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Science综述植物对干旱的生理响应
干旱是造成年度作物产量降低的最主要原因。植物改变它们的生
理状态,根的生长和株型,以及关闭地上部分气孔来适应土壤的湿度
梯度。这些组织特异的应答改变了细胞信号转导,导致开花提前或生
长迟缓,造成产量降低。模式植物拟南芥的生理和分子研究表明,植
物激素信号转导是调控干旱或缺水反应的关键。2020年Science杂志
上发表的综述文章“Thephysiologyofplantresponsestodrought”
总结了植物应答干旱胁迫的各种机制,展望了可用于改善作物抗旱性
的途径。
图1.全球气候、农业和粮食安全的过去、现在和未来
干旱对农业、人类以及牲畜是不幸的。气候改变使地球更热、更
干燥。现在迫切需要生产出高产,且水分利用更高效植物(图1A)。
全球人口从1990年的50亿增至目前的75亿多,预计到2050年将增
至97亿至100亿(图1B)。到2050年,预计将有50亿人生活在缺
水地区。尽管全球可耕地略有增加,但仍需要额外100万公顷土地以
确保粮食安全(图1C)。此外,到2050年,农业用水需求可能会翻
一番,而由于气候变化,淡水供应预计将下降50%(图1D)。
水对植物生存至关重要,缺水会造成植物生长受抑制。然而,植
物有策略来防止水分流失,平衡重要器官的最佳供水,保持细胞含水
量,并坚持度过干旱时期。植物感知缺水信号并启动应对策略的能力
被定义为抗旱性。抗旱性是一个复杂的性状,其发生机制多种多样:
逃旱性(在干旱可能会阻碍植物的生存前,加速植物的繁殖阶段),
避旱性(增加体内含水量,避免组织损伤的耐力)和耐旱性(内部含
水量较低,干旱期间仍保持生长的耐力)。从分子生物学角度看,细
胞水分损失是干旱胁迫的标志。在细胞水平上,干旱信号促进应激保
护代谢产物如脯氨酸和海藻糖的产生,触发抗氧化系统来维持氧化还
原的稳态,并利用过氧化物酶来防止急性细胞损伤和保护细胞膜完整
性。缺水胁迫的程度和感受到胁迫的植物器官等因素也会触发特定的
信号反应,包括但不限于脱落酸、油菜素内酯和乙烯等植物激素通路。
干旱对农业的影响取决于降水和土壤水分梯度减少的程度和持续
的时间,以及植物种类和发育阶段。在大多数情况下,由于长期降水
不足、地下水水位下降和/或取水渠道有限,导致作物遭受中度干旱,
从而导致总体产量的大量损失。因此,研究植物在中度干旱时如何维
持生长的机制,并在这一时期制定改善植物抗旱性的策略,可以为未
来的粮食安全提供解决方案。
与抗旱性有关的性状。根系在细胞水平上和整个根系结构上对土
壤水分的变化作出反应。根干细胞生态位、分生组织和维管组织互相
协调应对干旱胁迫(图2A和B)。在缺水时,根系结构发生形态学改
变以增强其吸收水分和养分的能力,这些变化可以追溯到根尖的细胞
分裂、伸长和分化的协调。在获取水分时,根系不同地生长,使其结
构或深或浅(图2C)。更长的、更深的根,减少了分枝角度,可以有
效地从表面干燥,深层保湿土壤中吸收水分。相比之下,在降水少的
地区,较浅的根系结构更有利于最大限度地从土壤表面获取水分。当
根系遇到水分分布不均匀的土壤环境时,侧根会倾向于向含水量较高
的土壤生长,这一过程受生长素信号的调节。另一种对土壤中不均匀
分布水分的适应性反应是向湿性(图2D),在这种情况下,根尖向含
水量较高的区域生长,从而优化根系结构以获得水分。
气孔关闭是一种更快速的防御脱水的方法(图2E和F)。叶片表
面的气孔根据周围保卫细胞的膨压大小而打开或关闭。保卫细胞的膨
压驱动的形状变化受细胞壁结构、质膜、液泡性质和细胞骨架动力学
的影响。
植物的维管组织,木质部和韧皮部,具有从根向地上部分传递水
分有效性信号和从地上部分向根传递光同化物质的功能。这些内部维
管组织的发育也会影响抗旱性。在拟南芥中,与避旱性相关的光周期
依赖蛋白FT通过韧皮部装载从叶片运输到茎顶端分生组织,并促进早
花。
综上,在干旱期间,植物系统通过增加根系对土壤水分的吸收,
关闭气孔减少水分损失以及调节组织内的渗透压,积极地维持生理水
分平衡。
图2.抗旱性的根茎性状
图3
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