能源植物柳枝稷抗逆性研究进展

杨淞惠+黄萍+杨冉+祁珊珊+李欣欣+杜道林

摘要：柳枝稷（Panicum virgatum L.）作为一种纤维素转化乙醇的模式能源植物，因其适应性强，生长速度快，生物量增长潜力大和对环境友好而受到国内外学者的重视，成为当前研究的热点。对国内外关于柳枝稷在盐胁迫、干旱胁迫、营养胁迫及高温胁迫等多种逆境条件下生理生化及分子方面响应的研究进行了概述，以期为今后更好地开发利用柳枝稷提供理论依据。

关键词：柳枝稷（Panicum virgatum L.）；能源植物；适应性；抗逆性

中图分类号：S216.2；Q945.78 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4513-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.001

Advances in Stress Tolerance of Switchgrass

YANG Song-hui1， HUANG Ping1，2，YANG Ran1，QI Shan-shan1，LI Xin-xin1，DU Dao-lin1，2

（1.Environmental and Safety Engineering Institute， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China；

2.Agricultural Academy of Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China）

Abstract： Switchgrass（Panicum virgatum L.） is a model crop for converting cellulose into ethanol. Due to its broad adaptability， rapid growth， high biomass potential and eco-friendly habit， switchgrass attracts more attention of scholars at home and aboard. The advances in physiological， biochemical and molecular aspects of the switchgrass responsing to stress of salinity， drought， nitrition-defeciency and heat were reviewed. It will provide a reference for the future studies on switchgrass.

Key words： switchgrass（Panicum virgatum L.）； energy crop； broad adaptability； stress tolerance

柳枝稷（Panicum virgatum L.）属于禾本科（Gramineae）黍属（Panicum），是起源于北美洛基山脉以东、北纬55 ℃以南大草原的高秆多年生草本C4植物。因其富含纤维素，通常被用于放牧、生态建设以及生产乙醇等。由于柳枝稷具有适应性强，生长速度快，生物量潜力大，对环境友好等多种优点，美国率先把它作为一种模式能源植物进行系统研究，随后引发了生物质能源研究领域的热潮。能源植物对逆境环境的适应性一直是科学家们关注的热点，这些特征直接决定了能源植物可投放的领域及分布范围。因此，研究能源植物对逆境的生理生化及分子响应规律变得尤为重要。Louis等[1]将低地生态型柳枝稷分别种植在高、低营养土地上，经过连续3年的培育，最终发现在贫瘠土地上有助于C0代的筛选，而肥沃土地上则有助于C1代的筛选。Hendrickson等[2]研究了柳枝稷、紫花苜蓿和小麦草在缺水季节对水分的综合利用率，发现柳枝稷高于另外两种植物，同时发现土壤水分亏缺不利于柳枝稷在连续干旱的季节中存活。

本文综述了柳枝稷对盐分、干旱、营养及高温胁迫等多种逆境条件下的生理生化及分子方面的响应研究，分析并比较了国内外的最新研究进展，以期为今后的研究提供参考。

1 柳枝稷对盐胁迫的耐性

中国从滨海到内陆，从低地到高原分布着不同类型的盐碱土壤，严重制约了中国农业的发展。柳枝稷可用于水土保持和植物修复[3]，利用盐碱地土壤进行柳枝稷的栽培和推广，不仅能够充分利用土地资源，而且能筛选出耐盐碱柳枝稷品种，可获得巨大的生态效益和经济效益[4]。分析柳枝稷种子和幼苗的耐盐性水平，能为柳枝稷的引种、育种工作提供参考。于晓丹等[5]选用0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的NaCl混合盐和Na2SO4混合盐溶液处理柳枝稷种子，结果表明，盐溶液含量越高，发芽率越低，因此建议在引种栽培过程中NaCl的含量应不高于1.2%。赵春[4]用单盐NaCl和混合盐溶液处理柳枝稷种子和幼苗，通过测定种子发芽率、幼苗活力、株高等指标发现NaCl单盐胁迫对柳枝稷种子发芽影响较大，但低浓度（3、6、9 g/L）混合盐溶液可以加速柳枝稷种子的萌发。杜菲等[6]选取了Blackwell、Cave-In-Rock、Sunburst、KY1625、Pathfinder 5个品种的柳枝稷，使用不同浓度的NaCl溶液处理后，测定种子发芽率、幼苗株高、鲜重等的变化，对比发现Cave-In-Rock、Sunburst、Pathfinder耐盐性较强。这些结果界定了不同品种柳枝稷的耐盐能力，为柳枝稷的引种、育种工作提供了参考。

