植物抗旱的生理滲透調節及保護酶活性研究進展

王晶懋 張楚涵 閆慶偉 王艷彬 陳雅君

(東北農業大學 園藝學院，哈爾濱 150030)

1 引言

干旱是限制植物生長發育和產量提高的重要因素，也是一個長期存在的全球性難題。當今全球有1/3以上的土地處于干旱和半干旱地區，其他地區在植物生長季節也常發生不同程度的干旱[1]。干旱導致植物處于低滲透勢環境，在一定范圍內，其細胞可通過積累各種有機物和無機物，以提高細胞液濃度，降低滲透勢，使植物保持水分以適應干旱脅迫，這種調節作用稱為滲透調節(Osmotic Adjustment)。植物細胞內滲透勢的變化由決定它的滲透調節物質所控制，植物積累這些物質的能力反映了植物滲透調節的能力，從而反映了植物的抗旱能力[2]。植物在干旱脅迫下容易造成植物細胞膜系統受到破壞，它能干擾植物細胞中活性氧產生與清除之間的平衡，導致植物遭受氧化脅迫[3]。植物細胞內有防御活性氧毒害的保護酶系統，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)[4]，它們的協調作用可以清除過剩的氧自由基，防止細胞受到傷害[5]。

干旱脅迫對植物滲透調節及保護酶活性的影響是植物生理學研究的重要課題之一，在干旱脅迫下植物滲透調節與保護酶的研究為揭示植物抗旱性能和培育新的抗旱品種提供了理論指導意義。

2 干旱脅迫對植物生理滲透調節的影響

2.1 干旱脅迫下植物滲透調節的變化

滲透調節是植物適應干旱脅迫的主要生理機制，通常用干旱脅迫前后的飽和滲透勢差反映。滲透調節的最初細胞效應是降低了細胞內束縛水的自由能，維持了細胞內外的水勢差，使細胞能在更低的外界水勢條件下吸水，從而維持細胞生長所需的膨壓，滲透調節對植物在中輕度水分虧缺條件下生長是十分有益的[6]。干旱脅迫愈重，滲透調節作用愈強；滲透調節作用在干旱脅迫結束后逐漸喪失。

目前已知許多木本和草本植物具有滲透調節能力，但不同植物及其品種滲透調節能力的大小不同，參與滲透調節的物質種類也不同。據研究，干旱脅迫下許多植物的滲透勢會降低，滲透調節能力有提高的趨勢[7]。但也有人認為，木本植物沒有或只有很小的滲透調節能力，滲透調節的幅度也很有限，且常常在幾天內消失，但是草本植物的滲透調節能力在一定干旱脅迫范圍內，隨干旱程度的加強而增強。

Bingru Huang等在研究干旱脅迫對不同高羊茅栽培種的形態、解剖、生理特性上的影響時發現，由于土壤水分缺乏，高羊茅栽培種的根水勢與根膨壓降低，導致了根皮細胞的皺縮，而使根細胞的電解質外滲量增加。高寧對紫羊茅和多年生黑麥草的研究表明：在不同程度的干旱條件下，隨脅迫的加重，兩個槽中的滲透勢均為無脅迫(對照)>輕度脅迫>中度脅迫>嚴重脅迫。在恢復澆灌后第3d飽和滲透勢接近對照的水平。Perdomo等對草地早熟禾的研究也得到相似的結果：抗旱性強的品系Midnight和抗旱性弱的品系Nugget其滲透勢在輕度脅迫條件下，分別為-1.86MPa和-1.69MPa；在中度脅迫條件下，分別是-1.97MPa和-1.86MPa。由此我們可以得出：滲透調節作用一般發生在較輕或中度干旱脅迫情況下，當干旱脅迫很嚴重時，滲透調節能力減弱或喪失[8]。因此，植物細胞的滲透調節是其適應環境、提高抗旱性的基礎。

