李 平，藺桂芬，謝淑芹

（邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北省作物雜種優(yōu)勢(shì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，邯鄲市種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子輔助育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邯鄲 056001）

綠豆是我國(guó)重要的雜糧作物，已被政府列入中國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)科技專項(xiàng)和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，這為綠豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大提供了重要支撐[1]。綠豆耐干旱、貧瘠，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，蛋白質(zhì)含量高,富含礦質(zhì)元素、維生素等活性物質(zhì)，具有解毒、抗菌、降血脂、預(yù)防癌癥等功效，醫(yī)食兩用。近年來，隨著人們?cè)絹碓街匾暽攀碃I(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)均衡化，種植業(yè)結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生了變化，綠豆需求量大于供給量，價(jià)格也逐年上升，越來越多的農(nóng)民傾向于選擇種植綠豆[2]。

非生物脅迫是指因外界環(huán)境的改變致使植物體內(nèi)生理生化狀態(tài)發(fā)生變化，常見的非生物脅迫種類有：水分脅迫、鹽堿脅迫、溫度脅迫、重金屬脅迫[3]。這些非生物逆境脅迫都會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其代謝產(chǎn)生嚴(yán)重影響。綠豆在其生長(zhǎng)發(fā)育過程中面臨著多種非生物逆境脅迫，極易出現(xiàn)生長(zhǎng)滯緩、品質(zhì)以及產(chǎn)量降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植株死亡。國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)綠豆在逆境脅迫下生長(zhǎng)狀態(tài)、細(xì)胞水平、活性氧化代謝等生理方面進(jìn)行了相關(guān)研究，但是多僅見于綠豆苗期，而綠豆全生育期對(duì)非生物脅迫響應(yīng)方面的研究相對(duì)較少，尤其在分子層面上探究和標(biāo)記抗逆性基因?qū)Ψ巧锩{迫的應(yīng)答機(jī)制鮮見報(bào)道。

筆者針對(duì)非生物脅迫下綠豆的生理生長(zhǎng)應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行綜述，通過分析當(dāng)前研究工作中存在的不足，提出未來應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)的研究方向，力求探明綠豆對(duì)非生物脅迫的內(nèi)部生理調(diào)控機(jī)制，旨在為綠豆抗逆性研究提供更深層次的研究思路。

1 模擬外界非生物脅迫環(huán)境條件對(duì)綠豆生理特性的影響

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于氣象災(zāi)害造成受災(zāi)的農(nóng)田面積高達(dá)0.5 億hm2以上，最嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成糧食減產(chǎn)18%以上[4]。綠豆對(duì)外界環(huán)境變化比較敏感，一方面氣候環(huán)境的極端變化會(huì)帶來氣象災(zāi)害，最頻發(fā)的氣象災(zāi)害主要有干旱、洪澇、極端高溫或低溫等；另一方面，工業(yè)“三廢”、生活污水、城市生活垃圾的不合理排放以及農(nóng)藥和化肥的不合理施用都會(huì)造成農(nóng)業(yè)土壤和農(nóng)業(yè)灌溉水污染，尤其是重金屬污染會(huì)導(dǎo)致有害離子直接附著在綠豆體內(nèi)，高濃度重金屬污染造成作物生長(zhǎng)發(fā)育緩慢甚至停滯[5-6]。毫無疑問，外界氣候和土壤環(huán)境的極端變化對(duì)綠豆的生長(zhǎng)發(fā)育及其代謝過程產(chǎn)生的不利影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有利影響，因此，模擬極端外界氣候和土壤環(huán)境變化，探究綠豆在非生物逆境脅迫下的生長(zhǎng)發(fā)育狀況、物質(zhì)代謝過程以及其應(yīng)對(duì)或適應(yīng)非生物逆境脅迫的生理變化，對(duì)揭開綠豆抗逆生理機(jī)制起著非常重要的作用。

國(guó)內(nèi)外專家研究綠豆對(duì)外界非生物逆境脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制主要集中在以下5 個(gè)方面：一是植株生長(zhǎng)形態(tài)的變化；二是綠豆體內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變；三是體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的改變；四是光合和呼吸作用的變化；五是脯氨酸和可溶性物質(zhì)的積累變化。

