鄒利茹，張福順，劉乃新，黃平仙

（1.黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心，哈爾濱 150080）

0 引言

在自然環(huán)境中，植物經(jīng)常受到生物和非生物的雙重脅迫[1]。無論是高溫、低溫、鹽堿化、干旱、重金屬等非生物脅迫，還是病原體侵染、食草動物攻擊等生物脅迫，都會顯著降低作物產(chǎn)量[2]。其中，干旱、鹽堿和溫度脅迫是影響自然界植物地理分布、限制作物生產(chǎn)力和威脅糧食安全的主要因素[3]，每年非生物脅迫都會造成6%～20%的作物損失[4]。與此同時，植物通過不斷進化，形成極為精細(xì)復(fù)雜的生理和分子機制，從而來應(yīng)對生長發(fā)育中的逆境[5]。隨著分子技術(shù)興起，以基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與代謝組學(xué)等為代表的分子技術(shù)，可有效地了解、分析植物對非生物脅迫的響應(yīng)機制，包括基因表達模式、蛋白表達模式和代謝產(chǎn)物模式等[6-7]。認(rèn)識植物對非生物脅迫響應(yīng)的分子機制，是提高植物抗逆性的關(guān)鍵，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和維持環(huán)境的可持續(xù)性都至關(guān)重要。

甜菜（Beta vulgarisL.）是我國東北、西北、華北三大產(chǎn)區(qū)制糖產(chǎn)業(yè)的重要原料[8]，也是世界溫帶地區(qū)重要的制糖原料[9]，甜菜糖占世界30%的糖產(chǎn)量[10]。甜菜不僅可應(yīng)用于食品工業(yè)，而且用于可再生能源的生產(chǎn)（如乙醇）、果膠的提取[11]等，還具有抗高血壓、降血糖、抗氧化、抗炎和護肝等作用[12]。甜菜葉片維管束和柵欄組織發(fā)育良好，直根系作物，根系發(fā)達，具有較強的耐旱性[13]。但是，近年來，全球變暖日益加劇，水資源短缺問題越發(fā)突出，世界干旱趨勢日趨嚴(yán)峻，并常常伴隨高溫?zé)崂税l(fā)生，二者相互作用，嚴(yán)重制約著農(nóng)作物生產(chǎn)發(fā)展[14]，其中，干旱導(dǎo)致甜菜減產(chǎn)的報道也屢見不鮮[15]。我國大部地區(qū)均有干旱頻繁發(fā)生現(xiàn)象[16]，并且干旱受災(zāi)面積遠遠大于洪澇災(zāi)害受災(zāi)面積，近年來，我國干旱形勢越發(fā)嚴(yán)重，干旱的強度和頻率均呈上升趨勢[17]。盡管甜菜是耐旱作物，但甜菜生產(chǎn)的優(yōu)勢區(qū)域依然正在向鹽堿、干旱和冷涼地區(qū)擴展，這些地區(qū)水資源相對匱乏，干旱已經(jīng)被證實是限制甜菜產(chǎn)量及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[18-19]。

基于此，對于研究甜菜干旱脅迫條件下的響應(yīng)機制就顯得尤為必要，甜菜作為一種重要的經(jīng)濟作物，掌握其生長過程中的干旱脅迫，可有效地提高甜菜的生產(chǎn)性能，改善其產(chǎn)量。本文從生理變化、基因功能、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、生長調(diào)節(jié)劑等方面，綜述甜菜對干旱脅迫的響應(yīng)機制，對于提高甜菜逆境生產(chǎn)力具有重要意義，為培育高抗旱性的甜菜及其他作物的育種提供新的見解和思路。

1 甜菜干旱脅迫下的生理生化特性

1.1 甜菜在干旱脅迫下生理生化的響應(yīng)

