蕨類植物非生物脅迫研究概述

王曉楠 朱延明 宋淑敏

摘要非生物脅迫能夠抑制植物的生長發育。蕨類植物屬于具有世代交替特征的一大類群，種類豐富，分布廣泛，用途多樣。在長期的進化過程中，它逐漸形成了比較獨特的應對非生物脅迫的能力。近年來，研究者們越來越意識到蕨類植物在研究和開發應用中的巨大潛力，有關蕨類植物的抗性篩選與分析工作也受到重視。結合國內外近年來的研究報道，主要從非生物脅迫角度，總結分析了有關蕨類植物的非生物脅迫研究結果。

關鍵詞蕨類；非生物脅迫；抗性分析

中圖分類號S188文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-06913-02

Research Summary in Abiotic Stresses of Ferns

WANG Xiaonan et al （College of Life Science， Northeast Agricultural University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract Abiotic stresses could cause adverse effects on the growth and development of plants. Fern plant belongs to the specific group with alternation of generation， have profusion of varieties， wide geographic distribution and versatility characteristic， which result in conforming of individual tolerance response to abiotic stresses during longterm evolution. Recently， huge potential has been realized on research and explore of fern， and then tolerance screen and analysis were attached great importance. Here， this paper concluded and analyzed the research results of ferns on abiotic stresses combining the international reports recently year.

Key words Fern； Abiotic stress； Analysis of tolerance

基金項目黑龍江省博士后基金（LBHZ11233）；東北農業大學東農業生物功能基因重點實驗室開放課題（NSGJ201203）；黑龍江省科學院青年創新基。

作者簡介王曉楠（1981- ），女，黑龍江綏化人，助理研究員，博士，從事植物分子生物學與蛋白質組學研究。

收稿日期20140118非生物脅迫作為重要的脅迫因子嚴重影響不同類群植物的生長發育和分布。蕨類植物是介于原始的苔蘚植物和高等種子植物之間的過渡類群，配子體世代與孢子體世代的交替出現得以完成整個生活史。不同生活史階段的發育和進化也都受到干旱、低溫、重金屬等多種非生物脅迫的影響。這為蕨類的系統演化和抗性進化奠定了基礎。筆者就近年來關于蕨類的抗性類型進行了介紹，并且簡要分析了不同類型非生物脅迫下蕨類的防御應答策略。

1低溫脅迫

全世界蕨類植物有12 000多種，大多數蕨類原產于熱帶和亞熱帶地區，分布受到溫度的極大限制，因而蕨類植物對低溫十分敏感，引種馴化工作往往遭遇低溫不適的難題。在低溫脅迫下，抗寒性強的植物能夠較好地維持膜的完整性，避免低溫傷害，而抗寒性較差植物的細胞膜往往易遭受較嚴重的傷害，因此可根據低溫下膜透性增加的幅度判斷抗寒性強弱。蕨類植物問荊（Equisetum arvense）抗寒能力較弱。這與其孢子囊莖不含葉綠素，無法利用光能進行物質積累有關。在進化過程中，蕨類孢子成熟后孢子囊莖即枯萎，形成短生長期的繁殖對策，從而可以避開不良環境脅迫[1]。蕨類的抗寒能力也可以通過物理方法或化學方法處理得到提高[2]。γ射線對蕨類的試管苗進行輻射處理，在寒冷的季節孢子苗過氧化物酶活性與可溶性糖含量趨高，在特別寒冷的條件下仍能正常越冬，第一代、第二代和第三代試驗苗的孢子苗在春天都可提前萌生。這些結果說明適量的γ射線輻射處理能夠促使愈傷組織產生耐寒的有利遺傳突變，利于耐寒性狀蕨類的篩選。另外，經水楊酸處理后楔葉鐵線蕨（Adiantum raddianum）的抗低溫能力同樣得到了提高。蕨類孢子屬于單細胞單倍體，外被孢子壁。孢子壁由內壁和具紋飾無彈性的加厚的外壁兩部分構成。某些種類還有一層孢子周壁。孢子壁對于營養與能量儲存、抵御不良環境有重要作用。蕨類孢子抵御低溫脅迫的研究涉及多個屬種，低溫范圍5～196 ℃。研究表明，與種子一樣，儲存期內蕨類孢子的壽命依賴于溫度、濕度條件，但在更低溫度或經反復凍融，孢子的壽命極大降低[3]。另外，冷凍保存對延長桫欏屬（Alsophila）[4]和歐紫萁（Osmunda regalis）等孢子壽命有重要的作用，適當低溫儲存對后期配子體的正常發育無影響。

