油菜素甾醇类化合物对水稻抗逆的作用及其机制研究进展

陈燕华，王亚梁，陈惠哲，向 镜，张义凯，张玉屏

（中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，浙江杭州 311400）

水稻是我国最重要的粮食作物之一，全国60%以上的人口以稻米为主食［1］，其高产稳产对我国粮食安全至关重要。随着全球气候及农业环境的变化，水稻生产也将面临更多的问题，病虫害、冷害、热害、干旱、高盐、重金属等生产灾害趋于高发［2～4］。到目前为止，针对如何缓解水稻生产上的各种灾害胁迫已开展大量研究，诸如培育、筛选优质多抗水稻品种［5～7］，加强田间管理［8～10］，采用生物、化学等缓解措施［11～13］。植物激素是植物细胞接受特定环境信号诱导产生的可调节植物生理反应的微量活性物质，调控植物的分化、生长与发育，并对各种胁迫作出响应使其完成生命周期［14］。除植物内源激素外，外源生长调节剂在植物响应多种环境胁迫中也有重要的作用，且化学调控技术在水稻生产上的作用越来越显著。

1970年，Mitchell等［15］从油菜花粉中分离出一种具有极高生理活性的物质，并称之为新型植物激素——油菜素（brassins），在我国亦称为芸苔素内酯。1979年，该物质首次被Grove等［16］分离并鉴定出其分子结构，认为是一种甾醇类化合物，故将其命名为油菜素内酯（brassinolide，BL/BR），次年（1980年）实现了油菜素内酯人工合成［17，18］。植物中分离、鉴定出的油菜素内酯及多种与其有相似结构和相同作用的化合物统称为油菜素甾醇类化合物（brassinosteroids，BRs）［19］。在1998年第16届国际植物生长物质年会上，BRs被正式确认为第六类植物激素，BL是BRs中活性最强的一种［20］。到目前为止，只有油菜素内酯、表油菜素内酯和高油菜素内酯3种化合物被广泛应用于作物生产。

BRs是植物正常生长与发育所必须的植物激素［21］，生理功能广泛，作用于植株的各个部位，参与调控植物种子的萌发、在暗条件下的形态建成、根的生长、茎节的伸长、叶片的伸展、花粉管的伸长和种子的发育等［22～30］。经过近50年的研究，不仅在油菜素内酯的结构、功能、合成与代谢及信号转导通路等方面取得重大进展，并且在其调控作物生长发育及抗逆等方面也获得了一系列的成果［31～36］。近年来，BRs在水稻抗逆应用方面的研究越来越多，然而更多的是集中在其作用效果上，其作用机制并不十分清楚。本文综述了BRs在水稻生长发育和抗逆方面的研究进展，以期为BRs的进一步研究及其在水稻生产上更好地应用提供参考。

1 BRs对水稻抗逆性的影响

正常生长条件下，内源BRs调控水稻的生长发育，参与逆境的应答。水稻遭遇各种胁迫时，使用外源BRs可有效减缓病虫害等生物胁迫和高低温、干旱、盐碱、重金属等非生物胁迫。

1.1 病害

病害一直是水稻生产上的一大难题，植物遭受病害时，外源植物生长调节剂可诱导提高水稻的抗病性［37，38］，而BRs可诱导水稻植株的病原抗性［39，40］。水稻纹枯病是水稻三大病害之一，该病发生时一般减产10%～30%，严重时高达50%［41］。BRs可提高水稻对纹枯病、稻瘟病等病害的抗性［42］，减轻其发病症状［43］。Liu等研究表明，NBS-LRR蛋白Pik-H4与OsBIHD1相互作用，通过协调油菜甾体-乙烯途径调节抗性和生长之间的平衡［44］。有报道称在使用常规杀菌药剂的基础上增用0.01%芸苔素内酯SL不仅能有效增强水稻对纹枯病和稻曲病的抗性，还能获得更高的产量［45］。高静等［46］指出，油菜素内酯处理可明显提高水稻叶片细胞间隙中几丁质酶活性，油菜素内酯调控蛋白（OsCHRLK）受油菜素内酯上调。喷施外源油菜素内酯可加速对真菌细胞壁的降解，减少病菌对植物的伤害，这可能是油菜素内酯提高水稻抗真菌的机制［47］。但也有研究报道，BRs在水稻与病原互作中起负调控作用［48］，油菜素内酯合成抑制剂可增强水稻的抗病能力，且与喷施油菜素内酯的浓度有关，不同浓度可产生相反的效用［49］。另外，油菜素内酯对昆虫也有生物学作用［50］，但关于BRs在防治水稻虫害方面的研究报道较少。BRs在水稻病虫害抗性方面已有一些研究，但研究结果不尽一致，相关原理还有待深入探讨。在当前优质安全稻米需求量不断增加的背景下，减少化肥农药使用，通过施用外源BRs提高水稻产量与品质，不失为一条可行的途径。

