新疆野苹果逆境响应机制研究进展

徐佳宁等

摘 要： 新疆野苹果是我国新疆天山野果林区中珍贵的第三纪孑遗植物，具有抗寒性强、 耐虫、 耐病、耐旱等优良性状。新疆野苹果不仅是我国苹果属重要的野生资源，也是我国果树遗传育种优质的抗逆种质资源。了解新疆野苹果在逆境条件下的生命活动规律，对植物抗逆育种和增产增收都具有十分重要的意义。本文综述了近年来新疆野苹果在基因水平、蛋白质水平和生理生化水平逆境响应机制的研究进展， 提出未来对新疆野苹果的逆境响应机制研究应更深入到分子生物学水平。

关键词： 新疆野苹果；逆境；响应机制

中图分类号： S661.1-1（245） 文献标识号：A 文章编号： 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

苹果原产于欧洲东南部、中亚和我国新疆[1]。有研究认为，现代栽培苹果 （Malus domestica Borkh.）的祖先种可能是新疆野苹果 [Malus sieversii （Lebed.） Roem.][2]。新疆野苹果又称塞威士苹果，主要分布在伊犁河谷地两侧的天山中，其次分布于塔城地区的塔尔巴哈台山南麓、巴尔鲁克山西侧，海拔1 000～1 700 m的天山野果林中[3]。天山野果林是第三纪古温带阔叶林的残遗群落[4]，是在荒漠地带山地中出现的罕见的“海洋性”阔叶林类型[5]，其中新疆野苹果总面积达8 786 hm2，是天山野果林的主体，属第三纪孑遗物种[3]。

新疆野苹果能耐极端最低温-35℃～-30℃，耐旱力较强，并能耐瘠薄土壤，适应性较强，是我国西北地区栽培苹果的主要砧木[5]。与其他苹果砧木相比，新疆野苹果的抗旱性优于平邑甜茶、八棱海棠、黄太平、‘M26、‘M9等苹果砧木[6～8]；其耐寒性， 虽不及原产东北的山定子，但优于莱芜难咽和烟台沙果[9]。因此，新疆野苹果不仅是我国苹果属重要的野生资源，也是我国果树遗传育种优质的抗逆种质资源。了解新疆野苹果在逆境条件下的生命活动规律，对植物的抗逆育种、增加产量和环境保护都具有十分重要的意义。本文综述了近年来新疆野苹果在基因、蛋白质和生理生化水平的逆境响应机制的研究进展。

1 与逆境响应相关基因的研究

植物的抗逆性为数量性状，由多基因控制。植物在逆境胁迫条件下，会关闭一部分正常表达的基因，同时诱导表达一部分与逆境适应相关的基因。植物在逆境下的生长情况会发生改变，包括从形态到生理功能和生物化学甚至分子结构上的改变[10]。这些变化都离不开逆境适应相关基因的诱导表达。

徐彦等[11]通过抑制性差减杂交的方法构建了新疆野苹果根组织在干旱胁迫下的诱导表达差减文库和抑制表达差减文库，测序鉴定后共得到了参与新陈代谢、能量代谢、转录、翻译、蛋白质修饰与降解、细胞信号转导、DNA加工等16个生物学功能大类的268个有效ESTs。Zhao等[12]克隆了新疆野苹果的 MsDREBA5 基因，并发现低温、干旱和外源ABA胁迫可诱导 MsDREBA5 基因的表达，盐胁迫则抑制其表达。在拟南芥中过表达 MsDREBA5 基因可降低其干旱胁迫应答基因的表达水平。Peng等[13]检测了新疆野苹果、湖北海棠和八棱海棠在干旱胁迫下促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）基因的表达变化，发现其表达水平与抗旱性呈正相关，抗旱性最强的新疆野苹果 MAPK 表达水平最高。

2 与逆境响应相关蛋白的研究

植物体在多种逆境条件下都会诱导产生逆境蛋白，同时抑制部分正常蛋白的合成。逆境蛋白可以被广泛的诱导和存在于植物的不同生长阶段、不同器官和不同组织中[10]。其中植物细胞生物膜系统中的逆境蛋白与植物的抗逆性密切相关。