一般來說，在干旱條件下，植物會進化出各種生理、形態(tài)和生化反應(yīng)來應(yīng)對干旱脅迫[20]。甜菜在受到干旱脅迫，會在短時間內(nèi)在體內(nèi)合成一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而來適應(yīng)干旱環(huán)境，在這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中，以脯氨酸為主要調(diào)節(jié)物質(zhì)[21]。甜菜中可溶性物質(zhì)（K、Na、氨基酸、甜菜堿、葡萄糖和果糖）的濃度在生長過程中呈下降趨勢，但在干旱條件下呈上升趨勢，當(dāng)添加蔗糖時，植株的溶質(zhì)總和是恒定的，其中相容性溶質(zhì)濃度與蔗糖濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，干旱條件下甜菜貯藏根中相容溶質(zhì)的積累可能是限制蔗糖積累的生理約束[15]。干旱脅迫對甜菜的大部分生化特性都有顯著影響，其中光合色素含量、游離氨基酸和過氧化物酶（POD）活性顯著降低[22]；會顯著上調(diào)葉片脯氨酸含量、丙二醛（MDA）含量、過氧化氫（H2O2）含量、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、CAT和POD 活性及LPO（脂質(zhì)過氧化）活性[22-23]。干旱脅迫下，抗旱性強的甜菜基因型體內(nèi)的超氧化物歧化酶（SOD）、POD、CAT活性和抗壞血酸（AsA）含量高于抗旱性弱的甜菜基因型；而超氧陰離子自由基、H2O2、MDA 和類胡蘿卜素（Car）含量均低于抗旱性弱的甜菜基因型[24]。干旱脅迫導(dǎo)致PSII 光化學(xué)反應(yīng)中心參與光合作用有關(guān)酶類的可逆性失活，當(dāng)干旱脅迫持續(xù)加重時，葉肉細(xì)胞內(nèi)與光合作用有關(guān)酶類活性的降低成為甜菜光合生產(chǎn)的主要限制因素[25]。韓凱虹等[26]對甜菜進行不同時期干旱脅迫及復(fù)水試驗，研究發(fā)現(xiàn)，不同時期甜菜補水處理（CK）的凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）日變化呈“單峰”型，而缺水呈“雙峰”變化，干旱脅迫使甜菜糖分積累期日蒸騰量及日光合量分別降低70%～75%和63%～70%，日水分利用效率升高。結(jié)果表明，干旱脅迫導(dǎo)致甜菜Pn 與Tr出現(xiàn)非可逆性降低，且Pn低效期延長，這是限制甜菜產(chǎn)量的重要原因。STAGNAR等[27]對甜菜進行不同水分脅迫處理，研究紅甜菜對干旱脅迫的響應(yīng)，探討其在不同水分條件下生長、物質(zhì)量積累和生物活性分子積累等方面的適應(yīng)性變化。研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)水分脅迫下，植株向根系分配的干物質(zhì)較少，氣孔導(dǎo)度（Gs）明顯降低，總酚含量和甜菜素含量顯著提高，抗氧化活性提升，結(jié)果表明，紅甜菜具有很強的干旱適應(yīng)可塑性。李國龍等[28-29]對干旱條件下甜菜幼苗葉片抗氧化系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及部分激素對干旱脅迫的響應(yīng)進行研究，指出甜菜SOD 活性、POD 活性、MDA 含量、AsA 含量、下游離脯氨酸含量、甜菜堿含量、ABA 含量、細(xì)胞水勢等均可作為甜菜品種苗期抗旱性鑒定的有效生理指標(biāo)。

1.2 甜菜在干旱脅迫復(fù)水后生理生化的響應(yīng)

