植物耐鹽性研究進展

任麗麗，任春明,趙自國

（1.濱州學院生命科學系，山東濱州256603；2.山東省鄒平縣高新小學，山東濱州256605）

鹽堿地約占地球陸地面積的25%，全世界有0.2億～0.3億hm2的海岸濕地和紅樹林鹽灘，另外還存在人為原因造成的次生鹽堿化土地約40億hm2[1]。我國的鹽堿地主要由3種陽離子Na+，Ca2+，Mg2+與4種陰離子，H，Cl-組成，也有小面積的硝酸鹽鹽土。土地的鹽堿化嚴重制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為培育具有耐鹽特性的農(nóng)作物新品種，科學家們進行了大量的相關(guān)研究[2]。本文就鹽脅迫對植物的傷害、植物耐鹽機制、鹽脅迫下植物的信號轉(zhuǎn)導、植物耐鹽基因工程的現(xiàn)狀及展望進行了介紹。

1 鹽脅迫對植物的傷害

鹽脅迫主要包括滲透脅迫、離子毒害以及高鹽引起的營養(yǎng)虧缺、氧化脅迫等一系列的次生脅迫[3]。這些脅迫使得植物生長受到抑制、光合作用下降，能耗增加，最終加速衰老而死亡[4-6]。

1.1 滲透脅迫與離子毒害效應(yīng)

當外界鹽分的濃度超過植物生長最適鹽度時，鹽分大大降低了土壤溶液中的水勢，使得根系吸水困難，或者不吸水甚至失水，從而造成滲透脅迫，葉片失水，膨壓降低，引起細胞和組織的死亡[7]。

離子毒害主要是由于植物攝取了過量的Na+，Cl-等離子，使植物細胞質(zhì)內(nèi)離子濃度增高，對植物產(chǎn)生了毒害作用[8]。細胞內(nèi)的高濃度離子可使細胞原生質(zhì)發(fā)生凝聚，破壞膠體的性質(zhì)。而細胞內(nèi)大部分酶只能在很狹窄的離子濃度內(nèi)才具有活性，對于Na+和Cl-一般要求低于50 mmol/L。高濃度的鹽會破壞酶的結(jié)構(gòu)和活性，破壞光合系統(tǒng)，造成代謝紊亂、蛋白質(zhì)的降解。鹽脅迫還會使質(zhì)膜的組分、透性、運輸、離子流發(fā)生一系列變化，導致細胞膜的正常功能受損，進而使細胞的代謝及生理功能受到不同程度的破壞。

1.2 其他次生脅迫效應(yīng)

鹽脅迫對植物的傷害還表現(xiàn)為其帶來的各種次生脅迫會嚴重影響植物正常的生長發(fā)育。植物在高鹽的環(huán)境中生長經(jīng)常會出現(xiàn)營養(yǎng)虧缺的現(xiàn)象，這是植物在吸收礦物質(zhì)元素的過程中鹽離子與多重營養(yǎng)離子相互競爭的結(jié)果。例如，高濃度的Na+會抑制K+，Ca2+和Mn2+的吸收，從而造成植物缺乏這些必需的元素；另一方面，由于嚴重的鹽脅迫導致細胞膜完整性的破壞，使細胞內(nèi)一些營養(yǎng)離子如鉀和磷大量外滲，造成植物細胞缺鉀、缺磷[9]。

氧化脅迫也是鹽脅迫導致的主要次生脅迫之一。在正常生理條件下，植物體內(nèi)活性氧處于不斷產(chǎn)生和清除的動態(tài)平衡之中，而在鹽脅迫下，植物葉綠體和線粒體電子傳遞鏈中泄漏的電子，與 O2反應(yīng)生成，H2O2，OH-。盡管，H2O2本身對植物毒害很小，但可以通過Haber-Weiss反應(yīng)轉(zhuǎn)化為毒性很高的OH-[10]，進而引發(fā)膜脂的過氧化和脫酰化，造成植物細胞膜系統(tǒng)和代謝過程的傷害，并進一步對蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子造成損傷，從而導致細胞死亡[11]。

2 植物耐鹽機制

生存在鹽漬環(huán)境中的作物在長期自然選擇中形成了一系列保護自身免受或減弱鹽脅迫傷害的措施，總的來說包括以下幾個方面。

2.1 滲透調(diào)節(jié)作用

滲透調(diào)節(jié)能力是植物耐鹽的基本特征之一。所謂滲透調(diào)節(jié)，是指植物處在滲透脅迫條件下，細胞中有活性和無毒害作用溶質(zhì)的主動凈增長過程，其結(jié)果是細胞水勢降低，能夠從周圍環(huán)境中吸收水分。植物細胞在鹽脅迫下積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[12]不僅包括無機離子如K+等，還包括有機小分子物質(zhì)如海藻糖、脯氨酸、甜菜堿、蘋果酸等。后者不僅有滲透調(diào)節(jié)功能，還能穩(wěn)定細胞內(nèi)大分子與生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，有的還可以起一定的解毒作用。

