辣木抗逆相关研究现状及应用

普天磊 韩学琴 廖承飞 邓红山 罗会英 金杰

（云南省农业科学院热区生态农业研究所 元谋干热河谷植物园，元谋 651300）

辣木为十字花目辣木科辣木属多年生落叶乔木，其为单属科，现有13个种［1］，也有报道称14个种［2］，目前，常见的品种为印度传统辣木、印度培育的改良品种和非洲辣木［3］，主要在我国的云南、海南、福建、两广等地引种栽培［4］。辣木生长速度快，种植6个月即可开花结实［5］，喜光照，在pH 4.5-9的土壤中均能正常生长，生物产量大，全株均可利用，营养成分全面而丰富，含有赖氨酸、亮氨酸、苏氨酸等多种氨基酸，叶酸、维生素C、维生素B、维生素E等多种维生素，以及钙、钾、磷、硫、铁等多种无机元素［6］，叶片粗蛋白含量27%，种子脂肪酸含量42%-54%［7］。此外，还含有黄酮、酚类、多糖和苷类等功能性成分［8］，有较大的开发利用价值。

低温、干旱、盐等胁迫条件会诱发植物产生一系列的响应，使活性氧（Reactive oxygen species，ROS）生成增加，细胞膜稳定性和离子浓度改变，造成植物的脂质过氧化、细胞膜损伤及离子毒害现象，在影响植物产量和品质的同时，还会使其生长受到抑制，甚至导致植株死亡［9-10］。非生物胁迫条件下，辣木的响应研究有利于推进辣木新品种选育，扩大种植面积，提高植株对环境的适应性。辣木提取物可作为天然的生长调节剂，提高种子发芽、养分利用率、产量以及对非生物胁迫的耐受性，对减弱农用合成化学药品给植物、土壤造成的危害有重要意义，在不断变化的气候条件下，维持甚至提高植物产量有重要作用［11-12］。本文主要综述了辣木抗逆性研究和其提取物在植物抗逆性方面的应用，揭示辣木在不良环境下的形态、生理生化变化和响应机制，以及辣木提取物对逆境中植物的调节作用，以期为抗逆辣木种质创新和进一步开发利用辣木生长调节剂提供参考依据。

1 干旱胁迫抗性

降水减少、水分亏缺、温度升高等是造成干旱胁迫的主要因素，辣木对干旱环境的适应性强，在年降雨量300-3 000 mm的条件下均能正常生长［13］。干旱会影响辣木的生长参数，任开磊［14］研究表明随着干旱胁迫的加剧，辣木株高、地径、生物量总体呈下降趋势，轻度和中度胁迫下降较快。韩学琴等［15］研究表明随着干旱胁迫加剧，辣木株高和地径生长趋于停滞，复叶数、主根长、主根粗降低，生物量由地上部分转移至地下，以提高根冠比适应干旱环境。适当缺水可增强辣木对干旱的耐受性，辣木幼苗经轻度水分胁迫后再复水，可减轻干旱对植株的影响，保持较高的相对含水量和水分利用率［16］。

干旱胁迫会影响辣木的光合作用，叶绿素是植物参与光能吸收、传递和转换的重要物质，干旱胁迫会促进其分解导致光合作用下降，这可能是由于叶绿素与叶绿体蛋白在干旱环境中结合变松弛，使叶绿素遭到破坏，或叶绿素酶活性增强，促进叶绿素分解造成［17］。吕亚等［18］研究表明在干旱环境下，多油辣木苗期叶绿素含量、最大荧光、可变荧光呈递减趋势，初始荧光值呈增长趋势，叶片的光合效率和光能利用率均下降。与此同时，任开磊［14］研究表明随干旱胁迫程度加深，印度、缅甸、肯尼亚种源辣木的叶绿素a、叶绿素（a+b）、类胡萝卜素含量呈现出先增加后下降的趋势。翁爱芳等［19］发现辣木在干旱胁迫下，叶绿素a和总叶绿素呈降-升-降的趋势，叶绿素b和叶绿素a/b呈先上升后下降趋势，这可能是由于干旱胁迫下叶片的保护作用使叶绿素绝对含量减少，同时叶片含水量降低，导致叶绿素浓度反而增加。

