小鹽芥耐鹽機(jī)制的研究進(jìn)展

邵琳　王火旭　夏然

摘 要：鹽脅迫是世界上大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上一直存在的問題，極大地威脅著植物的生長(zhǎng)發(fā)育和世界各國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在鹽脅迫條件下，植物產(chǎn)生了一系列的生理生化變化，包括：細(xì)胞質(zhì)膜解體，活性氧增多，光合作用受到抑制以及代謝有毒物質(zhì)的積累等，甚至是植株的死亡。理解鹽脅迫對(duì)植物生理生化代謝的影響，有利于改善植物生長(zhǎng)條件，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，也為遺傳工程提供有力證據(jù)。小鹽芥是與模式植物擬南芥親緣關(guān)系較近的極端耐鹽植物，是研究植物耐受非生物脅迫逆境機(jī)理的理想材料。該文根據(jù)近年來該領(lǐng)域已有的研究成果闡述了小鹽芥耐鹽機(jī)制方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：小鹽芥；耐鹽機(jī)制；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）08-34-04

Abstract：Salt stress is a problem of the most countries and regions，it has been existing and greatly affects plant growth and development and agricultural production. Plants produce a series of physiological and biochemical changes under salt stress，and it includes that cytoplasm membranes disintegrate，reactive oxygen species increase，photosynthesis is restrained，toxic substances of metabolism accumulate and so on，and it even lead to the death of the plant. To understand the influence of salt stress on plant physiological and biochemical metabolism，is conducive to improve plant growth，increase crop yield and quality and provide strong evidence for genetic engineering. Thellungiella salsuginea is a salt-tolerant plant，it is closed with the model plant Arabidopsis and is plant material to study adversity ideal of abiotic stress. On the basis of the existing research results in this field in recent years，salt tolerance mechanisms of Thellungiella salsuginea is reviewed.

Key Words：Thellungiella salsuginea；Salt tolerence mechanism；Progress

鹽脅迫是世界上大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上一直存在的問題，它嚴(yán)重影響著植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，大大降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著人口膨脹、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及環(huán)境惡化等原因，土壤鹽漬化的形勢(shì)愈演愈烈?，F(xiàn)今，世界上約有20%的可耕地和40%的灌溉地不同程度的受到鹽漬化影響[1]。

植物適應(yīng)鹽脅迫的機(jī)制非常復(fù)雜，提高農(nóng)作物的耐鹽性仍然面臨著極大的挑戰(zhàn)。因此，選擇一種遺傳模式植物研究植物耐鹽機(jī)制顯得至關(guān)重要。小鹽芥是十字花科鹽芥屬1a生草本植物，與雙子葉植物研究中所常用的模式植物擬南芥親緣關(guān)系較近。小鹽芥也具有作為模式植物的一系列良好特征：個(gè)體較小、生活周期短、自花授粉、種子量大、基因組較小，易于遺傳轉(zhuǎn)化。更重要的是，小鹽芥能耐受500mM高鹽，同時(shí)對(duì)干旱和-15℃低溫等非生物脅迫有極高的耐受能力，因而成為研究植物耐受非生物脅迫逆境機(jī)理的理想材料[2，4-5]。本文根據(jù)近年來該領(lǐng)域已有的研究成果闡述小鹽芥耐鹽機(jī)制方面的研究進(jìn)展。

1 鹽脅迫及其應(yīng)答

在高鹽環(huán)境中，植物容易受到離子脅迫、滲透脅迫以及由此導(dǎo)致的次級(jí)脅迫如氧化脅迫、營(yíng)養(yǎng)失衡等[2]。鹽脅迫會(huì)嚴(yán)重影響植物特別是甜土植物從種子萌發(fā)到生長(zhǎng)發(fā)育等多個(gè)生理過程，同時(shí)也很大程度上干擾植物體內(nèi)細(xì)胞及整株水平上的水分及離子的穩(wěn)態(tài)，并導(dǎo)致細(xì)胞分子損傷，植物生長(zhǎng)減緩甚至死亡[2]。

