亚热带地区主要阔叶用材树种的非生物胁迫研究进展

杨晓燕熊 炀宫 雪钟永达陈彩慧胡丽平余发新

（1. 江西省观赏植物遗传改良重点实验室，江西省科学院生物资源研究所，江西 南昌 330096；2. 江西农业大学林学院，江西 南昌 330045；3. 赣南树木园，江西 赣州 341212）

我国亚热带地区位于秦岭、淮河以南，雷州半岛以北，横断山脉以东的广大地区，总面积占全国国土面积的四分之一左右，是世界植物遗传多样性最丰富的地区之一。阔叶用材树种生态功能显著，在我国生态建设中有着不可替代的作用，同时还能为国家建设与社会发展提供优质的木材，为保障国家经济和支柱产业高质量发展提供重要物资[1]。亚热带地区气候温暖湿润，适合多种阔叶树种的生长，主要的阔叶用材树种包括杨树（Populussp. ）、桉树（Eucalyptus robusta）、樟树（Cinnamomum camphora）、鹅掌楸属（Liriodendron）、银杏（Ginkgo biloba）和闽楠（Phoebe bournei）等[2]，目前关于林木遗传改良的研究多集中在生长与材性性状[3-5]。近几十年来，经济的快速发展和人为干扰等给阔叶树种的生存和正向演替带来了不利的影响，而自然灾害频发、气候的极端变化加剧了这一过程。盐渍、干旱、淹水、极端温度、重金属等非生物胁迫已成为限制林木生长发育的主要环境因子。林木为适应和抵抗不利的环境状况，通过调整形态和生理生化代谢以适应环境胁迫。在经过长期进化后，林木会形成防御逆境胁迫的自我保护机制和感知环境变化的系统，通过调节体内基因表达和代谢以更好地适应生存环境[6]。随着生物学技术的不断进步，林木非生物胁迫抗逆机理研究已经从形态和生理生化水平发展到分子水平，但在抗逆分子机制和基因工程育种方面仍需深入探索和研究。本文主要综述了亚热带地区的杨树、桉树等主要阔叶用材树种的耐盐、抗重金属、抗旱、耐涝、耐寒和耐热等研究进展和现状，旨在为阔叶用材树种抗逆性深入研究和良种/新品种选育提供参考依据，助力我国森林生态系统结构的改善和林木生物质的提升。

1 耐盐研究

土壤盐渍化是影响植物生长发育的主要非生物胁迫之一。近年来，亚热带地区主要阔叶用材树种的耐盐性研究受到国内外学者的重视，在形态特征、生理代谢、耐盐机理和品种选育等方面取得了明显的进展。

林木具有一定的耐盐性，但高浓度的盐胁迫会影响其正常生长。‘Nanlin 895’杨、桉树、杂交鹅掌楸（Liriodendron sino-americanum）和闽楠能耐低浓度的盐胁迫，在200 mmol/L 的盐浓度下生长受限甚至死亡[7-10]；樟树和银杏的树高和地径随着盐处理浓度的增加而降低，0.4%的盐处理会显著抑制樟树的生长量[11]，而银杏在盐浓度为0.9%时生长受到的抑制作用最为显著[12]。阔叶用材树种在盐胁迫下外部形态和内部生理特征发生一系列变化。盐处理下，植株表现为顶端叶片萎蔫，基部叶片黄化枯死，中部以下叶片出现褐斑，侧根数目减少[7,9]。尾赤桉杂交种（Eucalyptus camaldulensis×Eucalyptus urophylla）和樟树在盐胁迫初期叶片光合色素能维持较高的水平，通过稳定光合作用减少胁迫伤害[13-14]，而杨树、银杏和闽楠在盐处理下净光合速率和蒸腾速率显著降低[12,15-16]；美洲黑杨在盐胁迫下根尖表面β-葡萄糖苷酶，N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸-氨基肽酶的活性增强，根部呼吸作用增强以供应抗胁迫所需能量[17]；盐胁迫会引起质膜损伤，阔叶树种叶片中电导率和丙二醛（MDA）含量增加，诱发植物体内保护酶系统清除活性氧，通过增强超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）活性及增加非酶促保护物质如抗坏血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH）的含量减少氧化损伤，积累可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸进行渗透调节[7,9-10,18-21]。盐渍土壤中某些离子浓度过高，容易对林木产生毒害作用，‘Nanlin 895’杨叶中K+和Ca2+含量持续保持高于根部，同时排除过量的Na+以减轻对细胞代谢活动及细胞器的破坏[7]；尾赤桉优先在老叶中积累盐分，幼叶和老叶中维持较高的K+/Na+以保证盐胁迫下细胞正常的功能[22]；樟树在低盐碱胁迫（0～100 mmol/L）下主要通过将Na+截留在根部，促进根器官吸收和转运K+、Fe2+等营养元素，提高茎、叶器官中K+/Na+和叶绿素含量，增强耐盐碱性[23]；银杏老树在长期盐胁迫下叶片会合成较多的异戊二烯化合物，调节叶片中Cl-和Na+的运输和积累，缓解盐胁迫伤害[24]。

