大麥耐鹽性鑒定方法及耐鹽機理研究進展

袁金娥 劉家嫻，2 先 銳 劉新春 馮宗云

(1.四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院植物遺傳育種學系大麥研究中心，四川 成都 611130;2.四川甘孜藏族自治州農(nóng)業(yè)科學研究所，四川 康定 626000)

鹽堿土是導致世界范圍內(nèi)作物低產(chǎn)的主要土類之一。目前，分布在我國西北、東北及濱海地區(qū)的鹽堿荒地和鹽堿障礙耕地，總面積超過3 300萬hm2，約占耕地面積的36%，常年造成我國許多農(nóng)作物產(chǎn)量的嚴重損失。當前全球土地沙漠化、鹽堿化呈現(xiàn)逐步加重趨勢，據(jù)統(tǒng)計，全球鹽堿地正以每年100萬～150萬hm2的速度增長。如何提高作物耐鹽性備受廣泛關注。盡管大麥的耐鹽性普遍較其它作物強，但對鹽分濃度相當敏感，在鹽脅迫下其生長發(fā)育受到明顯抑制，特別在芽期和苗期。本文對近年來國內(nèi)外鑒定大麥耐鹽性的主要方法及其機理的研究進展進行了綜述。

1 大麥耐鹽性鑒定方法

植物的耐鹽性是多種抗鹽生理性狀的綜合表現(xiàn)，不僅受外界條件影響，而且不同植物不同品種在不同生長時期的抗鹽能力也不一致。根據(jù)目前國內(nèi)外的研究狀況，大麥耐鹽性鑒定主要采取直接鑒定法和生理生化鑒定法。

1.1 直接鑒定法

直接鑒定法通常是在實驗室利用不同濃度的鹽分溶液對植物進行鹽脅迫處理，主要在芽期和苗期調(diào)查其發(fā)芽狀況、生長情況、形態(tài)表現(xiàn)等評定其耐鹽性。郎淑平等［1］以種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、萌發(fā)活力指數(shù)以及幼苗相對生長率為指標，研究了NaCl脅迫對10個大麥品種 (系)種子發(fā)芽的影響。喬海龍等［2］通過對不同大麥品種在不同鹽分濃度下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和相對鹽害指數(shù)等相關數(shù)據(jù)的分析，綜合評價了鹽分脅迫下大麥種子在發(fā)芽期間的耐鹽性。綜合來看，相對鹽害指數(shù)和相對生長率是比較重要的指標。

1.2 生理生化鑒定法

該方法主要通過測定植物體內(nèi)的一些生理生化因子的變化來鑒定作物的耐鹽程度。鹽分脅迫下植物細胞內(nèi)有許多種溶質(zhì)含量會發(fā)生變化。

1.2.1 甜菜堿與脯氨酸。甜菜堿是一種非毒性滲透調(diào)節(jié)劑和酶的保護劑，在一定程度上保持鹽脅迫下細胞膜的完整，有利于提高作物的耐鹽性。甜菜堿與麥類作物耐鹽性的關系已得到公認，Nakamura等早在1996年對大麥的研究就證明甜菜堿的積累量與品種耐鹽性呈正相關，趙勇等研究也證實，甜菜堿含量與小麥耐鹽性呈正相關［3］。脯氨酸在滲透調(diào)節(jié)中的作用及其含量是否與耐鹽性有直接聯(lián)系，看法還不盡一致。有研究表明，植物體內(nèi)脯氨酸含量隨外界鹽濃度的增加而升高，但不能就此肯定脯氨酸是植物耐鹽的原因。1996年，Colmer等對不同耐鹽程度的大麥鹽處理后發(fā)現(xiàn)對雙倍體的抗鹽性起作用的是甜菜堿的積累而不是脯氨酸，Liu等［4］認為將脯氨酸作為鹽分脅迫的敏感性指標更合適。趙福庚等［5］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下，脯氨酸具有滲透保護劑的功能，但占滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)總量的比例仍較低。因此，甜菜堿的含量變化可作為鑒定大麥耐鹽性的一個生理指標，而脯氨酸則不一定。

