植物营养与作物抗旱性

本文综述了近30年来植物营养与作物抗旱性关系的研究进展,重点讨论了植物必需的营养元素氮、磷、钾等对作物抗旱性的影响,指出这些营养元素主要通过水分调节、渗透调节、气孔调节和光合调节等一系列生理生化机制来增强作物的代谢活性、提高作物抗旱性。并对今后这方面研究中的重点内容进行了评述。     

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。     

水分亏缺下细胞延伸生长与细胞膨压和细胞壁特性的关系

在简要介绍植物细胞延伸生长的生物物理模型的基础上,综述了水分亏缺下植物细胞延伸生长与细胞膨压、细胞壁伸展性和细胞壁塑变阈值的关系,阐述了植物细胞壁调节在作物抗旱性中的作用。     

转基因技术在作物抗旱改良中的应用

浙江大学原子核农业科学研究所王忠华、谢建坤、夏英武等研究人员对此课题作了研究。他们以不同靶标基因为例 ,分不同作用机制 (渗透调节和清除氧自由基等 ) ,介绍了近 1 0年来国内外利用转基因技术改良作物耐盐和抗旱性的研究进展 ,为我国北方农业作物抗旱和耐盐性研究与应用提供了参考资料。他们利用转基因的模式作物烟草到直接用粮食作物水稻的抗旱和耐盐基因水稻在生产中应用虽然还需要进一步深入研究 ,但目前国内外农业和植物科学工作者已确定作物的渗透调节、清除活性氧和LEAP(Laeembryogensis abu ndantproteins)蛋白等 3大抗旱与…     

作物抗旱的作用机制及其基因工程改良研究进展

以不同靶标基因为例,分不同作用机制（如渗透调节、清除氧自由基、LEA蛋白、水通道蛋白、脱水素和气孔关闭等）,简要介绍了近10年来人们利用转基因技术改良作物抗旱性的研究进展,以期为我国农业的抗旱性研究提供一些思路。     

植物的渗透调节与其它生理过程的关系及其在作物改良中的应用

水分胁迫下,植物细胞中溶质主动积累,渗透势降低,从而产生渗透调节（oxmoticadjustment,OA）现象。渗透调节的主要功能在于维持膨压,继而影响其它一些生理生化过程[30,41]。本文讨论植物在水分胁迫下产生渗透调节的生理基础,渗透调节的意义及其在作物改良中的应用前景。互渗透调节的意义1．互渗透调节与抗旱性的关系在水分胁迫下,小麦的渗调能力与抗旱性成正相关。这是Morgan在1977年的试验结果。Flower等‘”‘也观察到抗旱的高粱品种比不抗旱品种能在更低的叶水势下使膨压得到维持。从理论上讲,渗调能力高有利于植物抗旱,但由…     

无机营养对春小麦抗旱适应性的影响

本文研究了无机营养对春小麦一些抗旱适应性的影响,主要包括:渗透调节的大小和变化过程、可溶性糖的积累、脯氨酸的积累、叶片导度的变化、离体叶片的失水速率、叶面积和耗水量的变化、根系生长和根/植冠值,并且分析了各个处理植株的水分利用效率(WUE)和产量的变异。认为,在干旱条件下,无机营养对于春小麦不同器官、不同生理功能,并不都具有一致的作用。有的利于提高植株的抗旱性,有的可以改变一些适应性产生的时间和发展过程,有的则不利于植株的抗旱性。通过综合分析,提出旱地施肥使作物增产的主要原因是,营养元素满足了作物生长所需,促进了根系发育,利于吸收水分、维持水分平衡和正常生理功能,但对作物自身的耐旱性并没有产生显著影响。     

