木薯抗旱机制研究进展①

孟富宣等

摘 要 从木薯营养器官特性、生理生化特性、抗旱分子生物学与抗旱基因等3个方面对国内外木薯抗旱和耐旱机制及研究现状进行综述，提出了今后研究木薯抗旱机制的重点和方向。

关键词 木薯 ；抗旱机制 ；干旱胁迫 ；研究现状

分类号 S533

木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯类作物之一，属大戟科木薯属，原产于南美洲亚马逊河流域[1]，是一种雌雄同株的多年生灌木，粗生易栽，生长快，产量高，适应性强，用途广，在旱地农业中占有重要地位。距今有近5 000 a的栽培历史，目前世界上约有100个国家和地区种植木薯，非洲、亚洲、拉丁美洲、加勒比海地区是木薯主产区，非洲种植面积最大，亚洲次之。19世纪20年代木薯传入中国，主要在广东、广西和海南种植，现在已逐步扩大到云南、福建、贵州等省。目前世界木薯产量约2.69亿t，其中非洲占56.11%，亚洲和美洲分别占34.50%和9.39%[2]。一些非洲国家种植木薯是为了满足日常生活，美洲和亚洲地区则用作饲料和生物乙醇的生产原料。

干旱是制约作物产量的全球性非生物因素，由于水资源和耕地面积的限制，在农业发展中，耐旱作物的选择和边际土地的利用显得越来越重要[3]。全球干旱面积在不断扩大，世界上还有很大一部分地区将面临干旱。而木薯具有在半干旱、干旱地区生长的固有能力，能在土地贫瘠，长期干旱无雨的环境下生长，而且还有3～5 t/hm2的产量，被称为“饥荒储备作物”，是具有缓解全球气候变化潜力的主要作物。虽然木薯是公认的能承受一定水分胁迫的作物，但对其抗旱机制缺乏系统全面的研究，笔者简述国内外木薯抗旱机制研究现状，提出今后研究的重点和方向。

1 木薯营养器官抗旱特性研究

1.1 茎叶

木薯茎叶的形态结构及其变化与其抗旱特性有着密切关系。首先，木薯茎叶具角质层、栅栏组织紧密，可以降低水分散失，提高光合效率。其次，木薯叶片对空气湿度反应十分敏感，无论土壤是否缺水，空气干燥时气孔也会迅速关闭，减少蒸腾、避免叶片脱水。木薯植株基部叶片能敏锐感知空气和土壤中水分胁迫信号，并快速脱落来减少水分的蒸发；中上部叶片则通过灵活的气孔调节和渗透调节作用，保持正常水势和一定的光合速率[4]。干旱胁迫下，木薯叶片表面积增长速率下降甚至停滞，叶片表面气孔关闭，植株体内ABA（脱落酸）含量明显升高，叶片细胞的生长及分裂也受到限制；水分胁迫解除后，又迅速重生新叶，而且叶面积指数高于受胁迫植物，这些功能的存在使得木薯能有效的抵制干旱。

1.2 根系

木薯的抗旱性与木薯根系生长特点关系密切。木薯的纤维根分布深广，能吸收到2.6 m深的土壤水分；根系的向性生长特点，使分布深广的须根系能在重度干旱时保持高效率的根系功能和水分利用率[4]。在干旱胁迫时，通过根系膨大和深生根系避免缺水。生产上根系发育情况是影响木薯抗旱性的主要因素，其根系生长势愈强，入土愈深，利用土壤深层储水就愈充分，耐旱能力也愈强；地上器官维持正常代谢所需要的含水量愈低，在受旱时生长发育所受的影响也就愈小，忍耐干旱的时间也就愈长，对水分利用也就越充分。土壤水分含量恢复后，植株很快恢复生长。木薯根部能感应水分胁迫信号、体内生理指标及代谢发生相应的变化以抵制干旱带来的威胁，但是其信号传递及指标变化机制尚不明确。

2 木薯抗旱生理生化特性研究

2.1 水分代谢及渗透调节

木薯可以承受短期内的干旱，也能承受长达4～6个月的持续干旱。木薯主要是通过快速关闭气孔来响应干旱刺激避免脱水、减少蒸腾并保持较高水势[4]。木薯以叶片生长和光合作用都接近零的方式响应干旱；恢复水分状况后，又立即开始光合作用和生长，这使得木薯能适应周期性缺水和长期干旱的环境。木薯具有突出的水分及养分利用效率，特有形态特征、生理生化调节方式，并以此度过严酷干旱期，雨季到来后迅速恢复生长发育，补偿旱期减少的光合产物，有效利用有限的水分，只要有足够的生长期（至少10个月以上），木薯在旱季的减产就可由雨季补回。在未受到致死水分胁迫情况下，水分恢复后，其叶的增长、气孔开闭、ABA含量及叶片细胞生长和分裂等方面都立即恢复正常生长状态[5]。

