石力勻, 馮葉, 趙宗勝, 王佳妮, 代挽玉, 焦明麗, 何松林,2, 王政, 尚文倩, 申玉曉

(1．河南農(nóng)業(yè)大學風景園林與藝術(shù)學院,河南 鄭州 450002;2．河南科技學院園藝園林學院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

月季(Rosahybrida)作為薔薇科(Rosaceae)薔薇屬(Rosa)的半常綠木本植物,是中國傳統(tǒng)名花,栽培歷史悠久,栽培范圍廣,品種繁多,花型多樣,花色豐富,觀賞和經(jīng)濟價值高[1-2]。月季花卉產(chǎn)業(yè)為助力鄉(xiāng)村振興、帶動旅游發(fā)展、促進三產(chǎn)融合提供了有力保障。此外,月季在現(xiàn)代城市建設(shè)中也廣泛應用于道路和高架橋綠化、墻面圍欄美化、花壇種植及專類園建設(shè)等。然而,月季在生產(chǎn)或園林養(yǎng)護過程中經(jīng)常遇到各種非生物脅迫,如高溫、弱光、干旱、鹽堿和重金屬等,導致月季生長發(fā)育受限、觀賞價值降低、病蟲害加重、養(yǎng)護成本增加甚至死亡。研究月季非生物脅迫響應機制,對于月季的生長和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論意義和實踐價值。月季為適應逆境環(huán)境,會在分子、細胞、器官、生理生化等水平上做出調(diào)控,通過改變自身形態(tài)和生理生化水平來適應逆境。因此,從不同非生物脅迫(溫度、光照、水分、鹽和重金屬)對月季形態(tài)變化、生理水平及分子水平的影響進行綜述,以期為月季逆境應答機制研究提供參考,也為月季的抗逆育種、生產(chǎn)栽培及園林應用提供理論指導。

1 溫度脅迫對月季生長發(fā)育影響

生長期溫度是月季生長量和觀賞品質(zhì)的重要影響因素之一。月季的適宜生長溫度為日平均氣溫10～25 ℃,當生長溫度低于5 ℃或高于30 ℃,月季就會處于休眠或半休眠狀態(tài),花芽停止分化,也很難生產(chǎn)出枝條長度、花苞大小符合要求的高品質(zhì)花枝。溫度的變化會影響月季植株的蒸騰、光合和新陳代謝及幾乎所有的酶促反應。溫度對月季的株高、莖粗、葉數(shù)、花的品質(zhì)和鮮質(zhì)量等都產(chǎn)生一定的作用,進而影響月季的外觀品質(zhì)及其商業(yè)價值。

1.1 高溫脅迫

1.1.1 高溫脅迫下月季形態(tài)及生理生化適應性變化 在形態(tài)方面,一定溫度范圍內(nèi),溫度越高,月季切花產(chǎn)量越高,其腋芽萌發(fā)和花芽形成越快,盲枝數(shù)量越少,開花周期顯著縮短。但當溫度高于月季的適宜生長溫度,就會產(chǎn)生高溫脅迫,月季的花莖、花枝長度、瓶插壽命等會降低。高溫脅迫會引起月季葉片損傷、焦灼、葉面積和干質(zhì)量比例減少,發(fā)黃發(fā)皺,甚至萎蔫枯死[3]。此外,高溫脅迫影響月季植株的長勢,使植株發(fā)育不良、開花時間變短、殘花期變長、花色變淺、花梗增長、花蕾變短和花型不規(guī)范等。高溫脅迫還常伴隨干旱、病蟲害的發(fā)生及彎梗和變?nèi)~病等花朵畸形現(xiàn)象的出現(xiàn)[4]。

在生理生化方面,高溫脅迫下,月季葉片含水量下降,其電化學阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)隨脅迫時間延長或脅迫程度增加呈先減小后增加的趨勢,EIS中弧的大小先增大后減小,胞外電阻率上升,胞內(nèi)電阻率與胞外電阻率變化趨勢相反呈下降趨勢,弛豫時間先下降后上升[5]。短時間高溫脅迫會增強月季植株的水分蒸發(fā)能力,防止葉片溫度過高引起的傷害,但隨著脅迫的加劇,蒸騰速率(Tr)開始下降并維持在較低的水平,從而避免失水過多造成月季植株萎蔫[6]。高溫脅迫會抑制月季的光合作用,使葉綠體結(jié)構(gòu)受到損傷,葉綠體活力、葉綠素含量(Chl)、光能利用率(LUE)及最大熒光(Fm)、光化學猝滅系數(shù)(qP)、表觀電子傳遞速率(ETR)、光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)指標均顯著降低,氣孔導度(Gs)、葉片凈光合速率(Pn)、初始熒光(Fo)指標則呈上升趨勢[7]。此外,受高溫脅迫的影響,月季相對電導率和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量顯著增加,其細胞膜受到破壞,導致不可逆的傷害甚至死亡。為抵御高溫脅迫帶來的傷害,植物會積累有機物或無機物來提高其吸水或保水能力,降低細胞滲透勢并維持細胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[6]。張方靜等[7]研究發(fā)現(xiàn),隨高溫脅迫時間的延長,脯氨酸含量先上升后逐漸下降,可溶性糖含量先上升后下降,可溶性蛋白含量則先下降后緩慢上升。這說明不同滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會在不同時間開啟對植株的保護機制。高溫脅迫下月季的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性、過氧化物酶(peroxidase,POD)活性也有所下降。也有研究表明,SOD活性會隨高溫脅迫時間的延長而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢[8]。這是因為高溫脅迫的前期抗氧化系統(tǒng)開啟,相關(guān)生理響應活躍,而后期酶活性則隨著高溫脅迫的加劇降低。在月季葉片上噴施適宜濃度的水楊酸和CaCl2均可有效緩解高溫脅迫[9-10]。WANG等[11]發(fā)現(xiàn),在月季品種‘卡羅拉’葉面上噴施適宜濃度的水楊酸、6-芐氨基嘌呤(6-BA)或脫落酸(abscisic acid,ABA),可以增強其高溫脅迫下的光合作用,顯著提高其抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,從而維持細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,緩解高溫傷害。

