国内植物环境胁迫研究应注意的几个基本问题

国内植物环境胁迫研究应注意的几个基本问题
3
陶大立
33
　何兴元
(中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016)
摘　要　根据作者多年从事植物逆境研究和教学的经验以及在近几年接触到的国内有关
研究工作中发现的问题,为了提高今后研究工作的基础水平和学术期刊稿件的科学水平,特提出几个植物逆境研究中常见到的缺憾和对概念理解上的偏差予以讨论和澄清。

问题包括:环境胁迫的定义和定量,植物对环境胁迫的“直接感受”,抗逆性和敏感性,耐逆性和避逆性,适应、驯化和锻炼,环境胁迫的剂量2效应关系,伤害和死亡的判定,植物细胞膜的透性和植物自由基清除系统对环境胁迫的反应。

关键词　环境胁迫;植物逆境生理中图分类号　Q948.1　文献标识码　A 文章编号　1000-4890(2009)01-0102-06Som e ba si c issues i n pl an t env i ronm en t a l stress research i n Ch i n a 1T AO Da 2li,HE Xing 2yuan (Institute of A pplied Ecology,Ch inese A cade m y of Sciences,Shenyang 110016,China )..Chinese Journa l of Ecology ,2009,28(1):102-107.
Abstract:Based on the l ong ter m experiences of the authors ’research and teaching in the field of p lant envir onmental stress as well as the current situati ons of related researches in China,s ome relevant basic issues were discussed in this paper .These issues include the definiti on and quanti 2ficati on of envir onmental stress,the ‘direct sensing ’of p lants t o envir onmental stress,the resist 2ance and sensitivity,t olerance and avoidance,adap tati on,accli m ati on,and hardening of p lants,the dosage 2effect relati onshi p of the stress,the diagnosis of p lant injury and death,and the re 2s ponses of p lant cell me mbrane per meability and free radical 2scavenging syste m t o envir onmental stress .A better understanding on these issues would hel p t o the researchers,es pecially young ones,t o i m p r ove their experi m ental design and paper writing .Key words:envir onmental stresses;p lant stress physi ol ogy .
3国家自然科学基金重点资助项目(90411019)。

33通讯作者E 2mail:taojizu@ 收稿日期:2008205230 接受日期:2008210216
生物与环境的关系是生态学研究的永恒主题。

广义的植物与环境关系的研究可以说就是植物生态
学的全部内容。

“逆境”(也称“胁迫”
)是环境梯度中离开了梯度中间的、植物生活的最适点而靠近最高点或最低点的那种环境。

高于最高点或低于最低点,植物就将不能生存。

对逆境以及植物对逆境反应的研究已经构成了一门结合了植物生态学和植物生理学内容的,既交叉,又相对独立的一个分支学科。

传统的逆境研究主要以水分逆境、温度逆境和盐逆境为主。

进入现代以来,随着环境污染和全球变化问题的出现,如酸雨、紫外线、重金属、有机污染物等逆境的种类日益增加,有关的研究也受到了重视。

随着国内在这一领域中研究工作的增多,出现了一些对基本
概念理解不清,基础工作不扎实和公式化、低水平重
复等问题,影响着整体研究水平的提高和向深入发展。

本文将探讨几个构成本学科框架的基本概念以及进行有关研究需要做的基础性工作,希望能以此使国内有关研究的基础水平提高一步。

1　什么是“胁迫”(stress)
stress (胁迫)一词是从物理学中借用过来的。

Levitt (1980)的“植物对环境胁迫的反应”(Res pon 2ses of Plants t o Envir on mental Stresses )一书对此术语
及有关的术语做了最系统的阐述。

“胁迫”或“逆
境”是英语“stress ”一词的2种不同译法。

前者强调了stress 对植物不利的特殊作用,后一种译法更贴近“stress ”一词的生物学含义,即它是一种特殊的、对植物不利的环境。

2种汉译不妨同时使用。

近年来,stress 这个词在国内医学界也广为流
生态学杂志Chinese Journal of Ecol ogy 2009,28(1):102-107
行,但被汉译为“压力”或“应激”,而且“应激”一词
已开始出现在植物逆境研究的文献中。

