陳柯霖,杜昊軒,李昕,吳曉琳,潘美晴,尹冬梅,倪迪安,欒東濤,張志國(guó)

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院,上海 201418)

萱草(Hemerocallis)又名忘憂(yōu)草，是國(guó)際公認(rèn)的三大多年生宿根花卉之一。根據(jù)最新2016年APG IV 分類(lèi)系統(tǒng),其隸屬于阿?；?Asphodelaceae)萱草亞科(subfam.Hemerocallidoideae)的萱草屬。萱草屬植物分布范圍廣，主要分布于東亞及西伯利亞地區(qū)，中國(guó)是世界萱草屬植物的自然分布中心，有11種，分布最廣的是萱草(H.fulva)，除了我國(guó)北方少數(shù)地區(qū)，其余各省份均有野生分布。北黃花菜(H.lilioasphodelus)、小黃花菜(H.minor)、北萱草(H.esculenta)、大花萱草(H.middendorffii)、小萱草(H.dumortieri)主要分布于我國(guó)北方、蒙古、俄羅斯遠(yuǎn)東、日本本州與北海道及朝鮮半島等地區(qū)。黃花菜(H.citrina)、西南萱草(H.forrestii)、折葉萱草(H.plicata)、矮萱草(H.nana)則主要分布于我國(guó)南方地區(qū)，更適應(yīng)亞洲亞熱帶氣候[1]。

萱草具有花色豐富、花期較長(zhǎng)、株型挺拔、抗性強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，在園林應(yīng)用中具有花叢點(diǎn)綴、花鏡鑲嵌、適合叢植片植、可以盆栽觀賞等功能，廣泛用于家庭養(yǎng)花、庭院綠化、公園綠化、道路綠化、城鄉(xiāng)綠化、農(nóng)業(yè)觀光等方面，也作為藥物使用。迄今為止，已從萱草屬植物中分離并鑒定了黃酮類(lèi)、生物堿、萜類(lèi)、蒽醌類(lèi)等藥用成分[2]。萱草花作為藥物具有抗氧化[3]、抗菌[4]、抗腫瘤[5]和改善睡眠[6]的作用。由于萱草花富含金絲桃苷[7]，其也是一種很有前途的抗抑郁藥物[8]。隨著市場(chǎng)消費(fèi)者對(duì)健康天然消費(fèi)的訴求日益提高，萱草的精深加工價(jià)值正在逐步彰顯，可用于草香料、精油、化妝品等深加工產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊。

近年由于氣候變化導(dǎo)致的極端天氣加劇了非生物脅迫對(duì)植物的影響，如干旱、熱、寒冷、營(yíng)養(yǎng)缺乏及土壤重鹽或有毒金屬[9]。其中干旱、鹽和溫度脅迫是影響自然界植物地理分布、限制植物生產(chǎn)、威脅植物安全的主要環(huán)境因素[10]。這些非生物脅迫輕則對(duì)植物產(chǎn)生不良影響，重則導(dǎo)致植物死亡[11]。萱草作為園林觀賞花卉，易受各種脅迫的威脅: 夏季高溫以及隨之而來(lái)的干旱、冬季的低溫、雨季時(shí)低洼地區(qū)積水產(chǎn)生澇漬等等，在這種不斷變化的環(huán)境中，往往不利于萱草生長(zhǎng)和發(fā)育。

植物在面對(duì)脅迫時(shí)會(huì)發(fā)生表型和生理生化指標(biāo)的變化，這些變化與差異是判斷植物抗逆性的重要指標(biāo)[12]。在脅迫期間，植物由于光合作用與呼吸作用的變化使得細(xì)胞內(nèi)電子傳遞鏈解偶聯(lián)從而產(chǎn)生過(guò)量的超氧陰離子自由基(O2-˙)、過(guò)氧化氫(H2O2)、羥基自由基(?OH)等活性氧(ROS)[13]。當(dāng)植物處于正常生長(zhǎng)條件時(shí)，細(xì)胞器內(nèi)的ROS 水平較低。植物通過(guò)抗氧化機(jī)制，該機(jī)制由酶和非酶成分組成，可以平衡ROS 的合成和清除，防止細(xì)胞損傷[14–16]。然而，在逆境應(yīng)激時(shí)期，由于細(xì)胞水勢(shì)的干擾，細(xì)胞內(nèi)ROS 的穩(wěn)態(tài)遭到破壞[17–19]。無(wú)法處理的氧自由基使蛋白質(zhì)和脂質(zhì)過(guò)氧化，導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡[20]。植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)包括：超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)和過(guò)氧化物酶(POX)等[21]。這些酶參與了細(xì)胞內(nèi)ROS 的清除，保護(hù)了胞內(nèi)的膜穩(wěn)定性，可作為植物抗逆性的重要指標(biāo)。由于脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)可產(chǎn)生MDA，因此MDA 也可以用作反映植物抗逆性的指標(biāo)[22]。