除此之外，近年来有学者研究了柳枝稷应对盐胁迫的分子机制。Sun等[7]以1/2 MS培养基为基础培养基，设置4个盐含量梯度（0.10%、0.25%、0.50%、1.00%）对Alamo品种柳枝稷种子和幼苗进行耐盐试验，通过RNA提取和实时定量PCR分析了在不同盐含量处理下12个miRNAs的表达差异，结果发现miR157是0.25%盐含量胁迫处理下变化最大的，其他11个miRNAs的表达差异相对较小，这为柳枝稷耐盐品种的选育提供了分子理论依据。而Wang等[8]同样以Alamo品种柳枝稷为研究对象，在每千克干土中分别添加了1、3、5、10、15 g NaCl，测定了不同浓度处理下叶和根中APX、GSH、MDA、CAT、SOD、POD的含量，以此为基础建立了柳枝稷在盐胁迫下叶和根的响应模型。

2 柳枝稷对干旱胁迫的抗性

缺水对植物的生长有着极其重要的影响，也是限制柳枝稷生长的重要因素之一[9]。干旱逆境胁迫可导致大部分植物各种代谢无序进行，这些影响不仅表现在植物生长发育的各个阶段，还会在一定程度上影响多年生植物下一年的生长发育[10，11]。近年来，关于柳枝稷干旱胁迫研究引起国内外学者越来越多的关注。杨新国等[12]在研究中因地制宜，针对在半干旱黄土丘陵地区引进柳枝稷作为能源植物生产的开发潜力及约束机制进行试验分析，结果表明，农田尺度晚熟柳枝稷尽管在雨热同步期的资源利用效率上存在明显优势，但在降水资源分配策略上，早熟柳枝稷表现出综合的生态适宜性优势。干旱胁迫导致柳枝稷作物减产，主要是通过降低气孔导度和抑制叶绿素光合作用来实现的。郑敏娜等[13]利用透射电镜技术研究了柳枝稷叶肉细胞叶绿体和线粒体超微结构在水分胁迫条件下的变化，并测定了与生长过程有紧密联系的叶绿素含量和光合速率等指标，分析了其主要生理功能对水分胁迫的响应。结果表明，经8 d水分胁迫后，叶绿体和线粒体的结构均发生了不同程度的变化，且线粒体对水分胁迫的耐受性强于叶绿体，光合速率的高低与叶绿体的结构变化相关。这些研究为柳枝稷耐旱品种的选择、引进和选育提供了形态学和生理学依据。Sun等[7]在对Alamo品种柳枝稷种子和幼苗的耐盐耐旱研究中发现，12个miRNAs中，miR156和miR162在干旱胁迫中有明显的表达差异。为了比较不同品种柳枝稷对干旱胁迫响应的差异，Stroup等[14]在研究比较了低地生态型（Alamo和Kanlow）和高地生态型（Blackwell和Caddo）的柳枝稷在相同缺水条件下的不同响应，最终结果表明低地生态型的生物产量更高而高地生态型却对干旱胁迫的响应更小。这些研究为柳枝稷耐旱品种的选择、引进和选育提供了形态学和生理学依据。

