番茄對非生物脅迫響應機制研究進展

徐佳寧++徐艷群++嚴振++張利云++高建偉

摘要：番茄是我國保護地種植經濟效益較高的蔬菜，約占整個保護地蔬菜種植面積的30%，在設施蔬菜栽培中占有重要地位。不同非生物脅迫對番茄的生長發育、產量及果實品質等產生不同程度的影響。因此，了解番茄在不同非生物脅迫下的生命活動規律，對其抗逆育種和增產增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來番茄在生長發育、生理生化和基因調控方面對非生物脅迫響應機制的研究進展，并建議對番茄非生物脅迫響應機制的研究應上升到組學水平。

關鍵詞：番茄；非生物脅迫；響應機制

中圖分類號：S641. 201

文獻標識號：A 文章編號：1001-4942 （2015）12-0120-05番茄是茄科（Solanaceae）番茄屬（Lycopersi-con）一年或多年生植物，在南緯45°至北緯65°均有種植，遍及全球160余個國家或地區。番茄的所有野生種均分布在南美西部的安第斯山脈狹長地帶。16世紀番茄從秘魯傳人意大利，17世紀從意大利傳人中國和爪哇，18世紀傳人英國、法國、北美和日本，此后作為一種世界性蔬菜廣泛在世界各地種植。

近年來，番茄作為我國一種保護地內種植經濟效益較高的蔬菜，約占整個保護地蔬菜種植面積的30%，在設施蔬菜栽培中占有重要地位。番茄含有糖、蛋白質、脂肪、有機酸、纖維素以及豐富的維生素和微量元素等，營養價值較高；此外，番茄還具有一定的藥用價值，如番茄中所含有的番茄紅素有抗氧化和抗腫瘤作用。

非生物脅迫是指由非生物因素引起的對植物正常生長發育造成逆境影響的總稱。番茄屬于中度鹽敏感物種，一定濃度的鹽處理可以調節番茄的風味、色澤以及可溶性物質含量，有利于提高番茄果實中糖酸比，進而提高番茄的品質；而鹽分濃度過高則常導致番茄生長緩慢、產量和品質下降等問題。此外，干旱、高溫、重金屬脅迫都會對番茄的生長發育、產量和果實品質等產生不同程度的影響。因此，了解番茄在鹽堿、干旱、溫度、重金屬等非生物脅迫條件下的生命活動規律，對其抗逆育種和增產增收都具有十分重要的意義。本文綜述了近年來番茄在生長發育、生理生化和基因調控方面對非生物脅迫響應機制的研究進展。

1 非生物脅迫對番茄生長發育的影響

1.1 非生物脅迫對番茄葉片生長發育的影響

干旱脅迫會阻礙番茄葉片的生長，并降低氣孔張開率。已有研究表明，番茄的葉長、葉寬、葉面積、葉片含水量和氣孔張開率，均會隨土壤含水量的下降而下降，且在脅迫4天后下降速率進一步加大。此外，干旱脅迫還會導致葉片柵欄組織和海綿組織的厚度減小。

葉綠素含量是反映植物光合強度的一項重要生理指標。當番茄受到鹽害時，葉片內氮素含量下降，而氮素是葉綠素分子的組成成分，故植株表現為葉色變淺，葉綠素含量減少。在一定的鉛脅迫條件下，番茄植株老葉出現葉肉變黃而葉脈仍保持綠色的網狀失綠癥狀，并伴有輕微的萎蔫；且隨處理時間的延長，葉片的失綠癥狀加劇。

1.2 非生物脅迫對番茄果實生長發育的影響

不同的水分處理對番茄產量的影響不同，輕度脅迫下番茄果實重量以及產量變化不大；中度和重度脅迫下番茄果實重量和產量則明顯較低。黃立華等發現，不同程度的蘇打鹽堿脅迫可使番茄果實的單果重和有機酸含量下降，可溶性糖含量和糖酸比增加；輕度蘇打鹽堿脅迫可提高番茄果實中維生素C含量，而重度蘇打鹽堿脅迫則不利于番茄果實中維生素C的積累。李紅彥等發現不同濃度的Na₂SO₄鹽脅迫對番茄果實的影響不顯著。

