探究柑橘对水分胁迫反应特点

　　从不同种的水平上研究水分胁迫的差异性。不同的柑橘品种以及同一品种在不同的土壤和气候条件下对水分胁迫反应存在差异,不同的品种和砧穗组合对不同程度的水分胁迫的反应也有差异,但造成差异的内在原因需要从分子生物学水平上进行揭示。

　　柑橘是世界第一大果树品种,其种植面积和产量均居世界首位。柑橘是第三大贸易农产品[1],全球有135个国家和地区生产柑橘,有40多个国家主产柑橘。我国是世界柑橘生产与贸易大国[2]。2004 年我国柑橘的种植面积为163×104 hm2, 居世界第1位;柑橘产量为1 495.8×104 t, 首次超过美国,仅次于巴西, 成为世界第二大柑橘生产国[3]。近年来,我国柑橘产业品种区域化栽培和生产管理水平明显提高,柑橘品种有所改善,但受自然条件、管理水平的限制,与世界先进水平相比仍有一定差距,其中,水分是影响柑橘优质高产最重要的生态因子之一。由于柑橘主产区大多分布在我国南方红壤丘陵农业生态区, 区域50%以上的土地为低丘岗地类型,在8─10月份即柑橘果实膨大期,容易受季节性干旱的影响,加之其立地条件远不如一般农作物,其生长发育进程中更易受水分逆境的影响。因此,研究柑橘对水分胁迫的反应特点和抗旱机理,可提高其水分利用率和利用效率,有利于发展节水、优质、高产、高效型果业[4],从而获得较好的果品产量和质量。

　　1 柑橘对水分胁迫的生物学反应

　　1.1 叶片

　　叶片是柑橘对水分胁迫反应最敏感的器官。在水分胁迫条件下,叶片的生理响应主要是更有利于其保水和提高水分利用率[5],柑橘叶片在水分胁迫处理4 h以后,形态特征上表现出较为明显的卷曲症状,随着逆境胁迫时间的延长,其抗逆能力逐渐下降,导致叶片水分散失速度大大加快,并对生长发育产生不可逆损伤[6]。在水分胁迫条件下,叶片细胞与叶绿体超微结构会发生变化,轻度水分胁迫大部分细胞没有质壁分离,叶绿体基粒片层略有扭曲,排列开始紊乱;中度水分胁迫大部分细胞质壁分离,叶绿体基粒片层排列发生变化,基粒片层之间的连接出现断裂,类囊体内腔膨大;重度水分胁迫绝大部分细胞质壁分离,叶绿体形状发生变化,基粒片层结构破坏,排列紊乱[7]。

　　1.2 根

　　根是柑橘吸收水分的主要器官。在水分胁迫下,柑橘根系的超微结构会发生明显变化。中、轻度水分胁迫使根系外表皮遭受破坏,细胞形状发生变化,内质电子致密程度下降,质壁轻微分离;在重度水分胁迫下,绝大部分细胞结构被破坏,大部分细胞器被破坏溶解[8]。这些变化都是根系适应水分逆境,增强抗性的主动响应。

　　1.3 枝干

　　枝是柑橘长叶和结果的部位,干则是中枢,都起着极为重要的作用。柑橘种类不同其枝干向量的生长也不同,对水分胁迫的反应不一样,抗旱性强的香橙受抑制的程度明显小,抗旱性弱的化州橙受抑制程度最大,抗旱性中等的构头橙和文旦柚生长受抑制程度居中。水分亏缺抑制生长,是由于干旱抑制了细胞分裂,促使枝梢提早老熟而停止生长的结果[9]。

　　1.4 果实

　　在生产实践中发现,柑橘在幼果形成期遭受水分胁迫可引起严重落果,在果实迅速生长的后期遭受水分胁迫可显着减小果实的单果质量而减产。因此,果实迅速生长期至成熟前是柑橘果实品质对水分胁迫反应的敏感时期。研究表明[10],柑橘砂囊膨大早期,水分胁迫并未引起果皮中POD活性提高及共价键壁结合结构蛋白在质与量上的明显改变,显示POD介导的细胞壁硬化未被激活,而氨基酸组成中最明显的变化是脯氨酸(Pro)比率大幅提高。在果实发育成熟期,果皮细胞壁代谢相关水解酶、果胶酶、纤维素酶、果胶甲酯酶的活性随着水分胁迫的加强而增加,多酚氧化酶活性与果胶酶活性变化趋势相反,果皮细胞壁代谢相关成分离子结合型果胶、共价结合型果胶、半纤维素、纤维素的含量随着水分胁迫的加强而降低,水溶性果胶含量随着水分胁迫的加强而增加,果皮细胞壁超微结构随着水分胁迫的加强而加速解体[11]。