3 柳枝稷对营养胁迫的适应性

柳枝稷属于非粮能源作物，在边际土地上对其进行开发利用与规模化种植不仅可以合理化利用土地资源，而且能有效解决当前生物质能源产业原料不足的问题[15]。范希峰等[16]在2010年通过对比华北地区3种贫瘠沙化的边际土地和3种移栽方式对柳枝稷Alamo品种幼苗的影响，得出柳枝稷能在我国华北地区稳定存活，并可根据移栽的距离选择不同的移栽方式进行种植的结论。针对沙化土地中缺少营养的状况，侯新村等[17]以沙土为基质，以Alamo品种柳枝稷幼苗为研究对象，采用三因素四水平的处理方法，探索了不同配比的氮磷钾肥料对于柳枝稷幼苗的影响。并在此基础上建立了柳枝稷苗期总生物量与氮磷钾之间的三元二次回归关系，得出了在沙土盆栽条件下，柳枝稷苗期最高生物量所需的最适氮素浓度为115.1 mg/kg，为柳枝稷在我国沙化土地上规模化种植提供了肥料效应方面的科学数据。

虽然柳枝稷对贫瘠土壤具有较强的适应性，但不同品种间也存在差异。Stroup等[14]对比了两种生态型4个柳枝稷品种发现，低地生态型中的Alamo在低营养处理下具有生物量高于Kanlow、Blackwell和Caddo 3个品种的现象。朱毅等[18]选取了包括Alamo、Kanlow、Blackwell等在内的13个品种，用Hoagland缺氮营养液进行培养，最终通过标准差系数赋予权重法对不同品种柳枝稷苗期氮素胁迫的耐受性进行了综合评价，得出各种品种耐缺氮胁迫性由高到低依次为：BJ-4、BJ-3、Forestburg、Pathfinder、BJ-5、Blackwell、BJ-2、Kanlow、Alamo、Cave-In-Rock、BJ-1、Trailblazer、BJ-6，为柳枝稷在贫瘠土地的推广和应用提供了理论依据。

4 柳枝稷对高温胁迫的耐性

柳枝稷作为C4植物，与C3植物相比，具有对生长温度要求较高的特点。早在1985年就有学者研究发现柳枝稷生长的最适温度为30 ℃[19]，经抗寒锻炼后可以忍受-22～-19 ℃的低温[20]。对柳枝稷种子进行不同温度（4～16 ℃）的湿润冷冻处理，打破种子休眠，可以大幅度提高萌发率。而较高温度的干热处理则会对种子造成伤害，致使发芽率降低甚至将种子杀死[21]。由此可见，高温是柳枝稷种子萌发及生长的一个限制条件。虽然这方面的研究还不多，但在当前温室效应日趋严重的情况下，研究仍取得了一定进展。Brown等[22]模拟美国密苏里州-爱荷华州-内布拉斯加州-堪萨斯州的气候环境，对比柳枝稷和传统作物大豆、高粱、冬小麦之间的产量发现，柳枝稷在温度升高3～8 ℃时收获的生物量远大于其他作物。而Li等[23]通过RT-PCR、基因本体论等分子生物学技术从分子角度分析了柳枝稷Alamo品种在38 ℃高温胁迫下5 365个基因的响应情况，最终得到了在柳枝稷、大米、小麦、玉米中均有响应的16个基因，为研究柳枝稷高温胁迫下的响应机制和耐高温基因的遗传转化提供了参考。

5 讨论

柳枝稷具有较好的耐盐、耐旱、耐贫瘠等特性，但在一些环境相对恶劣的土地上，由于水、营养等综合因素的影响，导致其失去了原有的优势[24]。因此，为了提高柳枝稷应用的范围和普适性，对于柳枝稷抗逆性的研究不仅需要其表型的响应数据，更需要深入地研究其生理及分子方面的应对机制。同时，影响因子的交互作用也是在研究过程中需要考虑的因素。Shen等[25]研究柳枝稷细胞壁基因NAC的表达规律，尝试通过调控NAC基因的表达来提高细胞壁的厚度以增加柳枝稷的环境耐受性。Ghimire等[26]通过研究发现柳枝稷的内生真菌至少有18个分类群，高丰度高多样性的内生真菌有利于提高柳枝稷的产量和环境耐受性。这些研究为柳枝稷抗逆品种的开发提供了新的研究思路。随着现代基因工程等生物技术的快速发展，对柳枝稷抗逆性的研究已逐渐深入到分子水平，有关分子层面的机理还需进一步研究，这些都将为筛选柳枝稷抗逆新品种提供有效的科学依据。

参考文献：