豌豆应对非生物胁迫的研究进展

摘要：大多数农作物在遭受非生物胁迫时产量会显著降低，研究作物在非生物胁迫下的抗逆性指标变化和响应机制、探索提高植物抗逆性的途径，对稳定和提高作物产量具有重要意义，是可持续农业发展的重要环节。豌豆是最古老的驯化物种之一，因其对低温、干旱、盐碱等非生物胁迫具有较强的耐受力而被广泛种植。同时豌豆也是重要的粮、菜、饲兼用作物，具有较高的经济价值。本文就豌豆对干旱、盐碱、低温等非生物胁迫的响应机理和豌豆在非生物胁迫下的形态结构、抗逆性指标变化及提高豌豆抗逆性的途径措施进行综述，并就今后豌豆抗逆性研究中加强多逆境互作研究、豌豆表观遗传学研究、豌豆耐逆功能基因挖掘与利用进行分析展望，以期为今后豌豆育种提供方向与依据，为进一步加强豌豆抗旱、耐盐、耐低温等抗逆性研究夯实理论基础。

关键词：豌豆；非生物胁迫；抗旱；耐盐；耐低温；代谢应答

中图分类号：S529 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）09-0172-09

植物生长发育过程中遭受的各类逆境胁迫，主要分为生物胁迫和非生物胁迫。近年来，非生物胁迫成为影响农作物产量和质量的主要限制因素，如干旱、盐碱、低温等。在气候变化和人口不断增长的压力下，非生物胁迫因素可能会变得更加严重。据统计，非生物胁迫可使作物产量大幅度降低，从全球角度来看，极端气候呈现出不断增加趋势，因此环境变化带来的干旱、盐碱、低温等因素对农业及其全球日益增长的粮食需求是一个巨大的挑战。最近一项关于欧洲过去数十年作物减产的研究表明，干旱和热浪与谷物减产的关系分别为9%和7.3%。因此，非生物胁迫对农作物性状的影响已成为当前国内外研究的热点问题。

豌豆（Pisum satium L.）在我国栽培历史悠久，是我国第一大食用豆类作物，也是世界第四大食用豆类作物，在世界豆类总产量中占36%左右。豌豆因其耐寒力强、生育期短、适应性强而被广泛种植，是集粮、菜、饲、肥于一体的多用途作物，在我国农业可持续发展中发挥着重要作用。随着农业发展和人们生活水平的提高，人们的膳食结构也在不断改善，具有较高营养价值和广泛利用价值的豌豆逐渐被人们认识、开发和利用。研究表明，豌豆具有较全面且均衡的营养，不但含有人体所需的蛋白质、脂肪和碳水化合物，而且含有丰富的维生素、氨基酸和微量元素等，同时也具有一定的药用价值，起到食疗保健作用。因此豌豆在食品、医药等方面逐渐得以发展，拥有较大的开发潜能。

近年来，我国豌豆种植面积不断增加，而非生物胁迫是影响豌豆生长发育以及种植分布的重要制约因素之一。干旱、盐碱、低温、有毒金属等非生物胁迫因子影响豌豆的生长发育，导致产量、品质下降，严重时可致死亡。因而，了解掌握豌豆非生物胁迫下的抗逆性研究进展非常必要。本文就豌豆对于旱、盐碱、低温三种非生物胁迫因子作用的响应机理，豌豆在非生物胁迫下的形态结构、生理生化等抗逆性指标的变化，提高豌豆抗逆性的途径措施进行综述，并对今后非生物胁迫下的豌豆抗逆性研究进行展望，以期为今后豌豆育种提供方向与依据参考，为进一步加强豌豆抗旱、耐盐、耐低温等研究提供信息支持。

1非生物胁迫对豌豆的影响

1.1干旱胁迫对豌豆的影响

水分匮乏是当今人类社会面临的重要生态问题，干旱在制约农业生产的各类逆境因素中居第二位，仅次于病虫害，已成为全球农业生产的最大威胁之一。一般来说，豌豆等豆类作物生产基本上依赖降雨，整个生育期中特别容易遭受干旱的影响。在世界范围内，干旱是限制豌豆等豆类作物产量的主要环境因素。研究发现植物在干旱条件下可通过调整自身形态、生理生化和分子水平上的代谢以适应当前生存环境。研究表明，豌豆遭受干旱胁迫时可显著降低株高、叶面积、单株叶片数和单株花数，同时单株荚数、荚长、百粒重等也显著下降。潘多锋等在苗期对52份箭箸豌豆种质资源进行反复干旱处理，结果显示干旱胁迫降低其株高、地上部干鲜重、地下部干鲜重、根冠比以及根瘤数。马丹发现，北方干旱区域豌豆苗期干旱胁迫降低其株高、分枝数，但是能促进主根生长以及侧根增多。录亚丹等采用盆栽方法于陇豌1号分枝期、孕蕾期、花荚期对其分别进行干旱试验，表明干旱胁迫降低其干物质累积量，显著抑制根系生长及根瘤形成，且花荚初期干旱胁迫对豌豆产量抑制作用最大。