在脅迫過(guò)程中，植物還可以通過(guò)積累一些有機(jī)物或無(wú)機(jī)物來(lái)提高細(xì)胞內(nèi)的溶液濃度，從而降低細(xì)胞內(nèi)滲透勢(shì)來(lái)維持細(xì)胞與組織間的水分平衡，保護(hù)細(xì)胞膜的完整性[23]。脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白(SP)以及可溶性糖(SS)是植物主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可作為植物抗逆性的指標(biāo)。但不同植物在應(yīng)對(duì)非生物脅迫時(shí)，所選擇積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是有差異的,具有更強(qiáng)抗逆性的植物能夠積累更多滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。

光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的關(guān)鍵,根據(jù)非生物脅迫程度與方式的不同，植物出現(xiàn)調(diào)控氣孔開(kāi)合，葉綠素結(jié)構(gòu)改變等現(xiàn)象[24],葉綠素(Chl)含量、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等[12]都可作為植物抗逆性的指標(biāo)。植物非生物脅迫研究表明，植物可通過(guò)分子層面的信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)體內(nèi)相應(yīng)非生物脅迫的基因與蛋白進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而改變自身的表型與生理生化水平來(lái)應(yīng)對(duì)各種脅迫威脅[25]。本文從形態(tài)學(xué)、生理生化、轉(zhuǎn)錄調(diào)控等角度對(duì)萱草應(yīng)答非生物脅迫的機(jī)制進(jìn)行綜述，為提升萱草抗逆能力與分子育種提供理論基礎(chǔ)。

1 干旱脅迫的影響

1.1 對(duì)形態(tài)特征的影響

在干旱條件下，植物的生物量、株高和根冠比等生長(zhǎng)指數(shù)都下降[26–27]，同時(shí)，側(cè)根數(shù)量將增加。這種碳分配的變化可以確保在干旱狀態(tài)下地上生物量的相對(duì)減少，從而減少在蒸騰作用中流失的水分，而側(cè)根的生長(zhǎng)可以增加植物和土壤之間的接觸面積，可以更好地利用土壤中的水分[28]。常綠萱草(H.aurantiaca)在干旱脅迫下總?cè)~數(shù)與葉面積持續(xù)下降，生物量也在干旱處理25 d 后下降了38.28%，主根的生長(zhǎng)受到明顯抑制，側(cè)根數(shù)量在干旱15 d 后增加了10.75%[29]，這些形態(tài)特征的變化都有利于常綠萱草抗旱性的提升。

1.2 對(duì)生理指標(biāo)的影響

干旱引起植物體內(nèi)滲透壓的增加形成滲透脅迫[30]，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的水分流失，植物通過(guò)積累Ca2+、纈氨酸、甘露醇、甜菜堿、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)滲透平衡，防止?jié)B透脅迫造成的損傷[31–32]。賈民隆等[33]對(duì)20 個(gè)萱草品系的耐旱研究表明，葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨著干旱脅迫程度的提升而提高，葉片相對(duì)電導(dǎo)率反映了細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)滲透的情況，萱草耐旱性與電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)，其中以引自山西省晉中市左權(quán)縣的‘左權(quán)1 號(hào)’萱草抗旱性最強(qiáng)。

干旱脅迫下，植物葉片氣孔關(guān)閉，以減少水分蒸騰。李昊[34]對(duì)萱草149 個(gè)品種的葉表面溫度進(jìn)行測(cè)定，初步篩選出4 個(gè)耐干旱和4 個(gè)不耐干旱萱草品種，且研究表明萱草的抗旱性與氣孔導(dǎo)度和氣孔密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中以‘猛子花’品種的抗旱性最好。萱草的葉綠素含量隨著干旱處理時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降，同時(shí)MDA 含量與處理時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明干旱脅迫下萱草的光合作用受阻，且ROS 增加導(dǎo)致膜系統(tǒng)持續(xù)受損[35–36]。

