苦蕎對干旱脅迫的應答及外源物質的緩減效應研究

閆旭宇，曹 艷，程艷榮，李 娟，吳 香，李 玲

（1.延安大學 生命科學學院；2.陜西省紅棗重點實驗室，陜西 延安 716000）

苦蕎（Fagopyrumtataricum（L.）Gaertn.），屬廖科蕎麥屬的雙子葉植物，是一類假谷類自花授粉作物?？嗍w原產于中國西南地區高寒地帶，以及亞洲、歐洲、美洲等地區，現在中國西北、華北、東北等地均有種植［1］?？嗍w主要種植于我國干旱半干旱地區，是這一帶主要的糧食作物和經濟作物?？嗍w的種植周期短，一般60～90 d 就可成熟，具有藥食兩用價值。研究表明，苦蕎含有淀粉、蛋白質、氨基酸、脂肪、維生素、膳食纖維、礦物質等營養成分，以及富含蘆丁、黃酮醇、查爾酮等黃酮類化合物和酚類、多肽類、甾體類等活性成分，其抗氧化和降糖活性良好，具有降血糖、血脂、血壓，還有抗腫瘤、抗衰老、改善記憶力等功能［2-4］。

苦蕎的生育周期短，產量不高，所以我國苦蕎大部分依賴于進口。2021 年我國苦蕎的出口量為0.74萬t，進口量為2.70萬t，進口量是出口量的三倍多［5］。這可能是由于苦蕎的根系比較弱，生長于干旱的土壤中產量較低，且苦蕎籽粒較甜蕎小，不易處理，以及人們對苦蕎的功效還沒有完全認識等。蕎麥的種植容易受干旱等自然災害的脅迫，因此研究苦蕎對干旱脅迫的應答反應對于篩選抗旱性的苦蕎品種具有重要意義，同時研究外源物質對苦蕎干旱的緩減效應，可以為苦蕎的生產和種植發展提供重要的技術支持，能夠帶動干旱地區苦蕎種植的經濟發展。

1 干旱脅迫對苦蕎生長發育的影響

1.1 形態指標

干旱脅迫下苦蕎苗期、花期、成熟期的株高、莖粗、葉面積、莖葉干重、根系平均直徑、最大根長、根系表面積、根系體積、根系干重均降低，苦蕎苗期根系活力下降最為顯著，并且隨著干旱脅迫程度的增大而下降［6-7］。干旱脅迫對苦蕎不同生育期形態指標的影響程度表現為：花期>苗期>成熟期，花期干旱脅迫對莖葉干重的影響最大［7］，并且隨著生育期的推進，苦蕎的最大根長、根體積、根表面積呈現逐漸增加趨勢，根冠比呈現先增后減趨勢［8］。

1.2 生理生化指標

干旱脅迫對苦蕎水分、養分運輸、光合作用、呼吸作用等生理過程均有影響。采用砂培盆栽控水模擬干旱實驗，發現丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）活性、過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性、可溶性糖含量、脯氨酸（Proline，Pro）含量、脫落酸（Abscisic acid，ABA）含量、過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性和抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）活性隨著干旱程度增加呈升高趨勢，其中抗氧化酶活性與植物葉片活性氧（Reactive oxygen species，ROS）含量呈正相關［6-7］。干旱脅迫下，苦蕎葉片的初始熒光產量存在不同程度的增加，苦蕎的葉綠素、生長素（Auxin，IAA）的含量顯著降低，而且初始熒光產量的幅度也隨著脅迫程度的增加而增大，葉綠素、IAA呈現先增加后減少的趨勢［6，9］。

1.3 種子萌發、產量等指標

聚乙二醇（Polyethylene glycol-6000，PEG-6000）是常用的模擬干旱脅迫的物質。利用不同濃度的PEG-6000 模擬干旱脅迫，發現當PEG-6000 濃度為25%時，苦蕎發芽率最低，為3.33%，苦蕎相較于甜蕎耐干旱［10］。研究發現，干旱條件下，苦蕎的單株粒重、百粒重、產量均降低，分別與對照組相比降低了11.07%、10.1%、5.35%，3 個生育期的降幅表現為：花期>苗期>成熟期，因此苦蕎花期時受到干旱脅迫對單株粒重、百粒重、產量的影響最大［7，9］。15% PEG-6000 模擬干旱脅迫下，苦蕎的種子萌發受到抑制，降低了苦蕎的胚芽長、幼苗活力指數，儲藏物質轉運率，而25% PEG-6000 脅迫下苦蕎未發芽［11］。這可能是由于15% PEG-6000對苦蕎萌發的抑制程度比25% PEG-6000的抑制程度輕。干旱脅迫下，通過減少種子萌發所需的水分，且不同的干旱處理損失的水分不一，導致蒸騰失水量少于根系吸水量，而使體內缺少水分，抑制苦蕎的萌發。

