苦荞对干旱胁迫的应答及外源物质的缓减效应研究

闫旭宇，曹 艳，程艳荣，李 娟，吴 香，李 玲

（1.延安大学 生命科学学院；2.陕西省红枣重点实验室，陕西 延安 716000）

苦荞（Fagopyrumtataricum（L.）Gaertn.），属廖科荞麦属的双子叶植物，是一类假谷类自花授粉作物。苦荞原产于中国西南地区高寒地带，以及亚洲、欧洲、美洲等地区，现在中国西北、华北、东北等地均有种植［1］。苦荞主要种植于我国干旱半干旱地区，是这一带主要的粮食作物和经济作物。苦荞的种植周期短，一般60～90 d 就可成熟，具有药食两用价值。研究表明，苦荞含有淀粉、蛋白质、氨基酸、脂肪、维生素、膳食纤维、矿物质等营养成分，以及富含芦丁、黄酮醇、查尔酮等黄酮类化合物和酚类、多肽类、甾体类等活性成分，其抗氧化和降糖活性良好，具有降血糖、血脂、血压，还有抗肿瘤、抗衰老、改善记忆力等功能［2-4］。

苦荞的生育周期短，产量不高，所以我国苦荞大部分依赖于进口。2021 年我国苦荞的出口量为0.74万t，进口量为2.70万t，进口量是出口量的三倍多［5］。这可能是由于苦荞的根系比较弱，生长于干旱的土壤中产量较低，且苦荞籽粒较甜荞小，不易处理，以及人们对苦荞的功效还没有完全认识等。荞麦的种植容易受干旱等自然灾害的胁迫，因此研究苦荞对干旱胁迫的应答反应对于筛选抗旱性的苦荞品种具有重要意义，同时研究外源物质对苦荞干旱的缓减效应，可以为苦荞的生产和种植发展提供重要的技术支持，能够带动干旱地区苦荞种植的经济发展。

1 干旱胁迫对苦荞生长发育的影响

1.1 形态指标

干旱胁迫下苦荞苗期、花期、成熟期的株高、茎粗、叶面积、茎叶干重、根系平均直径、最大根长、根系表面积、根系体积、根系干重均降低，苦荞苗期根系活力下降最为显著，并且随着干旱胁迫程度的增大而下降［6-7］。干旱胁迫对苦荞不同生育期形态指标的影响程度表现为：花期>苗期>成熟期，花期干旱胁迫对茎叶干重的影响最大［7］，并且随着生育期的推进，苦荞的最大根长、根体积、根表面积呈现逐渐增加趋势，根冠比呈现先增后减趋势［8］。

1.2 生理生化指标

干旱胁迫对苦荞水分、养分运输、光合作用、呼吸作用等生理过程均有影响。采用砂培盆栽控水模拟干旱实验，发现丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）活性、过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性、可溶性糖含量、脯氨酸（Proline，Pro）含量、脱落酸（Abscisic acid，ABA）含量、过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性和抗坏血酸过氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）活性随着干旱程度增加呈升高趋势，其中抗氧化酶活性与植物叶片活性氧（Reactive oxygen species，ROS）含量呈正相关［6-7］。干旱胁迫下，苦荞叶片的初始荧光产量存在不同程度的增加，苦荞的叶绿素、生长素（Auxin，IAA）的含量显著降低，而且初始荧光产量的幅度也随着胁迫程度的增加而增大，叶绿素、IAA呈现先增加后减少的趋势［6，9］。

1.3 种子萌发、产量等指标

聚乙二醇（Polyethylene glycol-6000，PEG-6000）是常用的模拟干旱胁迫的物质。利用不同浓度的PEG-6000 模拟干旱胁迫，发现当PEG-6000 浓度为25%时，苦荞发芽率最低，为3.33%，苦荞相较于甜荞耐干旱［10］。研究发现，干旱条件下，苦荞的单株粒重、百粒重、产量均降低，分别与对照组相比降低了11.07%、10.1%、5.35%，3 个生育期的降幅表现为：花期>苗期>成熟期，因此苦荞花期时受到干旱胁迫对单株粒重、百粒重、产量的影响最大［7，9］。15% PEG-6000 模拟干旱胁迫下，苦荞的种子萌发受到抑制，降低了苦荞的胚芽长、幼苗活力指数，储藏物质转运率，而25% PEG-6000 胁迫下苦荞未发芽［11］。这可能是由于15% PEG-6000对苦荞萌发的抑制程度比25% PEG-6000的抑制程度轻。干旱胁迫下，通过减少种子萌发所需的水分，且不同的干旱处理损失的水分不一，导致蒸腾失水量少于根系吸水量，而使体内缺少水分，抑制苦荞的萌发。