林木的耐盐机制十分复杂，在盐胁迫下，亚热带地区主要阔叶用材树种能有效的调控分子机制增强其耐盐性。盐处理下会触发‘Nanlin 895’杨硫化氢-半胱氨酸（H2S-Cys）循环和甲硫氨酸（Met）相关的乙烯（ETH）合成，通过与抗氧化系统协同响应盐胁迫，诱导交替氧化酶（AOX）途径清除细胞活性氧(ROS)[25]，其三羧酸循环、棉子糖家族低聚糖合成、果糖代谢和谷氨酸合成主途径等相关基因在盐胁迫下表达上调，海藻糖激酶、酚类合成及谷氨酸合成支路等相关基因表达下调[26]；‘广林9’桉树叶片中6 个CAT基因在不同盐胁迫强度下的转录变化差异显著，盐浓度的升高会抑制叶绿体基因Rbcl、Ndhf、Matk的表达，诱导Accd基因的表达[27-28]；Yue 等[29]通过比较蛋白组学分析发现樟树光合作用中有31 个差异表达蛋白受到盐胁迫的影响；银杏转录因子家族（R2R3-MYB）中GbMYB5、GbMYB8、GbMYB15、GbMYB26和GbMYB31基因在盐处理下显著上调，GbMYB14、GbMYB30和GbMYB42基因的表达则保持不变[30]。通过基因工程手段使参与盐胁迫应答的相关基因在林木体内表达有助于提高其耐盐性。转基因赤桉（Eucalyptus camaldulensis）中RNA 结合蛋白McRBP基因的表达有助于增强其耐盐的能力，使其具有更完整的顶芽，光合作用量子产率更高，在15 周后其叶片盐分积累比非转基因桉树低30%[31]；转基因107-1 蓝桉中胆碱氧化酶基因codA的表达，诱导了幼叶中甘氨酸甜菜碱含量的积累以减轻盐胁迫伤害[32]；皱维华等[33]将反义磷脂酶Dγ基因转入到美洲黑杨G2 中提高了部分转化植株的耐盐性。在品种选育方面，美洲黑杨35 杨在土壤含盐量低于0.2%时能正常生长[34]，南方杨树无性系110 杨能耐受0.3%左右的含盐量[15]；尾赤桉杂交种H4、58H2 和27A2被鉴定为耐盐性桉树[13]，细叶桉KE8 在500 mmol/L NaCl 的培养基中耐盐指数较高[18]，澳大利亚以耐盐、耐旱特性的赤桉和生长速度快、材性好的巨桉（Eucalyptus grandis）和蓝桉（Eucalyptus globulus）为亲本杂交选育出的耐盐桉树杂交种在盐渍土试验地中生长良好[35]。

亚热带地区主要阔叶用材树种在形态学和生理生化响应的耐盐研究较为全面，包括林木生长减缓，叶片黄化出现褐斑，侧根数目减少，光合速率和蒸腾速率下降，根部呼吸作用增强，抗氧化酶保护系统激活，酶促保护物质增加，渗透性质有机小分子积累和离子平衡调节等。在分子层面及转基因方面也有初步研究，但仍需深入研究其抗盐信号转导途径、与盐胁迫相关基因的调控与功能等。对于抗盐胁迫能力低的林木可通过基因工程转入相关抗盐基因增强抗盐能力。随着对分子机制的深入研究，有望获得更多耐盐性强的植株。

2 抗重金属研究

随着工农业发展、废气排放、矿产开发和农药化肥使用，大量的重金属进入到生态环境中，破坏生态系统。镉、铅、铝等金属是植物非必需元素，在长期的进化中植物对多种金属产生了抗性机制。近几年，关于重金属对林木毒害作用的报道很多。