2.2 植物滲透調節物質的積累

植物在干旱脅迫下，由于大量缺水，會使其物質代謝發生變化，一些大分子物質比如淀粉、蛋白質等會分解成小分子的滲透調節物質如糖、氨基酸，而這些小分子物質具較強親水性，能穩定膠體物質，從而使植物細胞減免傷害。植物滲透調節過程中，可通過有效溶質積累而維持膨壓和較低的滲透勢，以增強其抗脫水能力，這類有效溶質即為滲透調節物質，主要分為兩大類：一類是有機溶質，如可溶性糖、游離氨基酸、有機酸等，其中以脯氨酸的數量為主；另一類是無機離子，如：K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+等[9]。 干旱脅迫下，植物體內脯氨酸含量的變化幅度比較大，并隨著植物水勢的下降而不斷增加，植物體內脯氨酸的積累可增加體內束縛水含量，增大束縛水與自由水值的比值，降低植物滲透勢及水勢，以增加植物抗脫水力[10]，干旱脅有迫利于植物體內脯氨酸的積累。

可溶性糖是植物干旱脅迫時的主要滲透調節物質之一，在植物體內除起滲透調節外，還在植物蛋白質穩定性維持方面起重要作用。常見滲透調節糖類主要有葡萄糖、果聚糖、海藻糖、蔗糖等。其中，葡萄糖是主要滲透調節物質，60%的滲透調節歸于可溶性碳水化合物的調節。研究表明，干旱或滲透脅迫下，沙冬青、檸條、檉柳植物體內可溶性糖的積累顯著增加。可見，干旱脅迫下，植物體內可溶性糖的積累，可降低其體內滲透勢，以維持植物體正常生長的水分需要。

甜菜堿亦是植物體內主要的滲透調節物質，它對植物抗旱性亦起重要作用。滲透脅迫條件下，植物體內甜菜堿醛脫氫酶(BADH)和膽堿氧化酶(CMO)活性升高，能將膽堿氧化為甜菜堿，以在細胞質中積累甜菜堿。甜菜堿的積累不僅通過植物細胞與外界環境的滲透平衡保持，穩定復合蛋白四級結構，提高植物對干旱脅迫的適應性。而且，植物細胞內甜菜堿的積累能降低滲透勢，起到“非滲透調節”的作用，通過維持生物大分子結構的完整性，維持其正常生理功能。此外，甜菜堿還能解除高濃度鹽對酶活性的毒害，保護呼吸酶及能量代謝過程，影響細胞內離子分布[11]。

植物在干旱脅迫下，細胞還可通過累積無機離子進行滲透調節。K+是植物中含量最豐富的陽離子，對植物生長、營養、向性、酶平衡和滲透調節起重要作用[12]。據研究，干旱脅迫下，檉柳主動積累K+、Na+、Ca2+，主動積累K+利于檉柳氣孔關閉，水分損失減少，植株脯氨酸積累增加，酶活性增強，從而維持其正常的細胞功能；主動積累Ca2+利于檉柳發揮Ca2+的第二信使作用，把胞外信號轉換成胞內的生理生化反應[13]。

2.3 植物生理滲透調節研究現狀

人們對干旱條件下植物體內滲透調節物質的變化與植物耐旱性及其機理進行了研究，在很多植物上取得了卓有成效的進展，為其他植物及草坪草抗旱生理研究展示了美好的前景。

薛青武等(1990)研究結果表明，高氮小麥在干旱脅迫下葉片水勢、相對含水量和光合速率降低的幅度大于低氮小麥葉片，前者滲透調節能力大于后者，同時，高氮小麥葉肉細胞光合活性明顯大于低氮葉片，所以認為干旱下光合速率與其氣孔限制作用較大有關，滲透調節對氣孔導度和光合速率的維持起一定作用[14]。植物在干旱脅迫下葉片水勢會降低，而滲透調節可通過維持膨壓使植物葉片維持一定的氣孔導性，有利于葉肉細胞間隙CO2含量保持較高水平，從而避免或減輕光合器官受到的抑制作用，這對于維持植物的光合速率和光化學活性有著十分重要的作用。