1.3 激素可提高萱草抗旱性

植物可通過(guò)改變內(nèi)源激素含量的分泌來(lái)響應(yīng)干旱脅迫[37]，脫落酸(ABA)是主要參與者[38]。曹冬梅等[39]報(bào)道外源茉莉酸甲酯(MeJA)可以增加光合色素含量，緩解干旱脅迫下光合系統(tǒng)發(fā)生的光抑制現(xiàn)象，從而提高萱草的抗旱性。廖偉彪等[40]研究了ABA 與過(guò)氧化氫(H2O2)對(duì)萱草抗旱性的影響，認(rèn)為ABA 與H2O2處理都能提高萱草的抗旱性。

2 澇漬脅迫的影響

我國(guó)南方地區(qū)由于地下水位偏高、夏季梅雨季節(jié)降雨量多使得土壤水分過(guò)高，澇害頻發(fā)。由于土壤供氧不足而產(chǎn)生的低氧澇害，嚴(yán)重影響植物生理代謝以及生長(zhǎng)發(fā)育，甚至導(dǎo)致植株死亡。澇漬脅迫是導(dǎo)致生產(chǎn)中萱草品質(zhì)低下和損耗的危害之一，已成為萱草規(guī)?；a(chǎn)和拓展其園林應(yīng)用的瓶頸[41]。

2.1 對(duì)形態(tài)與光合生理指標(biāo)的影響

正常環(huán)境下植物通過(guò)根系吸收水分與葉片蒸騰作用，協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)正常生長(zhǎng)。在澇漬過(guò)程中，萱草在經(jīng)歷水淹處理后，葉片出現(xiàn)黃化干枯現(xiàn)象，根系呼吸受到抑制，有害物質(zhì)積累[42]，葉片氣孔關(guān)閉、葉綠體降解、發(fā)生衰老和黃化降低了葉片捕獲光的能力，最終導(dǎo)致光合速率下降[43–44]。萱草耐澇品種‘健壯利蘭’在脅迫處理后比不耐澇品種具有更高的氣孔導(dǎo)度與凈光合速率，從而保持了較高的光合性能[45–46]。

淹水去除了土壤孔隙中的空氣，導(dǎo)致土壤和大氣之間的氣體交換受阻；同時(shí)，氧氣在水中的擴(kuò)散速率僅為空氣中的一萬(wàn)分之一。因此，浸水土壤中植物對(duì)氧氣的利用受到極大的限制，導(dǎo)致根系呼吸受到抑制，根系活性降低[47]。為了應(yīng)對(duì)這種缺氧脅迫，乙烯介導(dǎo)下植物通過(guò)葉片和莖的快速生長(zhǎng)來(lái)逃離澇漬環(huán)境，同時(shí)也形成不定根與通氣組織幫助植物受損根系獲取氧氣，減少乙醇發(fā)酵帶來(lái)的損傷,通氣組織的形成還有利于有害氣體的排放[48–49]。萱草在澇漬脅迫后有氣生根的形成，少部分根尖發(fā)生膨大軟化，但有關(guān)通氣組織形成還未見(jiàn)報(bào)道[50]。

2.2 對(duì)生理指標(biāo)的影響

在澇漬引起的缺氧環(huán)境下，植物通過(guò)糖酵解和乙醇發(fā)酵在一定程度上暫時(shí)維持能量生產(chǎn)，乙醇脫氫酶(ADH)與丙酮酸脫羧酶(PDC)在乙醇發(fā)酵中起重要作用。然而，隨著澇漬時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)氧呼吸導(dǎo)致乳酸、乙醇、醛等有毒代謝物的積累，同時(shí)ROS也增加，特別是H2O2，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡和植物衰老[51–52]。具有較強(qiáng)耐澇性的‘金娃娃’、‘瑪麗里德’和‘布奇’的SOD 與CAT 活性與處理時(shí)間呈正相關(guān)，不耐澇品種比耐澇品種的MDA 含量高，說(shuō)明SOD、CAT 和MDA 這些抗氧化酶和氧化產(chǎn)物在萱草中可作為抗逆性指標(biāo)[41,50,53]。ADH 在脅迫后活性上升明顯，說(shuō)明萱草能夠迅速啟用乙醇發(fā)酵途經(jīng)維持能量，但PDC 活性隨處理時(shí)間呈先下降后上升的趨勢(shì)[45,52]，可能是由于短期內(nèi)PDC 催化丙酮酸脫羧生成乙醛過(guò)量導(dǎo)致反饋抑制。

