甜菜耐鹽性生理及其分子水平研究進(jìn)展

馮瑞軍，伍國強

（蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州730050）

甜菜耐鹽性生理及其分子水平研究進(jìn)展

馮瑞軍，伍國強*

（蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州730050）

從鹽脅迫對甜菜幼苗生長以及生理的影響，甜菜耐鹽性分子水平研究現(xiàn)狀、提高甜菜耐鹽性的策略4個方面對甜菜耐鹽性進(jìn)行了闡述，歸納了目前甜菜耐鹽性方面的最新研究動態(tài)，同時對甜菜耐鹽性研究方向進(jìn)行了展望。

甜菜；耐鹽性；分子水平；研究進(jìn)展

甜菜是我國重要糖料作物之一，主要分布于我國西北、東北和華北等干旱半干旱地區(qū)[1]。而且，由于年降水量稀少，高溫又引起土壤水分蒸發(fā)強烈，致使一些干旱半干旱地區(qū)土壤嚴(yán)重缺水，由此導(dǎo)致可耕種土地面積逐年減少。為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，灌溉已成為緩解土壤水分匱乏的重要措施，然而，灌溉水質(zhì)資源的惡化以及其管理技術(shù)不合理的應(yīng)用導(dǎo)致土壤次生鹽堿化，加劇了土壤鹽對植物的傷害，導(dǎo)致每年約有1000萬hm2的土地由于土壤的次生鹽漬化而丟棄[2]。甜菜產(chǎn)糖量僅次于甘蔗，也是新興的可再生能源作物，與甘蔗、玉米和甜高粱相比，其在開發(fā)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)方面有著更廣闊的應(yīng)用前景[3]。但其生理耐鹽能力不強，耗水量大，且大多數(shù)栽培品種在苗期對鹽分較為敏感。因此，了解甜菜種子萌發(fā)和苗期的耐鹽機制，通過人為途徑提高甜菜對鹽堿地的自身適應(yīng)能力或培育新的甜菜新品種（系），提高甜菜產(chǎn)量，已成為我國甜菜生產(chǎn)和科研上的重要課題。本文從4個方面總結(jié)了國內(nèi)外甜菜耐鹽性的研究進(jìn)展，為更深入揭示甜菜耐鹽機制提供理論依據(jù)。

1 鹽脅迫對甜菜生長的影響

1.1 鹽脅迫對甜菜種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)是植物生活周期中決定幼苗能否成功建立以及產(chǎn)量構(gòu)成的最重要階段[4]。對于一些鹽生植物，在高濃度鹽處理下其種子不能萌發(fā)或少量萌發(fā)，然而當(dāng)高鹽環(huán)境緩解或去除脅迫后，未萌發(fā)種子仍能繼續(xù)萌發(fā)[4]。在鹽脅迫下，大多數(shù)鹽生植物種子雖能達(dá)到最大的發(fā)芽率，但在種子萌發(fā)以及幼苗建立階段對高濃度鹽非常敏感[5]。甜菜是最耐鹽的農(nóng)作物之一[6]，但有報道認(rèn)為其在種子萌發(fā)以及苗期對鹽非常敏感[7]。因此，了解甜菜種子萌發(fā)和幼苗的耐鹽機制是有必要的，為提高甜菜耐鹽性提供理論依據(jù)。

