植物抗旱性鉴定评价方法及抗旱机制研究进展

干旱显著影响植物各阶段的生长发育、各种生理生化代谢过程和生态环境,是植物成活与生长的重要限制因素之一,随着现代分子生物学的发展,从分子水平研究植物抵御干旱等逆境的机理已成为农业研究的一个重要任务。从植物抗旱性鉴定评价体系和抗旱机制研究两个方面对近年来植物抗旱性研究进展进行了综述,以期为今后植物抗旱分子机制的研究和改良植物抗旱性的分子遗传育种工作提供参考。     

内生真菌对植物抗旱性的影响

内生真菌广泛地存在于植物体内,它们在植物体内的生活不会对植物引起任何感病症状,而且内生真菌侵染对植物生长、生物和非生物胁迫抗性很好的促进作用,理解内生真菌在提高植物干旱胁迫耐受性方面的作用和机理对其在缓解植物干旱胁迫中的应用有重要意义。这篇综述介绍了植物内生真菌的多样性、对植物抗旱性的影响及其作用机理等方面的研究进展。内生真菌对植物抗旱性提高的机理包括:干旱耐受、干旱回避和干旱恢复。文中还对以后的研究进行了展望。     

树木抗旱机理研究进展

干旱是树木成活与生长的重要限制因素之一。研究树木的抗旱性,有助于了解树木的干旱适应性机制,探求树木抗旱的适宜调控措施,对充分发挥森林的生态效益具有重要作用。本文从树木的水分关系、净光合速率与蒸腾速率、叶片的δ13C值、木质部导管空穴、光合机制与抗氧化保护机制、渗透调节、脱落酸和C4植物的抗旱机理及树木的抗旱基因与遗传特性(包括水通道蛋白、逆境信号转导、树木抗旱性的遗传基因工程)方面对树木抗旱机理研究进行了综述。     

硅提高植物抗旱性的生理机制研究进展

干旱作为限制作物产量和品质的主要非生物胁迫之一,对全球社会、经济和生态造成巨大损失。在全球气候变化背景下,提高植物抗旱性的重要性日益突显。硅能够提高植物的抗旱性：外源硅的施用可以影响气孔导度,改变蒸腾速率,改善植物水分状况;通过调节气孔动力学、合成光合色素,促进光化学反应,从而改善光合作用;此外硅可通过渗透调节以平衡植物对矿质元素的吸收,以及调节抗氧化防御系统,减轻植物在干旱胁迫中的氧化损伤。总结了硅对干旱胁迫下植物水分利用、光合作用、矿质元素吸收、抗氧化系统、植物激素代谢等方面的作用及相关生理机制。建议未来从复合逆境胁迫、低硅积累植物等方面进一步揭示硅提高植物抗旱性的作用机制,从而为农林生态系统合理利用硅素来提高生产效率提供科学依据和理论基础。     

菌根真菌提高植物抗旱性机制的研究回顾与展望

菌根真菌与全世界约97%的维管植物具有广泛的共生关系。大量研究结果显示菌根植物相比于非菌根植物对于干旱胁迫具有更高的耐受性,说明菌根真菌在植物抗旱过程中发挥着重要作用。本文对近年来国内外在菌根真菌协助植物抵御干旱作用机制方面的研究进行了归纳和总结,主要包括在干旱胁迫下菌根真菌对植物生理学特性的影响机制、菌根真菌提高植物抗旱性的分子机制以及菌根真菌对植物次生代谢途径的影响机制等3个方面。当前菌根真菌增强植物抗旱性的生理机制方面的研究较为深入,而其他两个方面的研究则相对薄弱。随着分子生物学技术的发展,菌根真菌增强植物抗旱性的分子机制和涉及的相关代谢通路将被进一步揭示。本文旨在呈现菌根真菌提高植物抗旱性机制的研究前沿,为菌根互作更深层次的理论研究以及功能菌剂的研发提供一定的理论参考。     