2 苦荞对干旱胁迫的生理机制

2.1 抗氧化物质

植物体内ROS的产生主要通过胞外和胞内两种途径，胞外主要通过质膜还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶的产生。植物在干旱胁迫下，气孔关闭以降低蒸腾作用，气孔关闭过早会导致CO2浓度降低，光合速率也随之降低，而这又影响卡尔文循环，减少消耗NADPH 和腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine triphosphate，ATP），导致ROS 过度产生。而胞内ROS 是在线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等不同细胞器内由各种代谢活动产生的［12］。

植物体内存在负责清除ROS 的抗氧化系统。在正常条件下，植物体内ROS 的产生和清除处于动态平衡，而在干旱条件下，苦荞体内抗氧化系统的清除ROS 的能力下降，平衡被打破。苦荞内有SOD、CAT、POD、APX 等酶促防御的保护酶系统以及维生素E、维生素C、类胡萝卜素等非酶类的自由基清除系统。干旱胁迫下，苦荞中SOD、POD、CAT、APX 等含量升高，植物体内通过抗氧化系统来清除由干旱胁迫下产生的活性氧自由基，以防止膜损伤。

2.2 渗透调节物质

植物在逆境胁迫下会累积渗透调节物质以降低渗透势来适应环境。渗透调节物质主要有可溶性糖、有机酸和无机盐离子，其中一部分是植物细胞内合成的有机物质，如Pro、可溶性糖、甜菜碱等，另一部分是由外界进入细胞的无机离子，如K+、Na+、Ca2+、Cl-等［12］。

在干旱条件下，外界离子可以进入苦荞的细胞中，累积在液泡内，从而降低渗透势，使细胞可以吸收外界的水分，正常生长。细胞内自身合成的物质，不会影响苦荞细胞内正常的生化反应，其中Pro是较亲和的物质。在干旱胁迫下，苦荞内Pro 含量会累积，保持原生质体与环境中的水分平衡，阻止失水，同时在复水后，脯氨酸可作为直接利用的氮源。甜菜碱是一类季铵化合物，干旱胁迫下，植物的甜菜碱含量会升高，主要由于甜菜碱醛脱氢酶活性增强，甜菜碱累积，从而抵御干旱胁迫［13］。干旱胁迫下，苦荞可溶性糖含量增加，主要可能由于淀粉等糖类的分解，以及光合产物形成的过程中，直接转向相对分子质量低的蔗糖等物质。

2.3 内源激素

植物内源激素包括ABA、IAA、细胞分裂素（Cytokinin，CK）、乙烯（Ethylene，ETH）、赤霉素（Gibberellin，GA）、油菜素内酯（Brassinolide，BRs）等，这些植物内源激素是植物生长发育的重要调节物质，是植物体内的信号分子，对环境改变的响应灵敏，可以响应植物受到的干旱胁迫，激活植物体内的生理生化反应［14］。

研究发现，在不同水分处理浓度下，苦荞叶片中的IAA、1-氨基环丙烷-1-羧酸（1-Aminocyclo propanecarboxylic Acid，ACC）、玉米素+玉米素核苷（Zeaxanthin+trans-Zeatin-riboside，Z+ZR）和多胺含量呈先增加后降低的趋势，ABA 含量则呈先降低后增加的趋势［15］。干旱胁迫下苦荞叶片IAA 含量显著降低，与对照组相比降低了27.05%，ABA 含量显著升高，与对照组相比升高了52.66%；在复水处理后产生补偿效应，即IAA 含量升高，ABA 含量降低，弥补干旱对其造成的损伤［16］。苦荞通过内源激素的变化响应干旱胁迫，进而提高苦荞的抗旱能力。

3 苦荞对干旱胁迫的分子机制

3.1 基因表达

查尔酮合酶（Chalcone synthase，CHS）是苯丙烷途径的限速酶之一，也是生物类黄酮合成途径中的关键酶，其基因表达可调节植物的组织发育和非生物胁迫。研究表明，通过克隆苦荞叶片CHS基因，获得编码391 个氨基酸残基的1 188 bPFtCHS基因，实时荧光定量PCR 分析该基因在PEG-6000模拟干旱胁迫下苦荞叶片的表达情况，发现FtCHS的基因表达在12 h 内表达水平很低，变化不显著，而在12～48 h时明显增加。结果表明，FtCHS基因总体波动较小且基因表达趋于稳定，可在短时间内对干旱胁迫具有相对稳定的适应性，推测FtCHS基因参与了苦荞植株的耐旱响应过程［17］。