2.3 萱草響應(yīng)澇漬脅迫的分子機(jī)制探討

AP2/ERF (APETALA2/ethylene responsive factor)轉(zhuǎn)錄因子在植物應(yīng)對(duì)澇漬脅迫時(shí)具有重要作用，該轉(zhuǎn)錄因子家族中隸屬ERF-VII 亞組的AP2/ERFs 是調(diào)控植物抵御澇漬或低氧脅迫的重要因子[54]。ERFVII 亞組的AP2/ERFs 普遍具有N 端不穩(wěn)定的特征，澇漬脅迫下產(chǎn)生的低氧環(huán)境使依賴(lài)氧的N 端進(jìn)行降解，傳遞缺氧信號(hào)。水稻(Oryza sativa)中ERF-VII亞組的ERF66和ERF67過(guò)表達(dá)導(dǎo)致無(wú)氧呼吸基因的激活，增強(qiáng)水稻耐澇性[55]。擬南芥(Arabidopsis thaliana)中，ERF-VII 的ERF74 (RAP2.2)和ERF75(RAP2.12)可以激活RbohD-ROS (呼吸爆發(fā)氧化酶同系物D-活性氧)信號(hào)通路幫助植株抵御澇漬，同亞族的ERF72 (RAP2.3)參與了對(duì)ERF74和ERF75的誘導(dǎo)[48,56]。董婷婷等[54]總結(jié)了AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子參與響應(yīng)植物澇漬脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，并從萱草響應(yīng)澇漬脅迫的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中分析鑒定出27 條完整的AP2/ERF 基因序列，qRT-PCR 表明HfRAV2的表達(dá)量在澇漬脅迫24 h 明顯上調(diào)，說(shuō)明該基因參與了響應(yīng)萱草澇漬脅迫過(guò)程。

3 鹽脅迫的影響

鹽脅迫下，植物的種子萌發(fā)、根長(zhǎng)、株高和果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育受到顯著抑制[57]。滲透脅迫是植物種植在鹽土中經(jīng)歷的第1 次脅迫，且立即影響植物的生長(zhǎng)[58]。當(dāng)鹽水平達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，通過(guò)大量Na+流入引起植物細(xì)胞的離子毒性[59]，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)離子失衡，對(duì)胞質(zhì)酶活性、光合作用和代謝都產(chǎn)生不利影響[59–61]。離子毒性和滲透脅迫可引起氧化應(yīng)激和一系列次級(jí)應(yīng)激。應(yīng)激信號(hào)傳遞到細(xì)胞后，多個(gè)次級(jí)信號(hào)被激活，細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平瞬間升高，從而觸發(fā)磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，并作用于參與細(xì)胞防御或轉(zhuǎn)錄調(diào)控的蛋白質(zhì)使植物逐漸適應(yīng)脅迫[62]。

3.1 對(duì)形態(tài)特征與生理指標(biāo)的影響

鹽脅迫下大花萱草(H.hybrida)和‘玫瑰紅’的葉片寬而厚，氣孔面積大，密度小，減少了葉片的水分蒸騰作用，根系則呈現(xiàn)生長(zhǎng)量下降趨勢(shì)[63]。鹽脅迫抑制了植物的光合作用，但并不是由于氣孔因素或葉綠素含量降低導(dǎo)致的，而是由于葉肉細(xì)胞內(nèi)滲透脅迫與離子毒性造成的[64]。隨著鹽脅迫程度的加深與脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，萱草葉片細(xì)胞的Na+含量、細(xì)胞膜透性均呈上升趨勢(shì)，游離脯氨酸與可溶性糖含量也呈上升趨勢(shì)，以保證細(xì)胞的穩(wěn)定性[65–66]。萱草葉片的MDA 含量也隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而上升,這說(shuō)明鹽脅迫下萱草細(xì)胞內(nèi)ROS 的穩(wěn)態(tài)也遭到破壞[63,67]。

