從不同種的水平上研究水分脅迫的差異性。不同的柑橘品種以及同一品種在不同的土壤和氣候條件下對水分脅迫反應存在差異,不同的品種和砧穗組合對不同程度的水分脅迫的反應也有差異,但造成差異的內在原因需要從分子生物學水平上進行揭示。
柑橘是世界第一大果樹品種,其種植面積和產量均居世界首位。柑橘是第三大貿易農產品[1],全球有135個國家和地區生產柑橘,有40多個國家主產柑橘。我國是世界柑橘生產與貿易大國[2]。2004 年我國柑橘的種植面積為163×104 hm2, 居世界第1位;柑橘產量為1 495.8×104 t, 首次超過美國,僅次于巴西, 成為世界第二大柑橘生產國[3]。近年來,我國柑橘產業品種區域化栽培和生產管理水平明顯提高,柑橘品種有所改善,但受自然條件、管理水平的限制,與世界先進水平相比仍有一定差距,其中,水分是影響柑橘優質高產最重要的生態因子之一。由于柑橘主產區大多分布在我國南方紅壤丘陵農業生態區, 區域50%以上的土地為低丘崗地類型,在8─10月份即柑橘果實膨大期,容易受季節性干旱的影響,加之其立地條件遠不如一般農作物,其生長發育進程中更易受水分逆境的影響。因此,研究柑橘對水分脅迫的反應特點和抗旱機理,可提高其水分利用率和利用效率,有利于發展節水、優質、高產、高效型果業[4],從而獲得較好的果品產量和質量。
1 柑橘對水分脅迫的生物學反應
1.1 葉片
葉片是柑橘對水分脅迫反應最敏感的器官。在水分脅迫條件下,葉片的生理響應主要是更有利于其保水和提高水分利用率[5],柑橘葉片在水分脅迫處理4 h以后,形態特征上表現出較為明顯的卷曲癥狀,隨著逆境脅迫時間的延長,其抗逆能力逐漸下降,導致葉片水分散失速度大大加快,并對生長發育產生不可逆損傷[6]。在水分脅迫條件下,葉片細胞與葉綠體超微結構會發生變化,輕度水分脅迫大部分細胞沒有質壁分離,葉綠體基粒片層略有扭曲,排列開始紊亂;中度水分脅迫大部分細胞質壁分離,葉綠體基粒片層排列發生變化,基粒片層之間的連接出現斷裂,類囊體內腔膨大;重度水分脅迫絕大部分細胞質壁分離,葉綠體形狀發生變化,基粒片層結構破壞,排列紊亂[7]。
1.2 根
根是柑橘吸收水分的主要器官。在水分脅迫下,柑橘根系的超微結構會發生明顯變化。中、輕度水分脅迫使根系外表皮遭受破壞,細胞形狀發生變化,內質電子致密程度下降,質壁輕微分離;在重度水分脅迫下,絕大部分細胞結構被破壞,大部分細胞器被破壞溶解[8]。這些變化都是根系適應水分逆境,增強抗性的主動響應。
1.3 枝干
枝是柑橘長葉和結果的部位,干則是中樞,都起著極為重要的作用。柑橘種類不同其枝干向量的生長也不同,對水分脅迫的反應不一樣,抗旱性強的香橙受抑制的程度明顯小,抗旱性弱的化州橙受抑制程度最大,抗旱性中等的構頭橙和文旦柚生長受抑制程度居中。水分虧缺抑制生長,是由于干旱抑制了細胞分裂,促使枝梢提早老熟而停止生長的結果[9]。
1.4 果實
在生產實踐中發現,柑橘在幼果形成期遭受水分脅迫可引起嚴重落果,在果實迅速生長的后期遭受水分脅迫可顯著減小果實的單果質量而減產。因此,果實迅速生長期至成熟前是柑橘果實品質對水分脅迫反應的敏感時期。研究表明[10],柑橘砂囊膨大早期,水分脅迫并未引起果皮中POD活性提高及共價鍵壁結合結構蛋白在質與量上的明顯改變,顯示POD介導的細胞壁硬化未被激活,而氨基酸組成中最明顯的變化是脯氨酸(Pro)比率大幅提高。在果實發育成熟期,果皮細胞壁代謝相關水解酶、果膠酶、纖維素酶、果膠甲酯酶的活性隨著水分脅迫的加強而增加,多酚氧化酶活性與果膠酶活性變化趨勢相反,果皮細胞壁代謝相關成分離子結合型果膠、共價結合型果膠、半纖維素、纖維素的含量隨著水分脅迫的加強而降低,水溶性果膠含量隨著水分脅迫的加強而增加,果皮細胞壁超微結構隨著水分脅迫的加強而加速解體[11]。