1.2.2 可溶性糖與可溶性蛋白質(zhì)?？扇苄蕴鞘呛芏喾躯}生植物的主要滲透調(diào)節(jié)劑，對細胞膜有穩(wěn)定作用。在鹽分脅迫下，尤其是具有一定耐鹽能力的植物莖葉中可溶性糖含量明顯增加。郭曉麗等［6］在對不同小麥品種進行耐鹽性分析發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度的增加，可溶性糖含量呈上升趨勢，也有研究表明耐鹽大麥在鹽脅迫下比鹽敏感大麥的葡萄糖代謝活性高。另外，鹽脅迫條件下植物細胞中蛋白質(zhì)合成代謝也增強，Bradburg等于1990年對大麥耐鹽品種CM 72和鹽敏感品種Proto進行脅迫研究發(fā)現(xiàn)CM 72的根中有許多種蛋白質(zhì)含量比對照株多，而且某些蛋白質(zhì)的變化還與品種的耐鹽性有關。這說明可溶性糖含量和可溶性蛋白含量可以作為鑒定耐鹽性的一個參考指標。

1.2.3 礦質(zhì)元素。Na+、K+和Cl-是植物體內(nèi)主要的無機滲透調(diào)節(jié)離子，它們在植物體內(nèi)的分布及含量是決定植物耐鹽程度的關鍵。一般情況下，當植物受到鹽分脅迫時，胞間K+濃度下降，但是有一定耐鹽性的植物如麥類作物則具一定機制選擇性的吸收K+，排出Na+、Cl-以提高植物耐鹽能力，所以莖葉中K+/Na+是反映植物耐鹽特性的良好指標。

1.2.4 質(zhì)膜透性和丙二醛。相對電導率能夠表示細胞膜透性的大小，可以反映細胞膜在逆境下的受損程度。李磊等［7］以不同大麥為親本配置了10個雙列雜交組合，經(jīng)三年田間試驗，結(jié)果表明據(jù)質(zhì)膜透性和滲透勢的變化可大體估出植株的耐鹽性。丙二醛 (MDA)是膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，李尉霞等［8］研究發(fā)現(xiàn)大麥幼苗在鹽脅迫下其MDA含量隨脅迫強度的加深呈上升趨勢，說明NaCl脅迫使大麥幼苗葉片膜脂過氧化作用加強，膜透性增加。因而，MDA含量的積累和膜透性的增加可作為鑒定植物耐鹽性的生理指標。

1.2.5 酶促保護系統(tǒng)。酶促保護系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD)和過氧化氫酶 (CAT)等酶，植物清除氧自由基的酶主要是SOD，它還可清除因膜脂過氧化而產(chǎn)生的MDA，以降低鹽分脅迫對植物造成傷害。陳沁等［9］以灘引5號耐鹽大麥和CT16鹽敏感大麥為試材，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下，CT16葉內(nèi)GSH含量呈下降趨勢，而灘引5號卻是先上升后下降，與植物體內(nèi)K+/Na+極顯著正相關，對材料進行外源GSH處理后發(fā)現(xiàn)SOD含量明顯增加，表明了SOD活性在大麥耐鹽中的重要性。李尉霞等［8］對大麥苗期耐鹽性的研究也表明，鹽脅迫可以誘導增強大麥葉片的SOD活性，表明其活性變化與大麥幼苗的耐鹽性相關。目前，SOD的活性已普遍作為評定植物抗鹽能力的生理指標。

1.2.6 脫落酸 (ABA)。在鹽分脅迫下，植物體內(nèi)的IAA、CTK、GA、ETH、ABA等均發(fā)生不同程度的變化，其中ABA受環(huán)境條件影響最大。ABA是許多植物生理過程中的重要激素，有助于增強植物的耐鹽耐旱能力。有研究表明，鹽脅迫條件下植物中ABA水平明顯上升。外源ABA可以引發(fā)植物中調(diào)滲蛋白的合成，而且施用ABA可降低鹽脅迫下植物地上部分Na+/K+比值，使膜傷害程度下降提高耐鹽性。這說明，脫落酸在某種程度上可以作為鑒定植物耐鹽性的生理指標。

2.2.7 葉綠素含量。葉綠素是植物體進行光合作用的關鍵色素，它能直接反映光合效率。鹽分脅迫破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，使葉綠素含量下降，影響色素蛋白復合體的功能，最終影響植物的光合作用。肖雯等［10］通過對幾種典型鹽生植物和非鹽生植物的比較研究，結(jié)果表明葉綠素含量不能直接反映植物的耐鹽性，只能作為參考指標與其他多種指標一起進行綜合考慮。