植物對(duì)抗鹽脅迫的應(yīng)答反應(yīng)主要是重建植物體的穩(wěn)態(tài)（homeostasis），包括重建離子穩(wěn)態(tài)（ionic homeostasis）和滲透穩(wěn)態(tài)（osmotic homeostasis），另外還有氧化清除以及生長(zhǎng)抑制等方式。植物中包括高親和性鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（high-affinity K+ transporter，HKT）、低親和性陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（low-affinity cation transporter，LCT）和Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等維持著離子平衡，脯氨酸、果聚糖及甘露糖等滲調(diào)物質(zhì)參與調(diào)節(jié)滲透平衡，而多種脅迫蛋白如胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白LEAs、應(yīng)答脫水蛋白R(shí)Ds、冷調(diào)節(jié)蛋白CORs、蛋白酶和分子伴侶等也在應(yīng)對(duì)脅迫的過程中發(fā)揮著重要的作用[3]。研究植物對(duì)鹽脅迫的應(yīng)答，不僅對(duì)揭示植物耐鹽機(jī)制有重要的理論意義，而且對(duì)培育耐鹽作物具有重要的實(shí)踐意義。

2 耐鹽生理生化機(jī)制的研究

植物在鹽脅迫條件下，其生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到嚴(yán)重的影響，從而產(chǎn)生了一系列的生理生化變化，包括：細(xì)胞質(zhì)膜解體、活性氧增多、光合作用受到抑制以及代謝有毒物質(zhì)的積累等，甚至是植株的死亡。endprint

2.1 離子的穩(wěn)態(tài) 土壤含鹽量高時(shí)，不僅會(huì)破壞植物細(xì)胞內(nèi)的離子平衡狀態(tài)，如已經(jīng)形成的Na+、Cl-、K+、Ca2+等離子的平衡，而且也影響了細(xì)胞內(nèi)K+和Ca2+的分布，會(huì)破壞細(xì)胞壁和質(zhì)膜的穩(wěn)定性。因此，為了減輕鹽脅迫對(duì)植物的傷害而獲得耐鹽性，最重要的方式就是重建離子穩(wěn)態(tài)。重建離子穩(wěn)態(tài)包括離子的外排、內(nèi)流以及離子的區(qū)域化等過程。

目前許多研究證明，在高鹽條件下，植物細(xì)胞中的離子轉(zhuǎn)運(yùn)過程很重要。通過對(duì)所獲得擬南芥突變體的研究，朱健康實(shí)驗(yàn)室定義了5個(gè)耐鹽基因：SOS1，SOS2，SOS3，SOS4，SOS5，其中SOS1編碼一個(gè)質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，包含12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，鹽脅迫正調(diào)控SOS1的表達(dá)[6]。Shi等人研究表明，擬南芥中SOS1的過量表達(dá)大大提高了其耐鹽性[7]。Blumwal實(shí)驗(yàn)室研究證明，在植物中Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體（NHX1）的過表達(dá)均可以增加植物的耐鹽性[8]。

2.2 滲透壓的穩(wěn)態(tài) 高鹽條件下，因?yàn)橹参锛?xì)胞內(nèi)水勢(shì)高于細(xì)胞外，所以會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞失水。調(diào)節(jié)滲透脅迫的方式有兩類：一是從外界環(huán)境中吸收無機(jī)離子如Na+、Cl-和K+等至液泡中，這種方式不僅減少了無機(jī)離子對(duì)胞質(zhì)的毒害，而且還使胞質(zhì)內(nèi)水勢(shì)降低，從而促進(jìn)植物細(xì)胞從外界環(huán)境中吸水；二是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成可溶性的有機(jī)小分子量物質(zhì)，作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以降低細(xì)胞的滲透勢(shì)，提高細(xì)胞的保水能力，這是植物細(xì)胞重建滲透穩(wěn)態(tài)的主要方式。

參與鹽脅迫的調(diào)節(jié)物質(zhì)包括氨基酸及其衍生物（如脯氨酸、脯氨酸甜菜堿、甘氨酸甜菜堿等）、糖類（果糖和蔗糖等）、含硫化合物（硫酸膽堿等）、多元醇類（甘油、甲基肌醇、山梨糖醇等）[9]。此外，植物在高鹽條件下，細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一類具有滲透調(diào)節(jié)作用的蛋白。這類蛋白質(zhì)主要為胚胎晚期豐富蛋白（late embryogenesis abundant protein，LEA），其主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，是一種具很高親水性的脫水保護(hù)劑。Xu等人研究表明，LEA基因的過表達(dá)可提高植物的耐鹽性[10]。