植物根系中的水孔蛋白对水分的传输起重要作用。代佳佳[14]用HgCl2处理使正常水分和不同程度干旱条件下的新疆野苹果幼苗根系水流速率和水流导度均明显下降，且下降的幅度与HgCl2的浓度呈正相关。用β-巯基乙醇恢复处理后，其根系水流速率都得到了一定程度的恢复。这说明新疆野苹果幼苗根系中存在一部分对HgCl2敏感的水孔蛋白。根系的水流速率和水流导度下降，说明干旱条件下根系水孔蛋白的活性受到了抑制。试验还发现，新疆野苹果根系质膜水孔蛋白多以二聚体和单体的混合物形式存在，其表达受逆境胁迫诱导或抑制。不同的水孔蛋白在干旱胁迫下的不同表达模式，说明新疆野苹果幼苗根系中的水孔蛋白可能存在多种调节机制。Peng等[13]检测了新疆野苹果、湖北海棠和八棱海棠在干旱胁迫下促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）的活性，发现其活性水平与抗旱性呈正相关，抗旱性最强的新疆野苹果MAPK活性最高。同时，还发现苹果MAPK响应干旱胁迫时，其酶活性受磷酸化和去磷酸化作用的调控。

3 与逆境响应相关生理生化机制的研究

3.1 渗透调节物质对逆境的响应

为适应高低温、干旱、盐碱等逆境胁迫影响而造成的植物细胞水分的亏缺，植物细胞会通过主动形成渗透调节物质提高溶质浓度降低水势的方式从外界获得充足的水分[11]。这些渗透调节物质主要有无机渗透调节离子、可溶性糖、可溶性蛋白和游离的脯氨酸等。

新疆野苹果的幼苗在干旱胁迫的条件下，其可溶性糖、游离脯氨酸和可溶性蛋白都呈现不同程度的积累。随着胁迫程度加重和胁迫时间的增加，这三种物质的含量都呈现上升趋势，说明在干旱胁迫时，新疆野苹果幼苗可通过渗透调节作用来适应逆境[14]。

3.2 植物抗氧化酶系统对逆境的响应

植物体内活性氧的产生与清除机制的动态平衡维护着植物的正常生长[15]，而逆境胁迫会打破这种平衡，从而导致活性氧在植物体内积累，引起植物体发生各种不良生理生化变化[16]。高低温、干旱、盐碱等逆境条件都会增强植物体内的活性氧代谢，产生过量的可以损伤蛋白质膜脂和其他细胞组分的过氧化物自由基。因此，植物体内清除活性氧的能力是评价植物对逆境抗性的关键因素之一。

研究表明，随着干旱胁迫时间的延长，可导致苹果属植物叶片中活性氧物质的不断积累[17]，细胞膜的透性增加，叶片的相对电导率逐渐上升[7]，但抗旱性较强的品种如新疆野苹果增幅较小，而抗旱性弱的品种如平邑甜茶的增幅较大。说明这些指标的上升幅度可在一定程度上反映品种间对逆境抗性的差异。

谭冬梅[7]发现平邑甜茶的叶片干旱胁迫处理后，经0.1% 氯化硝基四氮唑蓝液（NBT）染色首先发生颜色变化，新疆野苹果的着色时间则明显延后，说明新疆野苹果体内的活性氧清除机制比平邑甜茶强。因此，随胁迫时间延长新疆野苹果体内的活性氧清除机制能有效清除活性氧，使其保持较低水平，而平邑甜茶快速在体内累积活性氧。

SOD和CAT 是机体清除超氧化物自由基的酶类，在胁迫过程中 SOD 和 CAT 活性水平的变化，可以反映细胞内保护酶类在超氧化物自由基产生和清除的平衡之间的调控关系。在干旱胁迫处理的条件下，随干旱胁迫程度的加剧，新疆野苹果的细胞质膜相对透性和 MDA 含量增加[8]，同时其细胞内的保护酶SOD和CAT活性水平显著上升，复水后，中度和重度水分梯度处理的新疆野苹果 SOD的活性与对照无显著差异，CAT活性与对照分别为差异不显著和差异显著。

3.3 核酸代谢与逆境响应

研究表明，干旱胁迫可使苹果属植物叶片中的DNA和RNA 的含量降低，但抗旱性较强的品种下降幅度小于抗旱性较弱的品种[18]。曹慧等[17]研究表明，抗旱性较强的新疆野苹果在干旱胁迫下幼苗叶片的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较弱的平邑甜茶。平邑甜茶和新疆野苹果幼苗叶片的DNA、RNA 含量在干旱胁迫下与DNase和RNase 活性均呈显著相关。