不同月季品種的耐熱性存在顯著差異。在高溫脅迫下,耐熱性越強的月季品種的Chl、LUE指標越高,葉片凈光合速率相對變化率和蒸騰速率變化越小。月季中耐熱品種的可溶性蛋白含量、脯氨酸含量均高于不耐熱品種,且脯氨酸的積累與月季的耐熱性呈正相關(guān)[12-13],而耐熱品種抗氧化酶活性下降幅度比不耐熱品種小。此外,葉片厚度和氣孔密度也會提高月季的耐熱性[14]。因此,上述指標可被用來判斷月季品種的耐熱性,并體現(xiàn)其在溫度適應性上的變化。

1.1.2 高溫脅迫下月季響應分子水平變化 在高溫脅迫下,植物啟動多條相互聯(lián)系的信號轉(zhuǎn)導途徑來適應環(huán)境。轉(zhuǎn)錄因子是植物高溫響應過程中的主要調(diào)控因子[15]。植物主要通過熱激轉(zhuǎn)錄因子(heat shock transcription factors,HSFs)和熱激蛋白(heat shock proteins,HSPs)介導的高溫應答網(wǎng)絡(luò)來適應高溫脅迫[16]。高溫容易引起蛋白質(zhì)變性,由此產(chǎn)生的錯誤折疊蛋白被某些HSPs感知。在正常溫度條件下,植物中HSPs結(jié)合并阻止HSFs激活HSPs的表達,但在高溫條件下,錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累和結(jié)合釋放HSF激活熱應激響應,HSP和HSF快速清除變性蛋白,防止其過度累積造成細胞壞死[17]。研究發(fā)現(xiàn),除了HSF轉(zhuǎn)錄因子外,WRKY、MYB、NAC及ERF等轉(zhuǎn)錄因子也參與高溫脅迫應答過程[18-19]。

對于月季而言,關(guān)于其高溫響應相關(guān)基因及其分子調(diào)控機制的研究較為有限。ZHANG等[20]從月季中分離出首個熱激蛋白RcHSP17.8,其基因可被高溫、鹽、干旱等脅迫快速強烈誘導,并鎖定了啟動子中響應高溫脅迫的重要區(qū)域。JIANG等[21]從熱敏感和耐熱的月季中篩選出另一個熱激蛋白RcHSP70,將其在煙草中異源表達表現(xiàn)出較強的耐熱能力。除此之外,XU等[22]發(fā)現(xiàn),月季真核翻譯起始因子RceIF5A基因響應高溫、氧化和滲透脅迫。ZHANG等[23]從月季中分離出由高溫誘導的胚胎發(fā)育后期豐富蛋白RcLEA,證明其可能參與多種非生物脅迫中。LI等[24]對月季‘月月紅’進行高溫脅迫處理并在不同時間點采集葉片組織進行轉(zhuǎn)錄組測序,發(fā)現(xiàn)MYB、AP2/ERF、WRKY、NAC及HSF類轉(zhuǎn)錄因子在熱脅迫過程中表達量發(fā)生了顯著性變化,同時bHLH、AP2/DREB、C2H2、GRAS、ARF等類型轉(zhuǎn)錄因子也在高溫處理后顯著性上調(diào)或下調(diào)表達。上述研究表明,月季通過多個途徑參與高溫脅迫應答,但目前月季高溫響應相關(guān)基因研究相對較少,仍需進一步挖掘和驗證。

1.2 低溫脅迫

1.2.1 低溫脅迫下月季形態(tài)及生理生化適應性變化 低溫影響植物生長發(fā)育、花芽分化及形成。降低溫度能刺激植物腋芽和基部枝的萌發(fā)和生長,但容易引起花芽的敗育,延緩花枝的發(fā)育速度,減少高品質(zhì)花枝的數(shù)量[25]。對于月季,低溫脅迫會抑制芽的萌發(fā)、影響花枝的生長速率和花朵品質(zhì)。當溫度低至12 ℃或日平均氣溫低于15 ℃時,月季會出現(xiàn)花瓣分化過多、短小而寬、向花心彎曲現(xiàn)象,嚴重時花朵中心變平及2心、3心等,形成“平頭花”或花瓣顏色變黑。低溫還會引起月季“盲花”現(xiàn)象,表現(xiàn)為枝條不能完成花的發(fā)育過程[26]。

