四季豆脅迫抗性生理研究進展

菜豆又稱四季豆、蕓豆等，是中國重要的豆科蔬菜作物。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，菜豆的設(shè)施栽培面積逐年增加，但許多地方由于成本等原因，并不能為菜豆生長創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，時常出現(xiàn)低溫、弱光、營養(yǎng)元素缺乏等問題。前人對各種脅迫條件下菜豆生長及其所產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)做了一些研究，明確了各種生理生化指標與菜豆抗性的關(guān)系，同時篩選出部分抗逆菜豆資源，為逆境條件下菜豆的栽培和育種提供了一定的理論依據(jù)。
1 植物脅迫抗性原理
    植物在生長的過程中，會受到各種環(huán)境的脅迫（如干旱、水害、熱害、冷害、病蟲害、元素缺乏和重金屬危害等），這些逆境將導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），其中最重要的是超氧化物自由基O2 - 和過氧化氫（H2O2）。ROS 可以通過破壞核酸、氧化蛋白來影響細胞的功能，從而影響植物的正常生長。環(huán)境脅迫引起的ROS 的積累可以通過抗氧化酶系統(tǒng)來消除，植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)主要由超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、抗壞血酸（ascorbic Acid，AsA）、谷胱甘肽（glutathione，GH）、抗壞血酸過氧化物酶（ascorbateperoxidase，APX）等構(gòu)成。其中，SOD 為植物體內(nèi)部防御活性氧毒性的保護酶，能清除超氧自由基；POD 和CAT 是植物體內(nèi)清除H2O2 的兩個主要酶，植物抗脅迫能力的提高可能與體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)有關(guān)。電解質(zhì)外滲率是反映作物承受脅迫程度的重要生理指標之一，作物抗逆能力越強，其電解質(zhì)外滲率就越小，產(chǎn)量也就越高。丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，會嚴重損傷生物膜，MDA與蛋白質(zhì)結(jié)合引起蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間的交聯(lián)，細胞原生質(zhì)膜受到破壞，細胞膜透性增加，植株受到破壞。因此，MDA 也是反應(yīng)植物抵御外界不良環(huán)境能力大小的一個重要指標。
2 環(huán)境因子與菜豆脅迫抗性生理
2.1 低溫與菜豆脅迫抗性生理
    菜豆喜冷涼，但不耐寒，可以在月平均氣溫為10~25 ℃下栽培。菜豆種子發(fā)芽開始溫度為8 ℃，適溫為20~25 ℃，種子發(fā)芽最低地溫為10~12 ℃，發(fā)芽后長期處于11 ℃左右時，根系生長緩慢，出土慢，幼苗生育適溫為18~20 ℃，10℃以下生長受阻，幼根生長緩慢。設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展使菜豆的周年供應(yīng)成為可能，但也存在許多問題，苗期低溫冷害就是其中之一，很大程度上制約著設(shè)施菜豆的推廣。目前，研究人員對菜豆低溫脅迫抗性生理方面做了一些研究，主要是篩選耐低溫菜豆資源，為菜豆耐低溫育種服務(wù)。