植物应对干旱胁迫的一种常见反应机制是气孔关闭。植物气孔运动在保持水分稳定和调节光合作用CO2吸收等方面具有重要作用。植物受到干旱胁迫时，气孔开度减小甚至完全关闭，气孔阻力增大，减少水分流失的同时也限制CO2吸收，从而导致光合作用下降。研究发现，豌豆结荚期干旱胁迫会导致气孔导度降低、光合速率下降。随着干旱程度加剧，豌豆叶片气孔关闭、光合作用降低，种子结实和生长随之受到抑制。当水分缺失时，豌豆叶片气体交换参数显著下降，光系统PSI和PSII光化学效率降低且其核心蛋白被分解，同时类囊体排列变得松散，严重干旱胁迫可导致LHCI和LHCII以及PSI和PSII的部分反应中心蛋白减少，表明光合作用机制明显紊乱。

豌豆水分缺失时，其渗透调节物质等发生改变以适应干旱环境，保护植株正常生长。随着干旱胁迫发生，Y-氨基丁酸（GABA）、蛋白质和碳水化合物含量显著增加，从而通过维持细胞渗透调节、缓解氧化胁迫、平衡碳氮（C：N）代谢、维持细胞代谢稳态和细胞膨胀来应对干旱缺水对豌豆幼苗的生理影响，因此在豌豆萌发期应避免严重干旱缺水和长期干旱胁迫，以保证豌豆幼苗正常生长和代谢。崔月发现，豌豆苗期与花期遭遇干旱胁迫会导致丙二醛（MDA）含量上升，超氧化物歧化酶（SOD）活性下降，过氧化物酶（POD）活性提高，可溶性蛋白减少，叶片中脯氨酸和可溶性糖含量增加。可见，植物在于旱胁迫下体内会积累有机或无机物质来提高细胞液浓度、降低渗透势，以提高细胞吸水或者保水能力，从而适应干旱环境。

1.2盐胁迫对豌豆的影响

盐胁迫导致植物生长发育受到损伤，严重降低作物产量。盐胁迫主要通过土壤中的钠离子、氯离子等离子浓度升高引起渗透胁迫、离子胁迫与次生胁迫等。豌豆是一种较耐盐的豆科植物，为有效应对盐胁迫，其体内调节机制调控各类指标来减轻盐胁迫伤害。盐胁迫下耐盐豌豆品种的茎与根均保持较低的Na+水平以及较高的K+水平和K+/Na+比值，且O2与H2O2累积低于盐敏感品种，同时耐盐品种SOD、CAT、APX活性和脯氨酸含量及P5CSJ转录水平高于盐敏感品种，由此可知豌豆的耐盐性与维持K+、Na+稳态及相关基因表达、促进脯氨酸和抗氧化防御系统有关。Shaukat等通过驯化调节K+的吸收提高豌豆的耐盐水平，并发现盐胁迫有效促进了叶片和根系中K+的累积，从而提高光合速率、气孔导度和叶绿素含量，让植株保持更高的相对含水量，产生更多的干生物量。研究表明，脯氨酸、总可溶性糖等渗透调节物质的累积，能增强渗透调节能力，降低膜脂过氧化伤害，防止细胞内水分过多散失，从而提高豌豆植株的耐盐性。

豌豆的基因型、生长阶段、盐浓度和盐的性质对其耐盐性的影响存在差异。Khan等分别采用4个盐浓度（0、8、12、16 dS/m）对8个栽培豌豆品种进行处理，结果显示，虽然不同盐浓度对各基因型豌豆的发芽率、鲜干重降低率、幼苗活力指数等均有显著影响，但在12、16 dS/m盐胁迫下豌豆的根与胚珠受到损伤，在8 dS/m盐水平下有两种基因型豌豆（BD4175、BD4225）表现较好。亚秀秀等的研究结果表明，豌豆具有耐盐性，但不同豌豆品种的耐盐性不同，150 mmol/L混合盐胁迫是豌豆萌发期耐盐性鉴定的理想浓度，并指出萌发期是耐盐豌豆种质材料筛选的有效生理期。此外也有人发现豌豆种子萌发期和幼苗期是盐胁迫极为敏感的阶段，严重时会出现烂种、烂芽、死苗等现象。因此豌豆种子萌发期和幼苗生长期是鉴定豌豆品种耐盐性的关键时期。张凤银等以菜用豌豆为材料证实，碱性盐（NaH-CO2）比中性盐（NaCl）在种子萌发期抑制作用更加明显，在土壤中积累后对豌豆栽培影响更显著。这与于崧等发现的中性盐与碱性盐对芸豆幼苗均有不同程度的抑制作用，但碱性盐对其抑制作用更为显著的结果一致。

