馬燕　李錦馨　張銀　張閣

摘要 概述了干旱脅迫下，牡丹的滲透調節(jié)系統(tǒng)、保護酶活性及光合特性指標的變化，以及與牡丹抗旱性相關的分子生物學機制，包括逆境信號、抗旱蛋白、抗旱基因的變化，以期為牡丹抗旱性機制的深入研究提供思路，并為牡丹的進一步開發(fā)利用提供參考。

關鍵詞 牡丹；干旱脅迫；抗旱

中圖分類號 S685.11 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）13-0027-03

Research Progress on Drought Resistance in Paeonia suffruticosa

MA Yan，LI Jinxin， ZHANG Yin et al

（Agricultual College，Ningxia University，Yinchuan，Guangxi 750021）

Abstract The study summarized the worldwide research progresses under drought resistance circumstances referring to the change of osmostic regulation system，antioxidant enzymes，photosynthetic characteristics. It is also relate to the molecular mechanisms，which including the change of stress signal，drought resistant protein and gene.The study provides thought for the indepth study of the drought resistance mechanism of Paeonia suffruticosa，and provides reference for the further development and utilization of Paeonia suffruticosa.

Key words Paeonia suffruticosa；Drought stress；Drought resistance

目前全球干旱、半干旱地區(qū)約占土地總面積的36%，占耕地面積的43%[1-2]，據(jù)統(tǒng)計，我國是世界上13個水資源嚴重短缺的國家之一[3-5]，干旱、半干旱地區(qū)約占全國土地面積的50%。現(xiàn)代節(jié)水農業(yè)已受到高度重視，選育抗旱節(jié)水植物新品種、提高植物的抗旱性已成為未來研究中一個前景廣闊的領域。

牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）屬于芍藥科（Paeoniaceae）芍藥屬（Paeonia）牡丹組（Sect.Moutan DC.）多年生落葉小灌木，是我國傳統(tǒng)名花[6-7]。因其花大色艷，雍容華貴，有極高的觀賞、食用和藥用價值，深受人民喜愛[8-9]。干旱脅迫會嚴重影響植物的生長發(fā)育及結果，對其抗旱性研究不僅對選育抗旱品種具有重要的實際意義，而且對解決干旱、半干旱地區(qū)土地利用率和提高單位面積產值具有極其重要的現(xiàn)實意義。

植物防御干旱是通過改變其分子、細胞、生理水平上的各種因素，如基因型、失水程度、生活周期以及組織類型等來實現(xiàn)[10]。相關滲透調節(jié)物質在植物抵抗干旱脅迫時起調節(jié)細胞滲透壓和穩(wěn)定蛋白的作用[11]。

干旱脅迫下，植物通過對干旱刺激信號的感知、轉導和反應，為保護細胞不受水分虧缺的傷害，會誘導或抑制相關基因的表達和蛋白的合成，使植物具有在低水勢情況下維持生長發(fā)育并耐脫水的能力[12-13]。近年來，牡丹的研究大多集中在牡丹的價值開發(fā)及成分分析；引種栽培等方面有一些研究，僅有少數(shù)學者對牡丹個別品種的抗旱性進行研究。

筆者基于國內外文獻數(shù)據(jù)庫中有關牡丹抗旱機理的研究，就牡丹抗旱性生理生化機制、分子生物學機制進行綜合分析和評價，以期為國內學者進一步開展牡丹抗旱性研究指明方向，也為我國牡丹產業(yè)的健康、有序、快速發(fā)展奠定堅實的理論基礎。

1 牡丹抗旱性生理生化機制

1.1 細胞膜透性與抗旱性

細胞膜是植物細胞感受外界環(huán)境最重要的部位，當植物遭遇干旱脅迫時，其選擇透性功能改變或者喪失，細胞內溶物外滲，電解質滲透量增加，則其相對電導率增大，細胞膜發(fā)生過氧化作用而受到破壞，從而引起丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量的增加。

阿日文[14]和彭民貴等[15]研究表明，隨著脅迫程度的增加及脅迫時間的延長，各品種牡丹的細胞膜透性均出現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，較長時間的干旱脅迫會使細胞膜嚴重受損。