1.2 高温胁迫

水稻是喜温作物，但当环境温度超过水稻生长范围临界值时，水稻的生长发育与产量及品质会受到严重影响［51］。温度升高对我国水稻生产的影响取决于不同的地区和稻作季节，但随着水稻种植制度的调整，温度升高对我国水稻生产的负面影响将逐步增强［52］。内源激素水平的稳定有助于水稻的高产稳产，然而高温使水稻内源激素代谢紊乱［53］。幼穗分化期高温抑制颖花分化，加剧颖花退化，花粉活力下降，花药充实受抑；碳水化合物分配紊乱，虽然整体上单茎干物质积累量并没有显著下降，但显著降低了茎鞘和穗部干物质积累，从而使水稻减产［54～57］。高温已经成为限制水稻生产最重要的环境胁迫因素［58，59］。BRs在缓解水稻高温胁迫中具有重要的作用。曹云英等［60］报道，油菜素内酯能够有效减轻高温对秧苗的伤害，但在温敏性不同的材料间存在差异。24-表油菜素内酯也可减轻高温对水稻幼穗生长的抑制，增加颖花分化数和降低颖花退化率［61］。抽穗开花期是水稻生殖生长对温度最敏感的时期［62］，花期高温对水稻产量和稻米品质都具有重要的影响。高健等［63］采用人工气候箱于水稻花期进行高温处理，在花粉母细胞减数分裂中后期喷施外源24-表油菜素内酯，结果表明，喷施处理后，水稻的结实率、花药开裂率分别提高了24.1%和55.4%，有效减轻了高温对水稻结实的伤害。陈燕华等［61］研究认为，穗分化期喷施外源24-表油菜素内酯，缓解了高温对水稻幼穗生长的抑制，增加颖花分化数，降低颖花退化率；正常生长条件下其影响更显著，高温和适温下水稻每穗粒数比对照分别增加13.7%和45.7%，其中以喷施0.15 mg/L效果最好。可见适宜浓度的BRs在水稻各个时期的高温胁迫中均可发挥作用，但温敏性不同的品种存在差异，一般而言，对热敏感型品种的作用效果更明显。正常生长条件下，外源BRs还可提高水稻产量。

1.3 低温胁迫

水稻起源于热带/亚热带地区，对低温胁迫非常敏感，我国南方早稻播种期与苗期、晚稻灌浆结实期和东北一季稻遭遇低温胁迫的概率较高，严重威胁水稻生产［64，65］。BRs能有效增强水稻对低温的耐受性。吴旺嫔等［66］指出，喷施表油菜素内酯处理能够促进种子萌发，其发芽势较常温对照和低温对照分别提高了17.1%和33.4%，且能够显著增加茎粗。张开心［67］也指出，喷施油菜素内酯后冷处理对水稻低温发芽率、低温成苗率、株高和第一叶长均有一定的影响。使用油菜素内酯对水稻进行浸种处理或幼苗喷雾，可促进幼苗在低生长温度下的生长，其株高、干物质量、成苗率和叶片叶绿素含量均较对照明显增加［68］。Wang等［69］研究表明，外源油菜素内酯有效降低了低温胁迫对水稻孕穗期生理和代谢的损害，促进了低温胁迫后接受常温水灌溉的植株功能恢复，减轻了低温胁迫对产量的影响。高油菜素内酯BR-120处理在一定程度上提高了水稻幼苗活性氧清除系统的能力，增强了水稻的抗冷性［70］。

