王晶懋 张楚涵 闫庆伟 王艳彬 陈雅君

(东北农业大学 园艺学院，哈尔滨 150030)

1 引言

干旱是限制植物生长发育和产量提高的重要因素，也是一个长期存在的全球性难题。当今全球有1/3以上的土地处于干旱和半干旱地区，其他地区在植物生长季节也常发生不同程度的干旱[1]。干旱导致植物处于低渗透势环境，在一定范围内，其细胞可通过积累各种有机物和无机物，以提高细胞液浓度，降低渗透势，使植物保持水分以适应干旱胁迫，这种调节作用称为渗透调节(Osmotic Adjustment)。植物细胞内渗透势的变化由决定它的渗透调节物质所控制，植物积累这些物质的能力反映了植物渗透调节的能力，从而反映了植物的抗旱能力[2]。植物在干旱胁迫下容易造成植物细胞膜系统受到破坏，它能干扰植物细胞中活性氧产生与清除之间的平衡，导致植物遭受氧化胁迫[3]。植物细胞内有防御活性氧毒害的保护酶系统，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)[4]，它们的协调作用可以清除过剩的氧自由基，防止细胞受到伤害[5]。

干旱胁迫对植物渗透调节及保护酶活性的影响是植物生理学研究的重要课题之一，在干旱胁迫下植物渗透调节与保护酶的研究为揭示植物抗旱性能和培育新的抗旱品种提供了理论指导意义。

2 干旱胁迫对植物生理渗透调节的影响

2.1 干旱胁迫下植物渗透调节的变化

渗透调节是植物适应干旱胁迫的主要生理机制，通常用干旱胁迫前后的饱和渗透势差反映。渗透调节的最初细胞效应是降低了细胞内束缚水的自由能，维持了细胞内外的水势差，使细胞能在更低的外界水势条件下吸水，从而维持细胞生长所需的膨压，渗透调节对植物在中轻度水分亏缺条件下生长是十分有益的[6]。干旱胁迫愈重，渗透调节作用愈强；渗透调节作用在干旱胁迫结束后逐渐丧失。

目前已知许多木本和草本植物具有渗透调节能力，但不同植物及其品种渗透调节能力的大小不同，参与渗透调节的物质种类也不同。据研究，干旱胁迫下许多植物的渗透势会降低，渗透调节能力有提高的趋势[7]。但也有人认为，木本植物没有或只有很小的渗透调节能力，渗透调节的幅度也很有限，且常常在几天内消失，但是草本植物的渗透调节能力在一定干旱胁迫范围内，随干旱程度的加强而增强。

Bingru Huang等在研究干旱胁迫对不同高羊茅栽培种的形态、解剖、生理特性上的影响时发现，由于土壤水分缺乏，高羊茅栽培种的根水势与根膨压降低，导致了根皮细胞的皱缩，而使根细胞的电解质外渗量增加。高宁对紫羊茅和多年生黑麦草的研究表明：在不同程度的干旱条件下，随胁迫的加重，两个槽中的渗透势均为无胁迫(对照)>轻度胁迫>中度胁迫>严重胁迫。在恢复浇灌后第3d饱和渗透势接近对照的水平。Perdomo等对草地早熟禾的研究也得到相似的结果：抗旱性强的品系Midnight和抗旱性弱的品系Nugget其渗透势在轻度胁迫条件下，分别为-1.86MPa和-1.69MPa；在中度胁迫条件下，分别是-1.97MPa和-1.86MPa。由此我们可以得出：渗透调节作用一般发生在较轻或中度干旱胁迫情况下，当干旱胁迫很严重时，渗透调节能力减弱或丧失[8]。因此，植物细胞的渗透调节是其适应环境、提高抗旱性的基础。

2.2 植物渗透调节物质的积累

植物在干旱胁迫下，由于大量缺水，会使其物质代谢发生变化，一些大分子物质比如淀粉、蛋白质等会分解成小分子的渗透调节物质如糖、氨基酸，而这些小分子物质具较强亲水性，能稳定胶体物质，从而使植物细胞减免伤害。植物渗透调节过程中，可通过有效溶质积累而维持膨压和较低的渗透势，以增强其抗脱水能力，这类有效溶质即为渗透调节物质，主要分为两大类：一类是有机溶质，如可溶性糖、游离氨基酸、有机酸等，其中以脯氨酸的数量为主；另一类是无机离子，如：K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+等[9]。 干旱胁迫下，植物体内脯氨酸含量的变化幅度比较大，并随着植物水势的下降而不断增加，植物体内脯氨酸的积累可增加体内束缚水含量，增大束缚水与自由水值的比值，降低植物渗透势及水势，以增加植物抗脱水力[10]，干旱胁有迫利于植物体内脯氨酸的积累。

可溶性糖是植物干旱胁迫时的主要渗透调节物质之一，在植物体内除起渗透调节外，还在植物蛋白质稳定性维持方面起重要作用。常见渗透调节糖类主要有葡萄糖、果聚糖、海藻糖、蔗糖等。其中，葡萄糖是主要渗透调节物质，60%的渗透调节归于可溶性碳水化合物的调节。研究表明，干旱或渗透胁迫下，沙冬青、柠条、柽柳植物体内可溶性糖的积累显著增加。可见，干旱胁迫下，植物体内可溶性糖的积累，可降低其体内渗透势，以维持植物体正常生长的水分需要。