在低溫脅迫下,隨著溫度降低,月季中抗寒性較弱品種的葉片Chl呈下降趨勢,而抗寒性較強的品種則具有一定的保護功能,Chl呈先上升后下降的趨勢?？扇苄缘鞍缀砍尸F(xiàn)逐漸遞增的趨勢,可溶性糖含量則先增加后降低。MDA含量在不同月季品種中表現(xiàn)出不同趨勢。抗寒性強品種中MDA的變化呈倒“S”型[27],這是因為低溫使細胞膜脂過氧化作用增強,MDA含量增加,然后隨著脅迫加劇,其細胞內(nèi)較強的活性氧清除能力又會使MDA含量降低,最終達到相對較低的水平。而抗寒性較弱品種由于喪失了活性氧清除能力,隨著低溫脅迫的加劇MDA含量持續(xù)增加[28-29]。低溫脅迫過程中,在月季方面抗寒性較弱品種過氧化氫酶(catalase,CAT)活性一直處于下降趨勢,而抗寒性較強品種CAT活性都先小幅上升而后下降[30]。低溫損壞了月季植株內(nèi)的細胞,影響酶的合成,降低了POD的活性[31]。在低溫脅迫環(huán)境中,月季葉片相對電導率含量明顯增加,游離脯氨酸含量也有所增加[32]。這是月季為適應逆境提高細胞保水能力所致。

1.2.2 低溫脅迫下月季響應分子水平變化 當植物遭受低溫脅迫時,ICEs-CBF/DREB1s-CORs轉(zhuǎn)錄級聯(lián)反應在感知上游低溫信號和調(diào)控下游基因的表達中發(fā)揮重要作用。根據(jù)CBF是否參與轉(zhuǎn)錄,低溫響應可分為CBF/DREB1依賴型和非CBF/DREB1依賴型途徑。目前,CBF/DREB1依賴型的低溫響應信號途徑的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控及翻譯后修飾方面研究較為透徹,然而其他不依賴于CBF/DREB1的低溫響應信號途徑尚缺乏深入研究[33]。在月季方面,翟俊峰等[34]從月季‘寒錦4號’中分離發(fā)現(xiàn)RhCBF基因,該基因可能在月季耐寒和耐鹽中起調(diào)控作用。DOS等[35]分析月季低溫脅迫下不同時間點的花芽轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)134個基因上調(diào)表達,169個基因下調(diào)表達,其中共有8個基因在處理后不同時間點均顯著性上調(diào)表達,1個基因在處理后不同時間點均顯著性下調(diào)表達。DOS等[35]還發(fā)現(xiàn),月季葉片中AP2/ERF類基因比在花芽中更迅速被低溫誘導,這表明AP2/ERF類基因與月季低溫響應密切相關(guān),且月季營養(yǎng)組織相較于花器官能更早適應低溫脅迫。目前,關(guān)于月季低溫響應的相關(guān)研究更多集中在種質(zhì)資源耐寒性評價和生理生化適應性變化等,而低溫應答相關(guān)基因的挖掘及其功能分析和調(diào)控機制仍有待進一步深入。

2 光照脅迫對月季生長發(fā)育影響

月季為日中性植物,在光強滿足的條件下,其開花時間對光周期相對不敏感。當光照條件不足時,月季生長不良,花色變淡、花量減少且花型較小[36]。在一定范圍內(nèi)光照越強,月季的光合速率越大,但是光照過強也會燒傷花瓣,影響切花品質(zhì)。光照過多或過少都會形成光照脅迫并對月季產(chǎn)生不良的影響。

2.1 強光脅迫

2.1.1 強光脅迫下月季形態(tài)及生理生化適應性變化 當光照過強時,月季植株溫度升高,花瓣和葉片中的水分蒸發(fā)和流失率上升,Chl和花青素含量下降,進而引起葉片焦黃、花瓣褪色、花瓣數(shù)量減少、花朵畸形率增加、觀賞品質(zhì)下降等[37]。PSⅡ在強光脅迫下產(chǎn)生光抑制,形成光合“午睡”現(xiàn)象,光合速率降低,抑制月季正常生長[38]。藍光會引起月季光合速率下降,氣孔導度、胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)上升,而Chl顯著下降,Chla/b上升[39]。

2.1.2 強光脅迫下月季響應分子水平變化 強光脅迫會導致植物光抑制和體內(nèi)ROS產(chǎn)生,進而對植物造成傷害。月季通過調(diào)節(jié)激素、光合作用和苯丙氨酸途徑對強光做出反應,并且強光響應需要ABA和PIFs轉(zhuǎn)錄因子的參與[40]。藍光/UV-A光感受器CRY1和UVR8對強光敏感,CRY1以一種不依賴葉綠體的方式參與其中,特別是CRY1的激活與ROS的形成相關(guān),能夠誘導細胞死亡[41]。此外,CRY1還通過COP1/SPA1/HY5依賴的方式誘導PAP1/PAP2的表達,促使月季產(chǎn)生花青素[42]。在過度光照處理之前,月季在藍色/UV-A光下的生長表明,CRYs通過促進葉片中可溶性酚類化合物的積累,改善對強光脅迫的響應,提高光合效率[43]。UV-A和UVR8受體也顯示了類黃酮積累的類似作用[44]。因此,下一步應以不同光感受器為研究對象,探究月季中相關(guān)化合物的積累在緩解強光脅迫的具體作用。