抗氧化酶系统相关物质和渗透调节物质常用于评估植物的抗旱性。夏菁等［20］发现随着胁迫程度增加，多油辣木幼苗可溶性糖、脯氨酸（Proline，Pro）、丙二醛（Malonaldehyde，MDA）、相对电导率含量总体上增加，过氧化酶活性总体上高于对照组，并表明幼苗叶片中的Pro对其抗旱性起着重要作用。宿爱芝［21］研究表明随着辣木浇水频率的减少，干旱胁迫增加、Pro增加、蛋白质和超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）先增后减。抗氧化酶活性增加有助于氧化应激系统清除过量的ROS以减弱干旱胁迫给植株造成的损伤，随着胁迫时间延长其活力下降，表明干旱胁迫导致辣木叶片细胞结构和功能的破坏，从而影响抗氧化酶的表达。

植物由钙离子、激酶和磷酸酶等感知干旱信号，通过ABA依赖途径和ABA不依赖途径传导信号，调节下游渗透调节基因、抗氧化代谢基因、逆境诱导蛋白基因的表达，产生相应功能蛋白，导致植物形态、光合系统、抗氧化系统、渗透调节物质等指标发生变化［22］。然而，植物的抗旱性较为复杂，不同植物间的抗旱性也存在差异。Cecilia等［23］研究表明辣木在干旱胁迫作用下生物产量降低，是由于ABA含量增加，诱导气孔快速关闭，光合作用受到抑制造成。此外，抗旱植物可通过增加具有抗氧化功能的次级代谢产物的生成量（例如异戊二烯和类黄酮），限制脂质过氧化，防止植株产生严重的光抑制现象［24-25］。异戊二烯可通过抗氧化剂或膜稳定作用应对干旱胁迫，保护类囊体膜的完整性，清除ROS自由基，从而降低氧化损伤［26-27］。类黄酮可作为抵抗植物胁迫的抗氧化剂，存在于细胞核、液泡、叶绿体外膜等其它抗氧化剂不能起作用的亚细胞区室［28］，其生物合成增加与胁迫条件下ROS稳态或电子传输途径的改变相关［29］。

2 低温胁迫抗性

辣木生长适宜温度为25-35℃，低温条件下，辣木生长缓慢，当温度低于10℃时植株出现寒害［30］。表型鉴定是辣木抗寒性研究中最为直观和关键的评价方法，低温条件下，辣木种子萌发和幼苗生长情况的研究，一般通过幼苗发芽率、发芽势、发芽指数等萌发指标和苗高、茎粗、生物量等生长指标来确定幼苗的耐冷性强弱。张天翔等［31］探索辣木种子和幼苗对不同温度的适应性，表明辣木种子发芽的最适温度是25℃，幼苗最适生长温度是30℃；当温度低至15℃时，辣木胚根突破种皮后生长缓慢，不能正常破土萌发，同时幼苗苗高、茎粗、根长、鲜质量增量等生长指标下降，随着处理时间的延长有进一步停止生长的趋势。杨朴丽等［32］研究表明PKM1辣木种子在5℃处理4 d和8 d发芽率为35%和20%，且随着处理时间的延长，出苗率、苗高、胚根长、胚根鲜重和总鲜重越低。

电导率、可溶性糖、Pro等生理指标和MDA、SOD、CAT等抗氧化指标可用于辣木不同植株或品种的抗寒性评价。李帅［33］研究表明在冬季低温环境下，辣木叶片电导率、MDA含量高，叶绿素含量低，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量呈现出高于其余月份的趋势。程习梅［34］以MDA、可溶性糖、Pro、SOD活性为指标发现，3个辣木品种的耐寒性依次为：PKM2＞PKM1＞传统辣木。此外，相关研究表明低温胁迫下细胞膜透性增强，细胞内电解质外渗。因此，还可通过电解质渗出率的变化反应植物的冷害程度［35］。林宗铿［36］以3个辣木品种嫩梢为材料，采用电解质渗出率法配合Logistic方程测定低温半致死温度发现，随着处理温度的降低，电解质渗出率呈升高趋势，确定辣木抗寒能力依次为：狭瓣辣木＞PKM1＞多油辣木。