大量研究表明，鹽處理抑制了植物種子的萌發(fā)，如：波喜蕩草（Posidonia oceanica L.）[8]、水稻[9]、小麥（Triticum aestivum）[10]、玉米[11-12]和油菜（Brassica napus L.）[13]等。究其原因，在鹽脅迫下，其一是由于外界環(huán)境低的滲透勢引起滲透脅迫，抑制了種子水分的吸收；其二是細(xì)胞內(nèi)Na+、Cl-的過量積累抑制了核酸代謝酶的活性[14]、擾亂激素的平衡和種子貯藏物質(zhì)的利用等[15]。Kaveh等[16]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫顯著延遲了馬鈴薯（Solanum lycopersicum）種子的萌發(fā)速率，且NaCl濃度水平與種子萌發(fā)速率和發(fā)芽率呈負(fù)相關(guān)。相似的結(jié)果在油菜種子中也有所報道[17]。Khayamim等[18]將20個甜菜品種暴露在不同的NaCl濃度下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下，甜菜種子的發(fā)芽率顯著降低了35%，死亡的幼苗高到80%，其種子的萌發(fā)速率依賴于甜菜品種。Jafarzadeh等[19]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鹽促進(jìn)甜菜種子的萌發(fā)和幼苗根的生長，隨著鹽濃度的遞增，甜菜幼苗根的生長比種子的萌發(fā)更加敏感。Rao等[20]認(rèn)為一些植物品種由于強的保水力，膜滲透性和滲透調(diào)節(jié)能力，能在適度鹽水平下適應(yīng)生存。Jafarzadeh等[19]報道在4個甜菜品種中，鹽脅迫下品種‘7233’和‘IC2’具有最高的種子發(fā)芽率和平均萌發(fā)時間(MGT)。Habib[21]，Mostafavi[22]和Saadat等[23]分別在不同的甜菜品種中也得到了相似的結(jié)論。Kandil等[6]為研究鹽脅迫下，植物激素對甜菜種子萌發(fā)的影響，用不同濃度赤霉素（GA3）預(yù)浸泡甜菜種子，結(jié)果表明，隨著NaCl濃度的遞增，顯著降低了甜菜種子的發(fā)芽率，且適量濃度赤霉素GA3預(yù)浸泡能有效提高種子的最終發(fā)芽率。然而，鹽堿地土壤鹽濃度成分復(fù)雜，Jafarzadeh等[19]模擬土壤鹽成分，比較單獨NaCl與混合鹽（NaCl、MgSO4、Na2SO4、CaCl2）處理對甜菜種子萌發(fā)的影響，結(jié)果表明，與混合鹽相比，NaCl處理對種子的發(fā)芽率以及根的生長負(fù)面影響更大。這一結(jié)論與單獨用NaCl處理和與Na2SO4組合處理得到的結(jié)果一致[19]。Ghoulam和Fares[24]研究認(rèn)為鹽抑制甜菜種子的萌發(fā)，主要是有毒害離子的積累引起，而不是滲透脅迫。

1.2 鹽脅迫對甜菜幼苗生長的影響

甜菜屬于中度耐鹽植物，Wu等[25]通過比較3個不同甜菜品種的耐鹽性，發(fā)現(xiàn)50 mmol/L NaCl顯著增加甜菜品種‘甘糖7號’地上部和根的鮮、干重，然而‘SD13829’和‘ST21916’卻沒有差異。為進(jìn)一步分析‘甘糖7號’對鹽的響應(yīng)，用0～150 mmol/L NaCl處理3周齡甜菜幼苗10 d，結(jié)果表明，與未加鹽處理相比，低濃度NaCl（≤50 mmol/L），尤其是50 mmol/L NaCl顯著促進(jìn)甜菜幼苗的生長，增加了地上部和根的鮮重和干重；然而，高濃度NaCl（100和150 mmol/L）處理沒有顯著性差異[26]。Liu等[27]用0～500 mmol/L NaCl長期處理2月齡甜菜幼苗20 d，發(fā)現(xiàn)100和200 mmol/L處理顯著增加了甜菜的鮮、干重，而400和500 mmol/L NaCl明顯抑制了甜菜的生長。以上結(jié)果表明，甜菜在苗期對鹽分很敏感，尤其在幼苗期，而且隨著植物幼苗的生長發(fā)育，其耐鹽性逐漸增強。劉祖祺等[28]認(rèn)為甜菜苗期可生長于含鹽0.5%～0.6%的土壤中，生長盛期可生長于含鹽0.6%～0.8%的土壤中。McCue和Hanson[29]發(fā)現(xiàn)隨著NaCl濃度的增加，甜菜品種‘Great Western D-2’的葉延伸速率逐漸呈下降的趨勢。而且，鹽脅迫下，表征植物生長參數(shù)的葉面積、葉數(shù)量，葉和根的鮮、干重在鹽敏感甜菜品種‘TOP’中下降的趨勢遠(yuǎn)大于耐鹽性品種‘NJM’[30]。因此，篩選和培育更具耐鹽性的甜菜品種（系）是甜菜科研工作者未來主要的目標(biāo)，也是提高甜菜產(chǎn)量的途徑之一。