1.1 水分脅迫

在非生物逆境脅迫中，水分脅迫是影響植物生長(zhǎng)的重要限制因素，直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量[7]。水分脅迫分為2 種，一種為干旱脅迫，另一種為淹水脅迫，通常采用控水灌溉量方式和PEG-6000 模擬2 種方式來研究水分脅迫對(duì)綠豆生長(zhǎng)發(fā)育的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，綠豆胚根長(zhǎng)度、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、株高、葉綠素含量、根冠比等多個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)干旱脅迫反應(yīng)敏感，隨脅迫程度加劇綠豆發(fā)芽勢(shì)等生長(zhǎng)指標(biāo)呈顯著下降趨勢(shì)[8-12]。王富剛等[12]研究發(fā)現(xiàn)，20%的PEG-6000 濃度脅迫處理對(duì)綠豆種子萌發(fā)期發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、胚根長(zhǎng)等均存在極顯著抑制效應(yīng)；但是段義忠等[9]研究發(fā)現(xiàn)，15%PEG-6000模擬干旱脅迫，綠豆發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、胚芽長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)均呈極顯著下降。這些指標(biāo)出現(xiàn)極顯著差異時(shí)，PEG-6000 處理濃度不同，可能與作物品種抗旱性水平相關(guān)。申慧芳等[2]研究也發(fā)現(xiàn)，在不同程度水分脅迫下不同綠豆品種抗旱性存在差異，抗旱性強(qiáng)的綠豆突變體葉綠素含量減小幅度小。

脯氨酸作為植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在逆境非生物脅迫條件下積累的脯氨酸含量能夠在一定程度上反映植株體內(nèi)的水分狀況，可以作為判斷植株缺水與否的重要衡量指標(biāo)。劉世鵬等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，大明綠豆幼苗在水分脅迫下可以通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，降低水勢(shì)，提高其抗旱能力。尹智超等[15]研究結(jié)果表明，綠豆苗期體內(nèi)SOD 活性、MDA含量、可溶性糖含量對(duì)干旱脅迫處理反應(yīng)無響應(yīng)，PEG-6000 脅迫處理與對(duì)照相比變化無規(guī)律，且各處理之間也無明顯變化。而王富剛等[12]研究發(fā)現(xiàn)，15% PEG-6000 處理時(shí)各品種綠豆種子的SOD、POD、CAT 活性都顯著上升甚至達(dá)到最高水平；當(dāng)PEG-6000 濃度上升到20%時(shí)，各處理的SOD 活性顯著下降，并且不同品種之間存在差異，榆綠1 號(hào)反應(yīng)最為敏感。綠豆苗期氧化系統(tǒng)酶活性和可溶性糖含量對(duì)水分脅迫的響應(yīng)變化以及其敏感性等存在一定分歧，需進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。此外，關(guān)于干旱條件下綠豆開花期、結(jié)莢期生理酶活性變化以及對(duì)光合速率等光合系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。

在小麥、棉花、大豆、玉米等大田主要作物上已大量開展了淹水脅迫對(duì)作物影響的研究，而在綠豆等雜糧作物方面研究報(bào)道相對(duì)較少。張克清等[16]通過研究不同生長(zhǎng)時(shí)期淹水對(duì)綠豆生長(zhǎng)生理以及根系解剖結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，淹水條件下綠豆葉綠素含量、莖葉生長(zhǎng)強(qiáng)度和根系活力呈現(xiàn)顯著下降態(tài)勢(shì)，早期淹水誘導(dǎo)下胚軸部分細(xì)胞解體形成通氣組織，根系孔隙度增加，后期淹水則不會(huì)形成通氣組織，根系孔隙度增加不明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，后期淹水對(duì)其生長(zhǎng)傷害較大。于奇等[17]研究結(jié)果表明，在不同生育時(shí)期淹水脅迫下，綠豆在始花期和始粒期進(jìn)行淹水脅迫會(huì)加劇綠豆SPAD值下降，MDA 含量增加，導(dǎo)致細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度加深。

綠豆在水分脅迫下光合、熒光特性參數(shù)方面的研究鮮見報(bào)道。不同學(xué)者對(duì)生育期內(nèi)氧化系統(tǒng)酶的活性、可溶性糖敏感變化研究結(jié)果存在分歧；同時(shí)，綠豆品種根、莖、葉在干旱脅迫下的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)研究較少，全生育期的綜合抗旱性生理變化尚需深入研究。