目前，對植物的耐鹽性鑒定尚無統(tǒng)一的生理生化指標，故上述兩種方法都只能作為一種參考。為了使測定結(jié)果準確可靠，大多數(shù)人在對植物進行耐鹽性評定時既考慮生長狀況等形態(tài)指標，也考慮生理生化指標。李磊等［11］用細胞質(zhì)膜透性、植物組織滲透勢、K+/Na+、脯氨酸含量、根系活力及干物質(zhì)重作為大麥耐鹽性鑒定的指標。

2 大麥的耐鹽機理

當植物受到鹽分脅迫時，植物體內(nèi)發(fā)生一系列復雜的生理過程。大麥屬于鹽生植物，其耐鹽性機理涉及諸多方面，對鹽分脅迫的生理調(diào)節(jié)通常包括選擇性積累或排出相關離子、控制植物根部對離子的吸收、將離子進行區(qū)域化、合成相容性溶質(zhì)、改變光合作用途徑、誘導激活抗氧化酶活性、誘導產(chǎn)生植物激素等［12］。

2.1 無機離子的滲透調(diào)節(jié)作用

在鹽分脅迫下，植物都通過從外界吸收鹽離子和自身合成有機小分子物質(zhì)來進行滲透調(diào)節(jié)。正常情況下，大多數(shù)鹽生植物細胞吸收K+作為主要滲透調(diào)節(jié)劑，Gorham曾在他的研究中提到麥類作物的耐鹽性與其莖葉部位對Na+和Cl-的有限積累及高K+/Na+保持能力有關，非鹽條件下植株莖葉和根系Na+含量基本相近，隨著鹽濃度的增加，莖葉和根系中K+含量下降，且在一定濃度范圍內(nèi)，K+含量下降的平均幅度小于根系，這說明麥類植株地上部具有維持較高K+/Na+比率的能力。在普通小麥中，控制K+/Na+選擇性的kna1位點對于鹽分脅迫后的產(chǎn)量非常重要［13］。大麥以體外吸收的無機離子如 Ca2+、Na+、K+等陽離子及 PO43-、SO42-等陰離子為主要滲透調(diào)節(jié)劑，植物體保持細胞內(nèi)高K+/Na+有利于K+行使Na+無法替代的重要功能。

2.2 Na+的區(qū)域化與外排作用

許多鹽生植物通過調(diào)節(jié)離子吸收和區(qū)域化來抵抗鹽脅迫造成的傷害。離子的區(qū)域化是指在鹽脅迫下植物細胞將積累的過量無機離子運輸并貯藏在液泡或其他組織中。將Na+排出細胞質(zhì)或?qū)⑵鋮^(qū)域化的實現(xiàn)主要依賴位于膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白。SOS1基因編碼的SOSl蛋白即位于質(zhì)膜上的Na+/H+反向運輸體，它是SOS基因家族中與植物耐鹽性關系最直接的［14，15］。擬南芥在鹽脅迫下，其根、莖、葉細胞中SOS1的mRNA的表達增強。根尖中的SOS1可把Na+排到胞外，部分進入到根、莖和葉木質(zhì)部液流中的Na+可被SOS1重吸收，控制Na+向上運輸［16］。決定植物耐鹽性高低的另一因素是質(zhì)膜H+-ATP酶，它在大多數(shù)液泡泵H+活性中起主導作用，約占液泡膜蛋白的6%～8%。研究發(fā)現(xiàn)，大麥根部沒有專門的排鹽器官，主要通過ATPase水解ATP時釋放的能量將Na+排出根細胞。耐鹽大麥品種的根尖細胞質(zhì)膜ATPase活性高于鹽敏感品種，故排Na+能力較強，從而減少根細胞中Na+的濃度及Na+向地上部的運輸［17］。

2.3 相容性溶質(zhì)的調(diào)節(jié)作用

植物體內(nèi)的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)大致可分為3類:氨基酸及其衍生物，如甘氨酸、甜菜堿等;糖類及其衍生物，如葡萄糖等;多元醇類。許多植物在鹽漬和干旱環(huán)境下，都會在細胞中積累甘氨酸、甜菜堿類物質(zhì)。許多代謝中的重要酶類由于甜菜堿的積累在滲透脅迫下保持活性，在一定程度上保持了細胞膜的完整性，避免了鹽害作用。甜菜堿的積累與植物受鹽脅迫的嚴重程度成比例，如大麥在300 mMNaCl的高鹽條件下，BADH的mRNA量在葉片中增加了8倍，而且可以通過持續(xù)的鹽脅迫狀態(tài)來保持。一般認為，脯氨酸的作用主要是平衡液泡中的高濃度鹽分，避免細胞質(zhì)脫水，但關于脯氨酸與鹽脅迫之間的關系迄今仍有爭議。糖醇是一種多元醇，含有多個羥基，能有效地維持細胞內(nèi)膨壓，從而具有抗鹽作用。在鹽脅迫條件下，許多植物都會合成并積累糖醇。