1.3 鹽脅迫對甜菜幼苗光合作用的影響

光合作用是植物將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能最重要的生化途徑，也是植物賴于生存所必需的過程之一。反映植物光合作用強弱的指標(biāo)主要有葉綠素含量、氣孔開關(guān)、光系統(tǒng)Ⅱ（PS II）、光化學(xué)效率（Fv/Fm）、實際光化學(xué)效率（ФPS II）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）、電子傳遞速率（ETR）等。

在水稻葉中，200 mmol/L NaCl處理下葉綠素a和b含量分別下降了33%和41%[31]。相似的研究也發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下綠豆葉綠素a和葉綠素b含量分別下降了22%和45%[32]。可見，鹽脅迫下，為維持植物正常的光合作用，葉綠素a比葉綠素b起著更重要的作用[33]。Liu等[34]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫顯著降低了甜菜品種‘KWS3418’葉綠素a、b和總?cè)~綠素的含量，而額外添加5和10 mmol/L NO3-能顯著增加葉綠素的含量，提高光合作用速率，從而緩解了鹽脅迫對甜菜幼苗的傷害。然而，令人疑惑的是，Dadkhah[35]研究發(fā)現(xiàn)，隨著NaCl濃度的遞增，甜菜品種‘7233-P29’和‘Madison’最底層葉中葉綠素a、b以及總?cè)~綠素含量逐漸呈增加的趨勢，且葉綠素a/ b比值沒有差異。在之前的鹽脅迫研究中，我們發(fā)現(xiàn)甜菜幼葉的葉綠素含量沒有顯著性差異。這很可能是鹽脅迫下，老葉維持較高的光合作用能力，具有向幼葉運輸更多養(yǎng)分的能力。

光系統(tǒng)Ⅱ（PS II）是葉綠體光合作用重要的組成成員之一，對細(xì)胞內(nèi)Na+較敏感[36]。Mittal等[37]研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫降低了芥菜PS II、電子傳遞速率（ETR），從而抑制了植物的生長。Liu等[34]研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫顯著減少了甜菜葉的凈光合作用速率（Pn）和實際光化學(xué)效率（ФPS II），而額外添加N源能顯著增加其光合作用參數(shù)。由此可見，鹽脅迫降低植物葉光合參數(shù)，抑制光合作用速率，這很可能是由于葉細(xì)胞較低的滲透勢、葉綠體高濃度Na+和Cl-的積累所致[4]，而且補充適量的N源是維持強光合作用的重要途徑之一。Dadkhah等[35]對甜菜的研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫顯著降低了葉的凈光合速率和氣孔傳導(dǎo)率。相似的結(jié)果也有報道，在中度鹽（100 mmol/L NaCl）處理下，芹菜（Apium graveolens L.）葉氣孔傳導(dǎo)率顯著降低，但高濃度鹽（300 mmol/L NaCl）顯著降低了電子轉(zhuǎn)運速率，這將是限制光合速率的主要因素[38]。

2 鹽脅迫下甜菜幼苗的生理響應(yīng)

2.1 滲透調(diào)節(jié)