甜菜碱亦是植物体内主要的渗透调节物质，它对植物抗旱性亦起重要作用。渗透胁迫条件下，植物体内甜菜碱醛脱氢酶(BADH)和胆碱氧化酶(CMO)活性升高，能将胆碱氧化为甜菜碱，以在细胞质中积累甜菜碱。甜菜碱的积累不仅通过植物细胞与外界环境的渗透平衡保持，稳定复合蛋白四级结构，提高植物对干旱胁迫的适应性。而且，植物细胞内甜菜碱的积累能降低渗透势，起到“非渗透调节”的作用，通过维持生物大分子结构的完整性，维持其正常生理功能。此外，甜菜碱还能解除高浓度盐对酶活性的毒害，保护呼吸酶及能量代谢过程，影响细胞内离子分布[11]。

植物在干旱胁迫下，细胞还可通过累积无机离子进行渗透调节。K+是植物中含量最丰富的阳离子，对植物生长、营养、向性、酶平衡和渗透调节起重要作用[12]。据研究，干旱胁迫下，柽柳主动积累K+、Na+、Ca2+，主动积累K+利于柽柳气孔关闭，水分损失减少，植株脯氨酸积累增加，酶活性增强，从而维持其正常的细胞功能；主动积累Ca2+利于柽柳发挥Ca2+的第二信使作用，把胞外信号转换成胞内的生理生化反应[13]。

2.3 植物生理渗透调节研究现状

人们对干旱条件下植物体内渗透调节物质的变化与植物耐旱性及其机理进行了研究，在很多植物上取得了卓有成效的进展，为其他植物及草坪草抗旱生理研究展示了美好的前景。

薛青武等(1990)研究结果表明，高氮小麦在干旱胁迫下叶片水势、相对含水量和光合速率降低的幅度大于低氮小麦叶片，前者渗透调节能力大于后者，同时，高氮小麦叶肉细胞光合活性明显大于低氮叶片，所以认为干旱下光合速率与其气孔限制作用较大有关，渗透调节对气孔导度和光合速率的维持起一定作用[14]。植物在干旱胁迫下叶片水势会降低，而渗透调节可通过维持膨压使植物叶片维持一定的气孔导性，有利于叶肉细胞间隙CO2含量保持较高水平，从而避免或减轻光合器官受到的抑制作用，这对于维持植物的光合速率和光化学活性有着十分重要的作用。

胡海荣对260多个小麦品种渗透调节能力的研究表明，小麦渗透调节能力与抗旱性呈显著正相关。不同生育时期渗透调节能力不同，灌浆期最高，苗期次之，孕穗期最低。小麦旗叶的渗透调节强度不仅与抗旱性呈显著正相关，而且与干物质积累量也呈正相关。

李德全等(1992)研究表明，在土壤干旱胁迫下，抗旱性强的小麦品种的渗透调节能力大于抗旱性弱的品种，渗透调节物质的相对贡献率为：K+>可溶性糖>其他游离氨基酸>Ca2+>Mg2+>脯氨酸[15]。

Yiwei Jiang(2001)研究干旱胁迫与热胁迫下渗透调节对草地早熟禾根系生长的关系指出，细胞间的总离子浓度包括K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+和P在干旱胁迫后都增加，与对照相比，干旱处理14d和21d，叶中可溶性糖量分别增加了21%和44%。

洪法水(1994)等对小麦研究表明，在干旱胁迫期间，尽管不同作物或同种作物的不同栽培品种之间表现出较大差异，但在相同时间内干旱胁迫强度越大，作物积累的游离脯氨酸就会越多；在胁迫强度相同的一定范围内，随着处理时间的延长游离脯氨酸积累量会不断增加。

3 干旱胁迫对植物保护酶活性的影响

3.1 干旱胁迫下植物保护酶活性的变化

20世纪60年代末，Mocord和Fridovich等提出了自由基伤害学说，近年来有关学者把“自由基假说”应用到植物的研究中，认为干旱胁迫会导致体内活性氧产生与清除机制的失衡，从而造成活性氧大量累积，对植物膜脂、蛋白质和其他细胞组分造成伤害。SOD、POD、CAT是植物体内清除过量活性氧的重要酶促防御系统，在干旱胁迫下可减轻或避免植物体的氧化损伤，抗旱性强的品种在逆境条件下能维持较高的SOD、CAT和POD等酶的活性，以利于清除超氧自由基，降低膜质过氧化水平，从而减轻膜伤害程度[16]。

王忠华等(2002)对作物抗旱作用机制的研究表明：一般来讲，干旱胁迫下植物体内SOD等酶的活性与植物抗氧化胁迫能力呈正相关。抗旱性强的植物，在干旱胁迫下，SOD、POD、CAT的活性较高，因而能有效地清除活性氧，阻抑膜脂过氧化，几种保护酶随干旱胁迫的加剧先升高后降低[17]。

