（作物遗传育种专业论文）马铃薯不同品种的抗旱性评价及FeSOD基因的研究.pdf

摘要 摘要 干旱胁迫一直以来都是限制农作物生产的主要非生物逆境之一，近年来，早灾的发生愈 加频繁，已经严重影响了粮食安全闷题。在我国马铃薯生产区很大一部分是在降雨不均或水 资源不足的地区。所以选育抗旱犁马铃薯就成为一个重要且必然的课题。其中准确评价马铃 薯资源的抗早性，认知具体的抗旱机理和抗旱性遗传规律，揭示抗旱性遗传背景，对促进我 国马铃薯抗旱育种事业具有重要的现实意义。 本研究选取了3 0 份不同熟期的马铃薯材料作为试材，通过利川遮雨棚进行人为控水的 方法，创造了干旱胁迫和上e 常浇水两种不同的生k 环境，并对这两种条什卜的3 0 份马铃薯材 料的抗旱性生理生化指标及产量进行了研究。观察水分胁迫后各个指标的变化趋势和不同材 料的变化程度。并且通过主成分分析法，对不同熟期材料所测定的生理性状与抗旱性的天系 进行了初步定位。继而利川抗旱系数结合模糊数学中的隶属函数值法对其进行抗旱性综合评 价，判断不同材料的抗早能力。以筛选山的5 个强抗旱品种和3 个弱抗早品种为材料，提取 植株叶片总d n a ，利用同源序列法，根据g e n b a n k 中已经登陆的茄科植物前茄的 f e s o d m r n a 全基冈序列，设计一对引物，扩增出一个序列片段，并选择抗早品种克新1 9 号中的片段产物克隆测序，预测分析其结构功能。主要研究结果如下： l 、在严重的水分胁迫条件下，马铃薯块芩产龄和一系列的生理生化指标均受到了严重 影响，不同材料反应程度有所不同，但变化总体趋势相同。所有材料水分胁迫后的产鼙与对 照相比都表现了极显著的减产。试验测定的生理生化指标，干旱胁迫与正常浇水条r | f 相比， 叶片相对含水量、离体叶片保水力和根系的叶祭胺氧化力表现为降低趋势，丙_ 二醛含带、超 氧化物歧化酶活性、脯氨酸含量则呈现山升高趋势。而且这入项指标与抗早系数的相关性均 达到了显著水平，所以在马铃薯抗旱性评价中起剑了重要的作川。 2 、主成分分析结果表明，所测生理指标在不同熟划马铃薯品种的抗旱性评价中，其影 响程度有所差异。离体叶片保水力、s o d 活性利丙二醛含苗是早熟品种抗旱性评价的关键参 数：s o d 活性、根系的q 荼胺氧化力和叶片相对含水培是中晚熟品种抗旱能力评价的重要指 标；而根系的弘萘胺氧化力、丙二二醛含量并l i n t 。片相对含水擐则是晚熟l ；i ! 1 种抗旱性评价的重要 参数代表。 3 、应h j 抗旱系数结合隶属函数值法，对供试的3 0 份马铃薯材料进行抗旱性评价，结果 表明：早熟晶种成功、中晚熟品种克新2 号利充新1 9 号、晚熟材料f l l 5 3 3 和f l l 7 7 1 为高 抗旱类型，中晚熟品种克新1 8 号、克新1 3 号羽l b 免熟材料n y 1 2 8 为低抗旱类型。 4 、以抗旱品种克新1 9 号的叶片d n a 为材料，利刖同源序列克隆法，分离得剑一个与 抗早相关的基闪片段。通过n c b i 网站的b l a s t i ：具进行序列比对分析发现其与植物的 f e s o d 基冈同源性很高，命名为s t f e s o d 。该基冈已在g e n b a n k 上注册，登陆号为 e u 5 4 5 4 6 9 。基冈序列长度为1 4 1 3b p ，推断其含有4 个外显子和3 个内含子，并且编码了1 4 5 个氮基酸序例，分子重鲑为1 6 2 5 5k d a ，等电点足5 8 8 。该序列包含2 个编码f e s o d 蛋白 的保守结构域。 v 东北农业人学农学硕i 学位论文 关键词：马铃薯：抗旱性评价；抗早系数；生理生化指标： f e s o d v i a b s t r a c t i m l i i e v a l u a t i o no fd r o u g h tt o l e r a n c ea n dc l o no fg e n e f e s o di np o t a t ov a r i e t i e s a b s t r a c t d r o u g h ti sa l w a y so n eo ft h em a i na b i o t i cs t r e s s e st h a tc o n s t r a i n e dc r o pp r o d u c t i o n i nr e c e n t y e a r s ，f r e q u e n c yo fd r o u g h th a sb e e ni n c r e a s i n g ，w h i c hp u ts e v e r er i s k0 1 3f o o ds e c u r i t y i nc h i n a , m o s to fp o t a t op r o d u c t i o ni si o c a t e di na r e a sw h e r ei se i t h e ri e s sw a t e rr e s o u r c e so ru n e v e nr a i n f a l l t h e r e f o r e ，t ob r e e dv a r i e