在鹽脅迫下，植物最明顯的表型現(xiàn)象之一就是失水，其水分缺失嚴(yán)重影響細(xì)胞內(nèi)的新陳代謝過程。然而，為應(yīng)對鹽脅迫，植物最主要的適應(yīng)機制之一是通過積累大量的有機溶質(zhì)和無機離子進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，降低植物細(xì)胞內(nèi)水分滲透勢，增加植物細(xì)胞從相鄰組織或外界環(huán)境吸收水分的能力，從而保護(hù)植物更好地適應(yīng)鹽漬環(huán)境。因此，滲透調(diào)節(jié)是鹽生植物適應(yīng)鹽漬環(huán)境重要的適應(yīng)機制，也是提高農(nóng)作物生長和產(chǎn)量有效的措施之一。

有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括甜菜堿、脯氨酸、可溶性糖和多元醇等[4，25-26，30]。生理研究表明，鹽脅迫刺激了脯氨酸的合成，然而在鹽脅迫恢復(fù)時脯氨酸含量也有所提高[39]。這很可能是在鹽脅迫恢復(fù)期間，脯氨酸可能充當(dāng)必需的信號分子，或調(diào)節(jié)細(xì)胞增值、凋亡和鹽脅迫恢復(fù)基因的表達(dá)[40]。大量研究表明，脯氨酸除具有滲透調(diào)節(jié)作用外，還具有充當(dāng)活性氧清除劑，氧化還原作用的緩沖劑以及穩(wěn)定蛋白和膜結(jié)構(gòu)等的重要作用[41-42]。在甜菜中，NaCl脅迫下甜菜葉中脯氨酸含量急劇增加，然而，這一結(jié)果卻依賴于甜菜的基因型，如在耐鹽性品種‘NJM’葉中，隨NaCl濃度的遞增，其脯氨酸含量呈增加的趨勢，但鹽敏感品種‘TOP’脯氨酸含量卻沒有變化[30]。即便如此，從定量的觀點認(rèn)為，脯氨酸并沒有參與甜菜耐鹽性品種‘NJM’葉的滲透調(diào)節(jié)，這一結(jié)論與Ashraf[43]和Lutts等[44]分別在黑豆和水稻品種中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致，而Gzik[45]等報道認(rèn)為脯氨酸參與甜菜品種‘Depomo’的滲透調(diào)節(jié)，這一結(jié)論的分歧很可能是由于在不同基因型甜菜品種中，其滲透調(diào)節(jié)機制的不同引起。而且，F(xiàn)arkhondeh等[46]發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下，甜菜品種‘Dorotea’葉中脯氨酸含量顯著高于‘SBSI004’，同時其細(xì)胞膜損傷指數(shù)也明顯下降。這就充分證實了脯氨酸除具有調(diào)節(jié)甜菜細(xì)胞滲透勢之外，還具有維持細(xì)胞膜穩(wěn)定的功能。

