腐殖酸对植物抗旱性影响的研究进展

朱珊珊，刘景辉，李英浩，张志芬，戴云仙

（内蒙古农业大学协同创新中心/全国农业科研杰出人才及创新团队,内蒙古呼和浩特 010019）

干旱是一个长期存在的世界性难题,也是限制植物生长的主要因素。水分是植物在生长过程中的必要因子,缺水会影响植物生长发育及生理生化过程。腐殖酸（HA）广泛存在于土壤、泥炭和出露于地表的风化煤、河泥、柴煤之中,主要由黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸组成[1],是一种天然高分子酸性有机混合物,具有节肥增效、改良土壤、促进作物生长、改善农产品质量等功能[2]。已有研究表明,干旱条件下喷施黄腐酸后促进了小麦叶片的持水能力,也增强了耐旱性[3]。除此之外,相比于一些其他的化学调节剂和化学肥料,腐殖酸是一种环境友好型的肥料[4],研究腐殖酸对发展绿色生态农业也有重大意义。鉴于此,笔者系统梳理了国内外腐殖酸对干旱胁迫下植物表观形态、生理水平和分子水平的影响方面所取得的进展,对目前研究中可能存在的问题进行了探讨,以期为科学开发和高效利用腐殖酸资源提供参考。

1 腐殖酸对干旱胁迫下植物表观形态的影响

根系是植物吸收水分和养分的重要器官[4]。当植株受到干旱胁迫时,根系首先感知并发出化学信号促使植株对干旱作出反应,以减小干旱环境对植物体所造成的伤害[5]。根系发育越好,抗旱性则越强[6]。而腐殖酸对植物生长最常见的初始效应就是促进根系发育。干旱胁迫下,腐殖酸钾的施用可显著提高青稞的根平均直径、根投影面积、表面积、体积及分支数等指标,促进青稞对水分及养分吸收,增加其抗旱性[7]。在完全营养液中添加25～50 mg/L的腐殖酸可使小麦（Triticum aestivumL.）根系显著伸长,根量增加,根系活性提高,但对根的半径影响极小[8]。另外,根系活力的高低象征着根系吸收能力的强弱,施用腐殖酸复合肥在灌溉和旱作条件下都能使小麦根系的鲜重以及根系活力显著提高,且在旱作条件下差异显著,说明施用腐殖酸复合肥提高了小麦根系的吸收能力,促进了根系的生长发育,进而提高小麦植株的抗旱性[9]。GARCAR等[10]研究发现,在添加腐殖酸后能降低水稻（Oryza sativaL.）根系的渗透系数,增强其抗干旱能力,是由于腐殖酸在水稻根系表面、表皮细胞以及新生根毛中形成了腐殖酸凝聚体。以上研究表明,干旱条件下适量的腐殖酸能增强植株的抗旱性,但其机理仍存在争议,是因为根系的发育还是腐殖酸在根系表面形成了凝聚体仍须进一步研究。

不同浓度的腐殖酸对干旱条件下的植株形态也有积极作用。水分胁迫下喷施不同浓度腐殖酸水溶肥料都能使燕麦（Avena sativaL.）株高、干物质量、穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量以及生物学产量不同幅度增加,重度水分胁迫下最为显著且在腐殖酸喷施浓度≥50 g/L时效果最佳[11]。同时,在马铃薯（Solanum tuberosumL.）的研究中,叶面喷施500倍腐殖酸水溶性肥,其株高、茎粗和产量也显著增加[12-13]。MOHAMMAD等[14]研究表明,不同生育时期灌水截流显著降低了玉米植株的株高、产量构成、籽粒产量、生物产量和收获指数,但施用腐殖酸后对各性状均有积极作用,降低了水分亏缺胁迫的有害影响,提高了植株的抗旱性。除此之外,严重干旱时,黄腐酸拌种可以使春小麦充分地利用土壤水分,作物生长的内部环境得以改善,进而提高产量[15]。腐殖酸的不同用法都能促进干旱胁迫下植株生长,但哪种使用方法最好尚不清楚。