1.2 鹽堿脅迫

土壤鹽堿化會(huì)引起植物滲透脅迫并影響作物正常生長(zhǎng)。由于全球氣候的變異以及人類活動(dòng)的逐漸加劇，土壤鹽漬化問題已經(jīng)日趨嚴(yán)重，作物抗鹽性研究已成為熱點(diǎn)。高鹽會(huì)導(dǎo)致作物葉片氣孔關(guān)閉，光合速率降低[18-19]。范美華等[20]研究表明，綠豆在100、300、500 mmol/L NaCl 脅迫處理下種子的發(fā)芽率分別比對(duì)照顯著降低6.59%、17.01%、32.9%，且處理間均出現(xiàn)顯著差異。吳楚等[21]研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫會(huì)使葉綠素酶活性增強(qiáng)，葉綠素合成受到抑制，最終導(dǎo)致葉綠素發(fā)生降解。在水楊酸（SA）浸種對(duì)照條件下，綠豆幼苗各處理的脯氨酸含量隨鹽濃度的升高而增加，綠豆種子發(fā)芽率則隨NaCl 處理濃度的上升而下降。范美華等[20]和陳淑芳[22]的研究結(jié)果均表明，不同程度的NaCl 脅迫均顯著抑制了綠豆種子的萌發(fā)。研究表明，鹽脅迫處理抑制綠豆幼苗根系和芽的生長(zhǎng)，導(dǎo)致植株矮小，根系變短，幼苗葉片的葉綠素含量降低，MDA 與Pro 含量水平顯著上升，細(xì)胞膜的透性增加，從而對(duì)綠豆造成一定程度的氧化傷害[23-25]。

1.3 溫度脅迫

張靜[26]研究發(fā)現(xiàn)，綠豆種子最適萌發(fā)溫度為15～25 ℃，幼苗在25 ℃左右生長(zhǎng)發(fā)育正常，低于20 ℃或高于35 ℃對(duì)綠豆花芽分化不利，綠豆生育后期對(duì)溫度反應(yīng)敏感，溫度達(dá)到35 ℃左右時(shí)會(huì)導(dǎo)致提早成熟，低于20 ℃時(shí)抑制開花結(jié)莢，影響產(chǎn)量。陳旭微等[27-28]采用透射電子顯微鏡觀察10 ℃低溫處理2 d 的綠豆下胚軸細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞受到不同程度的傷害，并且絕大多數(shù)細(xì)胞損傷是可逆的而非致死性的。田學(xué)軍等[29]研究結(jié)果表明，高溫脅迫抑制綠豆下胚軸的生長(zhǎng)發(fā)育，綠豆體內(nèi)脯氨酸和可溶性糖含量隨著脅迫溫度升高而增加，抗壞血酸則隨著溫度升高而降低。這可能導(dǎo)致綠豆清除自由基的能力下降，加劇綠豆的氧化損傷，降低綠豆抵御高溫脅迫誘導(dǎo)的氧化損傷能力，最終影響綠豆正常生長(zhǎng)發(fā)育。溫度脅迫對(duì)綠豆光合作用以及活性氧化酶系統(tǒng)等方面的生理指標(biāo)的影響研究比較少。

1.4 重金屬脅迫

種子發(fā)芽以及幼苗生長(zhǎng)是檢測(cè)土壤環(huán)境污染的重要指標(biāo)[30]。重金屬通過抑制作物細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)，激發(fā)或抑制酶活性，影響蛋白質(zhì)合成，降低光合作用和呼吸作用，傷害細(xì)胞膜系統(tǒng)，引起膜質(zhì)過氧化，導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷[30-32]，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)和發(fā)育。曹勇等[33]研究發(fā)現(xiàn)，10 mg/L 鉛處理后的第4 天和第8 天，綠豆幼苗生長(zhǎng)受到抑制，葉片SPAD 值降低，可溶性蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先增加后顯著下降的變化趨勢(shì)，丙二醛和脯氨酸含量增加。重金屬脅迫處理下，綠豆SOD、POD 等抗氧化酶活性提高，有些酶可以與金屬結(jié)合誘導(dǎo)產(chǎn)生結(jié)合蛋白，降低重金屬毒性[34-35]，蛋白質(zhì)的增加還能夠提高細(xì)胞滲透濃度以及功能蛋白的數(shù)量，維持細(xì)胞的正常代謝活動(dòng)[36]。郝曦煜等[37]研究發(fā)現(xiàn)，以50 mmol/L 的CuSO4、MgSO4、FeSO4溶液在播種期進(jìn)行浸種處理，在分枝期、開花期和成熟期分別進(jìn)行噴施處理均能起到增加葉綠素含量、MDA 含量，提高SOD、POD 活性的作用。Cu2+、Pb2+和Cr6+適量濃度脅迫對(duì)綠豆種子發(fā)芽也有促進(jìn)作用。重金屬脅迫對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)的毒性大于對(duì)種子發(fā)芽的毒性。高濃度脅迫下綠豆根部發(fā)育受阻，甚至畸形。這與一些學(xué)者的研究結(jié)果相一致[38-43]。