2 柑橘對水分脅迫的生理學反應
2.1 氣孔反應
氣孔是柑橘葉片水分蒸發和進行光合作用所需CO2進入的門戶,是氣體交換的場所。在水分脅迫下,控制氣孔開閉的決定性因素就由光照和CO2轉而成為水分。氣孔對水分脅迫的反應有前饋式反應和反饋式反應。前饋式反應指空氣濕度下降引起氣孔關閉,可以自動阻止葉水勢的下降,因而也稱“預警系統”,反饋式反應指葉水勢低于臨界值而引起的氣孔關閉,如水分脅迫引起ABA累積,從而促使氣孔關閉。引起柑橘氣孔關閉的葉水勢臨界值為-1.4~-1.7 MPa[12]。柑橘砧木的氣孔密度與其抗旱性成正相關,氣孔的大小與砧木的抗旱力成負相關,而氣孔大小與氣孔密度呈負相關,因此,氣孔密度可以用作柑橘抗旱性鑒定,而氣孔大小可以作為輔助指標[13]。
2.2 光合作用
柑橘葉片中光合色素的含量直接影響其光合能力。聶磊等[14]報道,柚樹葉片的葉綠素熒光參數中光系統Ⅱ光化學原初效率(Fv/Fm)、光系統Ⅱ電子傳遞量子效率(QPSII)和光化學猝滅(qP)下降,非光化學猝滅(NPQ)和熱能耗散系數(KD)升高,顯示膜系統和pSⅡ是水分脅迫的主要抑制位點。同時,光合作用是柑橘生長發育等的基礎,而且光合特性通常作為評估柑桔高產和適應性的重要指標。水不僅是柑橘生長的重要影響因素,也是光合作用的主要原料之一。光合作用會因低土壤含水量或低空氣濕度而降低[15-16]。水分脅迫抑制果樹的光合作用,使光合速率下降。這種影響分為氣孔因素和非氣孔因素,柑橘在輕度水分脅迫與這兩種因素有關,而中度、嚴重水分脅迫條件下光合受抑主要來自非氣孔性限制[17] 。
2.3 氮代謝
在水分脅迫下,果樹通過積累一定量的溶質,降低體內的水勢來維持體內的水分平衡。這些物質包括含氮化合物(如脯氨酸、其它氨基酸和多胺等)和含輕基化合物(如蔗糖、多元醇和寡糖等)[18]。多胺和脯氨酸是生物體氮代謝過程中產生的具有生物活性的次生代謝物質,多胺是生物體氮代謝過程中產生的一類具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿,主要包括腐胺、亞精胺和精胺。多胺參與植物生長發育的多種生理生化過程,參與膜穩定性、自由基的清除、滲透調節[19]和礦質營養等的調控,在植物對環境脅迫的適應中起保護作用[20]。而脯氨酸是植物體內分布最為廣泛的滲透調節物質,在水分脅迫下迅速積累[21]。不同抗旱性的柑橘種類,脯氨酸升高的幅度差異明顯,如香橙>構頭橙>化州橙[9]。柑橘葉片Pro在水分脅迫時產生積累的機理可能是與水分脅迫導致氣孔導度降低有關。因為在水分過高或過低的條件下,直接影響了柑橘葉片氣孔的開閉,使葉肉細胞與氣孔外的氣體交流產生阻礙,進入葉肉細胞的氧氣量減少,使Pro降解減少,促進了Pro積累量增加[4]。
2.4 碳水化合物代謝
水分脅迫下易引起碳水化合物代謝增強。柑橘果實總糖含量、果實可滴定酸含量與土壤相對含水量的關系呈線性顯著負相關,柑橘中可滴定酸有著良好緩沖性,適當的控制土壤水分含量,可提高果實總酸的含量,而且不會造成果實pH值的顯著升高,能提高柑橘果實的適口性[4]。Treeby等[22]研究不同的灌溉量對臍橙品質的影響,認為通過適度控水和選擇不同砧木可以調控柑橘果實中檸檬酸的含量,提高臍橙品質。
2.5 內源激素