本来在Lev2 itt的术语系统中,胁迫和对胁迫的反应分得很清楚,而在医学中使用的“stress”一词的含义不仅包括了环境的胁迫,也包括了人对胁迫的感受,甚至主要是人对胁迫的感受,所以需要有另一个术语“stres2 s or”(译为“应激源”或“压力源”)。

笔者认为,人作为有强烈社会属性的智慧生物毕竟和植物有很大差别,最好还是不要把与社会学和心理学关系更密切的术语系统随意引进到植物学研究中来,造成更多的混乱。

在物理学中,有stress和strain一对术语,分别翻译为“应力和应变”或“胁强和胁变”,二者及二者间的关系都有清楚明确的界定。

但借用到生物学中使用起来就要十分小心。

Levitt把胁迫定义为“能够在活有机体中引起潜在的伤害性反应的任何环境因子”。

粗看起来,这一定义清楚而容易理解,它把“环境因子”和环境因子在植物身上引起的“反应”做了清楚的区分。

但这个定义也有过于狭隘的缺点,即他把植物对胁迫的反应局限在“潜在的伤害性”反应而未把轻微胁迫导致的驯化(accli m ati on)或锻炼(hardening)效应包括进去。

对某种生物而言,其他生物也可能构成对它的“胁迫”,相对于物理胁迫、化学胁迫而言,可以称之为生物胁迫。

但传统上,在以环境胁迫为主题的研究中通常不包括植物的侵染性病害和虫害,也不包括植物间的相互竞争和生化相克效应。

它们都另有专门的学科或学科分支去研究。

但这种区别并不是绝对的,因为有些病虫害或共生、竞争现象会使植物对其他环境胁迫的反应发生改变,如菌根的共生有利于高等植物提高抗旱性;而一定强度的物理胁迫,如温度和水分胁迫则往往成为弱寄生菌引起的植物病害的诱因。

需要指出的是,有人把大气层中CO
2
浓度的增加也当成一种对植物的胁迫,这显然不妥当,因为目
前大气中的CO
2
浓度尽管已比工业化以前提高了不少,但对植物的光合作用来说仍然是偏低的,在生态学中应该把它看作光合作用的一个限制因子。

在
温室栽培实践中,甚至可以把高浓度CO
2
当作肥料来使用。

至于在以世纪为单位的长时期作用下,高
浓度CO
2
是否会在植物上引起什么不良反应至少目前尚无定论。

因此把它直接当作对植物的胁迫显然是不妥当的。

2　胁迫需要定量描述
胁迫有不同的种类,还有不同的强度,即胁迫是应该也可以进行定量描述的。

因为强度不同,其对植物的效应会有天壤之别。

不考虑胁迫强度和植物材料的差别而在不同的研究结果之间进行效应的对比可能会得出错误的判断。

胁迫强度的定量在温度胁迫上比较容易理解,也比较容易测定,因为它无非就是过高或过低的温度。

对干旱胁迫的定量就比较复杂些。

土壤干旱用土壤含水率来定量就有很多问题,因为同样的含水量在机械组成、腐植质含量、盐分含量在不同的土壤中的效应差别很大。

用占田间持水量的百分比就好得多,用水势最好,当然测定上也困难得多。

其他像臭氧、紫外线、有毒重金属等胁迫定量更复杂。

但不管定量容易与否,却是做胁迫研究时首先应该做的基础工作。

3　植物对胁迫的直接感受
在自然界,环境胁迫当然是来自外界环境。

但是,对植物直接起作用的是植物体本身或其一部分直接感受到的胁迫。

例如温度,最能说明植物受到的胁迫强度的不是气象台站在2m高的百叶箱里测定的气温,也不是植物周围的温度,而是植物本身的体温。

直接决定冻害程度的不是气象台站记录的某个时期的平均温度,在大多数情况下是某个或某几个夜间的最低温度。

与夜间的最低温度相比,日平均温度尽管也可以计算出和冻害程度的相关关系,但几乎没有任何直接的决定性意义。

关于水分逆境,前面已经提到植物本身的水势或含水量比降水量、土壤水分状况更能说明植物的缺水程度。

再引伸一步,例如在重金属毒害研究中,土壤或培养液中的重金属的含量是易于规定和设计的。

在浓度梯度实验中,也不难得出这种浓度和植物反应及受害程度之间的相关关系。

但如要想使实验更深入或提高一步,例如想知道植物是通过“躲避”还是“忍耐”机制来实现它的抗性,就有必要测定该种重金属进入植物体内的程度,即还应测定究竟有多少该种重金属进入了植物组织内,进入到了什么地方,达到多大浓度。

