引用本文
王沛, 陈玖红, 王平, 马清, 田莉华, 陈有军, 周青平. 披碱草属植物抗逆性研究现状和存在的问题. 草业学报, 2019,28(5): 151-162
WANG Pei, CHEN Jiu-hong, WANG Ping, MA Qing, TIAN Li-hua, CHEN You-jun, ZHOU Qing-ping. Status of research into the abiotic stress tolerance of Elymus species . Acta Prataculturae Sinica,2019,28(5): 151-162  
Doi:10.11686/cyxb2018219
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披碱草属植物抗逆性研究现状和存在的问题
王沛1, 陈玖红1, 王平1, 马清2, 田莉华1, 陈有军1, 周青平1,*
1.西南民族大学青藏高原研究院,青藏高原生态畜牧业协同创新中心,四川 成都 610041
2.兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州 730020
*通信作者. E-mail: qpingzh@aliyun.com

作者简介:王沛(1987-),男,甘肃宁县人,助理研究员,博士。 E-mail: wangpei@swun.edu.cn

收稿日期: 2018-04-10
基金项目:国家自然科学基金项目(31802122),国家牧草产业技术体系青藏高原牧草育种岗位项目(CAR34)和青藏高原生态畜牧业协同创新中心开放基金资助
摘要

披碱草属是禾本科小麦族重要的经济属,主要分布在海拔20005200 m的地区。属内绝大多数种是优良牧草,饲用价值极高,该属部分种具有耐盐、抗旱、耐寒等优良抗性,适应性广,遗传多样性丰富,因此不仅是生态恢复的重要物种,也能为其他牧草和麦类作物提供优异的基因资源。按照狭义上的分类标准,该属在全世界共有30余种,我国有13种,主要有老芒麦、披碱草、垂穗披碱草、短芒披碱草、圆柱披碱草等。近年来,由于全球变化和人类活动引起非生物胁迫的加剧,越来越多的研究开始关注披碱草属非生物胁迫抗性,包括耐盐性、抗旱性、低温胁迫抗性、重金属胁迫及复合胁迫抗性,其中大多数研究来自中国学者。目前绝大多数关于披碱草属抗逆性的研究主要集中在通过电解质外渗率、叶绿素、脯氨酸等渗透调节物质和抗氧化酶活性等生理指标评价属内不同种,和/或不同品种/种质的抗性方面,然而这些研究采用了不同的分析方法和评价体系,导致得出的结果不尽相同。此外,除了冷胁迫外,目前关于该属植物的抗逆机制却极少涉及。因此,综述了近年来在披碱草属植物抗逆性方面的研究进展,并提出存在的问题及今后研究的方向,旨在为进一步挖掘和利用其优良遗传资源奠定基础。

关键词: 披碱草属; 抗逆性; 盐; 干旱; 低温
Status of research into the abiotic stress tolerance of Elymus species
WANG Pei1, CHEN Jiu-hong1, WANG Ping1, MA Qing2, TIAN Li-hua1, CHEN You-jun1, ZHOU Qing-ping1,*
1.Institute of Qinghai-Tibetan Plateau, Southwest Minzu University, Collaborative Innovation Center for Ecological Animal Husbandry of Qinghai-Tibetan Plateau, Chengdu 610041, China
2.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, Key Laboratory of Grassland Livestock Industry Innovation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China
*Corresponding author. E-mail: qpingzh@aliyun.com
Abstract