杨顺强等(2009)对8种美国引进禾本科牧草的研究表明：在一定干旱胁迫范围内，植物通过酶活性的增加来提高适应干旱胁迫的能力，但是当胁迫超出了其忍耐范围，保护酶不但不再增加，反而下降，说明植物忍耐干旱胁迫的能力是有限的。同时只有几种保护酶协同作用，才能高效地清除自由基，确保较低的膜脂过氧化水平，以维持细胞膜的完整性。不同品种的细胞膜受到的伤害度是有差异的，虽然保护酶SOD、POD、CAT活性都表现出先升后降的变化趋势，但变化规律又有所不同，因此推测出各类植物与品种间的抗旱性存在较大差异[18]。

3.2 植物保护酶活性变化机理

活性氧自由基与植物抗逆性关系的研究正在日益深入。保护酶的活性变化一方面可以反映植物对干旱胁迫的适应性，另一方面反映细胞内活性氧与其清除系统之间的平衡状态。正常情况下，植物细胞内自由基的产生和清除处于动态平衡状态，但干旱胁迫时，植物体内活性氧的产生与清除的代谢平衡被破坏，逆境胁迫因素可诱发植物组织细胞内产生过量的H2O2等活性氧(ROS)。ROS过剩积累会造成膜系统、蛋白质和DNA分子结构等损伤。为抵御ROS对细胞的毒害，植物细胞便启动一些活性氧清除机制[19]。SOD作为抵御活性氧伤害的“第一道防线”能使O2发生歧化作用而转化为H2O2，而SOD与H2O2清除酶POD和CAT的平衡对维持细胞功能至关重要。正常情况下，其协调作用使活性氧维持在较低的水平。

研究表明，SOD、POD和CAT活性能够较好地反映植物对逆境的适应能力。随着胁迫进程的深入，SOD、POD活性逐渐增加，体现了植物细胞减轻细胞伤害的适应性反应。但是当干旱持续到100天以上时，自由基产生与清除平衡失调，SOD、POD活性有所降低。一般来说SOD、POD保护酶是一个平衡体系，二者协同作用对植物细胞起到保护作用。在持续干旱过程中SOD、POD活性变化并不是一条平滑曲线，而是一条折线，体现了植物细胞减轻细胞伤害的适应性反应是逐步完成的，一般在胁迫初期SOD、POD活性都要显著提高，这对植物初始抗旱能力的形成具有重要作用。

3.3 植物保护酶活性的研究现状

王代军(1998)对黑麦草、紫羊茅的研究认为：在干旱胁迫条件下叶片中酶活性呈下降趋势，而根系中的SOD酶活性的变化与叶片相比却存在较大的差异。胁迫初期活性上升，随着胁迫的加剧，SOD酶活性下降。而当土壤水分下降到12%时，SOD酶活性有一个较大的上升。这些结果表明，草坪草叶片先于根系感受到干旱胁迫。

Yiwei Jiang和Bingru Huang(2001)对Livingston草地早熟禾品种和Montauk紫羊茅品种进行了干旱和热胁迫，研究抗氧化机理和质膜过氧化作用时发现，未处理的对照组，所有的酶活性都很稳定，而处理组的酶活性发生很大的变化，POD和SOD干旱初期增加，后期降低，但是CAT在干旱胁迫期间均呈下降趋势。王向阳等(1997)研究表明，小麦叶片SOD活性与干旱胁迫程度的增大呈现正相关[20]。

大量研究表明，干旱胁迫会破坏植物中活性氧代谢平衡，引起膜脂过氧化，对膜系统、细胞、器官甚至整株植物造成伤害，而通过抗氧化系统来反映活性氧清除能力是衡量植物耐旱性的重要指标，干旱引起膜伤害是由于生物自由基引起膜中不饱和脂肪酸过氧化和保护酶系统活性下降所致。因此酶活性越高消除氧自由基的能力越强，植物的抗旱能力就越强。加强这方面的抗旱机理的研究，可进一步从细胞水平揭示植物抵抗干旱的途径，为抗旱种质资源的合理利用提供依据。

4 结语

目前，植物抗旱的生理渗透调节及保护酶活性的研究已从许多方面着手，生理抑或分子、形态变化抑或激素调节，基因表达调控亦可以作为植物抗旱生理渗透调节及保护酶研究的潜力方向。科研工作者可以深入研究渗透调节物质作用和保护酶机理及其信号转导途径，进一步探讨植物响应干旱胁迫的分子机制，进而培育出高效转基因耐旱植物的新品种。

植物的抗旱机理十分复杂，是受许多形态、解剖和生理生化特征控制的复合遗传性状。植物对干旱的适应性反应过程可能包括酶活性变化、渗透调节、激素反应、气孔运动等几个环节的协同作用，因此，科研工作者既要深入研究渗透调节与保护酶的变化机理与趋势，又要系统研究二者相互关系，揭示植物响应干旱胁迫的规律，这将对我国的植物遗传育种具有重要意义。

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