亚热带地区主要阔叶用材树种的抗重金属研究主要涉及锌、镉、铅、铝等。欧美杨在Zn 处理下地上部生长受到抑制，幼叶黄化，根系发育不良，叶中谷甘肽转移酶（GST）活性保持较高水平，根中金属转运蛋白（ZIP2 和NRAMP1）表达上调，涉及金属易位的相关基因NAS4表达下调[36-38]；桉树在高浓度Zn 处理（120～140 mg/L）下，叶中巯基物质（NPT、GSH 和PCs）含量显著增加，可与金属Zn 螯合形成毒性较低的重金属络合物，低浓度Zn 处理（0.25 mmol/L）能诱导桉树叶绿体基因Rbcl、Accd、Ndhf、Matk表达水平略微升高，但中高浓度Zn 处理（0.50～0.75 mmol/L）则显著抑制其表达[39-40]；低浓度Zn 处理（100～300 mg/L）对樟树幼苗地茎和根数有促进作用，高浓度的Zn 溶液（700～900 mg/L）则抑制苗高和根系的生长，通过提高SOD 活性和积累脯氨酸含量减轻胁迫伤害[41]。Cd 胁迫下，欧美杨总生物量、光合作用、叶绿素含量显著降低，与光合作用和氨基酸合成相关的蛋白丰度显著高于对照组，参与ATP 合成、质子转运、转录、翻译和氮代谢蛋白的丰度显著降低[42-43]；桉树在Cd 浓度大于60 mg/kg 时生长缓慢，叶片中硫醇和柠檬酸含量显著增加，根中半胱氨酸（Cys）和GSH 含量明显增加，叶中涉及APX、过氧化氢过氧化物酶（CPX）、class Ⅲ过氧化物酶（BPX）、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）的基因在中浓度Cd 胁迫（0.2 mmol/L）下多数转录水平升高[44-46]；樟树在Cd 胁迫下生长良好，其净光合速率与SOD 活性显著正相关，与总叶绿素、MDA、可溶性糖和脯氨酸含量显著负相关，根、茎、叶各器官中N、P、K 营养特征较为稳定，通过提高呼吸速率，增加渗透调节物质积累以增强对胁迫的适应[47-49]；鹅掌楸（Liriodendron chinense）主要在根中积累Cd 金属，镉胁迫下，其叶绿素含量显著下降，细胞膜透性增大，叶片中CAT 活性降低，敏感的鹅掌楸种源叶片黄化、脱落，顶部萎蔫，根系变黑停止生长，而抗性强的鹅掌楸种源老叶脱落，大部分叶片却仍保持绿色[50-51]；银杏在Cd 胁迫下叶片叶绿素含量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率随着胁迫浓度增加而下降，但细胞间CO2浓度则随之而增加，叶片中SOD 和CAT 活性随着胁迫时间的延长总体表现为先升后降的趋势，POD 活性显著高于对照组，通过调节抗氧化酶系统增强其抗性[52-53]；闽楠苗高生长量、地径生长量和叶绿素含量在Cd 浓度低于5 mg/kg时表现为略微增加，但当Cd 浓度超过10 mg/kg时则受到显著抑制[54]。Pb 胁迫抑制欧美杨高生长和径向生长，其生物量显著降低，光合作用减弱[55]；桉树在Pb 胁迫下生长减慢，叶片出现毒性症状，叶片变薄、变黄并带有褐色斑点，低浓度Pb2+处理（1 mmol/L）能诱导叶绿体基因表达，高浓度Pb2+处理（3 mmol/L）则显著抑制叶绿体基因表达[56]；樟树在低浓度Pb 处理下能进行正常的生理活动，当土壤Pb 浓度高于1 045 mg/kg 幼苗生长状况显著恶化，不能保持较高的Pb 转移系数，其叶片中POD、SOD 活性随着Pb 浓度的增加而呈现先升后降的趋势[57-58]；低浓度的Pb 胁迫（50 mg/L）能促进鹅掌楸苗高和地径的生长，叶片中SOD 和POD 活性增加，但随着Pb 浓度升高和处理时间的延长，其生长量下降，叶片中SOD和POD 活性下降[58-59]。桉树在Al 胁迫下叶片质膜透性、可溶性糖和可溶性蛋白含量显著增加，叶片和根中丙二醛含量显著增加，根中SOD、APX、多酚氧化酶（PPO)活性显著增加，比叶片增幅更为明显[60-61]；樟树在中、高浓度Al 胁迫下（8～15 mmol/L），株高、基茎、叶柄长、叶片数和生物量均显著降低，叶片光合作用受到抑制[62-63]；Wang 等[64]研究发现Al 胁迫诱导杂交鹅掌楸谷氨酸脱羧酶（GAD）蛋白丰度增加，使γ-氨基丁酸（GABA）生物合成增加，清除ROS，增强脯氨酸的生物合成，并上调毒性化合物外排转运蛋白基因（MATE1和MATE2）的表达，促进柠檬酸对Al3+的螯合流出；低Al 浓度有利于银杏生长，在浓度为0.2 mmol/L 时枝叶更为茂盛，新根更多，但随着铝浓度增加，对银杏的毒害作用加大，抑制新根及叶片的生长，其根部发黑，腐烂枯死，枝条短小，叶片小而变黄[65]。在品种选育方面，美洲黑杨无性系Eridano 在5 mmol/L 锌处理下仍能存活[36]，美洲黑杨无性系B-81、中荷1 号、欧美杨无性系L35 和I-107 表现出较强的耐Cd 能力[42,66]，欧美杨561/41 的耐Pb 能力较强[67]；尾叶桉ST-9 品种在极高Pb 浓度（56 mg /L） 处理下生长良好[56]，巨尾桉9 号具有耐铝特性[68]。