2.2 弱光脅迫

2.2.1 弱光脅迫下月季形態(tài)及生理生化適應性變化 當光照不足時,月季的開花時間延后,花產(chǎn)量減少,光合作用下降,莖長變短,花枝畸形[45]。在弱光脅迫下,同化產(chǎn)物供應不足,月季花枝敗育率增大?；ㄑ堪l(fā)育早期,高強度光照時間越短,越易發(fā)生花芽敗育。隨著弱光脅迫程度增加,月季的葉片厚度、花徑大小和成花率均呈降低趨勢,弱光處理還導致根部非結(jié)構(gòu)性碳水化合物下降,抑制了月季的生長量和生活率[46]。弱光脅迫會引起月季中紅色品種花瓣變藍,黃色品種黃色減少,變色品種紅色斑紋消失,這是因為弱光抑制花青素的合成,pH值上升,胡蘿卜素含量減少;同時弱光脅迫還會導致粉色、紅色、橙色品種花瓣黑化,特別是在不適宜的溫度條件下,這種黑化現(xiàn)象更為嚴重[47]。月季腋芽的萌發(fā)與光照度及紅光/遠紅光(R/FR)的值有關(guān),R/FR值較低會抑制腋芽的萌發(fā)。葉幕中的腋芽通常不萌發(fā),這是葉片吸收了部分透過的紅光和R/FR值下降造成的。外施6-芐基腺嘌呤后會減緩弱光脅迫對月季植株的影響[48]。

弱光脅迫會改善月季葉片中的水分狀況,但光合速率并未因此提升,使月季葉片中Chl和氣孔限制值(Ls)上升,Pn、Tr、Gs和Ci降低[49]。研究顯示,在遮陰條件下,月季的光飽和點和光補償點、暗呼吸速率下降,表現(xiàn)出其對光照降低的生理適應機制;月季在弱光脅迫下葉片PSⅡ受到了明顯傷害,其中光合作用原初反應過程受到抑制,光合電子傳遞受到影響[50]。弱光脅迫下細胞分裂素含量顯著上升,而乙烯含量顯著下降。隨著光照度減弱,切花月季母枝最上部側(cè)枝中的赤霉素類物質(zhì)的活性隨之降低,在下部側(cè)枝中的活性降低更加明顯,這些側(cè)枝更易發(fā)生敗育現(xiàn)象。光照不足,特別是在溫室條件下,紫外線含量少,月季體內(nèi)生長素含量增加,只利于莖的伸長而不利于開花[51]。這說明光照條件引起月季體內(nèi)激素含量的變化,二者共同協(xié)作,從而改變月季生長發(fā)育進程。

2.2.2 弱光脅迫下月季響應分子水平變化 植物演化出一系列避免遮陰的策略,如下胚軸、莖和葉柄的伸長。然而過度的莖伸長對植物生長是不利的,因此,植物也同時進化出多種反饋調(diào)節(jié)機制以減弱避陰反應[52]。研究發(fā)現(xiàn),遠紅光受體光敏色素A(phyA)通過促進生物鐘核心組分的表達,抑制PIF4和PIF5的活性來共同限制植物在低R/FR條件下的避陰反應[53]。這暗示光信號與生物鐘在脅迫條件下共同調(diào)控植物發(fā)育。紅光受體光敏色素B(phyB)的失活可以激活bHLH轉(zhuǎn)錄因子PIFs(phytochrome interacting factors),并特異性介導植物的避陰反應。

研究發(fā)現(xiàn),弱光下生長的月季比強光下生長的月季開花時間延遲14 d以上,株高和節(jié)間明顯降低[45]。在弱光條件下,月季中RcPIF1、RcPIF3、RcPIF4在蛋白水平和轉(zhuǎn)錄水平都出現(xiàn)明顯的積累,隨即發(fā)現(xiàn)RcPIFs基因調(diào)控月季花期和株高的發(fā)育[45]。這與擬南芥中的PIFs類基因功能相似。另外,RcPIFs蛋白之間可以相互作用,并且同時與RcCO蛋白互作形成多元復合體,而光照強度通過改變該復合體的穩(wěn)定性調(diào)控RcFT基因的轉(zhuǎn)錄水平和開花[45]。在模式植物中,對避陰反應的分子機制已進行了大量的研究,但是在月季中的研究仍然有限。光照不足是月季切花生產(chǎn)中面臨的常見問題之一,補光能明顯增加月季商品花枝的產(chǎn)量、減少盲枝形成[54-55],但是人工補光成本約占生產(chǎn)成本的10%～30%,制約中國月季產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效[56]。因此,研究月季的光響應規(guī)律,挖掘光響應重要基因,可以為實現(xiàn)月季的精準補光和提高月季的光資源利用效率提供依據(jù)。

3 水分脅迫對月季生長發(fā)育影響

土壤水分是植物生長發(fā)育所必需的重要因素之一[57]。月季較為喜水,但又忌澇,設(shè)施生產(chǎn)時灌溉過多或者澆水不足都會對月季的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生嚴重的影響。另外,隨著氣候和季節(jié)性降雨的影響,干旱和淹水脅迫頻繁發(fā)生,導致露地栽培的月季生長減緩乃至死亡[58]。

