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        番茄對非生物脅迫響應機制研究進展

        2016-02-05 10:00:46徐佳寧徐艷群嚴振張利云高建偉
        山東農(nóng)業(yè)科學 2015年12期

        徐佳寧++徐艷群++嚴振++張利云++高建偉

        摘要:番茄是我國保護地種植經(jīng)濟效益較高的蔬菜,約占整個保護地蔬菜種植面積的30%,在設施蔬菜栽培中占有重要地位。不同非生物脅迫對番茄的生長發(fā)育、產(chǎn)量及果實品質等產(chǎn)生不同程度的影響。因此,了解番茄在不同非生物脅迫下的生命活動規(guī)律,對其抗逆育種和增產(chǎn)增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來番茄在生長發(fā)育、生理生化和基因調控方面對非生物脅迫響應機制的研究進展,并建議對番茄非生物脅迫響應機制的研究應上升到組學水平。

        關鍵詞:番茄;非生物脅迫;響應機制

        中圖分類號:S641. 201

        文獻標識號:A 文章編號:1001-4942 (2015)12-0120-05番茄是茄科(Solanaceae)番茄屬(Lycopersi-con)一年或多年生植物,在南緯45°至北緯65°均有種植,遍及全球160余個國家或地區(qū)。番茄的所有野生種均分布在南美西部的安第斯山脈狹長地帶。16世紀番茄從秘魯傳人意大利,17世紀從意大利傳人中國和爪哇,18世紀傳人英國、法國、北美和日本,此后作為一種世界性蔬菜廣泛在世界各地種植。

        近年來,番茄作為我國一種保護地內種植經(jīng)濟效益較高的蔬菜,約占整個保護地蔬菜種植面積的30%,在設施蔬菜栽培中占有重要地位。番茄含有糖、蛋白質、脂肪、有機酸、纖維素以及豐富的維生素和微量元素等,營養(yǎng)價值較高;此外,番茄還具有一定的藥用價值,如番茄中所含有的番茄紅素有抗氧化和抗腫瘤作用。

        非生物脅迫是指由非生物因素引起的對植物正常生長發(fā)育造成逆境影響的總稱。番茄屬于中度鹽敏感物種,一定濃度的鹽處理可以調節(jié)番茄的風味、色澤以及可溶性物質含量,有利于提高番茄果實中糖酸比,進而提高番茄的品質;而鹽分濃度過高則常導致番茄生長緩慢、產(chǎn)量和品質下降等問題。此外,干旱、高溫、重金屬脅迫都會對番茄的生長發(fā)育、產(chǎn)量和果實品質等產(chǎn)生不同程度的影響。因此,了解番茄在鹽堿、干旱、溫度、重金屬等非生物脅迫條件下的生命活動規(guī)律,對其抗逆育種和增產(chǎn)增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來番茄在生長發(fā)育、生理生化和基因調控方面對非生物脅迫響應機制的研究進展。

        1 非生物脅迫對番茄生長發(fā)育的影響

        1.1 非生物脅迫對番茄葉片生長發(fā)育的影響

        干旱脅迫會阻礙番茄葉片的生長,并降低氣孔張開率。已有研究表明,番茄的葉長、葉寬、葉面積、葉片含水量和氣孔張開率,均會隨土壤含水量的下降而下降,且在脅迫4天后下降速率進一步加大。此外,干旱脅迫還會導致葉片柵欄組織和海綿組織的厚度減小。

        葉綠素含量是反映植物光合強度的一項重要生理指標。當番茄受到鹽害時,葉片內氮素含量下降,而氮素是葉綠素分子的組成成分,故植株表現(xiàn)為葉色變淺,葉綠素含量減少。在一定的鉛脅迫條件下,番茄植株老葉出現(xiàn)葉肉變黃而葉脈仍保持綠色的網(wǎng)狀失綠癥狀,并伴有輕微的萎蔫;且隨處理時間的延長,葉片的失綠癥狀加劇。

        1.2 非生物脅迫對番茄果實生長發(fā)育的影響

        不同的水分處理對番茄產(chǎn)量的影響不同,輕度脅迫下番茄果實重量以及產(chǎn)量變化不大;中度和重度脅迫下番茄果實重量和產(chǎn)量則明顯較低。黃立華等發(fā)現(xiàn),不同程度的蘇打鹽堿脅迫可使番茄果實的單果重和有機酸含量下降,可溶性糖含量和糖酸比增加;輕度蘇打鹽堿脅迫可提高番茄果實中維生素C含量,而重度蘇打鹽堿脅迫則不利于番茄果實中維生素C的積累。李紅彥等發(fā)現(xiàn)不同濃度的Na2SO4鹽脅迫對番茄果實的影響不顯著。