目前，亚热带地区主要阔叶用材树种抗重金属胁迫的研究主要集中在形态学和生理生化响应，包括生长异常，叶片变薄、变黄并带有褐色斑点，根系发黑腐烂，根部富集重金属离子，重金属络合物形成，抗氧化系统加强和氮素代谢异常等。多数树种的抗金属研究在分子层面还处于起步阶段，需借助多组学手段进一步加强抗性生理的研究，找到控制重金属伤害和抗性的关键因子，以便分离和克隆抗性基因，培育转基因植株。

3 抗旱研究

全球干旱半干旱地区面积占陆地面积的三分之一，气候恶化使各地干旱的情况日益频发，林木的耐旱研究及耐旱品种选育受到广泛关注。近年来，亚热带地区主要阔叶用材树种在抗旱方面已开展了大量的研究。随着生物学技术的发展，利用多组学方法初步揭示了林木抗旱的分子机制。

干旱胁迫下林木通过多种生理调节机制保证其生长，从而较大程度地适应了干旱的环境。干旱抑制亚热带地区主要阔叶用材树种的生长，其叶面积和数量、树高、地径及根、茎、叶的生物量均显著降低，叶片枯黄脱落，茎杆干缩，通过促进地下部分生长，抑制地上部分生长，调整根、茎、叶的生物量分配来适应胁迫环境，提高水分利用效率和维持较高的光合水平增强耐旱性[69-75]。随着干旱胁迫加剧，阔叶用材树种叶绿素含量、净光合速率和蒸腾作用下降，叶片中MDA 含量和电解质泄漏增加，SOD、POD、CAT、APX 等酶活性增加，通过积累可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量缓解干旱对细胞的伤害[69,71,76-82]；干旱诱导欧美杂交杨叶片中活性氧和氮以及脂质过氧化，其细胞活力和总酚含量下降，主要通过积累脯氨酸和甜菜碱维持细胞膨压[83]；桉树在严重的干旱条件下通过增加槲皮醇的浓度进行渗透调节[84]；樟树通过保持较低的叶片渗透势（πtlp）和木质部张力导致导水率损失50% 时茎水势（P50）、较高的最小茎水势（ψmin）和较大的水力安全阈值（HSM）以提高在干旱环境下的存活率，轻度干旱胁迫诱导樟树气孔关闭，叶片积累脱落酸（ABA），叶水势下降，严重的干旱胁迫会致其气体交换恢复延迟[85-86]；杂交鹅掌楸的耐旱性与叶片内源激素有密切的关系，抗旱性强的无性系ABA 含量变化不明显，吲哚乙酸（IAA）含量下降的幅度更大，玉米素核苷（ZR）与茉莉酸（JA）含量均较低，而抗旱性差的无性系则需积累较多的ABA 和JA 来抵御干旱胁迫[87]；干旱胁迫下银杏叶萜内酯类物质含量随着生长季节的变化呈“先升高后降低”的趋势，适度干旱条件可以促进其萜内酯类物质的合成[88]。