2.4 抗氧化酶體系的作用

正常條件下植物體內(nèi)的活性氧的產(chǎn)生和猝滅處于動態(tài)平衡［18］，植物受到鹽脅迫時，動態(tài)平衡被打破，細胞內(nèi)還積累過量活性氧類物質(zhì) (ROS)，若誘導產(chǎn)生的活性氧不能被及時清除，就會通過破壞細胞膜和一些大分子導致氧化損傷，因此植物耐鹽的另一個方面還取決于其抗氧化酶保護體系的活力。大麥等在鹽脅迫條件下能產(chǎn)生一些清除活性氧的酶類和抗氧化物質(zhì)，如超氧化物歧化酶 (SOD)、抗壞血酸過氧化物酶 (APX)、過氧化氫酶(CAT)等。SOD作為植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，具有清除細胞中多余超氧根陰離子的功能。Mandhania等［19］對小麥的研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下CAT的表達量與K+/Na+比呈正相關，與膜結(jié)構(gòu)損害程度呈負相關。

2.5 代謝調(diào)節(jié)

大麥在鹽脅迫下，要么增加某些蛋白質(zhì)含量要么誘導合成新的蛋白質(zhì)，而且蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量的變化都與品種的耐鹽性有關。晚期胚胎發(fā)生富集蛋白 (LEA)是一類在植物發(fā)育晚期胚胎中大量積累的家族性蛋白質(zhì)。大麥的HVA1基因即為LEA基因。Xu等在1996年將大麥的耐鹽相關HVA1基因轉(zhuǎn)入水稻中，明顯提高了轉(zhuǎn)基因水稻的耐鹽性，并且其耐鹽性和HVA1蛋白的積累呈正相關。Badu等［20］發(fā)現(xiàn)大麥HVA1(LEA3)基因的表達可以保護鹽脅迫條件下水稻根部細胞的細胞膜，使轉(zhuǎn)基因水稻的耐鹽性得到提高。除LEA外，轉(zhuǎn)錄因子在植物耐鹽基因工程中也起很大作用，它是能夠與真核基因啟動子區(qū)域中的順式作用元件發(fā)生特異性相互作用的DNA結(jié)合蛋白。Oh等［21］將HvCBF4轉(zhuǎn)入水稻而提高了水稻的耐鹽性，Wu等［22］研究了HvCBF基因在西藏一年生野生大麥中耐鹽性作用，結(jié)果表明，HvCBF4基因與大麥耐鹽性最相關。

2.6 激素調(diào)節(jié)

高鹽環(huán)境會引起植物激素如脫落酸 (ABA)和細胞分裂素 (CTK)水平的上升。Kuiper等于1990年研究了鹽脅迫下不同大麥品種細胞分裂素(CTKs)含量的變化，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫使耐鹽品種中的玉米素 (Z)及玉米素核苷 (ZR)含量迅速下降，而鹽敏感品種中Z及ZR至少10 d內(nèi)保持不變。Zhao等［23］研究了鹽脅迫下大麥根系多胺代謝與其耐鹽性的關系，發(fā)現(xiàn)在鹽處理下，亞精胺 (Spm)含量不發(fā)生明顯變化而多胺含量變化顯著，隨著鹽濃度增加，耐鹽品種Jian4比鹽敏感品種Kepin7增加趨勢更明顯。這說明，多胺含量對于大麥耐鹽性非常重要。

綜上，國內(nèi)外對植物的耐鹽機理、鹽脅迫下植物的變化以及耐鹽的鑒定技術(shù)等方面做了大量研究，對大麥的研究也較多。大麥的耐鹽性是由多基因控制的數(shù)量性狀，不同品種適應鹽漬環(huán)境的方式多種多樣，同時受多種因素的影響。目前對大麥耐鹽過程的許多調(diào)控機理還不十分清楚。隨著對植物鹽脅迫下離子通道行為、信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄因子等問題研究的不斷深入及轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，將有利于弄清大麥耐鹽性機理。利用大麥的耐鹽性去有效地開發(fā)灘涂、鹽堿地，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，具有巨大前景。

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