        番茄果實中糖含量是決定果實品質的重要指標之一。在25~29℃范圍內,隨著溫度的升高,番茄果實心室隔壁中蔗糖積累逐漸增多,果肉和膠質胎座中蔗糖積累逐漸減少。番茄果實的著色受溫度的影響較大,番茄紅素在高溫條件下合成受到抑制,因此持續(xù)高溫處理會使番茄呈現(xiàn)黃色。番茄在開花期前后或初果時期,若溫度過高則果實的空洞果數(shù)量會增加,當溫度超過35℃且持續(xù)時間較長時,果實生長發(fā)育速度不協(xié)調,形成空洞果。

        1.3 非生物脅迫對番茄根生長發(fā)育的影響

        高鹽濃度無論是對種子萌發(fā)或幼苗生長狀況及根尖微核率,都有明顯影響。輕度干旱脅迫則可促進番茄幼苗的根系生長:根系的長度、表面積和體積均呈現(xiàn)增加的趨勢。

        2 非生物脅迫對番茄光合作用的影響

        干旱脅迫下葉片會生成大量的活性氧,對細胞膜造成傷害,導致光系統(tǒng)Ⅱ的活性降低,光合產(chǎn)物生成量減少。干旱脅迫還可導致葉片氣孔密度和氣孔大小的下降,大部分氣孔關閉且深陷,葉綠體變大變圓,基粒片層排列紊亂,淀粉粒減少或消失。在低溫脅迫下,光合色素的含量下降;而在高溫脅迫下,光合色素含量則上升。與常溫相比,溫度脅迫期間,氣孔導度和光合強度均呈先降低后升高的趨勢,隨著脅迫時間的延長又呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。魯少尉等發(fā)現(xiàn)鹽脅迫可破壞番茄葉片的光合機能,降低光合作用效率,同時改變番茄葉片中的糖代謝方向,促進了淀粉和蔗糖的分解,提高了葉片中的果糖和葡萄糖含量。

        3 非生物脅迫對番茄生理生化指標的影響

        丙二醛(Malondialdehyde,MDA)是膜脂過氧化的產(chǎn)物,其含量高低可反映膜脂過氧化程度的大小,植物組織中MDA的含量一般隨脅迫程度的增大而增大。楊再強等研究發(fā)現(xiàn),隨著干旱脅迫的加劇,番茄葉片的膜脂過氧化作用逐漸加強。宋勤飛等研究發(fā)現(xiàn),番茄葉片中MDA的含量隨鉛濃度的增加而明顯升高。丁海東等研究發(fā)現(xiàn),隨著Cd2+、2n2+脅迫濃度的增大,番茄根系和葉片中MDA含量也呈增加趨勢。相對電導率(Electrical conductivity,EC)是反映細胞膜透性的重要指標之一。相對電導率越大,膜透性越大,質膜受損傷的程度越高。孟長軍等發(fā)現(xiàn),隨著鹽脅迫濃度的增高,番茄植株的EC值均呈升高趨勢。

        植物體內活性氧的產(chǎn)生與清除機制的動態(tài)平衡維護著植物的正常生長,而逆境脅迫會打破這種平衡,從而導致活性氧在植物體內積累,引起植物體發(fā)生各種不良生理生化變化。植物體內參與活性氧的酶促清除機制的抗氧化酶類包括:超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)、過氧化氫酶(Catalase,CAT)和過氧化物酶(Perox-idase,POD)等。endprint

        SOD作為活性氧清除劑,在保護細胞膜系統(tǒng)中起一定的作用。在低鹽脅迫下,番茄體內SOD活性隨著鹽濃度的增加而增加;在高鹽脅迫下,SOD活性隨著鹽濃度的增加而降低。在鹽脅迫條件下,高活性的SOD能有效清除細胞內的活性氧,使番茄保持一定的耐鹽性。此外,有研究發(fā)現(xiàn),一定的干旱脅迫條件下番茄體內SOD和POD的活性先升高后下降,而CAT的活性持續(xù)升高。在鉛離子脅迫下,番茄葉片中POD的活性隨著鉛濃度的增加也呈先增加后降低的趨勢。丁海東等發(fā)現(xiàn),隨著Cd2+、2n2+脅迫濃度的增大,番茄植株中APX、POD和CAT的活性上升,抗氧化酶活性的上升能夠提高幼苗適應和抵抗重金屬脅迫的能力。

        4 番茄抗逆功能基因的研究進展

        在自然界中,植物要遭受來自外部環(huán)境的多種非生物脅迫。在長期的進化過程中植物形成了相應的應變機制即調節(jié)相關抗性基因的表達,從而在環(huán)境改變后得以繼續(xù)存活。

        劉輝從耐低溫多毛番茄(S.habrochaites)中克隆了2個不同類型的抗寒相關基因,分別是脫水素基因(S.habrochaites Dehydrin,shDHN)和牦牛兒基牦牛兒基還原酶基因(S.habrochaites Gera-nylgeranyl reductase,shCHLP)。根據(jù)芯片分析結果發(fā)現(xiàn):超量表達shDHN可以提高植株的抗寒和抗旱性,促進了番茄植株的生長發(fā)育;超量表達shCHLP提高了番茄植株葉片葉綠素含量。