除脯氨酸之外，甜菜堿也是高等植物細(xì)胞合成的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一[47]。也有證據(jù)顯示甜菜堿還參與保護(hù)一些關(guān)鍵酶和膜結(jié)構(gòu)的功能和維持ROS清除酶活性的關(guān)鍵作用[48]，但是否具有直接清除ROS的能力還未見報道。研究表明，在植物體內(nèi)，膽堿經(jīng)兩步氧化作用合成甜菜堿：首先膽堿通過膽堿單氧酶（CMO）催化反應(yīng)合成三甲基甘氨醛，其進(jìn)一步被甜菜堿醛脫氫酶（BADH）氧化生成甜菜堿[49]。Yamada等[50]報道在正常條件下，甜菜幼苗幼葉甜菜堿的含量高達(dá)420 mmol/g FW，在老葉、下胚軸和根中相對較低；而且幼葉和老葉中BADH酶活性都較高，然而CMO酶活性卻僅在老葉中發(fā)現(xiàn)，幼葉中并未檢測到。正常條件下，在老葉中發(fā)現(xiàn)額外添加的膽堿能轉(zhuǎn)化合成甜菜堿，但其甜菜堿含量明顯低于幼葉；為進(jìn)一步證實其機制，在老葉額外供應(yīng)d11-甜菜堿，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其將迅速轉(zhuǎn)運到幼葉和根中[50]。在鹽脅迫下，在甜菜幼葉、老葉和下胚軸中甜菜堿含量均有所增加，但在幼葉中積累的更多；而且在上述組織中也均增加了CMO酶的活性，但幼葉中顯示較低的活性；同時也發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下，甜菜堿轉(zhuǎn)運蛋白基因在老葉中的表達(dá)豐度遠(yuǎn)高于幼葉[50]。由此可見，甜菜堿雖在老葉中合成，但其主要在幼葉以及根中積累并發(fā)揮重要的作用。在微生物中，甜菜堿合成途徑中參與第一步氧化作用的酶為膽堿脫氫酶（CDH）[49]。Holmstr?m等[51]將大腸桿菌（Escherichia coli）編碼CDH蛋白的基因betA和編碼BADH蛋白的基因betB轉(zhuǎn)化到煙草中，結(jié)果表明，共表達(dá)CDH和BADH蛋白的轉(zhuǎn)基因煙草株系比僅表達(dá)CDH蛋白的株系積累了更多的甜菜堿，增加了煙草的耐鹽性，而且，轉(zhuǎn)基因株系也增強了由強光照或高鹽引起幼苗傷害的恢復(fù)能力，提高了低溫脅迫下的光合作用。Lilius等[52]將細(xì)菌膽堿脫氫酶CDH基因betA轉(zhuǎn)化到煙草中，并發(fā)生超表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在300 mmol/L NaCl處理下，與對照相比，轉(zhuǎn)基因植株干重增加了80%。

2.2 離子選擇性吸收

有報道顯示，鹽脅迫誘導(dǎo)甜菜葉V-ATPase基因表達(dá)水平顯著上調(diào)，增加了液泡膜內(nèi)外質(zhì)子梯度[53]，增強液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白區(qū)域化Na+的能力。在鹽脅迫下，鹽敏感甜菜品種‘TOP’和耐鹽性品種‘NJM’的Na+積累沒有顯著性差異，但‘NJM’葉的鮮、干重卻明顯高于‘TOP’[30]。這很可能是由于耐鹽性甜菜品種‘NJM’的Na+區(qū)域化能力高于‘TOP’，從而降低了胞質(zhì)內(nèi)Na+的毒害，同時具有更強的調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢的能力。在鹽脅迫下，甜菜葉中積累了大量的Na+、K+和Cl-，其含量顯著高于根，而且隨著NaCl水平的增加，葉和根中Na+、Cl-逐漸呈增加的趨勢，而K+呈降低的趨勢[30]。Wu等[25]通過評價3個甜菜品種的耐鹽性，結(jié)果表明，隨NaCl濃度的遞增，所有甜菜品種地上部和根中顯著增加了Na+濃度，降低了K+濃度；而且在甜菜品種‘Gantang7’和‘SD13829’根中發(fā)現(xiàn)Ca2+呈下降的趨勢，但‘Gantang7’和‘ST21916’地上部增加了Ca2+的濃度。這很可能是由于Ca2+與Na+的競爭性吸收導(dǎo)致根部Ca2+濃度的下降[54]。也有研究認(rèn)為鹽脅迫下，Ca2+在植物體內(nèi)的重新分配導(dǎo)致地上部Ca2+濃度的增加[55]。同樣，長期鹽脅迫2月齡甜菜幼苗30 d，結(jié)果葉和葉柄中分別積累了整株30%～40%的Na+，而且隨著NaCl濃度的增加，Na+濃度逐漸呈增加的趨勢，側(cè)根中略有所增加，但貯藏根中Na+濃度沒有顯著性差異，相比之下，葉和側(cè)根中K+濃度均有所下降，但側(cè)根中下降幅度更大，然而葉柄和側(cè)根中卻沒有變化（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。以上結(jié)果表明，鹽脅迫下，葉和葉柄中分配了大量的Na+，維持貯藏根中低的Na+濃度，同時葉柄具有維持向葉片輸送K+的重要作用。