Elymus is an economically important genus belonging to the tribe Triticeae, within the grass family, Poaceae. In China it is mainly found at altitudes of 2000-5200 m. Most species in this genus have potential as forage grasses, as they have a high feeding value. Some species show wide adaptability and excellent abiotic stress tolerance, including salt tolerance, drought resistance, and cold resistance, among others. Elymus also has a rich genetic diversity. Therefore, members of this genus are not only important species for ecological restoration, but can also provide excellent genetic resources for improvement of other grass and cereal crop species. Worldwide, there are over 30 species of Elymus, of which thirteen species are distributed in China, including Elymus sibiricus, Elymus nutans, Elymus dahuricus, Elymus breviaristatus, Elymus cylindricus, and others. In the past few years, on account of increased abiotic stress caused by global change arising from human activities, more and more researches have focused on the resistance to abiotic stresses of Elymus, including salt tolerance, drought tolerance, low temperature tolerance, resistance to heavy metals and multiple stress tolerance. Most of this research on abiotic stress tolerance of Elymus species has been carried out by Chinese researchers, and has involved a comparison between different species, and/or different varieties or germplasm lines from Elymus or related species. There is also a suite of commonly investigated physiological indicators, such as electrolyte leakage, chlorophyll content, accumulation of proline and other osmoregulatory substances, and activities of antioxidase, and related enzymes. These studies have employed a variety of analysis methods and evaluation systems, which has led to conflicting results in some cases. In addition, there has been little research into the mechanisms conferring tolerance to environmental stresses, apart from some exploration of chilling tolerance in E. nutans. This review summarizes the research progress in the last few years into abiotic stress tolerance of Elymus, and identifies the existing gaps in knowledge and the direction for future research. In this way it is hoped to lay the foundation for further extraction and utilization of the diverse genetic resources of Elymus.

Keyword: Elymus; stress resistance; salt; drought; low temperature

披碱草属(Elymus)是禾本科(Gramineae)小麦族(Triticeae)一个重要类群, 主要分布在北半球的温寒地带, 属于北温带植物区系成分, 集中分布在亚洲和北美洲, 个别种分布至欧洲。其垂直分布从海拔几米的海滩一直到海拔 5200 m以上的喜马拉雅山区, 尤其是2000 m以上的高海拔地区[1, 2]。我国是该属的主要分布区之一, 主要分布于西北、华北、东北以及西南的四川和西藏[3]。

关于披碱草属的界定, 由于传统分类方法主要依据形态划分的弊端, 始终存在较大争议, 历史上经历了几次大的变动, 该属曾包含了冰草属(Agropyron), 猥草属(Asperella), 带芒草属(Taeniatherum), 鹅观草属(Roegneria), 赖草属(Leymus)和偃麦草属(Elytrigia)。我国的许多学者普遍接受狭义披碱草属概念, 即不包含上述6属[4, 5, 6, 7, 8]。从这一概念讲, 该属在全世界约有30余种。我国是世界上披碱草属分布较多的国家之一, 有12种, 分别是老芒麦(E. sibiricus)、披碱草(E. dahuricus)、垂穗披碱草(E. nutans)、短芒披碱草(E. breviaristatus)、圆柱披碱草(E. cylindricus)、黑紫披碱草(E. atratus)、毛披碱草(E. villifer)、紫芒披碱草(E. purpuraristatus)、肥披碱草(E. excelsus)、麦宾草(E. tangutorum)、粉绿披碱草(E. glaucus)和无芒披碱草(E. sinosubmuticus)[9]。披碱草属绝大多数种是饲用价值较高的优良牧草, 如弗吉尼亚披碱草(E. virginicus)、加拿大披碱草(E. canadensis)等叶量大、茎秆柔嫰, 适口性好, 已被全世界各地的草场、牧场大面积引种栽培; 还有一些种如短芒披碱草、垂穗披碱草、老芒麦等具有抗旱、耐寒、抗风沙、耐盐碱、耐贫瘠、适应性广等特性, 拥有麦类作物所缺乏的优异抗逆基因资源。因此, 该属植物不但是人工草地建植及高寒草甸、沙化地等脆弱生态区生态恢复的重要物种, 也能为小麦(Triticum aestivum)、大麦(Hordeum vulgare)等麦类作物的分子育种提供重要的基因资源[3, 10]。

披碱草属是二倍体多年生物种经天然杂交而形成的异源多倍体[11, 12, 13]。对我国分布的披碱草核型分析发现, 除老芒麦为四倍体(2n=4x=28)外, 其余种多为六倍体(2n=6x=42), 但不同研究中报道的核型公式和类型却存在很大差别[14, 15]。