        促分裂素原活化蛋白激酶(Mitogen activatedprotein kinase,MAPK)級聯(lián)反應是真核生物信號傳遞網(wǎng)絡中的重要途徑之一,在植物抗逆過程中發(fā)揮著重要作用。Li等通過對干旱、鹽和低溫逆境脅迫下番茄SpMPKl/StMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因表達模式的研究發(fā)現(xiàn)干旱、鹽、低溫逆境脅迫均能誘導SpMPKl/SIMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因的表達。

        Jia等研究發(fā)現(xiàn)轉甜菜堿醛脫氫酶(Betainealdehyde dehdyoregn,BADH)基因可提升番茄植株的耐鹽性,其主要表現(xiàn)在番茄鹽脅迫條件下根系的發(fā)生和發(fā)育上。此外,還在一定程度上引起POD和SOD的活性升高,使細胞抗氧化脅迫的能力增加,保持細胞內環(huán)境的相對平衡和穩(wěn)定。

        5 轉錄因子對番茄逆境應答的調控機制

        轉錄因子又稱反式作用因子,其主要功能是激活或抑制基因的轉錄效應。轉錄因子作為復雜的信號網(wǎng)絡中的成員,在調節(jié)植物應對來自周圍環(huán)境因子脅迫的過程中發(fā)揮著重要作用。

        WRKY是一類植物體特有的抗逆相關轉錄調控因子,在高等植物中組成一個龐大的蛋白家族。劉暢等研究發(fā)現(xiàn),過量表達SIWRKY53基因能夠一定程度增強植株抵抗鹽脅迫的能力。

        劉淑君發(fā)現(xiàn),番茄同-MYB轉錄因子在不同的條件下表達量不同,在不同逆境和激素脅迫處理下,MYB轉錄因子表達量均有顯著變化,且誘導強度均較大,表明番茄MYB轉錄因子參與了植株抵御環(huán)境脅迫。

        NAC轉錄因子是植物中所特有的,該家族基因在植物生長發(fā)育和抵抗生物或非生物脅迫中發(fā)揮著極其重要的作用。SISRN1定位于細胞核,是番茄抵抗干旱脅迫的負調控因子。該基因沉默后可增強番茄的抗旱能力。劉輝從番茄LA1777中克隆了一個NAC轉錄因子,命名為ShNAC,低溫、干旱和高鹽脅迫均能誘導該基因的表達。超量表達ShNAC轉基因植株較野生型對低溫和干旱更敏感。ShNAC可能是植物生長發(fā)育及非生物逆境應答的一個負調節(jié)因子。Ma等從番茄葉片中克隆到一個NAC轉錄因子StNAC1,發(fā)現(xiàn)過表達該基因提高了番茄植株的耐冷性。多項試驗表明,SINAC1可能通過上調CBF1的表達激活了下游的冷響應基因,提高了番茄植株的低溫抗性。

        ICEI (Inducer of CBF expression l)轉錄因子,可響應低溫信號,并通過調控CBF/DREB1轉錄因子進而激活下游COR(Cold-regulated)基因的表達,從而調節(jié)植物的耐低溫能力。Feng等從番茄葉片中克隆到一個新的ICE1基因,過表達番茄ICE1和CBF轉錄因子都能夠提高轉基因植物的耐低溫能力,因此位于番茄CBF下游的調控網(wǎng)絡中的基因可能是導致番茄對低溫敏感的決定性因素。

        鋅指蛋白(Zinc finger protein,ZIP)是植物中最為豐富、研究最為深入的一類轉錄因子,它在植物各個時期的生長發(fā)育和逆境脅迫中發(fā)揮調控作用。有研究表明,超表達鋅指家族成員SIZF6可提高番茄的耐鹽性和抗旱性。

        6 展望

        綜上所述,非生物脅迫對番茄的生長發(fā)育及各項生理指標有著極其重要的影響。在不同脅迫條件下,番茄組織中MDA和EC的含量均與脅迫程度呈正相關;而抗氧化酶類的活性變化在不同脅迫條件下的變化趨勢不同。

        近年來,關于番茄抗逆功能基因的挖掘和研究已取得一些研究成果,但植物體對于脅迫的響應是由多基因控制的數(shù)量性狀,單個基因功能的挖掘并不能闡明番茄對于脅迫響應的分子機制。目前,隨著番茄全基因組數(shù)據(jù)的發(fā)布,對于番茄的研究已正式進入組學時代。因此,利用新一代高通量測序技術,對番茄基因組及脅迫條件下轉錄組、蛋白質組和代謝組的表達變化研究,將有助于闡明番茄在發(fā)育的各個階段對非生物脅迫響應的分子機制,為今后番茄的抗逆育種提供理論基礎。endprint

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