彭民貴等[15]用聚乙二醇（polyethylenegloycol，PEG）模擬干旱，王岑涅[16]采用盆栽稱重控水法進行干旱脅迫，結果均顯示MDA含量呈明顯增加趨勢。

1.2 滲透調節(jié)系統(tǒng)與抗旱性

受到干旱脅迫時，植物產生信號，通過轉化成其他物質來控制基因的表達和代謝的變化，從而適應干旱環(huán)境。此過程中滲透調節(jié)為關鍵一步，即植物體內積累各種有機物質和無機物質，以提高細胞液濃度，降低其滲透勢，以此來保持體內水分[17-20]。滲透物質包括脯氨酸（proline，Pro）、可溶性糖、可溶性蛋白等[21]。如Pro具有調節(jié)滲透壓、穩(wěn)定亞細胞結構、清除自由基、擔當信號分子等功能[22]，其積累與植物抗干旱脅迫的能力直接相關[23]。

李軍等[24]和彭民貴等[15]研究表明，隨著水分脅迫程度的增加，供試牡丹的可溶性糖含量、Pro含量均逐漸升高，可溶性蛋白質含量均先升高后降低。而王岑涅[16]的研究結果稍有不同，干旱脅迫下，牡丹Pro、可溶性糖、可溶性蛋白含量持續(xù)增加。

李軍等[24]研究表明，相比于重度干旱脅迫，復水后供試牡丹的滲透調節(jié)物質含量均有所降低。在用PEG模擬干旱脅迫的研究中，彭民貴等[15]研究表明，在相同脅迫時間內，其Pro含量、可溶性糖含量均隨PEG質量濃度的增大而增加；PEG質量濃度相同時，隨脅迫時間的延長，其Pro含量、可溶性糖含量均先增加后減少，8 d后達到最高。

1.3 抗氧化酶活性與抗旱性

干旱脅迫通常會誘導植物細胞內活性氧（reactive oxygen species，ROS）物質的過度積累，最終導致氧化脅迫的產生[25-26]。ROS 能夠直接與蛋白質、核酸和脂類等物質結合，從而導致 DNA 損傷，植物體內酶失活及細胞滲透壓改變等一系列的過氧化鏈式反應，危害細胞膜系統(tǒng)正常生理功能，甚至直接導致植物死亡[27]?？寡趸钢饕谐趸锲缁福?superoxide dismutase，SOD） 、過氧化氫酶（ catalase，CAT） 、抗壞血酸過氧化物酶（ ascorbate peroxidase，APX） 、谷胱甘肽還原酶（ glutathione reductase，GR）等[28]。

關于 SOD和CAT的變化，王岑涅[16]和李軍等[24]的研究結果相似，在干旱脅迫下其活性均呈先升高后降低再升高的變化趨勢。而朱丹[29]研究表明，SOD、POD 為牡丹葉片清除體內活性氧的主要抗氧化酶，隨著脅迫加劇，SOD、POD 整體呈先升高后降低趨勢，CAT 活性則為降低趨勢。阿日文[14]研究結果與上述試驗結果不符，隨著脅迫程度的增加及脅迫時間的延長供試牡丹品種葉片SOD 活性均呈下降趨勢，且脅迫程度越大則降低幅度越大。

1.4 光合作用系統(tǒng)與抗旱性

光合作用是植物最基本的生理反應，是植物合成有機物和獲取能源的根本途徑，直接關系植物的生長狀況和最終產量。干旱脅迫下，植物光合速率下降，當水勢降低到一定程度后，光合速率趨近于0[30]。干旱脅迫引起的水分虧缺造成氣孔關閉，CO2擴散阻力增加，也會導致葉綠體片層膜體系結構改變，光系統(tǒng)Ⅱ活性減弱甚至喪失，光合磷酸化解偶聯(lián)，葉綠體合成速度減慢，光合酶活性降低等[31]。