内蒙古荒漠草原植物水分利用特征差异及对环境因子的响应

水分是干旱半干旱地区植被生长的主要限制因子,水分利用是反映植被对环境变化响应的关键生态水文过程。目前缺少对干旱半干旱区草原不同科、属植物水分利用特征差异的系统分析,且植物水分利用特征与环境因子的定量关系需要进一步研究。在内蒙古荒漠草原进行样带调查,采集7个样地0—100 cm深度土壤样品和15种植物根茎结合部(茎秆)、叶片样品,测定土壤水、植物水中δ²H和δ¹⁸O和植物叶片δ¹³C的同位素,利用MixSIAR模型确定不同科、属植物水分来源比例,分析不同科、属植物水分利用来源和水分利用效率的差异,并建立植物水分来源比例及水分利用效率与各环境因子的定量关系。结果表明：(1)禾本科和菊科植物主要利用0—30 cm深度土壤水(55.63%和51.84%),其叶片δ¹³C(-26.61‰和-27.91‰)均低于其他科(包括柽柳科、藜科和蔷薇科)(-26.36‰),且其他科主要利用60—100 cm深度土壤水(36.83%),水分利用策略更有利于在干旱条件下生存。(2)针茅属植物对0—30 cm深度土壤水的利用...     

三种锦鸡儿属植物水力结构特征及其干旱适应策略

水分胁迫是干旱半干旱区限制植物生长的主要因素。以干旱半干旱区的3种锦鸡儿属植物为研究对象,从生态适应策略角度来分析3种锦鸡儿植物产生生态分离的原因。对三种锦鸡儿属植物茎干叶片的显微结构、生理功能(导水率、光合速率以及水分利用效率)进行测定,并统计了3种锦鸡儿植株的形态特征,如一、二级枝的直径、长度、末端叶面积。结果表明:三种锦鸡儿属植物都能形成较小的导管直径来适应旱生环境,但是在导水结构上又表现出一定的差异性。中间锦鸡儿的导管直径最小,次脉密度和最大净光合速率最大;柠条锦鸡儿的导管直径、叶片厚度和比叶重(LMA)最大。小叶锦鸡儿在导水率下降50%时的水势(P_(50))最大,水分胁迫时极易发生栓塞,但正是由于导管的栓塞降低了水分运输效率,使其在旱生环境中能够通过减少水分的供应来降低水分的丧失,从而保证自身生长的水分需求;而中间锦鸡儿则主要通过减小导管直径来适应旱生环境;柠条锦鸡儿的水分利用效率最高,抗栓塞能力最强,抗旱性最好,同时柠条锦鸡儿可以通过减少蒸腾面积来减少水分的丧失。植物的导管直径大小、叶片厚度、LMA、叶脉密度对植物导水速率、光合速率等生理功能都有一定的影响。     

木本植物水力系统对干旱胁迫的响应机制

干旱导致树木死亡对生态系统功能和碳平衡有重大影响。植物水分运输系统失调是引发树木死亡的主要机制。然而, 树木对干旱胁迫响应的多维性和复杂性, 使人们对植物水分运输系统在极端干旱条件下的响应以及植物死亡机理的认识还不清楚。该文首先评述衡量植物抗旱性的指标, 着重介绍可以综合评价植物干旱抗性特征的新参数——气孔安全阈值(SSM)。SSM越高, 表明气孔和水力性状之间的协调性越强, 木质部栓塞的可能性越低, 水力策略越保守。然后, 阐述木本植物应对干旱胁迫的一般响应过程。之后, 分别综述植物不同器官(叶、茎和根)对干旱胁迫的响应机制。植物达到死亡临界阈值的概率和时间, 取决于相关生理和形态学特征的相互作用。最后, 介绍木本植物水力恢复机制, 并提出3个亟待开展的研究问题: (1)改进叶片水分运输(木质部和木质部外水力导度)的测量方法, 量化4种不同途径的叶肉水分运输的相对贡献; (2)量化叶片表皮通透性变化, 以便更好地理解植物水分利用策略; (3)深入研究树木水碳耦合机制, 将个体结构和生理特征与群落/景观格局和过程相关联, 以便更好地评估和监测干旱诱导树木死亡的风险。     