在間歇性干旱地區(qū)，產(chǎn)量的形成取決于脅迫停止后植株的恢復(fù)能力[30]，我國“三北”地區(qū)是典型的間歇性干旱區(qū)。雖然間歇性干旱對植物生理和代謝過程的影響經(jīng)常被提及，但對植物復(fù)水反應(yīng)的研究是有限的[31]。就甜菜而言，Bloch等[32]在不同嚴(yán)重干旱脅迫條件下，通過盆栽試驗，研究兩種基因型甜菜的主根成分和與品質(zhì)相關(guān)的溶質(zhì)濃度的差異、復(fù)水后干旱影響的可逆性以及對干旱反應(yīng)的基因型差異，結(jié)果表明干旱導(dǎo)致甜菜主根溶質(zhì)積累，甜菜品質(zhì)顯著下降，通過復(fù)水，只有部分可逆，而溶質(zhì)的積累與耐旱性沒有關(guān)系。MONTI等[33]通過室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)在干旱條件下甜菜的光合性能顯著下降，干物質(zhì)積累和蔗糖含量也呈下降趨勢，復(fù)水后甜菜的光合性能顯著提升，但蔗糖含量卻沒有增加。李陽陽等[13]對甜菜葉叢生長期在干旱脅迫條件下的生理特性進行研究，對土壤持水量（WHC）進行70%、50%和30%的處理（參照田間持水量）。研究發(fā)現(xiàn)，甜菜葉叢生長期中度缺水處理（50%WHC）的補償指數(shù)最大，甜菜葉片中CAT 活性、MDA 含量、可溶性糖含量及相對電導(dǎo)率均在復(fù)水后24 h產(chǎn)生補償效應(yīng)，脯氨酸在復(fù)水后48 h產(chǎn)生補償效應(yīng)，而POD 未發(fā)生補償效應(yīng)，酶促活性氧清除系統(tǒng)中以CAT 反應(yīng)最為靈敏。同時，李陽陽等[34]還對相同處理下甜菜糖分積累期的生理特性進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，30%WHC 處理，無論是產(chǎn)量還是產(chǎn)糖量都顯著高于70%和50%WHC，而復(fù)水前30%WHC處理葉片Pn顯著低于其他兩組處理，復(fù)水后葉片Pn的差異隨時間推移減小，而胞間CO2濃度（Ci）則表現(xiàn)相反，在這些指標(biāo)中，葉片脯氨酸和可溶性糖含量與缺水程度呈正相關(guān)，且變化最為靈敏，復(fù)水后的葉片，抗氧化防御體系、細(xì)胞膜透性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)生正補償效應(yīng)，MDA 含量降低，抗氧化性酶活性增強，脯氨酸和可溶性糖含量呈增加趨勢。因此，在甜菜葉叢快速生長期，當(dāng)下降至50%WHC 時，及時進行水分補充灌溉，可促使葉片產(chǎn)生補償效應(yīng)，降低干旱脅迫對甜菜根產(chǎn)量和含糖的影響；在糖分積累期，下降至30%WHC時進行補充灌溉，可緩解水分虧缺對甜菜產(chǎn)生的負(fù)面影響，實現(xiàn)干旱區(qū)滴灌甜菜節(jié)水高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。WEDEKING 等[30]對干旱脅迫復(fù)水后甜菜葉和根的代謝恢復(fù)差異性進行研究，通過非靶向1H-NMR代謝組學(xué)分析，對己糖-磷酸鹽、淀粉、氨基酸、硝酸鹽和蛋白質(zhì)進行靶向分析，測定相對含水量、滲透電位、電解質(zhì)滲漏和MDA 濃度等生理指標(biāo)，結(jié)果表明，干旱引起初級代謝的變化，而且器官特異性的代謝恢復(fù)反應(yīng)是存在差異的，就新陳代謝而言，恢復(fù)并不僅僅是應(yīng)激反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)。因此，為了保持甜菜高產(chǎn)，了解短暫干旱后葉和根在代謝調(diào)節(jié)和恢復(fù)中的相似性和特異性是很有必要的。唐利華等[35]證實甜菜具有較強的耐旱能力，并強調(diào)進行甜菜耐旱性研究時，一定要在發(fā)生永久萎蔫之前進行復(fù)水補救，能使其根系活力回升，保證甜菜正常生長。WEDEKING 等[36]對連續(xù)干旱后灌水的甜菜進行研究，通過對甜菜細(xì)胞形態(tài)、水分狀況、滲透調(diào)節(jié)、代謝變化和膜損傷破壞性進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在復(fù)水過程中，甜菜幼苗迅速恢復(fù)水分關(guān)系，但由于膜損傷和部分氣孔關(guān)閉持續(xù)時間較長，可能對后續(xù)的脅迫結(jié)果產(chǎn)生影響，同時，在甜菜次生生長的開始階段，主根比芽需要更多的時間來恢復(fù)水分狀態(tài)和重新調(diào)整初級代謝產(chǎn)物。綜上所述，甜菜干旱脅迫復(fù)水后的生理響應(yīng)的研究，對于提高甜菜干旱脅迫下的產(chǎn)量具有重要意義。

2 甜菜干旱脅迫響應(yīng)中的組學(xué)技術(shù)應(yīng)用

近年來，基于下一代測序（NGS）、基因編輯系統(tǒng)、基因沉默和過表達方法的基因組學(xué)知識為揭示植物生物和非生物脅迫反應(yīng)機制提供了大量的遺傳信息[37]。在轉(zhuǎn)錄組水平上，技術(shù)的創(chuàng)新使得我們能對不同環(huán)境脅迫條件下轉(zhuǎn)錄組水平上發(fā)生的變化進行概述，微陣列和RNA測序技術(shù)被用來闡明在各種植物中生物和非生物脅迫下的基因差異表達[38-39]。蛋白質(zhì)組學(xué)是后基因組時代新興的基因組學(xué)技術(shù)[40]，蛋白質(zhì)技術(shù)對上千種蛋白質(zhì)進行自主識別和定量[41]，蛋白質(zhì)組學(xué)可用來比較不同脅迫條件下的植物蛋白質(zhì)組[42]，這是理解生物系統(tǒng)及其規(guī)則的必要工具。代謝組學(xué)的研究對象大都是相對分子質(zhì)量1 000以內(nèi)的小分子物質(zhì)，是尋找代謝物與生理病理變化相對關(guān)系的一種研究方式，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分[43]，近年來，代謝組學(xué)被廣泛用于研究植物代謝產(chǎn)物對非生物脅迫的反應(yīng)，如干旱、洪澇、鹽堿和極端溫度（冷、熱）等[44]。顯然，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)之間可相互驗證和互補，可進一步為提高植物抗逆性提供有效途徑。