2 腐殖酸对干旱胁迫下植物生理生化的影响

2.1 腐殖酸对干旱胁迫下植物光合作用的影响

植物的光合作用是地球上最重要的化学反应,而光合作用效率作为决定植物生产力和作物产量高低的首要因素,在植物的生长发育过程中更是占据重要的位置[16],但其对环境变化非常敏感[17]。例如在干旱胁迫下,植物的光合速率、叶绿体吸收光能的能力和转能效率以及光合电子传递速率和磷酸化活力会降低,同时还影响光合碳同化[18]。其中重度干旱胁迫下非气孔因素是限制光合速率的主要原因[19]。重度干旱胁迫喷施腐殖酸可通过减弱非气孔限制,使燕麦叶肉细胞超微结构的损伤程度减小,进而影响燕麦植株的光合作用[20]。此外,干旱胁迫下喷施腐殖酸类物质可使叶绿素的降解速度减缓,光合速率和光合产物积累加快,从而提高细胞内的黏性和弹性,增加植物细胞的持水能力,防止过度失水,进而延缓植株衰老,使小麦抗旱性增强[21]。叶面喷施黄腐酸也可降低气孔开度,增加气孔阻力和叶片水势,降低蒸腾强度,在一定程度上增强根系活力,延缓叶片叶绿素降解,减缓土壤耗水量,从而节水保水,缓解干旱胁迫[22]。水分胁迫下,植物叶片中光合电子传输通量会极大地增加,激发电子进入QA以外的电子传输链,光系统Ⅰ末端电子受体还原产率降低,而腐殖酸可以降低电子传输通量,通过提高植物体内气体交换率和改善电子传输效率,提高植物在水分胁迫下的净光合效率[23-24]。另外,梁太波等[9]研究发现,在旱作和灌溉条件下灌浆后期小麦旗叶最大光化学效率、实际光化学效率和光合电子传递速率均下降,而施用腐殖酸复合肥后又明显提高,且旱作条件下最显著,这与腐殖酸复合肥延缓小麦植株衰老关系密切。

2.2 腐殖酸对干旱胁迫下植物渗透调节代谢的影响

渗透调节可以减轻干旱胁迫对植物的抑制作用[25]。干旱条件下,植物为维持细胞正常的渗透压,防止水分流失,会在体内合成可溶性糖、脯氨酸、甜菜碱和多胺类等渗透调节物质,提高植物渗透调节能力[26]。其中可溶性糖含量增多会增加细胞原生质体的黏度和弹性以及细胞液浓度,从而提高植物对水分的吸收能力及保水能力[27]。逆境条件下脯氨酸可作为渗透物、氮储存化合物、酶类的亲水保护物质、细胞结构物和自由基清除剂来保护细胞[28]。而施用外源腐殖酸对干旱条件下许多作物的渗透积累有显著影响。适宜浓度的腐殖酸可以通过调控渗透调节物质含量以及保护酶活性来减缓干旱胁迫对植株的伤害,提高植株的抗旱能力[29]。因此,研究植物的渗透代谢具有重要意义。张磊[30]对马铃薯的研究中发现,旱作条件下喷施腐殖酸或黄腐酸能显著增加作物叶片内游离脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白质含量,提高细胞的持水能力,增强抗旱性。另外,外源腐殖酸也能通过提高苹果幼苗中游离脯氨酸含量、内源甜菜碱含量、可溶性糖含量,减轻干旱对苹果幼苗的有害影响,提高苹果砧木对根系的耐受性[31]。除此之外,这些渗透调节物质在稳定膜和大分子结构中也发挥着重要作用[32]。喷施腐殖酸促进了重度干旱胁迫下燕麦叶片内脯氨酸、可溶性糖、腐胺和亚精胺的积累,增加细胞对外界水分的吸收,进而降低膜系统的损伤,保护膜结构的完整性来抵御干旱[20]。

