花椒抗旱性研究進展

季元祖,張 德,趙軍營,趙 通,張廣忠,張露荷

(甘肅省林業科學研究院,甘肅 蘭州 730070)

近年來,由于氣候變化導致的全球變暖和水資源短缺加劇了干旱對農林生產的影響,成為可持續農業發展的重大挑戰,引起了研究者的廣泛關注[1]。據統計,全世界1/3以上的土地處于干旱和半干旱地區,涉及20多個國家和地區[2]。我國現有干旱區(包括干旱、半干旱和半濕潤易旱區)的總面積為297.6萬km2,占國土總面積的38.3%[3]。據預測,到21世紀末,全球遭受干旱影響的總面積將增長15%～44%[4],而世界人口預計將在未來50年翻一番,糧食需求增加和作物種植面積減小之間的矛盾日益突出,因此必須充分利用目前的農業地區,同時開發更多的邊緣地區以獲取更大的產量[5]。

干旱作為一種多維脅迫,會引起植物表型、生理、生化再到分子水平的一系列變化。重度干旱可造成光合作用終止和新陳代謝紊亂,嚴重影響植株的正常生長發育,最終導致植物死亡[6]。遭受干旱脅迫后,植物進化表現在干旱條件下防止水分流失、平衡重要器官的最佳供水、維持細胞水分含量等在干旱環境下生存的策略,即植物的抗旱性[7]。植物抗旱性包括避旱、御旱和耐旱等在內的多種機制,不同的抗旱方式在同一植物體上可以同時存在,也能在不同部位同時出現,植物抗旱方式還隨其所處的生長發育階段、生理狀態及脅迫性質、強度的變化而變化[8-9]。植物抗旱性生理研究有助于了解植物對干旱脅迫的響應和適應,發現種間差異,為物種抗旱性鑒定提供理論依據。研究者們對干旱環境下植物的生長發育進行了大量研究,包括對植物形態特征、生理生化和分子調控等方面的分析,以闡明不同植物的抗旱機制[10-11]。此外,隨著分子生物學技術的快速發展,基因組測序、功能基因組學、遺傳標記和基因工程等技術被廣泛應用到植物干旱響應的生化、遺傳、分子和信號轉導研究等方面,來揭示植物干旱響應以及抗旱節水的潛在機制[12]。從生理和分子水平上對植物性狀及其抗逆機制進行了解有助于進一步提高產量。因此,認識和理解植物適應干旱脅迫的過程是非常必要的。

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)是蕓香科花椒屬(ZanthoxyL.)植物,起源于中國,廣泛分布于中國、日本、印度、韓國等國家。通常所說的花椒指花椒(Zanthoxylumbungeanum)及花椒原變種、野花椒(Z.simulans)、川陜花椒(Z.piasezkii)、竹葉椒(Z.armatum)、青花椒(Z.schinifolium)共5個種[13]。花椒果皮是重要的烹飪香料和調味品,還是一種傳統中藥,具有抗炎、鎮痛、抗菌和抗病毒等多種生物功能[14-15];其富含類黃酮和生物堿,在食品和藥品領域具有重要的應用價值[16]。花椒廣泛種植在干旱和半干旱地區,是重要的抗旱、耐瘠薄的水土保持樹種,可作為國家實施鄉村振興帶動廣大山區群眾致富的特色經濟和油料樹種,具有重要的栽培價值[17]。受地理條件和天氣變化的影響,花椒產業的發展受到嚴重制約。長期干旱環境導致花椒生長不良,花和果實大量脫落,其品質、產量和產量穩定性受到嚴重影響,死亡率增加[18-19]。花椒在應對干旱脅迫時會啟動自身的抵御機制,如通過調整葉片和根系的形態結構、啟動抗氧化防御系統和滲透調節機制來適應干旱,并通過降低氣孔導度和蒸騰速率等來抵抗干旱脅迫[20]。

研究花椒響應干旱脅迫的生理生化、分子機理和調節機制,挖掘參與響應干旱的功能基因并明確其作用機理,可為提高林木水分利用效率及耐旱性、選育耐旱優良品種提供理論指導。本研究主要從植物響應干旱環境的表型特性、生理生化特性、分子生物學等方面總結國內外花椒抗旱研究進展,探究花椒對干旱的響應和適應機制,并對研究中可能存在的問題進行歸納和討論,以期為花椒種植產業發展提供理論參考。