2.1 甜菜在干旱脅迫下蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用

HAJHEIDARI等[45]研究了干旱脅迫下甜菜蛋白質(zhì)組學(xué)變化，收集播種后157 d的正常澆水和干旱處理的植物葉子，使用2D-DIGE 分析蛋白質(zhì)的變化，然后進行圖像分析，結(jié)果檢測到500 多個蛋白點，其中79 個點在干旱脅迫下有顯著變化，將其中的20 個蛋白點進行LC-MS/MS 鑒定，鑒定到其中有11 種蛋白質(zhì)參與到氧化應(yīng)激、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和氧化還原調(diào)節(jié)等過程。SCHNEIDER 等[46]為了找到甜菜對干旱脅迫快速反應(yīng)的調(diào)控關(guān)鍵機制，對甜菜進行連續(xù)干旱11 d 或9 d，再逐步灌水14 d的試驗。通過對葉片蛋白質(zhì)組進行分析，發(fā)現(xiàn)甜菜在從中度干旱脅迫過渡到重度干旱脅迫時，蛋白質(zhì)反應(yīng)延遲，而這種延遲的蛋白質(zhì)反應(yīng)在嚴(yán)重干旱和最初復(fù)水后的反應(yīng)強度是相似的。在復(fù)水后，誘導(dǎo)應(yīng)力響應(yīng)過程減慢，其中一些蛋白質(zhì)在復(fù)水后的幾天內(nèi)仍然保持原位或進一步增加/減少，直至恢復(fù)到控制水平。因此，SCHNEIDER等[46]認(rèn)為其中一些殘留蛋白質(zhì)可能參與干旱脅迫的適應(yīng)和記憶效應(yīng)。彭春雪[47]利用雙向電泳分離出了‘T510’和‘T210’兩種甜菜品系干旱脅迫響應(yīng)蛋白，經(jīng)質(zhì)譜分析鑒定及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的檢索，發(fā)現(xiàn)與能量代謝、信號傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄和光合作用相關(guān)的蛋白在提高甜菜抗旱能力上有重要作用。李國龍等[48]為從蛋白質(zhì)組學(xué)水平了解甜菜對干旱脅迫的應(yīng)答，進一步明確甜菜的抗旱分子機理，通過雙向電泳技術(shù)對甜菜耐旱品種‘HI0466’正常供水和干旱脅迫條件下葉片差異表達蛋白質(zhì)組進行對比研究，質(zhì)譜鑒定獲得17個差異表達蛋白點，其中，豐度上調(diào)10 個，新出現(xiàn)蛋白點6個，豐度下調(diào)1 個。這表明干旱脅迫蛋白在光合作用、物質(zhì)與能量代謝、活性氧清除、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運輸和蛋白質(zhì)合成等方面發(fā)揮重要作用。WANG 等[49]對兩個具有不同耐旱性甜菜的生理和蛋白組學(xué)進行分析，驗證蛋白質(zhì)在植物耐旱性中的作用，結(jié)果顯示，在干旱條件下，在敏感品種和耐旱品種中分別鑒定出23個和27個抗旱蛋白，根據(jù)其功能，這些蛋白質(zhì)被分為9類，不同的生物過程中，許多蛋白質(zhì)和基因型之間顯示出不同的豐度模式，盡管在兩品種間，有些蛋白質(zhì)的變化趨勢相似，但它們的變化程度還是存在差異的。此外，也證實了轉(zhuǎn)錄組與蛋白水平之間的相關(guān)性較差，這有助于加深我們對干旱脅迫下不同甜菜基因型的綜合生理和蛋白質(zhì)組反應(yīng)的理解。

