香蕉抗逆境生理机制研究进展

只佳增, 岳建伟, 张建春, 刘学敏, 赵丽娟, 杜 浩

(云南省红河热带农业科学研究所，云南 河口 661300)

香蕉(Musaspp.)作为全球重要的经济和粮食作物，与苹果(Maluspumila)、葡萄(Vitisvinifera)和柑橘(Citrusspp.)并列为世界四大水果，广泛分布于全球[1-2]。 2019年我国香蕉园面积达40万hm2，产量超过1 000万t，总产值超过200多亿元[3-4]。随着香蕉产业的发展，种植面积不断扩大，香蕉生产正面临着各种生物(真菌、细菌、病毒以及各种昆虫)和非生物(冷害、干旱、台风等)的逆境胁迫[5]。病害、干旱和寒冷等逆境对香蕉的细胞组织结构、光合速率和呼吸速率等造成伤害[5]。为了适应(或抵抗)不良环境，香蕉植株的形态结构、关键的生活史特征会发生相应变化而形成适应性机制[6]。如遭遇病害时，香蕉营养生长期延长，花芽分化减缓；干旱条件下，根系发达、叶片较小；寒害时，则减缓生长等。相应地，逆境使香蕉植株体细胞脱水，细胞膜系统被破坏，酶活性发生改变，次生代谢活动紊乱，细胞膜的通透性加大，呼吸速率改变[7-8]。逆境下，香蕉植物体通过系统调节关闭一些正常基因的表达程序，启动一些逆境基因的表达程序，使生物合成酶活性下降，水解酶活性增强，诱导糖类和蛋白质转变成更多的可溶性化合物，从而形成抗性生理机制，增强其适应和抵抗能力[9]。加强抗性生理研究，从生理角度揭示香蕉抗逆境特征，对其产业发展具有指导意义。本文从抗病性、抗旱性和抗寒性等三方面综述了香蕉逆境生理机制的研究进展，旨在为其产业健康发展及抗性研究提供参考。

1 香蕉抗病性生理研究

香蕉抗病性生理研究主要涉及枯萎病的抗性机制。香蕉枯萎病是一种极具毁灭性的真菌性维管束病害，主要通过土壤传播[10]。该病于1847年首次在澳大利亚发现[11]，随后在巴拿马大面积爆发蔓延，到20世纪中期在哥斯达黎加、巴拿马、古巴、哥伦比亚等中南美地区严重肆虐，导致大面积蕉园荒废[11]。1967年，我国在台湾首次发现香蕉枯萎病，1996年传入珠江三角洲地区，随后迅速在主产区蔓延[12]。Deascensao et al[13]研究发现，参与增厚植物细胞壁的抗性物质，如活性氧、酚类物质和木质素等，在防御枯萎病菌侵染过程中起作用。Duan et al[14]、Deascensao et al[15]研究表明，过氧化物酶(peroxisome, POD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)、苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase, PAL)、几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶构成了香蕉的防御酶系统，它们在活性氧迸发、酚类物质和木质素的合成中发挥重要作用。

POD是香蕉植株体内最为普遍且活性较高的一种酶，在乙稀合成和吲哚乙酸氧化过程中起重要作用，并调控植株次生代谢和木质素合成[14]。在植株与病原菌相互作用中改变细胞壁的结构，诱导香蕉植株细胞程序性死亡[15-16]。王尉等[17]以尖孢镰刀菌FocTR4诱导的‘农科1号’香蕉为试材研究抗枯萎病机制表明，当植株受到病原菌侵染时细胞内POD活性会上升，且抗病品种酶活性的升高幅度远大于感病品种，认为CAT基因和POD基因与活性氧迸发有关。有研究表明，链霉菌FS-4显著抑制了尖孢镰刀菌FocTR4的孢子萌发，POD活性上升，活性氧在FocTR4菌丝中逐渐积累，破坏质膜和造成线粒体功能障碍[15-18]。