1 花椒抗旱表型生理研究

植物的形態特征及生長特性可以直接或間接反映其抗旱性強弱。干旱脅迫下,植物體內細胞會在結構、生理及生物化學上發生一系列適應性改變,最終表現在生長狀況和形態特征上[21]。

1.1 花椒根系對干旱的響應

根系作為植物吸收水分的器官,其數量、大小、干質量和生理狀況等直接影響作物抗旱性的強弱。劉杜玲等[22]研究表明,隨干旱脅迫程度的增加,3個花椒品種根生物量均有不同程度的下降,中度脅迫下,‘二紅袍’的根生物量下降最大(51.13%),‘大紅袍’最小(28.28%);重度脅迫下,‘大紅袍’根生物量下降最多(65.49%),‘二紅袍’最小(57.63%),且根莖比均高于對照,表明干旱脅迫下‘大紅袍’、‘二紅袍’花椒光合產物多向地下器官轉移,以最大限度地保持植株物質和水分的平衡。頂壇花椒在土質松散、貧瘠荒漠化、保水能力極差的土壤條件下通過形成發達的側根和淺根性根系適應環境,充分吸收水分[23]。涉縣花椒和韓城花椒隨著干旱脅迫程度的增加,總生物量不斷減小,但根系干質量占總生物量的比重呈增大趨勢[24]。表明水分脅迫下,花椒樹具有一定的自我調節保護能力,光合作用制造的有機物隨脅迫的增強而減少;嚴重的干旱對花椒生長發育的限制作用增強,且影響其生物量在不同器官之間的分配。

王淥等[25]對5種對花椒根系生長研究發現,干旱脅迫下主根生長被抑制,側根生長被促進,但其數量減少,根尖數減少、短根數變少、根系平均直徑下降,其中低抗品種‘大紅袍’在干旱脅迫處理后根系指標變幅相對較大,但其根尖數和短根數仍顯著高于‘獅子頭’、‘朝倉’、‘無刺大紅袍’和‘少刺大紅袍’等品種。研究發現,花椒根系活力隨著干旱脅迫的加重呈持續下降的趨勢[26],而根系脫落酸(ABA)含量呈增加趨勢[27]。這可能是花椒在干旱下適應性和抗性的綜合體現,過量的ABA抑制了側根原基分生組織的活化,在保持吸水功能的前提下減弱了大根系對養分的消耗,表明花椒在干旱環境下能夠改變根系形態結構來適應和緩解脅迫的影響,體現了花椒適應干旱逆境的“開源”策略。

1.2 花椒莖葉對干旱的響應

研究表明,水分脅迫較輕時,花椒葉片會表現出光澤度下降、失水萎蔫等現象;脅迫較重時,葉片會變褐、卷曲、干枯直至脫落,且抗性品種‘獅子頭’的形態性狀變化明顯小于敏感型‘大紅袍’[14,25,28];同時,花椒苗高、地徑生長也受到抑制,根冠比增大,表明干旱條件促使花椒將光合產物較多地分配到地下部分,植株通過降低地上部分水分消耗來適應干旱環境[22-23]。劉杜玲等[22]研究表明,在中度和重度干旱脅迫下,‘大紅袍’花椒莖生物量降幅最大(43.12%,70.74%),‘豆椒’降幅最小(31.65%,57.27%),‘二紅袍’居中,但均顯著低于對照;隨干旱脅迫程度的增加,3種花椒葉片相對含水量均呈下降趨勢,其中,‘二紅袍’降幅最大,‘豆椒’降幅最小;在重度脅迫下,與對照相比,‘豆椒’、‘二紅袍’和‘大紅袍’花椒葉片相對含水量分別下降了10.10%、16.78%和9.58%,表明在干旱脅迫過程中,‘豆椒’可能通過維持較高的葉片相對含水量以有效保持葉綠體結構和PSⅡ功能的完整性,保證光合作用的順利進行,從而表現出較強的抗旱能力。頂壇花椒(竹葉花椒Zanthoxylumarmatum變種)在應對干旱環境時,植株通過葉片表皮外壁發達的角質層減少水分向大氣散失,同時葉片退變成小鱗片狀,部分嫩葉脫落來增強抗旱性[29]。葉片作為水分消耗的重要器官,其在干旱脅迫條件下的變化是植物維持體內水分平衡的重要表現,表明干旱環境下花椒能通過減少葉片數和減小葉面積來降低蒸騰速率,維持葉片及植株體內相對高的含水量,增強適應性,體現了花椒適應干旱逆境的“節流”策略。