2.2 光合作用

木薯叶片生长状态是植株对干旱反应最直观的表现，Fv/Fm值是能够直接反映植物叶绿体PSⅡ最大（潜在）的光化学量子效率[6]，是抗旱性能的量化指标，二者结合可表征植物的抗旱性能。据此，于晓玲等[7]利用叶绿素荧光动力学技术对3个木薯品种的生长特性变化、叶片状态、叶片Fv/Fm及ABA含量变化进行测定分析发现，3个木薯品种耐旱能力SC5>SC8>SC124。干旱胁迫下，光合作用的胁迫反应尤为明显。重度干旱时，叶绿体结构会发生变化，胞间CO2浓度持续降低，光合电子传递系统被破坏，光合作用关键酶活性下降，从而导致光合速率下降，且重度干旱胁迫导致的光合速率下降是不可逆的[8]。在正常供水和中度胁迫下木薯SC8和SC205叶片的净光合速率和气孔导度均随着光照强度增加而增大[9]。对于抗旱性较强的木薯品种而言，相同胁迫梯度下，胁迫反应程度极有可能要低于抗旱性差的品种。

2.3 激素及活性氧代谢

干旱胁迫下，植株内源ABA可以作为耐旱评价的辅助指标。研究显示：随着干旱胁迫程度的增强，SC124、KU50、C4和SC8苗期内源ABA的生物合成量增加；内源IAA（吲哚乙酸）含量因品种不同变化趋势不同，根系中内源GA（赤霉素）含量均有所下降，叶片中则因品种而异；在根中内源ZR（玉米素核苷）含量下降趋势明显，叶片中变化趋势是先下降后上升[10]。植物根系是多种植物激素的主要生物合成器官，根系中内源激素含量的变化规律比叶片更具代表性。干旱胁迫下， 不同激素的比值均发生不同程度改变，激素间的相互平衡对植物的一系列生理活动产生很大影响。木薯根系中IAA/ABA、ZR/ABA可能与抗旱性能具有一定相关性；IAA/GA、IAA/ZR、GA/ABA的比值在木薯根系与叶片中均呈现不同程度的波动性变化，但无明显规律性，可能与品种特性，合成激素的部位、方式、运输方式、对干旱胁迫的响应程度等因素有关[11]。

3 木薯抗旱分子生物技术与抗旱相关基因研究

3.1 干旱诱导蛋白

干旱诱导蛋白包括调节蛋白和功能蛋白，植物响应干旱胁迫，诱导抗旱相关基因表达，合成新蛋白，提高植物耐旱性。木薯含有大量C4磷酸羧化酶（PEPC），这与田间作物净光合速率（Pn）相关，表明了选择高光和高速率的重要性。木薯属于C3-C4中间型作物，除了叶片光合速率，产量还与其平均叶面积指数相关，在长期季节性干旱缺水、半干旱地区，作物会适应一定抗旱胁迫，包括气孔对大气的敏感性、土壤水分缺乏、深生根能力、脱水蛋白的积累减少，以此防止叶片严重缺水[12]。喷施多效唑（PP333）显著提高木薯的过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）及超氧化物歧化酶（SOD）的活性及脯氨酸（prol.）的含量，同时降低丙二醛（MDA）含量和电解质渗漏率。从而证明，叶面喷施PP333可以有效提高木薯适应干旱逆境的潜在能力[13]。木薯Cu/Zn超氧化物歧化酶（MeCu/ZnSOD）和过氧化氢酶（MeCAT1）联合表达，延长收获后木薯的贮藏时间和活性氧（ROS）的动态平衡，减少水分蒸腾。掌握植物氧化机制可以增强作物对干旱或冷刺激等非生物胁迫的耐受性[14]。

3.2 抗旱相关基因及转录因子

在过去10年中，克隆部分cDNA序列是基因发现的一种有效方法，各个木薯研究小组已经完成大规模的木薯EST测序项目[15]。Sakurai[16]等从经受干旱、高温、酸处理的木薯叶和根克隆其全长并构建了cDNA文库。现公开的木薯基因组序列是419.5 Mb，约包含木薯基因组（770 Mb）的54%。目前，从基因组序列已经预测30 666个蛋白质编码基因，3 485个可变剪接也通过EST检测[17]。对改良的9个木薯品种进行比较研究发现，响应干旱胁迫是由显性基因控制[18]，这表明木薯有很强的抗旱遗传基础。用ESTs技术获得了木薯第1个干旱胁迫转录组[3]，可用于基因芯片技术和分子标记基因定位，以进一步剖析耐旱的分子机制。

