loading果树非生物逆境应答机制研究进展
肖畅1，彭婷2
（1湖北广播电视大学，武汉，430073；2赣南师范大学，江西赣州，341000）
摘要 干旱、低温、高温、盐碱及营养胁迫等非生物胁迫长期以来对果树生产造成的损失巨大。近年来，国内外关于果树非生物逆境应答机理方面的研究逐步深入，本文从果树非生物逆境应答的生理生化机制、逆境信号转导途径、逆境应答基因三个方面系统全面的综述果树抗逆机制，并对今后果树抗逆境研究作出了展望。 关键词 果树；非生物胁迫；抗逆；机制 中图分类号 S66-3
水果含有丰富的维生素，是健康膳食的重要组成部分。随着人们生活水平的不断提高和对健康理念的日益重视，对水果的需求也越来越大，据国家统计局统计，2016年我国果树栽培面积达到1.86亿亩，产量2.8亿吨。但是，作为多年生的果树，其生产过程易遭受一种或多种非生物逆境（如干旱、低温、涝害、高盐等）长时间的危害。随着全球城镇化、工业化以及极端天气的频繁出现，果树面临非生物逆境的影响日趋严重，极大影响果树的产量与品质。进行果树抗逆性研究，提高果树抗性，对于果树产业稳定、健康发展具有极为重要的意义。
提高果树抗性，常用的育种方法有实生选种、杂交育种、芽变选种和基因工程等。随着生物技术的发展，利用基因工程技术改良果树的抗性，具有快速且能够定向改良抗逆性状的优点。研究果树应对非生物逆境的分子机制以及从基因调控水平提高其抗性具有非常重要的意义。但由于果树大多属于多年生木本植物，存在遗传背景复杂、生长周期长等问题，对果树抗逆性的研究较为困难，其抗性机制也与模式植物有所不同。本文系统综述了非生物逆境胁迫下果树在生理生化适应机制、应答非生物逆境的信号转导途径和果树逆境应答基因方面的国内外研究进展，以期为果树抗逆研究提供参考。
一、果树非生物逆境应答的生理生化适应机制
果树在干旱、低温、高温等非生物逆境下除了表现形态上的外部损伤，如叶片卷曲萎蔫、黄化、枯死，生长发育迟缓、结实率低等，还会影响树体内部生理和代谢的各个方面，包括细胞膜的破坏、叶绿素含量和结构的改变，脂质过氧化、酶系统紊乱，甜菜碱、脯氨酸等代谢物含量升高，植物激素如赤霉素（GA）和脱落酸（ABA）的改变等。为了适应和对抗这些逆境胁迫，果树进化出不同的生理生化调节机制。 （1）保护酶的调节
在非生物逆境下，植物会产生大量的活性氧（ROS），ROS主要有过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子（O2-）、羟基自由基（HO-）等。ROS的过量积累引起氧化胁迫导致蛋白变性、
脂类发生过氧化反应、核苷酸降解，从而引起细胞损伤甚至死亡。为了保护不受活性氧的伤害，植物形成了两类复杂的防御系统：抗氧化酶类（酶促）和非酶抗氧化剂（非酶促），用以抑制或清除体内过量的活性氧（图1）。超氧化物歧化酶（SOD）作为重要的抗氧化酶存在于大多数植物细胞中。研究表明SOD通过歧化反应将超氧化物转变为H2O2，H2O2通过过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）进一步分解为H2O和氧分子。冯芳芳等对两种柑橘幼苗进行干旱处理后，柑橘的株高降低，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量显著增加，根中的SOD和CAT活性增加，其中三湖红橘根中POD活性显著升高，而叶片POD先升高后降低。经水涝处理的欧李，随着胁迫的增强，SOD和POD活性随着时间延长显示出先升高后降低的趋势。
除了抗氧化酶，谷胱甘肽－抗坏血酸循环（GSH－AsA）在细胞质、线粒体、质体和过氧化物酶体中起作用，抑制高毒性ROS。抗坏血酸（AsA）氧化产生的单脱氢抗坏血酸（MDHA）通过该循环（GSH－AsA）实现AsA的再生
［1］
[3]
[2]
[1]
。谷胱甘肽（GSH）通过GSH－POD将H2O2
转化为H2O。通常，抗氧化物质的氧化型／还原型比率，如AsA／DHA（脱氢抗坏血酸）、GSH／GSSG（氧化型谷胱甘肽），可作为ROS清除机制的信号
［4］
。高温、干旱处理2年
生盆栽苹果苗，随着胁迫时间延长，叶片AsA／DHA和GSH／GSSG比值下降，AsA氧化程度加大。说明随着胁迫的延长，伤害的加重，苹果叶片GSH－AsA抗氧化防御能力不断增强直到最大，然后开始下降
［5］
。总体来说，在非生物逆境下，果树等作物通过调节SOD、
POD、CAT等（表1所示）保护酶系统活性来有效清除ROS，防止膜脂过氧化。
图1 ROS及抗氧化机制（VaseemRaja，2017）
表1 保护酶系统 保护酶系统 非酶抗氧化剂 抗氧化酶 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）等 抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、类胡萝卜素（CAR）、生物碱、半胱氨酸（Cys）等
（2）渗透调节