3.4 细胞程序性死亡与逆境响应

细胞程序性死亡是生物体发育过程中普遍存在的，是一个由基因决定的细胞主动的有序的死亡方式，是生物体产生逆境应答的基本特征之一[19，20]。谭冬梅等[18]在研究干旱胁迫与新疆野苹果叶片细胞程序性死亡的关系时，发现干旱胁迫可诱导Caspase 蛋白酶基因的表达，进而导致其叶片及根部的细胞发生程序性死亡，并且在细胞程序性死亡过程中伴有类Caspase-3 蛋白酶的产生。

3.5 内源激素对逆境的响应

植物的内源激素不仅在调节植物发育过程中起重要作用，同时也在信号通路响应生物胁迫和非生物胁迫中起重要作用。Bai等[21]研究了新疆野苹果和湖北海棠在低氧胁迫下根和叶组织中内源激素的变化情况。结果显示，低氧胁迫对这两个苹果品种的生长都有抑制作用。与湖北海棠相比，新疆野苹果对低氧胁迫有更强的适应性。低氧胁迫下两个苹果品种根和叶中的脱落酸、赤霉素和吲哚-3-乙酸的含量均上升；而玉米素核苷、异戊烯基腺嘌呤和双氢玉米素的表达模式存在品种间差异。这说明苹果对低氧胁迫的应答过程并不是由单一内源激素响应，而是有多种内源激素的参与。

3.6 光合作用对逆境的响应

叶绿素是反映光合作用强度的重要指标， 在干旱胁迫条件下，抗旱性越强，叶绿素含量下降的幅度越小。张静等[6]用25% 的PEG 处理M9、M26、八棱海棠、平邑甜茶、新疆野苹果，其相对叶绿素含量与对照相比分别下降了45.64%、52.01%、34.58%、12.07%、7.20%。由此可知，新疆野苹果的叶绿素含量下降幅度最小，抗旱性最强。

正常水分处理和中度干旱胁迫下新疆野苹果叶片净光合速率日变化为不典型双峰型[22]，且叶片净光合速率下降主要受气孔因素限制；重度干旱胁迫下新疆野苹果叶片净光合速率的日变化呈现严重午休型，叶片净光合速率下降主要受非气孔因素限制。差异显著性分析表明，中度和重度干旱胁迫使新疆野苹果叶片净光合速率日均值与对照分别达到显著和极显著差异。3种水分梯度处理后新疆野苹果水分利用率日变化均呈先快速下降后缓慢上升的趋势，并表现上午时段的水分利用率大于下午时段；水分利用率日均值按对照、中度和重度干旱胁迫依次降低。相关性分析表明，随着干旱胁迫的增强，大气温度、大气CO2浓度和相对湿度等生态因子对新疆野苹果叶片净光合速率的影响增大，其中相对湿度对叶片净光合速率的影响最显著。

曹慧等[23，24]研究了新疆野苹果在干旱胁迫条件下的光合过程，发现新疆野苹果光合速率的影响除受气孔因素限制外，在胁迫后期由活性氧代谢失调所诱导的非气孔因素也是限制光合速率的主要因素之一。

4 展望

综上所述，新疆野苹果作为耐寒、耐虫、耐病、耐旱的优良野生种质资源，近年来，已有大量关于其抗逆机理及其评价指标方面的研究。但同时也存在许多亟待解决的问题：一是植物逆境胁迫应答过程中表现为多个生理生化指标的变化，而各个指标通过哪些具体的通路发生联系的，对此研究还不够深入；二是研究条件主要集中在干旱胁迫这一种逆境条件下，难以研究其对不同逆境响应机制的共性和特异性；三是研究多集中在其抗逆生理指标的测定，没有从分子水平上阐明新疆野苹果的抗逆机制。

目前，随着基因工程和分子生物学研究的飞速发展和试验方法的丰富，从分子水平上阐明新疆野苹果的抗逆机制及其生理功能、分离抗逆功能基因以培育苹果抗逆新品种、并用分子手段确定抗逆性评价指标已成为可能[25，26]。因此，加强新疆野苹果逆境响应机制的系统研究，在分子水平上研究和阐明其抗逆机理，不仅为保护新疆野苹果种质资源具有重要意义，同时也可为培育高抗逆性的苹果品种提供理论和技术支持。

参 考 文 献：

[1] 王金政， 薛晓敏， 路超. 我国苹果生产现状与发展对策[J]. 山东农业科学， 2010 （6）： 117-119.

[2] 李育农. 世界苹果和苹果属植物基因中心的研究初报[J]. 园艺学报， 1989， 16（2）： 101-108.