2.3 氧化清除 植物受到鹽脅迫時(shí)，體內(nèi)的平衡體系就會(huì)受到破壞，導(dǎo)致氧化脅迫，細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多種形式的活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）包括氧自由基（O2-），羥基（OH-）和過氧化氫（H2O2）等。植物體內(nèi)活性氧的過多積累會(huì)損害磷脂膜，導(dǎo)致膜的通透性增大、代謝紊亂，從而抑制植物的生長(zhǎng)，加速植物的衰老和死亡[2]。

在長(zhǎng)期進(jìn)化中，植物體內(nèi)活性氧的清除機(jī)制可分為兩類：一是酶促保護(hù)機(jī)制，包括：超氧化物歧化酶（SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）；二是非酶促保護(hù)機(jī)制，包括：抗壞血酸（Vc）、硫氧還蛋白（TPX）、谷胱甘肽、黃酮和類胡蘿卜素等[11]。

3 小鹽芥耐鹽的分子機(jī)制研究

3.1 小鹽芥相關(guān)基因的研究 近年來，隨著對(duì)小鹽芥耐鹽機(jī)制研究的逐步加深，與之相關(guān)的基因和功能正相繼得到分析和闡述。除了上面已經(jīng)介紹的一些關(guān)鍵基因之外，還有許多其他的基因也參與到耐鹽機(jī)制中。

小鹽芥ThCBL9編碼鈣調(diào)磷酸酶B亞基。研究發(fā)現(xiàn)，ThCBL9和擬南芥中的AtCBL9的同源性較高[14]。將ThCBL9轉(zhuǎn)入擬南芥中過表達(dá)的植株與野生型植株相比，其對(duì)鹽脅迫的耐受力提高。ThCBL9的功能可能是通過活化AKT1基因的表達(dá)或促進(jìn)SOS1的激活過程來維持細(xì)胞內(nèi)離子的平衡狀態(tài)[12]。

小鹽芥TsVP，編碼液泡焦磷酸酶。Lv等人[13]將TsVP轉(zhuǎn)入棉花中，通過Northern和Southern方法驗(yàn)證該基因已轉(zhuǎn)入到棉花的基因組中，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)基因植株的液泡中H+-PPase（H+-pyrophosphatase）的活性比野生型植株高很多。說明了TsVP提高了棉花轉(zhuǎn)基因植株對(duì)鹽脅迫的耐受性。研究發(fā)現(xiàn)，在煙草中TsVP的過表達(dá)可導(dǎo)致葉片的液泡中Na+的積累，從而增加了煙草的耐鹽性[14]。

更多的研究表明，ThHSC70，編碼熱激蛋白，是與冷、熱脅迫相關(guān)的小鹽芥基因[15]；ThCYP1，編碼環(huán)孢素，參與調(diào)節(jié)脅迫相關(guān)蛋白的折疊方式[16]。其他已被研究的小鹽芥基因還有：與植物細(xì)胞離子轉(zhuǎn)運(yùn)過程相關(guān)的ThNHX1[17]；與細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)的ThZF1[18]與TsCBF1[19]等。

綜上所述，小鹽芥的耐鹽機(jī)制是一個(gè)非常復(fù)雜的調(diào)控過程，有許多基因都在鹽脅迫應(yīng)答過程中發(fā)揮了作用。

3.2 小鹽芥基因表達(dá)的研究 小鹽芥基因組文庫的構(gòu)建在分子水平上為小鹽芥耐鹽分子機(jī)制的研究做出了很大的貢獻(xiàn)。在NCBI上，已經(jīng)注冊(cè)了6 578個(gè)Yukon生態(tài)型小鹽芥的ESTs序列和約1 700個(gè)山東型小鹽芥的ESTs序列。目前已構(gòu)建的小鹽芥文庫有：Barbara Moffatt實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的在冷、鹽和干旱分別處理下Yukon生態(tài)型小鹽芥的3個(gè)cDNA文庫和4個(gè)應(yīng)用PCR技術(shù)建立的減法文庫；Teruaki Taji實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的用鹽、冷及脫落酸分別處理后的小鹽芥全長(zhǎng)cDNA文庫；中國(guó)科學(xué)院的QiXie等構(gòu)建的BIBAC2表達(dá)文庫；Chengbin Xiang利用GATEWAY載體構(gòu)建的用于對(duì)小鹽芥基因在擬南芥中的過量表達(dá)與標(biāo)記綠色熒光蛋白的表達(dá)模式進(jìn)行研究的一個(gè)文庫；Jian-kang zhu和Ray Bressan構(gòu)建的小鹽芥的EMS和T-DNA插入突變體庫。通過相應(yīng)的基因組學(xué)技術(shù)，Hans Bohnert收集了一部分小鹽芥的脅迫誘導(dǎo)基因啟動(dòng)子序列，Hans Bohnert和Jian-KangZhu獲得了一些在擬南芥基因組中缺少對(duì)應(yīng)區(qū)域的小鹽芥BAC序列[20]。