莖葉的解剖結構能直觀反映植物對逆境的響應,判斷其抗性[30]。容麗等[31]在地表干旱缺水的喀斯特山區研究發現,頂壇花椒葉片解剖結構表現出柵欄組織排列緊密、柵欄細胞長柱形的旱生類型。前人對干旱環境下根莖葉形態解剖的研究多集中于一些園藝作物[32]和農作物[33],關于花椒莖葉響應干旱的研究多集中于外部形態變化,對其解剖特性相關研究較少。

2 花椒抗旱生理生化研究

2.1 花椒水分代謝對干旱的響應

目前對干旱脅迫下花椒水分利用效率的研究較多通過葉片WUE揭示植株內在耗水機制。種培芳等[26]通過瞬時水分利用效率(Instant water use efficiency,WUEI)、長期水分利用效率(Long-term water use efficiency,WUEL)、穩定碳同位素比率(δ13C)揭示了花椒水分利用效率與干旱脅迫的關系,結果表明花椒在干旱脅迫下葉片氣孔導度下降,光合速率和蒸騰速率隨之降低,且蒸騰速率下降速度大于光合速率,使其水分利用效率升高,減緩了脅迫引起的生物量下降,從而提高植株對干旱逆境的適應性;隨水分脅迫的加劇,δ13C與WUEL間的正相關性越來越顯著,表明干旱脅迫下高δ13C值是評定花椒高WUE的可靠指標。劉淑明等[34]對不同品系花椒水分利用的研究表明,與正常水分處理相比,重度干旱脅迫條件下,抗性花椒品種‘小紅冠’和敏感品種‘美鳳椒’WUE分別提高了26.3%和12.2%,蒸騰耗水量分別降低了65.5%和51.8%,表明‘小紅冠’花椒可能通過關閉氣孔、降低蒸騰耗水提高WUE以獲得較多的生長量來適應干旱條件,這與Li等[35]研究結論相一致,即耐旱性較強的品種表現出高水分利用效率的特點。Zhang等[7]研究表明,干旱條件下具有高WUE的植物通常具有較高的產量。因此,在水分限制條件下,植物水分利用效率提高是花椒抗旱性強的重要表現,WUE可以作為花椒抗旱育種研究的一個重要指標。

2.2 花椒光合系統對干旱的響應

干旱脅迫導致植物葉片失水,進而影響葉綠素的生物合成,并促進已合成的葉綠素分解。Hu等[17]對干旱脅迫下2個不同抗性花椒品種的研究發現,脅迫降低了葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素的含量,可能是其加速了葉綠體的降解并抑制了葉綠素的合成[22],也可能是脅迫下類囊體膜上產生較多的活性氧(ROS)破壞了光合色素所致[7,36];該研究還表明,在脅迫后期抗性品種‘漢椒’葉片葉綠素含量降幅小于敏感型品種‘鳳椒’,且前者葉綠素含量及光合速率高于后者。劉玲[37]和王淥等[25]也得出了相似的研究結論,表明不同基因型品種對干旱逆境的響應不同,通過保持較高的葉綠素含量提高光合效率,以為其提供更多的光合產物可能是抗性品種應對干旱逆境的一種策略。