植物表皮蜡质参与干旱胁迫的反应机制

植物表皮是植物与外部环境直接接触的部位,包括具有立体网状结构的角质和填充其间并覆盖其上的蜡质。植物在适应外界环境的过程中,表皮蜡质形成了特殊的结构和复杂的化学组成。植物表皮蜡质最重要的功能是参与阻止植物非气孔性失水,提高植物对水分的利用效率,以实现对干旱环境的适应。干旱环境会导致植物表皮蜡质代谢的变化,这种变化最终通过调控基因表达来实现。目前已经发现了多个蜡质代谢相关基因参与了植物对干旱环境的适应,部分基因已经成功克隆并且用于改良农作物的抗旱性。但这些基因参与干旱响应的分子机制及其与ABA的关系并不很清楚。就植物适应水分胁迫而发生的包括蜡质组成和含量在内的代谢变化,以及该过程中所涉及的主要基因及其分子生物学研究进行综述。探讨表皮蜡质在植物适应干旱中的重要作用及其分子机制,可为农作物的抗旱育种提供新型的分子标记和重要靶基因,最终服务于农业生产实践。     

三个耐旱树种木质部栓塞化的脆弱性及其恢复能力

植物在长期适应赖以生存的自然环境中 ,形成了一套最适宜自身生长发育的生理生态行为 ,采取各种方式来抵御或忍耐水分胁迫的影响。如通过具有深广而茂密的根系格局来保持水分吸收 ,通过气孔调节、角质层障碍作用和小的叶蒸发表面来减少水分散失 ,通过渗透调节和增加组织弹性来保持膨压 ,通过增强原生质耐脱水能力来免受伤害或少受伤害等等。植物遭受干旱危害时 ,首先出现表型反应的多是植物的叶片 ,因此 ,研究植物的耐旱机理多从叶入手 ,对根系类型、分布及根茎比在植物耐旱性方面也有不少报道[1,2 ],而对木质部在干旱适应性反应方面的研究…     

林木抗旱的渗透调节及其基因工程研究进展

与其它植物一样,林木对干旱的适应和抵御机理是多种多样的,渗透调节是其中重要的一个方面。在通过渗透调节抵御干旱胁迫的过程中,起作用的有一些小分子渗透调节物质,如脯氨酸、甜菜碱等;也有果聚糖、海藻糖和蔗糖等可溶性糖类;Lea蛋白在很多植物抵御干旱胁迫过程中也起到了重要作用。本文介绍了林木抗旱性的渗透调节机理及基因工程研究进展,并探讨了林木抗旱基因工程改良中面临的问题及改进措施。     

植物抗旱性中的补偿效应及其在农业节水中的应用

在论述植物补偿效应存在类型和研究范畴的基础上,详细评述了植物抗旱性中根系形态结构功能及地上部干物质积累、产量和水分利用效率方面的补偿效应及其影响因素,并对植物抗旱作用中补偿生长的可能生理学机制作了探讨。同时,对补偿效应在提高农业水分利用效率中的应用进行了讨论     

高温条件下稀土尾砂干旱对4种植物生理特性的影响

稀土矿尾砂区地表大面积裸露,土壤结构遭到破坏,保水性能差,植物生长受到严重的干旱胁迫,季节性高温干旱期甚至威胁植物的生存。以稀土矿区周边广泛分布的枫香、木荷、樟树和桉树4种植物为研究对象,对比分析高温干旱条件下4种植物幼苗的光合特征、水分利用效率(WUE)、渗透调节物质和抗氧化酶活性等生理特征及适应性,为稀土尾砂矿区生态修复中植物的筛选提供理论依据。结果显示,高温干旱(空气温度40℃,土壤含水量2%左右)条件下,4种植物的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和叶绿素(Chl)含量显著低于高温丰水条件(空气温度40℃,土壤含水量15%左右),光合作用受到抑制,WUE升高;不管高温丰水还是干旱条件下,樟树WUE最高;干旱条件下枫香和桉树的丙二醛(MDA),木荷和桉树的可溶性糖、脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白,以及所有植物的过氧化物酶活性(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT))均显著高于丰水条件。隶属函数评价得出4种植物幼苗抗高温干旱的等级为樟树桉树木荷枫香;灰色关联分析发现WUE和可溶性糖与抗旱性关联最大,其次为CAT、Pro和MDA,可溶性蛋白与抗旱性关联最小。其中,樟树通过提高WUE、可溶性糖和CAT来应对干旱,桉树通过可溶性糖和MDA响应干旱胁迫,木荷在Pro调节下体现抗旱性,枫香则通过可溶性蛋白来抗旱。因此,在稀土尾砂植被恢复中关于乔木树种的选择可优先考虑樟树。     