3.2 萱草響應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制探討

對(duì)海水處理下的萱草根部進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果表明WRKY 與bHLH 轉(zhuǎn)錄因子家族響應(yīng)了海水脅迫[68–69]，極有可能參與響應(yīng)萱草抗鹽功能基因的表達(dá)。萱草乙二醛酶基因HfGlXI-1響應(yīng)鹽脅迫時(shí)的表達(dá)量呈上調(diào)趨勢(shì)，乙二醛酶活性較高時(shí)，萱草耐鹽性較強(qiáng)[70]。

研究表明，埃及小扁豆(Lens culinaris)經(jīng)高鹽(250 mmol/L)處理24 h 后，LcADH基因的相對(duì)表達(dá)量顯著上調(diào)[71]。煙草(Nicotiana tabacum)中Sysr1響應(yīng)鹽脅迫上調(diào)顯著，過(guò)表達(dá)Sysr1煙草具有更強(qiáng)的耐鹽性[72]。鹽脅迫時(shí)ADH 主要在根中表達(dá)，玉米(Zea mays)幼苗在高鹽脅迫下，根中ADH 活性是嫩梢的2 倍。低濃度(100 mmol/L)和高濃度(300、400 mmol/L)鹽脅迫下，ADH基因表達(dá)量不同，水稻體內(nèi)的OsADH3對(duì)高鹽脅迫更加敏感[73]。二倍體萱草‘秋紅’用海水連續(xù)處理72 h，從根篩選出差異表達(dá)明顯的ADH基因11 個(gè)(HfADH1～HfADH11),qRT-PCR 分析表明HfADH01基因的表達(dá)量隨處理時(shí)間呈升高-降低-升高的變化趨勢(shì),說(shuō)明該基因?qū)娌蓓憫?yīng)海水脅迫具有重要的調(diào)控作用[69]。

4 溫度脅迫的影響

高溫脅迫導(dǎo)致植株葉片衰老和脫落、芽和根生長(zhǎng)抑制、果實(shí)變色和損傷，嚴(yán)重時(shí)植物可能在短時(shí)間內(nèi)死亡[74]。低溫(LT)脅迫包括低溫(0 ℃～10 ℃)和冷凍(<4 ℃)，影響著植物的生長(zhǎng)和地理分布[75]。

4.1 高溫脅迫對(duì)形態(tài)學(xué)特征的影響

目前萱草響應(yīng)高溫脅迫的研究主要集中在表型與生理生化方面。趙天榮等[76]建立了萱草高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)，長(zhǎng)期高溫造成大花萱草葉片焦枯，耐高溫的萱草品種僅葉尖出現(xiàn)焦黃，但不耐高溫品種的焦黃程度則延伸到葉基，同時(shí)開(kāi)花量減少，花期變短，部分材料花序失水下垂。朱華芳等[77]研究表明，溫度從25 ℃升至38 ℃，在光/暗18 h/6 h 條件下,耐熱的‘健壯利蘭’與不耐熱的‘海爾范’萱草皆在3 d 后出現(xiàn)葉片黃化萎蔫，6 d 時(shí)‘海爾范’表現(xiàn)出更明顯的脅迫癥狀，耐熱萱草品種的葉片含水量較不耐熱品種具有更好的保水能力，可作為萱草品種耐熱性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2 溫度脅迫對(duì)生理指標(biāo)的影響

在亞細(xì)胞水平上，光合作用是對(duì)高溫最敏感的生理過(guò)程之一。高溫可以通過(guò)改變?nèi)~綠體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滅活二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶、減少光合色素的豐度、破壞光系統(tǒng)II 來(lái)快速抑制光合作用[78]。此外，過(guò)量的ROS 積累，導(dǎo)致氧化應(yīng)激和細(xì)胞死亡[79]。高溫脅迫期間，萱草可溶性蛋白與脯氨酸含量顯著升高，幫助萱草調(diào)節(jié)滲透壓，抗氧化酶系統(tǒng)中SOD 先于APX 發(fā)揮活性氧清除作用，光和參數(shù)Pn、Gs、Tr、Ci均顯著下降[44,77]。

低溫脅迫下，電導(dǎo)率隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，耐寒性越強(qiáng)的萱草，如‘紅寶石’和‘紅運(yùn)’，電導(dǎo)率變化越小，但游離的脯氨酸含量呈先下降再上升的趨勢(shì)[80–81]，這可能是最初植物采用其他可溶性物質(zhì)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)。