1.3低温胁迫对豌豆的影响

豌豆虽然具有较强的耐寒能力，但是低温寒冷仍是限制其生长发育、降低产量的重要因素之一。大量研究表明，低温胁迫延缓种子发芽，降低发芽率，极易导致萌发失败：也会造成根系生长异常，减少对水分的吸收：更易引起叶片结构发生改变导致叶绿体结构受损，影响叶绿素的合成，降低总叶绿素含量：同样会导致雄性植株不育，从而引起结实率降低最终出现产量下降。Sincik等发现，10份参试豌豆种子在5-20℃下均可萌发出苗，且随着温度降低萌发延迟，10℃时萌发和出苗率最高，其次是20℃，但在5℃低温时豌豆植株的顶端生长、根系发育、产量和单株重明显下降。低温不仅对豌豆生理特性产生影响也会引起细胞超微结构改变。罗奔等利用“兰箭1号”（冷敏感型）与“兰箭3号”（冷耐受型）幼苗进行10℃冷驯化研究，结果显示，冷耐受型品种的叶绿素荧光Fv/Fm、MDA、SOD、CAT指标显著高于冷敏感型品种，“兰箭3号”在冷驯化中表现出较好的渗透调节能力，维持较高的抗氧化酶活性：陈旭微研究显示，10℃低温后，豌豆幼苗细胞抗氧化酶活性（除POD活性外）与可溶性糖含量均不同程度的上升，而且细胞超微结构发生改变，细胞质膜发生内陷、外凸，呈波浪状或出现质壁分离，细胞内小液泡数量明显增多，多数质体变形为哑铃形、变形虫形、马蹄形、镰刀形等，而且线粒体内部结构轻度空泡化。

科研人员为了更好地了解豌豆对低温胁迫的分子响应开展了许多工作。崔悦通过转录组、代谢组联合分析发现，“兰箭3号”箭箸豌豆通过提高糖类和氨基酸类物质的代谢水平及相关基因的表达量从而提高其抗冷能力。Badowiec等利用长、短期低温胁迫与胁迫恢复对豌豆萌发期根系蛋白质组进行分析研究，结果表明受调控的蛋白大部分涉及代谢、逆境保护、细胞周期调节、细胞结构维持和激素合成，推测此类蛋白可能共同影响植株早期根系的生长发育，且豌豆根系蛋白质组模式的改变依赖于胁迫持续时间。豌豆细胞壁代谢对低温响应的研究表明，低温诱导了含木糖、阿拉伯糖、半乳糖和半乳糖醛酸残基的聚合物变化，导致果胶甲基化程度增加，通过分析果胶在霜冻敏感基因型和耐霜冻基因型之间的差异表明果胶在抗冻机制中具有保护作用。由多种肌动蛋白结合蛋白参与调解（节）的动态微丝骨架在植物生长发育、耐低温等逆境胁迫下发挥重要作用。张春等研究发现豌豆肌动蛋白异型体PEAcll基因在对照温度（25℃）和低温（4℃）条件下表达模式差距较大，豌豆叶片经过低温处理后，PEAell基因表达量先增后降而后趋于稳定，表明PEAcll基因可能通过表达量的变化参与豌豆幼苗低温胁迫的生理生化过程。

2豌豆对非生物胁迫的代谢应答

代谢过程的变化对植物非生物胁迫应答具有重要作用。植物通过代谢应答反应产生各种代谢物来应对非生物胁迫，以帮助自身应对不断变化的外界环境。植物应激代谢产生的初级代谢产物如碳水化合物、有机酸、氨基酸等以及次级代谢物如酚类物质、类黄酮等对植物生长发育、逆境适应和防御具有至关重要的作用。脯氨酸作为蛋白质氨基酸中的一员，在植物初生代谢中具有重要作用。脯氨酸是一种多功能分子，在各种非生物胁迫下以高浓度积累，调节胞质和液泡之间渗透势的平衡，且能通过抗氧化酶系统的协同作用清除过量活性氧（ROS）以减轻氧化应激的不良影响，并在胁迫解除后为植物生长提供能量。