尽管我国对披碱草属的研究起步较晚, 但近年来, 随着草牧业的日益发展, 我国对该属植物的研究越来越多, 已占全球披碱草属研究的1/2以上。主要集中在非生物胁迫抗性、系统发生和遗传多样性、营养品质及生产性能评价等方面。其中, 本团队在抗旱[16, 17, 18]、生产性能[19, 20, 21, 22]等方面开展了大量研究, Fu等[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]在垂穗披碱草抗寒性, 陈仕勇等[30, 31]、陈智华等[32]和张成林等[33]在遗传多样性方面也取得了许多研究成果。此外, Song等[34, 35]对该属内生真菌、Zhang等[36]对老芒麦种子休眠、Xie等[37]和Zhao等[38]对老芒麦种子落粒性等方面也开展了系统研究。主要综述了近年来在披碱草属植物抗逆性方面的研究以及存在的问题, 以期为今后的研究提供方向, 为抗逆牧草种质创新和进一步利用披碱草属优良的遗传资源提供参考依据。

1 盐胁迫抗性

高浓度的盐会对植物产生渗透胁迫, 导致水分亏缺和离子分配不均衡[39]。植物为抵抗渗透胁迫, 会大量积累脯氨酸(proline, Pro)等渗透调节物质。水分亏缺和离子分配不均也会扰乱植物的有氧代谢, 引起活性氧(reactive oxygen species, ROS)的积累超标, 破坏氧化还原平衡[40]。为避免ROS的损害, 植物会启动一系列的防御系统, 包括上调超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)和过氧化氢酶(catalase, CAT)等抗氧化酶的活性来清除ROS[41]。盐胁迫还能进一步引起离子毒害, 破坏膜系统和蛋白活性, 导致K+外排, 进一步抑制植株生长[42, 43]。目前关于披碱草属耐盐性的绝大多数研究集中在通过测定Pro等渗透调节物质的积累及各种抗氧化酶的活性进行不同种、品种、种质的耐盐性评价方面。刘锦川等[44]比较了NaCl处理下3种披碱草属牧草的生理特性和耐盐能力, 结果表明, 引进的加拿大披碱草的耐盐性强于披碱草强于老芒麦。与该研究类似, 刘亚玲等[45]随后也发现加拿大披碱草的耐盐性高于老芒麦。有研究表明, 老芒麦的抗盐性比披碱草弱, 但要强于肥披碱草、垂穗披碱草和麦宾草[46, 47]。然而, 杨月娟等[48]的研究却表明, 高盐胁迫(≥ 150 mmol· L-1 NaCl)下, 垂穗披碱草的耐盐性强于老芒麦。随后的一项在NaCl+Na2SO4复盐处理下的研究也表明, 无论在种子萌发期还是苗期, 垂穗披碱草的耐盐性都要强于老芒麦[49]。对西藏3种野生披碱草的研究却发现, 老芒麦萌发期的耐盐性高于垂穗披碱草和披碱草。在宁夏盐池县次生盐碱地的引种实验发现, 垂穗披碱草的耐盐性高于从美国引进的细茎披碱草(E. rachycaulum)[50]。这些研究采用了不同生境的野生种质资源, 而不同种质资源间由于长期生长在不同盐渍化生境, 其耐盐性也存在较大差异[51, 52, 53]。此外, 各项研究中盐的成分、浓度不同, 也可能是造成研究结果不一致的原因之一。

低盐环境可以提高垂穗披碱草和老芒麦种子的发芽率[54, 55], 但具体机制仍不清楚。事实上, 目前为止, 对披碱草属耐盐生理机制的研究极少, 仅有两项研究通过测定盐胁迫下各组织中离子和矿质元素的积累探讨披碱草响应Na+毒害的生理机制。贾亚雄等[56]通过比较两份不同耐盐性的野生披碱草种质材料在不同程度盐胁迫下根和叶中的元素含量, 发现耐盐材料叶片中具有较低的Na含量和较高的K、Ca含量。表明披碱草的主要耐盐机制可能是拒盐, 即降低Na的吸收, 提高K、Ca的摄取。朱慧森等[57]的研究也发现, 不论盐胁迫强度如何, 披碱草地上部始终比地下部保持较高的K+/Na+, 表明维持地上部较高的K+含量及K+/Na+也可能是其耐盐的策略之一。尽管有许多研究关注披碱草属植物的耐盐性, 但也有研究表明披碱草属植物的耐盐性并不强, 如垂穗披碱草的耐盐性远低于碱茅(Puccinellia distans)等盐生植物[58]。