番茄果實中糖含量是決定果實品質的重要指標之一。在25～29℃范圍內，隨著溫度的升高，番茄果實心室隔壁中蔗糖積累逐漸增多，果肉和膠質胎座中蔗糖積累逐漸減少。番茄果實的著色受溫度的影響較大，番茄紅素在高溫條件下合成受到抑制，因此持續高溫處理會使番茄呈現黃色。番茄在開花期前后或初果時期，若溫度過高則果實的空洞果數量會增加，當溫度超過35℃且持續時間較長時，果實生長發育速度不協調，形成空洞果。

1.3 非生物脅迫對番茄根生長發育的影響

高鹽濃度無論是對種子萌發或幼苗生長狀況及根尖微核率，都有明顯影響。輕度干旱脅迫則可促進番茄幼苗的根系生長：根系的長度、表面積和體積均呈現增加的趨勢。

2 非生物脅迫對番茄光合作用的影響

干旱脅迫下葉片會生成大量的活性氧，對細胞膜造成傷害，導致光系統Ⅱ的活性降低，光合產物生成量減少。干旱脅迫還可導致葉片氣孔密度和氣孔大小的下降，大部分氣孔關閉且深陷，葉綠體變大變圓，基粒片層排列紊亂，淀粉粒減少或消失。在低溫脅迫下，光合色素的含量下降；而在高溫脅迫下，光合色素含量則上升。與常溫相比，溫度脅迫期間，氣孔導度和光合強度均呈先降低后升高的趨勢，隨著脅迫時間的延長又呈現逐漸降低的趨勢。魯少尉等發現鹽脅迫可破壞番茄葉片的光合機能，降低光合作用效率，同時改變番茄葉片中的糖代謝方向，促進了淀粉和蔗糖的分解，提高了葉片中的果糖和葡萄糖含量。

3 非生物脅迫對番茄生理生化指標的影響

丙二醛（Malondialdehyde，MDA）是膜脂過氧化的產物，其含量高低可反映膜脂過氧化程度的大小，植物組織中MDA的含量一般隨脅迫程度的增大而增大。楊再強等研究發現，隨著干旱脅迫的加劇，番茄葉片的膜脂過氧化作用逐漸加強。宋勤飛等研究發現，番茄葉片中MDA的含量隨鉛濃度的增加而明顯升高。丁海東等研究發現，隨著Cd2+、2n2+脅迫濃度的增大，番茄根系和葉片中MDA含量也呈增加趨勢。相對電導率（Electrical conductivity，EC）是反映細胞膜透性的重要指標之一。相對電導率越大，膜透性越大，質膜受損傷的程度越高。孟長軍等發現，隨著鹽脅迫濃度的增高，番茄植株的EC值均呈升高趨勢。

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，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。植物體內參與活性氧的酶促清除機制的抗氧化酶類包括：超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）和過氧化物酶（Perox-idase，POD）等。endprint

SOD作為活性氧清除劑，在保護細胞膜系統中起一定的作用。在低鹽脅迫下，番茄體內SOD活性隨著鹽濃度的增加而增加；在高鹽脅迫下，SOD活性隨著鹽濃度的增加而降低。在鹽脅迫條件下，高活性的SOD能有效清除細胞內的活性氧，使番茄保持一定的耐鹽性。此外，有研究發現，一定的干旱脅迫條件下番茄體內SOD和POD的活性先升高后下降，而CAT的活性持續升高。在鉛離子脅迫下，番茄葉片中POD的活性隨著鉛濃度的增加也呈先增加后降低的趨勢。丁海東等發現，隨著Cd²⁺、2n²⁺脅迫濃度的增大，番茄植株中APX、POD和CAT的活性上升，抗氧化酶活性的上升能夠提高幼苗適應和抵抗重金屬脅迫的能力。

4 番茄抗逆功能基因的研究進展

在自然界中，植物要遭受來自外部環境的多種非生物脅迫。在長期的進化過程中植物形成了相應的應變機制即調節相關抗性基因的表達，從而在環境改變后得以繼續存活。

劉輝從耐低溫多毛番茄（S.habrochaites）中克隆了2個不同類型的抗寒相關基因，分別是脫水素基因（S.habrochaites Dehydrin，shDHN）和牦牛兒基牦牛兒基還原酶基因（S.habrochaites Gera-nylgeranyl reductase，shCHLP）。根據芯片分析結果發現：超量表達shDHN可以提高植株的抗寒和抗旱性，促進了番茄植株的生長發育；超量表達shCHLP提高了番茄植株葉片葉綠素含量。

