蕨类植物非生物胁迫研究概述

摘要非生物胁迫能够抑制植物的生长发育。蕨类植物属于具有世代交替特征的一大类群，种类丰富，分布广泛，用途多样。在长期的进化过程中，它逐渐形成了比较独特的应对非生物胁迫的能力。近年来，研究者们越来越意识到蕨类植物在研究和开发应用中的巨大潜力，有关蕨类植物的抗性筛选与分析工作也受到重视。结合国内外近年来的研究报道，主要从非生物胁迫角度，总结分析了有关蕨类植物的非生物胁迫研究结果。

关键词蕨类；非生物胁迫；抗性分析

中图分类号S188文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-06913-02

Research Summary in Abiotic Stresses of Ferns

WANG Xiaonan et al （College of Life Science， Northeast Agricultural University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract Abiotic stresses could cause adverse effects on the growth and development of plants. Fern plant belongs to the specific group with alternation of generation， have profusion of varieties， wide geographic distribution and versatility characteristic， which result in conforming of individual tolerance response to abiotic stresses during longterm evolution. Recently， huge potential has been realized on research and explore of fern， and then tolerance screen and analysis were attached great importance. Here， this paper concluded and analyzed the research results of ferns on abiotic stresses combining the international reports recently year.

Key words Fern； Abiotic stress； Analysis of tolerance

基金项目黑龙江省博士后基金（LBHZ11233）；东北农业大学东农业生物功能基因重点实验室开放课题（NSGJ201203）；黑龙江省科学院青年创新基。

作者简介王晓楠（1981- ），女，黑龙江绥化人，助理研究员，博士，从事植物分子生物学与蛋白质组学研究。

收稿日期20140118非生物胁迫作为重要的胁迫因子严重影响不同类群植物的生长发育和分布。蕨类植物是介于原始的苔藓植物和高等种子植物之间的过渡类群，配子体世代与孢子体世代的交替出现得以完成整个生活史。不同生活史阶段的发育和进化也都受到干旱、低温、重金属等多种非生物胁迫的影响。这为蕨类的系统演化和抗性进化奠定了基础。笔者就近年来关于蕨类的抗性类型进行了介绍，并且简要分析了不同类型非生物胁迫下蕨类的防御应答策略。

1低温胁迫

全世界蕨类植物有12 000多种，大多数蕨类原产于热带和亚热带地区，分布受到温度的极大限制，因而蕨类植物对低温十分敏感，引种驯化工作往往遭遇低温不适的难题。在低温胁迫下，抗寒性强的植物能够较好地维持膜的完整性，避免低温伤害，而抗寒性较差植物的细胞膜往往易遭受较严重的伤害，因此可根据低温下膜透性增加的幅度判断抗寒性强弱。蕨类植物问荆（Equisetum arvense）抗寒能力较弱。这与其孢子囊茎不含叶绿素，无法利用光能进行物质积累有关。在进化过程中，蕨类孢子成熟后孢子囊茎即枯萎，形成短生长期的繁殖对策，从而可以避开不良环境胁迫[1]。蕨类的抗寒能力也可以通过物理方法或化学方法处理得到提高[2]。γ射线对蕨类的试管苗进行辐射处理，在寒冷的季节孢子苗过氧化物酶活性与可溶性糖含量趋高，在特别寒冷的条件下仍能正常越冬，第一代、第二代和第三代试验苗的孢子苗在春天都可提前萌生。这些结果说明适量的γ射线辐射处理能够促使愈伤组织产生耐寒的有利遗传突变，利于耐寒性状蕨类的筛选。另外，经水杨酸处理后楔叶铁线蕨（Adiantum raddianum）的抗低温能力同样得到了提高。蕨类孢子属于单细胞单倍体，外被孢子壁。孢子壁由内壁和具纹饰无弹性的加厚的外壁两部分构成。某些种类还有一层孢子周壁。孢子壁对于营养与能量储存、抵御不良环境有重要作用。蕨类孢子抵御低温胁迫的研究涉及多个属种，低温范围5～196 ℃。研究表明，与种子一样，储存期内蕨类孢子的寿命依赖于温度、湿度条件，但在更低温度或经反复冻融，孢子的寿命极大降低[3]。另外，冷冻保存对延长桫椤属（Alsophila）[4]和欧紫萁（Osmunda regalis）等孢子寿命有重要的作用，适当低温储存对后期配子体的正常发育无影响。