光合作用受水分、CO2濃度和光照等多種因素的影響,且其對水分虧缺高度敏感,受到水分脅迫后通常會減弱[38]。研究表明,在不同脅迫階段,不同品種花椒葉片光合作用受氣孔及非氣孔因素影響不同[13-14],降幅主要取決于脅迫的程度和其耐旱能力[39]。劉杜玲等[22]研究認為輕度脅迫不影響花椒葉片氣孔正常開放;隨干旱脅迫的加劇,花椒葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)均逐漸降低,Ci顯著上升[40]。王淥等[25]對5個花椒品種的研究發現,弱抗性品種‘大紅袍’在持續干旱下Gs和Ci逐漸升高,非氣孔因素導致Pn和Tr下降;而強抗性品種‘獅子頭’在干旱脅迫前期Gs增大,Ci先增后降,說明脅迫前期Pn降低可能是氣孔因素和非氣孔因素共同導致的,脅迫后期Ci升高,氣孔限制值(Ls)降低,主要受非氣孔因素限制。綜上所述,對于抗旱性相對較強的花椒品種,脅迫(輕度干旱和中度干旱)前期可能主要通過氣孔限制使其光合速率降低,后期非氣孔限制因素占主導;抗旱性相對較弱的花椒品種,光合速率則較早受非氣孔因素限制。表明不同花椒品種光合速率的限制因素在脅迫過程中是變化的、非單一性的。Hu等[17]則有不同的觀點,其認為干旱通過氣孔性和非氣孔性兩種途徑同時導致花椒葉片光合作用下降。在氣孔性途徑中,干旱誘導ABA積累并激活ABA信號,導致氣孔關閉,Ci降低,Tr受到抑制;在非氣孔性途徑中,干旱誘導的ABA信號傳遞到TF蛋白,轉錄因子通過調控葉綠素代謝相關基因和LCH蛋白編碼基因的表達影響光能捕獲和轉化效率。

葉綠素熒光參數能夠反映植物葉片在逆境條件下PSⅡ對光能的吸收、傳遞、利用與分配[41]。謝芳等[42]對花椒幼苗干旱處理后發現,其葉片Fv/Fm和ETR均顯著下降,與CK相比分別下降了10%和84%;在貴州喀斯特生境下,花椒樹葉片表現出相對較高的F0、Fm和PSII電子傳遞活性,表明其光合作用的碳同化能力和光能利用率較強,促進了葉片光能的利用,以應對干旱高熱的地域環境[43]。關于花椒葉綠素熒光參數響應干旱脅迫的系統研究報道相對較少,有待進一步探究。

2.3 花椒滲透調節物質對干旱的響應

滲透調節(OA)是植物的一種抗旱生理機制,其關鍵是植物細胞內溶質的主動積累[44],包括無機離子(K+、Na+、Cl-等)和有機物(可溶性糖(SS)、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白(SP)等)[45]。

干旱脅迫下,花椒通過積累葉片中Pro、SS、SP等有機物參與滲透調節。有研究表明,花椒幼苗在持續干旱脅迫下葉片Pro含量可達對照的2倍多[24],SS含量可達對照的6倍多,表明花椒能通過Pro、SS的積累來降低細胞滲透勢,增加干旱條件下根系的吸水量和細胞內水分的保留,維持一定的膨壓,從而保持細胞生長、氣孔開放和光合作用等生理過程的正常進行,增強植株抵抗力[46]。且抗旱性越強的品種滲透調節物質積累量越高,變化速度越快[27,47]。SP會給細胞內的束縛水提供一個結合襯質,以增加植物組織束縛水含量,提高細胞的保水力,有脫水保護劑的作用[48]。輕度脅迫時花椒體內SP含量減少,中度和重度脅迫時則增加,表明在脅迫過程中,花椒可能通過合成新的蛋白質提高SP水平來參與滲透調節[22,49],以適應干旱環境。無機離子對于植物生長、酶平衡和滲透調節等方面有重要作用[50]。車家驤等[29]研究表明,在干旱脅迫下,花椒細胞內Ca2+可作為第二信使傳遞干旱信號,調節干旱脅迫導致的生理反應;鹽脅迫下花椒根部積累Na+優先于葉片,使Na+保留在根部,減輕了其對地上部分的毒害[51]。

2.4 花椒抗氧化系統對干旱的響應

植物受到干旱脅迫會產生過量ROS,導致膜脂質過氧化等,最終使細胞膜系統受損;而ROS又可作為信號分子激發植物體內抗氧化防御系統(酶促系統與非酶促系統),引發一系列下游反應[52]。