3.1 干旱脅迫

3.1.1 干旱脅迫下月季形態(tài)及生理生化適應性變化 月季在失水條件下,枝條長度變短,鮮質(zhì)量變輕,并且新枝的數(shù)量減小。嚴重的失水會降低月季花朵的質(zhì)量,花瓣變短、花朵畸形,甚至花芽敗育[59-60]。干旱脅迫通過影響葉片光合作用和呼吸作用,使植物的生長受到抑制。在干旱環(huán)境中,月季植物的光合速率受到氣孔限制因素和非氣孔限制因素的影響[61]。隨著干旱脅迫的加重,Chl、Pn、Tr和Gs均呈逐漸降低趨勢,月季植株中的水分利用率(WUE)先升高后降低,而Ci則呈先降后升趨勢。干旱脅迫下,月季葉綠素熒光參數(shù)Fo升高,Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/Fo降低,Ci、非光化學淬滅系數(shù)(qN)和調(diào)節(jié)性能量耗散Y(Y(NPQ))上升,月季的Pn和Tr均表現(xiàn)為“雙峰”形[37,61]。干旱脅迫在一定程度上提高了月季體內(nèi)的抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。隨著干旱程度的增加,花青苷含量、SOD活性呈現(xiàn)下降后上升的趨勢,植物體內(nèi)的活性氧代謝失活,CAT活性出現(xiàn)了無規(guī)律變化[62]。因此,月季通過產(chǎn)生大量的抗氧化酶,來適應干旱脅迫。

3.1.2 干旱脅迫下月季響應分子水平變化 在干旱脅迫下,植物脅迫響應基因受多種信號的調(diào)節(jié),脅迫信號通過不同的轉(zhuǎn)導途徑在植物體內(nèi)傳遞[63]。響應干旱脅迫誘導的基因主要分為調(diào)控性基因、信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因和功能性基因。其中,調(diào)控性基因,主要包括轉(zhuǎn)錄因子類基因,如AREB/ABFs、DREB、MYB、WRKY、NAC及bZIP等;信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因如鈣調(diào)蛋白基因、CDPK、MAPK基因等;功能性基因主要包括抗氧化酶基因、滲透調(diào)節(jié)因子合成酶基因、胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白基因(LEA)、水通道蛋白基因(AQP)、熱激蛋白基因(HSP)等[64-65]。上述基因通過復雜的網(wǎng)絡(luò)共同參與植物干旱脅迫響應,以保證干旱條件下植物的正常生長發(fā)育。

在月季干旱脅迫研究中,ZHANG等[66]發(fā)現(xiàn),月季水通道蛋白RhPIP2;1與膜系MYB蛋白RhPTM的相互作用,在平衡月季的生長和抗逆方面十分重要。LI等[67]發(fā)現(xiàn),干旱處理后月季中的植物激素、信號轉(zhuǎn)導和光合作用相關(guān)基因發(fā)生顯著性變化,且發(fā)生了可變終止位點的剪切。干旱脅迫處理后月季葉片和根中的ABA和生長素含量發(fā)生了顯著變化,ABA和生長素合成及信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因也發(fā)生了顯著性變化,如ABA合成相關(guān)基因NCEDs和信號轉(zhuǎn)導基因PYR/PYL在月季干旱處理后顯著性上調(diào)表達。JIA等[68]研究發(fā)現(xiàn),月季植株通過離子通道蛋白等信號受體感知外部干旱刺激,并通過Ca2+、ROS和植物激素信號轉(zhuǎn)導進行傳遞,且信號轉(zhuǎn)導蛋白激酶和蛋白磷酸酶通過激活轉(zhuǎn)錄因子觸發(fā)下游干旱響應基因的轉(zhuǎn)錄,從而調(diào)節(jié)細胞的穩(wěn)態(tài);該研究還分析了響應月季干旱的核心轉(zhuǎn)錄因子包括WRKY、MYB、NAC、ERF、ARF和bHLH等。此外,在月季失水脅迫研究中發(fā)現(xiàn),RhNAC2、RhEXPA4、RhNAC3和RhABF2/RhFer1轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)節(jié)月季花瓣膨脹期間的脫水耐受性,其中RhNAC3轉(zhuǎn)錄因子可以通過正向調(diào)控滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達和介導ABA信號傳導來增強月季花瓣的脫水耐受性,RhABF2/RhFer1轉(zhuǎn)因子則在失水條件下通過局部螯合游離鐵離子來增強植物的脫水耐受力[69-71]。上述研究為進一步研究月季干旱調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。

3.2 水澇脅迫

3.2.1 水澇脅迫下月季形態(tài)及生理生化的適應性變化 土壤(基質(zhì))中水分過多、排水不良或積水,都會使月季根系通氣不良、供氧不足,進而影響根系養(yǎng)分吸收,導致月季明顯萎蔫、葉片脫落,甚至植株死亡。水澇脅迫顯著降低了月季的根、莖、葉生物量與總生物量,而葉片中的可溶性糖含量增加[72]。在水澇脅迫條件下,月季植株內(nèi)的MDA含量增加,而耐澇性較好的品種的MDA含量的增加會有不同程度的回落;逆境下月季中SOD活性降低,且隨著脅迫程度加大,對SOD活性抑制作用越強,進而使脯氨酸氧化受阻;同時因為谷氨酸合成脯氨酸的速率增加,月季葉片游離脯氨酸累積;耐澇品種脯氨酸含量高于不耐澇品種,因此水澇脅迫后耐澇品種脯氨酸上升幅度較大[73-74]。