果樹遭受水分脅迫后,體內激素總的變化趨勢是促進生長的激素減少而延緩或抑制生長的激素增多。水分脅迫下,研究較多的內源激素是ABA。ABA是根-梢水分脅迫傳遞的信號物質。水分脅迫促使木質部汁液中ABA濃度增加或葉片中的ABA含量增加。ABA的生理作用主要在于促進葉片氣孔關閉,阻止葉水勢下降,提高轉化酶活性,促進蔗糖向單糖轉化和脯氨酸的積累,從而提高細胞的滲透調節能力[23]。茉莉酸(jasmonic acid,JA)是脂肪酸的衍生物。能誘導多種次生代謝物的合成,具有誘導氣孔關閉、抑制Rubisco生物合成、影響植物對N和P的吸收以及有機物的運輸等的生理功能。同時,JA是誘導抗性基因表達的信號分子,在水分脅迫下,植物通過JA的信息傳遞可有效地調整水分關系,使植物對環境水分脅迫作出積極、主動的反應[24]。
2.6 活性氧代謝
水分脅迫下,植物葉片固定CO2的速率由于氣孔的關閉而大大降低,但其光合電子傳遞仍保持較高的速率,導致電子傳遞鏈組分的過度減少,從而使電子更易傳遞到O2,使O2大量減少,導致H2O2、O2-的積累。活性氧中的-OH能直接啟動膜脂過氧化的自由基鏈式反應,反應產生的脂質過氧化物繼續分解形成低級氧化產物如丙二醛(MDA)等。使細胞膜流動性下降,膜功能受到傷害,膜透性增加,導致果樹的生長受到損害。活性氧及MDA含量增加是目前已知的水分脅迫對果樹傷害的主要生理響應特征。柑橘葉片丙二醛(MDA)含量隨土壤水分含量的減少而顯著增加,并且與土壤水分相對含量呈顯著負相關,H2O2含量與O2-生成速率具有相近的變化曲線,但與土壤水分相對含量不相關,而與柑橘根系和葉片的鐵含量顯著相關[4]。
3 柑橘對水分脅迫信號的識別與轉導
目前,關于植物細胞如何感知周圍環境水分脅迫的生理機制有兩種觀點。一種觀點為,細胞失水引起膨壓變化,膨壓變化是細胞感知水分脅迫的原因;另一種觀點為,水分脅迫作用于跨膜受體蛋白,受體蛋白的活性發生變化,從而將信號傳遞到細胞內部。膨壓降低引起的跨質膜滲透勢的變化可能是水分脅迫反應在分子水平的一種主要觸發器。然而,一些研究發現細胞內并不存在膨壓感應器,而可能存在滲透感應器。雙組分系統是細胞中廣泛存在的滲透感應器,由EnvZ和OmpR兩種蛋白組成。EnvZ是一種組氨酸激酶,在高滲環境下能發生自身磷酸化,起感應器的作用;OmpR是反應調節器,含有天冬氨酸殘基,能接受來自EnvZ的磷而被磷酸化,磷酸化的OmpR可作為轉錄因子而將來自EnvZ的信號輸出[25]。但目前在高等植物中尚未找到典型的滲透感應器。胞內信號轉導需要經過第二信使和蛋白磷酸化過程。鈣離子是最受注目的第二信使,激素、病原激發子、機械脅迫、冷凍等環境信號均能引起胞內鈣離子濃度升高。雖然還未見到水分脅迫影響胞內鈣的專門報道,但水分脅迫下細胞膨壓發生變化,而鈣離子是參與膨壓調節的[26],同時,蛋白磷酸酶在信號轉導中與蛋白激酶同樣重要,但這方面的研究還很少。
4 研究方向
利用柑橘對水分脅迫的反應特點進行節水灌溉技術的研究。目前,國內外關于水分脅迫對果樹的生長、產量及品質等方面的影響有許多報道,但很多結果都表明水分脅迫對果樹的負面影響。而在生產實踐中發現,適度的水分脅迫對柑橘生產是大有好處的,能夠提高柑橘水分利用率和利用效率,抑制旺長,促進成花,增大果個,提早成熟,改善品質。柑橘在年生長周期中需水的關鍵期是果實細胞分裂期和迅速生長后期,因而,除兩個時期之外,在柑橘生產實踐中對水分脅迫反應不敏感時期進行節水灌溉是可行的。
利用柑橘對水分脅迫的反應特點從分子生物學水平上進行信號傳遞的研究。如柑橘到底是如何感知外界水分脅迫的信號,這一信號在細胞內又是經過哪些途徑進行傳遞,水分脅迫又是怎樣誘導細胞產生應答基因等,目前很不清楚。
檸檬酸代謝是柑橘果實有機酸積累中最主要的環節。在水分脅迫下,研究柑橘果實檸檬酸代謝的機理可為調控柑橘果實檸檬酸的含量提高果實品質提供科學依據。
參考文獻:
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