t i e sw i t hs t r o n gt o l e r a n c et od r o u g h ts h o u l db eav i t a lo p t i o n f o rt h e b r e e d i n g ，t oe v a l u a t ed r o u g h tt o l e r a n c e ，t ou n d e r s t a n dm e c h a n i s ma n dg e n e t i c sa n dt oi d e n t i f y g e n e t i cb a c k g r o u n do fp o t a t og e r m p l a s ma r ec r u c i a li s s u e sf o rp o t a t ob r e e d i n gi nc h i n a t h i r t yc u i t i v a r sw i t hd i f f e r e n tm a t u r i n gt i m ew e r eu s e da sm a t e r i a l s y i e l d sa n dp h y s i o l o g i c a l a n db i o c h e m i c a li n d e xw e r ei d e n t i f i e db o t hu n d e rd r o u g h ta n di r r i g a t e dc o n di t i o n sf l u c t u a t i o n so f t h o s ei n d i c a t o r so fa l lm a t e r i a l st e s t e dw e r eo b s e r v e d b ym e a n so fm a i ne l e m e n ta n a l y s i s 。 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r o u g h tt o l e r a n c e a n db i o l o g i c a li n d i c a t o r sw i t hd i f f e r e n tv a r i e t i e sw a s a n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，i n t e g r a t e de v a l u a t i o no nd r o u g h tt o l e r a n c ew a sm a d eb yt o l e r a n ti n d e xa n d f u z z yf u n c t i o n ap a i ro fp r i m e rw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec o n s e r v e dr e g i o n so ft h ef e s o d m r n af r o mt h et o m a t oi ng e n b a n k t h eg e n ew a sa m p l i f i e db yp c rf r o mt h et o t a ld n aw h i c h w a se x t r a c t e df r o me i g h td i f f e r e n td r o u g h tr e s i s t a n c ev a r i e t i e s t h e ng e n ef r a g m e n tw a sa m p l i f i e d a n dc l o n e df r o mk e x i n19 t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、y i e l d ，p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a li n d i c a t o r so fp o t a t ow e r ed e e p l ya f f e c t e db yd r o u g h t s t r e s s r e s p o n s e sw e r ed i f f e r e n ta m o n gm a t e r i a l st e s t e d ，b u tt h et e n d e n c i e so fr e s p o n s e sw e r et h e s a m e u n d e rd r o u g h ts t r e s sy i e l d so fa l lv a r i e t i e sd e c r e a s e do b v i o u s l yc o m p a r i n gt oc o n t r 0 1 i n t e r m so fb i o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a