于超等對收集到的32 份不同基因型菜豆幼苗，以低溫脅迫下的葉片冷害指數(shù)和電解質(zhì)滲漏率為指標進行了抗冷性鑒定，通過聚類分析將其抗冷性劃分為強、中、弱3 個類群，并且冷害指數(shù)與電解質(zhì)滲漏率之間存在明顯的相關(guān)性，兩者結(jié)合能夠很好地鑒定菜豆幼苗的抗冷性。劉大軍等對80 份不同基因型的菜豆材料進行了抗冷性鑒定，通過冷害指數(shù)指標鑒定出抗冷性強的材料49份，抗冷性中等的材料15 份，抗冷性弱的材料16份；驗證了電解質(zhì)外滲率與冷害指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，再次證明苗期菜豆葉片低溫下電解質(zhì)外滲率指標可作為菜豆抗冷性鑒定的指標。歐陽主才等研究發(fā)現(xiàn)，冷脅迫對矮生菜豆的傷害主要表現(xiàn)在外觀傷害、生理指標和生化指標改變3 個方面。從外觀上看，冷害指數(shù)是外觀傷害最直接的反映指標，與冷害指數(shù)密切相關(guān)的電解質(zhì)滲漏率、MDA 含量、可溶性糖含量和葉綠素含量等指標的變化是冷害在植物生理上的反映。矮生菜豆耐寒性最敏感的生理指標是電解質(zhì)滲漏率，其次是MDA 含量，第三是可溶性糖含量和葉綠素含量的變化。矮生菜豆幼苗在低溫脅迫過程中，SOD、POD、CAT 等3 種保護酶活性均呈“先上升后下降”的趨勢，這說明在低溫傷害較輕的情況下，植物代謝系統(tǒng)通過增加保護酶的活性來減輕低溫的危害，而隨著低溫脅迫時間延長，植物受到傷害的程度加劇，超過一定的限度，植物體內(nèi)保護酶合成系統(tǒng)受到破壞，從而導(dǎo)致保護酶的活性降低。袁成志等對7 個油豆類型菜豆品種進行了低溫處理，研究了低溫處理對菜豆幼苗葉綠素含量、根系活力、過氧化酶活性、丙二醛含量及脯氨酸含量的影響。結(jié)果表明，低溫能降低菜豆幼苗葉片葉綠素含量，影響葉片正常光合作用；低溫會降低菜豆幼苗根系活力，影響根系正常發(fā)育；低溫會適當增加菜豆幼苗過氧化物酶活性、丙二醛含量及脯氨酸的含量，破壞葉片細胞膜系統(tǒng)，使植株正常生長受阻�？梢姡�不同菜豆資源對低溫的反應(yīng)無論從外觀形態(tài)上還是從生理生化指標上，都存在較大的差異。通過測定各種生理生化指標，可以準確、迅速地鑒定出各菜豆資源抗冷害能力，簡化了菜豆抗冷害資源篩選的步驟，加快了抗冷害菜豆育種進程。
2.2 紫外輻射與菜豆脅迫抗性生理
    近年來，由于環(huán)境污染嚴重，造成大氣臭氧層變薄，紫外輻射增加，過量的紫外輻射會對植物生長及生理生化過程產(chǎn)生一定的影響，植物正常生長受到抑制。菜豆植株對外界紫外輻射有一定的抵制作用，低強度的紫外輻射雖然能夠增加菜豆體內(nèi)的活性氧，但菜豆植株可以通過自身活性氧清除系統(tǒng)而抵消紫外輻射的危害。但隨著紫外輻射的增強及輻射時間的延長，植株體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)已不能完全清除紫外輻射所產(chǎn)生的活性氧，從而啟動膜脂過氧化作用，細胞膜透性增加，使植株受到傷害。紫外輻射能夠破壞菜豆葉片細胞的膜系統(tǒng)，但對菜豆植株不同葉位的葉片傷害程度不同。紫外輻射處理后，菜豆各葉位葉片中MDA 含量呈逐漸增加趨勢，且對幼齡葉的傷害較老葉嚴重。隨著紫外輻射時間的延長，葉片中POD 活性呈先增高后降低的趨勢，而且隨著葉位的升高，葉片中POD 活性逐漸降低，老齡葉最高，幼齡葉最低。菜豆不同葉位葉片中SOD 活性對紫外輻射反應(yīng)不同，第一葉位葉片中SOD 活性呈逐漸增加趨勢，二、三葉位葉片中SOD 活性呈逐漸降低趨勢，輻射時間越長，降低幅度越大。
2.3 溫、光互作與菜豆脅迫抗性生理