干旱诱发林木潜在的保护机制，在分子上调控基因表达和细胞代谢以增强耐旱能力。Caruso等[89]通过mRNA 差异显示技术在欧美杨叶片中分离出36 个与干旱胁迫相关的差异表达基因的cDNA，其中21 个cDNA 可能与已知的生物学过程有关；美洲黑杨通过抑制柠檬酸循环，积累多种碳水化合物作为渗透调节物质以减轻干旱胁迫的不利影响，其碳水化合物、氨基酸、脂质和能量的代谢参与其对干旱的响应[90]；Correia 等[91]研究发现干旱会对桉树的光合作用、基因调控、细胞生长和次生代谢产物产生不利影响，通过增强光和渗透保护作用，激活与胁迫防御相关的途径和转变能量代谢以减轻胁迫影响；银杏在干旱胁迫下许多参与甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径的基因，如Gb_01536、Gb_01539、Gb_37290、Gb_23485、Gb_06259和Gb_27241等基因上调，NAC（NAM、ATAF 和CUC）转录因子基因Gb_12203、Gb_37720和Gb_12202的表达显著上调[92]；闽楠在持续干旱条件下叶片参与光反应的光系统Ⅱ中的放氧复合蛋白和碳反应中卡尔文循环相关酶表达丰度下调，自身的防御系统、能量代谢以及糖代谢等生理过程减弱使其整体抗旱能力下降[93]。此外，通过转基因手段使抗旱相关基因在林木体内过表达，可以增强植物的抗旱能力。转基因'Nanlin895'杨中脂酰-酰基载体蛋白硫酯酶CpFATB基因的过表达可以通过提高抗氧化酶活性以减少膜系统损害来增强其抗旱性[94]；Hao 等[95]将鹅掌楸中脱氢抗坏血酸还原酶LcDHAR基因转入拟南芥，发现转基因植株中AsA 水平提高致使其对干旱和盐胁迫的抗性增强。在品种选育方面，南方型杨树中'Nanlin 3412'、美洲黑杨‘秦黑杨1 号’、‘秦黑杨2 号’、‘田纳西美3’、‘14-苏8’、'St-123'、美洲黑杨2 号和美洲黑杨3 号耐旱性较强[69,96-97]；蓝桉无性系CN5 具有干旱回避机制[77]，尾巨桉DH33-7、GL-4、GL-C3 和DH184-抗 旱 能 力较强[98-99]，而细叶桉KE8 最高可耐受1 000 mmol/L D-甘露醇[100]。

亚热带地区主要阔叶用材树种在适应干旱方面有较多的研究，但主要集中在形态学和生理生化方面，表现为林木生长受到抑制，叶片枯黄脱落，茎杆干缩，气孔关闭，叶片水分利用率增强，光合作用减弱，抗氧化酶活性增强，渗透调节物质积累和植物内源激素诱导等。对抗旱分子机制的研究相对较少且不深入，需深入对抗旱基因的表达与调控的研究。目前，在林木中已分离并鉴定出一些与抗旱相关的基因，将抗旱相关基因与信号通路有效地链接及利用抗旱基因培育更多的抗旱植株是未来研究的重点。

4 耐涝研究

环境恶化，极端天气频发，全球范围内洪涝灾害的频率和强度有所上升。亚热带地区春夏雨水集中，土壤排水不良容易发生涝灾，部分亚热带地区主要阔叶用材树种在淹水胁迫下表现出耐涝的特性。

土壤水分过多会致使林木受到伤害甚至死亡，通过改变形态和生理代谢来适应淹水环境。耐淹性不同的欧美杂交杨在淹水后存活率有所不同，敏感无性系'D-64'、中度耐淹无性系'Rimini'和耐淹无性系'I-488'在淹水60 d 后存活率分别为16%、29%和38%[101]；赤桉具有一定的耐淹能力，成龄植株在持续淹水89 d （水深0～3.71 m波动） 后90%仍能存活，而幼龄植株的成活率约为30%[102]；樟树耐淹性较好，在淹水28 d 后存活率为97.44%；北美鹅掌楸（Liriodendron tulipifera）不同家系的耐淹性不同，1 号和2 号北美鹅掌楸家系在9 cm 淹水32 d 后存活率为100%，而3 号和4 号家系在淹水16 d 时出现死亡，但存活率为80%以上[103]。阔叶用材树种在淹水胁迫下叶片发黄或变黑、下垂脱落，叶缘有水渍灰斑，并且株高、茎高和叶片的生长速率受到抑制，根系容易发黑腐烂，耐淹的美洲黑杨和北美鹅掌楸在茎部位会形成不定根与肥大的皮孔以增强其耐淹能力[104-108]。此外，美洲黑杨在淹水处理下总叶片面积、气孔导度和光合速率下降，但新叶的叶片面积和厚度增大[109]；北美鹅掌楸在淹水胁迫下叶片逐渐失去正常光合作用和水分代谢等功能，水中穿孔根加快生长以改变地上与地下部分比值适应淹水环境[106]。淹水胁迫诱导阔叶用材树种叶片中O2-和H2O2、MDA 含量增加，通过增加POD和SOD 活性及积累脯氨酸含量增加以减少氧化伤害 和维持细 胞 平衡[105,107,110-111]；美 洲 黑杨在淹 水胁迫下叶片相对含水量、叶绿素、类胡萝卜素和可溶性糖含量降低[105]；樟树随着淹水时间的延长叶绿素含量先升后降或持续上升，其叶片可溶性糖显著高于对照组[112]；耐淹的北美鹅掌楸淹水后叶绿素含量下降，电导率先增加后缓慢下降，耐淹的杂交鹅掌楸在淹水处理下叶片ABA 含量变化幅度较小，而耐涝性差的杂交鹅掌楸IAA 变化幅度小，需维持较高的JA 含量来抵御胁迫[107,113]；银杏在淹水处理下叶绿素含量降低，叶片的初始荧光明显上升，最大荧光、PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm、PSⅡ潜在光化学活性Fv/Fo 显著下降[114]。