PPO和PAL在香蕉抗真菌性枯萎病中发挥重要作用[19]。PPO与内囊体膜相结合，通过分子氧化酚或多酚形成对病原菌具有毒性的醌，参与细胞壁蛋白质交联以及细胞壁木质化过程[20]。PAL、果胶乙酰化酶(pectin acetylase, PAE)连同POD参与了苯丙烷途径、抗真菌免疫球蛋白(immunoglobulin)基因PR-1、PR-3表达和细胞壁加固等次生代谢活动；另外，Deascensao et al[15]、Li et al[21]研究发现，PR-3基因具有降解真菌细胞壁组分的作用。 Akila et al[22-23]认为，在接种FocTR4后，香蕉抗性的产生与PPO、POD酶活性的增加有关。Damodaran et al[24]研究表明，香蕉抗病性品种叶肉细胞的POD、PPO、PAL活性均高于感病品种‘巴西蕉’。剧虹伶等[25]研究表明，‘宝岛蕉’、‘南天黄’等抗病品种在接种FocTR4后，PPO、POD、PAL活性均显著高于感病品种‘巴西蕉’。香蕉对逆境的防卫应答机制涉及到复杂的基因表达与调控，Vanderberg et al[23]研究表明，在病原菌入侵时抗性强的香蕉品种能够更早地表达PAE基因，促进果胶质的乙酰化，PAE基因表达的多少与品种抗性有关。Vercauteren et al[26]发现，香蕉根系中PAE基因能水解细胞中果胶质的聚半乳糖醛酸的酰酯键，催化果胶质组分乙酰化，从而修饰细胞壁来对抗病原菌的攻击。香蕉几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶在健康状态下活性很低，当受真菌性枯萎病原菌侵染时，其活性迅速升高，并且抗性品种的几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性和数量都显著大于感病品种[27-29]。香蕉植株防御酶系活性增加、活性氧迸发、酚类合成及氧化、木质素的积累及相关免疫蛋白表达增多等都是香蕉诱导抗病性的重要表征[30]。以上说明，香蕉的抗病能力与其体内相关防御酶的活性大小有密切关系。

2 香蕉抗旱性生理研究

香蕉属于大叶型浅根系作物，生长快速，蒸腾作用旺盛，需大肥大水，怕干旱特性明显[31]。干旱胁迫会引起香蕉假茎和叶片枯萎，导致植株矮小、产量及品质降低，严重缺水时甚至死亡。我国香蕉主产区普遍降雨丰富，但伴随着明显的季节性，雨量分配极不均匀。因此，我国香蕉生产受季节性缺水的影响较大[32]。干旱胁迫是制约香蕉产业高效化和持续性发展的主要限制因子之一[33]。香蕉为应对干旱胁迫造成的伤害，形成了适应性生理机制[32-33]。

2.1 光合特性与香蕉的抗旱性

干旱胁迫通过多种途径间接影响香蕉光能同化作用，明显影响香蕉生长及营养吸收[33]。干旱胁迫导致香蕉叶片细胞水势下降，细胞水分饱和亏缺上升，造成叶绿体内代谢失调，总叶绿素和类胡萝卜素含量下降，光合作用机构遭到破坏，叶片光合能力减弱[34]；使光合碳循环中光合酶的活性降低、三羧酸循环减缓，CO2的需求量减少，光合速率迅速下降[35]。香蕉通过降低蒸腾速率与调节渗透压来保持光合作用正常进行，以此提高植株的耐旱性[36]。因此，在干旱胁迫下，抗旱性强的香蕉品种净光合速率明显高于抗旱性差的品种[34]。

2.2 细胞膜系统与香蕉的抗旱性

细胞膜由具有高度流动性的磷脂双分子层和镶嵌在其中及吸附在表面的蛋白质构成，在物质运输、能量转换、信息传递中起决定性作用，对不良环境极为敏感。在干旱胁迫时，最初与最基本的反应就是通过细胞膜结构与功能的改变来维护细胞内环境的稳定[36]。干旱引起香蕉细胞失水，膜表面蛋白质结构改变，膜磷脂双分子层组分也发生变化[37]。何海旺等[38]研究表明，香蕉叶肉细胞膜的流动性与膜结合酶直接相关，即在干旱逆境下膜脂肪酸饱和度降低，膜结合酶活性升高，膜脂过氧化产物丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量增加，促使细胞膜脂肪酸饱和度升高，磷脂双分子层不饱和脂肪酸含量下降，细胞膜透性增大。

