新疆野蘋果逆境響應機制研究進展

徐佳寧等

摘 要： 新疆野蘋果是我國新疆天山野果林區中珍貴的第三紀孑遺植物，具有抗寒性強、 耐蟲、 耐病、耐旱等優良性狀。新疆野蘋果不僅是我國蘋果屬重要的野生資源，也是我國果樹遺傳育種優質的抗逆種質資源。了解新疆野蘋果在逆境條件下的生命活動規律，對植物抗逆育種和增產增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來新疆野蘋果在基因水平、蛋白質水平和生理生化水平逆境響應機制的研究進展， 提出未來對新疆野蘋果的逆境響應機制研究應更深入到分子生物學水平。

關鍵詞： 新疆野蘋果；逆境；響應機制

中圖分類號： S661.1-1（245） 文獻標識號：A 文章編號： 1001 - 4942（2014）08 - 0138 - 04

Research Progress of Adversity Response Mechanism of Malus sieversii

Xu Jianing1， Liu Gang2， Ma Pan1， Huang Yipeng1， Yang Yanli1

（1.Jinan Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250316， China，

2. Shandong Water Conservancy Technology College， Zibo 255130， China）

Abstract Malus sieversii （Lebed.） Roem. is a precious tertiary relict plant， which mainly distributed in Tianshan wild fruit forest in Xinjiang. Malus sieversii is a wild apple species with cold， insect， disease and drought resistances and other good traits. It is not only an important wildlife resource， but also a good germplasm resource for stress-resistant breeding of fruit tree in our country. It would be significant to plant stress- resistant breeding and production increasing to know about the life activity laws of Malus sieversii in adversity.The recent research progresses of response mechnism to adversity in M.sieversii were summerized in this paper from gene，protein，physiological and biochemical levels.It was also put forward that the research on response mechanism to adversity should be more further at molecular biological level.

Key words Malus sieversii （Lebed.） Roem. ； Adversity； Response mechanism

蘋果原產于歐洲東南部、中亞和我國新疆[1]。有研究認為，現代栽培蘋果 （Malus domestica Borkh.）的祖先種可能是新疆野蘋果 [Malus sieversii （Lebed.） Roem.][2]。新疆野蘋果又稱塞威士蘋果，主要分布在伊犁河谷地兩側的天山中，其次分布于塔城地區的塔爾巴哈臺山南麓、巴爾魯克山西側，海拔1 000～1 700 m的天山野果林中[3]。天山野果林是第三紀古溫帶闊葉林的殘遺群落[4]，是在荒漠地帶山地中出現的罕見的“海洋性”闊葉林類型[5]，其中新疆野蘋果總面積達8 786 hm2，是天山野果林的主體，屬第三紀孑遺物種[3]。

新疆野蘋果能耐極端最低溫-35℃～-30℃，耐旱力較強，并能耐瘠薄土壤，適應性較強，是我國西北地區栽培蘋果的主要砧木[5]。與其他蘋果砧木相比，新疆野蘋果的抗旱性優于平邑甜茶、八棱海棠、黃太平、‘M26、‘M9等蘋果砧木[6～8]；其耐寒性， 雖不及原產東北的山定子，但優于萊蕪難咽和煙臺沙果[9]。因此，新疆野蘋果不僅是我國蘋果屬重要的野生資源，也是我國果樹遺傳育種優質的抗逆種質資源。了解新疆野蘋果在逆境條件下的生命活動規律，對植物的抗逆育種、增加產量和環境保護都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來新疆野蘋果在基因、蛋白質和生理生化水平的逆境響應機制的研究進展。

1 與逆境響應相關基因的研究

植物的抗逆性為數量性狀，由多基因控制。植物在逆境脅迫條件下，會關閉一部分正常表達的基因，同時誘導表達一部分與逆境適應相關的基因。植物在逆境下的生長情況會發生改變，包括從形態到生理功能和生物化學甚至分子結構上的改變[10]。這些變化都離不開逆境適應相關基因的誘導表達。

徐彥等[11]通過抑制性差減雜交的方法構建了新疆野蘋果根組織在干旱脅迫下的誘導表達差減文庫和抑制表達差減文庫，測序鑒定后共得到了參與新陳代謝、能量代謝、轉錄、翻譯、蛋白質修飾與降解、細胞信號轉導、DNA加工等16個生物學功能大類的268個有效ESTs。Zhao等[12]克隆了新疆野蘋果的 MsDREBA5 基因，并發現低溫、干旱和外源ABA脅迫可誘導 MsDREBA5 基因的表達，鹽脅迫則抑制其表達。在擬南芥中過表達 MsDREBA5 基因可降低其干旱脅迫應答基因的表達水平。Peng等[13]檢測了新疆野蘋果、湖北海棠和八棱海棠在干旱脅迫下促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）基因的表達變化，發現其表達水平與抗旱性呈正相關，抗旱性最強的新疆野蘋果 MAPK 表達水平最高。