胡海榮對260多個小麥品種滲透調節能力的研究表明，小麥滲透調節能力與抗旱性呈顯著正相關。不同生育時期滲透調節能力不同，灌漿期最高，苗期次之，孕穗期最低。小麥旗葉的滲透調節強度不僅與抗旱性呈顯著正相關，而且與干物質積累量也呈正相關。

李德全等(1992)研究表明，在土壤干旱脅迫下，抗旱性強的小麥品種的滲透調節能力大于抗旱性弱的品種，滲透調節物質的相對貢獻率為：K+>可溶性糖>其他游離氨基酸>Ca2+>Mg2+>脯氨酸[15]。

Yiwei Jiang(2001)研究干旱脅迫與熱脅迫下滲透調節對草地早熟禾根系生長的關系指出，細胞間的總離子濃度包括K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+和P在干旱脅迫后都增加，與對照相比，干旱處理14d和21d，葉中可溶性糖量分別增加了21%和44%。

洪法水(1994)等對小麥研究表明，在干旱脅迫期間，盡管不同作物或同種作物的不同栽培品種之間表現出較大差異，但在相同時間內干旱脅迫強度越大，作物積累的游離脯氨酸就會越多；在脅迫強度相同的一定范圍內，隨著處理時間的延長游離脯氨酸積累量會不斷增加。

3 干旱脅迫對植物保護酶活性的影響

3.1 干旱脅迫下植物保護酶活性的變化

20世紀60年代末，Mocord和Fridovich等提出了自由基傷害學說，近年來有關學者把“自由基假說”應用到植物的研究中，認為干旱脅迫會導致體內活性氧產生與清除機制的失衡，從而造成活性氧大量累積，對植物膜脂、蛋白質和其他細胞組分造成傷害。SOD、POD、CAT是植物體內清除過量活性氧的重要酶促防御系統，在干旱脅迫下可減輕或避免植物體的氧化損傷，抗旱性強的品種在逆境條件下能維持較高的SOD、CAT和POD等酶的活性，以利于清除超氧自由基，降低膜質過氧化水平，從而減輕膜傷害程度[16]。

王忠華等(2002)對作物抗旱作用機制的研究表明：一般來講，干旱脅迫下植物體內SOD等酶的活性與植物抗氧化脅迫能力呈正相關。抗旱性強的植物，在干旱脅迫下，SOD、POD、CAT的活性較高，因而能有效地清除活性氧，阻抑膜脂過氧化，幾種保護酶隨干旱脅迫的加劇先升高后降低[17]。

楊順強等(2009)對8種美國引進禾本科牧草的研究表明：在一定干旱脅迫范圍內，植物通過酶活性的增加來提高適應干旱脅迫的能力，但是當脅迫超出了其忍耐范圍，保護酶不但不再增加，反而下降，說明植物忍耐干旱脅迫的能力是有限的。同時只有幾種保護酶協同作用，才能高效地清除自由基，確保較低的膜脂過氧化水平，以維持細胞膜的完整性。不同品種的細胞膜受到的傷害度是有差異的，雖然保護酶SOD、POD、CAT活性都表現出先升后降的變化趨勢，但變化規律又有所不同，因此推測出各類植物與品種間的抗旱性存在較大差異[18]。