3 甜菜耐鹽性分子水平研究進(jìn)展

近年來，許多學(xué)者廣泛開展對甜菜不同品種間耐鹽性的評價，分析了耐鹽性強的甜菜品種具有的特殊生理生化特性，但有關(guān)甜菜耐鹽性分子機制以及耐鹽基因克隆方面的研究相對較少。脯氨酸作為細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其轉(zhuǎn)運機制也一直受到許多科研工作者的高度重視。早在1996年，在擬南芥中首次分離了脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白（ProTs），發(fā)現(xiàn)其對脯氨酸具有高的選擇性[56]。然而，之后在擬南芥（AtProT1-3）[57]、馬鈴薯（LeProT1-3）[58]、紅樹（AmBet/ProT1-2）[59]、甜菜（BvBet/ProT1）[50]中發(fā)現(xiàn)除轉(zhuǎn)運脯氨酸外，還能轉(zhuǎn)運甜菜堿。Yamada等[60]通過缺失脯氨酸和甜菜堿轉(zhuǎn)運能力的酵母菌突變體研究表明，ProTs對甜菜堿的親和性高于脯氨酸，進(jìn)一步用膽堿轉(zhuǎn)運功能缺失的酵母菌突變體研究顯示，ProTs對膽堿的親和性高于甜菜堿，而且在甜菜中發(fā)現(xiàn)，BvBet/ProTs定位于甜菜韌皮部和木質(zhì)部的軟組織細(xì)胞中，其具有轉(zhuǎn)運脯氨酸、甜菜堿的同時，還能轉(zhuǎn)運膽堿。由此可見，甜菜BvBet/ProTs在轉(zhuǎn)運滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、甜菜堿和膽堿中具有關(guān)鍵的作用，這將在研究甜菜耐鹽性分子機制中開辟新的亮點，其基因超表達(dá)為提高甜菜的耐鹽性提供了契機。

蛋白質(zhì)組學(xué)已成為研究植物耐鹽性，獲取耐鹽基因重要的措施之一。Wakeel等[61]研究發(fā)現(xiàn)，在125 mmol/ L NaCl處理下，在甜菜地上部和根中分別有6和3個蛋白發(fā)生明顯的變化，但這些蛋白對甜菜適應(yīng)鹽脅迫卻沒有貢獻(xiàn)。Li等[62]用栽培甜菜（Beta vulgaris L.）和白花甜菜（Beta corolliflora Zoss）種間雜交獲得了甜菜雜交株系M14，研究發(fā)現(xiàn)M14在500 mmol/L NaCl處理下，仍能正常生長。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)M14在葉和根中分別有38個和29個特定的蛋白顯示有顯著性的變化[63]。Yang等[64]用鹽處理甜菜雜交品種M14，并用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)獲得了具有差異表達(dá)的蛋白凝膠點，iTRAQ LC-MS/MS技術(shù)在M14葉和根中分別鑒定了75和43個具有差異表達(dá)的蛋白，質(zhì)譜分析表明那些差異表達(dá)蛋白主要參與光合作用、能量轉(zhuǎn)化、新陳代謝、蛋白折疊以及降解和抵御脅迫等過程；對差異表達(dá)蛋白進(jìn)行定量分析，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在葉和根中分別有13個和12個蛋白表達(dá)水平和基因表達(dá)豐度呈正相關(guān)。這些結(jié)果表明，在鹽脅迫下甜菜雜交株系M14主要通過提高光合作用和能量代謝、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累以及抗氧化酶的活性、甲硫氨酸代謝的調(diào)節(jié)以及離子吸收或外排機制適應(yīng)外界高鹽環(huán)境。Stahl等[65]在甜菜葉中克隆了23個編碼特定蛋白的基因，測序發(fā)現(xiàn)有14個基因是互不相同的，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其中10個基因有同源性，屬于細(xì)胞核編碼基因，為主要參與編碼、參與calvin循環(huán)和光合作用的蛋白質(zhì)；并分離了2個葉綠素a/b結(jié)合蛋白基因Bvcab11和Bvcab12的啟動子，并將其重新轉(zhuǎn)到甜菜中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因株系甜菜葉中顯著增加了一些蛋白的表達(dá)水平。因此，Bvcab11和Bvcab12啟動子能用于改良甜菜葉的一些特性，如提高病原體的抗性、增加含糖率等[65]。