　　2 柑橘对水分胁迫的生理学反应

　　2.1 气孔反应

　　气孔是柑橘叶片水分蒸发和进行光合作用所需CO2进入的门户,是气体交换的场所。在水分胁迫下,控制气孔开闭的决定性因素就由光照和CO2转而成为水分。气孔对水分胁迫的反应有前馈式反应和反馈式反应。前馈式反应指空气湿度下降引起气孔关闭,可以自动阻止叶水势的下降,因而也称“预警系统”,反馈式反应指叶水势低于临界值而引起的气孔关闭,如水分胁迫引起ABA累积,从而促使气孔关闭。引起柑橘气孔关闭的叶水势临界值为-1.4~-1.7 MPa[12]。柑橘砧木的气孔密度与其抗旱性成正相关,气孔的大小与砧木的抗旱力成负相关,而气孔大小与气孔密度呈负相关,因此,气孔密度可以用作柑橘抗旱性鉴定,而气孔大小可以作为辅助指标[13]。

　　2.2 光合作用

　　柑橘叶片中光合色素的含量直接影响其光合能力。聂磊等[14]报道,柚树叶片的叶绿素荧光参数中光系统Ⅱ光化学原初效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ电子传递量子效率(QPSII)和光化学猝灭(qP)下降,非光化学猝灭(NPQ)和热能耗散系数(KD)升高,显示膜系统和pSⅡ是水分胁迫的主要抑制位点。同时,光合作用是柑橘生长发育等的基础,而且光合特性通常作为评估柑桔高产和适应性的重要指标。水不仅是柑橘生长的重要影响因素,也是光合作用的主要原料之一。光合作用会因低土壤含水量或低空气湿度而降低[15-16]。水分胁迫抑制果树的光合作用,使光合速率下降。这种影响分为气孔因素和非气孔因素,柑橘在轻度水分胁迫与这两种因素有关,而中度、严重水分胁迫条件下光合受抑主要来自非气孔性限制[17] 。

　　2.3 氮代谢

　　在水分胁迫下,果树通过积累一定量的溶质,降低体内的水势来维持体内的水分平衡。这些物质包括含氮化合物(如脯氨酸、其它氨基酸和多胺等)和含轻基化合物(如蔗糖、多元醇和寡糖等)[18]。多胺和脯氨酸是生物体氮代谢过程中产生的具有生物活性的次生代谢物质,多胺是生物体氮代谢过程中产生的一类具有生物活性的低分子量脂肪族含氮碱,主要包括腐胺、亚精胺和精胺。多胺参与植物生长发育的多种生理生化过程,参与膜稳定性、自由基的清除、渗透调节[19]和矿质营养等的调控,在植物对环境胁迫的适应中起保护作用[20]。而脯氨酸是植物体内分布最为广泛的渗透调节物质,在水分胁迫下迅速积累[21]。不同抗旱性的柑橘种类,脯氨酸升高的幅度差异明显,如香橙>构头橙>化州橙[9]。柑橘叶片Pro在水分胁迫时产生积累的机理可能是与水分胁迫导致气孔导度降低有关。因为在水分过高或过低的条件下,直接影响了柑橘叶片气孔的开闭,使叶肉细胞与气孔外的气体交流产生阻碍,进入叶肉细胞的氧气量减少,使Pro降解减少,促进了Pro积累量增加[4]。

　　2.4 碳水化合物代谢

　　水分胁迫下易引起碳水化合物代谢增强。柑橘果实总糖含量、果实可滴定酸含量与土壤相对含水量的关系呈线性显着负相关,柑橘中可滴定酸有着良好缓冲性,适当的控制土壤水分含量,可提高果实总酸的含量,而且不会造成果实pH值的显着升高,能提高柑橘果实的适口性[4]。Treeby等[22]研究不同的灌溉量对脐橙品质的影响,认为通过适度控水和选择不同砧木可以调控柑橘果实中柠檬酸的含量,提高脐橙品质。

　　2.5 内源激素

　　果树遭受水分胁迫后,体内激素总的变化趋势是促进生长的激素减少而延缓或抑制生长的激素增多。水分胁迫下,研究较多的内源激素是ABA。ABA是根-梢水分胁迫传递的信号物质。水分胁迫促使木质部汁液中ABA浓度增加或叶片中的ABA含量增加。ABA的生理作用主要在于促进叶片气孔关闭,阻止叶水势下降,提高转化酶活性,促进蔗糖向单糖转化和脯氨酸的积累,从而提高细胞的渗透调节能力[23]。茉莉酸(jasmonic acid,JA)是脂肪酸的衍生物。能诱导多种次生代谢物的合成,具有诱导气孔关闭、抑制Rubisco生物合成、影响植物对N和P的吸收以及有机物的运输等的生理功能。同时,JA是诱导抗性基因表达的信号分子,在水分胁迫下,植物通过JA的信息传递可有效地调整水分关系,使植物对环境水分胁迫作出积极、主动的反应[24]。