2 與逆境響應相關蛋白的研究

植物體在多種逆境條件下都會誘導產生逆境蛋白，同時抑制部分正常蛋白的合成。逆境蛋白可以被廣泛的誘導和存在于植物的不同生長階段、不同器官和不同組織中[10]。其中植物細胞生物膜系統中的逆境蛋白與植物的抗逆性密切相關。

植物根系中的水孔蛋白對水分的傳輸起重要作用。代佳佳[14]用HgCl2處理使正常水分和不同程度干旱條件下的新疆野蘋果幼苗根系水流速率和水流導度均明顯下降，且下降的幅度與HgCl2的濃度呈正相關。用β-巰基乙醇恢復處理后，其根系水流速率都得到了一定程度的恢復。這說明新疆野蘋果幼苗根系中存在一部分對HgCl2敏感的水孔蛋白。根系的水流速率和水流導度下降，說明干旱條件下根系水孔蛋白的活性受到了抑制。試驗還發現，新疆野蘋果根系質膜水孔蛋白多以二聚體和單體的混合物形式存在，其表達受逆境脅迫誘導或抑制。不同的水孔蛋白在干旱脅迫下的不同表達模式，說明新疆野蘋果幼苗根系中的水孔蛋白可能存在多種調節機制。Peng等[13]檢測了新疆野蘋果、湖北海棠和八棱海棠在干旱脅迫下促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）的活性，發現其活性水平與抗旱性呈正相關，抗旱性最強的新疆野蘋果MAPK活性最高。同時，還發現蘋果MAPK響應干旱脅迫時，其酶活性受磷酸化和去磷酸化作用的調控。

3 與逆境響應相關生理生化機制的研究

3.1 滲透調節物質對逆境的響應

為適應高低溫、干旱、鹽堿等逆境脅迫影響而造成的植物細胞水分的虧缺，植物細胞會通過主動形成滲透調節物質提高溶質濃度降低水勢的方式從外界獲得充足的水分[11]。這些滲透調節物質主要有無機滲透調節離子、可溶性糖、可溶性蛋白和游離的脯氨酸等。

新疆野蘋果的幼苗在干旱脅迫的條件下，其可溶性糖、游離脯氨酸和可溶性蛋白都呈現不同程度的積累。隨著脅迫程度加重和脅迫時間的增加，這三種物質的含量都呈現上升趨勢，說明在干旱脅迫時，新疆野蘋果幼苗可通過滲透調節作用來適應逆境[14]。

3.2 植物抗氧化酶系統對逆境的響應

植物體內活性氧的產生與清除機制的動態平衡維護著植物的正常生長[15]，而逆境脅迫會打破這種平衡，從而導致活性氧在植物體內積累，引起植物體發生各種不良生理生化變化[16]。高低溫、干旱、鹽堿等逆境條件都會增強植物體內的活性氧代謝，產生過量的可以損傷蛋白質膜脂和其他細胞組分的過氧化物自由基。因此，植物體內清除活性氧的能力是評價植物對逆境抗性的關鍵因素之一。

研究表明，隨著干旱脅迫時間的延長，可導致蘋果屬植物葉片中活性氧物質的不斷積累[17]，細胞膜的透性增加，葉片的相對電導率逐漸上升[7]，但抗旱性較強的品種如新疆野蘋果增幅較小，而抗旱性弱的品種如平邑甜茶的增幅較大。說明這些指標的上升幅度可在一定程度上反映品種間對逆境抗性的差異。

譚冬梅[7]發現平邑甜茶的葉片干旱脅迫處理后，經0.1% 氯化硝基四氮唑藍液（NBT）染色首先發生顏色變化，新疆野蘋果的著色時間則明顯延后，說明新疆野蘋果體內的活性氧清除機制比平邑甜茶強。因此，隨脅迫時間延長新疆野蘋果體內的活性氧清除機制能有效清除活性氧，使其保持較低水平，而平邑甜茶快速在體內累積活性氧。

SOD和CAT 是機體清除超氧化物自由基的酶類，在脅迫過程中 SOD 和 CAT 活性水平的變化，可以反映細胞內保護酶類在超氧化物自由基產生和清除的平衡之間的調控關系。在干旱脅迫處理的條件下，隨干旱脅迫程度的加劇，新疆野蘋果的細胞質膜相對透性和 MDA 含量增加[8]，同時其細胞內的保護酶SOD和CAT活性水平顯著上升，復水后，中度和重度水分梯度處理的新疆野蘋果 SOD的活性與對照無顯著差異，CAT活性與對照分別為差異不顯著和差異顯著。