2 苦蕎對干旱脅迫的生理機制

2.1 抗氧化物質

植物體內ROS的產生主要通過胞外和胞內兩種途徑，胞外主要通過質膜還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶的產生。植物在干旱脅迫下，氣孔關閉以降低蒸騰作用，氣孔關閉過早會導致CO2濃度降低，光合速率也隨之降低，而這又影響卡爾文循環，減少消耗NADPH 和腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine triphosphate，ATP），導致ROS 過度產生。而胞內ROS 是在線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等不同細胞器內由各種代謝活動產生的［12］。

植物體內存在負責清除ROS 的抗氧化系統。在正常條件下，植物體內ROS 的產生和清除處于動態平衡，而在干旱條件下，苦蕎體內抗氧化系統的清除ROS 的能力下降，平衡被打破?？嗍w內有SOD、CAT、POD、APX 等酶促防御的保護酶系統以及維生素E、維生素C、類胡蘿卜素等非酶類的自由基清除系統。干旱脅迫下，苦蕎中SOD、POD、CAT、APX 等含量升高，植物體內通過抗氧化系統來清除由干旱脅迫下產生的活性氧自由基，以防止膜損傷。

2.2 滲透調節物質

植物在逆境脅迫下會累積滲透調節物質以降低滲透勢來適應環境。滲透調節物質主要有可溶性糖、有機酸和無機鹽離子，其中一部分是植物細胞內合成的有機物質，如Pro、可溶性糖、甜菜堿等，另一部分是由外界進入細胞的無機離子，如K+、Na+、Ca2+、Cl-等［12］。

在干旱條件下，外界離子可以進入苦蕎的細胞中，累積在液泡內，從而降低滲透勢，使細胞可以吸收外界的水分，正常生長。細胞內自身合成的物質，不會影響苦蕎細胞內正常的生化反應，其中Pro是較親和的物質。在干旱脅迫下，苦蕎內Pro 含量會累積，保持原生質體與環境中的水分平衡，阻止失水，同時在復水后，脯氨酸可作為直接利用的氮源。甜菜堿是一類季銨化合物，干旱脅迫下，植物的甜菜堿含量會升高，主要由于甜菜堿醛脫氫酶活性增強，甜菜堿累積，從而抵御干旱脅迫［13］。干旱脅迫下，苦蕎可溶性糖含量增加，主要可能由于淀粉等糖類的分解，以及光合產物形成的過程中，直接轉向相對分子質量低的蔗糖等物質。

2.3 內源激素

植物內源激素包括ABA、IAA、細胞分裂素（Cytokinin，CK）、乙烯（Ethylene，ETH）、赤霉素（Gibberellin，GA）、油菜素內酯（Brassinolide，BRs）等，這些植物內源激素是植物生長發育的重要調節物質，是植物體內的信號分子，對環境改變的響應靈敏，可以響應植物受到的干旱脅迫，激活植物體內的生理生化反應［14］。

研究發現，在不同水分處理濃度下，苦蕎葉片中的IAA、1-氨基環丙烷-1-羧酸（1-Aminocyclo propanecarboxylic Acid，ACC）、玉米素+玉米素核苷（Zeaxanthin+trans-Zeatin-riboside，Z+ZR）和多胺含量呈先增加后降低的趨勢，ABA 含量則呈先降低后增加的趨勢［15］。干旱脅迫下苦蕎葉片IAA 含量顯著降低，與對照組相比降低了27.05%，ABA 含量顯著升高，與對照組相比升高了52.66%；在復水處理后產生補償效應，即IAA 含量升高，ABA 含量降低，彌補干旱對其造成的損傷［16］?？嗍w通過內源激素的變化響應干旱脅迫，進而提高苦蕎的抗旱能力。

3 苦蕎對干旱脅迫的分子機制

3.1 基因表達

查爾酮合酶（Chalcone synthase，CHS）是苯丙烷途徑的限速酶之一，也是生物類黃酮合成途徑中的關鍵酶，其基因表達可調節植物的組織發育和非生物脅迫。研究表明，通過克隆苦蕎葉片CHS基因，獲得編碼391 個氨基酸殘基的1 188 bPFtCHS基因，實時熒光定量PCR 分析該基因在PEG-6000模擬干旱脅迫下苦蕎葉片的表達情況，發現FtCHS的基因表達在12 h 內表達水平很低，變化不顯著，而在12～48 h時明顯增加。結果表明，FtCHS基因總體波動較小且基因表達趨于穩定，可在短時間內對干旱脅迫具有相對穩定的適應性，推測FtCHS基因參與了苦蕎植株的耐旱響應過程［17］。