王岑涅[16]研究表明，在中度、重度干旱脅迫下，凈光合速率（net phoyosynthesis rate，Pn）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、氣孔導度（stomatal conductance，Cond）、胞間CO2濃度（intercellular CO2 concentration， Ci）降低，水分利用效率（water use efficiency，WUE）升高，而輕度脅迫相反。郭麗麗等[32]研究表明，隨著干旱脅迫加劇，2種牡丹的Pn、Tr、Ci，WUE均呈逐漸下降趨勢，Cond則隨脅迫程度的增加而減小。李軍等[24]研究了逐漸干旱和復水過程中Pn、Cond、Ci、Tr和WUE等光合特性的動態(tài)變化。

關于葉綠素含量的變化，王岑涅[16]研究表明，干旱脅迫下，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、類胡蘿卜素含量升高。而阿日文[14]研究結果則相反，隨著脅迫程度的增加及脅迫時間的延長，供試牡丹品種葉片葉綠素含量呈下降趨勢，且脅迫程度越大則降低幅度越大。

2 牡丹抗旱性分子生物學機制

2.1 逆境信號與抗旱性的關系

植物感知失水信號后，激活依賴脫落酸（abscisic acid，ABA）和非依賴ABA 2個途徑來調節(jié)一系列的蛋白激酶和磷酸化酶的信號轉導[33] ，從而合成一些能抵抗脅迫的新蛋白[34] 。

研究表明，ABA 一直是植物抗旱響應研究的重點[35-36]，在干旱條件下植物產生內源性激素ABA，且在根部迅速積累，主要通過調節(jié)氣孔的開閉、保持組織內水分平衡、增強根的吸水性、提高水的通導性來增強植物抗旱性，同時誘導ABA相關基因表達 [37]。此外，干早時期植物體內ABA的增加能改變某些與Pro合成有關的物質，從而促進Pro的積累[38]。

關于干旱脅迫下ABA的研究，在農作物領域開展的較深入。干旱初期，束縛型 ABA 為主要來源，干旱期間，ABA主要來自新合成的 ABA。干旱時，植物的根系感知土壤水分，誘導 ABA 合成酶系統(tǒng)，合成大量 ABA，然后運輸?shù)降厣喜浚偈贡Ｐl(wèi)細胞關閉，降低蒸騰作用，減少水分丟失。研究表明，干旱脅迫時，外源噴施 ABA 可以增強抗氧化酶活性，降低活性氧含量，防止葉綠素降解，增大葉片相對含水量，減小質膜透性及MDA含量，增強光系統(tǒng)Ⅱ（PSII） 的修復功能[39-42]。

最近一系列對赤霉素（gibberelin，GAs）及其相關基因在抗旱響應中作用的研究，有助于人們更清楚地了解植物耐受干旱脅迫的激素調控和應答網絡。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中 CBF/DREB2 轉錄因子對AtGA2ox7基因的表達有正向調節(jié)作用，過表達轉錄因子可同時促進AtGA2ox7基因的表達，進而導致活性 GAs 含量降低，達到提高抗旱性的作用[43]。

研究表明，ABA信號中應對干旱等非生物脅迫的關鍵元件MYB和WRKY27等受DELLA蛋白調控[44-45]，而對擬南芥中耐旱相關基因XERICO的研究發(fā)現(xiàn)，XERICO基因不但參與ABA代謝，而且還是DELLA蛋白的下游目的基因之一[46]。說明DELLA蛋白可能作為植物干旱脅迫的調控節(jié)點，在GAs信號與ABA信號間起聯(lián)系作用。

2.2 抗旱蛋白與抗旱性的關系

植物干旱誘導蛋白按其功能可分為兩大類：第一大類是功能蛋白，在細胞內直接發(fā)揮保護作用，主要包括胚胎發(fā)育晚期蛋白、滲調蛋白、水通道蛋白、代謝酶類等；另一大類是調節(jié)蛋白，參與水分脅迫的信號轉導或基因的表達調控，起間接保護作用，主要包括蛋白激酶、磷脂酶C、磷脂酶D、G蛋白、鈣調素、轉錄因子和一些信號因子[47]。