2.3 渗透调节与香蕉的抗旱性

在干旱胁迫初期, 香蕉幼苗叶片的可溶性蛋白质含量提高，并随着干旱胁迫程度的加重呈降低趋势[32-35]。多胺能保护细胞膜的渗透性能，防止或减少细胞内水分丢失，可促进干旱胁迫下蛋白质的合成[36]。通过叶面喷施外源精胺(spermine, Spm)、亚精胺(spermidine, Spd)、腐胺(sutrescine, Put)能促进蛋白质的合成，提高香蕉幼苗的渗透调节能力[36-38]。研究表明，干旱胁迫下香蕉合成脱落酸(abscisic acid, ABA)，促使气孔关闭、阻止气孔开放，抑制蒸腾，促进香蕉细胞内脯氨酸(proline, Pro)含量增加，Pro含量与香蕉抗旱性水平呈显著正相关[39-42]。Ashraf et al[43]、Chaves et al[44]研究表明，干旱胁迫下香蕉叶面喷施外源α-亚麻酸(α-Linolenic acid, ALA)可以提高叶片和根系Pro的含量及功能。以上可见，香蕉在干旱逆境下，通过渗透调节增加Pro、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、可溶性糖、可溶性蛋白质等含量以保持细胞液浓度，从细胞膜外水势较低的介质中吸水，保持细胞渗透压和细胞内环境稳定，维持正常代谢[45-46]。

2.4 氧代谢与抗氧化防御系统对干旱胁迫的响应

3 香蕉抗寒性生理研究

香蕉属热带水果，喜高温高湿、对低温寒害较为敏感、忌霜冻，通常在18.0 ℃以下生长缓慢，10.0 ℃以下几乎停止生长，1.0～2.0 ℃时叶片受寒害枯死[53]。在诸多热带水果中，香蕉受寒害的几率最高、受害程度最大[54]。在低温胁迫时，香蕉叶片最先转黄，呈水渍状斑点，后逐渐黑褐色而软化枯干；当温度进一步降低而产生冻害时，叶柄及假茎呈现浓黄褐色水渍，腐烂，导致植株死亡[55-56]。

3.1 细胞膜系统与香蕉抗寒性

香蕉抗寒性与细胞膜系统中磷脂及脂肪酸的不饱和度密切相关。抗寒品种的细胞膜系统一般具有较高的不饱和脂肪酸，在较低温度下仍可保持膜的流动性，维持细胞内的正常生理功能[57-59]。在低温胁迫下，细胞膜的选择透性减小或丧失，活性氧和MDA积累，使细胞内电解质大量外渗，导致组织浸泡液的电导率增高。香蕉抗寒能力强弱可以根据叶片细胞组织液电导率的大小推测[58]。韦弟等[59]研究表明，在低温胁迫下，香蕉膜脂过氧化的加剧引起自由基的积累，自由基又进一步促进膜脂过氧化产生MDA, MDA与蛋白质结合会引起膜蛋白的结构和功能变化，使膜流动性降低，损伤细胞膜结构，导致质膜透性增加。MDA含量的大小是衡量细胞膜质过氧化程度的重要指标[60]。何维弟[61]研究发现，通过早期积累的过氧化物酶和水通道蛋白来调控体内活性氧平衡和细胞水势可能是香蕉抗寒的主要原因之一。低温锻炼会刺激β-1,3葡聚糖酶活性的提高，也能提高香蕉幼苗游离Pro、甘油、可溶性蛋白质和可溶性还原糖的含量[62-64]。这些物质的积累可提高细胞液浓度，增加细胞持水力及组织中非结冰水，从而降低细胞质的冰点，起到保持香蕉幼苗细胞组织免受寒害的作用[65-66]。