li n d i c a t o r s ，t h el e a fr e l a t i v ew a t e rc o n t e n t ，t h ew a t e rr e t e n t i o n c a p a c i t y o fe x c i s e d - l e a f , a n do x i d a t i o no f 甜n a p h t h y a m j n ei nr o o tw e r ed e c r e a s e da n d m a l o n d i a l d e h y d ec o n t e n t ，t h es u p e ro x i d a s ed i m u t a s ea n dt h ep r o l i n ec o n t e n tw e r ei n c r e a s e du n d e r d r o u g h ts t r e s s t h ec o r r e l a t i o ni sn o t a b l eb e t w e e ns i xp h y s i o l o g i c a li n d i c a t o r sa n dd r o u g h tt o l e r a n t i n d e x s ot h e ya r em o r ei m p o r t a n ti np o t a t ob r e e d i n g 2 、t h er e s u l t so fm a i ne l e m e n ta n a l y s i ss h o w e dt h a td r o u g h tt o l e r a n c e sa f f e c t e db y p h y s i o l o g i c a li n d i c a t o r si nd i f f e r e n tm a t u r i t yp o t a t ov a r i e t i e sw e r en o tc o n s t a n t w a t e rr e t e n t i o n c a p a c i t yo fe x c i s e dl e a f , s u p e ro x i d a s ed i m u t a s ea n dm a l o n d i a l d e h y d ec o n t e n ta r ei m p o r t a n ti n e a r l y - m a t u r i n gv a r i e t i e s a c t i v i t i e so fs u p e ro x i d a s ed i s m u t a s ea n d0 【一n a p h t h y a m i n eo x i d a t i o n a n d l e a fr e l a t i v ew a t e rc o n t e n ta r e i m p o r t a n t i n m i d l a t e m a t u r i n g v a r i e t i e s a c t i v i t i e so f d n a p h t h y a m i n eo x i d a t i o n ，m a l o n d i a l d e h y d ec o n t e n t ，a n dl e a fr e l a t i v ew a t e rc o n t e n ta r ei m p o r t a n t t r a i t si nl a t e - m a t u r i n gv a r i e t i e s 。 v i i 东北农业大学农学硕l 学位论文 3 、b ym e a n so fd r o u g h tt o l e r a n ti n d e xa n df u z z yf u n c t i o na n a l y s i s ，d r o u g h tt o l e r a n c e so f v a r i e t i e st e s t e dw e r ee v a l u a t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tc h e n g g o n g ，k e x i n 2 ，k e x i n 一9 ，f l l5 3 3a n d f l i7 7 1c a nb er e c o g n i z e da sc a t e g o r yo fh i g hd r o u g h tt o l e r a n c e h o w e v e r , k e x i n 18 ，k e x i n 一13 a n dn y - 12 8w e r ei nt h ec a t e g o r yo fl o wd r o u g h tt o l e r a n c e 4 、b yh o m o l o g o u sb a s e dc l o n i n g ，ag e n ef r a g m e