2 干旱胁迫抗性

水分亏缺是引起干旱胁迫的主要诱因, 与高盐引起的渗透胁迫类似, 植物在应对干旱胁迫时, 会主动积累各种渗透调节物质以降低渗透势和水势, 便于从干旱土壤中吸收水分[59]。同时减少蒸腾、降低气孔开度和导度、提高水分利用效率、增加抗氧化酶活性等也是常见的植物抵御干旱的手段。因此, 与盐胁迫类似, 渗透调节能力、光合能力、膜系统稳定性以及抗氧化酶活性等指标也常被用来评价植物的抗旱性。目前, 对于披碱草属牧草抗旱性的研究也都以细胞膜完整性为基础结合渗透调节物质积累、抗氧化酶活性等指标进行讨论。研究基本停留在不同种质的抗性评价层面, 对于其抗旱机制的研究极少。德英等[60]通过电导法对聚乙二醇(PEG6000)模拟渗透胁迫下7种披碱草属59份种质幼苗进行了抗旱性初步评价, 将它们的抗性分为4个等级, 发现抗旱性最强的5份种质均为老芒麦, 而供试的4份麦宾草抗性均为最弱。而刘锦川等[61]综合分析了老芒麦、加拿大披碱草和披碱草的抗旱性, 结果表明, 干旱胁迫下, 老芒麦的叶片相对含水量减少最多, 细胞膜透性的增加幅度最大, SOD活性最低, 丙二醛(malondialdehyde, MDA)和Pro的含量最高, 这些结果表明老芒麦的抗旱能力低于披碱草和加拿大披碱草。通过隶属函数综合评价法, 杨满业等[62]的研究得出, “ 川草2号” 老芒麦(E. sibiricus cv. chuancao NO.2)的抗旱性高于“ 阿坝” 垂穗披碱草(E. nutans cv. Aba), 而在其结果中, “ 川草2号” 老芒麦在干旱胁迫下相对含水量和叶绿素含量下降更快, 相对电导率、MDA的增加显著高于“ 阿坝” 垂穗披碱草, 而前者的SOD、POD活性以及Pro含量的变化率都远高于后者, 作者在隶属函数评价时将Pro、SOD、POD均作为正相关指标, 而这3个指标属于植物的应激反应和反馈调节物质, 是否能作为抗性评价的指标有待商榷, 作为评价依据时更要结合表型和其他指标共同分析。通过自然干旱处理后各项指标的隶属函数分析, 陈有军等[16]的研究也表明, 圆柱披碱草> 老芒麦> 垂穗披碱草> 麦宾草> 披碱草> 短芒披碱草。然而, 王晓龙等[63]通过分析叶绿素荧光, 发现老芒麦的抗旱性低于垂穗披碱草。王慧君等[64]采用10% PEG6000渗透胁迫模拟干旱, 对采自新疆的6种披碱草属种子萌发期的抗旱性综合评价也表明, 垂穗披碱草> 圆柱披碱草> 披碱草> 短芒披碱草> 麦宾草> 老芒麦。卢素锦等[17]对来自青海不同地区的2份垂穗披碱草、2份圆柱披碱草、1份披碱草和1份老芒麦种质进行自然干旱处理, 综合评价结果也表明, 2份垂穗披碱草的抗旱性最强, 而老芒麦的抗性较弱。以上大多数结果指向四倍体的老芒麦抗旱性低于六倍体的垂穗披碱草等其他种。然而, 也有部分研究[16, 60, 62]得出不同结论。这些对披碱草属不同种的抗旱性结果与耐盐性研究类似, 不同研究结果并不一致, 尤其是对该属的模式种老芒麦抗旱性的定位在各研究中存在较大出入。这一方面是由于不同研究者采用的研究方法和评价体系不同, 表明目前的评价方法仍有待改进。另一方面可能与老芒麦分布范围广, 野生种质资源更为丰富有关。对20份不同居群老芒麦遗传多样性的分析发现, 干旱胁迫处理下不同产地的老芒麦材料间差异显著, 遗传多样性丰富[65], 闫伟红等[66]通过对2份老芒麦材料基因组DNA进行甲基化敏感扩增多态性(methylation sensitive amplification polymorphism, MSAP)分析, 发现老芒麦基因组中有58.2%85.5%的CCGG位点发生了胞嘧啶甲基化, 甲基化水平及状态变化存在材料差异性。与之相对应的是, 不同老芒麦种质资源的抗旱性之间也存在较大差异[67, 68]。因此可以推断, DNA去甲基化是老芒麦适应干旱环境的策略之一。此外, 各项生理指标在干旱或模拟干旱胁迫下也出现了显著的种间差异, 产地不同的种质在种子萌发期和苗期均表现出不同的抗旱性, 实验选择的苗龄不同可能也是不同研究结果不一致的原因之一[18, 69, 70]。

