基礎。

1 草地早熟禾形態(tài)及解剖結構對干旱脅迫的響應

植物在水分虧缺條件下，主要通過改變根系、葉片等自身結構來避免干旱脅迫引起的不利影響，進而維持正常的生理過程[15]。另外，干旱脅迫的強度和脅迫時間對植物的耐受性不同，促使植物產生不同的適應策略。

1.1 根系對干旱脅迫的響應

根系為植物提供水分和營養(yǎng)物質，通過草地早熟禾根系的構型適應在不同生境中的生長。相關研究結果表明，比根長、比表面積與最大吸水比例呈正相關，同時土壤干旱促使更多的碳水化合物投入到根系生長，使草地早熟禾根系總生物量累積以適應干旱[16]。隨著干旱脅迫加強，草地早熟禾的根冠比下降幅度增大[17]，進一步說明植物通過改變地下生物量來吸收更多的水分。此外，也有研究表明野生草地早熟禾處于一定水分脅迫時，通過改變地下根莖形態(tài)結構來建立根系系統(tǒng)，有利于其在嚴重的水分虧缺條件下維持體內的正常水分需求[18]。隨著干旱程度的增加，草地早熟禾的中柱和導管直徑顯著變小，占根系直徑比例同時減小[19]。綜上所述，草地早熟禾根系結構發(fā)生變化，有利于從土壤中獲取水分，維持正常的生理生化過程。

1.2 葉片對干旱脅迫的響應

葉片是植物蒸騰和同化的主要器官，隨著水分環(huán)境的變化，植物的結構與水分環(huán)境相互適應。相關研究表明，草地早熟禾富含體積較大的貯水細胞，在干旱環(huán)境下，可以改善自身的保水能力；木質部與維管束面積比、韌皮部與維管束面積比會增大，有利于運輸水分和有機物質，能更好地適應環(huán)境[20]。另外，大多數(shù)草地早熟禾葉組織內進化出了泡狀細胞，有利于避免過多水分流失，可以提高在水分脅迫下的抗旱能力[11]。草地早熟禾通過氣孔器的形態(tài)和開閉狀態(tài)，硅質乳突密度及分布規(guī)律，影響葉片水分運動狀態(tài)，進而維持基本生理活動[21]。尹瑩瑩構建的草地早熟禾葉片外觀形態(tài)生長模型，可以反應葉片在干旱脅迫下的生長規(guī)律，為實時監(jiān)測植物的生長過程提供了重要依據(jù)[22]。以上結果說明，草地早熟禾莖葉組織特異結構是為了抵御和躲避外界環(huán)境，維持正常的生命活動。

2 草地早熟禾對干旱脅迫的生理響應

在非生物脅迫下，植物會發(fā)生一系列的生理生化變化來適應和抵抗脅迫，調節(jié)各種生物環(huán)境引起的波動。干旱脅迫可以引起植物光合生理及滲透調節(jié)物質的變化。相關研究表明，干旱脅迫導致4種不同類型的草地早熟禾葉綠素含量、光合速率、氣孔導度和蒸騰速率下降[23]；Hu等發(fā)現(xiàn)干旱脅迫脅迫下，耐旱基因材料可維持較高的單葉凈光合速率，Rubisco處于激活狀態(tài)，羧化效率較高，氣孔限制較小[24]。相對電導率能夠反映草地早熟禾細胞膜的透性，長期和嚴重的干旱可能導致質膜結構損傷，引起細胞內電解質外滲，使相對電導率升高[25]。在干旱脅迫期間，草地早熟禾的相對含水量和葉綠素含量隨脅迫時間的延長均呈下降趨勢，脯氨酸含量總體表現(xiàn)出上升趨勢，但是變化幅度因材料不同而不同[26]。藺亞平等發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫能夠導致6種禾草葉片組織含水量和葉綠素含量下降，細胞膜透性升高，抗氧化酶活性升高[14]；董沁等指出長期干旱導致7種野生草地早熟禾葉片游離脯氨酸、可溶性糖和MDA含量逐漸增加，過氧化氫酶和可溶性蛋白含量逐漸減少，超氧化物歧化酶活性呈先增強后減弱的趨勢[27]，以上結果說明植物處于干旱環(huán)境中時，可通過細胞內積累一些對原生質無傷害的物質來調節(jié)細胞滲透勢的動態(tài)平衡。

在水分脅迫條件下，植物激素含量的變化，促使植物對水分的吸收增加。前人研究發(fā)現(xiàn)，草地早熟禾在干旱脅迫下，葉片中的脫落酸與細胞分裂素、吲哚-3-乙酸共同調控氣孔關閉，進而通過光合生理維持生長發(fā)育，以適應干旱對其造成的傷害[28]。脫落酸含量也會顯著增加，進一步通過氣孔調控、促進根系發(fā)育和脫落酸依賴途徑的啟動等增強植物的抗旱性。此外，脫落酸可以與乙烯、生長素、赤霉素等其他激素相互作用，增強植株的耐旱性[29]。