目前研究結(jié)果顯示，在相同的脅迫條件處理下，小鹽芥在轉(zhuǎn)錄水平上的變化比擬南芥小。Taji等[21]和Gong等[22]顯示了相似的研究結(jié)果，擬南芥鹽脅迫下高表達(dá)的一些基因是小鹽芥在低鹽脅迫條件下高表達(dá)的基因。Amtmann等[23]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下，小鹽芥地上部的編碼膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因表達(dá)量明顯比擬南芥少，但在根組織中其表達(dá)量很接近。endprint

3.3 小鹽芥全基因組測(cè)序完成 為了對(duì)小鹽芥耐鹽分子機(jī)制進(jìn)行深入研究與分析，構(gòu)建小鹽芥的全基因組文庫顯得極為重要。謝旗等研究員[24]利用層級(jí)拼接的方法對(duì)雙末端測(cè)序方法（Illumina GA II系統(tǒng)）所得到的短序列進(jìn)行了成功的拼裝，獲得了233.7Mb的框架序列，將其中80%的序列整合到鹽芥的7條染色體上。

通過結(jié)合基因結(jié)構(gòu)、序列同源性及表達(dá)信息等特征，研究人員預(yù)測(cè)，小鹽芥基因組中共有28 457個(gè)編碼蛋白的基因，其中93%基因與擬南芥具有一定的同源性。

進(jìn)化結(jié)果分析顯示，小鹽芥和擬南芥大約分化于700萬到1 200萬a之前。分化后的小鹽芥基因組獲得了大量的轉(zhuǎn)座子序列，約占其全基因組序列的52%，這一比例是擬南芥的4倍。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與擬南芥相比，小鹽芥基因組重復(fù)序列極高，小鹽芥存在更多的“應(yīng)激響應(yīng)”基因，這些基因通過大片段基因加倍和基因串聯(lián)加倍2種基因加倍事件而得到加倍。

小鹽芥全基因組序列的完成，使得小鹽芥模式系統(tǒng)更具潛力和吸引力，比如，利用小鹽芥全基因組文庫不僅可以篩選待測(cè)基因、基因順式調(diào)控元件和多基因家族等，而且可以通過內(nèi)含子中的調(diào)控元件與基序來研究基因表達(dá)的調(diào)控。同時(shí)為設(shè)計(jì)改良農(nóng)作物、提高植物對(duì)非生物脅迫的耐受力等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Rhoades，J.D.and J.Loveday.Salinity in irrigated agriculture[J].Irrigation of agricultural crops，1990，30：1089-1042.

[2]Zhu，JK.Plant salt tolerance Trends[J].Trends Plant Sci，2001，6（2）：66-71.

[3]Hans J.and Elena Sheveleva.Plant stress adaptations-making metabolism move[J].Plant Biology，1998，1：267–274.

[4]Inan G，Zhang Q，Li P，et al.Salt cress. A halophyte and cryophyte Arabidopsis relative model system and its applicability to molecular genetic analyses of growth and development of extremophiles.[J] Plant Physiol，2004，135（3）：1 718-1 737.

[5]TeruakiTaji，Motoaki Seki，MasakazuS，et al.Comparativegenomicsinsalt tolerance betweenArabidopsis andArabidop-sis-related halophyte salt cress using Arabidopsis microarray[J].Plant Physiol，2004，135（3）：1 697-1 709.

[6]Shi H，Ishitani M，Kim C，et al.The Arabidopsis thaliana salt tolerance gene SOS1 encodes a putative Na+/H+ antiporter[J].Proc Natl Acad Sci USA，2000，97（12）：6 896-6 901.