3.2.2 水澇脅迫下月季響應分子水平變化 水澇脅迫下植物通過調(diào)節(jié)其形態(tài)結(jié)構(gòu)、能量代謝、光合作用、呼吸作用和內(nèi)源激素等變化來響應脅迫,涉及植物激素合成及信號轉(zhuǎn)導、基因表達和酶活性的變化等[75]。在水澇脅迫下,乙烯、脫落酸和赤霉素含量增加,細胞分裂素和生長素含量降低[76-78];糖酵解途徑或與糖代謝相關(guān)的基因,如丙酮酸脫羧酶基因(pyruvate decarboxylase,PDC)、乙醇脫氫酶基因(alcohol dehydrogenase,ADH)等在水澇脅迫下顯著性上調(diào)表達,而參與PSⅡ光捕獲復合物的轉(zhuǎn)化酶或編碼葉綠素a/b結(jié)合蛋白的基因表達下調(diào)[79]。許多脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子在水澇脅迫下表達水平也存在差異,如水澇脅迫下,ERFs和WRKYs轉(zhuǎn)錄因子表達上調(diào),而單鋅指 DNA 結(jié)合蛋白(DNA-binding with one finger,Dof)類轉(zhuǎn)錄因子表達下調(diào)[80]。下一步應在水澇脅迫對月季生理生態(tài)影響的研究基礎(chǔ)上,進一步對月季水澇脅迫響應相關(guān)調(diào)控基因和功能基因進行挖掘。

4 鹽脅迫對月季生長發(fā)育影響

月季主要在溫室內(nèi)栽培,但由于灌水頻率高、蒸騰量大、化肥使用等問題使土壤中殘存大量鹽分,含鹽量不斷增加,對月季產(chǎn)生鹽脅迫,影響代謝過程和光合效率[81]。

4.1 鹽脅迫下月季形態(tài)及生理生化適應性變化

鹽脅迫會抑制月季生長,導致植株矮化、存活率降低[82],葉片發(fā)黃、焦邊、干枯甚至脫落,根系變黑、根活力下降,花量減少、花朵變小、觀賞品質(zhì)嚴重降低。隨著鹽脅迫程度增加,月季葉片含水量顯著下降,根系含水量呈先下降后上升的趨勢。當土壤中鹽堿含量超過月季的耐受程度時,月季的光合作用受到顯著抑制,表現(xiàn)為呼吸作用、光合速率降低;Tr、Gs、Fv/Fm、qP等顯著下降,而Ci、qN和Y(NPQ)上升;葉片中葉綠素含量下降,其中下降趨勢最明顯的是葉綠素a,而葉綠素b含量在不同的月季品種間呈現(xiàn)出不同的變化[83]。鹽脅迫在一定程度上提高月季體內(nèi)的抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,但隨著鹽脅迫的增加,酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化趨勢則各不相同。為了維持細胞穩(wěn)態(tài)的能力,Na+含量顯著增加,且根部Na+含量都遠高于葉片;同時,葉片中K+含量呈現(xiàn)整體上升趨勢,而根部中K+含量隨著鹽脅迫時間的延長呈下降趨勢;脯氨酸含量隨著脅迫的加劇呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢[84-85]。

不同月季品種在鹽脅迫下表現(xiàn)出的耐鹽性不同。根據(jù)耐受鹽分極限程度,可將月季分為3類:致死質(zhì)量分數(shù)≥0.5%為高抗類;致死質(zhì)量分數(shù)在0.3%～0.4%為中抗類;致死質(zhì)量分數(shù)≤0.2%為低抗類。研究結(jié)果顯示,氯化鈉濃度為0.6 mol·L-1時,各月季品種的受害速率適中,鹽害指數(shù)差異大且相對穩(wěn)定,可作為篩選月季耐鹽品種的最佳質(zhì)量濃度[86]。適宜濃度的外源褪黑素處理可顯著降低鹽脅迫下月季葉片的相對電導率和MDA濃度,同時顯著提高可溶性蛋白質(zhì)、抗壞血酸和脯氨酸的質(zhì)量分數(shù),以及SOD、POD和CAT的活性,從而抑制活性氧的積累,防止膜脂過氧化,提高耐鹽性[87]。外施水楊酸和茉莉酸甲酯提高了月季葉片中葉綠素含量及葉片和根系中脯氨酸含量,使MDA含量降低,且茉莉酸甲酯的緩解效果優(yōu)于水楊酸[88]。鹽脅迫下外源噴施獨腳金內(nèi)酯(rac-GR24),可減輕葉片受害程度,降低葉片中葉綠素的損耗速率及相對電導率,緩解鹽脅迫對月季的傷害[89]。