2.2 甜菜在干旱脅迫下基因組學(xué)的應(yīng)用

植物已經(jīng)進化出適應(yīng)的機制來抵抗環(huán)境脅迫，其中脯氨酸的積累便是一種干旱響應(yīng)策略[50]。Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）是谷氨酸合成途徑中氨酸合成中的關(guān)鍵酶，它是一個雙功能酶[21]。P5CS的作用在擬南芥中已經(jīng)得到驗證，在干旱條件下，擬南芥中過表達的P5CS1可以增強脯氨酸積累和提高擬南芥的抗逆性[51]。P5CS在甜菜中的作用也得到了充分的挖掘。龔攀等[52]通過在甜菜中構(gòu)建病毒誘導(dǎo)基因沉默體系，驗證了P5CS具有抗旱功能。楊虎臣[21]使用15% PEG6000 對3 個耐旱性不同的甜菜品系‘W6-1’、‘CL-6’、‘DY-5’進行模擬干旱脅迫，從生理及分子生物學(xué)角度研究發(fā)現(xiàn)Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶（P5CR）和P5CS基因是抗旱關(guān)鍵基因，它們通過調(diào)節(jié)脯氨酸積累參與甜菜抗逆，在干旱脅迫后，δ-OAT基因表達量無明顯變化，P5CR和P5CS基因表達量上調(diào)，ProDH基因表達量下調(diào)，從而得出P5CR和P5CS基因是抗旱相關(guān)基因，其中P5CS基因是抗旱關(guān)鍵基因，干旱脅迫后，通過上調(diào)P5CS基因表達量，提高P5CS酶活性，從而提高脯氨酸的合成。李國龍[53]對國內(nèi)外30 份甜菜種質(zhì)資源的抗旱性進行綜合評價，依據(jù)評價結(jié)果選出抗旱性強、弱的兩個品種為試驗材料，對其抗旱生理生化及分子機制進行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下，脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖、可溶性蛋白在滲透調(diào)節(jié)中的作用顯著，其中脯氨酸和甜菜堿在P5CS和BADH基因的實時、過量表達下，成為兩種甜菜的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的增加及增幅的增強可提高甜菜抗旱性。孫宗艷[19]采用生物信息學(xué)分析與分子生物學(xué)實驗相結(jié)合的手段研究干旱脅迫下甜菜不同品種幼苗葉、根中miR160/164及其靶基因的表達量變化，使用15%PEG6000 對甜菜耐旱品種‘W6-1’和干旱敏感型品種‘CL-6’幼苗進行模擬干旱脅迫處理，利用熒光定量PCR技術(shù)對不同時間節(jié)點下的甜菜幼苗根葉樣品進行miR160/164及其靶基因和及P5CS基因的表達量分析，得出miR160/164及其靶基因參與干旱脅迫應(yīng)答過程。

盡管只有十幾年的研究，但眾多學(xué)者對H+-PPase 基因的研究已取得了很大的進展，其中，在AVP1遺傳轉(zhuǎn)化上應(yīng)用較多。PARK 等[54]將AVP1基因轉(zhuǎn)入番茄中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因番茄的根系生長快且比較發(fā)達，其抗旱能力明顯增強。為了探討AVP1基因在甜菜中是否具有相似作用，王曉嬌等[55]將AVP1基因?qū)胩鸩酥校@得轉(zhuǎn)基因植株，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植物具有一定的抗旱性。王曉嬌[56]利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將AVP1基因轉(zhuǎn)入甜菜中，對部分轉(zhuǎn)基因株系進行干旱脅迫處理，測定非轉(zhuǎn)基因植株和轉(zhuǎn)基因植株葉及根中相對含水量、游離脯氨酸、MDA 含量變化，初步證明轉(zhuǎn)AVP1基因提高轉(zhuǎn)基因甜菜的抗旱性。在此基礎(chǔ)上，劉雪[57]對轉(zhuǎn)AVP1基因甜菜的分子檢測和功能進行鑒定，將轉(zhuǎn)基因甜菜和野生型甜菜進行干旱和鹽脅迫處理，比較了二者在形態(tài)、MDA含量、游離脯氨酸含量等方面的差異，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)AVP1基因甜菜對高鹽和干旱脅迫的適應(yīng)性優(yōu)于野生型甜菜，進一步證明了轉(zhuǎn)AVP1基因甜菜具有一定的耐鹽、耐旱性。

除了上述基因之外，甜菜的干旱響應(yīng)還可能與甜菜堿醛脫氫酶（BADH）基因、2-半胱氨酸過氧氧化蛋白（2-cysprx）和核苷二磷酸激酶（NDPK）候選基因有關(guān)。BADH是植物合成甜菜堿的關(guān)鍵酶，受BADH基因調(diào)控[58]。LI等[59]通過盆栽試驗，比較了兩個耐旱性不同的甜菜品種甜菜堿含量與BADH基因表達的關(guān)系，結(jié)果表明，在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)錄本上調(diào)與甜菜堿積累之間存在明顯相關(guān)性，其中，耐旱品種的甜菜堿含量和BADH基因表達顯著增加。因此，甜菜堿積累和BADH基因表達可能是甜菜消除干旱負(fù)面影響的一種響應(yīng)，對水分脅迫下甜菜維持光合活性起關(guān)鍵作用。當(dāng)然，除了上述的基因家族，甜菜中也存在其他干旱響應(yīng)基因。RAJABI等[60]對4個不同基因型甜菜的干旱響應(yīng)進行研究，在干旱脅迫條件下，采用RT-PCR對2-cysprx和NDPK候選基因的表達進行分析，結(jié)果表明這兩種基因都與干旱脅迫相關(guān)，但其具體功能還有待進一步的驗證。此外，王宇光等[61]還發(fā)現(xiàn)甜菜M14 品系咖啡酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（BvM14-CCoAOMT）基因可以提高甜菜植株的抗旱及耐鹽性?？购敌詮姷奶鸩似贩N體內(nèi)SOD基因表達量大于抗旱性弱的品種，但SOD基因的表達量與干旱脅迫強度無關(guān)，POD基因表達量多少與POD酶活性變化呈正相關(guān)關(guān)系[24]。