林木遭受淹水胁迫后，体内多类转录因子基因参与对胁迫的响应。Li 等[115]发现美洲黑杨通过调节内源激素、抗氧化系统、不定根发育和耐涝性相关的基因的表达来提高其耐涝性，并推测乙烯响应转录因子（RAP）、NAC、含WRKYGQK高度保守序列NAC（WRKY）和碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）转录因子在美洲黑杨耐涝中起到重要作用。谭胤静等[116]鉴定了北美鹅掌楸无性系在淹水胁迫下的转录因子基因，获得了214 161 个unigenes，鉴定出77 个转录因子家族，发现植物转录因子（MYB）、Zinc finger、NAC 等转录因子家族差异表达数量最多，其中NAC、WRKY、APETALA2/乙烯反应因子（AP2/ERF）、Golden2-like等家族的转录因子表达普遍上调，而Zinc finger、Orphans、Zn-clus 等家族的转录因子大部分在淹水敏感无性系中显著下调表达。在品种选育方面，美洲黑杨‘2025’杨的耐涝性较强[104]，美洲黑杨丹红杨在淹水65 d 后仍能正常地生长[117]；北美鹅掌楸家系Louis-1 和Louis-2 在淹水30 d 以上仍能存活[103]。

目前，亚热带地区主要阔叶用材树种耐涝的研究主要集中在形态学和生理生化水平，包括林木生长减缓，根系发黑腐烂，茎部位形成不定根与肥大的皮孔，光合速率下降，抗氧化酶系统激活和植物内源激素诱导等。多数阔叶用材树种还未展开在分子层面的研究，林木有关耐涝基因筛选方面的研究较少，耐涝基因表达与调控方面的研究也是微乎其微。可深入研究耐涝林木形态及代谢适应的分子机制，找到耐涝关键基因，再通过转基因手段寻找抗涝相关途径。

5 耐寒研究

低温是限制植物区域分布的主要因素之一，亚热带地区主要阔叶用材树种多数耐寒性较差，抗寒机理的研究有利于其北移引种。林木早期耐寒的研究主要集中在形态、生理生化和引种驯化等方面，近几年在分子水平及基因工程方面也有了较多的研究。

林木在低温胁迫下形态与生理生化特征均发生变化。亚热带地区主要阔叶用材树种受冻后主要表现为生长受到抑制，叶片失绿萎蔫下垂，出现黑褐色斑块，叶面会出现结冰，叶脉纹理加粗易脱落，幼树顶尖由绿变褐变黑死亡，主干树皮变黄褐色浮起或纵向开裂，根茎处多皮爆裂白色木质部外露[118-121]。多数阔叶用材树种在低温胁迫下O2-、H2O2、MDA 含量显著增加，脯氨酸和可溶性糖含量显著高于常温处理，叶片中SOD、CAT 随着胁迫时间的延长呈现先上升后下降的趋势[118,122-125]；美洲黑杨随着温度的降低叶片可溶性蛋白和MDA 含量呈现先升高后降低的趋势[122]；尾巨桉在低温下叶片CAT、POD、SOD 活性、内源激素细胞分裂素（CTK）和赤霉素（GA）含量与常温相比有不同程度的下降[118]，耐寒性强蓝桉无性系具有较低的黎明前水势(ψpd)、较高的叶片膨压、较稳定光合色素和可溶性蛋白含量[126]；樟树叶片脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量随着温度的降低呈先降后升的变化趋势[127]；杂交鹅掌楸在4 ℃低温下叶片中O2-、H2O2和NO 含量显著增加，诱导SOD、CAT 和NOS 活性增加以减轻氧化伤害[120]；闽楠半致死温度为-2.9 ℃，随着胁迫温度降低及处理时间的延长，闽楠幼苗叶片细胞质膜透性、SOD 酶活性和脯氨酸含量增加，MDA 含量先下降后上升，叶绿素含量呈持续下降趋势，其净光合速率和暗呼吸速率先降低后升高，蒸腾速率逐渐降低，水分利用率逐渐增加，降低代谢以适应低温环境[121,128]。