[7]Zhu，JK.Salt and drought stress signal transduction in plants[J].Plant Biol，2002，53：247–273.

[8]Apse MP，Aharon GS，Snedden WA et a1.Salt Tolerance Conferred by Overexpression of a Vacuolar Na+/H+ antiporter in Arabidopsis[J].Science，1999，285（5431）：1 256-1 258.

[9]徐云剛，詹亞光.植物抗旱機(jī)理及相關(guān)基因研究進(jìn)展[J].生物技術(shù)通報(bào)，2009（2）：11-17.

[10]XuD，DuanX，WangB，et al.Expression of a Late Embryogenesis Abundant Protein Gene，HVA1，from Barley Confers Tolerance to Water Deficit and Salt Stress in Transgenic Rice[J].Plant Physiol，1996，110（1）：249-257.

[11]Grene R.Oxidative Stress and Acclimation Mechanisms in Plants

[J].American Society of Plant Biologists，2002：2-20.

[12]Sun ZB，Qi XY，Li PH，et al.Overexpression of a Thellungiella halophila CBl9 homolog，ThCBL9，confers salt and osmotic tolerances in transgenic Arabidopsis thaliana[J].Journal of Plant Biology，2008，51（1）：25-34.

[13]Gao F，Gao Q，Duan X，et al.Cloning of an H+-PPase gene from Thellungiella halophila and its heterologous expression to improve tobacco salt tolerance[J].J Exp Bot，2006，57（12）：3 259-3 270.endprint

[14]Lv SL，Lian LJ，Tao PL，et al.Overexpression of Thellungiella halophila H（+）-PPase（TsVP）in cotton enhances drought stress resistance of plants[J].Planta，2009，229（4）：899-910.

[15]張俠，郭善利，尹海波.鹽芥熱激同源蛋白70基因（Thhsc7o）的分子克隆及鑒定[J].植物學(xué)報(bào)，2004，46（10）：1 212-1 219.

[16] Chen AP，Wang GL，Qu ZL，et al.Ectopic expression of ThCYP1，a stress-responsive cyclophilin gene from Thellungiella halophila，confers salt tolerance in fission yeast and tobacco cells[J]. Plant Cell Rep，2007，26（2）：237-245.

[17]Chunxia Wu，Xiuhua Gao，Xiangqiang Kong，et al.Molecular cloning and functional analysis of a Na+/H+ antiporter gene ThNHX1 from a halophytic plant Thellungiella halophila[J]. Plant Molecular Biology Reporter，2009，27（1）：1-12.

[18] Xu S，Wang X，Chen J.Zinc finger protein 1 （ThZF1） from salt cress （Thellungiella halophila） is a Cys-2/His-2-type transcription factor involved in drought and salt stress[J].Plant Cell Rep，2007，26（4）：497-506.

[19]KasugaM，LiuQ，Miura S，et al. Improving plant drought，salt and freezing tolerance by gene transfer of a single stress-inducible transcription factor[J].Nat Biotechnol，1999，17（3）：287-291.

[20]Hasegawa PM.，Zhu JK，Bohnert HJ，Bressan RA.Plant cellular and molecular responses to high salinity[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，2000，51（0）：463-499.

[21]Duan XG，Yang AF，Gao F，et al.Overexpression of vacuolar H+-PPase enhances the electrochemical gradient across the vacular membrane and improves tobacco cell salt tolerance[J]. Protoplasma，2007，232（1-2）：87-95.

[22]LIU Ai-Rong，ZHAO Ke-Fu.Osmotica accumulation and its role in osmotic adjustment in Thellungiella halophila under salt stress[J].Journal of Plant Physiology and Molecular Biology，2005，31（4）：389-395.

[23]Volkov V，Amtmann A. Thellungiella halophila，a salt-tolerant relative of Arabidopsis thaliana，has specific root ion-channel features supporting K+/Na+ homeostasis under salin-ity stress[J].Plant J，2006，48（3）：342-353.

[24]Wu HJ，Zhang Z，Wang JY，et al.Insights into salt tolerance from the genome of Thellungiella salsuginea[J].Proc Natl Acad Sci USA，2012，109（30）：12 219-12 224.

（責(zé)編：施婷婷）endprint