2.3 甜菜在干旱脅迫下轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用

植物的生存環(huán)境復(fù)雜多變，容易遭受干旱、低溫、高鹽和病蟲害等逆境的脅迫，嚴(yán)重制約植株正常生長發(fā)育和作物產(chǎn)量。不同作物可以通過自身基因的表達調(diào)控抵御逆境的侵害。研究表明，植物特異NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的、最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，在響應(yīng)植物干旱脅迫反應(yīng)等過程中發(fā)揮著重要作用[62]。WU等[63]發(fā)現(xiàn)，枸橘NAC 轉(zhuǎn)錄因子PtrNAC72基因可以調(diào)節(jié)腐胺活性，降低植株耐旱性。甜菜NAC 轉(zhuǎn)錄因子基因（BvNAC）家族成員近年來也逐漸受到科研工作者的關(guān)注。徐曉陽等[62]以NAC 保守結(jié)構(gòu)域序列為檢索序列通過HMM 和BLAST 在甜菜數(shù)據(jù)中進行同源性搜索，對甜菜BvNAC 家族成員進行鑒定，結(jié)果表明，在干旱脅迫下BvNAC 家族成員中有23 個基因上調(diào)表達，為揭示甜菜耐旱分子機理和發(fā)掘甜菜耐旱基因提供了理論依據(jù)。徐曉陽[64]還對甜菜抗旱相關(guān)NAC 轉(zhuǎn)錄因子Bv_twas和Bv_hdfh基因進行克隆和功能驗證，將Bv_twas和Bv_hdfh在擬南芥中異源過表達，干旱脅迫下，觀察到轉(zhuǎn)基因株系根長及側(cè)根數(shù)量增加，地上部分長勢也優(yōu)于野生型；同時，轉(zhuǎn)基因擬南芥葉片的SOD、CAT活性明顯高于野生型，但POD 活性無明顯差異，相對電導(dǎo)率低于野生型，這表明Bv_twas和Bv_hdf是耐旱功能基因。

除了NAC 轉(zhuǎn)錄因子外，MYB轉(zhuǎn)錄因子家族也是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一[65]，其最早發(fā)現(xiàn)于擬南芥和玉米中，調(diào)控著許多重要基因的表達[66]。已有研究表明，MYB轉(zhuǎn)錄因子參與植物逆境脅迫調(diào)控[67]，如光照、干旱、鹽甚至病蟲害等。此外，MYB轉(zhuǎn)錄因子還參與調(diào)控植物生長發(fā)育、生理代謝、細(xì)胞的形態(tài)和模式建成等生理過程[68]。劉蕊等[69]研究干旱環(huán)境下甜菜MYB 基因家族的表達模式，對15%PEG 模擬干旱脅迫處理試驗組和蒸餾水對照組萌發(fā)期甜菜的轉(zhuǎn)錄組進行高通量測序，結(jié)果表明，試驗獲得的79個MYB轉(zhuǎn)錄因子中42個在干旱脅迫下差異表達，這為甜菜抗干旱脅迫育種提供了基因資源和理論基礎(chǔ)。

3 外源調(diào)控物質(zhì)對甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

3.1 施用L-鳥氨酸對甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

有研究表明，在干旱條件下，植物會通過一些生長調(diào)節(jié)劑和滲透保護劑來應(yīng)對干旱，其中包含如游離氨基酸、糖和多胺等[70]。其中，L-鳥氨酸是多胺的前體，在植物生長發(fā)育過程中起重要作用[71]，它是精氨酸生物合成的中間化合物，也是植物中滲透保護物質(zhì)脯氨酸合成過程中的初始底物[72]。多胺影響植物DNA、RNA和蛋白質(zhì)的生物合成，促進植物生長發(fā)育，具有延緩衰老，提高植物抗性[73]，清除植物體內(nèi)自由基等作用，在一定程度上能保護膜免受氧化損傷，從而緩解植物干旱脅迫負(fù)面影響[74]。HUSSEIN 等[22]通過試驗，驗證了L-鳥氨酸作為多胺前體在盆栽甜菜中的應(yīng)用，結(jié)果表明，葉面施用L-鳥氨酸能有效緩解干旱脅迫對甜菜根長、根重和莖重的有害影響，調(diào)節(jié)可溶性糖和游離氨基酸等物質(zhì)積累，降低脂質(zhì)過氧化，增加抗氧化酶和合成新的多肽，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，從而提高甜菜的耐旱性。盡管L-鳥氨酸是脯氨酸的合成途徑之一，但楊虎臣[21]的研究表明，干旱脅迫后，甜菜通過調(diào)控增加幼葉脯氨酸含量來達到抗旱的目的，而在脯氨酸積累的過程中，鳥氨酸→脯氨酸途徑不占主導(dǎo)地位，谷氨酸→脯氨酸途徑才是主要途徑。L-鳥氨酸是一種昂貴的緩解干旱脅迫效應(yīng)的氨基酸，盡管不是甜菜體內(nèi)脯氨酸合成的主要途徑，但從經(jīng)濟和科學(xué)的角度來看，它是一種重要的天然化合物，能有助于提高植物的干旱耐受性。