2.5 花椒內源激素對干旱的響應

植物激素平衡的變化可能對植物獲得更高的抗脅迫能力有重要作用[57]。Fei等[30]研究表明,更高的ABA轉移效率和更高的ABA積累可能有助于提高花椒耐旱性。干旱脅迫下,花椒WRKY轉錄因子參與了茉莉酸(JA)、水楊酸(SA)和乙烯信號通路,且ZbWRKY轉錄因子在干旱脅迫中的作用依賴于JA信號通路中的調控網絡中心,其中,ZbWRKY33能夠直接結合乙烯合成前體基因ACS6,促進乙烯合成[58]。表明花椒內源激素可能通過激活轉錄因子(TFs)來調節下游基因的表達和植物生理反應,以應對干旱的不利影響。

前人對花椒響應干旱脅迫的研究主要集中于形態及生理生化方面,Hu等[27]首次通過多組學手段從形態特征、生理指標到轉錄組和代謝組對干旱脅迫下‘漢椒’和‘鳳椒’進行了綜合分析,并提出了花椒的耐旱模型,得到了大量耐旱相關的候選基因;利用UPLC-MS/MS技術研究發現干旱脅迫提高了花椒葉片氨基酸營養水平,并通過WGCNA分析鑒定出3個氨基酸合成相關基因FBA3、DELTA-OAT、PROC和15個TF基因,這些基因可能參與干旱條件下花椒葉片氨基酸的生物合成[59]。Hu等[17]提出了干旱脅迫下花椒光合作用的模型,確定了花椒在干旱脅迫下ABA信號轉導相關基因、LCH編碼基因和葉綠素代謝基因以及7個可能在干旱條件下調控光合作用的TF基因。

3 花椒抗旱基因工程研究

近年來,應用基因工程技術使抗旱調節基因(轉錄因子、蛋白酶基因)、抗旱功能蛋白基因(LEA蛋白基因、甜菜堿合成酶基因等)過表達是提升植物耐旱性的有效途徑之一,已成為植物抗逆基因工程的研究熱點和重要研究方向。

有研究表明,干旱脅迫下,轉錄因子(TF)與脅迫相關基因啟動子區域的順式作用元件特異性結合,改變整個基因級聯,調控脅迫響應基因的表達,增強植物的耐旱性[60]。花椒在PEG-6000脅迫下12個ZbWRKY轉錄因子顯著上調,其中響應干旱最強烈的轉錄因子ZbWRKY33可能直接與乙烯合成前體基因ACS6結合,促進乙烯合成并與乙烯激活蛋白釋放信號結合,激活下游一系列冷應激和滲透應激反應基因,參與花椒的抗旱過程[58]。Hu等[17]對干旱脅迫下2個不同抗性(抗旱型和旱敏型)的花椒品種研究發現,19個與光合作用相關基因表達水平均下降,其中WRKY6、WRKY33、WRKY48、BZIP23、GBF4、IDD1、SCL14被鑒定為干旱條件下調控光合作用的重要轉錄因子基因,表明相關基因表達水平的高低可能會決定光合作用的效率,從而影響品種抗旱性強弱。

研究表明,花椒在干旱脅迫下通過調控代謝途徑、合成代謝物和產生植物激素應對干旱脅迫[27]。Fei等[30]通過轉錄組分析揭示了10個響應花椒干旱的長鏈非編碼RNA(Incrna)可能參與調控線粒體和葉綠體的膜穩定性,幫助維持光合作用和呼吸作用正常運行,并激活茉莉酸(JA)、ABA、生長素(IAA)、乙烯(ET)、赤霉素(GA)和MAPK信號通路以提高花椒的抗旱性。此外,干旱逆境下,ROS大量積累并作為一種次級信號,通過激素信號轉導和MAPK信號轉導激活相應的轉錄因子,進而激活下游基因的表達,導致包括戊糖磷酸途徑(PPP)強度增強、抗氧化酶活性增加、滲透物質和代謝物(氨基酸及其衍生物)的積累、熱休克蛋白(HSP)的合成以及ABA和油菜素內酯(BR)的產生和信號轉導加快等在內的一系列干旱反應,都可能促進花椒抗旱能力的提升[27,49]。