植物根系提水作用研究述评

根系提水作用是植物在干旱生境下,通过根系将深层湿润土壤中的水分提升至浅层干燥土壤中的一种生理过程,不同植物具有不同的根系提水强度。这一研究的基本方式是分根法,而时域反射仪(TDR)法和中子水分仪法则是近年来较受重视的测定方法,并逐步由室内测定向大田测定过渡。研究的主要内容可归纳为五个方面,其中在根系提水作用与植物蒸腾作用、浅层土壤营养的有效性以及与植物遗传性的关系等方面,研究结果较为一致,但在提水的数量和发生提水作用时土壤水分状况等方面,研究结果不尽相同;对植物光合、呼吸等其他代谢的影响以及室内测定结果与大田条件一致性等问题的研究,报道较少,特别是作用机理的研究。因此,深入这方面的研究对于进一步提高植物水分利用率,促进旱地节水农业和畜牧业的发展具有重要的意义。     

干旱胁迫植物个体生理响应及其生态模型预测研究进展

全球气候突变导致干旱事件频发，进而易引发严重的植物衰退甚至死亡，聚焦植物尤其是树木死亡的生理学机制并期望基于此评估及预测气候变化导致植物死亡风险已成为热点话题。植物通过调整内在生理代谢过程，例如通过调节渗透物质的含量，来平衡渗透势、维持细胞膨压、调节植物激素的信号水平，诱导植物气孔开放程度降低，有利于植物保存水分、调控植物水通道蛋白的表达，进而保持体内水分稳定并对干旱胁迫做出快速响应。这些生理过程中的每一环调节都为了确保水分运输的效率和安全性，增加植物抗旱性以及生态系统稳定性。植物的抗旱性不仅体现在生理代谢方面的调节，还表现在植物水力特性与解剖结构间相辅相成。当植物改变水力特性的同时，其茎叶会在解剖结构上做出调整以满足植物在干旱环境下水分供需平衡，从而降低植物蒸腾水分散失、增强细胞储水并提高生存能力。植物应对水分胁迫的策略通常与水分消耗和碳获取之间的平衡有关，明晰植物水分消耗与光合碳获取间存在平衡关系的性状特征便于更好地理解植物的水分利用策略。然而，植物表现出的任意单一性状特征的强弱都无法代表整个植物适应逆境的优劣，未来只有通过将植物更多性状特征进行相互关联，以具有代表植物水力功能、结...     

植物生长物质与植物抗旱性的关系(综述)

脱落酸、乙烯、多胺和细胞分裂素等是与植物抗旱性关系较为密切的几种植物激素。文章就植物在遭受干旱胁迫时其体内激素变化及喷施植物生长调节剂对植物抗旱性的影响进行概述,为生化调控植物抗旱性提供参考。     

水分胁迫下AM真菌对柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)生长和抗旱性的影响

利用盆栽实验研究了水分胁迫条件下AM真菌对柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)生长和抗旱性的影响.在土壤相对含水量为80%、60%和40%条件下,分别接种摩西球囊霉(Glomus mosseae)和柠条锦鸡儿根际土著菌,结果表明,水分胁迫对AM真菌的接种效果有显著影响.不同水分条件下,接种AM真菌显著提高了宿主植物根系菌根侵染率.土壤相对含水量为40%～60%时,接种株的株高、茎粗、生物干重和叶片保水力明显高于不接种株;接种AM真菌提高了植株对土壤有效N和有效P的利用率,增加了植株全P、叶片叶绿素和可溶性糖含量以及SOD、POD、CAT等保护酶活性.土壤相对含水量为40%时,叶片MDA含量明显下降.水分胁迫条件下,以接种柠条锦鸡儿根际土著菌的效果最佳.AM真菌增强宿主植物的抗旱性可能源于促进宿主植物根系对土壤水分和矿质元素吸收的直接作用和改善植物体内生理代谢活动、提高保护酶活性的间接作用.     