3.2 施用脯氨酸對甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

滲透調(diào)節(jié)劑是應(yīng)用于葉片的兼容化合物，通過減少滲透脅迫相關(guān)的損傷來保護植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)免受干旱的傷害[75]，如脯氨酸等，通過緩解非生物脅迫對作物的不利影響，調(diào)節(jié)植物中的滲透電位，從而應(yīng)對植物生長過程中的生物或非生物脅迫[76]。除了滲透調(diào)節(jié)特性外，脯氨酸還具有維持生物膜、穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、碳和氮儲存以及平衡干旱脅迫植物的氧化還原狀態(tài)等作用[77]。LIANG 等[76]指出施用葉面脯氨酸，可以上調(diào)植株的脯氨酸水平，增強植株的耐旱性。據(jù)ALI 等[78]報道，對玉米葉片用脯氨酸處理，可以提高干旱脅迫下玉米光合能力。在甜菜中，葉面脯氨酸的施用也能提高其耐旱能力。GHAFFARI等[23]驗證了施用葉面脯氨酸對甜菜耐旱能力的影響，結(jié)果顯示，在脯氨酸的應(yīng)用下，MDA 和過氧化氫含量會顯著下調(diào)，同時還能減輕干旱導(dǎo)致的葉片光合色素、葉片相對含水量、膜穩(wěn)定性指數(shù)和甜菜根產(chǎn)量下降的現(xiàn)象?？偠灾?，脯氨酸的應(yīng)用可通過增強抗氧化酶活性，減少MDA和過氧化氫的含量，從而緩解干旱在甜菜中的有害影響。

3.3 施用茉莉酸對甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

有研究表明茉莉酸（JA）參與植物的干旱脅迫[79]，在許多植物中，都證實了施用外源茉莉酸甲酯（MeJA）或其甲基化衍生物，可以提高植物干旱條件下的性能[79-80]。據(jù)報道[80-81]，干旱脅迫植物在接受JA 或MeJA 處理后，光合速率、葉片相對含水量、葉綠素濃度、脯氨酸濃度、甜菜堿濃度和生物量積累都呈現(xiàn)增加趨勢，減輕了脂質(zhì)過氧化和膜損傷程度。FUGATE 等[82]研究了MeJA 是否可以減輕甜菜的干旱影響，結(jié)果表明，MeJA延遲了甜菜細(xì)胞脫水，保護甜菜光合器官免受干旱引起的損害。因此，外源施用MeJA 可以緩解甜菜幼苗干旱脅迫，是減少甜菜生產(chǎn)初期因干旱造成經(jīng)濟損失的一種有效手段。

3.4 施用富勒烯醇納米顆粒對甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

除了上述施用L-鳥氨酸、MeJA、脯氨酸等以外，施用富勒烯醇納米顆粒（FNPs）也能有效緩解干旱對甜菜的影響。主要是由于FNPs能夠穿透植物的葉子和根組織，在不同的細(xì)胞隔間與水分結(jié)合[83]，可作為額外的細(xì)胞間供水物質(zhì)，從而緩解干旱脅迫的影響[84]。BORI?EV 等[85]研究FNPs對干旱脅迫下甜菜植株的影響，結(jié)果表明，在干旱甜菜葉片上應(yīng)用FNPs可以改善細(xì)胞內(nèi)的水分代謝，F(xiàn)NPs 可以作為細(xì)胞內(nèi)水的結(jié)合劑，創(chuàng)造額外的水儲備，使其能夠適應(yīng)干旱脅迫。此外，對植物抗氧化酶活性（CAT、APX和GPX）、MDA 和GSH含量的分析表明，富勒烯醇葉面施用能緩解干旱脅迫的氧化效應(yīng)。