2干旱脅迫

蕨類植物抗旱性的研究較普遍，其中卷柏（Selaginella tamariscina）和卷柏屬植物屬于蕨類抗旱的典型代表[5]。研究者通過生理學和分子生物學等手段，對卷柏屬植物這一特殊類群進行了深入、細致分析，發現海藻糖是卷柏屬植物抗旱復蘇過程中的重要組分，能夠誘導相關基因的表達。同時，干旱期內膜蛋白[6]、熱穩定蛋白以及1433蛋白[7]等大量涉及信號轉導、細胞結構等功能類群的蛋白表達，都對蕨類抵御干旱脅迫有顯著作用。另外，氧化酶系統的激活對于蕨類啟動抗旱程序至關重要。SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性顯著升高，能夠對井欄邊草（Pteris multifida）等干旱脅迫下ROS的清除起到重要作用，避免氧化損傷；可溶性糖、脯氨酸等生理指標的變化則說明滲透調節物、滲透保護等機制對蕨類抗旱能力提升的重要作用。蕨類植物在形態類型上也體現了抗旱性的差異[8]。星蕨（Microsorium punctatum）與巢蕨（Neottopteris nidus）同屬附生蕨類，在相對高的含水量條件下即可啟動氣孔關閉，防止水分流失。相比而言，陸生的網脈鐵角蕨（Asplenium finlasonianum）在相對含水量至45%時氣孔才會關閉。樹蕨（Disksonia antarctica）和桫欏（Cyathea australis）在干旱條件下對水分流失則更敏感[9]。

Oliver等[10]根據系統發育分析，推測植物的抗旱性最初存在于苔蘚植物，但在維管植物的進化中丟失，并且在進化過程中，耐旱性在卷柏屬中至少存在著一個獨立的進化或再進化進程。筆者通過對蕨類植物、苔蘚植物、裸子植物和被子植物中某些種的脫水反應蛋白的比較分析，認為蕨類植物中存在著耐旱性的獨立進化，進而推測蕨類植物卷柏屬中的抗旱機制是介于苔蘚的原始機制和被子植物的改良耐旱機制的中間類型[7]。

3鹽脅迫

植物耐鹽性的產生依賴于某些特殊的生理學應答策略，如離子交換能力、光合作用效率、抗氧化酶系統的激活，因而不同植物與其基因型之間的耐脅迫能力有一定差異。海濱鐵角蕨（Asplenium marinum）與2種鹵蕨屬（Acrostichum）植物的孢子萌發、配子體生長和配子囊發育均受到鹽脅迫的影響[11]，并且對鹵蕨（A.aureum）的極端鹽脅迫會導致其配子體內松醇與環醇的預先累積，積累現象與更高濃度脅迫下配子體的光系統Ⅱ的光化學效率受阻有關[12]。通過對綠柄鐵角蕨（Asplenium viride）等蕨類植物與苔蘚植物的鹽脅迫下葉綠素含量和總酚含量的變化分析，發現總酚含量的變化成為蕨類耐鹽脅迫過程中抗氧化的重要部分[13-14]。Groot等[15]從水媒和海水沉積物的角度，通過海底和湖底儲存對孢子壽命、成活率與配子體形成進行了蕨類生存潛力測定，發現阿爾泰鐵角蕨（Asplenium scolopendrium）與歐洲羽節蕨（Gymnocarpium dryopteris）的萌發率與浸沒儲存無關，而是隨著鹽濃度的升高而降低；與之相反，鐵角蕨（Asplenium trichomanes subsp.quadrivalens）的萌發率隨浸沒程度降低，而與鹽濃度無關。但是，蕨類萌發率都隨著在鹽水中的儲藏時間降低，如果儲藏時間持續1年，則產生的配子體更小且稀少。

4重金屬脅迫

土壤、水體的重金屬污染治理已成為環境修復的重要方向之一。重金屬污染主要包括Cu、Zn、Cd、As、Hg等。盡管As是非金屬，但它的毒性、某些性質與重金屬極其相似，也被列入重金屬范疇。蕨類植物對重金屬抗性的研究也更多體現在環境修復領域。