2 外源激素調(diào)控對(duì)綠豆抗逆性的影響

外源激素能有效提高作物抗逆能力，減輕作物受害程度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育。IQBAL 等[44]研究認(rèn)為，綠豆在非生物脅迫下引起豆莢非同步成熟，植株倒伏、結(jié)莢率低以及炸莢而造成綠豆產(chǎn)量降低，而外源激素是一種有效措施，可以提高綠豆的抗逆能力，從而提高綠豆產(chǎn)量。范美華等[20]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)濃度的水楊酸（SA）浸種能有效緩解鹽堿脅迫對(duì)綠豆幼苗的傷害，提高其耐鹽性。在相同濃度的NaCl 脅迫處理下，綠豆的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、葉綠素含量和脯氨酸含量均隨著SA 浸種濃度的增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，適宜濃度的SA 能有效提高作物的耐鹽性。王紅星等[45]研究結(jié)果也表明，100 mg/L 的SA 能有效誘導(dǎo)綠豆體內(nèi)抗氧化酶的生成，增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)酶代謝活性，降低綠豆體內(nèi)毒素的積累，減輕非生物脅迫對(duì)綠豆的毒害作用。左官?gòu)?qiáng)等[46]通過在三節(jié)期噴施植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑CGR3-1，發(fā)現(xiàn)其能顯著提高綠豐2 號(hào)綠豆在始花期葉片蔗糖和淀粉含量，并且對(duì)籽粒中脂肪含量有調(diào)節(jié)作用。張偉等[47]研究發(fā)現(xiàn)，在綠豆結(jié)莢時(shí)期葉面噴施30 mg/L 烯效唑（S3307），能顯著提高葉片光合速率和水分利用效率，增加SOD 等抗氧化系統(tǒng)酶活性，綠豆百粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量也顯著增高。劉洋等[48-49]研究表明，鼓粒期噴施烯效唑可提高綠豆植株光合速率以及糖分積累，有效提高綠豆葉片保護(hù)性酶活性。外源激素如赤霉素、矮壯素等改變和提高作物抗逆性的相關(guān)研究也有報(bào)道[50-52]。于奇等[17]噴施烯效唑（S3307）減輕了淹水脅迫下綠豆葉片細(xì)胞膜質(zhì)過氧化作用，提高了始花期和始粒期淹水脅迫下綠豆的葉綠素含量、光合性能以及單株產(chǎn)量。因此，可以根據(jù)綠豆不同逆境脅迫因素、不同發(fā)育時(shí)期等選擇適合的外源激素進(jìn)行相應(yīng)處理[53-54]，緩解逆境脅迫對(duì)綠豆生長(zhǎng)發(fā)育的影響，提高其產(chǎn)量。

3 物理輻射脅迫對(duì)綠豆抗逆性的影響

3.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)脅迫是影響植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要因素。有研究表明，植物種子經(jīng)過一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)處理后，其幼苗生長(zhǎng)發(fā)育代謝過程也會(huì)受到明顯影響[55-57]。王紅梅[58]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6 T 時(shí)，綠豆種子的發(fā)光強(qiáng)度以及POD 活性達(dá)到最高值，但隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度提高，種子的發(fā)光強(qiáng)度和POD 活性均下降。這表明外界磁場(chǎng)影響作物對(duì)光能的吸收與利用，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加甚至引起發(fā)光抑制。