当果树处于盐渍、干旱胁迫或冻害时，由于细胞内的水势高于细胞外，细胞很容易失去水分，表现为渗透胁迫。此时植物细胞一方面通过无机离子（Na+、K+、Cl-）的调节，另一方面主要通过积累各种渗透调节物（甜菜碱、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白等），提高细胞液浓度降低其渗透势，从而维持细胞内外的渗透平衡。马双艳等研究发现在水分胁迫下，桃、草莓、板栗和苹果甜菜碱含量较对照都显著提高，变化幅度与树种以及胁迫程度有关。另外，外源甜菜碱处理也能提高植株的抗寒性。香蕉、草莓叶面喷施甜菜碱，经低温处理后，均显示出更强的抗寒力
［7］
[6]
。随着低温胁迫处理甘蔗时间的延长，叶片中脯氨酸含量呈上升
[8]
趋势，到了胁迫后期，脯氨酸在抗寒性强的品种中含量明显大于抗寒性弱的品种。已有相关报道表明当植物处于盐、干旱、高温、冷害等胁迫时，脯氨酸含量升高上调一些抗盐和抗旱相关基因
二、果树非生物逆境应答的信号转导途径
［10］
［9］
，并且脯氨酸
。
图2 果树对非生物逆境的响应
植物对各种非生物胁迫的响应非常复杂，涉及较多的生物化学和基因机制，其响应过程如图2所示，主要包括三个阶段：非生物逆境信号的识别、转导以及逆境相关基因的表达，从而引发植物体内一系列生理生化变化，产生对逆境的响应和抗性。
当植物遭受干旱、低温、盐渍等非生物逆境刺激时，开启各种信号转导途径，形成了一个错综复杂、相互联系、协同交叉的网络系统。比如在ABA信号转导途径中，钙离子（Ca2+）浓度一般会增加，且MAPK往往参与ABA信号转导。 1.1 钙离子信号转导途径。
细胞质中的钙离子（Ca2+）对于细胞功能的调节具有重要作用，是植物信号转导的第二信使，参与生物或非生物胁迫中多条路径的信号转导。研究发现当植物遭受干旱、低温、盐渍等刺激时，通过激活钙通道和释放钙库（如液泡）里的钙离子，使得细胞质内Ca2+浓度增加，并通过与下游靶蛋白作用介导植物逆境适应性。植物中主要的钙感受器有钙依赖性蛋白激酶（CDPKs）、钙互作蛋白激酶（CIPKs）、类钙调神经素B亚蛋白（CBLs）、钙调蛋白（CaMs）、类钙调蛋白（CMLs）等
［11］
。
从苹果中克隆到的CIPK家族成员MdCIPK6，通过将其在拟南芥、番茄和苹果上超表达，能够明显提高植株的抗逆性。经研究，CIPK与CBL结合成的CBL－CIPK途径在植物非生物逆境过程中转导特异的Ca2+信号
[12]
。另外，Zhang等在苹果基因组中鉴定的83个
CMLs和7个CaMs，经功能区域鉴定这些CMLs含有保守的EF－手型结构。大多数CMLs基因都被激素和非生物胁迫所诱导，参与苹果的生长发育与胁迫响应。 1.2 脱落酸（ABA）信号转导途径
在植物中，ABA是一种重要的调控信号分子，ABA信号转导途径是植物中渗透胁迫（盐渍、干旱、低温）相关的一个核心转导途径，根据是否依赖ABA，可分为依赖ABA途径和不依赖ABA途径。对于依赖ABA途径的胁迫相关基因在其启动子区域存在ABA顺式调控区域，如ABA响应元件（ABRE）。外源ABA的处理或内源ABA的积累均能诱导该类基因的表达。而不依赖ABA的逆境诱导基因对ABA无响应。但是两种转导途径存在交叉互作，如拟南芥AtRD29A基因既表现出对ABA的依赖性，又表现出对ABA的不依赖
［13］
[4]
。
植物中ABA信号途径的核心是ABA的受体PYR／PYL／RCARs、A型分支蛋白磷酸酶2C（PP2CAs）以及SNF1相关蛋白激酶2s（SnRK2s）。Romero 等鉴定了甜橙中ABA信号转导途径的核心组分，并且通过对比分析野生型和ABA缺乏的突变型，研究了在果实成长过程中内源ABA的转录调控。6个PYR／PYL／RCAR，5个PP2CA，以及2个SnRK2基因在柑橘基因组中得到鉴定
［14］
。研究发现CsPP2CA基因是ABA信号途径的负调控者。
［15］
Romero等进一步研究证明CsPP2CA基因是柑橘果实应对水分胁迫的关键调控者1.3 MAPKKK／MAPKK／MAPK蛋白磷酸化级联途径。
。
MAPKKK、MAPKK和MAPK组成了MAPK级联途径。在非生物逆境胁迫下，随着细胞外的Ca2+流入细胞浆内，MAPK信号途径通过MAPKKK－MAPKK－MAPK依次磷酸化，激活下游抗逆相关基因（如渗透调节物和抗氧化剂），保护细胞免受伤害。通过对水稻和拟南芥的相关研究均显示促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）级联信号转导途径在低温应答调控中具有重要作用
[16]
。Zhang等在苹果中鉴定了26个MAPK基因（MdMAPKs）和9个
［17］
MAPKK基因（MdMAKKs），这些基因在不同组织中表达木山定子叶和根中MhMAPK基因mRNA水平的表达
［18］
。水分胁迫和盐渍诱导苹果砧
。另外，彭立新证实了在水分胁迫
［19］
下苹果属植物中MAPK还介导了ABA和活性氧的信号转导途径传导途径的交叉关系，还需要进行进一步研究。
三、果树非生物逆境应答的关键基因
。全面深入认识各信号
植物是通过改变基因的转录水平来实现对非生物逆境的适应，根据这些基因的产物可将其分为调控基因与功能基因。前者如转录因子，后者基因编码的蛋白如胚胎后期丰富蛋白（LEA）、热激蛋白（HSPs）、渗透调节物质合成酶、解毒蛋白质等1.果树非生物逆境应答的调控基因研究
［11］
。