重金屬過量所產生的毒性能夠明顯抑制植物的生長發育或致其死亡，如鎘離子濃度的升高能夠降低粗梗水蕨（Ceratopteris ptridoides）蛋白質的合成速度，影響生長發育，更加劇了該種的瀕危甚至消失[16]。但是，某些種類能夠在高金屬濃度下顯示出更強的耐受性，植株長勢良好。利用現代分子生物學手段，更揭示了蕨類植物對重金屬的吸收、解毒等獨特機制。密毛蕨（Petridium revolutum）在干燥、貧瘠的銅礦以及銅鋅復合污染礦區中均能夠生長，尤其在銅礦區，單株地上部分最高可積累銅16.62 mg。它是一種銅污染治理和兼具觀賞價值的新超富集植物[17]。蜈蚣草是近年來發現的一種極具超富集砷特性的典型植物，對土壤和水體中砷具有極強的吸收能力。砷同氧配位，可以三價形態為主累積于羽片中，含量最高可達0.5%，為普通植物的數十萬倍。蛋白質組學方法研究了叢枝菌根對蜈蚣草抵御砷脅迫的影響，其中14個蛋白斑點中的12個受砷脅迫誘導的上調表達，另外1個上調表達和2個下調表達的斑點出現在與其共生的叢枝菌中。研究表明，蜈蚣草與叢枝菌的共生能夠促使蜈蚣草更有效地抵御砷毒[18]。蜈蚣草還可以修復萃取PbAs和ZnAs等復合污染土壤，可作為鉛鋅等復合污染礦區生態恢復的先鋒物種[19]。金屬硫蛋白是由微生物和植物產生的金屬結合蛋白。重金屬具有誘導金屬硫蛋白基因轉錄的能力，并且影響植物對重金屬的解毒、代謝、儲存、運輸等一系列環節。金屬硫蛋白基因在水生蕨類綠萍（Azolla filiculoides）中，通過向培養基內添加Cd（+2），Cu（+2），Zn（+2） 和Ni（+2）增強二型金屬硫蛋白編碼的cDNA片段AzMT2 RNA的表達。由此可知，AzMT2對于維持植物體內重金屬的穩態意義重大[20]。

5耐陰性

植物耐陰性研究主要對城市造景與園林綠化具有重要意義。目前，城市的綠化結構主要采用復層種植來增加綠量和改善景觀。蕨類植物生命力旺盛，耐陰性強，觀賞價值高。對其進行耐陰性篩選和分析，對今后大規模的園林造景、城市綠化具有重要意義。另外，蕨類植物也是目前花卉市場中非常受歡迎的觀葉植物之一，發展前景廣闊[21]。蕨類的耐陰性也因種類不同而呈現顯著差異。黑骨蕨（Adiantum flavellulatum）與扇蕨（Neocheiropteris palmatopedata）分屬耐陰性較強和較弱類型。通過葉片的顯微結構與光合特性分析，莢果蕨（Matteuccia struthiopteris）的葉肉中沒有柵欄組織與海綿組織的分化，葉片的光飽和點和補償點均較低，因而半陰條件更適于其生長[22]。這也提示園林造景中可根據蕨類植物的耐陰性差異進行綠化植物的人工植物群路與層次設置。5種滿江紅[23]中卡州滿江紅（Azolla caroliniana）的耐陰性最強，將在農業綜合立體生態模式構建和水污染處理領域發揮其重要作用。

6結論與展望

蕨類植物種類繁多，用途多樣，已在食用、藥用、觀賞、化工、航天等領域顯示出廣泛的應用前景。近年來，隨著生物學研究技術手段的不斷更新，蕨類植物更因其特殊的系統分類位置、獨特的進化進程以及在長期的系統演化和自然選擇條件下具備的廣泛適應性和頑強生命力，促使其成為國內外研究的熱點之一。但是，目前蕨類植物的研究信息與種子植物相比還非常有限，尤其非生物脅迫領域的分子生物學、基因工程等方面的研究相對較少。今后，傳統基礎理論研究與現代分子生物學技術手段的有力結合，將為人們更完整地研究蕨類的生長、發育、代謝調控、抗性機制分析等提供重要的研究信息和研發思路，蕨類的利用率也將大幅提升，開發利用前景將更為廣闊。

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