天机营养对春小麦抗旱适应性的影响

本文研究了无机营养对春小麦一些抗旱适应性的影响,主要包括：渗透调节的大小和变化过程、可溶性糖的积累、脯氨酸的积累、叶片导度的变化、离体叶片的失水速率、叶面积和耗水量的变化、根系生长和根／植冠值,并且分析了各个处理植株的水分利用效率(WUE)和产量的变异。认为,在干旱条件下,无机营养对于春小麦不同器官、不同生理功能,并不都具有一致的作用。有的利于提高植株的抗旱性,有的可以改变一些适应性产生的时间和发展过程,有的则不利于植株的抗旱性。通过综合分析,提出旱地施肥使作物增产的主要原因是,营养元素满足了作物生长所需,促进了根系发育,利于吸收水分、维持水分平衡和正常生理功能,但对作物自身的耐旱性并没有产生显著影响。     

氮代谢参与植物逆境抵抗的作用机理研究进展

近年来,植物所受到的诸如干旱、盐、高温、低氧、重金属胁迫和营养元素缺乏等环境胁迫越来越多,严重影响了植物的生长发育及作物的质量和产量。氮素是植物生长发育所需的必需营养元素,同时也是核酸、蛋白质和叶绿素的重要组成成分,其代谢过程与植物抵抗逆境的能力息息相关。氮代谢是指植物对氮素的吸收、同化和利用的全过程,是植物体内基础代谢途径之一。氮代谢主要从氮素吸收、同化及氨基酸代谢等方面参与植物的抗逆性,并通过调节离子吸收和转运、稳定细胞形态和蛋白质结构、维持激素平衡和细胞代谢水平、减少体内活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成以及促进叶绿素合成等生理机制来影响植物抵抗非生物胁迫的能力。因此,提高植物在逆境下的氮代谢水平是减轻外界胁迫对其损伤的一种潜在途径。该文从氮素同化的基本途径出发,分别阐述了氮代谢在干旱胁迫、盐胁迫和高温胁迫等多个方面的逆境抵抗过程中的作用机理,为氮代谢参与植物抗逆性研究提供了有利参考。     

植物根系响应低磷胁迫的机理研究

磷是植物生长的必需营养元素之一。但大部分土壤中有效磷含量较低,难以满足植物生长的需求。作物磷效率遗传改良是解决土壤磷供应不足的有效途径。根系是植物吸收矿质营养元素的主要器官,其性状决定了植物对土壤磷的吸收利用效率。解析根系对低磷胁迫的响应机制是进行作物磷效率遗传改良的基础。主要介绍了近年来关于植物根系响应低磷胁迫机理的重要研究成果。     

抗旱相关基因在烟草中的应用研究进展

干旱是影响烟草正常生长、发育、产量和烟叶品质的一个重要逆境因子。在干旱胁迫下,植物体内会通过激发一些抗旱基因的表达来增强植物的抗旱能力。目前,很多抗旱相关的功能蛋白基因和调控蛋白基因已被克隆并在烟草中实现了遗传转化,外源抗旱基因的表达提高了转基因烟草的抗旱能力。抗旱基因的克隆为烟草抗旱新品种的培育奠定了良好的分子基础,系统深入地研究抗旱相关基因在干旱胁迫条件下的表达与调控,可为通过基因工程手段提高烟草的抗旱能力开辟新途径,同时也能为其他农作物的抗旱分子育种和品种改良提供基因资源。     

渗透调节参与循环干旱锻炼提高烟草植株抗旱性的形成

对漂浮育苗的烟草幼苗进行控水一半萎焉．复水一恢复的循环干旱锻炼。结果表明,这种干旱锻炼能显著提高烟草幼苗根、茎、叶中的渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸的含量,降低细胞渗透势。当干旱锻炼过的烟草植株遭受后续的干旱胁迫时,与未锻炼的对照相比,其根、茎、叶能积累更多的可溶性糖和脯氨酸,从而降低了细胞渗透势,使叶片能维持较高的膨压。这些结果表明渗透调节参与了循环干旱锻炼提高的烟草植株抗旱性的形成过程。此外,干旱锻炼提高了烟草幼苗的根／冠比。循环干旱锻炼过程中烟草植株一方面使其各部位通过渗透调节来对干旱环境进行生理适应,另一方面通过调节光合产物在地上部和地下部的分配以影响根／冠比来对干旱环境进行形态适应,以最终提高其抗旱性。     