植物受到低温胁迫时，质膜流动性和蛋白质构象发生变化，并由细胞膜蛋白识别感知，将低温信号通过钙离子、脱落酸等第二信使传递，诱导CBF、锌指蛋白、碱性亮氨酸拉链蛋白等转录因子产生，通过转录因子的转录调控作用激活相关基因的表达，使细胞内不饱和脂肪酸和磷脂含量增加，膜脂的相变温度降低，细胞膜流动性增强，引发植物的抗冻保护。同时生成有膜保护作用的碳水化合物，如可溶性糖，积累氨基酸（如Pro）、季胺和多元醇等渗透调物质，引发渗透保护。此外，低温条件下ROS含量增加，激活SOD、CAT等抗氧化酶，减弱自由基对植物的损伤。在抗氧化酶系统、渗透保护和自身抗冻保护的作用下，受低温胁迫植物的物质和能量代谢平衡，从而提高植物的低温抗性。

3 盐胁迫抗性

盐胁迫对植物的影响首先表现为持续的渗透胁迫，然后表现为离子失调引起的毒害［37-38］，最后引发氧化胁迫导致膜透性改变、生理生化代谢紊乱等［39-40］。辣木盐胁迫抗性的报导并不多见，Letizia等［41］发现辣木组培苗经过100 μmol/L NaCl溶液处理30 d后，铁离子和ABTS自由基清除活性提高，同时200 μmol/L高剂量NaCl会抑制愈伤组织的生长，降低其生物活性和次生代谢产物量。孙洁等［42］研究表明，盐胁迫显著降低辣木的光合作用，随着盐浓度的增大，叶绿素含量下降，POD、SOD酶活性降低，MDA含量增加，同时他们还指出辣木苗对盐胁迫反应较敏感，不宜在盐碱地推广种植。

目前，有关辣木对盐胁迫的分子响应机制仍鲜见报道。植物对盐胁迫分子响应机制的研究还处于初级阶段，植物耐盐性相关基因的研究主要集中于离子转运蛋白基因、渗透调节相关基因、信号传导相关基因和细胞抗氧化相关基因［43］。

4 辣木提取物在植物抗逆中的应用

目前缓解干旱、极端温度、盐度、重金属等非生物胁迫对植物造成不利影响的策略是有限的，辣木提取物可作为安全有效的生长调节剂改善这些不利影响。水是提取辣木叶提取物（Moringa leaf extracts，MLE）的首选溶剂，Latif等［44］采集新鲜成熟的辣木叶加水冷冻提取过夜，以制备出MLE。然而Brockman等［45］研究表明乙醇-己烷连续萃取液制备的MLE比水提液提高12%的谷物收率和11%的生物量。MLE富含Pro、酚类、类黄酮、抗坏血酸等抗氧化成分，氨基酸、可溶性糖等渗透保护成分和吲哚-3-乙酸、赤霉素等植物激素成分是生长调节剂的良好来源［44］。同时，Rady等［46］也发现MLE中含赤霉素、吲哚乙酸和脱落酸。

辣木提取物在一定程度上缓解植物的低温、盐度及干旱胁迫。Batool等［47］发现低温（12.9-20.1℃）条件下，辣木幼苗生长一个月后喷施3% MLE可增加分枝数（66%）、叶片（52%）、小叶（42%）、叶绿素a（41%）、b（71%）、总叶绿素（49%）、膜稳定性指数（45%）和叶片多酚含量（78%），MLE可提高幼苗对低温胁迫的防御能力。Saad等［48］发现NaCl和CdCl2会增加菜豆电解质泄露、脂质过氧化和Cd2+的含量，降低膜稳定性指数和相对含水量，喷施MLE后可显著提高菜豆的生长性状、产量、Pro含量、抗氧化酶活性等参数，消除NaCl、CdCl2造成的胁迫。Taia等［49］发现经MLE处理的干旱胁迫南瓜的光合色素、可溶性糖、Pro、相对含水量、生长和产量参数等提升，3%MLE施用可有效缓解南瓜的干旱胁迫。

辣木除了叶提取物对植物生长有促进作用外，EI-Sayed等［11］研究表明辣木籽提取物能显著增加受重金属污染甜椒的Pro、CAT活性、叶绿素含量等参数，降低Cd2+含量，促进甜椒生长，提高果实产量。同时，Iqbal等［50］通过研究不同浓度辣木根和叶提取物对向日葵株高、花径、叶面积等生长参数，出苗期、出苗率等萌发参数和鲜重、干重、千粒重等产量参数的影响，表明叶提取物比根提取物更加促进向日葵生长。在应用方法上，辣木提取物除了可以喷施于逆境植物的叶片外，还可用于浸泡种子或球茎，以提高植物对胁迫的耐受性［51］。Iftikhar等［52］研究表明MLE显著改善小苍兰的生长、品质和产量，球茎浸泡优于叶面喷施。