研究表明，由于脫水蛋白的無序性，它們可以非特異地結合生物大分子。同時，其高親水性又能幫助它們大量結合水分子。因此，在細胞失水時，脫水蛋白可以幫助維持細胞初始形態(tài)，避免細胞過度失水而坍塌[48]。脫水蛋白具有與活性氧分子結合的能力，脫水蛋白可能在活性氧暴發(fā)的情況下通過自我犧牲的方式消耗活性氧從而保護其他蛋白質免受損傷[49]。

2.3 抗旱基因與抗旱性的關系

近年來，由于牡丹栽培面積迅速擴大，與其相關基因的克隆及轉抗基因的研究逐漸增多。李軍等[24]對牡丹干旱脅迫下的轉錄組開展研究，為牡丹耐受干旱的分子機制研究奠定了基礎。石紅梅等[50]在前期工作的基礎上，通過RACE（rapidamplification of cDNA ends）擴增、測序和序列拼接獲PsWRKY基因全長互補脫氧核糖核酸（complementary DNA，cDNA），推測的氨基酸與其他WRKY蛋白相同。雖然該試驗并未涉及PsWRKY基因調控與牡丹抗旱性是否相關，但近年來大量試驗結果證明WRKY基因與植物的抵御逆境脅迫相關，如大麥WRKY38在冷害和干旱脅迫中表達，表明其在冷害和干旱脅迫的信號轉導中起調控功能[51]，也為牡丹后期抗旱性研究奠定了基礎。

DREB（dehydration responsive element binding protein）轉錄因子是一個干旱應答元件的結合蛋白，在植物對干旱脅迫的分子反應中起重要的調控作用[52-53]。劉慧春等[54]以牡丹“洛陽紅”品種葉片提取的總DNA為模板，PCR 擴增獲得DREB基因的 cDNA 序列，命名為 PsDREB。

關于牡丹PseIF5A基因克隆與功能研究較多，重組菌株（pET32a-PseIF5A）由于誘導表達了PseIF5A的融合蛋白，PseIF5A的大量積累明顯提高了縮主大腸桿菌BL21對重金屬、高鹽、高pH、氧化等非生物脅迫的抗性[55]，表明牡丹PseIF5A能響應多種非生物脅迫，而該研究并未涉及抗旱試驗，有待繼續(xù)研究。

王曉慶等[56]通過 RT-PCR 和 RACE 技術克隆得到了牡丹中編碼 9–順式–環(huán)氧類胡蘿卜素加雙氧酶蛋白（NCED）的一條 cDNA 基因全長——Ps-NCED1，通過與擬南芥中CCD（類胡蘿卜素分解加雙氧酶）家族氨基酸序列比對后發(fā)現(xiàn)，Ps-NCED1與調控 ABA 合成的At-NCED3一致性最高，而一些研究已經證實At-NCED3是擬南芥在受到脅迫時被誘導表達合成 ABA 的最主要基因[57]，因此，Ps-NCED1在牡丹中也可能存在相同的作用機制，可能在響應環(huán)境脅迫誘導 ABA 合成過程中發(fā)揮重要作用。

關于牡丹抗旱性的分子生物學機制，目前國內外研究均較少，在ABA、GAs與干旱誘導蛋白的研究中，在PsWRKY、PsDREB、PseIF5A、 Ps-NCED1等基因克隆與分析工作中，雖未明確表示其與牡丹抗旱性機制相關，但前人以及最新的研究結果表明，其確實與植物抗逆性有關。

3 展望

關于牡丹研究雖然已經取得了一定成就，為生產實踐提供了一定的指導意義，但國內外對牡丹抗旱性研究相對較少，尤其是關于牡丹抗旱基因方面的研究。不同時期、不同干旱程度、不同品種的反應機理也不完全相同，因此，應設計更加全面的試驗進行研究。除對干旱脅迫進行生理生化機理、分子機理以及基因表達調控方面的研究外，還需要利用高通量的技術和蛋白質組學方法在不同水平上進行更全面深入的研究。

可以預見，隨著蛋白質組學與現(xiàn)代分子生物學技術的結合與應用，牡丹抗旱性機理研究將會不斷深入，越來越多的抗旱品種將會在其生產中發(fā)揮重要作用。

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