作物抗旱相关分子标记及其辅助选择的研究进展

分子标记辅助选择育种给作物抗旱育种提供了新的途径。本介绍了国内外在小麦、玉米、水稻、大豆等重要农作物抗旱相关分子标记方面的研究进展。对作物抗旱相关QTL分子标记辅助育种进行了探讨,并对其发展策略提出了一些思考。     

干旱胁迫条件下马铃薯耐旱品种宁蒗182叶片蛋白质组学分析

开展马铃薯抗旱分子机理的研究对培育马铃薯抗旱品种, 减少干旱造成的损失至关重要。文章利用双向电泳技术对云南地方耐旱马铃薯品种宁蒗182在干旱与正常处理条件下叶片表达差异蛋白质组进行对比研究。经电泳图谱分析和MALDI-TOF-TOF/MS质谱鉴定获得12个表达差异蛋白点, 并进行了功能分类。结果发现, 在差异蛋白中具有保护马铃薯光和系统以及线粒体正常运转的酶类; 调节该植株对环境胁迫响应的信号传导以及调控其组织内N、C运输系统的功能蛋白, 这些蛋白在受到干旱胁迫时表达量均升高。这一结果揭示出该类蛋白是马铃薯在干旱条件下产生的耐受相关蛋白。文章为阐释马铃薯抗旱品种通过多种路径和水平的调控提高其抗性的分子机理提供了理论依据。     

Functional Genomics of Drought Tolerance in Bioenergy Crops

With predicted global changes in temperature and precipitation, drought will increasingly impose a challenge to biomass production. Most of the bioenergy crops have some degree of drought susceptibility as revealed for example through measures of low water-use efficiency (WUE). It is imperative to improve drought tolerance and WUE in bioenergy crops for sustainable biomass production in arid and semi-arid regions. Genetics and functional genomics can play critical roles in generating knowledge to inform and aid genetic improvement for drought tolerance in bioenergy crops. The molecular aspects of drought response have been extensively investigated in model plants like Arabidopsis, yet our understanding of the molecular mechanisms underlying drought tolerance in bioenergy crops is limited. Plants in general exhibit various responses to drought stress depending on species and genotype. A rational strategy for studying drought tolerance in bioenergy crops is to translate the knowledge from model plants relative to the unique features associated with individual bioenergy species and genotypes. In this review, we summarize the general knowledge concerning drought responsive pathways, with a focus on the identification of commonality and specialty in drought responsive mechanisms among alternate species and genotypes. We describe the genomic resources developed for bioenergy crops and discuss genetic and epigenetic regulation of drought responses. We also examine comparative and evolutionary genomics as a means to leverage the ever-increasing genomics resources and provide new insights beyond what is known from studies on individual species. Finally, we outline future opportunities for studying drought tolerance using the emerging technologies.     

The battle of crops against drought: Genetic dissection and improvement

With ongoing global climate change,water scarcity-induced drought stress remains a major threat to agricultural productivity.Plants undergo a series of physiological and morphological changes to cope with drought stress,including stomatal closure to reduce transpiration and changes in root architecture to optimize water uptake.Combined phenotypic and multi-omics studies have recently identified a number of drought-related genetic resources in different crop species.The functional dissection of t...     