4 花椒抗旱性主要評價方法

抗旱性是植物形態、生理生化和原生質特性等控制的綜合性狀,單一指標無法很好地反映植物的抗旱性,通過多個指標進行綜合抗旱性評價更為可靠,此外評價方法不同,結果也會有差異[61]。因此,應根據不同的研究目的與指標體系篩選最適合的林木抗旱性評價方法。當前花椒抗旱性評價中應用較多的方法有隸屬函數法、主成分分析法、聚類分析法等。

4.1 隸屬函數法

隸屬函數法采用Fuzzy中隸屬函數的方法依據樹種各抗旱指標的隸屬函數平均值評定抗旱性,值越大,說明植物控水能力和耐旱能力越強[62]。陳紅林等[24]采用隸屬函數法得出5種不同品系花椒的抗旱性表現依次為韓城花椒>涉縣花椒>秦安花椒>循化花椒>鳳縣花椒;劉杜玲等[22]得出‘豆椒’的抗旱性強于‘二紅袍’和‘大紅袍’;王淥等[25]采用葉綠素含量、MDA含量、Pn、Tr、WUE、Gs、Ci共7個指標的隸屬函數加權平均值評價了5種花椒的抗旱性,抗性表現為‘獅子頭’>‘無刺大紅袍’>‘朝倉’>‘少刺大紅袍’>‘大紅袍’,且各指標的平均權重均大于0.1,表明選取的評價指標與花椒的抗旱性密切相關。

4.2 主成分分析法

主成分分析法是將多個彼此具有相關性的指標轉換為新的少數獨立的綜合指標,并將給定的一組相關變量通過線性轉成另一組不相關變量,依次遞減進行重新排序[63],能較為客觀地反映實際情況。王紀輝等[49]利用主成分分析研究表明,POD活性、MDA含量、相對含水量、葉綠素含量、SP含量與竹葉花椒(Zanthoxylumarmatum)耐旱性關系密切,可作為評價其耐旱性的指標;孫超凡[64]通過主成分分析綜合得分法和隸屬函數分析法評價了包括花椒在內的4種小喬木的抗旱性,得出一致結論。

4.3 聚類分析法

聚類分析法將特征元素的標準化處理結果以平方歐氏距離為度量準則、以組間連結法(Between-group linkage)為組群合并準則對測定指標進行歸類,也可以通過林木的抗旱能力對試驗樹種進行歸類[65]。劉玲[37]利用所測定的抗旱生理生化指標的隸屬函數值對10種花椒進行歐氏距離聚類分析,并綜合各品種隸屬函數值對不同品種花椒進行了抗旱性評價。張俊佩[66]以喀斯特地區包括花椒在內的20個特有喬、灌樹種為材料,研究了人為模擬和自然干旱脅迫下不同植物的水分、光合生理和生物產量等適應策略,通過生理指標的量化比較和聚類分析,對其抗旱能力和抗旱機理做出判斷和評價。

4.4 灰色關聯度分析法

灰色關聯度分析法根據數列的可比性和相似性,分析系統內部主要因素之間的相關程度,確定相關程度最大的因素[67]。種培芳等[26]利用灰色關聯分析法對包括花椒在內的5個經濟林樹種的10個主要生理指標和抗旱性的關系進行了研究,提出Pro、CAT、SS、SP、MDA和細胞膜透性可作為抗旱性鑒定的依據,而這6個指標屬于滲透調節物質、酶活性系統和質膜過氧化3個體系,充分反映了5個經濟林樹種對干旱脅迫的適應性機制。但其涉及的評價指標僅為生理生化性狀,未涉及農藝、基因性狀。因此,將花椒抗旱性相關的農藝性狀、生理生化性狀、基因性狀等置于灰色系統中共同進行灰色關聯度分析,分析其與抗旱指數的關聯度,明確花椒抗旱能力的根本決定因素,在花椒抗旱種質評價和品種選育中加強選擇與利用,以提高抗旱品種和指標選擇的效率和準確性。

綜上,隸屬函數法和主成分分析法在花椒抗旱性綜合評價時運用較多,但在實際應用中因各指標重要程度不盡相同而存在一定局限性。采用主成分分析法或主成分因子分析后再進行隸屬函數加權或灰色關聯度分析可篩選反映花椒耐旱性的主要指標,并排除影響較小的參數,使評價結果更接近實際情況。前人主要針對花椒幼苗階段抗旱性進行評價,由于植物不同生長發育時期抗旱性存在一定差異,因此,可進一步對花椒不同生長發育階段的抗旱性進行研究,并探索應用更簡單、更精確以及適用性更好的評價方法,以期獲得更為全面、系統的抗旱性評價。