2.3 腐殖酸对干旱胁迫下植物抗氧化代谢的影响

植物体内的超氧化物歧化酶、过氧化物酶能够自动清除干旱胁迫下细胞内产生的高浓度的活性氧,从而缓解逆境对植物的伤害。腐殖酸处理后的植株中过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶最高,其可通过诱导抗氧化酶活性进而提高植株的抗旱性[33]。但在VASCONCELOSA等[34]的研究中发现,干旱胁迫下对玉米（Zea mays L.）和大豆［Glycine max（Linn.）Merr.］施用3种不同组分腐殖酸的生物刺激素后发现,施用1号生物刺激素后,2种作物的超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶的活性提高,而过氧化氢酶的活性却没有增强。由此表明,不同的腐殖酸对干旱胁迫下不同植物的抗氧化代谢调节有所差异,其机理还有待研究。除了抗氧化酶外,植物体内还有一种脂质过氧化反应分解的产物丙二醛可以抵御氧化胁迫,其含量的多少间接证明细胞损伤的程度[35-36]。LOTFIA等[37]研究结果表明,施用腐殖酸能提高油菜过氧化物酶活性,显著降低丙二醛含量,从而降低油脂过氧化。另外,腐殖酸浸种可使干旱胁迫下植株体细胞的丙二醛含量以及质膜透性降低,减缓细胞膜的损伤,提高其抗旱性[38-39]。此外,干旱胁迫也会破坏植株细胞质膜的完整性,而腐殖酸可修复或减轻干旱对细胞质膜伤害[3]。GARCAR等[40]结果表明,腐殖酸能降低水稻过氧化氢的含量,提高膜的通透性,证实了腐殖酸对缺水引起的氧化应激反应起到保护作用。尽管关于腐殖酸影响干旱抗氧化代谢的研究较多,但腐殖酸如何通过调控抗氧化系统来抵御干旱的机理还不太明确,是否不同类的腐殖酸对植物的作用不同,具体作用机理还有待深入研究。

2.4 腐殖酸对干旱胁迫下植物内源激素和矿质营养的影响

植物内源激素作为植物代谢的微量活性物质,对植物的生长发育与分化具有重要调控作用[41]。其中,生长素（IAA）抑制作物衰老、脱落酸（ABA）促进叶片衰老。此外,茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）也会诱发叶片的衰老[42]。研究发现,JA类物质能够增加植物的抗旱性[43]。并且较高浓度的JA会抑制植物生长、促进植物衰老[44],而SA通过调控抗氧化酶活性维持细胞氧化还原动态平衡[45]。而腐殖酸能有效控制激素水平,改善植物生长,提高抗逆性[46-49]。YANG等[50]研究表明,在水分亏缺条件下,施用黄腐酸增加了叶片脱落酸,降低了叶片蒸腾速率,从而提高了瞬时水分利用效率。重度干旱胁迫下,喷施腐殖酸可使燕麦ABA、JA和SA含量显著降低,证明腐殖酸可以通过调控内源激素缓解重度干旱胁迫伤害。但是,充足水分下施用腐殖酸并未引起ABA含量的增加。因此认为HA并未参加ABA途径[51]。这与GARCGA等[52]的研究是一致的。腐殖酸通过内源激素调节干旱条件下作物生长的机理复杂,目前这方面的研究尚少,有待继续深入。

氮是植物生长的必需养分,对植物生长发育效果明显[53],磷限制了植物生产力和生态系统平衡[54],钾则以多种方式参与植物体内的各种代谢过程,增强作物抗逆能力[55]。干旱胁迫会限制植物对它们的吸收及在植物体内正常的转运,进而影响植物正常生长发育[56]。腐殖酸可以通过增强植物对营养元素的吸收,改善营养状况,从而使体内防御系统增强,激素调节能力提高,保护光合器官,增强光合作用,增加作物碳水化合物含量和氮含量,提高生长速率,进而提高植物对环境胁迫的抵抗力[57]。叶面喷施腐殖酸能增加马铃薯叶片、茎、根系及块茎中氮、磷、钾含量,干旱胁迫越重,增加效果越显著[13]。腐殖酸可以促进干旱条件下矿质营养在植物中的积累,但是在已知研究中涉及较少,其调控机理也不明确,有待进一步研究。