糖类不仅是植物的能量来源，而且对植物生长具有重要的调控作用，此外还可以保护细胞膜和蛋白质，维持细胞的膨胀压力。非生物胁迫触发植物体内可溶性糖和多元醇的积累，如蔗糖、甘露醇等。在应激条件下，蔗糖作为一种渗透调节分子，可以防止植物脱水，调节转录因子和其他参与激素和防御信号传导的基因表达。研究表明，在土壤干旱和复水条件下，豌豆芽部代谢物含量变化主要发生在氨基酸和一些可溶性碳水化合物的浓度方面，其中脯氨酸、y-氨基丁酸、羟脯氨酸、丝氨酸、肌醇和棉子糖在每次土壤干旱下均有积累且复水后减少，此外脯氨酸的积累似乎是豌豆对干旱记忆的重要组成部分。

植物激素是植物通过自身代谢合成并在低浓度下即可产生显著生理效应的小分子有机信号物质，是植物适应不同环境条件的重要因素之一。植物激素不仅在正常情况下保持植物的生长发育，而且还参与响应各种逆境胁迫的应答。在胁迫相关的九大类植物激素中，ABA是主要的抗性调节因子之一。在逆境胁迫下，植物大量合成ABA，抑制气孔开放，促进水分吸收，减少水分运输途径，达到水分管理的目的，从而抵御外界环境的胁迫。除此之外，ABA还作为信号分子参与抗逆性调节，如冷响应的CBF调节、耐盐基因的表达等。ABA在植物生长发育和抵抗逆境胁迫中发挥的重要作用已在多种作物中被证实。Huang等于授粉前对4个豌豆品种分别进行不同时间的高温处理（38℃），结果表明，在热应激下，ABA大量积累，处理3h后ABA开始迅速响应，且耐热品种ABA合成和转化率高于热敏感品种，由此可见ABA响应差异与豌豆的耐热性有关。研究表明，干旱胁迫下ABA处理的鸽豌豆中黄酮类化合物含量大量积累，进一步分析发现其生物合成途径发生了显著变化并筛选出多个可能参与类黄酮积累的MYB和bHLH转录因子，而这些基因均受ABA调控，这为ABA调节次生代谢从而影响植物的抗旱性提供了依据。

与胁迫相关的植物激素如水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、油菜索内酯（BR）、生长素（AUX）、赤霉素（GA）等在众多文献中均已有报道，同时也证实它们在作物对非生物胁迫的应激反应中发挥重要作用。此外，其他几种已知的植物激素也引起了研究人员的注意，其中褪黑素作为具有多种生理作用的植物激素，其潜在作用最近才被发现，现已证明其对各种作物的抗逆性有积极作用。由此可知，植物激素可以改善作物在非生物胁迫下的生产潜力，通过它们调节作物的应激代谢是一种非常有利的作物保护策略。值得关注的是豌豆在此方面开展的研究工作相较于其他作物还较少，并不广泛。

3提高豌豆非生物胁迫抗逆性的途径

3.1改进耕作与栽培调控技术

为抵御干旱、低温等非生物胁迫的威胁，保证豌豆产量、品质等性状的稳定性，研究优化栽培调控技术是豌豆生产节本增效的重要措施之一。在应对干旱胁迫时，除发展节水灌溉、节水栽培外，早期研究人员提出的“早、深、肥”促根抗旱栽培三字作业法建立了以促根为中心的适时早播、适当深播和增施磷肥这样一种栽培方法，通过协调根土关系，促进根系发育，使豌豆产量显著提高，取得良好的经济效益。有研究指出，应对低温胁迫时，可通过筛选生育期适宜的品种进行适时播种：提高播种质量，即播种环节精细，播种深度一致，覆土严密，加快种子萌发出苗，确保一播全苗：必要时可采取催芽种植方式等栽培技术以抵抗低温胁迫。此外北方越冬豌豆可进行覆膜种植，待天气回暖及时揭膜，以保障顺利越冬。

3.2施用外源调控物质

外源植物激素通过影响内源激素的动态平衡、光合生理特性等可以有效改善作物的生长发育，进而提高其抗逆性。施用外源植物激素如脱落酸、水杨酸、褪黑素等能够提高作物抗氧化酶活性，增加渗透调节物质与抗逆蛋白含量，减少蒸腾作用等，从而增强作物对逆境的耐受性。脱落酸（ABA）是植物体内参与胁迫响应的一种重要激素，外源ABA及其合成类似物是调控作物抗逆耐受性的一种潜在途径，在相关研究中发现，豌豆幼苗喷施ABA刺激了光系统I周围的循环电子流，降低其光合CO2的同化量，提高光合作用的耐热性。鸽豌豆通过褪黑素预处理，发现对盐、干旱和高温胁迫的抗性显著增强，表明褪黑素通过介导类黄酮生物合成增强植株对多种胁迫的耐受性。此外，外源褪黑素可以通过增强抗氧化能力和调节渗透活性、养分吸收和多胺生物合成来减轻盐害，这在开心莲幼苗喷施外源褪黑素研究中得以验证。