3.2 UV-B 輻射

臭氧濃度降低導(dǎo)致越來越多UV-B 輻射直達(dá)地表，學(xué)者已經(jīng)開始研究增多的UV-B 輻射對(duì)作物的影響[59]。UV-B 輻射對(duì)作物的影響與作物體內(nèi)核酸和蛋白質(zhì)吸收UV-B 多少有關(guān)[60]。賀軍民等[61-62]研究發(fā)現(xiàn)，0.35 W/m2的UV-B 輻射下綠豆幼苗凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間隙CO2濃度和Rubisco 含量均明顯降低。楊美紅等[63]研究表明，在3 000×g、4 h 超重力處理下綠豆體內(nèi)游離脯氨酸含量顯著提高，MDA 含量降低，SOD 活性增強(qiáng)，這提高了綠豆幼苗的抗鹽性，但隨超重力處理加大，綠豆發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，游離脯氨酸含量以及SOD 活性降低，綠豆生長(zhǎng)受到抑制。

4 抗逆基因調(diào)控

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用多種類型的分子標(biāo)記方法（RFLP、RAPD、AFLP、SNP、SSR 等）構(gòu)建了大概20 張綠豆遺傳圖譜，我國(guó)眾多專家學(xué)者在學(xué)習(xí)、借鑒國(guó)外綠豆研究進(jìn)展的同時(shí)也開展了綠豆遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建工作。趙丹等[64-65]、吳傳書等[66]、WANG 等[67]、NAIR 等[68]構(gòu)建了多張具有遺傳連鎖群的綠豆遺傳圖譜，但尚未發(fā)布綠豆全染色體連鎖群的圖譜。劉震旦等[69]根據(jù)已構(gòu)建的遺傳圖譜開展了對(duì)綠豆重要功能基因的定位和克隆以及數(shù)量性狀位點(diǎn)定位等研究工作。在綠豆的育種、分子遺傳研究以及基于綠豆遺傳連鎖圖的綠豆抗豆象研究等方面取得了重要進(jìn)展[69]。KHAN[70]指出，單一指標(biāo)對(duì)作物抗逆性鑒定具有片面性，并且不同的作物適應(yīng)逆境的方式也大不相同，應(yīng)利用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。葉衛(wèi)軍[71]研究發(fā)現(xiàn)，綠豆抗旱性、耐鹽性、抗蟲性等大多數(shù)抗逆性重要的性狀都表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳，受多基因控制，遺傳基礎(chǔ)十分復(fù)雜并且較易受環(huán)境影響，相關(guān)位點(diǎn)的鑒定和克隆也比較困難。但是，大量已知序列信息將有助于SSR、SNP 等標(biāo)記的開發(fā)，能夠?yàn)殚_展構(gòu)建高密度連鎖圖譜和定位基因等研究工作提供有力幫助，并且選育和利用抗性品種是降低非生物逆境脅迫最經(jīng)濟(jì)、安全、有效的措施，這就愈發(fā)凸顯發(fā)掘和鑒定抗性資源和抗性基因的重要性。

5 結(jié)論

綠豆在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，隨時(shí)會(huì)面臨干旱、寒冷、高溫、鹽堿、重金屬污染等多種非生物逆境脅迫，眾多學(xué)者已對(duì)其在非生物脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了大量研究，例如：生長(zhǎng)指標(biāo)發(fā)芽率、株高、莖粗、葉面積以及氧化系統(tǒng)和滲透系統(tǒng)酶類物質(zhì)活性指標(biāo)。但是這些研究多僅限于綠豆苗期，全生育期的相關(guān)研究較少，今后應(yīng)繼續(xù)深入研究苗期、花莢期和成熟期等多個(gè)不同生育期各項(xiàng)生理生長(zhǎng)指標(biāo)以及產(chǎn)量指標(biāo)對(duì)非生物逆境脅迫的綜合響應(yīng)。同時(shí)，研究綠豆在非生物逆境脅迫條件下的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，挖掘綠豆逆境相關(guān)基因以及逆境信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制，以期篩選得到具有特定抗性基因標(biāo)記的綠豆植株個(gè)體，例如：耐寒綠豆、抗旱綠豆等，為綠豆抗逆分子育種及擴(kuò)大其種植區(qū)域提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。