1.4 盐胁迫

水稻为中度盐敏感作物，盐胁迫对水稻造成渗透胁迫和离子毒害，显著抑制水稻幼苗光合色素的合成，并对其抗氧化系统造成损伤。外源油菜素内酯溶液能有效抑制盐胁迫下水稻幼苗光合色素含量的降低，提高其抗氧化能力。潘兆梅［71］研究发现，0.001～0.100 mg/L的油菜素内酯溶液能使水稻在500～600 mg/L的盐溶液中生长，说明油菜素内酯可减轻高盐对水稻的伤害。Anuradha等［72，73］研究发现，24-表油菜素内酯和28-高油菜素内酯可缓解盐胁迫下水稻种子萌发和对幼苗生长的抑制作用。侯会云［74］以日本晴为试验材料，在NaCl浓度为100 mmol/L的条件下分别加入0、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 mg/L油菜素内酯，结果表明油菜素内酯可显著提高发芽率、发芽势和发芽指数，还可降低盐胁迫对胚根的伤害，提高其抗逆性和成苗率，且油菜素内酯含量为1.0 mg/L时效果最好。可见用于缓解水稻盐胁迫时，BRs的最适浓度与水稻品种、施用时期有关。

1.5 重金属积累

城市化和工业化的不断发展，采矿和冶金工业等金属污染物的大量排放和不当处置，以及生活垃圾处理不当等因素导致农田和稻米重金属污染问题日益严重［75，76］。于金邕［77］研究指出，在外源FeSO4与24-表油菜素内酯、28-高油菜素内酯的联合作用下，砷（As）、镉（Cd）向籽粒的迁移量降低，一定浓度的24-表油菜素内酯可显著降低水稻籽粒As、Cd含量。练旺民等［78］通过营养液水培试验研究了表油菜素内酯在缓解水稻亚砷酸盐毒害中的作用，结果表明，外施24-表油菜素内酯能有效促进受As毒害的水稻幼苗的生长，降低水稻根系As的积累量，这表明外施24-表油菜素内酯可在一定程度上缓解As对水稻的毒害作用。张玉乐［79］通过盆栽试验证明，叶面喷施油菜素内酯可以降低水稻根、茎和籽粒的Cd含量，且1.5μmol/L的油菜素内酯浓度处理下差异最显著。土壤重金属问题日益严重，治理十分困难，研究BRs缓解重金属对水稻生长的影响以及降低水稻籽粒重金属含量的作用及其机理，具有十分重要的意义，可为培育耐重金属水稻品种提供参考。

此外，BRs还可以提高水稻的抗旱性［80］、抗药性［81，82］、缓解碱胁迫［83］等。外源BRs能促进水稻的生长发育，增强水稻的抗逆能力，不同品种、不同时期及在不同逆境下施用的浓度不同；正常生长的条件下施用外源BRs也有助于提高水稻产量与品质。

2 BRs缓解水稻逆境胁迫的生理机制

2.1 调控内源激素

植物体内各类激素均有着其特殊的生理功能，植物的正常生长离不开激素间的协同作用。逆境下，水稻植株各内源类激素含量发生变化，代谢紊乱［52］。BRs在调控水稻的生长发育和多种胁迫的应答中发挥着重要作用，使用外源BRs通常会引起植物体内其他激素含量的变化。赵雪松等［84］通过高压液相色谱分析了24-表油菜素内酯处理对根系内部其他激素含量的影响，结果表明，1000 nmol/L 24-表油菜素内酯处理12 h和24 h后，细胞分裂素（CTK）和赤霉素（GA）的含量明显上升，而生长素（IAA）和脱落酸（ABA）含量没有明显的变化，说明BRs可能是通过影响具有生物活性的IAA的水平来调控水稻的生长发育。喷施24-表油菜素内酯能降低高温下水稻幼穗细胞分裂素氧化酶基因Os-CKX5和OsCKX9的表达量，同时促进细胞分裂素合成和信号调节相关基因的表达，且在适温下也表现出类似的效应［61］。李赞堂，王士银等［85，86］研究表明，24-表油菜素内酯提高了水稻灌浆过程中籽粒内IAA和GA含量，对CTK含量影响相对较小，通过提高灌浆早期IAA和GA含量，提高了胚乳细胞增殖和酶活性，增大了水稻的源、库容和库活性，进而促进光合物质的积累和分配，间接调节了水稻籽粒灌浆过程，有利于籽粒灌浆，有助于缓解高温影响，降低产量损失。