5 研究展望

花椒是我國特色的經濟林木樹種,因干旱導致的生長發育不良、低產、低質等現象已成為花椒生產當前面臨的主要問題。目前學者在花椒的形態、生理、細胞、分子水平等方面對干旱的響應做了大量研究,并進行了抗旱品種的篩選。但由于研究年限較短且多為人為控制性試驗,控制周期短、研究材料差異大,同時大田條件多變,相關理論方法、指標數據難以在生產實踐中應用。因此,通過開展自然條件下花椒對干旱抗性響應的研究并建立系統的抗旱性鑒定評價方法體系,同時結合多組學手段開展花椒抗旱機制研究對當前花椒生產具有重要意義。

5.1 深入探究花椒響應干旱的生理生化機制

在自然環境下研究植物抗性響應,結果更接近其真實水平。關于花椒抗旱性的研究報道多為其在短期內盆栽等人為控水措施下的脅迫反應,鮮見自然干旱條件下花椒抗旱性的動態周期變化及抗旱性形成的研究。葉片形態和解剖結構特征被認為最能體現環境因子的影響及植物對環境的適應性[68],結構是功能的基礎,結構的差異和變化會影響生理功能。因此,通過光鏡(LM)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等設備,采用石蠟切片、樹脂包埋塊半薄/超薄切片等方法從根、莖、葉組織解剖結構、表皮微形態變化特征分析揭示花椒抗旱機理尤為必要。植物葉綠素熒光參數與光合作用的各個反應過程緊密相關,葉綠素熒光動力學參數的變化可反映出干旱脅迫對光合作用的影響,是研究植物光合生理與逆境脅迫的內在探針[69]。因此,探究植株葉綠素熒光參數及其在脅迫下的響應特征,結合光合、生理等指標進一步明晰花椒的抗旱機理,對于完成不同脅迫程度下抗旱等級的識別、耐旱品種的選育及生態環境建設具有重要意義。花椒是我國發展林下經濟的重要樹種,通過探索不同農林間作模式對花椒抗旱性的影響尋求最佳的栽培管理模式,既有利于緩解環境變化對花椒的不良影響,又能助力實現農林業可持續發展。

5.2 建立系統的花椒抗旱性鑒定評價體系

植物的抗旱能力需要依據相關的抗旱指標進行鑒定和評價。目前研究中,針對花椒的系統抗旱鑒定評價體系仍不夠完善。由于品種的多樣性和生理生化過程的復雜性,以及外界環境條件的多變性,花椒響應干旱脅迫的措施也多種多樣。同時,花椒的抗旱性是極其復雜的數量性狀,對其全生育期抗旱性進行鑒定評價,需將生長發育、外部形態、生理生化、產量和抗旱功能基因、干旱誘導蛋白等鑒定評價指標相結合,還需引入先進的儀器設備和科學的分析方法,從而提高抗旱鑒定評價體系的準確性和科學性。

5.3 運用多組學手段開展花椒抗旱機制研究

目前,國內外對植物抗旱機制的研究重心已逐漸由單一的生理生化層面轉移到分子生物學及兩者相結合論證的層面,但關于花椒分子水平上的抗旱機制研究較少。在花椒抗旱基因方面,分離并鑒定的干旱抗性基因較少,加之植物抗旱性是由多基因控制的綜合性狀,因此需要結合轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、表型組學、表觀遺傳學、相互作用組學等多“組學”研究結果交聯脅迫條件下的調控網絡和信號網絡,確定主效基因,研究蛋白互作模式,探究干旱與其他環境因子復合脅迫對花椒生長發育的影響;同時,開展花椒自身抗旱能力改良的研究,如抗旱分子標記、抗旱基因的選擇及表達、高光效基因型的篩選和利用、逆境信號傳導、抗旱蛋白的挖掘等,在分子水平上綜合分析其抗旱機制,培育優質耐旱新品種。