n tr e l e v a n tt od r o u g h tt o l e r a n c ew a ss e p a r a t e d f r o md n ae x t r a c t e df r o ml e a v e so fk e x i n 19 t h e nw eb l a s tt h es e q u e n c ew i t hf e s o do fo t h e r p l a n t so nn c b lw e b s i t e w ef i n dt h e yh a v eh i g hh o m o l o g o u s ，n a m e ds t f e - s o d t h i sg e n eh a d b e e nr e g i s t e r e di ng e n b a n k t h ea c c e s sn u m b e ri se u 5 4 5 4 6 9 t h el e n g t ho ft h es e q u e n c ei s l413 b p c o n t a i n sf o b re x t r o n sa n dt h r e ei n t r o n s ，a n de n c o d e s14 5a m i n oa c i d s t h em o l e c u l a r w e i g h ti s l6 , 2 5 5k d a , i t si s o e l e c t r i ci s5 8 8 t h i ss e q u e n c eh a st w od o m a i n sa b o u te n c o d i n g f e - s o dp r o t e i n k e yw o r d s ：p o t a t o ；d r o u g h tt o l e r a n c ee v a l u a t i n g ；d r o u g h t t o l e r a n ti n d e x ；p h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a li n d i c a t o r ；f e s o d v i l i c a n d i d a t e ：w ux i n j u a n s p e c i a l i t y ：c r o pg e n e t i c sa n db r e e d i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gf e n g y i 研究牛学位论文独创声f j j j 和版权使用授杖 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 麴遗查基丝重要挂墨9 壹塑的：奎拦受窒或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：讼糊 同期：川年6 月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：试彝部婚 同期：知l ，8 年6 月如同 n 导师签 同期：2 硝年么月必同 ，；f苦 1 引言 1 1研究的目的和意义 干旱已然成为一个非常突出的世界性问题，据粗略统计，世界上千早、卜干旱区域l i i 十 地总面积的3 6 左右，已有约4 3 个国家和地区缺水。而地球上的淡水资源仅l 叶地球表面水 资源的1 6 ，全球6 0 亿人口中有1 0 亿多人得不剑良好饮刚水。显然在这种水资源严重不 足的情况下，干旱胁迫必然给植物的生k 发育带米相当样度的影响，冈此导致了各种农作物 的人量减产。我国人均r i i 有水资源鼙为2 0 0 3 i n 3 ，仅为1 玎：界人均i i 有苗的1 ，4 ，是帝界上1 3 个最贫水的国家之一。且我国绝人部分地区属于季风气候区，这些地区降水量的季= 肖变化和 年际变化非常显著，所以旱灾的发生频率很大。据统计，我国干旱、半干旱地| 一面积占全国 土地面积的一半以上( 5 2 5 ) ，约有耕地面积5 7 亿亩( 吴j 等，1 9 9 9 ) 。 马铃薯为块苇类作物，其块茎形成与膨人期需要人餐的水分供应。然而，我国马铃薯的 土要产区多分布在降雨量少、且义无灌溉设施的地k ，如甘肃、山两、宁复、河北坝上、内 蒙古撕部等。还有很大一部分地区降雨分布不均，如黄十高原地区降雨土要集中在秋季，4 7 月为少雨季节。干旱缺水严重影响着马铃薯稳产、高产及品质。就目前的马铃薯生产条件 与产量水平分析，只要减少干旱的影响，至少可使马铃薯产营增加5 0 ，所以选育抗早魁马 铃薯品种倍受关注( 樊民大等，1 9 9 3 ；c hj i e t y x o b 等，2 0 0 0 ：高io i 旺等，1 9 9 5 ) 。 尽管可片j 于马铃薯的育种方法很多，包括品种间杂交，种间远缘杂交，物理化学冈素诱 变，以及随着生物技术学科发展而出现的体细胞无性系变异、细胞融合和基冈1 ：程技术等， 但目前应用广泛的仍然是传统的常规育种方法。