又如,关于紫外线作用的实验,光知道紫外线灯的功率和背景紫外线辐射强度是不够的,至少还应测定植物材料表面接受了多少紫外线辐照剂量。

更进一步说,B段紫外线大部分可以被植物叶的表
301
陶大立等:国内植物环境胁迫研究应注意的几个基本问题
皮组织阻挡在外,而真正能进入活细胞的剂量是很少的。

如要比较不同植物对紫外线的抗性,首先应考虑第一道防线的作用大小,然后才是活细胞的抗性机制,例如自由基清除系统的作用。

但是,在国内的有关文献中,不难看到只考虑自由基清除系统而完全忽视进入活细胞的紫外线剂量或比例的例证。

4　抗逆性(stress resist ance)和易感性(sen siti v ity)
对同样性质、同样强度的胁迫,有的物种可以不受显著影响,有的物种则会受到伤害。

相对而言,可以把前者称为对该胁迫有抗性的物种,后者称为敏感或易感物种。

“抗性”是“抗逆性”的简称。

抗性又有大小之分,也是可以而且应该进行定量描述的。

这一点尽管道理浅显,却也常遭忽视。

就像对逆境需要定量一样,要研究一个植物种对某种逆境的抗性,首先要对抗性高低进行定量化描述,这是进一步工作的基础。

也可以根据野外观察大致对比出不同植物种对某逆境抗性大小的顺序。

但不少作者在研究抗逆性时,不首先去进行这种基础性工作———抗逆性的定量测定,而是从文献中任意选取一些据说和某种抗性有关的生理指标进行测定,然后进行相关分析,按这些指标数值的大小给不同植物种排出抗性的次序来,甚至不进行任何比较就莫名其妙地得出所研究的材料“比较抗”某种胁迫的结论来。

Levitt仿照物理学的办法把抗逆性定义为“产生单位胁变(strain)所需的胁强(stress)”,这里的胁强可以是———例如不同的温度或湿度水平,胁变则指植物所发生的(潜在伤害性)反应。

简言之,是用胁迫和伤害之间的数量关系来定义抗性的。

对抗性的最常用的测定方法是确定引起植物50%死亡率的胁迫强度。

在一定条件下对确定的植物材料而言,这一指标是稳定的,也是能够测定的。

一种植物的抗冻性可以用该植物材料的50%致死温度(粗略地可以用环境温度,更准确的定量则应该用植物体本身的温度)来描述,这一温度越低,表示抗性越强。

抗旱性可以用导致50%植株死亡的土壤水势或植物水势来描述。

这里的50%可以是50%的植株、50%的叶面积或50%的细胞等。

如果自然界正在发生某种胁迫伤害,例如干旱伤害或冻害,也可以就同一环境中不同植物目测受害程度的不同进行统计分析,来比较不同植物种抗性的高低,排出顺序。

虽然这种结果相当有价值,但是显然不如实验确定的半致死胁迫强度所具有的那种普遍意义,而且要想得到这样的结果,还必须被动地等待灾害的发生。

这类调查的另一个重要问题是,在自然界往往多个胁迫因子同时存在,当伤害症状已经发展到引起人们注意的程度时,再来追溯造成伤害的主要胁迫因子并非易事,甚至在“专家”中间也经常会有很大争论。

需要指出,之所以要用生存或死亡来定义抗性的强弱不仅因为它是生态学的应有之义,还因为测定结果有较好的确定性和可重复性,并便于在不同的植物种间或不同的研究结果之间进行比较。

