四季豆胁迫抗性生理研究进展

菜豆又称四季豆、芸豆等，是中国重要的豆科蔬菜作物。随着设施农业的发展，菜豆的设施栽培面积逐年增加，但许多地方由于成本等原因，并不能为菜豆生长创造良好的环境条件，时常出现低温、弱光、营养元素缺乏等问题。前人对各种胁迫条件下菜豆生长及其所产生的应激反应做了一些研究，明确了各种生理生化指标与菜豆抗性的关系，同时筛选出部分抗逆菜豆资源，为逆境条件下菜豆的栽培和育种提供了一定的理论依据。
1 植物胁迫抗性原理
    植物在生长的过程中，会受到各种环境的胁迫（如干旱、水害、热害、冷害、病虫害、元素缺乏和重金属危害等），这些逆境将导致植物体内产生大量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），其中最重要的是超氧化物自由基O2 - 和过氧化氢（H2O2）。ROS 可以通过破坏核酸、氧化蛋白来影响细胞的功能，从而影响植物的正常生长。环境胁迫引起的ROS 的积累可以通过抗氧化酶系统来消除，植物体内的抗氧化酶系统主要由超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、抗坏血酸（ascorbic Acid，AsA）、谷胱甘肽（glutathione，GH）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbateperoxidase，APX）等构成。其中，SOD 为植物体内部防御活性氧毒性的保护酶，能清除超氧自由基；POD 和CAT 是植物体内清除H2O2 的两个主要酶，植物抗胁迫能力的提高可能与体内的抗氧化酶系统有关。电解质外渗率是反映作物承受胁迫程度的重要生理指标之一，作物抗逆能力越强，其电解质外渗率就越小，产量也就越高。丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的最终产物，会严重损伤生物膜，MDA与蛋白质结合引起蛋白质分子内和分子间的交联，细胞原生质膜受到破坏，细胞膜透性增加，植株受到破坏。因此，MDA 也是反应植物抵御外界不良环境能力大小的一个重要指标。
2 环境因子与菜豆胁迫抗性生理
2.1 低温与菜豆胁迫抗性生理
    菜豆喜冷凉，但不耐寒，可以在月平均气温为10~25 ℃下栽培。菜豆种子发芽开始温度为8 ℃，适温为20~25 ℃，种子发芽最低地温为10~12 ℃，发芽后长期处于11 ℃左右时，根系生长缓慢，出土慢，幼苗生育适温为18~20 ℃，10℃以下生长受阻，幼根生长缓慢。设施农业的发展使菜豆的周年供应成为可能，但也存在许多问题，苗期低温冷害就是其中之一，很大程度上制约着设施菜豆的推广。目前，研究人员对菜豆低温胁迫抗性生理方面做了一些研究，主要是筛选耐低温菜豆资源，为菜豆耐低温育种服务。于超等对收集到的32 份不同基因型菜豆幼苗，以低温胁迫下的叶片冷害指数和电解质渗漏率为指标进行了抗冷性鉴定，通过聚类分析将其抗冷性划分为强、中、弱3 个类群，并且冷害指数与电解质渗漏率之间存在明显的相关性，两者结合能够很好地鉴定菜豆幼苗的抗冷性。刘大军等对80 份不同基因型的菜豆材料进行了抗冷性鉴定，通过冷害指数指标鉴定出抗冷性强的材料49份，抗冷性中等的材料15 份，抗冷性弱的材料16份；验证了电解质外渗率与冷害指数呈极显著正相关，再次证明苗期菜豆叶片低温下电解质外渗率指标可作为菜豆抗冷性鉴定的指标。欧阳主才等研究发现，冷胁迫对矮生菜豆的伤害主要表现在外观伤害、生理指标和生化指标改变3 个方面。从外观上看，冷害指数是外观伤害最直接的反映指标，与冷害指数密切相关的电解质渗漏率、MDA 含量、可溶性糖含量和叶绿素含量等指标的变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标是电解质渗漏率，其次是MDA 含量，第三是可溶性糖含量和叶绿素含量的变化。矮生菜豆幼苗在低温胁迫过程中，SOD、POD、CAT 等3 种保护酶活性均呈“先上升后下降”的趋势，这说明在低温伤害较轻的情况下，植物代谢系统通过增加保护酶的活性来减轻低温的危害，而随着低温胁迫时间延长，植物受到伤害的程度加剧，超过一定的限度，植物体内保护酶合成系统受到破坏，从而导致保护酶的活性降低。袁成志等对7 个油豆类型菜豆品种进行了低温处理，研究了低温处理对菜豆幼苗叶绿素含量、根系活力、过氧化酶活性、丙二醛含量及脯氨酸含量的影响。结果表明，低温能降低菜豆幼苗叶片叶绿素含量，影响叶片正常光合作用；低温会降低菜豆幼苗根系活力，影响根系正常发育；低温会适当增加菜豆幼苗过氧化物酶活性、丙二醛含量及脯氨酸的含量，破坏叶片细胞膜系统，使植株正常生长受阻。可见，不同菜豆资源对低温的反应无论从外观形态上还是从生理生化指标上，都存在较大的差异。通过测定各种生理生化指标，可以准确、迅速地鉴定出各菜豆资源抗冷害能力，简化了菜豆抗冷害资源筛选的步骤，加快了抗冷害菜豆育种进程。