在选育马铃薯抗旱品种时，主要还是基丁干 早胁迫下植株形态特征的变化进行选择，如株高、根系发达程度、产量等，并辅之以必要的 生理指标测定。通过对植株形态和生理指标的研究，可以初步判定植物的抗早能力。显然， 这种依据外在特征而进行的选择是低效率的。如果能借助现代生物技术手段探索其抗早性的 遗传基础，则必然会对马铃薯抗旱育种起剑促进作川。 虽然马铃薯基因j j 二程技术起步较晚，但由丁j 马铃薯组织、细胞培养技术成熟，植株f l 手生 比较容易，可以通过块苹无性繁殖将基冈特性传递给后代而不需要经过纯化或多代选育等特 点，所以基因_ l ：稃技术发展的十分迅速，这为充分利川生物i ：科技术米改良品种提供了可能。 限制马铃薯抗旱基冈j ：程发展的主要原冈之一就是对马铃薯抗早机制的研究不够透彻， 对抗旱基冈调控与表达的了解不够深入。转基冈技术也由- 厂分离、鉴定的抗早基冈有限而受 剑阻碍。所以对马铃薯抗旱机制的研究以及抗早基冈的充分认识，便成了马铃薯抗早性研究 丁作中的重点问题。植物的抗早性是多个基冈互作调控的，要想在基闪i ：科技术上获得更人 的成果就不能将重点只放在某个基因上，而是要多方面、系统地研究植物在干早胁迫卜 生理生化的反应以及其抗早机理，发掘更多的抗旱基因，了解多个基i 灭| 且作效果，才有可能 改善植物的抗旱性。目前，生物技术辅助育种在马铃薯育种研究中发展较快，但多在抗病、 抗菌、抗虫等生物冈素胁迫领域，而在抗早、抗冷、抗盐等1 卜生物胁迫中研究较少。鉴丁国 东北农业火学农学硕i j ! 佗论文 家推行的：肖水农业政策，利用基冈丁程技术选育马铃薯抗旱性品种将会变成热点问题，而马 铃薯抗旱相关基冈的研究至今尚未有突破性的进展。冈此，本文对马铃薯抗旱生理生化机制 以及抗旱相关基因的研究，将会为马铃薯抗早育种| 二作提供有价值的参考资料。 在本试验中，选择了前人在其他植物抗旱性评价中分析比较过，且认为具有重要参考价 值的生理生化指标作为研究内容。观察其在干早胁迫卜的反应，并结合产鼙对马铃薯供试材 料进行抗旱性评价。结果为进一步分离抗旱相关基冈提供了强具代表性的不同抗性材料。超 氧化物歧化酶( s o d ) 作为影响植物抗旱能力的功能基冈，已经从许多植物中分离获得，且 已证实它在植物体内的过量表达能够提高对氧化胁迫的耐受力。所以本研究选择通过已知植 物的s o d 基冈序列，利川同源序列克隆法在马铃薯抗早品种中分离获得s o d 基冈片段，并 对其进行生物信息学分析。 1 2 马铃薯抗旱性评价方法的研究 抗早性评价方法对植物种质资源筛选以及其抗旱性的研究有着。匹要的意义。目前在马铃 薯抗早性评价方法的研究上，已有很多种。如利川干早条什卜的产鼙、冠层温度状况、十壤 水分含量、植物体的水分以及植物的生理生化指标等等。冈为对农作物进行抗早性评价的最 终目的是获得高产稳产与抗早性相结合的品种，所以产= 晕= 性状便被当作是最可靠的抗旱性评 价指标，在晶种抗早能力的最终鉴定中起很人的作川。但是利川单一指标很难全面的评价品 种抗旱性，多个指标综合测定比较，才能更准确地决选出优良品种。马铃薯植株在受剑下旱 胁迫时，其形态、农艺和生理生化性状均会受剑影响，不同抗旱能力的品种往这些性状上会 产生不同程度的变化。因此根据产量、并结合生理生化指标米进行抗j 性评价与筛选，便成 了研究虑川较多的方法。 1 2 1 产量性状指标 根据马铃薯产鬣米判定抗早性，即适川丁田问也适州丁干旱棚，是抗早鉴定的经典方法。 通常使刚抗旱系数和抗早指数进行分级。抗旱系数越人说明抗旱能力越强。抗早指数则兼顾 了抗早系数人和旱地产量高的双重标准，更能说明品种住早地上的高产性。 抗旱系数( 。t ，) = 器 渊= 斋糕群瑟 1 2 2 综合抗旱系数法 综合抗旱系数法就是以各指标性状的抗旱系数累加和求不同晶种的抗旱系数。卜式中1 1 为指标性状数量，i 为指标性状。 2 引占 综合抗旱系数= 去喜糕 1 2 3灰色关联度分析法 灰色关联度分析来自灰色系统理论，其基本思想是一种相对性的排序分析。近年米，随 着灰色理论的研究和发展，许多农作物如棉花、小麦等的抗旱性评价上开始运刚灰色关联度 分析法，并取得了较好的结果。灰色关联度分析法能够全面的评价品种的优劣，找出影响抗 旱性的主要因素，筛选出高效的抗旱性鉴定指标，从两评价作物的抗旱能力。 灰色关联度分析方法的主要处理步骤如卜( 范敏，2 0 0 6 ) ： l 、首先在进行灰色关联度分析前，必须对原始数据进行无鼙纲化处理，处理方法主要有 初值化法和均值化法。前者主要适用：3 - 较稳定的社会经济现象的无量纲化，而后者则比较适 合- 处理没有明显升降趋势的数据。 2 、其次要计算对应各期的比较数列和参考数列的差值绝对值。并且进一步利川公式计算 关联系数鼍( x i ) 。为分辨系数，0 呼平沽特白榆。郎有忠( 2 0 0 3 ) 等人研究了不同水稻品种间 根系形态及解剖结构的差异，结论表明抗旱掣稻平均根k 、根粗、根系穿透力、不定根中牲 及导管面积等均显著人于= l 卜抗旱品种。 1 3 2 渗透调节能力与抗旱性 在干早胁迫_ f ，植物通过许多生理生化代谢途径增加细胞质浓度，降低渗透辨，增强吸 水保水能力。植物适应早胁迫的主要生理机制之一就是渗透调1 f j 。渗透凋：1 7 住干早时帮助维 持了一定的细胞膨厩，从而使一系列的生理功能止常运行，如光合作用，呼吸作川，细胞的 止常生长等等。