3.3 核酸代謝與逆境響應

研究表明，干旱脅迫可使蘋果屬植物葉片中的DNA和RNA 的含量降低，但抗旱性較強的品種下降幅度小于抗旱性較弱的品種[18]。曹慧等[17]研究表明，抗旱性較強的新疆野蘋果在干旱脅迫下幼苗葉片的DNA和RNA含量下降的幅度以及DNase、RNase活性上升的幅度均小于抗旱性較弱的平邑甜茶。平邑甜茶和新疆野蘋果幼苗葉片的DNA、RNA 含量在干旱脅迫下與DNase和RNase 活性均呈顯著相關。

3.4 細胞程序性死亡與逆境響應

細胞程序性死亡是生物體發育過程中普遍存在的，是一個由基因決定的細胞主動的有序的死亡方式，是生物體產生逆境應答的基本特征之一[19，20]。譚冬梅等[18]在研究干旱脅迫與新疆野蘋果葉片細胞程序性死亡的關系時，發現干旱脅迫可誘導Caspase 蛋白酶基因的表達，進而導致其葉片及根部的細胞發生程序性死亡，并且在細胞程序性死亡過程中伴有類Caspase-3 蛋白酶的產生。

3.5 內源激素對逆境的響應

植物的內源激素不僅在調節植物發育過程中起重要作用，同時也在信號通路響應生物脅迫和非生物脅迫中起重要作用。Bai等[21]研究了新疆野蘋果和湖北海棠在低氧脅迫下根和葉組織中內源激素的變化情況。結果顯示，低氧脅迫對這兩個蘋果品種的生長都有抑制作用。與湖北海棠相比，新疆野蘋果對低氧脅迫有更強的適應性。低氧脅迫下兩個蘋果品種根和葉中的脫落酸、赤霉素和吲哚-3-乙酸的含量均上升；而玉米素核苷、異戊烯基腺嘌呤和雙氫玉米素的表達模式存在品種間差異。這說明蘋果對低氧脅迫的應答過程并不是由單一內源激素響應，而是有多種內源激素的參與。

3.6 光合作用對逆境的響應

葉綠素是反映光合作用強度的重要指標， 在干旱脅迫條件下，抗旱性越強，葉綠素含量下降的幅度越小。張靜等[6]用25% 的PEG 處理M9、M26、八棱海棠、平邑甜茶、新疆野蘋果，其相對葉綠素含量與對照相比分別下降了45.64%、52.01%、34.58%、12.07%、7.20%。由此可知，新疆野蘋果的葉綠素含量下降幅度最小，抗旱性最強。

正常水分處理和中度干旱脅迫下新疆野蘋果葉片凈光合速率日變化為不典型雙峰型[22]，且葉片凈光合速率下降主要受氣孔因素限制；重度干旱脅迫下新疆野蘋果葉片凈光合速率的日變化呈現嚴重午休型，葉片凈光合速率下降主要受非氣孔因素限制。差異顯著性分析表明，中度和重度干旱脅迫使新疆野蘋果葉片凈光合速率日均值與對照分別達到顯著和極顯著差異。3種水分梯度處理后新疆野蘋果水分利用率日變化均呈先快速下降后緩慢上升的趨勢，并表現上午時段的水分利用率大于下午時段；水分利用率日均值按對照、中度和重度干旱脅迫依次降低。相關性分析表明，隨著干旱脅迫的增強，大氣溫度、大氣CO2濃度和相對濕度等生態因子對新疆野蘋果葉片凈光合速率的影響增大，其中相對濕度對葉片凈光合速率的影響最顯著。

曹慧等[23，24]研究了新疆野蘋果在干旱脅迫條件下的光合過程，發現新疆野蘋果光合速率的影響除受氣孔因素限制外，在脅迫后期由活性氧代謝失調所誘導的非氣孔因素也是限制光合速率的主要因素之一。

4 展望

綜上所述，新疆野蘋果作為耐寒、耐蟲、耐病、耐旱的優良野生種質資源，近年來，已有大量關于其抗逆機理及其評價指標方面的研究。但同時也存在許多亟待解決的問題：一是植物逆境脅迫應答過程中表現為多個生理生化指標的變化，而各個指標通過哪些具體的通路發生聯系的，對此研究還不夠深入；二是研究條件主要集中在干旱脅迫這一種逆境條件下，難以研究其對不同逆境響應機制的共性和特異性；三是研究多集中在其抗逆生理指標的測定，沒有從分子水平上闡明新疆野蘋果的抗逆機制。

目前，隨著基因工程和分子生物學研究的飛速發展和試驗方法的豐富，從分子水平上闡明新疆野蘋果的抗逆機制及其生理功能、分離抗逆功能基因以培育蘋果抗逆新品種、并用分子手段確定抗逆性評價指標已成為可能[25，26]。因此，加強新疆野蘋果逆境響應機制的系統研究，在分子水平上研究和闡明其抗逆機理，不僅為保護新疆野蘋果種質資源具有重要意義，同時也可為培育高抗逆性的蘋果品種提供理論和技術支持。

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