林木在低温胁迫下基因表达水平发生改变。低温可以促进蓝桉叶中抗寒基因KIN10的表达，刺激光合作用，促进光同化物的产生，同时诱导脱水素基因EuglDHN1，EuglDHN2和EuglDHN10在叶片和茎组织中的转录表达，抗寒基因型表达量显著高于敏感基因型[129-130]；陆畅等[131]通过对抗寒性最强的安徽大别山种源的鹅掌楸构建数字基因表达谱和筛选差异表达基因，发现了9 个与鹅掌楸抗寒性有关的差异表达基因，分别为热激蛋白（HSP）、MYB、NAC、花分生组织决定蛋白（AP2）、Zinc finger、WRKY、脂肪酸脱氢酶（FAD）、Phospholipase和β-amylase基因；Zhang等[132]研究发现耐寒种源的闽楠冷胁迫下相关基因的转录分化较强，体内的转录因子基因RAP2-3、NAC2、NAC43、WRKY47和WRKY51可能与冷胁迫响应有关，寒冷敏感的种源中淀粉代谢相关基因的表达变化较大，转录因子BF3、锌指蛋白（ZAT10）和R2R3-MYB 蛋白（MYB308和WER）基因被诱导变化。此外，借助基因工程可以提高植物的耐寒性。王建格等[133]将樟树CRT/DRE 结合因子（CBF）转录因子基因CcCBFc转入拟南芥后，可显著提高转基因植株的POD 和CAT 活性，促进过氧化物酶基因和抗坏血酸过氧化物基因的表达，增强转基因植株的抗冻能力。在品种选育方面，杨树中南抗杨、欧美杨无性系Qg 的抗寒性较强[122,134]；桉树中‘常寒1 号桉’、邓恩桉17913、20665 和17922、本沁桉18788、尾叶桉 × 细叶桉无性系5、10、11 号、巨桉无性系常寒1 号、蓝桉无性系CN5、2 号邓恩桉99/0 和4 号邓恩桉98/27 耐寒性较强，常寒1 号桉’在持续冰冻30 d 极端低温-10 ℃能存活并在次年正常生长，邓恩桉99/0 和4 号邓恩桉98/27 种质的低温半致死温度分别为-5.31 ℃和-5.16 ℃[125,135-138]；樟树中寒樟801、樟树表型1 号（20120409）、大叶樟（Cinnamomum austrosinense）表型3 和表型5 抗寒性较优，其中寒樟801 可耐-16～-14 ℃的低温[139-141]。

亚热带地区主要阔叶用材树种在抗寒领域的研究已有一定的进展，主要表现为生长受到抑制，叶片失绿出现黑褐色斑块，树皮开裂，活性氧和自由基保护酶系统激活，渗透调节物质积累和抗寒相关基因表达等。但仍需加强抗寒分子机制的研究，涉及抗冻蛋白、细胞信号转导及抗寒基因表达等方面需要进一步研究，完善抗寒基因表达系统。在品种选育方面，采用引种驯化来改良林木的耐寒性是有限的，未来可加强抗寒相关基因的筛选，通过基因工程技术培育抗寒性较强的品种。

6 耐热研究

全球变暖，夏季高温天气频率与持续时间增加，植物的生长面临高温胁迫的挑战。植物在超过适宜温度10～15 ℃时会产生热激反应，获得耐热性以抵御高温[142]。亚热带地区主要阔叶用材树种在耐热方面的研究相对较少，研究主要集中在生理特征分析，大多数阔叶树种在分子层面和抗性育种方面还未展开研究。

高温影响林木的生理生化过程。多数亚热带地区主要阔叶用材树种在高温胁迫下叶片中ROS和MDA 含量显著增加，诱导SOD 和POD 活性显著升高以降低氧化损伤，蒸腾速率和水分利用效率明显降低[143-145]。桉树随着高温处理时间的延长，叶片气孔关闭，净二氧化碳同化率降低，叶绿素含量持续下降，叶片中总抗坏血酸浓度降低，谷胱甘肽浓度变化较小，幼叶和老叶中玉米黄质含量增加，增强叶黄素脱环氧化状态，从而最大程度减少叶片的光氧化伤害[143,146-147]；樟树在35 ℃和45 ℃高温处理后光合速率、气孔导度降低，叶片中单萜排放量增加，可在细胞中充当抗氧化剂[148-149]；银杏在48 ℃高温下叶片萎蔫，植株下部整张叶片和上部边缘叶片发黄[150]；银杏在温度升高初期，其叶片相对电导率增加，SOD和POD 活性均降低，叶片细胞膜对短暂高温具有一定的稳定性，在升温后期，叶片SOD 活性增加，POD 活性下降，通过调节抗氧化酶活性有效地控制体内活性氧代谢，维持叶片细胞膜稳性和完整性[145]。

