草地早熟禾对干旱胁迫的响应研究进展

王君玲，刘颖

(青海大学畜牧兽医科学院，青海省高寒草地适应性管理重点实验室，青海 西宁 810016)

植物的水分状况对植物的生理活动具有重要的影响，水分亏缺影响植物的生长发育和繁殖。据联合国发布的《2022年干旱数字报告》，21世纪以来，全球干旱次数和持续时间已经增加了29%。推测未来干旱事件发生将越频繁且越剧烈[1]。降雨模式和气候的变化可能导致生态系统脆弱化[2]。同时，气温升高导致干旱胁迫加剧[3]。目前，研究发现草地生态系统对干旱的响应最为敏感[4]。例如，干旱可以引起植物群落性状变异，进而调控草地生态系统的生产力[5]。因此，干旱缺水对生态系统的结构和功能可产生深远的影响。

草地早熟禾(Poapratensis)由于其具有生长速度快、抗逆性强等优点被作为草坪建植和生态修复的品种之一，其栽培分布范围非常广泛。草地早熟禾是一种冷季型禾草[6]，可在寒冷的干旱区和半干旱区生长[7]，具有侵略性的根茎型[8]，能进行横向和纵向扩展，且再生能力强[9]，导致其在生态系统中占居重要的生态位，并可改变草地的生态过程，使得生物群落结构发生变化，进而改变生态系统的多样性[10]。而且草地早熟禾毛根和根茎可以在地下形成一层致密的网络结构，具有固土保水的功能[11]，是治理矿山、修复退化草地重要的禾草[12，13]。但与披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)、老芒麦(ElymussibiricusLinn.)等禾草相比，草地早熟禾的抗旱性并不是很强[14]，为提高草地早熟禾的抗旱性，全面了解草地早熟禾响应干旱的机理势在必行。因此，本文从形态、解剖结构、代谢机制及基因调控等方面综述了草地早熟禾对干旱的响应和适应机制，以期为草地早熟禾抗旱基因的筛选和抗旱分子机制的研究提供科学依据和理论基础。

1 草地早熟禾形态及解剖结构对干旱胁迫的响应

植物在水分亏缺条件下，主要通过改变根系、叶片等自身结构来避免干旱胁迫引起的不利影响，进而维持正常的生理过程[15]。另外，干旱胁迫的强度和胁迫时间对植物的耐受性不同，促使植物产生不同的适应策略。

1.1 根系对干旱胁迫的响应

根系为植物提供水分和营养物质，通过草地早熟禾根系的构型适应在不同生境中的生长。相关研究结果表明，比根长、比表面积与最大吸水比例呈正相关，同时土壤干旱促使更多的碳水化合物投入到根系生长，使草地早熟禾根系总生物量累积以适应干旱[16]。随着干旱胁迫加强，草地早熟禾的根冠比下降幅度增大[17]，进一步说明植物通过改变地下生物量来吸收更多的水分。此外，也有研究表明野生草地早熟禾处于一定水分胁迫时，通过改变地下根茎形态结构来建立根系系统，有利于其在严重的水分亏缺条件下维持体内的正常水分需求[18]。随着干旱程度的增加，草地早熟禾的中柱和导管直径显著变小，占根系直径比例同时减小[19]。综上所述，草地早熟禾根系结构发生变化，有利于从土壤中获取水分，维持正常的生理生化过程。

1.2 叶片对干旱胁迫的响应

叶片是植物蒸腾和同化的主要器官，随着水分环境的变化，植物的结构与水分环境相互适应。相关研究表明，草地早熟禾富含体积较大的贮水细胞，在干旱环境下，可以改善自身的保水能力；木质部与维管束面积比、韧皮部与维管束面积比会增大，有利于运输水分和有机物质，能更好地适应环境[20]。另外，大多数草地早熟禾叶组织内进化出了泡状细胞，有利于避免过多水分流失，可以提高在水分胁迫下的抗旱能力[11]。草地早熟禾通过气孔器的形态和开闭状态，硅质乳突密度及分布规律，影响叶片水分运动状态，进而维持基本生理活动[21]。尹莹莹构建的草地早熟禾叶片外观形态生长模型，可以反应叶片在干旱胁迫下的生长规律，为实时监测植物的生长过程提供了重要依据[22]。以上结果说明，草地早熟禾茎叶组织特异结构是为了抵御和躲避外界环境，维持正常的生命活动。

2 草地早熟禾对干旱胁迫的生理响应

在非生物胁迫下，植物会发生一系列的生理生化变化来适应和抵抗胁迫，调节各种生物环境引起的波动。干旱胁迫可以引起植物光合生理及渗透调节物质的变化。相关研究表明，干旱胁迫导致4种不同类型的草地早熟禾叶绿素含量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率下降[23]；Hu等发现干旱胁迫胁迫下，耐旱基因材料可维持较高的单叶净光合速率，Rubisco处于激活状态，羧化效率较高，气孔限制较小[24]。相对电导率能够反映草地早熟禾细胞膜的透性，长期和严重的干旱可能导致质膜结构损伤，引起细胞内电解质外渗，使相对电导率升高[25]。在干旱胁迫期间，草地早熟禾的相对含水量和叶绿素含量随胁迫时间的延长均呈下降趋势，脯氨酸含量总体表现出上升趋势，但是变化幅度因材料不同而不同[26]。蔺亚平等发现，干旱胁迫能够导致6种禾草叶片组织含水量和叶绿素含量下降，细胞膜透性升高，抗氧化酶活性升高[14]；董沁等指出长期干旱导致7种野生草地早熟禾叶片游离脯氨酸、可溶性糖和MDA含量逐渐增加，过氧化氢酶和可溶性蛋白含量逐渐减少，超氧化物歧化酶活性呈先增强后减弱的趋势[27]，以上结果说明植物处于干旱环境中时，可通过细胞内积累一些对原生质无伤害的物质来调节细胞渗透势的动态平衡。