    設(shè)施栽培菜豆，往往同時出現(xiàn)低溫、弱光等不良環(huán)境條件，這種環(huán)境條件相互作用將嚴重影響菜豆的生長發(fā)育，同時菜豆也會對這種綜合的不良環(huán)境產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)激反應(yīng)，如果條件適合仍能夠恢復(fù)正常。王大為等研究發(fā)現(xiàn)，將暗中低溫脅迫的菜豆幼苗分別置于中溫弱光、高溫強光、低溫弱光條件下進行處理，2 d 后中低溫弱光和高溫強光下菜豆幼苗的MDA 含量不斷上升， 其SOD、POD、CAT 酶活力也維持在較低水平，質(zhì)膜外滲電導(dǎo)率在處理第1 天時上升到最大，之后緩慢下降；而中溫弱光條件下的菜豆幼苗MDA 含量上升較少，SOD、POD、CAT 酶活力恢復(fù)較快，質(zhì)膜外滲電導(dǎo)率在后即接近正常值，菜豆幼苗冷害恢復(fù)較迅速�？梢姡�當菜豆遇低溫危害之后，低溫弱光和高溫強光不但不能使其恢復(fù)正常生長，反而會加劇菜豆葉片細胞的膜脂過氧化作用，使植株受到進一步的傷害。因此，當菜豆植株受到冷害之后應(yīng)控制其生長環(huán)境處于中溫、弱光環(huán)境之中，以利于植株盡快恢復(fù)正常生長。
3 鎂缺乏與菜豆脅迫抗性生理
    土壤中營養(yǎng)元素充足是菜豆正常生長的基礎(chǔ)，但由于菜農(nóng)長期使用單一的肥料，必然會導(dǎo)致土壤中部分元素的缺乏，鎂元素就是其中之一。由于土壤中鎂元素的缺乏，菜豆植株體內(nèi)會產(chǎn)生一系列生理生化反應(yīng)，以保證菜豆植株能夠抵御鎂元素缺乏所造成的不良影響。鎂元素是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，與植物葉片光合作用密切相關(guān)。植物主要從土壤中吸收鎂元素，但菜農(nóng)很少使用富含鎂元素的肥料，長期種植之后，土壤中的鎂元素已不能夠滿足植物對鎂元素的需求，植株生長受到抑制。汪洪等研究發(fā)現(xiàn)，缺鎂條件下，菜豆老葉和第一片真葉的相對電導(dǎo)率和丙二醛含量均高于正常植株，老葉中增加程度高于真葉；根滲出液相對電導(dǎo)率也是缺鎂處理高于正常植株；缺鎂條件下，菜豆植株體內(nèi)活性氧清除酶系統(tǒng)中的SOD、抗壞血酸過氧化物酶、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶活性在真葉中顯著高于正常植株，CAT 活性在缺鎂條件下也要高于正常植株；老葉中抗壞血酸過氧化物酶活性在缺鎂時顯著高于正常條件下的老葉，而老葉中SOD、CAT在鎂處理間無顯著差異。缺鎂不僅刺激了活性氧清除酶系統(tǒng)的提高，而且葉片中抗壞血酸、巰基化合物含量均有所提高�；钚匝踹^多，誘導(dǎo)了清除系統(tǒng)中各種酶的活性提高。盡管如此，體內(nèi)活性氧積累過多，超過體內(nèi)防御能力，仍會發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛含量增高，細胞膜透性增加。隨著時間的延長，在外觀上就會出現(xiàn)失綠、壞死等癥狀；隨著外界光照強度的增大，更易誘發(fā)缺鎂癥狀的出現(xiàn)和植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)中各種酶活性的提高。
4 問題與展望
    菜豆植株處于脅迫條件下的時候，其自身會啟動保護酶系統(tǒng)，以抵御不良條件的危害。因此，菜豆植株有一定的適應(yīng)惡劣環(huán)境條件的能力，但過度持久的傷害對于菜豆植株來說將是不可恢復(fù)的，最終會導(dǎo)致植株的死亡。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，菜豆基本可以做到周年供應(yīng)，但在栽培過程中仍然存在很多問題，如低溫、弱光、高溫、高濕等不良的環(huán)境條件，而且很多時候是幾種不良環(huán)境因子相互作用來影響菜豆的正常生長。因此，各種不良環(huán)境因子相互作用對菜豆抗性生理的研究還有待進一步加強。