辣木生长调节剂研究的起步时间并不长，相关学者对其作用机制进行了简要阐述。Latif等［44］研究表明MLE可作为抗氧化剂激活环境胁迫下豆科植物的抗氧化成分，减轻氧化损伤，从而改善植物在逆境胁迫下的生长抑制、光合下降、超微结构损伤等现象。也有学者认为辣木提取物可增加植物的激素水平，这些激素可调节与胁迫相关的抗氧化基因、次生代谢基因和抗病基因的表达，增加植物对生物和非生物胁迫的耐受性［53-54］。Ali等［55］研究表明MLE中含有细胞分裂素，对于促进细胞分裂、伸长及叶绿素生物合成有关键作用。Alkuwayti等［56］通过监测应激反应相关基因的表达，研究MLE对罗勒基因表达的影响，表明MLE对罗勒的生长和产量表现出生物刺激作用，同时MLE有改变罗勒类渗调蛋白（Osmotin-like protein）基因表达的趋势，这种趋势与植物生长和产量增加呈正相关。

5 存在的问题及展望

环境胁迫会抑制植物生长，这种抑制可能是由于细胞分裂、细胞伸长、分生组织活动减少、水分吸收减少和代谢减少造成［57］。辣木提取物可作为天然的生物刺激剂，不仅能促进植物生长，而且对减轻农用化学品对环境造成的污染有重要意义。辣木生长调节剂的应用研究和辣木的非生物胁迫研究集中于宏观的形态指标和生理指标层面，未能有效地利用分子生物学手段，从微观层面充分解释辣木的响应及调控机制，限制了辣木提取物在植物抗逆上的应用，延长了辣木抗逆育种的周期，降低了育种效率。同时，与辣木抗逆相关的功能基因未能有效筛选精确定位，资源分类上的混乱亦限制了对辣木优良抗性的深入探索。

目前，有关辣木抗逆性研究中，存在不同研究在同一逆境胁迫条件下的研究结果不一致现象，首先这可能与胁迫因子总体效应有关，胁迫因子的总体效应较为复杂，通常取决于多种相互作用的因素，如施加胁迫的时间、胁迫的强度、植物品种和种植地环境等［58］。因此，后续的抗逆性研究应提供具体的胁迫时间及强度、种植品种/种质来源、海拔、气候条件等参数；其次，辣木抗逆性的评价体系并不完善，现有研究主要根据植物学表观性状及光合系统、渗透调节系统、抗氧化系统等生理生化指标进行评价，虽然不同非生物胁迫对植株会造成生长抑制、产量/品质降低等现象，但是不同胁迫，其诱因也不同，植株的响应也存在特殊性，应针对不同的胁迫类型，建立不同的评价体系。

在非生物胁迫状态下，植物产生过量ROS，引起植物的氧化应激反应，其内部也有很多复杂机制来减轻ROS造成的氧化损伤，如上调胁迫响应相关基因、积累防御蛋白、合成次生代谢产物等［59］，其中，合成次生代谢物就是一种很重要的抗氧化损伤机制。辣木的次生代谢物，如多糖类、黄酮类、酚酸类、维生素类等具有良好的抗氧化活性［60］，可作为抗氧化应激反应的第一道防线，不但能缓解外界非生物胁迫给辣木带来的氧化损伤，而且对提高辣木生长调节剂的效应有积极促进作用。辣木经伽马辐射处理后，黄酮类化合物含量升高，与其结构类似的代谢物绿原酸及其衍生物有助于减轻伽马射线造成的氧化损伤［61］。Ramabulana等［62］研究表明电离辐射可提高辣木的次生代谢物水平，如芥子油苷及其衍生物，并认为它们是辣木诱导防御机制的组成部分。因此，培育次生代谢物高的品种，对辣木抗逆性及其在抗逆方面的应用有积极的意义。

近年来，随着辣木不断地推广种植，辣木抗逆性及其提取物利用的研究逐渐开展，今后的研究需要充分利用分子生物学和生物信息学的方法，阐述辣木在逆境中的响应机制及其提取物对逆境植物的作用机制，同时建立完善的抗逆评价体系，加强次生代谢产物高的辣木品种培育，对提高辣木的环境适应性、促进抗逆性强的辣木种质资源良种选育及充分开发利用辣木生长调节剂有着举足轻重的意义。