PEG-6000 模擬干旱處理后，苦蕎中的總黃酮含量與基因的表達量呈現某種關系，其中苦蕎葉中黃酮合成關鍵酶基因（CHI、FLS、FLS1、F3H）的基因表達量與總黃酮含量不一致，根、莖中這些基因表達量明顯提高，但總黃酮含量增加較少。這可能是由于花期中苦蕎由根、莖向葉中運輸合成黃酮的前體物質，并且篩管中存在著黃酮合成酶，在運輸過程中可以完成黃酮的合成，從而引起葉片中總黃酮含量的增加。在干旱脅迫處理24 h 后，苦蕎葉片中的基因表達量提高，并且根、莖中總黃酮含量也增加。這可能是因為根、莖向葉中運輸黃酮的前體減少，導致葉片中相關基因的表達，維持一定的總黃酮含量以期抵抗干旱脅迫［18］。

乙醇脫氫酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）是植物糖酵解過程中關鍵酶，可以降低代謝產物對自身的毒害作用。果膠甲酯酶（Pectin methyl esterase，PME）是果膠去甲酯化修飾的關鍵酶類，與植物的逆境響應有關。郝彥蓉［19］從品苦1 號cDNA 中克隆到FtADH1 與FtPMEI13，結果分析表明，FtADH1 主要在根和莖中表達，FtPMEI13 主要在莖和葉中表達。甘露醇干旱處理后，與對照相比，二者轉基因株系抗氧化酶活性提高，ROS含量降低。PEG-6000處理毛狀根發現，過表達根系中FtADH1 和FtPMEI13基因表達量顯著高于對照；且FtADH1 過表達根系的CAT、POD 和SOD 酶活性提升，MDA 含量下降?？梢奆tADH1 和FtPMEI13 均參與抗氧化酶活性調節，調控苦蕎抗旱途徑。

3.2 轉錄調節因子

轉錄因子是調控植物基因表達的重要因子，同樣在蕎麥的生長發育中揮發著重要的作用。目前，對苦蕎轉錄因子研究主要在骨髓母細胞增生癥病毒致癌基因同源物（v-myba-vian myeloblastosis viral oncogene homolog，V-MYB）、脫水反應元件結合蛋白（dehydration responsive element binding protein，DREB）、NAC（NAC transcription factors）轉錄因子等的家族上。MYB轉錄因子（MYB transcription factors）是含有MYB結構域的一類轉錄因子，是調控黃酮合成途徑中最重要的轉錄因子家族之一，表1 顯示了干旱脅迫下部分MYB家族成員及其功能。

表1 苦蕎MYB家族部分成員及其功能

DREB 是響應逆境脅迫的一類重要轉錄因子。研究發現苦蕎發芽期的轉錄因子FtDREB1 和FtDREB2 對干旱脅迫中的應答效應，推測FtDREB1和FtDREB2 的C-末端多樣性可能與其轉錄活性的調控相關，通過轉錄后加工、缺失或其他方式來調控靶基因的表達水平，FtDREB1 和FtDREB2 主要在抵抗干旱脅迫中發揮重要作用［28］。趙夢雨等［29］從苦蕎中克隆得到FtDREB6 轉錄因子，其在苦蕎幼苗根中的表達量最高，且受干旱誘導表達。同時，該轉錄因子基因在擬南芥中過表達可通過提高擬南芥的發芽率，在毛狀根中過表達可通過提高SOD、CAT酶活性，進而提高毛狀根對干旱的耐受性。

NAC（NAC transcription factors）是植物所特有的轉錄因子，在植物中參與干旱脅迫。黃娟等［30］研究發現，通過克隆FtNAC15 基因，分析表明FtNAC15基因可以調控蕎麥種子發育和響應干旱脅迫。利用20% PEG-6000 干旱處理后，FtNAC17 基因的表達量呈波浪形變化，表明FtNAC17 可以響應干旱脅迫并且可能與多個基因協同響應干旱脅迫［31］。李靜歡等［32］研究發現，通過不同組織中FtNAC11 基因的表達水平，FtNAC11 調控蕎麥根的生長、花至種子的發育過程。楊迪等［33］從苦蕎中克隆得到FtNAC11 轉錄因子基因，其在苦蕎幼苗的葉片中表達量最高，且受干旱脅迫誘導表達。