3.5 施用營養(yǎng)物質(zhì)對甜菜干旱脅迫響應(yīng)的影響

此外，礦物營養(yǎng)在減輕干旱脅迫等方面也漸露頭角，例如，在干旱脅迫條件下，葉片施鉀、氮、磷等可提高小麥產(chǎn)量[86]。值得注意的是，Ca2+在緩解干旱脅迫中的作用得到廣泛研究，不僅提高植物對干旱脅迫的耐受性[87]，還可改善脅迫誘導(dǎo)的活性氧代謝、生長性能、光合作用和氮同化[88]。基于此，HOSSEINI等[89]為了解在干旱脅迫下，Ca2+在甜菜中是否具有緩解干旱脅迫的作用，選擇一個甜菜基因型進行模擬干旱脅迫處理，結(jié)果表明，葉片Ca2+的施用提高了干旱脅迫下甜菜的葉綠素水平和植株生物量，增加葉片中蔗糖合成，提高甜菜體內(nèi)的鎂和硅濃度，并在轉(zhuǎn)錄上調(diào)節(jié)糖轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因（BvSUC3和BvTST3），促進糖的合成，同時，BvSUC3和BvTST1的調(diào)節(jié)又能支撐更多的蔗糖進入甜菜根系中?？傊?，甜菜葉片中Ca2+的施用是一種很有前途的施肥策略，可提高甜菜的礦質(zhì)營養(yǎng)效率、糖代謝、氧化還原狀態(tài)，從而緩解干旱脅迫的影響，提高抗旱能力。

4 提高甜菜抗干旱脅迫策略

本文從生理生化、基因功能、蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和外源調(diào)節(jié)物質(zhì)等方面綜述了甜菜對干旱脅迫的應(yīng)答機制與響應(yīng)。在生理變化方面，提高酶和非酶促抗氧化劑的含量是甜菜在干旱脅迫下調(diào)節(jié)ROS和氧化還原平衡的主要策略，脯氨酸的增加是甜菜響應(yīng)干旱脅迫的主要生理指標(biāo)之一。此外，甜菜SOD 活性、POD 活性、MDA 含量、AsA 含量、下游離脯氨酸含量、甜菜堿含量、細(xì)胞水勢及ABA 含量等均可作為甜菜品種苗期抗旱性鑒定的有效生理指標(biāo)。同時，甜菜中P5CS、AVP1、BADH基因、2-cysprx及NDPK候選基因賦予了甜菜較強耐旱能力；而干旱脅迫誘導(dǎo)甜菜NAC轉(zhuǎn)錄因子基因家族、MYB轉(zhuǎn)錄因子基因家族在轉(zhuǎn)錄水平上響應(yīng)干旱脅迫；葉面施用L-鳥氨酸、MeJA、脯氨酸、富勒烯醇納米顆粒及礦物質(zhì)都能顯著提高甜菜的抗旱能力。這些研究為揭示甜菜對干旱脅迫的反應(yīng)機制提供了新的見解，對于提高甜菜逆境生產(chǎn)力具有重要意義，為培育高抗旱性甜菜和其他作物的育種提供新的見解和思路。

提高甜菜抗旱能力已經(jīng)成為研究工作中急需提高的研究重點，為緩解干旱對甜菜產(chǎn)質(zhì)量的影響，在依賴于節(jié)水高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)、提高水分利用效率的基礎(chǔ)上，提出提高甜菜抗干旱脅迫策略：一是在確保穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的前提下，以培育抗旱性較強的甜菜品種為根本、為重點。研究發(fā)現(xiàn)，多胚甜菜全同胞家系與細(xì)胞質(zhì)雄性不育系（CMS）雜交，在干旱脅迫下后代根產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量表現(xiàn)出顯著的遺傳變異，許多雜種具有較強的耐旱性，根產(chǎn)量在干旱脅迫下的遺傳力（0.46）高于非脅迫下（0.34），表明可借由耐旱性植株作為父本，從而提高甜菜的耐旱性，培育耐旱品種[90]；對甜菜進行體外組織培養(yǎng)和γ射線誘導(dǎo)甜菜變異，獲得了公認(rèn)的耐旱品種甜菜[91]。二是進一步加強甜菜耐旱、抗旱機制及其應(yīng)用的發(fā)掘與創(chuàng)新。就目前的研究現(xiàn)狀而言，在甜菜響應(yīng)干旱的生理生化研究方面比較完善，但分子層次的研究還有待提高，對于甜菜響應(yīng)干旱的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究已小有成效，但還不夠全面，還有待進一步深入研究；在代謝組學(xué)方面，近年來，代謝組學(xué)已被廣泛用于研究植物代謝產(chǎn)物對非生物脅迫的反應(yīng)，如干旱、洪水、鹽和極端溫度（冷、熱）等，但對于甜菜對非生物脅迫響應(yīng)方面的研究較少，尤其是干旱脅迫。三是應(yīng)用組學(xué)技術(shù)改良作物品質(zhì)及轉(zhuǎn)基因植物抗性育種的研究。四是應(yīng)用外源調(diào)控物質(zhì)改善作物干旱脅迫境況。