[3] 林培钧， 崔乃然. 天山野果林资源： 伊犁野果林综合研究[M]. 北京：中国林业出版社， 2000.

[4] 张新时. 伊犁野果林的生态地理特征和群落学问题[J]. Journal of Integrative Plant Biology， 1973，15（2）：239-253.

[5] 王磊. 新疆野苹果和新疆野杏[J]. 新疆农业科学， 1989， 6（1）： 33-34.

[6] 张静， 赵亮明， 邹志荣. 不同苹果砧木组培苗抗旱性的比较研究[J].果树学报， 2013， 30（1）： 88-93.

[7] 谭冬梅. 干旱胁迫对新疆野苹果及平邑甜茶生理生化特性的影响[J]. 中国农业科学， 2007， 40（5）： 980-986.

[8] 郭献平. 新疆野苹果抗旱生理特性研究[D]. 乌鲁木齐：新疆农业大学， 2009.

[9] 赵玲玲， 宋来庆， 刘志， 等. 低温胁迫下 4 种苹果砧木叶 片多胺的变化[J]. 果树学报， 2008， 25（2）： 151-156.

[10] 张亚军， 王丽学， 陈超， 等. 植物对逆境的响应机制研究进展[J]. 江西农业学报， 2011， 23（9）： 60-65.

[11] 徐彦， 钟翡， 廖康， 等. 干旱胁迫下新源 1 号新疆野苹果抑制性差减文库的构建与初步分析[J]. 农业生物技术学报， 2010， 18（1）： 149-155.

[12] Zhao X， Lei H， Zhao K， et al. Isolation and characterization of a dehydration responsive element binding factor MsDREBA5 in Malus sieversii Roem [J]. Scientia Horticulturae， 2012， 142： 212-220.

[13] Peng L X， Gu L K， Zheng C C， et al. Expression of MaMAPK gene in seedlings of Malus L. under water stress [J]. Acta Biochimica et Biophysica Sinica， 2006， 38（4）： 281-286.

[14] 代佳佳. 新疆野苹果幼苗对干旱胁迫的生理及水力学响应[D]. 杨凌：西北农林科技大学， 2011.

[15] 杜秀敏， 殷文璇， 赵彦修， 等. 植物中活性氧的产生及清除机制[J].生物工程学报， 2001， 17（2）： 121-125.

[16] 方允中，李文杰. 自由基与酶[M].北京： 科学出版社， 1989.

[17] 曹慧，韩振海，许雪峰.抗旱性不同的苹果属植物干旱胁迫下核酸代谢及自由基变化[J]. 园艺学报，2002，29（6）：505-509.

[18] 谭冬梅，许雪峰，李天忠，等.干旱胁迫诱导苹果属植物细胞程序性死亡的研究[J].园艺学报，2007，34（2）：275-278.

[19] He C J， Morgan P W， Drew M C. Transduction of an ethylene signal is required for cell death and lysis in the root cortex of maize during aerenchyma formation induced by hypoxia [J]. Plant Physiology， 1996， 112（2）： 463-472.

[20] Vaux D L， Strasser A. The molecular biology of apoptosis [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 1996， 93（6）： 2239-2244.

[21] Bai T， Yin R， Li C， et al. Comparative analysis of endogenous hormones in leaves and roots of two contrasting Malus species in response to hypoxia stress [J]. Journal of Plant Growth Regulation， 2011， 30（2）： 119-127.

[22] 郭献平， 王燕凌， 廖康， 等. 干旱胁迫对新疆野苹果净光合速率和水分利用率日变化的影响[J]. 新疆农业大学学报， 2009， 32（3）： 17-21.

[23] 曹慧， 许雪峰， 韩振海， 等. 干旱胁迫下抗旱性不同的两种苹果属植物光合特性的变化[J]. 园艺学报， 2004， 31（3）： 285-290.

[24] 曹慧，王孝威，韩振海，等.干旱胁迫对苹果属植物叶片超微结构的影响[J].中国农学通报，2004，20（3）：175-178.

[25] 焦其庆， 陈学森， 郑巧娜， 等. 苹果周期蛋白依赖性蛋白激酶亚基基因 MdCKS 表达载体的构建[J]. 山东农业科学， 2011（8）：1-3.

[26] 张全芳， 李军， 范仲学， 等. 高通量测序技术在农业研究中的应用[J]. 山东农业科学，2013，45（1）：137-140.