促分裂素原活化蛋白激酶（Mitogen activatedprotein kinase，MAPK）級聯反應是真核生物信號傳遞網絡中的重要途徑之一，在植物抗逆過程中發揮著重要作用。Li等通過對干旱、鹽和低溫逆境脅迫下番茄SpMPKl/StMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因表達模式的研究發現干旱、鹽、低溫逆境脅迫均能誘導SpMPKl/SIMPKl、SpMPK2/SIMPK2、SpMPK3/SIMPK3基因的表達。

Jia等研究發現轉甜菜堿醛脫氫酶（Betainealdehyde dehdyoregn，BADH）基因可提升番茄植株的耐鹽性，其主要表現在番茄鹽脅迫條件下根系的發生和發育上。此外，還在一定程度上引起POD和SOD的活性升高，使細胞抗氧化脅迫的能力增加，保持細胞內環境的相對平衡和穩定。

5 轉錄因子對番茄逆境應答的調控機制

轉錄因子又稱反式作用因子，其主要功能是激活或抑制基因的轉錄效應。轉錄因子作為復雜的信號網絡中的成員，在調節植物應對來自周圍環境因子脅迫的過程中發揮著重要作用。

WRKY是一類植物體特有的抗逆相關轉錄調控因子，在高等植物中組成一個龐大的蛋白家族。劉暢等研究發現，過量表達SIWRKY53基因能夠一定程度增強植株抵抗鹽脅迫的能力。

劉淑君發現，番茄同-MYB轉錄因子在不同的條件下表達量不同，在不同逆境和激素脅迫處理下，MYB轉錄因子表達量均有顯著變化，且誘導強度均較大，表明番茄MYB轉錄因子參與了植株抵御環境脅迫。

NAC轉錄因子是植物中所特有的，該家族基因在植物生長發育和抵抗生物或非生物脅迫中發揮著極其重要的作用。SISRN1定位于細胞核，是番茄抵抗干旱脅迫的負調控因子。該基因沉默后可增強番茄的抗旱能力。劉輝從番茄LA1777中克隆了一個NAC轉錄因子，命名為ShNAC，低溫、干旱和高鹽脅迫均能誘導該基因的表達。超量表達ShNAC轉基因植株較野生型對低溫和干旱更敏感。ShNAC可能是植物生長發育及非生物逆境應答的一個負調節因子。Ma等從番茄葉片中克隆到一個NAC轉錄因子StNAC1，發現過表達該基因提高了番茄植株的耐冷性。多項試驗表明，SINAC1可能通過上調CBF1的表達激活了下游的冷響應基因，提高了番茄植株的低溫抗性。

ICEI （Inducer of CBF expression l）轉錄因子，可響應低溫信號，并通過調控CBF/DREB1轉錄因子進而激活下游COR（Cold-regulated）基因的表達，從而調節植物的耐低溫能力。Feng等從番茄葉片中克隆到一個新的ICE1基因，過表達番茄ICE1和CBF轉錄因子都能夠提高轉基因植物的耐低溫能力，因此位于番茄CBF下游的調控網絡中的基因可能是導致番茄對低溫敏感的決定性因素。

鋅指蛋白（Zinc finger protein，ZIP）是植物中最為豐富、研究最為深入的一類轉錄因子，它在植物各個時期的生長發育和逆境脅迫中發揮調控作用。有研究表明，超表達鋅指家族成員SIZF6可提高番茄的耐鹽性和抗旱性。

6 展望

綜上所述，非生物脅迫對番茄的生長發育及各項生理指標有著極其重要的影響。在不同脅迫條件下，番茄組織中MDA和EC的含量均與脅迫程度呈正相關；而抗氧化酶類的活性變化在不同脅迫條件下的變化趨勢不同。

近年來，關于番茄抗逆功能基因的挖掘和研究已取得一些研究成果，但植物體對于脅迫的響應是由多基因控制的數量性狀，單個基因功能的挖掘并不能闡明番茄對于脅迫響應的分子機制。目前，隨著番茄全基因組數據的發布，對于番茄的研究已正式進入組學時代。因此，利用新一代高通量測序技術，對番茄基因組及脅迫條件下轉錄組、蛋白質組和代謝組的表達變化研究，將有助于闡明番茄在發育的各個階段對非生物脅迫響應的分子機制，為今后番茄的抗逆育種提供理論基礎。endprint