2干旱胁迫

蕨类植物抗旱性的研究较普遍，其中卷柏（Selaginella tamariscina）和卷柏属植物属于蕨类抗旱的典型代表[5]。研究者通过生理学和分子生物学等手段，对卷柏属植物这一特殊类群进行了深入、细致分析，发现海藻糖是卷柏属植物抗旱复苏过程中的重要组分，能够诱导相关基因的表达。同时，干旱期内膜蛋白[6]、热稳定蛋白以及1433蛋白[7]等大量涉及信号转导、细胞结构等功能类群的蛋白表达，都对蕨类抵御干旱胁迫有显著作用。另外，氧化酶系统的激活对于蕨类启动抗旱程序至关重要。SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性显著升高，能够对井栏边草（Pteris multifida）等干旱胁迫下ROS的清除起到重要作用，避免氧化损伤；可溶性糖、脯氨酸等生理指标的变化则说明渗透调节物、渗透保护等机制对蕨类抗旱能力提升的重要作用。蕨类植物在形态类型上也体现了抗旱性的差异[8]。星蕨（Microsorium punctatum）与巢蕨（Neottopteris nidus）同属附生蕨类，在相对高的含水量条件下即可启动气孔关闭，防止水分流失。相比而言，陆生的网脉铁角蕨（Asplenium finlasonianum）在相对含水量至45%时气孔才会关闭。树蕨（Disksonia antarctica）和桫椤（Cyathea australis）在干旱条件下对水分流失则更敏感[9]。

Oliver等[10]根据系统发育分析，推测植物的抗旱性最初存在于苔藓植物，但在维管植物的进化中丢失，并且在进化过程中，耐旱性在卷柏属中至少存在着一个独立的进化或再进化进程。笔者通过对蕨类植物、苔藓植物、裸子植物和被子植物中某些种的脱水反应蛋白的比较分析，认为蕨类植物中存在着耐旱性的独立进化，进而推测蕨类植物卷柏属中的抗旱机制是介于苔藓的原始机制和被子植物的改良耐旱机制的中间类型[7]。

3盐胁迫

植物耐盐性的产生依赖于某些特殊的生理学应答策略，如离子交换能力、光合作用效率、抗氧化酶系统的激活，因而不同植物与其基因型之间的耐胁迫能力有一定差异。海滨铁角蕨（Asplenium marinum）与2种卤蕨属（Acrostichum）植物的孢子萌发、配子体生长和配子囊发育均受到盐胁迫的影响[11]，并且对卤蕨（A.aureum）的极端盐胁迫会导致其配子体内松醇与环醇的预先累积，积累现象与更高浓度胁迫下配子体的光系统Ⅱ的光化学效率受阻有关[12]。通过对绿柄铁角蕨（Asplenium viride）等蕨类植物与苔藓植物的盐胁迫下叶绿素含量和总酚含量的变化分析，发现总酚含量的变化成为蕨类耐盐胁迫过程中抗氧化的重要部分[13-14]。Groot等[15]从水媒和海水沉积物的角度，通过海底和湖底储存对孢子寿命、成活率与配子体形成进行了蕨类生存潜力测定，发现阿尔泰铁角蕨（Asplenium scolopendrium）与欧洲羽节蕨（Gymnocarpium dryopteris）的萌发率与浸没储存无关，而是随着盐浓度的升高而降低；与之相反，铁角蕨（Asplenium trichomanes subsp.quadrivalens）的萌发率随浸没程度降低，而与盐浓度无关。但是，蕨类萌发率都随着在盐水中的储藏时间降低，如果储藏时间持续1年，则产生的配子体更小且稀少。

4重金属胁迫

土壤、水体的重金属污染治理已成为环境修复的重要方向之一。重金属污染主要包括Cu、Zn、Cd、As、Hg等。尽管As是非金属，但它的毒性、某些性质与重金属极其相似，也被列入重金属范畴。蕨类植物对重金属抗性的研究也更多体现在环境修复领域。