4.3 響應(yīng)低溫脅迫的分子機(jī)制探討

黃東梅等[82]對(duì)低溫脅迫下的萱草轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從葉片中篩選出差異表達(dá)基因2 457 個(gè)，在次生代謝產(chǎn)物的生物合成、激素信號(hào)傳導(dǎo)等代謝途徑中發(fā)揮作用，如ABCF5、OFPs和SWEETs。SWEETs已被證明在多種植物中響應(yīng)低溫脅迫，西瓜(Citrullus lanatus)中的SWEET1、SWEET10和SWEET18經(jīng)低溫處理24 h 后表達(dá)量顯著上升[83]。耐低溫的櫻李梅(Prunus×blireana)中SWEET2、SWEET3、SWEET4、SWEET10表達(dá)量顯著高于不耐低溫品種[84]。在萱草的根與莖中，差異表達(dá)基因的數(shù)量則高達(dá)6 153 個(gè)。低溫脅迫在一定程度上可能誘導(dǎo)了類(lèi)黃酮的積累,同時(shí)低溫也刺激植物體內(nèi)Ca2+信號(hào)通路的變化，推測(cè)HSP90可能是萱草響應(yīng)低溫脅迫的重要候選基因[85]。低溫可以誘導(dǎo)巴西橡膠樹(shù)(Hevea brasiliensis)中HbHsp70的上調(diào)表達(dá)[86]。

萱草中3 個(gè)蔗糖轉(zhuǎn)化酶基因HfCIN3、HfCWIN1和HfVIN1都響應(yīng)了低溫脅迫，但存在亞細(xì)胞定位差異，HfCIN3定位于葉綠體，HfCWIN1定位于細(xì)胞壁，HfCWIN1定位于液泡。HfCIN3的表達(dá)峰值出現(xiàn)在5 ℃，其他2 個(gè)基因的表達(dá)峰值出現(xiàn)在0 ℃[87]。萱草糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因HfSWEET2與HfSWEET17也響應(yīng)了低溫脅迫，其中過(guò)表達(dá)HfSWEET17的煙草葉面積明顯大于野生型煙草，具有更好的抗寒能力[88]。有研究表明，microRNA 響應(yīng)了萱草低溫脅迫，通過(guò)提高miR393、miR397、miR396的表達(dá),降低miR391的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)其抗寒性[89]。

5 重金屬脅迫對(duì)萱草的影響

重金屬污染主要包括銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)和鉻(Cr)的污染，主要由城市交通與工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生，其他重金屬在城市土壤的富集并不明顯,這是由于城市不同區(qū)域功能規(guī)劃不同造成的[90]。研究表明，重金屬在植物中激活不同的信號(hào)通路，如鈣依賴(lài)性蛋白激酶(CDPK)信號(hào)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)、ROS 信號(hào)和激素信號(hào)，從而增強(qiáng)TFs 和應(yīng)激反應(yīng)基因的表達(dá)[91–92]。水稻OsZIP5和OsZIP9在Zn、Cd 脅迫下協(xié)同作用，吸收Z(yǔ)n、Cd進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[93]。OsZIP1則在Zn、Cu 和Cd 誘導(dǎo)下，將金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外[94]。OsGSTU30 同時(shí)具有谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(GST)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPx)的活性，在Cr、砷(As)脅迫中起正向調(diào)控作用[95]。OsMSR3通過(guò)抗氧化防御機(jī)制的激活，提高植物對(duì)Cu 脅迫的耐受性[96]。目前萱草響應(yīng)重金屬脅迫的研究剛剛起步，未見(jiàn)分子層面的研究報(bào)道,多為生理生化研究。