在水分胁迫条件下，植物激素含量的变化，促使植物对水分的吸收增加。前人研究发现，草地早熟禾在干旱胁迫下，叶片中的脱落酸与细胞分裂素、吲哚-3-乙酸共同调控气孔关闭，进而通过光合生理维持生长发育，以适应干旱对其造成的伤害[28]。脱落酸含量也会显著增加，进一步通过气孔调控、促进根系发育和脱落酸依赖途径的启动等增强植物的抗旱性。此外，脱落酸可以与乙烯、生长素、赤霉素等其他激素相互作用，增强植株的耐旱性[29]。

3 草地早熟禾抗旱相关基因的挖掘与功能鉴定

3.1 抗旱基因及蛋白质介导干旱胁迫

近几年来，众多学者从草地早熟禾的根茎叶中克隆出了一些调控基因，这些抗旱基因直接或间接地响应干旱胁迫。陈雅君等从草地早熟禾克隆出了脱落酸的应答基因，此基因参与对水分胁迫信号的接受与传递[30]；B.Shaun Bushman等研究发现了大量具有蛋白质折叠和保护功能的伴侣基因家族参与草地早熟禾干旱胁迫，且两个脱水蛋白基因RAB15和HVA1在干旱胁迫下高度表达[31]；此外，干旱胁迫抑制PHR2和OSK4基因在草地早熟禾根、叶的表达[32，33]；PpSWEET12、PpSWEET15和PpNAC10可作为草地早熟禾抗旱胁迫响应的候选基因[34,35]；轻度干旱有利于草地早熟禾NADH-GOGAT基因的表达[36]；长期干旱导致SnRK2.2相对表达量下降[37]。

3.2 植物激素相关基因介导干旱胁迫

草地早熟禾对干旱胁迫的响应通常有植物内源激素的参与。调控植物内源激素的合成、转运和信号转导，可进一步调控草地早熟禾的耐旱性。张兰等从草地早熟禾中首次克隆得到了叶绿素酶基因PpCHL1，并发现PpCHL1能响应脱落酸、茉莉酸和茉莉酸甲酯信号诱导途径[38]；进一步研究发现，草地早熟禾PpCHL1基因可能调控叶绿素降解，以适应环境的变化[39]。Chen等发现干旱处理下，草地早熟禾叶片中PYL、JAZ、BSK等基因参与脱落酸、茉莉酸、油菜素内酯等激素信号转导；此外，长期干旱导致脱落酸、茉莉酸和油菜素内酯浓度增加[40]；檀鹏辉发现，PpGA2ox基因受GA3、茉莉酸甲酯及生长素三种激素的诱导[41]。进一步分析发现PpGA2ox基因启动子序列含有响应激素诱导和逆境胁迫的作用元件[42]。

3.3 其他基因介导干旱胁迫

蜡烷烃的生物合成和植物的抗旱性，也存在正向反馈关系。Wang等发现候选基因PpCER1-2通过编码草地早熟禾的烷烃生成酶，促进烷烃的生物合成，使草地早熟禾角质层通透性降低，从而增强草地早熟禾对水分的胁迫[43]。YuNi等提出草地早熟禾叶片中参与表皮蜡合成、分泌和调控的候选基因有LACS、KCS、KCR、FAR和CER1[44]。

内参基因的选择和验证是实时荧光定量PCR中必要条件，内参基因在不同的生物和组织及不同的非生物环境胁迫下，内参基因表达稳定性存在差异。牛奎举等发现ACT 和SAM 在干旱处理叶片中保持稳定表达，GAPDH 联合ACT 在干旱处理根系中保持稳定表达[45]；张兰等发现GAPDH 在草地早熟禾不同组织器官中表达最为稳定；在叶片不同发育期ACT 表达最为稳定[46]。

4 展望

草地早熟禾是草坪建植和生态修复的优势种。21世纪以来，全球干旱问题日益加剧，草地早熟禾的抗旱机理研究也逐渐成为热点。目前，国内外学者对草地早熟禾的形态、生理、细胞及分子方面做了大量的研究和探讨，科学界对草地早熟禾的抗旱机制有了进一步的了解。但基于研究理论方法的限制，品种种质资源的差异，使得草地早熟禾在组学领域中的研究报道相对较少。因此，今后在研究草地早熟禾响应干旱胁迫的机理时，应加强以下几个方面研究：一是利用代谢组学技术，研究细胞受到外界环境刺激后的代谢反应，进而利用高空间分辨率实现代谢物之间的差异分布。对植物组织的代谢物实现精准定位和含量测定，探讨代谢物的生物合成途径并解析重要酶功能。二是将表型组学、基因组学、蛋白质组学及代谢组学整合分析，探讨草地早熟禾根茎扩散机制及抗旱机制，挖掘相关抗旱基因。另外，通过基因共表达网络分析，预测相关的基因调控网络；三是进一步加强糖代谢通路、脂质代谢通路和蛋白质结构与功能的作用和调控模式，以及参与调控的基因等相关研究。