甜菜是重要的產(chǎn)糖作物，其產(chǎn)糖以及儲存糖的機制雖有研究，但仍然有很大的知識空缺。Turesson等[66]研究發(fā)現(xiàn)在甜菜塊根中大量積累蔗糖，淀粉的含量很少，為初步探究甜菜的產(chǎn)糖機制，以高產(chǎn)淀粉的歐洲防風(fēng)草和甜菜為材料，研究發(fā)現(xiàn)主要參與淀粉合成的酶：葡萄糖磷酸變位酶，ADP-葡糖糖焦磷酸化酶，淀粉合成酶和淀粉分支酶，其活性在歐洲防風(fēng)草和甜菜中是相似的，且轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析也證實了編碼相應(yīng)酶的基因發(fā)生了表達(dá)，這很可能在甜菜塊根中進(jìn)化了獨特的儲存機制，使其大量地積累蔗糖。然而，在甜菜塊根中參與淀粉合成的酶具有較高的活性，但并沒有合成淀粉，其在甜菜中的具體作用機制仍然是未知的。

液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白具有將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Na+區(qū)域化至液泡中的重要作用。為研究甜菜BvNHX1基因的調(diào)節(jié)機制，Adler等[67]將甜菜BvNHX1基因轉(zhuǎn)化到擬南芥中，結(jié)果表明在鹽和水分脅迫下，MYB轉(zhuǎn)錄因子與BvNHX1基因的啟動子相互結(jié)合，參與激活其基因的表達(dá)。

4 提高甜菜耐鹽性的策略

4.1 傳統(tǒng)育種方法

目前，采用傳統(tǒng)育種方法提高甜菜耐鹽性的研究相對較少，多數(shù)集中在通過苗期篩選耐鹽性強的甜菜品種或培育多倍體甜菜新品種，以達(dá)到廣譜提高甜菜品質(zhì)的目的，如豐產(chǎn)、含糖率高、抗病性強等。傳統(tǒng)甜菜育種主要是選擇適應(yīng)性好、配合力高的自交系作為親本，通過連續(xù)強制雜交的方法培育甜菜新品種。如孫以楚等[68]用四倍體甜427與二倍體甜211雜交，獲得多倍體甜菜新品種甜研309，野外試驗表明該品種具有抗病性較強、合糖率較高、豐產(chǎn)性穩(wěn)定、適應(yīng)性廣等優(yōu)點。王華忠等[69]用四倍體紅色胚軸品系甜4N092R為母本，二倍體綠色胚軸品系甜202G為父本，雜交獲得多胚三倍體雜交新品種甜研310，其平均根產(chǎn)量和產(chǎn)糖量分別增加9.6%和10.3%。就育種方法和親本材料來源，基本上都是單一的四倍體品系和二倍體品系雜交，或多母本和多父本混合雜交培育成三倍體新品種[69]。然而，由于優(yōu)良甜菜品種資源的限制以及親本狹窄的遺傳基礎(chǔ)增加了甜菜雜交種遭受病蟲侵害的危險性，品種間相近的血緣關(guān)系使其基因利用潛力受到很大影響。因此，利用現(xiàn)有品種材料和傳統(tǒng)育種方法已經(jīng)難以培育出較理想的甜菜新品種，必須考慮用新的思路和方法重新挖掘現(xiàn)有育種基礎(chǔ)材料的潛力[69]。