其缺点是必须把实验的部分植物材料杀死。

虽然也可以用产量或光合速率受影响的程度来定义抗逆性,但显然这样定义在执行中很困难。

因为生长或产量的差别受多种因素的影响,标准生长速度和标准产量更难界定。

其他例如某种酶的活性或代谢物质的含量,至多是可能和某种抗逆性有一定的相关关系,甚至是因果关系。

但即便是因果关系,也还是代替不了直接的抗逆性大小的定量描述。

因为植物对任何一种逆境的抗性都受许多因素的调控,与大量的形态、生理、生化指标相关联,而相关联的任何一个指标,其生理功能也大多都不是单一的,也与多种因素有关。

5　耐(逆)性(tolerance)和避(逆)性(avo i dance)
通常所说的“抗逆性”(stress resistance),其机制可以分为耐逆性和避逆性2种。

以冰冻逆境为例,植物体内结了冰才会造成冻害。

不少植物可以通过细胞汁液的冰点下降和过冷现象来避免植物体内结冰,从而避免受害。

而许多非常耐寒的植物则是通过能够忍耐细胞外结冰而避免细胞内结冰来活过很低的结冰温度的。

但没有任何植物能够忍耐细胞内冰晶的形成。

因此,对活的植物细胞的原生质来说,归根结底,是靠“躲避”来活过冰冻事件的。

又如,干旱伤害,在干旱的环境中,有的植物是通过多吸水,少损失水来保持体内的合理水分状况,从而躲避干旱伤害的,而有的植物则发育出对细胞原生质适度脱水的忍耐力。

当然也不排除有的植物二者兼具。

泌盐植物则是“躲避”盐害的著名例子。

植物“抵抗”重金属的最好方法应是把它们排斥在体外,拒绝吸收。

如果不得不吸收一部分,则把它储藏在例如活细胞外的某个地方或储藏在液泡中,“避
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免”它们进入活的细胞质里,在那里产生毒害。

植物对紫外线的抗性中,往往叶表面的腊、角质层和表皮细胞能挡住相当剂量的紫外线,使之不能进入活细胞内部,这也可以算是一种避免机制。

做出上述区分对抗性机制的研究是一大贡献,使进一步的研究方向更加明确。

避免机制看似简单却往往比忍耐机制更有效而不应忽略。

6　适应(adapt a ti on)、驯化(accli m a ti on)和锻炼(harden i n g)
“适应”指的是一种生物进化的长期过程。

“适应性”是指那些和植物种类有关的、可遗传的特性,而不是在环境变化时植物个体内发生的与之相应的、可逆的、与抗性提高有关的变化。

这后一种使抗性提高的变化可以称之为驯化(accli m ati on)或锻炼(hardening),指的是不涉及遗传性改变的,在一定环境诱导下抗寒性提高的一种状态调整过程,非常近似于我们在汉语里日常所说的“锻炼”。

在孙儒泳等(1993)编著的普通生态学教科书中是这样定义“驯化”的:“如果一种生物长期生活在它的最适生存范围偏一侧的环境条件下,久而久之就会导致该种生物耐受曲线的位置移动,并可产生一个新的最适生存范围,而适应范围的上下限也会发生移动。

”这里的“长期”,“久而久之”,作者并未提到是否和遗传性变化有关。

但从后面作者提到驯化也可以在很短时间内完成,又从所举的肾叶山蓼驯化的例子来看,则显然未涉及遗传性的改变。

但在逆境生理研究中,“驯化”一词实际上是指另一种更接近于“锻炼”含义的过程。

通过锻炼,植物对胁迫的抗性会得到提高。

适度的干旱考验可以使植物发育出更大的抗旱性。

总之,适当的、比较温和的或缓慢增强的逆境(或胁迫)可能是有好处的,因为可以诱导出锻炼效应。

对同一种胁迫,有的植物种生来就具有抵抗该种胁迫的能力(constitutive resistance),或具有通过锻炼来提高抗性的能力,有的植物种则不具有这种能力。