3.2 生理代谢与香蕉抗寒性

香蕉的抗寒性生理研究主要包括光合作用、呼吸作用和酶三个方面。周丽丽等[67]、高洁[68]认为，低温抑制香蕉幼苗吸收水分，造成叶片水分亏缺和气孔关闭，光合色素含量减少，使光合速率降低。在低温诱导下，香蕉植株体内可溶性糖含量增多，提高了叶片细胞液浓度，增加细胞渗透压，使冰点降低，缓冲细胞质过度脱水，从而保护细胞质胶体不致遇冷凝固，增强植株的抗寒性[69-72]。李茂富等[73]研究发现，香蕉叶片可溶性蛋白含量的增加，有利于提高束缚水/自由水比值、减少细胞膜过氧化产物MDA的积累，从而增加对细胞水分的束缚能力，减轻低温对细胞膜的伤害，提高幼苗的抗寒能力。赖恭梯[74]、匡云波[75]研究表明，低温胁迫下香蕉叶片细胞脂质代谢相关酶的增加可促进甘油磷脂酸(glycerophosphatidic acid, PA)、二酰基甘油(diacylglycerol, DAG)和三酰基甘油(triacylglycerol, TAG)向磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine, PC)转化，积累不饱和磷脂，提高细胞膜的流动性和稳定性。三磷酸腺苷酶(Adenosine triphosphatase, ATPase)的增加，有利于内质网合成的磷脂向叶绿体转运，增加单半乳糖二脂酰甘油合酶(monogalactosyl diacylglycerolase, MGDGase)和双半乳糖二脂酰甘油合酶(digalactosyl diacylglycerolase, DGDGase)，促进特殊的磷脂酰甘油(phosphatidyl-glycerol, PG)合成，从而稳定光合膜系统[61,76]。林善枝等[77]研究认为，6-磷酸葡萄糖脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PDHase)在低温胁迫中能转变成磷酸戊糖代谢，为许多生物合成反应提供电子供体，从而产生能量供给香蕉利用，提高香蕉的抗寒能力。

3.3 关键酶基因对香蕉抗寒性的调控

细胞壁结构的主要蛋白富羟脯氨酸糖蛋白(hydroxyproline rich glycoprotein, HRGPs)在香蕉抗寒中起着重要作用。其中，阿拉伯聚半乳糖蛋白(arabinogalase protein, AGPs)的冷响应基因在低温胁迫下呈差异性表达[71]。β-1,3葡聚糖酶基因在8 ℃低温刺激下，可能作为抗寒途径的上游信号传导因子起到早期调控作用，通过与丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)的磷酸化作用，提高基因表达量，将抗寒信号快速从细胞膜传递至细胞核，协助激活下游基因表达。赖恭梯[74]研究表明，野生蕉的抗寒基因脂肪酸去饱和酶(fatty acid desaturase, FADs)家族基因感受环境温度降低并启动抗寒抵御反应。已有研究发现，CBF7-1、miRNAs在野生蕉响应低温胁迫过程中发挥作用，其中miR171、miR408及靶基因在低温胁迫下会出现显著的差异表达，推测miR171、miR408可以通过调控靶基因的表达而参与光合途径、糖酵解途径、木质素合成等响应低温胁迫的过程[66-67,69]。刘静[62]研究表明，与半纤维素生物合成相关的甘露聚糖合成酶(mannan synthase)基因和UDP-葡糖基转移酶(UDP- glucosyl-transferase)基因可能与香蕉的抗寒性密切相关。匡云波[75]、Sreedharan et al[76]对香蕉叶片糖代谢关键酶基因应答低温胁迫的分子机制研究表明，香蕉叶片糖代谢关键酶基因在不同温度下有差异性表达，其中酸性转化酶lnv-N蛋白亚家族lnv-N1随着温度的降低和持续时间的延长而不断上调表达，从而调控可溶性糖含量的变化，可能在应答低温胁迫的分子机制中起着至关重要的作用。

4 展望

目前，香蕉抗逆境生理研究主要集中在抗枯萎病、抗旱性、抗寒性方面，而有关抗叶斑病、抗花叶心腐病、抗虫害、耐盐碱性和抗涝性等生理机制研究报道较少。已有抗逆性研究以幼苗为试验材料较多，而有关成年期、花期和果期对逆境胁迫的适应方式、途径、适应类型等研究较少见[78]。此外，不同的土壤条件、微生物菌群和种植模式等对香蕉生长有显著影响[79-81]，但对栽培环境、微生物菌群与香蕉抗逆境的相关性报道较少，有待进一步探索。随着科学技术的进步，分子生物学、基因学等生物技术的发展，香蕉抗逆性机理的研究更加深入化，手段更加多样化，从分子水平上阐述香蕉抗逆性的物质基础及其生理功能，通过基因工程手段进行抗性基因重组，创造香蕉抗性新品种将是今后的研究重点[82]。此外，抗性品种的田间验证、抗性药剂的筛选等方面还有待进一步研究。加强香蕉的抗逆境机制研究，从生理学、遗传学、分子生物学的角度解释香蕉的抗逆性机制特征，从而为抗逆性品种的选育、抗逆性栽培方法及抗病药剂的研发提供理论依据，对香蕉产业的可持续发展具有重要的指导意义。