重金属过量所产生的毒性能够明显抑制植物的生长发育或致其死亡，如镉离子浓度的升高能够降低粗梗水蕨（Ceratopteris ptridoides）蛋白质的合成速度，影响生长发育，更加剧了该种的濒危甚至消失[16]。但是，某些种类能够在高金属浓度下显示出更强的耐受性，植株长势良好。利用现代分子生物学手段，更揭示了蕨类植物对重金属的吸收、解毒等独特机制。密毛蕨（Petridium revolutum）在干燥、贫瘠的铜矿以及铜锌复合污染矿区中均能够生长，尤其在铜矿区，单株地上部分最高可积累铜16.62 mg。它是一种铜污染治理和兼具观赏价值的新超富集植物[17]。蜈蚣草是近年来发现的一种极具超富集砷特性的典型植物，对土壤和水体中砷具有极强的吸收能力。砷同氧配位，可以三价形态为主累积于羽片中，含量最高可达0.5%，为普通植物的数十万倍。蛋白质组学方法研究了丛枝菌根对蜈蚣草抵御砷胁迫的影响，其中14个蛋白斑点中的12个受砷胁迫诱导的上调表达，另外1个上调表达和2个下调表达的斑点出现在与其共生的丛枝菌中。研究表明，蜈蚣草与丛枝菌的共生能够促使蜈蚣草更有效地抵御砷毒[18]。蜈蚣草还可以修复萃取PbAs和ZnAs等复合污染土壤，可作为铅锌等复合污染矿区生态恢复的先锋物种[19]。金属硫蛋白是由微生物和植物产生的金属结合蛋白。重金属具有诱导金属硫蛋白基因转录的能力，并且影响植物对重金属的解毒、代谢、储存、运输等一系列环节。金属硫蛋白基因在水生蕨类绿萍（Azolla filiculoides）中，通过向培养基内添加Cd（+2），Cu（+2），Zn（+2） 和Ni（+2）增强二型金属硫蛋白编码的cDNA片段AzMT2 RNA的表达。由此可知，AzMT2对于维持植物体内重金属的稳态意义重大[20]。

5耐阴性

植物耐阴性研究主要对城市造景与园林绿化具有重要意义。目前，城市的绿化结构主要采用复层种植来增加绿量和改善景观。蕨类植物生命力旺盛，耐阴性强，观赏价值高。对其进行耐阴性筛选和分析，对今后大规模的园林造景、城市绿化具有重要意义。另外，蕨类植物也是目前花卉市场中非常受欢迎的观叶植物之一，发展前景广阔[21]。蕨类的耐阴性也因种类不同而呈现显著差异。黑骨蕨（Adiantum flavellulatum）与扇蕨（Neocheiropteris palmatopedata）分属耐阴性较强和较弱类型。通过叶片的显微结构与光合特性分析，荚果蕨（Matteuccia struthiopteris）的叶肉中没有栅栏组织与海绵组织的分化，叶片的光饱和点和补偿点均较低，因而半阴条件更适于其生长[22]。这也提示园林造景中可根据蕨类植物的耐阴性差异进行绿化植物的人工植物群路与层次设置。5种满江红[23]中卡州满江红（Azolla caroliniana）的耐阴性最强，将在农业综合立体生态模式构建和水污染处理领域发挥其重要作用。

6结论与展望

蕨类植物种类繁多，用途多样，已在食用、药用、观赏、化工、航天等领域显示出广泛的应用前景。近年来，随着生物学研究技术手段的不断更新，蕨类植物更因其特殊的系统分类位置、独特的进化进程以及在长期的系统演化和自然选择条件下具备的广泛适应性和顽强生命力，促使其成为国内外研究的热点之一。但是，目前蕨类植物的研究信息与种子植物相比还非常有限，尤其非生物胁迫领域的分子生物学、基因工程等方面的研究相对较少。今后，传统基础理论研究与现代分子生物学技术手段的有力结合，将为人们更完整地研究蕨类的生长、发育、代谢调控、抗性机制分析等提供重要的研究信息和研发思路，蕨类的利用率也将大幅提升，开发利用前景将更为广阔。

参考文献

[1] 王静，魏小红，龙瑞军.东祁连山高寒草甸植物抗寒性研究[J].草地学报，2007，15（6）：537-542.

[2] 李洪艳，李建国，张耀芳，等.辐射诱变愈伤组织选育耐寒型蕨菜[J].辽宁大学学报：自然科学版，2010，37（3）：274-277.