4.2 轉(zhuǎn)基因方法

植物耐鹽性是由多基因控制的表現(xiàn)性狀，主要包括參與根部細(xì)胞Na+的外排、液泡內(nèi)Na+的區(qū)域化以及限制Na+在木質(zhì)部的裝載和運輸?shù)冗^程的基因，如NHX1、HKT1、SOS1、NSCC，這些基因也已在擬南芥、鹽芥、霸王等植物中克隆，并對其功能也進(jìn)行了解析。Yang等[70]將擬南芥AtNHX基因轉(zhuǎn)到甜菜基因組中，發(fā)現(xiàn)在342 mmol/L NaCl處理下，野生型株系出現(xiàn)干涸，甚至死亡癥狀，而轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出較好的生長。Liu等[27]將擬南芥AtNHX3基因轉(zhuǎn)化到甜菜中，并發(fā)生超表達(dá)，結(jié)果表明在鹽脅迫下，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因甜菜葉和貯藏根中積累了較高的K+和較低的Na+濃度，并且在貯藏根中可溶性糖的含量也明顯增加。在我們先前的研究中，將荒漠旱生植物霸王液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白基因ZxNHX和H+-焦磷酸酶基因ZxVP1-1共轉(zhuǎn)化到甜菜基因組中，并發(fā)生超表達(dá)，結(jié)果顯示ZxNHX和ZxVP1-1共表達(dá)明顯增加了甜菜的耐鹽性和抗旱性，除此之外，轉(zhuǎn)基因植株塊根中積累了更高的糖分（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。

5 展望

鹽脅迫是影響農(nóng)作物生長最重要的環(huán)境脅迫因子之一，對甜菜種子萌發(fā)和幼苗生長構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。雖然，通過篩選耐鹽性強的甜菜品種能適應(yīng)外界高鹽環(huán)境，但由于優(yōu)良甜菜品質(zhì)資源的限制，在很大程度上限制了甜菜的大面積生產(chǎn)推廣。

與其他植物相比，甜菜耐鹽性研究仍處于初步階段，只對少數(shù)耐鹽基因有初步了解，甜菜的一些重要生物性狀在分子水平上還沒有得到系統(tǒng)的闡明。因此，在甜菜耐鹽性研究中，有很大的空間有待于去挖掘?；谝延械难芯?，今后對甜菜耐鹽性有兩方面的考慮：（1）結(jié)合蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，對甜菜耐鹽分子機制進(jìn)行深入的研究。（2）建立甜菜高效的基因遺傳轉(zhuǎn)化體系，利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)將更多優(yōu)良外源抗逆基因?qū)胩鸩酥?，獲得品質(zhì)優(yōu)良的甜菜新品種（系），這將對于我國西北地區(qū)甜菜大面積的種植以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

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Progress on Physiological and Molecular Research in Sugar Beet under Salt Stress

FENG Rui-jun,WU Guo-qiang
(School of Life and Science Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050)

Advance of salt-tolerance in sugar beet was discussed in four aspects,mainly including the effects of growth and physiological response,and research progress of molecular level,and the strategies to improve the salt-tolerance in sugar beet under salt stress.Furthermore,we also point out the future direction of research on salt-tolerance in sugar beet.

sugar beet;salt tolerance;molecular level;research progress

S566.3

A

1007－2624（2015）06－0060－06

10.13570/j.cnki.scc.2015.06.023

2015-05-27

國家自然科學(xué)基金項目(31260294)和蘭州理工大學(xué)“紅柳杰出人才”培養(yǎng)計劃項目（J201404）。

馮瑞軍(1990-)，男，在讀碩士研究生，主要從事基因工程方面的研究。

伍國強(1976-)，男，博士，副教授，研究方向：植物逆境生理與分子生物學(xué)。E-mail：wugq08@126.com