PEG-6000 模拟干旱处理后，苦荞中的总黄酮含量与基因的表达量呈现某种关系，其中苦荞叶中黄酮合成关键酶基因（CHI、FLS、FLS1、F3H）的基因表达量与总黄酮含量不一致，根、茎中这些基因表达量明显提高，但总黄酮含量增加较少。这可能是由于花期中苦荞由根、茎向叶中运输合成黄酮的前体物质，并且筛管中存在着黄酮合成酶，在运输过程中可以完成黄酮的合成，从而引起叶片中总黄酮含量的增加。在干旱胁迫处理24 h 后，苦荞叶片中的基因表达量提高，并且根、茎中总黄酮含量也增加。这可能是因为根、茎向叶中运输黄酮的前体减少，导致叶片中相关基因的表达，维持一定的总黄酮含量以期抵抗干旱胁迫［18］。

乙醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）是植物糖酵解过程中关键酶，可以降低代谢产物对自身的毒害作用。果胶甲酯酶（Pectin methyl esterase，PME）是果胶去甲酯化修饰的关键酶类，与植物的逆境响应有关。郝彦蓉［19］从品苦1 号cDNA 中克隆到FtADH1 与FtPMEI13，结果分析表明，FtADH1 主要在根和茎中表达，FtPMEI13 主要在茎和叶中表达。甘露醇干旱处理后，与对照相比，二者转基因株系抗氧化酶活性提高，ROS含量降低。PEG-6000处理毛状根发现，过表达根系中FtADH1 和FtPMEI13基因表达量显著高于对照；且FtADH1 过表达根系的CAT、POD 和SOD 酶活性提升，MDA 含量下降。可见FtADH1 和FtPMEI13 均参与抗氧化酶活性调节，调控苦荞抗旱途径。

3.2 转录调节因子

转录因子是调控植物基因表达的重要因子，同样在荞麦的生长发育中挥发着重要的作用。目前，对苦荞转录因子研究主要在骨髓母细胞增生症病毒致癌基因同源物（v-myba-vian myeloblastosis viral oncogene homolog，V-MYB）、脱水反应元件结合蛋白（dehydration responsive element binding protein，DREB）、NAC（NAC transcription factors）转录因子等的家族上。MYB转录因子（MYB transcription factors）是含有MYB结构域的一类转录因子，是调控黄酮合成途径中最重要的转录因子家族之一，表1 显示了干旱胁迫下部分MYB家族成员及其功能。

表1 苦荞MYB家族部分成员及其功能

DREB 是响应逆境胁迫的一类重要转录因子。研究发现苦荞发芽期的转录因子FtDREB1 和FtDREB2 对干旱胁迫中的应答效应，推测FtDREB1和FtDREB2 的C-末端多样性可能与其转录活性的调控相关，通过转录后加工、缺失或其他方式来调控靶基因的表达水平，FtDREB1 和FtDREB2 主要在抵抗干旱胁迫中发挥重要作用［28］。赵梦雨等［29］从苦荞中克隆得到FtDREB6 转录因子，其在苦荞幼苗根中的表达量最高，且受干旱诱导表达。同时，该转录因子基因在拟南芥中过表达可通过提高拟南芥的发芽率，在毛状根中过表达可通过提高SOD、CAT酶活性，进而提高毛状根对干旱的耐受性。

NAC（NAC transcription factors）是植物所特有的转录因子，在植物中参与干旱胁迫。黄娟等［30］研究发现，通过克隆FtNAC15 基因，分析表明FtNAC15基因可以调控荞麦种子发育和响应干旱胁迫。利用20% PEG-6000 干旱处理后，FtNAC17 基因的表达量呈波浪形变化，表明FtNAC17 可以响应干旱胁迫并且可能与多个基因协同响应干旱胁迫［31］。李静欢等［32］研究发现，通过不同组织中FtNAC11 基因的表达水平，FtNAC11 调控荞麦根的生长、花至种子的发育过程。杨迪等［33］从苦荞中克隆得到FtNAC11 转录因子基因，其在苦荞幼苗的叶片中表达量最高，且受干旱胁迫诱导表达。