3 低温胁迫抗性

植物遭遇低温胁迫时, 同样会引起细胞内活性氧代谢失衡, 膜脂过氧化作用加剧, 从而造成细胞膜系统发生严重的氧化损伤。大多数植物都能通过抗寒锻炼获得一定的抗寒性[71]。因此, 不同生境下生长的披碱草种质资源间抗寒性具有明显的差异。近年来, 国内外对于披碱草属牧草抗寒性的研究主要以不同抗性品种间的生长表型、光合等生理指标结合RNA-Seq手段进行的比较研究。张尚雄等[72]对低温胁迫下采自西藏不同地区的两个垂穗披碱草种质与同德老芒麦(E. sibiricus cv. Tongde)进行了苗期抗寒性综合评价, 发现巴青垂穗披碱草的抗寒性最强, 而那曲垂穗披碱草最弱, 且供试材料叶片细胞膜透性和MDA含量均随低温胁迫的加剧而上升。

周瑞莲等[73]研究发现, 当环境温度降到0 ℃以下时, 垂穗披碱草体内棕榈酸、亚油酸、亚麻酸比例发生变化, 脂肪酸的不饱和度增大。而有研究表明, 低温胁迫下不饱和脂肪酸含量增加对维持细胞膜的流动性十分重要[74]。这可能暗示着脂肪酸去饱和酶在披碱草属植物抵御冻害(0 ℃以下低温胁迫)中的重要作用。付娟娟等[23]比较了冷胁迫对西藏野生的当雄垂穗披碱草(Damxung, DX)与甘南垂穗披碱草(E. nutans cv. Gannan, GN)的生长与生理特性, 结果表明, 相比于GN, DX能通过提高抗氧化酶活性有效清除体内活性氧的积累, 减轻细胞膜系统受损伤的程度, 以提高其抗寒性。进而通过RNA-Seq测序发现, 相比冷敏感的GN, 抗寒的DX在冷胁迫下有更多的基因表达上调, 差异主要表现在果聚糖生物合成、α -亚麻酸代谢和DX特异的脱水蛋白相关基因, 表明这些基因可能是维持DX垂穗披碱草抗寒性的重要因子; 此外, 抗寒诱导因子CBFs基因与冷响应基因COR14a的表达在DX中显著上调, 而低海拔的相对敏感品种上调幅度较小, 暗示着CBFs类转录因子通过和植物激素信号互作激活COR14a调控垂穗披碱草的抗冷性[24, 25]。在与另一种采自低海拔地区(昌平)的冷敏感品种正道(Zhengdao, ZD)相比, DX同样表现出冷胁迫下更高的干重、叶绿素含量、相对含水量以及较低的电解质外渗, 更强的净光合速率(net photosynthetic rate, Pn)、最大CO2同化率(maximum CO2 assimilation rate, Pmax)、羧化效率(carboxylation efficiency, CE)以及相关核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)基因的表达和甘油醛-3-磷酸(glyceraldehyde-3-phosphate, GAPDH)酶的活性等, 而且在复温后, DX可以将光系统Ⅱ (photosystem Ⅱ , PSⅡ )的光量子产率(fluorescence quantum yield, Fv/Fm)、电子传递速率(electron transfer rate, ETR)、Rubisco活性以及CE等指标恢复至对照水平, 因此该研究认为, 冷胁迫下DX通过减少气孔扩散限制(diffusion limitation)和代谢因子的快速恢复, 以维持更高的Pn和Pmax, 是其抗寒的主要机制; 而恢复处理后DX叶片中Pn、气孔导度(stomatal conductance, gs)、叶肉导度(mesophyll conductance, gm)和蒸腾速率(transpiration rate, Tr)并未恢复到胁迫前水平, 表明低温胁迫下气孔因素是限制DX光合碳同化效率的主要原因[25, 26]。此外, 他们还发现适度施加外源5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid, 5-ALA)能有效减缓冷害引起的氧化损伤, 从而提高垂穗披碱草种子在冷胁迫下的抗寒性[27, 75], 进一步研究发现, 外源施加5-ALA显著增加了抗寒的DX体内NO合酶(nitric oxide synthase, NOS)活性以及NO的释放, 但对冷敏感的ZD增加不显著[28]。通过NO清除剂抑制NO的产生能破坏外源5-ALA带来的保护效应, 但外源NO处理和抑制内源NO的积累均不能诱导5-ALA, 表明在垂穗披碱草中, NO可能是5-ALA诱导的抗寒机制中的下游信号[28]。另有研究[25, 29]表明, 外源褪黑素的施加可能诱导产生内源褪黑素, 进一步激活下游抗寒关键基因如EnCBF9、EnCBF14、EnCOR14a的表达, 缓解低温胁迫造成的氧化损伤。除了这种脱落酸(abscisic acid, ABA)非依赖途径外, 外源褪黑素也能通过ABA依赖途径提高冷胁迫下抗氧化酶活性缓解ROS造成的氧化损伤[29]。虽然Fu等[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]在垂穗披碱草抗冷(0 ℃以上低温胁迫)机制方面做了较为系统的研究, 但关于该属植物如何适应冻害的机制却少有学者探究。

