作物耐湿性生理及分子机理研究进展

栾海业，杨红燕，徐 肖，张英虎，臧 慧，乔海龙，陈 健，陈 和，沈会权，陶 红

（江苏沿海地区农业科学研究所，江苏盐城224000）

湿害（waterlogging）是指土壤水分过多造成的缺氧环境，对作物正常生长发育所产生的危害。随着全球生态环境的恶化，极端天气出现的频率不断增加，旱涝灾害发生频繁，湿害已经成为影响农作物生产的主要非生物胁迫因素之一[1]。据统计，在世界范围内，大约有16%的耕地均受到不同程度的湿涝危害，湿害往往导致作物减产20%～30%，严重的湿害甚至导致绝收。我国是世界上受湿涝影响较为严重的国家之一，每年大约有30%的耕地面积受到不同程度洪涝影响，且呈逐年增加的趋势[2]。长江中下游麦区因地下水位偏高或雨水偏多，是我国受洪涝影响最为严重的地区，约占全国洪涝灾害区域的3/4 以上。目前，作物抵抗湿涝胁迫缺氧环境的生理生化以及分子机理尚不清楚，耐湿基因克隆的报道还较少，制约了作物耐湿性品种分子标记辅助选择的进程[3]。因此，对农作物已有耐湿生理生化及分子机理的研究进行综述，可为耐湿作物新品种的选育提供参考依据。

1 作物耐湿性生理生化

1.1 启动无氧呼吸

在湿害胁迫下，由于氧气缺乏，有氧呼吸代谢途径明显受阻或中断，植物逼迫通过无氧呼吸维持其生存所需的能量。乙醇发酵和乳酸发酵是无氧呼吸途径的主要能量代谢途径。在低氧胁迫下，植物首先表现为乳酸脱氢酶（LDH）的活性升高，当胞质中pH 值达到6.8 时，乙醇脱氢酶（ADH）与丙酮酸脱羧酶（PDC）被激活，迅速进入乳酸和乙醇发酵途径，成为氧气缺乏时主要能量来源[4]。胡晓辉等研究了低氧胁迫对黄瓜幼苗根系无氧呼吸酶活性的影响，结果表明，根系中PDC、ADH、LDH 活性显著升高，且升高幅度与品种抗低氧胁迫的能力密切相关[5]。

1.2 启动抗氧化机制

作物在淹水胁迫下，根系由于处于严重缺氧的环境，作物不可避免会产生超氧阴离子（O2·）、羟自由基·OH 和H2O2等大量活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS），这些物质的积累会造成植物细胞结构和功能的损伤，最终导致植株的死亡。作物同时也存在一系列抗氧化机制，受到逆境胁迫后，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）等氧化酶活性会被激活用来平衡活性氧的危害。

张晓勤等对大麦叶片中抗氧化酶活性与丙二醛（MDA）含量的研究表明，湿害初期抗氧化酶活性均上升，湿害处理后期，抗氧化酶活性在湿害敏感材料中明显降低，而耐湿材料中变化相对较小；湿害胁迫后，MDA 含量在不同材料中均显著上升，且在湿害敏感材料中的积累量更多，表明湿害敏感材料叶片中细胞膜的损伤程度更大[6]。周广生等研究发现，小麦受湿害胁迫后，次生根与旗叶中的MDA含量比对照有所增加，而抗氧化酶SOD、POD、CAT活性均下降，且耐湿品种生理指标的变化幅度要明显小于湿害敏感品种[7]。

Zhang 等研究表明，大麦叶片中主要抗氧化酶含量的变化与耐湿性间并不存在显著的相关性，SOD 活性与耐湿性间为不显著负相关；不同作物在湿害胁迫下，抗氧化酶活性变化的规律并不一致；同一种作物的不同器官或不同的试验条件下，也往往得到不同的试验结果[8]。Tang 等研究发现，湿害胁迫导致玉米叶片中SOD 和CAT 活性明显升高，而根系SOD 和CAT 活性却明显下降[9]。Yordanova 等研究发现，湿害胁迫后大麦叶片中SOD 活性显著下降[10]，而Zhang 等研究却发现湿害胁迫后SOD 活性显著上升[8]。

1.3 启动激素调控机制

植物往往通过调控自身体内激素含量的变化来抵抗湿害造成的低氧胁迫。当土壤中含水量过多时，植物根系产生的乙烯气体不能迅速地扩散出去，在根系周围积累，或通过根系及茎叶中的通气组织，扩散到植株地上部，而造成叶片的萎蔫、黄化、卷曲、脱落，抑制植株的正常生长发育[11]。Mergemann 等研究发现，乙烯可以作为一种重要的信号分子，在根节部位堆积促进新生不定根的生成，替代湿害中损伤的种子根，提高了植物的耐湿性[12]。Kim 等对大豆湿害胁迫5 d 后，发现耐湿材料根系中乙烯的含量增加了8 倍，而湿害敏感材料仅增加了不到2 倍，通过电镜观察根系横切面，同时发现耐湿材料根系中产生了更加发达的通气组织[13]。王文泉等研究发现，湿害处理后，耐湿芝麻的根系中乙烯含量增加了6.06 倍，不定根数目也明显增加，且在初生根和不定根中均形成了典型的通气组织[14]。

脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）、生长素（IAA）和细胞分裂素（CTK）等激素在湿害胁迫下均会发生相应的变化。Saika 等研究表明，植物在遭受湿害逆境时，地上部ABA 含量会增加，并且会减少向地下部的运输；叶片中ABA 含量的增加，会导致气孔关闭，蒸腾作用和呼吸作用均下降，进而影响到植物光合作用[15]。Shimamura 等研究发现，大豆淹水胁迫24 h 后，子叶下胚轴处形成发达的通气组织，ABA含量却明显下降，表明ABA 可作为一种负调控因子来促进通气组织形成[16]。Kim 等研究表明，湿害胁迫后，大豆耐湿材料的根系中形成了发达的通气组织，其植株ABA 含量显著下降[13]。赤霉素（GA）则主要通过控制细胞的形状和数目来调控植株的生长发育和参与植株的逆境胁迫反应。Fukao 等研究发现，水稻淹水胁迫时，GA 含量明显上升，且增加了水稻节间的长度，使植株迅速逃离湿害胁迫[17]。乙烯、赤霉素、脱落酸间可能存在某种互作，从而决定了细胞程序性死亡以及不定根原基出现和生长的时间及位置。

2 作物耐湿性的分子机理研究

作物对湿害胁迫的响应是一个复杂的分子调控过程，迄今为止，已经建立了不同作物在湿害胁迫后的基因表达谱，并筛选出了大量与耐湿性相关的差异表达基因。Christianson 等利用全基因组芯片对棉花淹水胁迫后根系和叶片中的基因表达分析表明：4 h湿害处理，根系中鉴定到1 012 个差异表达基因，主要与细胞壁的修饰和生长、糖酵解、线粒体电子传递和氮代谢等生理功能相关；24 h 湿害处理，叶片中鉴定到1 305 个差异表达基因，主要与细胞壁修饰和生长、激素响应、淀粉代谢和氮代谢等功能相关[18]。Sharmin等对不同淹水时间段的大豆种子进行转录组测序分析，在湿害敏感材料和抗性材料中分别鉴定出1 958 和1 563 个差异基因，通过功能分析，差异基因主要与细胞壁、抗氧化活性、转录因子活性等功能相关，预测了3 个GmERFVII 转录因子和MAPK1基因是重要的候选基因[19]。Yu 等对湿害胁迫下玉米的根系进行蛋白组学分析，共检测到211 个差异表达蛋白，其中有81 个在耐湿系中特异表达，57 个在湿害敏感系中特异性表达；差异表达蛋白功能主要与代谢、能量、转运和抗病/防御等相关，差异基因可减少能量消耗、维持正常pH 水平以及减小氧化损伤[20]。

已有研究从水稻和拟南芥等植物中克隆了部分与耐湿相关的基因，部分基因的功能已被验证[21-23]。Quimio 等构建了PDC1 基因的超表达载体转化水稻，转基因株系抵抗淹水胁迫的能力明显提高[21]。耐涝基因Sub1A-1 编码一个乙烯响应因子，在不耐湿的粳稻中超表达Sub1A-1，转基因株系中内源Sub1C、Expansin3 和Sus3 表达量降低，而ADH1/2和PDC2/4 的表达量明显提高，表明Sub1A-1 能够提高水稻抵抗淹水胁迫的能力[22]。除此之外，还发现乙烯响应因子SKs 基因也与耐淹相关，超表达SKs株系的节间明显伸长，抵抗淹水胁迫能力提高。SKs和Sub1A-1 都能响应乙烯信号。此外，SKs 还可以刺激GA 信号，而Sub1A-1 则通过抑制短侧根基因SLR1 的降解负调控GA 信号途径，表明两者可以通过不同途径调控植物适应淹水胁迫[23]。Liu 等研究表明拟南芥中，RAP2.6L 编码一个AP2/ERF 家族的基因，超表达RAP2.6L 基因，导致APX1、SOD1、ABA1、ABH1 和ADH1 等抗氧化酶类基因转录本的增加，表明超表达RAP2.6L 延迟了植株在湿害胁迫下的黄化死亡，耐湿性提高[24]。

3 展望

湿害是影响作物生长发育的主要非生物胁迫因子之一，为了深入研究作物耐湿性的机理，培育耐湿性作物新品种，未来需要在以下几个方面开展研究：1）准确的评价指标，是优异种质资源筛选鉴定的基础。在作物耐湿性评价方面，主要是以黄叶数、株高等表型性状的变化为主，以后可能要考虑多个性状的综合评价指标。2）生理生化指标的变化与作物不同的发育阶段密切相关，湿害的鉴定与温度的变化也密切相关。目前大多数研究主要集中在作物苗期阶段，以后要多增加作物成株期耐湿性鉴定的研究。3）作物耐湿性是复杂的数量性状，由多个基因控制，目前克隆的耐湿相关基因还较少。通过构建遗传定位群体，定位克隆耐湿相关主效基因，利用关联分析群体，挖掘耐湿优异等位变异，仍是作物耐湿研究的主要任务。4）湿害胁迫发生后，不同作物会产生形态适应，如不定根和通气组织的形成，这些形态变化的生理、分子机理仍然不是十分清楚，有待进一步研究分析。随着现在转录组、蛋白组、高通量测序、基因编辑等新技术的发展，作物耐湿分子机理的研究会越来越多，使利用分子标记辅助选育作物耐湿新品种成为可能。