4.2 鹽脅迫下月季響應分子水平變化

植物對鹽脅迫的感知,是通過鹽超敏感(salt overly sensitive,SOS)信號轉(zhuǎn)導途徑、ROS信號途徑、ABA信號途徑等響應并適應鹽脅迫[90-91]。植物主要通過Ca2+依賴的SOS通路來響應鹽脅迫,該通路負責Na+在細胞內(nèi)的外排,對于植物Na+/K+穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)至關(guān)重要[19]。鹽脅迫的誘導通過Ca2+信號使植物體內(nèi)產(chǎn)生ROS,在ROS濃度較低時可以作為一種信號激活鹽脅迫的響應,ROS引起細胞內(nèi)高氧化狀態(tài)從而改變一些轉(zhuǎn)錄因子的表達活性,調(diào)控響應脅迫基因的表達。鹽脅迫可以通過誘導酶清除劑或者無酶清除劑來降低ROS含量[92]。此外,鹽脅迫會通過Ca2+信號和ROS信號增加植物細胞中ABA的合成,進而激活ABA信號通路相關(guān)基因的表達從而調(diào)控氣孔的開閉在生理上響應鹽脅迫[79]。部分AP2/ERF、MYB、WRKY和NAC等轉(zhuǎn)錄因子的表達水平受鹽堿脅迫的誘導,通過調(diào)控ROS途徑、SOS途徑或者ABA信號途徑等,在響應鹽堿脅迫中發(fā)揮重要作用[93-94]。

在月季中,TIAN等[95]對鹽脅處理后的月季耐鹽品種‘Tineke’和鹽敏感品種‘Hiogi’進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),2個品種之間的耐鹽強弱主要是植物激素信號轉(zhuǎn)導和谷胱甘肽代謝2條途徑中基因表達差異引起的,其中,ABA信號通路是月季參與鹽脅迫響應的主要途徑。TIAN等[95]還發(fā)現(xiàn),在‘Tineke’中,基因SnRK2、ABF、HSP、GSTs和GSH1在鹽脅迫下表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)錄水平,這些基因被認為是耐鹽的標志基因。JIANG等[96]從月季中分離出RhMYB96基因,該基因可以顯著增強轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽能力,推斷其通過調(diào)控ABA途徑調(diào)節(jié)植物的耐鹽性。包穎等[97]從月季‘月月粉’中分離出響應鹽處理的R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子RcMYB102,并推測可能與水楊酸和茉莉酸信號轉(zhuǎn)導途徑相關(guān)并在月季響應鹽脅迫中起一定作用。SU等[98]鑒定了月季中新的受鹽脅迫誘導的basic helix-loop-helix家族轉(zhuǎn)錄因子Ⅺ亞族成員RcbHLH59,并首次揭示了月季中新的適應高鹽脅迫的調(diào)控路徑,即RcbHLH59通過調(diào)控RcPR4和RcPR5基因的表達,調(diào)節(jié)胼胝質(zhì)的累積,進而促進Na+/K+平衡獲得耐鹽性。而在月季近緣種玫瑰中,相繼分離出鹽脅迫響應相關(guān)基因RrNHX1、RrVHA-c及RrLBDs,但這些基因功能還有待進一步驗證[99]。目前,對月季耐鹽性的研究仍主要集中在形態(tài)和生理水平上,而在分子水平上對月季耐鹽分子機制的解析和耐鹽基因的挖掘仍待深入。上述研究表明,一些轉(zhuǎn)錄因子在響應鹽脅迫的信號轉(zhuǎn)導過程中充當脅迫信號和相關(guān)基因之間的橋梁,通過接收上游信號并調(diào)控下游抗性相關(guān)基因的表達來調(diào)控月季的耐鹽性。此外,相關(guān)研究可以對從月季近緣種入手并進行對比,以獲得新的方向。

5 重金屬脅迫對月季生長發(fā)育影響

當重金屬含量超過植物的承受范圍時就會對植物產(chǎn)生毒性,抑制或破壞植物酶系統(tǒng),誘導植物產(chǎn)生毒性癥狀,抑制植物生長發(fā)育,嚴重時會造成植物死亡[100]。研究發(fā)現(xiàn),月季對多種重金屬元素具有富集能力,如彩虹月季對鎘(Cd)、鉛(Pb)表現(xiàn)出一定的抗逆性,可以用作園林綠化和修復[101]。

5.1 重金屬脅迫下月季形態(tài)及生理生化適應性變化

重金屬中鎘(Cd)、鉛(Pb)毒性強,危害大,在環(huán)境污染的理論研究和治理實踐中備受關(guān)注。月季在重金屬脅迫方面研究也主要集中在Cd、Pb脅迫[102]。栽培基質(zhì)中不同濃度的Cd、Pb對月季生長發(fā)育起到不同程度的抑制作用。當出現(xiàn)Cd、Pb脅迫時,月季葉片黃化、葉面積減小、植株矮化、根的形成受到抑制。因此,月季植株生長的抑制程度與Cd、Pb脅迫程度呈正相關(guān)。