TCP（Teosinte branched1/Cycloidea/Proliferating cell factor）转录因子是高等植物特有的一种转录因子家族，在植物生长发育和逆境胁迫中都有着很重要作用。研究发现，在干旱处理下，苦荞FtTCP2基因表达量在初期变化幅度不明显或呈上升趋势，在24 h 达到最大值；苦荞FtTCP19基因表达量显著上调，在12 h达到峰值［34］。

4 外源物质对苦荞干旱胁迫的缓减效应

4.1 矿质元素类

矿质元素是除碳、氢、氧外，植物主要由根系从土壤中吸收的元素，是植物生长所必需的元素，可以促进植物吸收营养物质。研究发现，在干旱胁迫下，合理地施加外源磷可以改善苦荞的生长状况，促进苦荞的地上生长和地下生长，增加根系与土壤的接触面积，根系的抗氧化能力也显著增加，有利于苦荞抗旱性生长［35］。在干旱胁迫下增加施氮量来促进苦荞生长，增加其产量［36］。在相同施加氮、磷及氮磷肥条件下，随着灌水量的减少，苦荞幼苗根系的SOD、POD 活性以及MAD、可溶性糖、游离脯氨酸含量呈现增加趋势。苦荞茎高随着氮、钾施用量的增加，株高、单株粒数、单株粒重和千粒重呈现先增加后减少的趋势［37-38］。

4.2 外源激素类

植物激素，是植物体内产生的微量有机化合物，在干旱逆境胁迫中发挥重要作用。褪黑素是一种多功能分子的生长促进剂，可以提高ROS 的清除效率，以期植株免受干旱胁迫，有助于保护光合作用和防止干旱引起的氧化损伤，从而有助于提高植株的抗旱能力［39］。DEBNATH 等［40］研究发现，外源施加100 μmol/L 褪黑素，可以刺激酶促、非酶和次生代谢物酶的抗氧化活性，增加渗透调节物质来改善叶片水分状况，增加荞麦的抗旱能力。此外，外源施加褪黑素可以调节气孔的运动，通过光合作用来保持水分的平衡。外源喷施100 μmol/L 褪黑素可以显著提高苦荞幼苗地上、地下部分的鲜重和干重，并且不同浓度处理的根冠比大于干旱胁迫处理的根冠比，减轻了干旱胁迫对光合色素的降解、细胞膜的损伤和膜脂的过氧化程度，缓解苦荞的干旱胁迫［41］。

烯效唑是一种高效植物生长调节剂，是赤霉素合成抑制剂，可以抑制细胞生长、缩短节间、矮化植株，促进侧芽生长和花芽形成，增强抗逆性。选用烯效唑浸种处理苦荞，降低苦荞苗高，提高苦荞茎粗、叶面积、根冠比，提高叶片的相对含水量、脯氨酸含量、可溶性糖、可溶性蛋白质含量，提高根系含水量。通过对苦荞浸种处理，降低了脂质过氧化程度，减少MDA的含量，保护细胞膜的完整性，抵御干旱逆境胁迫［42］。

脱落酸、赤霉素、茉莉酸甲酯等外源激素亦能增强苦荞对干旱胁迫的抗性。研究发现，利用ABA、GA3、茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate，MeJA）和水杨酸（Salicylic acid，SA）处理苦荞幼苗，均能诱导FtTCP2 和FtTCP19 在苦荞茎和叶片中的表达，进而提高苦荞响应干旱逆境胁迫的能力［34］。

5 总结与展望

综上所述，苦荞作为一种天然绿色的食品原料和重要的食药兼用作物，其营养价值突出，适合现代倡导的健康饮食。近年来，农业生产上受到干旱等自然灾害的影响，苦荞产量呈下降趋势。研究苦荞对干旱胁迫的应答机制以及外源物质的缓减效应，有助于明晰干旱对苦荞生理、分子指标上的应答变化，进而选育出耐旱性苦荞品种，为开发出更多功效价值提供参考，选择合适的缓减干旱物质，提高苦荞的产量。苦荞抗旱性研究可以指导其在农业上的生产，但目前外源物质对苦荞的缓减效应机理尚不清楚，以及对外源物质开发利用的不全面，所以在今后的研究中可以探究不同的外源物质对苦荞干旱胁迫的缓减效应，进一步阐明其缓减效应的机理及意义，为苦荞的生产实践提供理论依据，对苦荞产量及品质的提升具有重要意义。