4 其他胁迫抗性
4.1 重金属胁迫

随着工业化进程的加快, 土壤重金属污染日渐突出, 重金属在植物体内过度积累会打乱植物本身的代谢活动, 抑制植物生长, 甚至造成植株死亡。而且重金属在人体内长期积累也会影响人类健康, 在粮食安全问题日益受到关注的当下, 通过重金属抗性植物和超积累植物对重金属土壤进行修复是目前研究的热点之一。尽管有关披碱草属植物应对重金属胁迫的文章较少, 但仅有的资料也暗示着该属植物对重金属胁迫有一定的耐受性。李希铭[76]的研究表明, 披碱草对镉的耐受性较好, 且地上部镉含量较高, 是较理想的镉修复材料。杨丽等[77]对采自全国各地的20份野生披碱草种质的耐镉性进行了研究, 发现耐镉性强的种质叶片SOD和POD活性随镉胁迫浓度增加不断升高, 而耐镉性差的材料却呈下降趋势。而李慧芳等[78, 79]的研究也表明, 披碱草和老芒麦对铅也具有较好的耐受性, 且不同老芒麦种质资源间也存在较大的差异。Zhang等[80]发现内生真菌侵染能显著增加高镉(≥ 100 μ mol· L-1)胁迫下披碱草的种子萌发及幼苗Pro、MDA和抗氧化酶活性, 提高对镉的耐受性。薛博晗等[81]发现外源添加柠檬酸、苹果酸和草酸能显著提高披碱草对镉胁迫的耐受性, 并增加体内镉积累, 进一步强化披碱草修复镉污染土壤的效率。然而目前为止, 对披碱草属植物重金属胁迫的耐受机制还未见报道。

4.2 复合胁迫

植物在其一生中往往不止受到单一环境因子的伤害, 多数情况下需要面对多个因子带来的复合胁迫, 如在青藏高原等高寒地区生长的植物面临冷害与水分双重胁迫, 而西北荒漠地区生长植物会受到高温和干旱的威胁, 干旱半干旱地区由于长期不合理灌溉也导致了次生盐碱化等。而披碱草属植物主要分布在上述区域也造就了其特殊的抗寒、抗旱、耐盐等多重抗性, 复合胁迫下披碱草属植物的抗性研究对作物和牧草的育种都具有十分重要的意义。