水分胁迫条件卜。增强细胞渗透凋+ 1 y 能力的关键是细胞i = i 渗透物质的主动积 累。在逆境卜，植物积累的可溶性物质主要有两人类：一类是细胞中合成的小分子有机物质， 如游离脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖、甘露醇( 邹琦，2 0 0 0 ) 等；另一类是从外界环境吸收进 入细胞的无机盐，如k + 、n a + 、m 9 2 + 、c a 2 + 、c i 等。其中对脯氨酸、可溶性糖、甜菜碱等 研究较多。特别是对脯氨酸的研究最多，因为腩氨酸( p r o l i n e ，p r o ) 是水 容性最人的一种氨 基酸( 1 6 2 3 1 0 0 9 水，2 5 * ( 2 ) ，易溶丁水且有较强的水合能力。脯氨酸的积累有助丁植物细 胞或组织持水，增强其抗旱性( 张彤等，2 0 0 5 ) 。但也有许多研究者提出，脯氮酸积累的量 4 引占 与作物品种间抗旱性关系不十分明显。李昆( 1 9 9 9 ) 等就认为：游离脯氨酸的积累与抗旱性 之间没有明显的相关关系，用游离的脯氨酸作为植物抗早性指标有一定的局限性，可以把它 作为某些树种在干旱胁迫时植物体发生变化的一个比较敏感的参数或指标。可见采刚脯氮酸 的积累水平米衡量抗早性还很有争议。 近几年来，甜菜碱作为植物主要渗透调1 了物质也越来越倍受剑关注。冈为其合成后儿乎 不再被进一步代谢，近于永久性渗透调节剂。在干旱胁迫一f ，甜菜碱和脯氨酸积累的趋势一 致，但脯氨酸积累的速率较快，而甜菜碱积累的速率较慢，所以被认为是最有希望的渗透保 护剂之一。有研究者认为，在受剑干早胁迫的细胞中，甜菜碱似乎是起剑一种低分子苗分子 伴侣的作用，稳定核酮糖二磷酸羧化酶的构象力：使其处了二功能状态，部分抵消了干旱的胁迫 ( 苏金等，2 0 0 1 ；贾庚祥等，2 0 0 2 ) 。在高等植物的某些种属中，如菊科、藜科等均以甜菜 碱作为主要的渗透凋节剂，但很多主要的农作物如水稻、马铃薯剐善茄等却没有甜菜碱积累 ( d e s h n i u m ppe ta 1 ，1 9 9 5 ：m u n n sr ，1 9 9 3 ) 。对丁其他渗透调：1 y 物质，如无机离子，可溶 性糖等的积累在植物抗旱性上的作州目前也有许多的报道。 1 3 3活性氧的产生与清除 近几年来，从氧自由基产生与清除失调的观点研究植物的抗旱、抗冷、抗热、抗涝、抗 辐射及抗污染环境等日益活跃，植物在干旱条什卜的伤害与干早引起的体内活性氧的增多密 切相关。活性氧简单来说就是指分子氧部分还原后的一系夕“比分子氧具有更高度化学活性的 几种分子的总称，如超氧物阴离子自由基、过氧化氢、氢氧白由基、单线态氧等。植物在止 常的生理代谢过程中，活性氧浓度非常低，它在植物体内有着一定的生理作川，并不会伤害 植物。但在干旱胁迫f 时，自由基产生和清除原本的动态平衡遭剑破助i ，导致活性氧的人鲑 增加，膜脂过氧化水平增高，从而使得一系列的生理代谢住很人程度上发生了变化( 姚觉等， 2 0 0 7 ) 。 活性氧对植物的伤害途径有很多条，例如使细胞内蛋白质的合成受阻。抑制叶绿体、线 粒体的上e 常发育，引起细胞色素氧化酶活性卜降等等。为防i ：对机体的危害，活性氧的消除 便成为研究重点。植物体内活性氧的清除是由两人类物质控制的，一类是保护酶类，包括超 氧化物歧化酶( s u p e ro x i d a s ed i m u t a s e ，s o d ) 、过氧化物酶( p e r o x i d a s e ，p o d ) 、过氧化 氢酶( c a t a l a s e ，c a t ) 等；另一类是抗氧化物质，包括抗坏血酸，类胡萝i - 素，谷胱 肽和 黄酮等，酶保护系统和非酶保护系统协同作州完成活性氧的浩除。 超氧化物歧化酶( s o d ) 是膜系统保护性的关键酶，是一种十分典型的诱导酶，在高氧 环境条件卜，诱导s o d 活性水平的提高，有利丁清除白由基，减轻膜伤害的程度。根据结合 的金属离子的不同，s o d 可以分为c u z n s o d 、m n - s o d 、f e s o d 二种类型。其反应机理是 与酶相连的金属交替的氧化或还原，催化快速歧化反戍，可迅速地使有毒害的0 2 转化为分f 氧。已有许多研究表明( 莫红等，2 0 0 7 ；向佐湘等，2 0 0 7 ) ，抗旱性强的品种比抗旱性弱的 品种具有较高的s o d 活性，并且s o d 活性与作物品种的抗早性簪止相关，这也就说明抗旱能 力不同的品种之间存在着不同的s o d 合成系统。c a r l o s ( 2 0 0 1 ) 等发现，在植物光合组织中s o d 对于清除叶绿体中的自由基起剑了重要的作川。最近对马铃薯m n s o d 的生物化学研究表明， 5 东北农业人学农学颀f j 学f 龟论义 马铃薯的m n s o d 还具有r n a 结合特性，但这种r n a 结合特性对酶活性影响不火。而细菌 m n s o d _ j ；i i f e s o d 不具有r n a 结合能力，说明马铃薯线粒体m n s o d 除了具有清除超氧化阴 离子自由基的功能外，还具有参与基冈的表达与调控等其他生物学功能。