3 草地早熟禾抗旱相關基因的挖掘與功能鑒定

3.1 抗旱基因及蛋白質介導干旱脅迫

近幾年來，眾多學者從草地早熟禾的根莖葉中克隆出了一些調控基因，這些抗旱基因直接或間接地響應干旱脅迫。陳雅君等從草地早熟禾克隆出了脫落酸的應答基因，此基因參與對水分脅迫信號的接受與傳遞[30]；B.Shaun Bushman等研究發(fā)現(xiàn)了大量具有蛋白質折疊和保護功能的伴侶基因家族參與草地早熟禾干旱脅迫，且兩個脫水蛋白基因RAB15和HVA1在干旱脅迫下高度表達[31]；此外，干旱脅迫抑制PHR2和OSK4基因在草地早熟禾根、葉的表達[32，33]；PpSWEET12、PpSWEET15和PpNAC10可作為草地早熟禾抗旱脅迫響應的候選基因[34,35]；輕度干旱有利于草地早熟禾NADH-GOGAT基因的表達[36]；長期干旱導致SnRK2.2相對表達量下降[37]。

3.2 植物激素相關基因介導干旱脅迫

草地早熟禾對干旱脅迫的響應通常有植物內源激素的參與。調控植物內源激素的合成、轉運和信號轉導，可進一步調控草地早熟禾的耐旱性。張?zhí)m等從草地早熟禾中首次克隆得到了葉綠素酶基因PpCHL1，并發(fā)現(xiàn)PpCHL1能響應脫落酸、茉莉酸和茉莉酸甲酯信號誘導途徑[38]；進一步研究發(fā)現(xiàn)，草地早熟禾PpCHL1基因可能調控葉綠素降解，以適應環(huán)境的變化[39]。Chen等發(fā)現(xiàn)干旱處理下，草地早熟禾葉片中PYL、JAZ、BSK等基因參與脫落酸、茉莉酸、油菜素內酯等激素信號轉導；此外，長期干旱導致脫落酸、茉莉酸和油菜素內酯濃度增加[40]；檀鵬輝發(fā)現(xiàn)，PpGA2ox基因受GA3、茉莉酸甲酯及生長素三種激素的誘導[41]。進一步分析發(fā)現(xiàn)PpGA2ox基因啟動子序列含有響應激素誘導和逆境脅迫的作用元件[42]。

3.3 其他基因介導干旱脅迫

蠟烷烴的生物合成和植物的抗旱性，也存在正向反饋關系。Wang等發(fā)現(xiàn)候選基因PpCER1-2通過編碼草地早熟禾的烷烴生成酶，促進烷烴的生物合成，使草地早熟禾角質層通透性降低，從而增強草地早熟禾對水分的脅迫[43]。YuNi等提出草地早熟禾葉片中參與表皮蠟合成、分泌和調控的候選基因有LACS、KCS、KCR、FAR和CER1[44]。

內參基因的選擇和驗證是實時熒光定量PCR中必要條件，內參基因在不同的生物和組織及不同的非生物環(huán)境脅迫下，內參基因表達穩(wěn)定性存在差異。牛奎舉等發(fā)現(xiàn)ACT 和SAM 在干旱處理葉片中保持穩(wěn)定表達，GAPDH 聯(lián)合ACT 在干旱處理根系中保持穩(wěn)定表達[45]；張?zhí)m等發(fā)現(xiàn)GAPDH 在草地早熟禾不同組織器官中表達最為穩(wěn)定；在葉片不同發(fā)育期ACT 表達最為穩(wěn)定[46]。

4 展望

草地早熟禾是草坪建植和生態(tài)修復的優(yōu)勢種。21世紀以來，全球干旱問題日益加劇，草地早熟禾的抗旱機理研究也逐漸成為熱點。目前，國內外學者對草地早熟禾的形態(tài)、生理、細胞及分子方面做了大量的研究和探討，科學界對草地早熟禾的抗旱機制有了進一步的了解。但基于研究理論方法的限制，品種種質資源的差異，使得草地早熟禾在組學領域中的研究報道相對較少。因此，今后在研究草地早熟禾響應干旱脅迫的機理時，應加強以下幾個方面研究：一是利用代謝組學技術，研究細胞受到外界環(huán)境刺激后的代謝反應，進而利用高空間分辨率實現(xiàn)代謝物之間的差異分布。對植物組織的代謝物實現(xiàn)精準定位和含量測定，探討代謝物的生物合成途徑并解析重要酶功能。二是將表型組學、基因組學、蛋白質組學及代謝組學整合分析，探討草地早熟禾根莖擴散機制及抗旱機制，挖掘相關抗旱基因。另外，通過基因共表達網絡分析，預測相關的基因調控網絡；三是進一步加強糖代謝通路、脂質代謝通路和蛋白質結構與功能的作用和調控模式，以及參與調控的基因等相關研究。