2.2 对抗氧化系统的调控

植物在逆境下通常产生大量活性氧，若不及时清除将会造成细胞膜和一些细胞器的损伤，特别是对线粒体和叶绿体的破坏，影响植物的光合作用与呼吸作用。为抵御氧化胁迫，植物会形成一些能清除活性氧的酶和抗氧化物质。抗氧化酶系统包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等，抗氧化物质包括类黄酮、抗坏血酸、谷胱甘肽、胡萝卜素等，能有效清除活性氧，提高植物抗逆性。

有研究表明，油菜素内酯可缓解过氧化物积累的危害［87］。吴旺嫔等［66］研究指出，表油菜素内酯处理后，水稻根的SOD活性和芽的POD活性明显高于对照；外源喷施表油菜素内酯通过降低高温下水稻幼穗中的超氧阴离子含量，增强了SOD、CAT和POD活性，从而缓解高温对水稻幼穗发育的伤害［61］。在水稻开花期高温胁迫下，SOD、POD、CAT活性显著降低，喷施表油菜素内酯后SOD酶活性提高了51.76%［63］。Wang等［69］研究报道，在冷水胁迫下，外源喷施2 mg/L油菜素内酯增加了水稻的SOD和POD活性，有效降低了冷胁迫对水稻孕穗期生理和代谢的损害，并且耐寒性较弱的品种更敏感，对外源油菜素内酯的响应更强。陈善娜等［70］也指出，高油菜素内酯BR-120在一定程度上提高了水稻幼苗活性氧清除能力，从而增强了水稻的抗冷性。在碱胁迫中，24-表油菜素内酯预处理后，丙二醛含量、过氧化氢和超氧自由基的含量显著降低，而水稻幼苗抗坏血酸、过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性显著提高［83］。Zhang等［88］指出，颖花分化和花粉育性与小穗中24-表油菜素内酯和28-高油菜素内酯的水平密切相关，外源施加24-表油菜素内酯和28-高油菜素内酯可显著提高稻穗内源油菜素内酯水平，提高幼穗发育过程中的抗氧化系统水平和能量电荷，介导氮肥对颖花发育的影响，促进小穗发育。在盐碱胁迫方面，外源油菜素内酯通过提高SOD、POD活性缓解盐碱胁迫对水稻种子萌发的抑制作用，提高种子发芽率，减轻盐胁迫对胚根的伤害［74］。

2.3 对光合作用的影响

光合作用是植物体内最重要的生命活动过程之一。水稻在逆境下的光合作用速率会下降，其原因有气孔限制与非气孔限制两种。气孔限制是指胁迫促使气孔关闭，降低气孔导度，导致CO2供应受阻，进而降低光合作用和物质生产［89］。非气孔限制是指胁迫通过影响植株内二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）活性和光系统PSⅡ结构而抑制光合作用［90］。研究表明，不同胁迫下水稻光合速率降低的原因不一致。可溶性蛋白是重要的渗透调节物质和营养物质，其增加和积累对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用。植物体内的可溶性蛋白大多数是参与各种代谢的酶类，在植物叶片中，约有50%的可溶性蛋白是光合作用的关键酶双磷酸核酮糖羧化酶［91］，因此，可溶性蛋白含量被用作叶片光合能力高低的指标。