2.2 離子轉(zhuǎn)運與均衡

鹽分過多會導致植物細胞內(nèi)離子紊亂，不僅破壞Na+和Cl-的均衡，而且也影響了K+，Ca2+等在細胞內(nèi)的分布。過多的Na+和Cl-還會產(chǎn)生諸多毒害作用。因此，鹽脅迫環(huán)境中，植物獲得耐鹽能力的一個重要方式就是建立新的離子均衡[13]。從耐鹽機制上看，植物可通過拒鹽、排鹽以及鹽分的區(qū)域化等方式緩解離子脅迫。

所謂拒鹽，就是不讓外界的鹽分進入植物體內(nèi)，具體又分為根系拒鹽和地上部拒鹽2種方式。有的植物根細胞質(zhì)膜有很強大的選擇性吸收能力，它能夠高效吸收K+而不吸收Na+，這類植物根細胞質(zhì)膜組成十分特殊，具有較多的飽和脂肪酸，對Na+和Cl-的透性降低。有的植物根系允許土壤中的鹽分進入根系，但進入后大部分貯存在外皮層與表皮細胞，不再向地上部分運輸，從而使地上部分的鹽濃度仍保持在較低水平，例如耐鹽植物蘆葦就是如此。地上部分拒鹽的植物可通過體內(nèi)的再循環(huán)將離子回流到根部。

排鹽就是植物將鹽分排到細胞外。在植物中，將Na+直接排到細胞外是最直接避免Na+在胞質(zhì)中積累的策略。海藻的質(zhì)膜上存在Na+-ATP酶，可以水解ATP驅(qū)動Na+向胞外運輸[14]，然而在高等植物中目前尚未發(fā)現(xiàn)Na+-ATP酶的存在。高等植物排Na+主要由質(zhì)膜上SOS1基因編碼的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運蛋白來完成[15]。質(zhì)膜上H+-ATP酶水解ATP產(chǎn)生的能量將H+泵出細胞外，產(chǎn)生跨膜的質(zhì)子電化學勢階度，驅(qū)動質(zhì)膜上的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運蛋白，使H+順其電化學勢進入細胞，同時Na+逆其電化學勢排出細胞。另外，有的鹽生植物具有特殊的鹽腺可將鹽分直接分泌到體外。鹽腺細胞通常富含小液泡，在這些液泡中積累各種離子，然后通過液泡膜和質(zhì)膜的融合即胞吐作用排出體外，也有人認為是離子通過跨液泡膜和質(zhì)膜的運輸分泌到細胞外。

鹽分大量進入液泡從而被區(qū)域化也是植物對鹽漬環(huán)境適應(yīng)的最佳方式之一[16]。大量鹽分進入液泡后，一方面降低了細胞質(zhì)中的鹽濃度，使其正常的代謝活動順利進行，另一方面增加了液泡內(nèi)離子濃度，降低了細胞的水勢，從而保證了水分的正常吸收，避免了生理性干旱。鹽脅迫下植物液泡膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運蛋白的表達量增多，從而增強了Na+的液泡區(qū)域化，提高了植物的耐鹽能力[17]。最近Song等[18]從擬南芥中克隆了一個定位于葉綠體膜上的基因AtCHX23，該基因可編碼1個Na+/H+反向轉(zhuǎn)運蛋白，該蛋白調(diào)節(jié)了葉綠體內(nèi)的pH并影響葉綠體的發(fā)育，進一步研究表明，葉綠體也可能是潛在的Na+區(qū)域化場所。

2.3 抗氧化保護

活性氧是單線態(tài)氧（1O2）、羥自由基（OH-）、超氧陰離子（）和過氧化氫（H2O2）等氧化能力很強的幾種含氧物質(zhì)的總稱。植物抗氧化系統(tǒng)主要包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)兩大類。前者包括超氧化物岐化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）等。后者主要包括植物體內(nèi)的一些還原性物質(zhì)，如抗壞血酸、類胡蘿卜素、谷胱甘肽及維生素E等。另外，小分子糖類、多元醇、甜菜堿、脯氨酸等也有一定的清除細胞內(nèi)自由基傷害的作用。突變體和轉(zhuǎn)基因植物的試驗表明，提高植物的這2種抗氧化系統(tǒng)的活性，均能夠抵抗鹽脅迫，而鹽脅迫下抗氧化基因的表達可能會受到MAPK信號級聯(lián)途徑的調(diào)控[19]。

3 植物鹽脅迫下的信號轉(zhuǎn)導途徑

甜土植物擬南芥與鹽生植物鹽芥親緣性很近，基因組同源性高達95%左右，具有很多高度同源的與抗逆有關(guān)的基因，但是二者對鹽脅迫的耐受能力相差很大，這暗示著二者在基因的表達水平與調(diào)節(jié)方式上不同。也就是說，鹽生植物與甜土植物可能在基因結(jié)構(gòu)上并沒有顯著的差異，而在相關(guān)基因的表達調(diào)控及作用模式上有很大區(qū)別，這也可能是植物耐鹽性的關(guān)鍵因素之一。而植物感受鹽脅迫并作出反應(yīng)的過程是通過一系列復雜的信號識別與轉(zhuǎn)導機制來完成的[20]。