低濃度的Cd、Pb脅迫在一定程度上會使葉片中SOD的活性上升,而在高濃度脅迫中則顯著降低。MDA含量會隨著Cd、Pb脅迫程度的增加而增加。雖然抗氧化酶活性在脅迫條件下有一定程度增加,但是植株的細胞膜仍會受到傷害。月季的根系活力在低濃度Cd、Pb脅迫中有一定程度上升,但隨脅迫濃度增加,根系活力也顯著下降。葉片中的脯氨酸含量隨著Cd、Pb脅迫程度明顯增加。此外,Cd、Pb脅迫通過氣孔限制和非氣孔限制2種因素,抑制月季葉片光合作用,且處理濃度越高抑制作用則越明顯。月季‘大游行’‘奧賽娜’‘第一夫人’在脅迫條件下Pn、Gs和Ci值同時下降,這是由氣孔因素引起光合速率降低;而月季‘伊麗莎白女王’‘維西利亞’‘彩虹’的Pn值在脅迫條件下降低,而Ci值則在一定程度上提高,這是非氣孔因素即細胞光合特性下降引起的光合速率降低所致[103]。光合速率影響了月季的生長、產(chǎn)量和觀賞品質(zhì)。月季的莖、葉對Cd具有一定的富集能力,莖、葉、花對Cd具有一定的轉(zhuǎn)運能力;月季的莖、葉對Pb都具有一定的轉(zhuǎn)運能力。根據(jù)Cd、Pb的富集、轉(zhuǎn)運能力、脅迫適應性和萃取情況,月季可作為堿性耕地土壤Cd、Pb復合污染的修復植物推廣應用。不同月季品種對重金屬Cd、Pb的脅迫適應性有顯著的差異。月季‘維西利亞’和‘彩虹’對Cd脅迫的反應比較穩(wěn)定,‘歌林嬌紅’(‘Colin Kelly’)對Pb脅迫環(huán)境的適應性較強,而‘歌林嬌紅’(‘Colin Kelly’)和‘御用馬車’(‘Parkdirektor Riggers’)則對Cd、Pb復合脅迫環(huán)境的適應能力均較強[103]。選育優(yōu)良的重金屬污染修復月季品種并解析植株耐受和富集重金屬的潛在機制,對于通過觀賞植物修復土地重金屬污染問題具有重要意義。不同品種的月季對重金屬的富集與轉(zhuǎn)運及其生理響應有待于進一步研究。

5.2 重金屬脅迫下月季響應分子水平變化

植物是重金屬進入食物鏈主要途徑[104]。植物一方面阻止根部吸收重金屬或者減少重金屬向地上部的運輸,另一方面不斷調(diào)整生長狀態(tài)以維持各種生理生化過程的正常運行來提高對重金屬的耐受性[105]。植物通過將重金屬滯留在細胞壁間或代謝活性較低的液泡內(nèi)以緩解重金屬對原生質(zhì)的毒害作用。例如細胞壁中的果膠可以積累固定重金屬,防止其進入原生質(zhì);當重金屬進入原生質(zhì)后,植物螯合肽通過與重金屬發(fā)生螯合作用,將重金屬變?yōu)闊o毒的螯合物,然后轉(zhuǎn)運蛋白通過將重金屬螯合物轉(zhuǎn)運至代謝活性較低的液泡內(nèi)或者將重金屬排出,緩解重金屬對原生質(zhì)的毒害作用[106]。擬南芥ATP-binding cassette transporters (ABCC1和ABCC2)可以將重金屬螯合物Cd-PCs和As-PCs轉(zhuǎn)運到液泡內(nèi),在重金屬Cd和砷的解毒過程中發(fā)揮著重要的作用[107]。對于月季而言,當重金屬毒害發(fā)生之后,月季啟動抗氧化系統(tǒng),如上調(diào)抗氧化酶類基因的表達水平來提高抗氧化酶活性,加速ROS的清除,以緩解ROS對細胞造成不可逆的傷害。由于重金屬脅迫能夠以滲透脅迫的形式傳遞到細胞受體,因此,月季通過各種信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)引起胞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)反應的響應,誘導抗逆相關(guān)調(diào)控基因和功能基因的表達,加速激素、酶、次生代謝物等的合成,減輕重金屬脅迫的危害[108]。但是,目前尚未對月季各信號傳導系統(tǒng)在重金屬脅迫響應中的機制進行具體分析,因此需要深入研究。

6 存在問題與展望

目前,對月季的非生物脅迫研究多集中在脅迫條件下月季形態(tài)變化、生理生化響應、部分抗性基因的挖掘和驗證及月季抗逆性評價和育種工作,月季非生物脅迫響應相關(guān)的分子調(diào)控機制的研究相對較為滯后。由于環(huán)境因子的復雜性和多變性,植物在面臨環(huán)境脅迫時所產(chǎn)生的影響仍需要更多關(guān)注和深入研究。隨著月季基因組的公布及多組學的快速發(fā)展,將不同組學技術(shù)整合到一起,將分子信息與植物表征變化聯(lián)系到一起,對植物響應非生物脅迫過程中的表型、基因、轉(zhuǎn)錄、蛋白和代謝水平的變化進行全面深入解析,從而更好了解月季應答非生物脅迫的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),也為挖掘月季非生物脅迫響應的關(guān)鍵功能基因提供參考。隨著月季轉(zhuǎn)基因技術(shù)的成熟,利用分子技術(shù)育種為定向創(chuàng)制新優(yōu)月季品種提供技術(shù)支持。此外,傳統(tǒng)雜交育種仍然是現(xiàn)代月季改良的重要手段,收集國內(nèi)外新優(yōu)月季種質(zhì)資源,開展適宜切花和景觀應用的新優(yōu)高抗月季新品系選育工作,既能豐富月季品種以滿足鮮切花市場和園林需求,又能降低栽培和養(yǎng)護管理的成本。綜上,深入研究月季的非生物脅迫應答機制,通過雜交育種或者分子育種提高月季的切花質(zhì)量和觀賞品質(zhì)、降低月季維護成本和擴大月季應用范圍,具有重要的理論和實踐意義。