根系分泌物是植物与土壤进行物质能量交换和信息传递的重要媒介,同时也是植物响应外界环境变化的主要形式,在土壤碳库动态中发挥着重要作用.伴随着全球气候变化而频繁发生的极端干旱事件对植物地上地下生长过程都产生了深刻的影响,然而,由于根-土界面交互作用的复杂性,以及根系分泌物收集手段与装置的不完善,人们对干旱条件下根系分泌物及其介导的根际激发效应的响应及机制的认知尚存在较大的局限性.基于此,该文结合国内外生态学领域的研究前沿动态,论述了干旱下植物根系分泌物数量及组分的动态变化,重点阐述了根系分泌物介导的根际激发效应及其机制,在此基础上展望了未来根系分泌物研究中的重点关注方向,以期为未来全球气候变化条件下土壤碳汇的评估提供科学依据.

为探究三个抗旱性不同的甘蔗品种['中蔗9号'(ZZ9),抗旱性强;'中蔗2号'(ZZ2),抗旱性弱;'新台糖22号'(Xintaitang22),抗旱性居中]在不同干旱胁迫环境下萌发早期种茎根和芽萌发的差异,试验采用水培法用不同浓度梯度PEG-6000[CK、10％(w/v)和20％(w/v)]模拟干旱胁迫连续培养12 d后采集根系和芽的萌发数量、根和芽的生物量、根系的形态特征及生理指标数据.研究结果显示,抗旱性强的品种'中蔗9号'根系的形态指标(根总长、根面积、根体积和根直径等)均显著高于'中蔗2号'和'新台糖22号'的.随着PEG-6000胁迫程度加深,'中蔗2号'的根系脱落率显著高于'中蔗9号'的,在高浓度PEG-6000(20％)胁迫下,随时间的延长'中蔗2号'的根系数量急剧下降,而'中蔗9号'的根系数量呈现上升趋势,说明'中蔗9号'的根点在高浓度PEG-6000模拟干旱胁迫下仍能保持生活力,并从休眠状态复苏而继续萌发.'中蔗9号'的根茎粗壮,根系生物量最多,芽体生物量最少,而'中蔗2号'反之,根系生物量最少,芽体生物量最多.在高浓度PEG-6000胁迫下,'中蔗2号'和'新台糖22号'的SOD、POD的酶活性均下降,而'中蔗9号'的处于持续上升趋势,此时'中蔗9号'根系的脯氨酸含量亦极显著(240％)上升.在PEG-6000模拟干旱胁迫下,甘蔗种茎根芽萌发的上述特征与大田抗旱表型观察结果相吻合.本研究结果为快速筛选抗旱甘蔗品种提供了参考依据.

植物在生长发育过程中面临各种非生物胁迫.其中干旱胁迫严重影响作物生长,降低其产量.植物中以TB2/DP1结构域为特征的HVA22蛋白参与调控生长发育和非生物胁迫响应.然而,HVA22在番茄(Solanum lycopersicum)干旱胁迫响应中的功能尚不清楚.该研究探索了番茄SIHVA22/基因的功能.结果表明,番茄SIHVA22I与其它双子叶植物中的HVA22I同源蛋白具有较高的序列相似性.表达模式分析显示,SIHVA22/基因表达受干旱胁迫和植物激素(ABA和MeJA)诱导.此外,通过酵母(Saccharomyces cerevisiae)异源表达和病毒诱导基因沉默技术沉默番茄SIHVA22/基因,验证了SIHVA22/基因的抗旱功能.干旱处理后沉默植株表现出较高的过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量,以及较低的O2-·清除率,且其超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性较对照显著降低.综上表明,S/HVA22/基因在番茄抵御干旱胁迫中发挥重要作用.

藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)营养丰富且抗逆性较强.本研究以M059(胚根生长快)和M024(胚根生长慢)两种藜麦种质材料为研究对象,采用PEG-6000模拟干旱胁迫,观察种子表型的解剖结构,对发芽种子进行糖含量测定,并对正常水处理和干旱处理的材料进行转录组测序.种子表型及糖含量测定结果显示:与正常水处理相比,15％PEG-6000处理24h后M059和M024胚根长度分别降低68.65％和71.43％;在正常水处理条件下,M059的可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖和果糖含量较M024 高 18.58％、97.84％、70.54％和 32.77％;在 15％PEG-6000 处理 24 h后,M024 的蔗糖含量比M059 高 23.01％,M059 的可溶性总糖和葡萄糖含量比M024分别高7.26％和25.00％.韦恩图分析结果表明,C1vsD1、C2vsD2、C1vsC2和D1vsD2比较组中共有差异表达基因211个,特异性差异表达基因分别为132个、1270个、578个和914个.GO富集分析表明,与干旱胁迫下藜麦种子糖代谢的分子响应密切相关的GO通路有5条.KEGG富集分析表明,与干旱胁迫下藜麦种子糖代谢密切相关的代谢途径有3条.根据差异表达基因的功能注释,有 10 个差异表达基因(LOC110702784_AGAL2、LOC110719866_INV1、LOC110717843_TPPJ、LOC29490_CELB、LOC110719843_bg1x、LOC110689796_SUS1、LOC110690728_MAN6、LOC110729879_HK2、LOC110712726_EGLC、LOC110734349FK7)与糖代谢相关,且这10个差异表达基因的qRT-PCR验证结果与转录组结果一致.本研究结果将对深入解析藜麦响应干旱的分子调控机制提供参考.

为探究不同水分条件下施磷肥对冬小麦光合及结实特性的调控效应,明确施磷调控光合生产力促进穗花发育成粒的机制,于2020-2022年设置3种水分处理(W0:重度干旱;W1:中度干旱;W2:正常水分)和2种磷肥处理(P0:不施磷;P1:施磷)的盆栽试验,以大穗型品种周麦16(V1)和多穗型品种豫麦49-198(V2)为试验材料,通过测定不同穗位(基部、中部和顶部)的可孕小花数、结实数以及叶片净光合速率、叶绿素、叶绿素荧光参数、蔗糖含量等,分析不同水分条件下磷素对两类型品种冬小麦光合及结实特性的影响.结果表明,施磷肥可以有效增加冬小麦开花期(W10时期)可孕小花数,尤其对基部穗位的可孕小花数提升效果最显著(13.74％—27.01％),其次是顶部(9.57％—20.19％),再次是中部(6.97％—14.01％).对成熟期的结实粒数而言,施磷肥可以提高干旱胁迫下每穗的小穗数以及各小穗的结实数,进而显著提高每穗的结实粒数.此外,施磷肥可以有效提高两类型品种叶片净光合速率、叶绿素含量、光系统Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)和实际光化学效率(ΦPSⅡ);对蔗糖含量的影响因水分而异,干旱处理下增施磷肥降低了蔗糖含量,正常水分条件下则增加了蔗糖含量.将两类型品种光合指标分别与可孕小花数和穗粒数进行通径分析发现,5个光合指标与可孕小花数和穗粒数均呈正相关,其中净光合速率和蔗糖与可孕小花数的直接通径系数为1.001和0.435,与穗粒数的直接通径系数为0.996和0.626,远高于其他指标.最终,施磷通过增加穗数、穗粒数以及千粒重来显著增加产量,其中穗粒数在不同水分下均达到显著水平,穗数在W1和W2处理下显著,千粒重提升效果不显著.综上所述,在不同水分条件下施磷肥均可以通过调控冬小麦的光合性能提高其光合生产力,以维持正常的生理代谢功能,从而减少可孕小花的退化和败育以促进穗花成粒,最终达到缓解干旱胁迫危害以实现高产稳产的目的.研究结果为小麦生产中合理施用磷肥缓解干旱胁迫提供理论依据和技术支撑.