叶面喷施油菜素内酯可有效提高水稻叶绿素含量［79］。高静等［92］报道，光系统Ⅱ稳定因子HCF136受油菜素内酯调控。高油菜素内酯BR-120可提高冷胁迫下可溶性蛋白和叶绿素含量，降低丙二醛含量［69］。王道平等［93］通过蛋白组学分析了表油菜素内酯对低温胁迫下水稻幼苗的调控，发现下调表达蛋白主要与催化活性和氧化还原酶活性相关，主要涉及卟啉和叶绿素等代谢途径。此外有研究报道，在水稻种子上施用油菜素甾醇类化合物可以防止光合色素的损失［73］。翁晓燕等［27］在孕穗末至始穗期喷施表油菜素内酯，可显著地提高水稻剑叶的叶绿素含量以及叶片中的可溶性蛋白、非可溶性蛋白和总蛋白含量。Fahad等报道，外源施用组合植物生长调节剂（抗坏血酸、生育酚、油菜素类固醇、茉莉酸甲酯）可显著提高高温下的水稻植株光合作用和水分利用效率［94］。但也有研究发现，高温胁迫下，外源喷施表油菜素内酯对叶片净光合速率无显著影响［61］。目前，关于外源BRs施用对水稻光合作用速率的影响存在争议，且其作用机制并不十分清楚，有待深入研究。

3 研究展望

BRs是六大植物激素中最后确定的一类，在植物的生长发育中发挥着关键作用，其主要参与调控细胞分裂和伸长、光形态建成、生殖发育、衰老控制及各种胁迫的应答。到目前为止，对BRs在植物中的合成、降解以及信号通路等方面的研究已经较为透彻。从第一个油菜素甾醇类化合物油菜素内酯（BR）的结构被鉴定至今的40多年中，关于BRs缓解水稻各种胁迫影响的研究已有较多报道。但总体来看，目前BRs在水稻抗逆中的作用研究主要集中在其作用效果上，对其作用机理、缓解胁迫的生理机制以及分子机制的研究不够深入或缺乏，未来应加强以下几个方面的探究。

3.1 明确BRs的作用效果

大部分的研究认为外源油菜素内酯可增强水稻的抗逆性，但也存在部分不一致的结果。BRs是否在水稻与病原互作中起正或负调控作用，能否加强高温下水稻叶片的净光合速率，能否增强水稻抗低温、抗盐碱能力等问题尚不明确。因此，进一步开展此类研究，明确BRs在水稻逆境下的作用效果十分必要，且对后续的研究具有极其重要的意义。

3.2 深入研究BRs的作用机制

目前，外源BRs在逆境下如何调控水稻植株内源激素的变化，怎样参与抗氧化系统的调控，以及如何参与糖代谢影响物质转运与干物质积累等问题尚不十分明确。利用现代生物信息学分析、蛋白互作分析、组学分析、高通量RNA测序技术以及全基因组关联分析技术等对这些问题进一步深入研究很有必要。

3.3 内源BRs的表达调控

水稻接收到环境胁迫信号后，其内源油菜素内酯如何调控水稻的应激反应目前并不明确，不同胁迫是否通过同一信号转导途径和应激反应路径进行调控，施用外源油菜素内酯通过何种途径影响水稻植株的抗逆性等问题尚不清楚。另外，相比施用外源油菜素内酯的高成本措施，通过改变BRs通路中涉及的基因表达来调节内源性BRs水平，是一种可预测、更有效提高水稻生产效益的途径。因此，应加强对内源BRs表达调控的研究。

3.4 适应于现实生产条件的研究

由于油菜素内酯的成本相对较高，在农业生产上尚未实现大规模应用。需要指出的是，目前关于BRs在水稻抗逆方面的研究多为单一胁迫因子，几乎不涉及双因子乃至多因子耦合作用的研究。但在实际水稻生产中，常有多种逆境因素同时出现，如高温往往伴随干旱，病害也常与重金属污染以及其他环境胁迫因素相随。水稻的产量与品质取决于所有因子间的协同作用，在今后的研究中，应结合实际生产情况开展试验，争取做到一喷多防，一物多用，降低生产成本，提高水稻的生产效益。