这2种能力,不管是固有的能力还是通过锻炼来提高抗性的能力,都是可遗传的,也即都算做适应性。

但通过锻炼获得的,提高了的那一部分抗逆性是不能遗传给下一代的,是会随着锻炼条件的消失而消失的。

如果明白了上面关于“驯化”与“锻炼”2个词含义的微妙的区别,在逆境生理的研究中,用特指和遗传性变化无关,导致抗逆性提高的“锻炼”来代替既包含“锻炼”效应,又可能包括遗传变异在内的“驯化”将大大方便我们对问题的深入讨论。

7　植物对环境因子的梯度式响应(剂量2效应关系)
可以借用医学中的“剂量2效应关系”来描述环境胁迫和植物反应之间的关系。

以温度为例,对特定植物生长是“最适”的温度,对耐寒锻炼来说就未必最适。

需要有“适度”的“低温”才可以在植物体内诱发“锻炼”或“驯化”(accli m ati on)机制,使它能忍耐更低的温度。

同样,对生长最适的水分、盐分条件,对抗旱、耐盐锻炼也未必最适,稍偏于干旱和盐分较多的环境才有利于锻炼。

按Levitt对“胁迫”所给的定义,凡胁迫必然造成伤害;不能造成伤害的环境就不能称之为胁迫环境。

轻度胁迫造成的“弹性反应”,似应理解为可修复的微观伤害,重度胁迫则将造成“塑性反应”即不可逆伤害或死亡。

显然,他明确地排除了在胁迫条件下进行锻炼的可能。

但轻度胁迫具有的诱导锻炼的效应是如此常见,而且有这种效应的环境除称之为逆境或胁迫外,很难有更确切的称谓。

靠近零度的冰冻温度对植物来说,肯定是一种逆境,但它在诱导出更强的抗寒性上的作用早已为植物抗寒研究界所共知。

轻度干旱(逆境)导致气孔开度减小以降低蒸腾耗水也对抗旱性的提高有利。

类似的现象在重金属胁迫研究中可以找到很好的例证。

例如,重金属污染元素镉(Cd)对植物是非必需的有毒元素,植物暴露于某种水平以下的镉污染环境时并没有什么可以检测到的不利影响,甚至可能显得有利,例如,增加生长量、叶绿素含量和根活力等(赵胡等, 2008)。

笔者认为,在任一环境因子从最适点到最高或最低点的连续梯度上,植物可能发生的反应(或称响应,res ponse)可以归纳为3种:
1)零反应。

既无反应或无可以检测到的反应。

2)锻炼反应。

植物通过形态,生理的调整而适合当时的条件,进而调整到可以“避免”或“忍耐”梯度上更极端的条件,即更强的逆境。

3)伤害反应。

最初伤害是微观的、可逆的,即可忍耐的、可修复的,也就是Levitt所谓的弹性应变。

当逆境强度更大或积累到一定程度时,伤害就会转变为不可逆的,产生“塑性应变”,造成植物组织,器官甚至整体的死亡。

这时的逆境“剂量”可称之为“致死剂量”。

准确地说,所谓“致死剂量”不是数轴上的一个点而是一个相对狭窄的范围。

当逆境强度刚开始进
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陶大立等:国内植物环境胁迫研究应注意的几个基本问题
入这一范围时,单位逆境强度导致的伤害很小。