为探讨坡柳(Dodonaea viscosa)在珊瑚砂环境的适应能力,设置全光、遮阴、黑暗3个光照处理,并采用梯度控水法设置正常控水、中度胁迫、重度胁迫3个水分梯度,对坡柳幼苗在光照和水分双因素处理下抗逆生理指标的变化进行了研究.结果表明,干旱胁迫和光照控制及其交互作用均对坡柳幼苗的丙二醛(MDA)、可溶性蛋白(SP)和脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性有显著影响(P<0.05);遮阴和黑暗处理的MDA含量维持在较低水平;黑暗条件下SOD活性随胁迫程度增加而升高;全光和正常控水下POD活性最高;随光照强度减弱,CAT活性逐渐升高;遮阴和水分重度胁迫下SP含量最高,遮阴和水分中度胁迫Pro含量最高.因此,光照和水分对坡柳幼苗生长具有交互作用,在特殊生境生态修复实践中,给予坡柳幼苗适当遮阴的同时应保证适当水分有利于幼苗生长.

TCP是植物特有的一类转录因子,在植物生长发育过程中发挥着重要作用.该研究利用生物信息学方法对苦荞TCP家族进行全基因组鉴定,并通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术分析苦荞TCP基因在干旱胁迫和盐胁迫下的表达特征.结果表明:(1)在苦荞的基因组中鉴定出 28 个TCP 家族成员,它们不均匀地分布在苦荞的8 条染色体上.(2)多数的苦荞TCP基因包含1～5 个外显子.(3)系统发育分析将苦荞TCP家族分为 5 个亚家族,种内TCP蛋白多聚集在同一分支上.(4)共线性分析表明,5 个苦荞TCP基因来自全基因组复制事件.(5)顺式元件分析显示,苦荞TCP基因的启动子区域的顺式响应元件主要包含胁迫响应元件和激素响应元件两大类.(6)转录组数据分析结果显示,所有苦荞TCP基因在检测组织中均有表达.(7)qRT-PCR结果显示,FtTCP3、FtTCP6、FtTCP12 和FtTCP13 基因在干旱胁迫和盐胁迫下的表达量发生变化,其中FtTCP3 在 6h干旱处理和盐处理时表达量均达到峰值,说明FtTCP3 基因在苦荞应对干旱胁迫和盐胁迫中起正向调控作用.该研究结果为了解TCP基因家族的进化和功能提供了新的见解,为苦荞TCP基因家族的功能研究和利用奠定了基础.

膨胀素(expansin,EXP)通过调控细胞壁的松弛在植物应对环境胁迫过程中起着重要作用.为研究EXP基因在大豆应对非生物胁迫过程中的作用,该文对大豆中的两个EXP基因(GmEXPB5 和GmEXPB7)及其蛋白序列进行生物信息学分析,通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测基因表达量.结果表明:(1)GmEXPB5 和GmEXPB7 分别位于大豆第 10 号和第 12 号染色体上,编码的蛋白序列长度分别为 272 和 267个氨基酸.GmEXPB5 蛋白分子量为 29.07 kD,理论等电点为 7.51;GmEXPB7 蛋白分子量为 29.09 kD,理论等电点为 8.66.GmEXPB5 和GmEXPB7 均为稳定的亲水蛋白且定位于细胞壁中.GmEXPB5 和GmEXPB7蛋白均含有一段信号肽序列和一个保守的DPBB_1 结构域.(2)GmEXPB5 蛋白与鹰嘴豆CaEXPB15 蛋白亲缘关系最近,GmEXPB7 蛋白与密花豆、赤豆和豇豆的EXPB3 蛋白有着较近的亲缘关系.(3)GmEXPB5和GmEXPB7 在大豆根、茎和叶中均有表达且它们在根和叶中的表达量均显著高于茎中的表达量.(4)GmEXPB5 和GmEXPB7 在大豆幼苗中可以响应盐、干旱和低温胁迫.(5)GmEXPB5 启动子区域含有 2 种与逆境相关的顺式作用元件(ABRE和ARE);GmEXPB7 启动子区域含有 5 种与逆境相关的顺式作用元件(ABRE、ARE、CGTCA-motif、TC-rich repeats和MBS).综上所述,GmEXPB5 和GmEXPB7 能够参与大豆对非生物胁迫的应答.