干旱是影响许多植物生长和生理的环境制约因素，因此，这些植物都有相应的策略来防止干旱胁迫造成的损伤。在干旱胁迫下使用高密度寡核苷酸类转录组分析MTAI16（KU50）、MECU72和MPER417-003三个木薯品种发现，有168个基因表达上调，69个基因表达下调[19]。木薯在干旱胁迫条件下，ABA和JA（茉莉酸）的相互作用以防植物水分流失。干旱胁迫下调基因归类于基因本体（GO）即“叶绿体”或“质体”，包括同系物喜光叶绿素a/b结合蛋白、LHCA4和叶绿体磷酸丙糖/3-磷酸转运蛋白、APE2基因。基因型之间的差异表达基因，包括未知功能基因和各种功能基因，如转录因子、蛋白激酶、转运和代谢相关基因。

木薯叶片衰老诱导抗旱基因SAG12-IPT的表达延缓叶片衰老，提高抗旱性，并改变叶片细胞分裂素代谢[20]，以抵制干旱胁迫；IPT编码细胞分裂素生物合成的关键酶，在木薯中插入SAG12-ipt，可在成熟叶片中检测到IPT的表达[21]。miRNA在木薯抵御干旱胁迫中起着重要调控作用，采用Multiplexed RT-PCR法对miRNA进行表达量分析表明，8个miRNA在木薯干旱胁迫的2个时期及2种组织中有不同的表达模式[22]。对SC124和KU50进行DH和DNH干旱胁迫处理，抗旱相关基因miRNA差异表达，表达的组织特异性分析发现，根部表达量变化比功能叶中的表达量变化更显著；且DH处理比DNH处理响应胁迫信号诱导的miRNA的数量更多，表达量变化更明显，这有可能是植株在受到干旱胁迫的驯化后，再遇到干旱时，诱导miRNA的胁迫信号敏感程度更高，调节生理生化反应应对胁迫更迅速，从而会有更强的抗旱能力。miRNA受到干旱胁迫信号的诱导而产生表达量变化表明miRNA 参与了胁迫信号响应，与木薯的抗旱分子机制有关，miRNA研究对木薯抗旱分子机制的精细调控功能具有重要参考价值[23]。

抗旱相关基因的表达需经历逆境信号的接受、转导、诱导基因的转录以及功能基因的转录几个不同水平的调节[24]。根据木薯干旱转录组测序结果，采用RT-PCR技术，从SC124木薯品种中克隆得到MeHDS2基因，该基因在木薯干旱处理组织中差异表达，说明MeHDS2基因参与木薯耐干旱生理过程，不同组织中的表达模式存在差异，该基因在植株自上而下第三至第四片功能叶中的表达量明显较其他部位叶片、叶柄及根中的高，此时，植株底部叶片萎蔫或脱落，只有顶部叶片正常伸展并进行光合作用，说明MeHDS2基因在维持叶片正常的生理过程中起作用[25]。木薯海藻糖合成酶基因MeTPS1-3的表达受干旱胁迫的正诱导，推测其在木薯抗干旱胁迫中起重要调控作用[26]。AP2/EREBP 转录因子家族根据所含AP2/EREBP结构域数目分为AP2和EREBP 2个亚类，对木薯抗旱性相关的2个AP2转录因子基因在不同干旱胁迫下的表达差异进行研究，验证它们与木薯抗旱性的关系；木薯的MeAP2-1基因和MeAP2-2基因的表达能够被干旱胁迫诱导，这为研究木薯AP2基因在干旱胁迫中的功能具有重要的参考价值，木薯中AP2转录因子的转录表达受干旱胁迫因子所诱导，它可能参与木薯应答干旱胁迫逆境的信号传递途径[27]。木薯的抗旱性依赖于基因型，存在潜在的未知耐旱性遗传基础，因此从基因组学和分子机制方面研究木薯抗旱机制是目前的研究热点。

4 展望

探讨木薯的抗旱机理，认识木薯的抗旱本质，提高水分的利用效率，改良抗旱性，是目前研究的主要方向。从分子水平上阐明木薯抗旱性的物质基础、生理功能，利用基因工程手段进行抗旱基因的重组，用常规育种与遗传工程相结合的方法培育耐旱与高水分利用效率的抗旱新品系，这是今后的工作重点。目前对木薯抗旱性研究主要集中在表型和生理方面，对抗旱生态、分子生物、基因的研究较少。未来木薯的抗旱研究中，应注重水分胁迫下不同部位抗旱基因与分子生物学、逆境信号转导、抗旱基因、抗旱蛋白等方面的研究。此外，将干旱胁迫与其它胁迫交叉结合，对多种胁迫进行综合分析研究，把表型、生理生态以及基因调控作为一个有机的整体来考虑。虽然已分离克隆到一部分木薯抗旱相关基因，但其逆境反应涉及众多基因，受多种途径调节控制，进一步阐明木薯的抗旱机制，还需解决许多问题。相关研究的深入和先进技术的不断发展，现代分子生物技术与抗旱基因等方面的深入研究，将成为木薯抗旱机制研究的热点。

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