四季豆脅迫抗性生理研究進(jìn)展

菜豆又稱(chēng)四季豆、蕓豆等，是中國(guó)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(zhǎng)創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，時(shí)常出現(xiàn)低溫、弱光、營(yíng)養(yǎng)元素缺乏等問(wèn)題。前人對(duì)各種脅迫條件下菜豆生長(zhǎng)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(biāo)與菜豆抗性的關(guān)系，同時(shí)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(zhǎng)的過(guò)程中，會(huì)受到各種環(huán)境的脅迫（如干旱、水害、熱害、冷害、病蟲(chóng)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(guò)氧化氫（H2O2）。ROS 可以通過(guò)破壞核酸、氧化蛋白來(lái)影響細(xì)胞的功能，從而影響植物的正常生長(zhǎng)。環(huán)境脅迫引起的ROS 的積累可以通過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)來(lái)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(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）、過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）、抗壞血酸（ascorbic Acid，AsA）、谷胱甘肽（glutathione，GH）、抗壞血酸過(guò)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(hù)酶，能清除超氧自由基；POD 和CAT 是植物體內(nèi)清除H2O2 的兩個(gè)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(biāo)之一，作物抗逆能力越強(qiáng)，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(guò)氧化的最終產(chǎn)物，會(huì)嚴(yán)重?fù)p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(xì)胞原生質(zhì)膜受到破壞，細(xì)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(gè)重要指標(biāo)。
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(kāi)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(zhǎng)期處于11 ℃左右時(shí)，根系生長(zhǎng)緩慢，出土慢，幼苗生育適溫為18~20 ℃，10℃以下生長(zhǎng)受阻，幼根生長(zhǎng)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(wèn)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(duì)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(duì)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(biāo)進(jìn)行了抗冷性鑒定，通過(guò)聚類(lèi)分析將其抗冷性劃分為強(qiáng)、中、弱3 個(gè)類(lèi)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(duì)80 份不同基因型的菜豆材料進(jìn)行了抗冷性鑒定，通過(guò)冷害指數(shù)指標(biāo)鑒定出抗冷性強(qiáng)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(yàn)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(biāo)可作為菜豆抗冷性鑒定的指標(biāo)。歐陽(yáng)主才等研究發(fā)現(xiàn)，冷脅迫對(duì)矮生菜豆的傷害主要表現(xiàn)在外觀傷害、生理指標(biāo)和生化指標(biāo)改變3 個(gè)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(biāo)，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(biāo)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(biāo)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(guò)程中，SOD、POD、CAT 等3 種保護(hù)酶活性均呈“先上升后下降”的趨勢(shì)，這說(shuō)明在低溫傷害較輕的情況下，植物代謝系統(tǒng)通過(guò)增加保護(hù)酶的活性來(lái)減輕低溫的危害，而隨著低溫脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，植物受到傷害的程度加劇，超過(guò)一定的限度，植物體內(nèi)保護(hù)酶合成系統(tǒng)受到破壞，從而導(dǎo)致保護(hù)酶的活性降低。袁成志等對(duì)7 個(gè)油豆類(lèi)型菜豆品種進(jìn)行了低溫處理，研究了低溫處理對(duì)菜豆幼苗葉綠素含量、根系活力、過(guò)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(huì)降低菜豆幼苗根系活力，影響根系正常發(fā)育；低溫會(huì)適當(dāng)增加菜豆幼苗過(guò)氧化物酶活性、丙二醛含量及脯氨酸的含量，破壞葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)，使植株正常生長(zhǎng)受阻。可見(jiàn)，不同菜豆資源對(duì)低溫的反應(yīng)無(wú)論從外觀形態(tài)上還是從生理生化指標(biāo)上，都存在較大的差異。通過(guò)測(cè)定各種生理生化指標(biāo)，可以準(zhǔn)確、迅速地鑒定出各菜豆資源抗冷害能力，簡(jiǎn)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(jìn)程。
2.2 紫外輻射與菜豆脅迫抗性生理
    近年來(lái)，由于環(huán)境污染嚴(yán)重，造成大氣臭氧層變薄，紫外輻射增加，過(guò)量的紫外輻射會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)及生理生化過(guò)程產(chǎn)生一定的影響，植物正常生長(zhǎng)受到抑制。菜豆植株對(duì)外界紫外輻射有一定的抵制作用，低強(qiáng)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(guò)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(qiáng)及輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，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(dòng)膜脂過(guò)氧化作用，細(xì)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(xì)胞的膜系統(tǒng)，但對(duì)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(shì)，且對(duì)幼齡葉的傷害較老葉嚴(yán)重。隨著紫外輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，葉片中POD 活性呈先增高后降低的趨勢(shì)，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(duì)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(shì)，二、三葉位葉片中SOD 活性呈逐漸降低趨勢(shì)，輻射時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)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(yán)重影響菜豆的生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)菜豆也會(huì)對(duì)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(qiáng)光、低溫弱光條件下進(jìn)行處理，2 d 后中低溫弱光和高溫強(qiáng)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(shí)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�(jiàn)，當(dāng)菜豆遇低溫危害之后，低溫弱光和高溫強(qiáng)光不但不能使其恢復(fù)正常生長(zhǎng)，反而會(huì)加劇菜豆葉片細(xì)胞的膜脂過(guò)氧化作用，使植株受到進(jìn)一步的傷害。因此，當(dāng)菜豆植株受到冷害之后應(yīng)控制其生長(zhǎng)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(zhǎng)。
3 鎂缺乏與菜豆脅迫抗性生理
    土壤中營(yíng)養(yǎng)元素充足是菜豆正常生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，但由于菜農(nóng)長(zhǎng)期使用單一的肥料，必然會(huì)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(huì)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(zhǎng)所必需的營(yíng)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(zhǎng)期種植之后，土壤中的鎂元素已不能夠滿(mǎn)足植物對(duì)鎂元素的需求，植株生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guò)氧化物酶、愈創(chuàng)木酚過(guò)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(guò)氧化物酶活性在缺鎂時(shí)顯著高于正常條件下的老葉，而老葉中SOD、CAT在鎂處理間無(wú)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^(guò)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(guò)多，超過(guò)體內(nèi)防御能力，仍會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，丙二醛含量增高，細(xì)胞膜透性增加。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在外觀上就會(huì)出現(xiàn)失綠、壞死等癥狀；隨著外界光照強(qiáng)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(wèn)題與展望
    菜豆植株處于脅迫條件下的時(shí)候，其自身會(huì)啟動(dòng)保護(hù)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(guò)度持久的傷害對(duì)于菜豆植株來(lái)說(shuō)將是不可恢復(fù)的，最終會(huì)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(guò)程中仍然存在很多問(wèn)題，如低溫、弱光、高溫、高濕等不良的環(huán)境條件，而且很多時(shí)候是幾種不良環(huán)境因子相互作用來(lái)影響菜豆的正常生長(zhǎng)。因此，各種不良環(huán)境因子相互作用對(duì)菜豆抗性生理的研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。