目的 鉴定远志Polygala tenuifolia bZIP基因,为远志抗逆性改良及次生代谢调控研究提供参考.方法 基于远志三代全长转录组数据库,采用生物信息学方法对远志bZIP基因家族成员进行鉴定和分析,并利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术分析其在不同组织及处理中的表达特性.结果 共鉴定得到27个含有特征性保守结构域的PtbZIP基因,编码蛋白质的氨基酸数量为143 aa(PtbZIP24)～846aa(PtbZIP9),相对分子质量范围为16201.52～92 932.30,等电点(pI)介于4.59～9.69,其中25个家族成员为不稳定蛋白,所有家族成员均为亲水性蛋白.蛋白二级结构主要由a螺旋和无规卷曲构成,均无信号肽,存在多种互作现象.进化树分析将27个PtbZIP蛋白分为A、B、C、D、F、G、I、S8个亚组,其中G亚组含有PtbZIP家族成员数量最多(共有8个),占总数的29.63％,没有PtbZIP基因被归类到E和K组.PtbZIP家族基因的密码子偏好性较弱,适应性较弱.表达模式分析显示,PtbZIP4/15在叶中的表达量最高,茎和根次之;PtbZIP8/24在茎中的表达量最高,叶和根次之;PtbZIP1/17的表达量为根＞叶＞茎;其余21个的表达模式均为根＞茎＞叶.qPCR结果表明,PtbZIP26基因受脱落酸、壳聚糖的诱导,且能显著应答干旱和盐胁迫.结论 鉴定了远志bZIP家族基因及其分子特征,为进一步研究PtbZIP基因在调控远志发育及次生代谢物合成方面的生物学功能奠定基础.

三峡库区消落带适生草本与木本植物对环境胁迫的响应是生态系统结构与功能演变的重要机制.然而,目前对消落带胁迫环境下草本和木本植物的响应特征及是否存在类群差异尚不清楚.该研究基于meta分析,探讨了三峡消落带典型环境胁迫(水淹、干旱胁迫)对适生草本和木本植物生理生态特征的影响,从物种和生活型的角度揭示了消落带适生植物类群对水淹、干旱胁迫的响应规律.结果表明:(1)草本植物和木本植物在环境胁迫下均表现出明显的生长发育抑制以及生理生化策略的适应性响应,主要表现在各组织器官生物量、光合速率的下降,丙二醛和脯氨酸含量的增加,以及抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶)活性增强.(2)水淹胁迫对草本植物生物量负效应最强,干旱胁迫次之;水淹胁迫对木本植物总叶绿素含量和光合速率负效应最大,干旱胁迫次之,表现出环境胁迫作用的生活型效应;但草本与木本植物的总叶绿素含量均对水淹胁迫响应最敏感,而木本植物对干旱胁迫表现出一定的内稳态.木本植物在生理生化方面对水淹胁迫的响应比草本植物更显著,且主要体现在气孔导度、丙二醛含量、脯氨酸含量和过氧化物酶活性方面的响应与草本植物存在差异;而草本植物对干旱胁迫的响应比木本植物更显著,主要表现为总叶绿素含量、水分利用效率、抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶)活性方面的响应与木本植物存在差异.(3)草本和木本植物对不同环境胁迫的形态响应具有组织特异性差异.草本植物主要以根部、茎部和叶片形态的变化适应水淹和干旱胁迫,木本植物则主要以根部形态的变化为主.