2.2 紫外辐射与菜豆胁迫抗性生理
    近年来，由于环境污染严重，造成大气臭氧层变薄，紫外辐射增加，过量的紫外辐射会对植物生长及生理生化过程产生一定的影响，植物正常生长受到抑制。菜豆植株对外界紫外辐射有一定的抵制作用，低强度的紫外辐射虽然能够增加菜豆体内的活性氧，但菜豆植株可以通过自身活性氧清除系统而抵消紫外辐射的危害。但随着紫外辐射的增强及辐射时间的延长，植株体内的活性氧清除系统已不能完全清除紫外辐射所产生的活性氧，从而启动膜脂过氧化作用，细胞膜透性增加，使植株受到伤害。紫外辐射能够破坏菜豆叶片细胞的膜系统，但对菜豆植株不同叶位的叶片伤害程度不同。紫外辐射处理后，菜豆各叶位叶片中MDA 含量呈逐渐增加趋势，且对幼龄叶的伤害较老叶严重。随着紫外辐射时间的延长，叶片中POD 活性呈先增高后降低的趋势，而且随着叶位的升高，叶片中POD 活性逐渐降低，老龄叶最高，幼龄叶最低。菜豆不同叶位叶片中SOD 活性对紫外辐射反应不同，第一叶位叶片中SOD 活性呈逐渐增加趋势，二、三叶位叶片中SOD 活性呈逐渐降低趋势，辐射时间越长，降低幅度越大。
2.3 温、光互作与菜豆胁迫抗性生理
    设施栽培菜豆，往往同时出现低温、弱光等不良环境条件，这种环境条件相互作用将严重影响菜豆的生长发育，同时菜豆也会对这种综合的不良环境产生相应的应激反应，如果条件适合仍能够恢复正常。王大为等研究发现，将暗中低温胁迫的菜豆幼苗分别置于中温弱光、高温强光、低温弱光条件下进行处理，2 d 后中低温弱光和高温强光下菜豆幼苗的MDA 含量不断上升， 其SOD、POD、CAT 酶活力也维持在较低水平，质膜外渗电导率在处理第1 天时上升到最大，之后缓慢下降；而中温弱光条件下的菜豆幼苗MDA 含量上升较少，SOD、POD、CAT 酶活力恢复较快，质膜外渗电导率在后即接近正常值，菜豆幼苗冷害恢复较迅速。可见，当菜豆遇低温危害之后，低温弱光和高温强光不但不能使其恢复正常生长，反而会加剧菜豆叶片细胞的膜脂过氧化作用，使植株受到进一步的伤害。因此，当菜豆植株受到冷害之后应控制其生长环境处于中温、弱光环境之中，以利于植株尽快恢复正常生长。
3 镁缺乏与菜豆胁迫抗性生理
    土壤中营养元素充足是菜豆正常生长的基础，但由于菜农长期使用单一的肥料，必然会导致土壤中部分元素的缺乏，镁元素就是其中之一。由于土壤中镁元素的缺乏，菜豆植株体内会产生一系列生理生化反应，以保证菜豆植株能够抵御镁元素缺乏所造成的不良影响。镁元素是植物生长所必需的营养元素，与植物叶片光合作用密切相关。植物主要从土壤中吸收镁元素，但菜农很少使用富含镁元素的肥料，长期种植之后，土壤中的镁元素已不能够满足植物对镁元素的需求，植株生长受到抑制。汪洪等研究发现，缺镁条件下，菜豆老叶和第一片真叶的相对电导率和丙二醛含量均高于正常植株，老叶中增加程度高于真叶；根渗出液相对电导率也是缺镁处理高于正常植株；缺镁条件下，菜豆植株体内活性氧清除酶系统中的SOD、抗坏血酸过氧化物酶、愈创木酚过氧化物酶活性在真叶中显著高于正常植株，CAT 活性在缺镁条件下也要高于正常植株；老叶中抗坏血酸过氧化物酶活性在缺镁时显著高于正常条件下的老叶，而老叶中SOD、CAT在镁处理间无显著差异。缺镁不仅刺激了活性氧清除酶系统的提高，而且叶片中抗坏血酸、巯基化合物含量均有所提高。活性氧过多，诱导了清除系统中各种酶的活性提高。尽管如此，体内活性氧积累过多，超过体内防御能力，仍会发生膜脂过氧化作用，丙二醛含量增高，细胞膜透性增加。随着时间的延长，在外观上就会出现失绿、坏死等症状；随着外界光照强度的增大，更易诱发缺镁症状的出现和植物体内活性氧清除系统中各种酶活性的提高。
4 问题与展望
    菜豆植株处于胁迫条件下的时候，其自身会启动保护酶系统，以抵御不良条件的危害。因此，菜豆植株有一定的适应恶劣环境条件的能力，但过度持久的伤害对于菜豆植株来说将是不可恢复的，最终会导致植株的死亡。随着设施农业的发展，菜豆基本可以做到周年供应，但在栽培过程中仍然存在很多问题，如低温、弱光、高温、高湿等不良的环境条件，而且很多时候是几种不良环境因子相互作用来影响菜豆的正常生长。因此，各种不良环境因子相互作用对菜豆抗性生理的研究还有待进一步加强。