TCP（Teosinte branched1/Cycloidea/Proliferating cell factor）轉錄因子是高等植物特有的一種轉錄因子家族，在植物生長發育和逆境脅迫中都有著很重要作用。研究發現，在干旱處理下，苦蕎FtTCP2基因表達量在初期變化幅度不明顯或呈上升趨勢，在24 h 達到最大值；苦蕎FtTCP19基因表達量顯著上調，在12 h達到峰值［34］。

4 外源物質對苦蕎干旱脅迫的緩減效應

4.1 礦質元素類

礦質元素是除碳、氫、氧外，植物主要由根系從土壤中吸收的元素，是植物生長所必需的元素，可以促進植物吸收營養物質。研究發現，在干旱脅迫下，合理地施加外源磷可以改善苦蕎的生長狀況，促進苦蕎的地上生長和地下生長，增加根系與土壤的接觸面積，根系的抗氧化能力也顯著增加，有利于苦蕎抗旱性生長［35］。在干旱脅迫下增加施氮量來促進苦蕎生長，增加其產量［36］。在相同施加氮、磷及氮磷肥條件下，隨著灌水量的減少，苦蕎幼苗根系的SOD、POD 活性以及MAD、可溶性糖、游離脯氨酸含量呈現增加趨勢?？嗍w莖高隨著氮、鉀施用量的增加，株高、單株粒數、單株粒重和千粒重呈現先增加后減少的趨勢［37-38］。

4.2 外源激素類

植物激素，是植物體內產生的微量有機化合物，在干旱逆境脅迫中發揮重要作用。褪黑素是一種多功能分子的生長促進劑，可以提高ROS 的清除效率，以期植株免受干旱脅迫，有助于保護光合作用和防止干旱引起的氧化損傷，從而有助于提高植株的抗旱能力［39］。DEBNATH 等［40］研究發現，外源施加100 μmol/L 褪黑素，可以刺激酶促、非酶和次生代謝物酶的抗氧化活性，增加滲透調節物質來改善葉片水分狀況，增加蕎麥的抗旱能力。此外，外源施加褪黑素可以調節氣孔的運動，通過光合作用來保持水分的平衡。外源噴施100 μmol/L 褪黑素可以顯著提高苦蕎幼苗地上、地下部分的鮮重和干重，并且不同濃度處理的根冠比大于干旱脅迫處理的根冠比，減輕了干旱脅迫對光合色素的降解、細胞膜的損傷和膜脂的過氧化程度，緩解苦蕎的干旱脅迫［41］。

烯效唑是一種高效植物生長調節劑，是赤霉素合成抑制劑，可以抑制細胞生長、縮短節間、矮化植株，促進側芽生長和花芽形成，增強抗逆性。選用烯效唑浸種處理苦蕎，降低苦蕎苗高，提高苦蕎莖粗、葉面積、根冠比，提高葉片的相對含水量、脯氨酸含量、可溶性糖、可溶性蛋白質含量，提高根系含水量。通過對苦蕎浸種處理，降低了脂質過氧化程度，減少MDA的含量，保護細胞膜的完整性，抵御干旱逆境脅迫［42］。

脫落酸、赤霉素、茉莉酸甲酯等外源激素亦能增強苦蕎對干旱脅迫的抗性。研究發現，利用ABA、GA3、茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate，MeJA）和水楊酸（Salicylic acid，SA）處理苦蕎幼苗，均能誘導FtTCP2 和FtTCP19 在苦蕎莖和葉片中的表達，進而提高苦蕎響應干旱逆境脅迫的能力［34］。

5 總結與展望

綜上所述，苦蕎作為一種天然綠色的食品原料和重要的食藥兼用作物，其營養價值突出，適合現代倡導的健康飲食。近年來，農業生產上受到干旱等自然災害的影響，苦蕎產量呈下降趨勢。研究苦蕎對干旱脅迫的應答機制以及外源物質的緩減效應，有助于明晰干旱對苦蕎生理、分子指標上的應答變化，進而選育出耐旱性苦蕎品種，為開發出更多功效價值提供參考，選擇合適的緩減干旱物質，提高苦蕎的產量?？嗍w抗旱性研究可以指導其在農業上的生產，但目前外源物質對苦蕎的緩減效應機理尚不清楚，以及對外源物質開發利用的不全面，所以在今后的研究中可以探究不同的外源物質對苦蕎干旱脅迫的緩減效應，進一步闡明其緩減效應的機理及意義，為苦蕎的生產實踐提供理論依據，對苦蕎產量及品質的提升具有重要意義。