随着逆境强度的增加,单位逆境强度导致的伤害也在增加,直到达到50%的细胞、组织或个体死亡。

在这一“剂量”水平上,单位逆境剂量的增加造成的死亡的增加量最多。

这时的逆境剂量叫做“半致死剂量”。

超过这一点后,逆境强度继续增加时,伤害仍继续增加,但是单位逆境强度增加量导致的伤害增加量又趋于减少。

到逆境强度超过这一范围时,所有受影响的细胞,组织或个体都已肯定要死亡,这时逆境强度再增加,当然也不会导致更多的死亡。

上述过程,可以相当完美地用S形的Logistic曲线来表示,还可以用计算曲线拐点的方法找到准确的半致死剂量。

指出这一点的是中国的科学家(Zhu et al.,1987)。

“半致死剂量”不但描述了造成植物材料死亡的逆境强度,同时也定量描述了植物材料对该种逆境的“耐性”,这样就有了在不同研究者、不同植物材料之间进行客观比较的标准。

8　伤害程度或死亡的判定
早在20世纪30年代初期就已经摸索出了一种比较普遍适用的、能及时而客观地判断死活的方法。

这种方法被简称为电导法,因为它是用电导仪来测定植物组织浸出液的电导。

Dexter等(1932)是已知最早用此法来测定植物的抗寒性的。

电导是电阻的倒数。

“电导”这种简称并未包含这一方法的生理含义。

在英文文献中通常称为i on leakage或elec2 tr olyte leakage,即离子渗漏或电解质渗漏。

这一称谓的含义比较清楚,它是指本来应该(可以逆浓度梯度地)保持在细胞内,却由于细胞膜的伤害而“漏”出来的离子(已经知道主要是钾离子)的比例。

具体操作时,每个样品都要先剪碎,浸于水中一定时间,使能导电的离子渗出到水中,测定电导读数。

然后用高温或低温把材料杀死,再次测电导,以杀死材料的电导为100%,计算杀死前电导占它的百分比。

这一相对数值可称之为电导率,国内有人称为“相对电导率”,并不恰当。

因为“率”字本身已含有相对的意思。

最好是称为离子渗漏率以突显其生理含义。

在胁迫梯度实验中,以胁迫强度为横坐标,以离子渗漏率为纵坐标对比作图的结果,可以找出相当于造成50%离子渗漏率的胁迫强度,作为半致死的胁迫强度或半致死剂量。

这种方法的一个重要前提是基于下列认识: 50%电导率是一个致死的临界点,在电导率不到50%时,伤害是可以修复的、可逆的,超过了50%,伤害就变得不可逆,就要死亡。

这种方法对许多植物叶片是相当灵敏的。

但对根就不那么灵敏。

因为植物根本身即使没有经受任何胁迫,也有比较高的电导率(Rajashekar et a l.,1983)。

在细胞溶液培养系统中,由于培养液本身就含有大量电解质,显然本法就不适用。

这时可以用四唑盐(TT C)还原法,它测定的是线粒体呼吸过程中一些脱氢酶的活性。

这种方法和电导法相反,是以完全正常、未受胁迫的材料还原TTC的能力为100%,完全杀死的材料的相应指标则接近于0。

可以采用引起50%TTC还原能力丧失的逆境强度作为半致死强度(Tao et al., 1983)。

在国内不少文献中看到不是以杀死材料做基数而是以正常材料的电导做基数,计算胁迫使电导增加了多少。

这样的表达方式虽然也可以指示伤害程度,但看不出离不可逆伤害或死亡有多远,使数据指示植物材料生活力的意义大为逊色。

在自由基生物学中,往往用丙二醛的生成量来反映细胞的拟脂的过氧化的程度,把它当作一种受伤害程度的指标。

这一指标可以和电导相辅相成地来使用,尤其可以和自由基清除系统变化的测定结合起来使用,其优点是辅助说明伤害机制,其缺点是不像电导率或TTC还原那样能明确地指示出植物材料的生活力大小和生死界限。

9　关于植物细胞膜的“透性”
电解质“渗漏”是如何发生的?这里涉及到对各种物质如何透过细胞原生质膜的机制的理解。

首先说水。

水进出细胞大体上是被动地顺水势梯度由高处往低处运动的。

在显微镜下观察过植物细胞的质壁分离和复原过程的人都会对这一点有深刻的印象。

水孔蛋白的存在可使水的透过加速进行。

而各种养分离子或电解质的进出则受着完全不同的力量控制。

在质膜上有一些专供某种离子进出的通道、载体和“离子泵”,即养分离子进出细胞不是靠细胞内外的浓度差,而是只有活细胞才有的一种主动行为,是可控的,要花费能量的。

靠着这种生理机制,植物细胞得以逆浓度梯度从环境中有选择地吸收它所需要的养分,并通过同样的机制把它们逆浓度梯度地保持在细胞内。

通俗一点讲,就是细胞可以从比细胞内某种离子浓度更低的环境中“强行”吸收该种离子,并将之保存在细胞内。

与此相联系,植物细胞也具有排斥,拒绝吸收它不需要的,甚至是有毒物质的能力。

显然,细胞的透水性、透离子性和透过其他物质
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