3.3选育强耐逆性豌豆品种

由于遗传或长期自然选择，作物面临干旱、低温、盐碱等不良环境胁迫时，不同品种对逆境胁迫的敏感程度不同，因此可以通过自然与人工双重选择筛选出适应逆境种植的优质品种。定西市农业科学研究院以抗旱耐瘠、丰产稳产为育种目标，通过常规杂交与人工选择相结合的方法先后选育出适应干旱半干旱地区种植的豌豆新品种定豌9号和定豌10号。亚秀秀等对32份豌豆种质资源进行了耐盐性评价，其中法国618、TW201619、TW201630、QW28等8个豌豆品种（系）表现为高耐盐，可作为优异耐盐育种资源或者示范推广品种加以利用。总体而言，我国豌豆种质资源薄弱，缺乏高抗性种质资源，需要加强国内现有种质资源的挖掘创新，丰富育种资源，选育出生产需要的豌豆品种。

3.4加强抗逆基因的挖掘

近年来，随着基因工程技术的发展，通过现代分子育种手段对种质资源中的优良基因进行深入挖掘和充分利用，这对种质资源创新和新品种选育具有重要意义。武晓亮等在烟草中过表达花生ABA途径抗逆基因AhLOS5发现其植株内源ABA含量显著升高，渗透调节物质含量也高，膜脂完整性好，抗氧化酶活性及抗氧化物质含量明显升高，转基因株系的耐盐性明显提高。研究表明，CBF基因在响应低温与干旱胁迫时起关键作用，在桦木中过表达CBF基因显著提高其耐寒性；过表达拟南芥CBF，基因可以提高柑橘、紫花苜蓿、木薯等作物对干旱和盐胁迫的耐受性；GpZF基因可能通过调节应答逆境相关基因来提高耐旱能力，过表达GpZF基因显著提高豌豆干旱胁迫的耐受力。由此可知，抗逆性基因的挖掘与利用为培育强抗逆性作物优良品种提供了良好的理论基础。

4展望

随着全球气候复杂性变化的加剧，低温、干旱、盐碱等非生物胁迫对豌豆生产的影响在未来或许更加广泛，因此了解豌豆对多种非生物胁迫的响应机理，有助于加快豌豆抗逆性机理研究及优良新品种培育的步伐。本文综述了干旱、盐碱、低温三种非生物胁迫对豌豆的影响，概述了逆境下豌豆的应激代谢反应及提高应对非生物胁迫的措施。综上所述，虽然学者们对豌豆在非生物胁迫下的形态结构、生理生化、抗逆性基因挖掘等方面进行了一些探索，但是未来还需要加强以下几方面研究：

一是加强多逆境互作研究。目前豌豆非生物抗逆性研究多数是在单一逆境下开展，而自然环境是变化多端的，往往伴随着多种逆境共同作用，这在一定程度上限制了豌豆抗逆性信息表达的精确性，因此在今后工作开展中应注重多种逆境的相互作用，更加完整与深入地研究抗逆响应机理。

二是加强豌豆表观遗传学研究。表观遗传学变异虽然不涉及基因组序列的变化，但环境变化导致的表观遗传修饰会通过调控基因的表达来影响作物性状，且这种表观遗传修饰具有更强的遗传潜力，对子代环境适应能力具有重要作用。因此，加强优异表观修饰变异在育种中的应用非常必要。开拓表观等位变异的挖掘和调控机理解析，筛选优异的表观等位变异，开发高效、精准、定向的表观遗传育种新技术等也是提高豌豆育种的措施之一。

三是加强豌豆耐逆功能基因的挖掘与利用。近年来，其他作物抗逆性基因的挖掘与利用已积累了大量研究成果，但是豌豆中还相对较少。随着现代分子生物学技术、基因工程技术等快速发展，今后应结合多种组学方法、QTL定位技术、基因工程技术等生物分子技术开展豌豆抗逆相关基因的挖掘，明确其功能与表达调控网络，并运用到豌豆育种实践中，创制出抗逆性强的优良豌豆种质资源，以育出适宜生产需要的新品种。