原美國Arizona大學Zhu教授的研究小組在鹽脅迫信號轉(zhuǎn)導方面做出了開創(chuàng)性的工作。他們通過各種方法得到40多個SOS突變體，并將其歸為5組，定義了5個耐鹽基因座，并從分子遺傳、生化細胞各個方面進行了功能分析，最終揭示出一條與鹽脅迫應(yīng)答直接相關(guān)的調(diào)控途徑。該調(diào)控途徑的基本過程如下：在鹽脅迫下，通過細胞膜上的Na+傳感器，信號傳入使細胞內(nèi)Ca2+濃度增加，激活了SOS3，于是SOS3和SOS2結(jié)合，使其轉(zhuǎn)化為活性狀態(tài)，催化部位暴露出來發(fā)揮激酶的功能，從而激活下游蛋白行使功能，SOS1是其底物之一。SOS2/SOS3復合物激活SOS1，提高了質(zhì)膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運的能力，防止了Na+在細胞內(nèi)的積累[20]。

最近研究表明，SOS2在細胞內(nèi)可以與多種蛋白相互作用，從而發(fā)揮多種功能。SOS2不僅正調(diào)控SOS1，還可以激活液泡膜上的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運蛋白和Ca2+/H+轉(zhuǎn)運器[21]，與ABA信號途徑存在復雜的相互作用，可共同提高植物耐鹽性。

4 植物耐鹽基因工程

大多數(shù)植物只能在NaCl含量低于0.4%的土壤中正常生長。隨著現(xiàn)代分子生物學與轉(zhuǎn)基因技術(shù)的飛速發(fā)展，克隆鑒定目標基因，并將目標基因轉(zhuǎn)化到目標植物中以獲得轉(zhuǎn)基因工程植株，使植物育種工作取得了突破性進展。至今植物抗鹽基因工程的研究取得了長足的進步，已有較多研究將各種抗鹽基因克隆后整合入各種目標植物中，從而開辟可選育耐鹽植物品種的新途徑。

植物耐鹽基因工程最初的策略是增加植物細胞質(zhì)中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。Tarczynski等[22]將大腸桿菌的磷酸甘露醇脫氫酶（mtlD）的基因轉(zhuǎn)入煙草，使轉(zhuǎn)基因煙草能夠有效積累甘露醇，并且表現(xiàn)出較高的抗鹽能力。轉(zhuǎn)基因植株葉片中甘露醇的含量達到可溶性糖含量的25%，其植株高度和鮮質(zhì)量明顯高于對照，而且新根和新葉的發(fā)生率提高了1倍多。另外，甜菜堿、右旋肌醇甲醚、海藻糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的基因工程植株都已經(jīng)成功獲得，它們從不同方面不同程度地提高了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽能力。

在鹽脅迫下，植物維持體內(nèi)的離子均衡是保持其耐受能力的重要方面，因此對于離子轉(zhuǎn)運蛋白在耐鹽基因工程中的應(yīng)用，近年來得到了人們的普遍重視。轉(zhuǎn)基因擬南芥中過量表達編碼液泡H+轉(zhuǎn)位酶的AVP1基因，則植物對高鹽濃度有很強的抗性[23]，對液泡膜的分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植物的液泡膜對陽離子的吸收能力更強，陽離子區(qū)域化到液泡中，增加了植物的滲透壓，同時減少了它們對細胞的毒害。將編碼擬南芥液泡膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運蛋白的AtNHX1基因?qū)敕?，可使轉(zhuǎn)基因番茄在200 mmol/L的NaCl澆灌下正常生長[24]。

此外，通過過量表達氧化保護物質(zhì)，去除過氧化自由基毒害，可以使轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽能力得到明顯改善。過量表達谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽超氧化物酶的煙草導致氧化性谷胱甘肽的含量大幅度提高，在鹽脅迫下可迅速生長，明顯高于野生型植株[25]。

5 問題與展望

近年來，通過基因工程導入單個基因，以提高植物耐鹽性的工作取得了一定的進展，但是也存在一些局限和問題。（1）植物品種的局限性?，F(xiàn)在的研究多限于一些模式植物，在培育實用的耐鹽農(nóng)作物和木本植物上進展十分緩慢，因此有必要加強經(jīng)濟作物耐鹽遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立和研究。（2）轉(zhuǎn)化效果的局限性。轉(zhuǎn)基因植物在一定程度上提高了耐鹽性，但往往不夠高，沒有達到真正的實用水平。（3）產(chǎn)業(yè)推廣的局限性。人為控制的測試與真正的自然鹽堿環(huán)境不同，實驗室里的結(jié)果很多難以經(jīng)得起實踐考驗，產(chǎn)業(yè)化進程緩慢。

植物耐鹽基因工程在探索中不斷前進著。隨著對耐鹽機制的深入了解，各種技術(shù)手段的不斷更新發(fā)展，理論與技術(shù)緊密聯(lián)系相互融合，人們將在不久的未來培育出耐鹽性很高的轉(zhuǎn)基因植物新品種，實用性的提高與產(chǎn)業(yè)化的推廣也會逐步實現(xiàn)。

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