韩国的研究人员报道了一个来自老芒麦的小热激蛋白EsHsp16.9能赋予大肠杆菌(Escherichia coli)对高盐、渗透胁迫以及重金属(砷)胁迫的多重抗性[82]。该研究一方面证实了老芒麦抵御多重胁迫的能力, 还找到了一个可能参与调控其多重抗性的候选蛋白, 然而遗憾的是, 作者并没有更进一步去验证该蛋白在真核生物中的功能。我国对披碱草属植物多重胁迫抗性方面研究也较少, 而且由于研究起步较晚, 直到近两年才有相关研究, 因此研究的深度仍较浅。马晓林等[83]分析了垂穗披碱草和老芒麦幼苗对盐和低温的响应, 结果表明, 盐胁迫能够诱导垂穗披碱草和老芒麦根尖细胞内H2O2的积累, 且低温处理加剧了垂穗披碱草根尖中H2O2的积累, 导致根尖细胞大量死亡; 但低温却能缓解盐胁迫对老芒麦的损伤, 该研究认为低温诱导增强了老芒麦中CAT 活性, 清除了部分H2O2, 使根尖H2O2的积累减少, 进而减轻了盐对根尖细胞的损伤程度。王传旗等[84]的结果表明, 低温和PEG6000处理均能抑制老芒麦种子的萌发, 低温+渗透胁迫处理的抑制更为明显。然而关于披碱草属响应多重复合胁迫的机制几乎没有涉及。

5 存在问题及展望
5.1 缺少抗逆机制的深入研究

尽管近年来针对披碱草属植物抗逆性方面开展的相关研究越来越多, 然而绝大多数研究集中在对属内不同种和(或)不同品种的抗逆性评价方面, 涉及到机理研究的极少, 关于该属抗逆分子机制的研究几乎没有。尽管个别的文章对这方面有所涉及(表1), 大多并没有得出确切的结论, 因此, 对披碱草属植物如何适应各种逆境胁迫的机制方面几乎还是空白。目前已知该属中老芒麦为同源四倍体, 其余的优势种均为六倍体[12, 13], 且由于遗传背景复杂, 重复序列多, 基因组尚无法解析, 对后续分子机制的研究带来了很大困难。同时, 披碱草属分类上的混乱也限制了对其优良抗性的深入探索。

表1 已报道的披碱草属抗逆性相关机制 Table 1 The mechanisms reported to be involved in the abiotic stresses resistance of Elymus species
5.2 评价体系不够合理

近年来关于披碱草属抗逆性评价的研究, 一方面由于供试品种或种质资源不同, 得到的结果也不尽相同, 甚至部分研究关注的是不同种质资源在抗性方面的差别, 却并没有提供这些种质的来源、采集地的气候条件和海拔等信息, 对后续工作的指导意义不大。另一方面, 过往的研究在抗逆性综合评价的方法上也存在许多差异, 有些以膜透性或叶绿素含量为主要评价指标, 另一些研究则通过隶属函数法进行综合评价, 其中大多数以抗氧化酶活性和有机渗透调节物质的含量作为主要评价依据, 这些研究多以生理指标作为评价依据, 却大多忽视了表型, 导致许多研究得出的结论存在一定的问题, 因此认为, 现有评价体系在一定程度上存在不科学性。首先, 不同胁迫对植物造成的伤害有共性也有特殊性, 比如盐胁迫不仅带来渗透胁迫、膜脂过氧化, 还有Na+本身的毒害效应[42, 85]; 干旱胁迫的主要诱因是水分亏缺, 与渗透胁迫并不完全一致。因此, 对不同胁迫类型应采用不同的评价体系。其次, 不同种或不同品种对胁迫的耐受程度不同, 在特定胁迫条件下对逆境的抵御策略也不同, 而抗氧化酶和渗透调节在植物响应胁迫过程中属于较早期的事件, 并不是植物对刺激的最终反应。此外, 这两类指标在胁迫下的增加为非线性的。因此, 抗氧化酶活性和有机渗透调节物质的含量这两类指标具有一定的参考价值, 却并不能作为主要的评判指标。