　　2.6 活性氧代谢

　　水分胁迫下,植物叶片固定CO2的速率由于气孔的关闭而大大降低,但其光合电子传递仍保持较高的速率,导致电子传递链组分的过度减少,从而使电子更易传递到O2,使O2大量减少,导致H2O2、O2-的积累。活性氧中的-OH能直接启动膜脂过氧化的自由基链式反应,反应产生的脂质过氧化物继续分解形成低级氧化产物如丙二醛(MDA)等。使细胞膜流动性下降,膜功能受到伤害,膜透性增加,导致果树的生长受到损害。活性氧及MDA含量增加是目前已知的水分胁迫对果树伤害的主要生理响应特征。柑橘叶片丙二醛(MDA)含量随土壤水分含量的减少而显着增加,并且与土壤水分相对含量呈显着负相关,H2O2含量与O2-生成速率具有相近的变化曲线,但与土壤水分相对含量不相关,而与柑橘根系和叶片的铁含量显着相关[4]。

　　3 柑橘对水分胁迫信号的识别与转导

　　目前,关于植物细胞如何感知周围环境水分胁迫的生理机制有两种观点。一种观点为,细胞失水引起膨压变化,膨压变化是细胞感知水分胁迫的原因;另一种观点为,水分胁迫作用于跨膜受体蛋白,受体蛋白的活性发生变化,从而将信号传递到细胞内部。膨压降低引起的跨质膜渗透势的变化可能是水分胁迫反应在分子水平的一种主要触发器。然而,一些研究发现细胞内并不存在膨压感应器,而可能存在渗透感应器。双组分系统是细胞中广泛存在的渗透感应器,由EnvZ和OmpR两种蛋白组成。EnvZ是一种组氨酸激酶,在高渗环境下能发生自身磷酸化,起感应器的作用;OmpR是反应调节器,含有天冬氨酸残基,能接受来自EnvZ的磷而被磷酸化,磷酸化的OmpR可作为转录因子而将来自EnvZ的信号输出[25]。但目前在高等植物中尚未找到典型的渗透感应器。胞内信号转导需要经过第二信使和蛋白磷酸化过程。钙离子是最受注目的第二信使,激素、病原激发子、机械胁迫、冷冻等环境信号均能引起胞内钙离子浓度升高。虽然还未见到水分胁迫影响胞内钙的专门报道,但水分胁迫下细胞膨压发生变化,而钙离子是参与膨压调节的[26],同时,蛋白磷酸酶在信号转导中与蛋白激酶同样重要,但这方面的研究还很少。

　　4 研究方向

　　利用柑橘对水分胁迫的反应特点进行节水灌溉技术的研究。目前,国内外关于水分胁迫对果树的生长、产量及品质等方面的影响有许多报道,但很多结果都表明水分胁迫对果树的负面影响。而在生产实践中发现,适度的水分胁迫对柑橘生产是大有好处的,能够提高柑橘水分利用率和利用效率,抑制旺长,促进成花,增大果个,提早成熟,改善品质。柑橘在年生长周期中需水的关键期是果实细胞分裂期和迅速生长后期,因而,除两个时期之外,在柑橘生产实践中对水分胁迫反应不敏感时期进行节水灌溉是可行的。

　　利用柑橘对水分胁迫的反应特点从分子生物学水平上进行信号传递的研究。如柑橘到底是如何感知外界水分胁迫的信号,这一信号在细胞内又是经过哪些途径进行传递,水分胁迫又是怎样诱导细胞产生应答基因等,目前很不清楚。

　　柠檬酸代谢是柑橘果实有机酸积累中最主要的环节。在水分胁迫下,研究柑橘果实柠檬酸代谢的机理可为调控柑橘果实柠檬酸的含量提高果实品质提供科学依据。

　　参考文献:

　　[1] 陈仕俏,赵文红,白卫东.我国柑橘的发展现状与展望[J]. 农产品加工, 2008(3):21-24.

　　[2] 何劲,祁春节. 中外柑橘产业发展模式的比较与借鉴[J]. 经济纵横,2010(2):110-113.

　　[3] 王川. 中国柑橘生产与消费现状分析[J]. 农业展望,2006 (1): 8-12.

　　[4] 周静. 红壤水分条件对柑橘生理生态要素影响及其作用机理研究[D].南京:南京农业大学,2002.

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 探究柑橘对水分胁迫反应特点

文章地址： http://www.qikanvip.com/nongyekeji/11666.html