冈此，s o d 活性的 高低被认为可以作为植物抗旱性评价标准之一。 1 3 4 根系活力与抗旱性 强健的根系是植物生长发育的基础，拥有发达的根群和旺盛的根系活力，才能充分的吸 收土壤中的水分和营养，使农作物健康生k 并达剑高产优质的目的。根系对水分的反应i 醍敏 感，因此它对植物的耐旱功能也就具有至关重要的作川。植物的根系吸收活力是指根的畦姑、 具有强吸收功能的细根数鲑和根系吸水、输水性能的综合表现( | 、j 桶义等，1 9 9 5 ：张岁歧等， 2 0 0 l ；刘晚苟等，2 0 0 1 ) 。干旱胁迫下根系活力越强，说明该品种抗旱性越强。j e f f e r i e s ( 1 9 9 4 ) 通过试验发现，马铃薯住一般情况卜( 正常浇水和轻微干旱条1 ；，l ：) ，增加根k 并不能增加其 产量，只有在严重缺水条件f 增加根艮才增加产量，认为在严重缺水条l ，l ：卜根系k 度可以作 为抗旱性评价的指标。 i ：午多研究表明，根系伤流强度( t h es a pf l u xi n t e n s i t y ，s f i ) 和茶胺氧化鼙 ( n a p h t h y l a m i n eo x i d a t i o na b i l i t y ，n o a ) 可作为根系活力的指标， 能比较准确地反映根系 活性的变化( 梁建生等，1 9 9 3 ；白书农等，1 9 9 8 ) 。张术清( 2 0 0 5 ) 等通过对御早性不同的 甘蔗品种的研究表明，在干旱胁迫f4 个供试，u 1 种问的根系伤流昔均存在极显并筹异，说明 伤流量高的晶种根系发达，主动吸水能力较强，有利丁抵御水分胁迫。冈此伤流量可以作为 鉴定甘蔗御早性的一种重要指标。梁银丽( 1 9 9 5 ) 等对不同抗旱刑小麦在不同干早胁迫程度 下根系的a 禁胺氧化力进行了测定分析，结果表明不同耐早能力的品种其变化程度差异显糟， 说明a 祭胺氧化力在小麦品种抗旱性评价中的重要作川。干早胁迫卜马铃薯伤流液的数鼙和 成分，根系0 【荼胺氧化萤的高低也可以作为根系活动能力强弱的生理指标( 千忠，2 0 0 0 ) ， 并且已经证实这两项指标与马铃薯的抗旱系数和干旱条1 i ，l ：卜的产鼙廿止相关关系。 1 3 5 气孔调节与光合和蒸腾作用 植物抗旱性的强弱和气孔调+ 1 ，有关。抗旱性强的作物其气孔在干旱条什卜会立即关曲1 或 减小开张度，使蒸腾强度减少到最低限度。也就是说气孑l 是进行蒸腾作用的通道，水分胁迫 通过气孔对植物蒸腾作用的影响大丁光合作刚。轻微的水分胁迫就可使蒸腾作州显并降低， 严重影响着水分利川率，但相对丁光合作川米说它是一个比较简单的物理过程。 光合作刚是指绿色植物通过叶绿体，利川光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有 机物，并且释放山氧的过程。它是植物特有的功能。叶片的光合产物是植物各器官生艮的物 质基础，许多研究者都认为光合作用与植物的抗旱性有很人的犬系，光合指标也一直是水分 胁迫试验研究的重点。干旱胁迫对植物光合作川的影响并不是由丁作为原料的水分供应不足， 而通常是由于水分亏缺引起的气孔或者1 卜气孔冈素的限制。是它f l j 共同作川的结果( 郁怡文， 2 0 0 3 ：许人全，1 9 9 5 ) 。气孔冈素指水分胁迫使气孔导度卜| 降，c 0 2 进入叶片受阻而使光合 6 0 f著 作用下降，非气孔冈素指光合器官光合活性。卜降。但是一股情况下轻度水分胁迫时前者- 1 t 。土 导作坩，严重胁迫时后者起主要作用( 林金科，1 9 9 8 ) 。气孔是植物与外界环境进行气体交 换的通道，它在保证了c 0 2 吸收量的同时也控制了水分的蒸腾作用，达剑优化调控植物水分 利用效率的目的。水分胁迫期间，由于州片水势的下降，气孔会为了防1 = 水分的过多散火， 保持一定的膨压而关闭。现在人们已经了解剑叶片气孔的关闭是由根系住干旱胁迫。卜产生的 a b a 通过导管输送剑叶片的气孔上实现的。强度干早时，光合作川卜降的1 仁气孔性限制冈素 主要包括叶绿素合成速度+ 卜降，l ，5 二磷酸核酮糖羧化酶含量和活性降低，电子传递和光合 磷酸化受到抑制，叶绿体变形，片层结构受剑破坏等等。王怀玉等( 2 0 0 3 ) 砌f 究发现，茶树 叶片及叶绿体p s 2 原初光能转换效率( f v f m ) 和p s 2 满在活性( f v f o ) 降低，而随水分胁迫 的加强，降低越明显，说明水分胁迫使p s 2 受剑损伤。 1 3 6 植物激素与抗旱性 近年来，植物抗旱性与内源激素之间关系的研究已取得了相当人的进展。由丁植物内源 激素的变化对环境条件改变响应的灵敏性及在植物生命活动中起着重要的调。1 ，功能，并且其 生物合成也受到水分胁迫的强烈影响，冈此认为内源激素最有可能充当逆境信号物质。植物 可能以内源激素作为化学信号，对细胞内各种代谢过科进行有效调控。在这些内源激素中研 究最多的就是脱落酸( a b s c i s i ca c i d ，a b a ) ，正常情况卜植株体内a b a 的含姑很少，但是 在干旱等逆境胁迫时就会迅速积累增加几十倍甚至上百倍，产生水分亏缺反戍，从而充分利 j = j 水分，维持一定的生长速度，以增加逆境存活机会( y i nce ta 1 。