以干旱胁迫为例, 植物在遭受水分胁迫时, 会出现游离脯氨酸的大量积累, 所以很多研究者主张可将Pro积累的数量作为植物抗旱性的指标。但是, 也有些研究表明, 不同植物品种在水分胁迫时, Pro的积累有很大差异, 有些抗旱品种在轻度干旱胁迫时Pro含量并不高, 而一些不抗旱品种, 器官组织内部水势下降快, 游离Pro积累也快。因此, 用Pro积累作为抗旱鉴定指标时, 应结合其他抗旱鉴定指标一起评价。Pro不仅作为植物渗透调节物参与调节, 其亲水性还可以防止胁迫时组织细胞的脱水。脯氨酸的存在可以消除蛋白质分解初期产生的氨, 防止其他有毒物质的积累。游离脯氨酸积累的作用有:一是可作为细胞的有效渗透调节物质; 二是保护膜和酶的结构; 三是作为可直接利用的无毒形式的氮源, 作为能源和呼吸底物, 参与叶绿素的合成等; 四是从游离脯氨酸在逆境条件下积累的途径来看, 它既可能有适应性的意义, 也可能是细胞结构和功能受损伤的表现, 是一种伤害反应[61]。因此认为, 通过胁迫下叶片渗透势与水势的测定, 分析植株的水分状况, 相比游离脯氨酸、甜菜碱等渗透调节物质的积累更为直接准确。

又如在轻度干旱胁迫下, 植物受到生长抑制但不致死, 强抗旱品种体内产生活性氧类(ROS)较少, 因此SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性相比干旱敏感品种较低, 而在重度干旱胁迫下, 抗旱品种积累了更多的抗氧化酶以清除ROS, 而干旱敏感品种膜脂过氧化加剧, ROS清除系统紊乱, 抗氧化酶活性反而降低。因此, 抗氧化酶活性的高低不能始终反映供试材料的抗性强弱。如要作为抗性评价指标, 其在隶属函数计算时作为正相关指标还是负相关指标须结合表型去分析, 但不易界定, 容易引起混淆。此外, ROS的种类多种多样, 植物清除ROS的途径也很多, 如细胞通过水-水循环清除超氧阴离子和H2O2, 水-水循环无法清除的ROS和叶绿体基质中产生的ROS又可被SOD和基质抗坏血酸-谷胱甘肽(ascorbic acid-glutathione, ASA-GSH)循环所清除。基质中, 过氧化物还原酶(peroxiredoxin, Prx)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)也参与H2O2的清除。在过氧化物酶体中, 因脂肪酸氧化、光呼吸或其他反应而产生的ROS可以被SOD、CAT和抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)所清除。而ROS也是一柄双刃剑, 既可以抵御生物/非生物胁迫反应和调节植物生长发育, 又是一类损伤植物细胞的毒性分子[42]。因此, 不建议将这类反馈调节物质作为抗旱评价的指标。相对而言, 细胞质膜透性(即相对电导率)等线性指标以及植物生长发育抑制的表型作为植物响应胁迫刺激的最下游事件, 能较真实地反映植物受伤害的程度, 应适当增加在隶属函数分析时所占权重。

5.3 缺乏稳定的遗传转化体系

分子生物学中对基因功能的研究越来越多的倾向于在真核生物活体中的功能验证, 主要分为功能获得(gain of function)和功能缺失(loss of function)两大类, 而后者对结果的真实性更为可靠, 但无论是经典的RNA干扰(RNA interference, RNAi)还是近年来的热点CRISPR-Cas9基因组精准编辑技术, 都无疑需要有稳定的遗传转化体系。而披碱草属近年来关于组织培养方面的研究极少, 这将严重阻碍对其抗逆基因资源的挖掘与利用。近两年关于毛状根在许多草类植物遗传转化体系建立中的研究越来越多, 或许能为披碱草属的研究提供借鉴作用。

5.4 展望

近些年, 对于披碱草属植物抗逆性的研究陆续展开, 但截至目前, 研究的深度亟待提高。随着分子生物学和生物信息学的快速发展, 今后在这一领域的研究应以解析其抗逆机制为主, 今后的重点应逐步开展老芒麦和垂穗披碱草基因组测序工作, 同时建立高效稳定的遗传转化体系, 为通过CRISPR-Cas9基因编辑技术挖掘重要抗逆基因奠定基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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