抗旱节水化控制剂对珙桐幼苗抗旱性的影响:模型构建、主效应与交互效应分析及最优选择

采用二次回归通用旋转组合设计,对国家一级保护珍惜植物珙桐(Davidia involucrate)幼苗进行盆栽控水试验,研究了水分胁迫下氯化钙(CaCl2)、水杨酸(SA)和保水剂对珙桐幼苗抗旱性的影响.结果表明:CaCl2、SA和保水剂对珙桐幼苗抗旱性的影响均呈正向作用,且它们之间具有协同效应;CaCl2和SA提高了珙桐幼苗在水分胁迫前期对土壤水分的利用,使幼苗维持了较高的抗旱性;随着土壤干旱的持续,保水剂对水分胁迫有缓效作用,使土壤维持了较高的水分含量,有利于保持幼苗的抗旱性,减小水分胁迫的危害.综合各抗旱生理特性指标得出最佳的农艺措施为:CaCl2 839.400～1256.520 mg·L-1、SA44.015～69.306 mg·L-1、保水剂618～700 ml·pot-1.     

不同干旱水平下蚯蚓对番茄抗旱能力的影响

土壤无脊椎动物可能会通过促进土壤持水能力和增加土壤肥力而缓解植物的干旱胁迫。本研究采用蚯蚓和干旱水平的双因子完全交互设计, 模拟了干旱胁迫条件下蚯蚓对土壤性质及番茄抗旱性的影响。结果表明, 在高干旱胁迫时, 蚯蚓通过增加番茄茎叶抗氧化能力提高了植物抗旱性, 上调番茄茎叶脱落酸和茉莉酸生物合成过程的基因表达(NCED、NSY、OPR、AOS和LOX), 促进脱落酸和茉莉酸含量分别增加43.2%和33.6%, 过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶含量分别增加12.9%、8.4%和47.3%。在低干旱胁迫时, 蚯蚓上调茉莉酸合成通路基因表达, 但降低了脱落酸含量, 对转录因子ABF4、MYC2基因表达和植物抗氧化能力无明显影响。干旱导致的土壤水分和养分条件变化影响着蚯蚓介导的植物抗旱性响应。本研究证明了土壤动物对植物抗旱的重要作用, 如蚯蚓对植物激素合成、信号传导和抗氧化能力的影响。了解土壤动物影响植物抗旱的内在机制, 有助于深挖和利用土壤动物的多样化生态功能。     

丛枝菌根真菌对杨树生长、气孔和木质部微观结构的影响

植物气孔与木质部导管及纤维的功能直接关系着植物的水分利用, 进而影响植物的生长。为研究丛枝菌根真菌(AMF)对杨树抗旱性的影响, 采用温室盆栽的方法, 研究两种水分条件下, 接种根内球囊霉(Rhizophagus irregularis)对速生杨107 Populus × canadensis (P. nigra × P. deltoides) ‘Neva’气孔及木质部微观结构的影响。结果表明: AMF的侵染显著提高了杨树幼苗地上和地下部分生物量, 对叶片气孔长度、茎部导管细胞直径和纤维细胞长度也有促进作用。AMF对生物量和导管细胞直径的增加幅度表现出干旱条件下>正常水分条件下, 而对气孔长度的提高幅度表现出干旱条件下<正常水分条件下。正常水分条件下, AMF增加了杨树叶片的气孔密度, 减小了纤维细胞直径, 对相对水分饱和亏缺无影响; 干旱条件下, AMF增加了纤维细胞直径, 降低了相对水分饱和亏缺, 对气孔密度无影响。综上所述, 干旱条件下, AMF对导管水分传输能力的促进作用明显增加, 而对气孔蒸腾能力的促进作用有所减少, 从而更利于杨树在遭遇干旱时保持水分, 减少干旱对菌根杨树造成的水分亏缺, 提高菌根杨树对干旱的耐受性。