2 0 0 4 ：l ice ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 它的主要生理效应是通过含鼍的上升控制气孑l 关c j 捅i 增强根系水分透性进而起剑保水作朋。 t a l ( 1 9 7 0 ) 等研究了番茄萎焉突变种气孔运动同水分胁迫之间的关系。发现由丁该种缺乏合 成a b a 的能力，其气孔无论在黑暗或是水分胁迫至质鼙分离时均不关仞j ，但往施朋了a b a 后，气孔运动完全恢复正常。所以推断，a b a 是调控气孔运动的主要生化物质之一，此观点 已得剑j “泛承认。g l i n k a z 等( 1 9 7 2 ) 研究发现，心一定浓度的a b a 处理后的崩萝卜根圆片 可增加细胞透性，从而直接促进根对水分的吸收。8 0 年代初g l i n k a ( 1 9 8 0 ) 和f i s c u s ( 1 9 8 1 ) 的t ：作使上述观点被进一步的证实。此外，干旱胁迫卜产生的a b a 还有很多其他的作用，例 如抑制植物的生长、诱导脯氨酸的积累、调。1 ，抗旱相关基冈的表达等( 张泱，2 0 0 5 ) 。 在植物的抗旱性上，各激素之间存在着复杂的相且作川，仅从单一方面研究讨论，结果 上未免会有很大出入。所以一定要结合各个冈素综合米分析其与植物抗早性的关系。a b a 控 制气孔关闭，细胞分裂素( c k ) 启动某些气孔开放，在水分胁迫划间，增加a b a 及降低c k 浓度的共同作用将使气孔关闭，从而限制了植物的蒸腾作用，并使水势上升，形成一个闭合 的控制环。a b a 。c k 之问的相互作用，义影响着胁迫f 乙烯的释放，乙烯能够促进落n i - ， 减小蒸腾量提高水势。有利丁植物的存活，近年米，有关乙烯的释放问题研究澌多。 7 耋些童些皇：尘茎竺! ：兰堡耋兰 1 4 植物抗旱相关基因的研究 l41渗透保护物质生物合成的关键酶基因 许多植物在火水胁迫条什下，为r 维持渗透半衡删体内水分在细胞中税累的一些小分 子化台物，札而有利丁植物在干旱条4 1 。r 水分的吸收。 干旱胁迫f 脯氨酸主要眦谷氨融台成造释山士，舟此建释中吡咯琳- 5 一般酸台成酶 ( p y r r o o 噼5 - e a r b o x y l a t es y n t h e t a s e ，p 5 c s ) 是一个般功能酶，其编码蛋白催化裂解咎氧酸盐 转变为毗咯琳5 羧酸( v y r r o l i n e - 5 - c a r b o x y l a t e ，p 5 c ) 娃月m 氯酸台成的戈键酶编码基l q 。待 胁迪解除后，脯氨酸脱氟酶( p r o l i n ed e h y d r o g e n a s e ，p d h ) 起着重要作用，催化眦氨酸 化 为答氪酸的第1 步反麻。p e n g z ( i9 9 6 ) 等兜隆，拟南芥p d h c d n a ，a t p d h 。在干早助迫条 件f ，p s c s 基网表选水平提高p d h 转录水半i 低，此时游离晡氦酸人掣嘏累。复水斤， p 5 c s 基阳表达铍抑制。相反，p d h 却披极人的诱导表达，脯氨酸水平也随2 降低。可见，p 5 c s 耵lp d h 遮两个酶基因是控制脯氦酸水平的戈键机制。 2 0 肚纪7 0 年代中州s t o r e y 等首先发现盐份 咏分胁迫可引起大友积累甜菜碱，以币艘 现多种植物住逆境r 都柏甜菜碱的积累。甜菜碱枉 f 【物中的台成过牲比较简单其合成底物 是口碱由h 日碱加单氧酶( c m o ) 催化胆碱氧化成甜菜戚醛，然斤，目菜髓醛脱氢鲜( b a d h ) 催化甜菜碱醛形成甜菜碱( 张建国等2 0 0 0 ) 。所吼干旱胁迎r ，酣菜碱的累机与h h 碱加单 氧酶( c m o ) l 甜菜碱醛脱氢酶( b a d i ) 活性的增加密切相戈。m e n gyl ( 2 0 0 i ) 等从妊 ( a m 盯a n t h u s t r i c o l o r ) 中，克隆出了全k 为1 6 4 3 b p 的c m o 肇闻。l s h i t a n i m ( 1 9 9 5 ) 等从人 麦( h o r d e l o n w a l e a r e ) 中克隆刈rb a d h 基田的c d n a ，井h 技蛐这两个基冈均受干早胁迪 诱导。 海燕糖是非还原的二聚葡萄糖j 。泛存在丁细1 冉、真曲自i 一些植物中的脱水保护物质，舟 逆境祭f lr 海藻糖能够阻j 上细胞僻脂般分子麒由液晶态转变为州态，并儿能够稳定监h 厩等 商分子物质，从而增加细胞对胁迫的抵抗力。嗣外许多研究者将人肠杆菌的海藻精台成脯基 困o t s b a 导 甜菜、灿草、马铃薯中，获得的转塾闻植物住早胁迪祭t lr 都n 宵较高的光合 速率，耐f 究 果证明了海藻檐的积累有利丁抗早性的提高。我国m 科学家赵恢武( 2 0 0 0 ) 等 人往返方面世有成，j j 报道。这些均充分说叫把术源丁微物的海藻精侍儿览酶基悼i 转入植物巾 使其住悼山表逃可以提高梢物的抗旱性。 与抗旱相关的其他渗