岩溶木本植物对干旱的生理生态适应

受全球气候变暖和季风气候影响,西南岩溶区年降水量及其在季节间的分配发生明显变化,无雨期频率和持续时间增加,且基岩风化严重,基质储水能力差,致使岩溶木本植物面临的季节性和地质性干旱加剧。该文通过参考相关文献分析结构性状和生理调节探讨岩溶木本植物如何适应地质性和季节性干旱。结果表明岩溶木本植物应对干旱的策略与其他干旱、半干旱区的植物大体一致,主要有抗旱和避旱两种策略:抗旱性植物一般具有比叶面积小、叶肉多汁、储水组织发达、细胞液浓度高等适应干旱的特征,可通过增加木材密度、增强木质部导管的抗栓塞性和提高水分利用效率以适应干旱; 避旱植物则可通过小而密的气孔和叶脉、发达的表皮毛、栅栏组织和维管束鞘等结构特征减少水分丧失,并可通过落叶、深根吸收深层水源和脱落酸(ABA)介导提早关闭气孔以适应干旱。虽然关于岩溶植物形态结构和生理调节对干旱适应机制的研究取得了一定进展,但仍然存在一些亟待解决的问题,例如:深入研究岩溶地区基岩水分状况及其对植物的贡献; 加强岩溶木本植物根系结构和生物量分配、树木构型及根际微生物与木本植物干旱适应的协同关系研究; 同时探索如何将岩溶植物生态适应研究成果应用于生产实践中,科学指导石漠化治理与生态修复。     

Overexpression of a Harpin-encoding gene hrf1 in rice enhances drought tolerance

Harpin proteins are well known as eliciters that induce multiple responses in plants, such as systemic acquired resistance, hypersensitive response, enhancement of growth, resistance to the green peach aphid, and tolerance to drought. Overexpression of Harpin-encoding genes enhances plant resistance to diseases in tobacco, rice, rape, and cotton; however, it is not yet known whether the expression of Harpin-encoding genes in vivo improves plant tolerance to abiotic stresses. The results of this study showed that overexpression of a Harpin-encoding gene hrf1 in rice increased drought tolerance through abscisic acid (ABA) signalling. hrf1- overexpression induces an increase in ABA content and promotes stomatal closure in rice. The hrf1 transgenic rice lines exhibited a significant increase in water retention ability, levels of free proline and soluble sugars, tolerance to oxidative stress, reactive oxygen species-scavenging ability, and expression levels of four stress-related genes, OsLEA3-1, OsP5CS, Mn-SOD, and NM_001074345, under drought stress. The study confirmed that hrf1 conferred enhanced tolerance to drought stress on transgenic crops. These results suggest that Harpins may offer new opportunities for generating drought resistance in other crops.     

Interaction of aluminium and drought stress on root growth and crop yield on acid soils

Background

Aluminium (Al) toxicity and drought stress are two major constraints for crop production in the world, particularly in the tropics. The variation in rainfall distribution and longer dry spells in much of the tropics during the main growing period of crops are becoming increasingly important yield-limiting factors with the global climate change. As a result, crop genotypes that are tolerant of both drought and Al toxicity need to be developed.

Scope

The present review mainly focuses on the interaction of Al and drought on root development, crop growth and yield on acid soils. It summarizes evidence from our own studies and other published/related work, and provides novel insights into the breeding for the adaptation to these combined abiotic stresses. The primary symptom of Al phytotoxicity is the inhibition of root growth. The impeded root system will restrict the roots for exploring the acid subsoil to absorb water and nutrients which is particularly important under condition of low soil moisture in the surface soil under drought. Whereas drought primarily affects shoot growth, effects of phytotoxic Al on shoot growth are mostly secondary effects that are induced by Al affecting root growth and function, while under drought stress root growth may even be promoted. Much progress has recently been made in the understanding of the physiology and molecular biology of the interaction between Al toxicity and drought stress in common bean (Phaseolus vulgaris L.) in hydroponics and in an Al-toxic soil.

Conclusions

Crops growing on acid soils yield less than their potential because of the poorly developed root system that limits nutrient and water uptake. Breeding for drought resistance must be combined with Al resistance, to assure that drought resistance is expressed adequately in crops grown on soils with acid Al-toxic subsoils.