3.2 植物保護酶活性變化機理

活性氧自由基與植物抗逆性關系的研究正在日益深入。保護酶的活性變化一方面可以反映植物對干旱脅迫的適應性，另一方面反映細胞內活性氧與其清除系統之間的平衡狀態。正常情況下，植物細胞內自由基的產生和清除處于動態平衡狀態，但干旱脅迫時，植物體內活性氧的產生與清除的代謝平衡被破壞，逆境脅迫因素可誘發植物組織細胞內產生過量的H2O2等活性氧(ROS)。ROS過剩積累會造成膜系統、蛋白質和DNA分子結構等損傷。為抵御ROS對細胞的毒害，植物細胞便啟動一些活性氧清除機制[19]。SOD作為抵御活性氧傷害的“第一道防線”能使O2發生歧化作用而轉化為H2O2，而SOD與H2O2清除酶POD和CAT的平衡對維持細胞功能至關重要。正常情況下，其協調作用使活性氧維持在較低的水平。

研究表明，SOD、POD和CAT活性能夠較好地反映植物對逆境的適應能力。隨著脅迫進程的深入，SOD、POD活性逐漸增加，體現了植物細胞減輕細胞傷害的適應性反應。但是當干旱持續到100天以上時，自由基產生與清除平衡失調，SOD、POD活性有所降低。一般來說SOD、POD保護酶是一個平衡體系，二者協同作用對植物細胞起到保護作用。在持續干旱過程中SOD、POD活性變化并不是一條平滑曲線，而是一條折線，體現了植物細胞減輕細胞傷害的適應性反應是逐步完成的，一般在脅迫初期SOD、POD活性都要顯著提高，這對植物初始抗旱能力的形成具有重要作用。

3.3 植物保護酶活性的研究現狀

王代軍(1998)對黑麥草、紫羊茅的研究認為：在干旱脅迫條件下葉片中酶活性呈下降趨勢，而根系中的SOD酶活性的變化與葉片相比卻存在較大的差異。脅迫初期活性上升，隨著脅迫的加劇，SOD酶活性下降。而當土壤水分下降到12%時，SOD酶活性有一個較大的上升。這些結果表明，草坪草葉片先于根系感受到干旱脅迫。

Yiwei Jiang和Bingru Huang(2001)對Livingston草地早熟禾品種和Montauk紫羊茅品種進行了干旱和熱脅迫，研究抗氧化機理和質膜過氧化作用時發現，未處理的對照組，所有的酶活性都很穩定，而處理組的酶活性發生很大的變化，POD和SOD干旱初期增加，后期降低，但是CAT在干旱脅迫期間均呈下降趨勢。王向陽等(1997)研究表明，小麥葉片SOD活性與干旱脅迫程度的增大呈現正相關[20]。

大量研究表明，干旱脅迫會破壞植物中活性氧代謝平衡，引起膜脂過氧化，對膜系統、細胞、器官甚至整株植物造成傷害，而通過抗氧化系統來反映活性氧清除能力是衡量植物耐旱性的重要指標，干旱引起膜傷害是由于生物自由基引起膜中不飽和脂肪酸過氧化和保護酶系統活性下降所致。因此酶活性越高消除氧自由基的能力越強，植物的抗旱能力就越強。加強這方面的抗旱機理的研究，可進一步從細胞水平揭示植物抵抗干旱的途徑，為抗旱種質資源的合理利用提供依據。

4 結語

目前，植物抗旱的生理滲透調節及保護酶活性的研究已從許多方面著手，生理抑或分子、形態變化抑或激素調節，基因表達調控亦可以作為植物抗旱生理滲透調節及保護酶研究的潛力方向。科研工作者可以深入研究滲透調節物質作用和保護酶機理及其信號轉導途徑，進一步探討植物響應干旱脅迫的分子機制，進而培育出高效轉基因耐旱植物的新品種。

植物的抗旱機理十分復雜，是受許多形態、解剖和生理生化特征控制的復合遺傳性狀。植物對干旱的適應性反應過程可能包括酶活性變化、滲透調節、激素反應、氣孔運動等幾個環節的協同作用，因此，科研工作者既要深入研究滲透調節與保護酶的變化機理與趨勢，又要系統研究二者相互關系，揭示植物響應干旱脅迫的規律，這將對我國的植物遺傳育種具有重要意義。

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