[3] BALLESTEROS D，ELENA E，CHRISTINA W，et al.Effects of temperature and desiccation on EX situ conservation of nongreen fern spores[J].American Journal of Botany，2012，99（4）： 721-729.

[4] LI Y，ZHANG Y L，JIANG C D，et al.Effect of storage temperature on spore viability and early gametophyte development of three vulnerable species of Alsophila （Cyatheaceae） [J].Australian Journal of Botany，2010，58： 89-96.

[5] 王晓楠，张兴，朱延明，等.蕨类植物应对干旱胁迫的表达调控策略[J].黑龙江科学，2013，4（4）：28-31.

[6] FAROOQ M，WAHID A，KOBAYASHI N D，et al.Plant drought stress： effects，mechanisms and management[J].Agronomy for Sustainable Development，2009，29： 185-212.

[7] WANG X N，CHEN S X，ZHANG H，et al.Desiccation tolerance mechanism in resurrection fernally Selaginella tamariscina revealed by physiological and proteomic analysis[J].Journal of Proteome Research，2010，9：6561-6577.

[8] ZHANG Q，CHEN N J W，LI B G，et al.The effect of drought on photosynthesis in two epiphytic and two terrestrial tropical fern species[J].Photosynthetica，2009，47（1）：128-132.

[9] VOLKOVA L，BENNET L T，MERCHANT A，et al.Shade does not ameliorate drought effects on the tree fern species Dicksonia antarctica and Cyathea australis[J].Tree，2010，24：351-362.

[10] OLIVER M J，TUBA Z，MISHLER B D.The evolution of vegetative desiccation tolerance in land plants[J].Plant Ecology，2000，151： 85-100.

[11] PANGUA E，BELMONTE R，PAJARN S.Germination and reproductive biology in salty conditions of Asplenium marinum （Aspleniaceae），a European coastal fern[J].Flora，2009，204： 673-684.

[12] SUN W Q，LI X P，ONG B L.Preferential accumulation of Dpinitol in Acrostichum aureum gametophytes in response to salt stress[J].Physiology Plant，1999，105： 51-57.

[13] BOGDANOVIC′ M，ILIC′ M，ZˇIVKOVIC′ S，et al.Comparative study on the effects of NaCl on selected moss and fern representatives[J].Australian Journal of Botany，2012，59（8）：734-740.

[14] MASOOD A，ABRAHAM G.Physiological response of Azolla pinnata plants to salinity stress[J].Roumanian Biotechnological Letters，2006，11： 2841-2844.

[15] GROOT G A DE，DURING H.Fern spore longevity in saline water： can sea bottom sediments maintain a viable spore bank？ [J].Plos One，2013，8（11）：79470.

[16] 张继飞，陈青云，吴名，等.重金属镉对粗梗水蕨生长及叶片中蛋白质含量的影响[J].汉江大学学报，2011，39（4）： 92-94.

[17] 李高飞，胡光道.铅锌矿区毛轴蕨反射波谱特征及其机理初步分析[J].安徽大学学报：自然科学版，2010，34（6）： 96-100.

[18] BONA E，FRANCESCO M，NADIA M，et al.Proteomic analysis as a tool for investigating arsenic stress in Pteris vittata roots colonized or not by Arbuscular mycorrhizal symbiosis[J].Journal of Proteomics，2011，74（8）：1338-1350.

[19] 朱启红，夏红霞.铅胁迫对蜈蚣草抗氧化酶系统和叶绿素含量的影响[J].贵州农业科学，2012，40（4）：56-58.

[20] SCHORFUMBAROV T，GOLDSBROUGH P B，ADAM Z，et al.Characterization and expression of a metallothionein gene in the aquatic fern Azolla filiculoides under heavy metal stress[J].Planta，2005，223（1）：69-76.

[21] 徐冰，金水虎，丁炳扬.耐阴蕨类植物的筛选和园林应用[J].浙江大学学报，2006，32（3）：329-333.

[22] 张军民，刘兰英，李春玲.8种阴生地被植物的耐阴性研究[J].中国园林，2009，25（6）：100-103.

[23] 徐国忠，郑向丽，林觅真，等.满江红属5种红萍耐荫性研究[J].福建农业科技，2005（6）：44-45.