WRKY基因广泛参与植物对高温的应答。Cheng 等[151]研究了银杏WRKY 家族中10 个Gb-WRKY基 因(GbWRKY2、GbWRKY3、GbWRKY5、GbWRKY7、GbWRKY11、GbWRKY15、GbWRKY23、GbWRKY29、GbWRKY31、GbWRKY32)在高温下的表达模式，发现其表达水平均下调。在品种选育方面，银杏品种洞庭皇1 号、郯城马铃2 号、大龙眼、银杏品系10 号、21 号、31 号、32 号、37 号和41 号的耐热性较好[152-153]。

亚热带地区主要阔叶用材树种在耐热方面的研究较少，生理生化响应包括叶片气孔关闭，光合速率和蒸腾速率降低，抗氧化酶诱导等。虽然在生理机制方面的研究取得了一定的进展，但许多机理目前还尚不清楚，需深入研究抗性生理和分子机理。银杏的耐热研究中已发现一些转录因子与其抗热性有关，可借助生物学技术进一步筛选和鉴定热胁迫相关基因。

7 讨论与展望

近年来，国内外学者对农作物抗逆性机制进行了大量的研究，在植物响应非生物胁迫机理和基因工程育种方面取得了阶段性的进展。在应对不同环境胁迫时，植物会引起相似的应答反应，造成相似的细胞损伤。在抗性分子机制方面的研究已较为清晰，阐明了应答非生物胁迫过程中的信号转导和基因表达调控途径，许多激素和转录因子在植物抗逆中的作用也得到揭示。目前，抗旱耐盐碱转基因作物相继面世，具有抗虫、抗病、耐除草剂等性状的转基因作物已大面积推广应用[154]。与农作物相比，亚热带地区主要阔叶用材树种的抗逆性研究进展较为缓慢，虽然在形态结构、生理生化、分子遗传、基因工程和育种等方面已取得了一定的进展，但各树种研究的广度和深度不尽相同，抗逆机理不清，深层次分子机制的研究较少，可应用推广的良种/新品种缺乏。多数阔叶用材树种对抗逆机理的研究局限于形态学与生理生化水平，分子机制的研究未展开或停留在起步阶段。在基因工程方面的研究也较少，对重金属胁迫、极端温度和淹水胁迫等非生物胁迫的研究还较为薄弱。很多抗逆研究还停留在试验中，试验结果较少用于实际生产中。

几种阔叶用材树种在非生物胁迫的研究多数围绕单一胁迫因子，复合胁迫试验还有待于开展。林木通过多种途径抵抗胁迫影响，不同林木的抗性方式不同，鉴定林木的抗逆性需结合林木特点，运用多指标综合评价林木的抗逆能力，建立科学的评估体系，研究简易有效的测定方法。目前，杨树[155]、桉树[156]、牛樟[157]、鹅掌楸[158]、银杏[159]、闽楠[160]等树种已完成全基因组测序，为林木分子水平抗逆机理的研究提供了基础，对林木抗性机制的研究重点也应由分析胁迫下生理生化反应转向筛选抗逆关键基因，在分子水平上还需借助转录组、蛋白组、代谢组等组学研究方法进一步研究阔叶用材树种在非生物胁迫下的信号转导途径、胁迫相关蛋白、抗逆基因的表达、调控与功能等。筛选和克隆抗逆相关基因，完善表达系统。实际生产中，可将植物抗逆基因表达与缓解胁迫伤害技术相结合提高林木的抗逆性。

亚热带地区主要阔叶用材树种的抗逆性研究在林业大有可为。不利的环境因子限制了一些具有较高生态价值和经济价值树种的生长发育和分布范围。笔者认为，在资金和精力有限的情况下，对非生物胁迫的研究可针对树种的特性和栽培的需要有重点地进行，如南方型杨树一般具有耐水的特性，且多在滨湖平原易淹水地区栽培，就可重点研究其淹水胁迫，选育更加耐水的良种；而鹅掌楸最大的不足就是不耐水涝，而南方降雨导致淹水和积水现象比较普遍，故可加强其耐涝性研究，提高其淹水胁迫能力；亚热带地区一般夏季高温干旱，对在易干旱的立地上栽培的树种，则要加强其抗高温干旱特性的研究；樟树易受冰冻影响，可考虑其抗寒性研究等。目前，通过优株选育，已获得了一些抗逆性强的阔叶用材树种无性系良种/新品种，但距离大范围应用推广仍有一定距离。采用传统的育种方式提高林木的抗逆性是有限的，现阶段应在传统育种的基础上更多地借助现代生物技术手段进行改良选育。可加大对林木种质资源的收集，通过SNP、EST、SSR 等分子标记技术构建植物遗传图谱，标记和定位标记和定位优质的抗性基因，再建立高效的遗传转化体系，加快转基因抗性品种的培育。