5.1 重金屬脅迫對(duì)形態(tài)學(xué)特征與生理指標(biāo)的影響

植物受到重金屬脅迫時(shí)，最重要的反饋機(jī)制是ROS 的產(chǎn)生。大多數(shù)重金屬脅迫導(dǎo)致葉綠體、線(xiàn)粒體和過(guò)氧化物酶體中持續(xù)產(chǎn)生ROS，從而導(dǎo)致植物的氧化應(yīng)激[97]。重金屬脅迫往往使植物的氣孔關(guān)閉，抑制電子傳遞鏈[98]和植物代謝[99]。單Cd 與Cu-Cd復(fù)合處理下萱草植株高度和生物量下降,SOD活性增加，隨脅迫強(qiáng)度的增加，SOD 活性逐漸下降,POD 活性隨Cu-Cd 復(fù)合含量的增加逐漸上升，SOD先于POD 發(fā)揮活性氧清除作用。大花萱草葉片葉綠素含量隨Cu-Cd 復(fù)合含量的增加而降低，而‘金娃娃’的葉綠素含量持續(xù)降低，2 種萱草的凈光合速率和蒸騰速率均呈雙峰曲線(xiàn)型[100–101]，大花萱草具有更好的抵御Cu-Cd 復(fù)合脅迫的能力。

5.2 萱草對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)

萱草可用于土壤重金屬污染的修復(fù)，在面對(duì)低濃度單一重金屬污染時(shí)，萱草對(duì)土壤中Cd、Pb、Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)效率提高了，其中對(duì)Pb 的修復(fù)能力最強(qiáng),對(duì)Zn 的修復(fù)能力最弱[102]。面對(duì)Cd、Pb、Zn 復(fù)合脅迫時(shí)，隨重金屬污染濃度的上升，萱草葉片對(duì)Cd、Pb、Zn 的富集系數(shù)雖呈下降趨勢(shì)，但仍可用于復(fù)合污染土壤的修復(fù)[103]。外源檸檬酸可有效提高萱草對(duì)Cd 污染土壤的修復(fù)效率[104]。研究表明，褪黑激素(MT)、表油菜素內(nèi)酯(EBL)和茉莉酸(JA)的添加可顯著提高水稻幼苗和地下部位POD和CAT活性，降低Cd 含量[105]。這表明外源激素可以緩解Cd 對(duì)植物的脅迫。通過(guò)亞細(xì)胞定位與化學(xué)形態(tài)分析，李紅婷等[106]報(bào)道萱草中Cd 主要以無(wú)機(jī)鹽、氨基酸鹽等可溶性鹽的形態(tài)存在；Pb 主要以金屬磷酸鹽沉淀的形態(tài)存在。Pb 主要分布在萱草液泡及細(xì)胞可溶性部分中；Cd 在細(xì)胞壁部分含量最多。

6 展望

非生物脅迫嚴(yán)重影響萱草的生長(zhǎng)發(fā)育，降低觀賞、藥用品質(zhì)。研究表明，萱草不同品種具有應(yīng)對(duì)多種非生物脅迫的抗逆性，如‘左權(quán)1 號(hào)’和‘猛子花’等具有抗旱性[29,33–36,39–40]；‘健壯利蘭’、‘金娃娃’、‘瑪麗里德’和‘布奇’等具有抗?jié)衬芰41,44–45,49,53–54];大花萱草和‘玫瑰紅’等具有抗鹽能力[63–70]；‘健壯利蘭’可抗高溫[44,76–77]；‘紅寶石’和‘紅運(yùn)’可抗低溫[80–82,85,87–88]。目前，萱草響應(yīng)非生物脅迫的研究基本是針對(duì)單一脅迫，且試驗(yàn)樣本來(lái)源多數(shù)不詳,這不利于篩選與繁育適應(yīng)多種脅迫的優(yōu)良萱草品種。同時(shí)，萱草作為潛在抗抑郁藥用植物，其藥用成分具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但不同地區(qū)不同脅迫環(huán)境下的藥用成分代謝差異至今未見(jiàn)研究，或可作為未來(lái)萱草的重點(diǎn)研究方向。在種質(zhì)繁育技術(shù)方面，通過(guò)雜交育種的方式可培育具有較強(qiáng)抗逆能力的萱草品種，但所需時(shí)間和人力成本較大，分子育種或可解決這個(gè)問(wèn)題。但在分子層面萱草響應(yīng)非生物脅迫的研究較少，組織培養(yǎng)的快速繁殖體系也不完善，這些理論與技術(shù)問(wèn)題制約了萱草抗逆分子育種，研究萱草抗逆相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與利用生物技術(shù)進(jìn)行復(fù)合抗性分子育種也將是未來(lái)的研究方向。本文對(duì)現(xiàn)有萱草非生物脅迫研究進(jìn)行了歸納整理，為萱草提高抗逆性研究，培育優(yōu)良萱草抗逆品種提供理論參考。