3 腐殖酸对干旱胁迫下植物逆境响应基因表达的影响

干旱条件下,植物的抗旱调控基因和功能基因会诱导表达,进而编码有机分子合成酶和功能蛋白,参与激素、渗透物质等的合成与积累,调节干旱信号转导,帮助植物应对逆境[58]。施用HA后可诱发含有Ribulose磷酸羧化酶,ADP-葡萄糖合成酶和NADP依赖性甘油醛-3-磷酸脱氢酶的蛋白带,并且植物根系中与蔗糖代谢、苹果酸酶、ATP酶、细胞支架蛋白质等相关的基因出现了差异表达[59-61],其中对作物根系生长影响最大的是H+-ATP酶基因的差异性表达,促进植株根系中H+-ATP酶编码基因亚型Mha2的表达[62]。以上说明腐殖酸能促进植物逆境响应基因表达。在干旱条件下,喷施腐殖酸能够诱导燕麦转录因子AsNAC1基因、12-氧-植物二烯酸还原酶基因（CL3266）与 PMP3 家族基因（CL2689）的表达[20]。并且认为这3个基因在调控植物抗性和腐殖酸介导的抗旱途径中起重要作用。此外,腐殖酸还能够修饰水稻根系中液泡膜水通道内在蛋白基因OsTIP的表达,从而增强水稻抵抗干旱胁迫的能力[63]。但腐殖酸调控OsTIPs基因表达是独立于ABA信号机制的,并且其特殊结构与植物根系之间会产生物理化学效应,进而会对植物起到保护作用[64]。然而,在SCHMIDT等[65]的研究中,腐殖酸是通过刺激植物根毛细胞的负调控子基因WEREWOLF和GLABRA2,使根形态发生重塑,改变根系细胞分化,增加了根吸收面积。也有一些学者[66]认为,干旱胁迫下植物根系分泌的有机酸能够对腐殖酸胶体产生局部破坏作用,使其释放出生长调节分子,穿透细胞壁基质进入细胞膜,进而影响基因的表达。干旱条件下植物受很多基因调控来增强抗旱性,而腐殖酸增强植株抗旱性的分子机制尚有争议,并且其诱导的抗旱基因有待挖掘,其调控机理还需进一步研究。

4 展望

腐殖酸能够缓解干旱胁迫对植物生长发育的影响,改善植物形态、生理特征,预防植物体内的氧化应激,对干旱胁迫下植物的生长具有保护机制,在植物的抗旱应用中有显著的积极作用。腐殖酸在植物表观水平、生理水平上的研究虽已取得很大进展,但是以下问题仍需要做进一步研究：

我国腐殖酸肥料质量评价体系建设还尚不完善,缺乏腐殖酸在植物抗旱过程中的施用技术和效果的评价研究。目前腐殖酸主要有3种用法：用作肥料施进土壤、叶面喷施、浸种,3种用法都对植物有促进作用,但缺乏系统的评价体系来比较那个影响力更大。为此,应该从不同层面筛选多个指标,建立完善的评价体系,综合有效地评价各类腐殖酸对植物耐旱能力影响的差异。

目前,不同植物施用腐殖酸的最佳时间以及最佳用量不明确,不同植物生理生化过程有所不同,腐殖酸的用量也应有差异,并且研究者大多是在模拟条件下探究干旱胁迫下植物对腐殖酸的响应,缺乏实际应用经验。应该将室内试验和田间试验相结合,使试验的环境更接近自然状态,为腐殖酸提高植物耐旱性发挥更大作用。

已有研究大多都是侧重于腐殖酸复合成分对植株的影响,未探究清楚是腐殖酸中的哪个有效成分影响到植物的抗旱性。接下来的研究可在腐殖酸复合成分对植株影响的基础上,对腐殖酸组分因子进行分析,探究腐殖酸中起主控作用的因子,为深入研究腐殖酸提供理论依据。

植物一系列生理因子的变化是其响应干旱胁迫的体现,对于这一响应机制目前仅限于生理作用方面的研究,对于分子机制的研究还不够深入。腐殖酸参与植物的养分代谢及生理调节机制的分子机理还有待更进一步研究,腐殖酸所诱导的抗逆相关基因也有待继续挖掘。接下来的研究可以通过转录组技术探寻腐殖酸诱导的植物抗旱基因,并用蛋白组学等手段研究其表达特性,充分利用现代分子生物学手段及传统生理生化手段,继续深入系统地研究腐殖酸调控植物耐旱性机制,为生产实践提供理论参考。