植物耐鹽性：演化和鹽基因組學

徐涵 郭容芳 張玉苗 李蓉 肖學宸 曹子誼 王姍姍 張可軒 陳曉慧 陳曉東 陳裕坤 葉煒 葉開溫 林玉玲 賴鐘雄

摘? 要：由于社會的發(fā)展需要使用鹽地產(chǎn)出植物，因此植物耐鹽性的研究變得日益重要。植物在長期演化中主要形成嗜鹽植物和非嗜鹽植物兩類，在細胞乃至群體處理鹽的機制方面發(fā)生了廣泛和深度的遺傳變異。鑒于發(fā)掘植物耐鹽、使植物耐鹽和改變植物鹽環(huán)境的各領(lǐng)域都取得了重大進展，結(jié)合植物的演化擴展對植物耐鹽的認識，從細胞機制、個體機制擴展到群體機制乃至多基因組參與的生態(tài)互作，進行以鹽基因組學為視角的研究就顯得非常重要。本文根據(jù)該領(lǐng)域的新近進展，對植物耐鹽性進行演化和組學視角的回顧和分析，以期對今后的植物耐鹽研究提供參考。

關(guān)鍵詞：植物耐鹽;鹽基因組;宏基因組;共生總基因組;生物演化

中圖分類號：S332.6? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Plant salt-tolerance （halotolerance） has become increasingly important as the social development needs to use saline land to grow plants. In the long-term evolution， there are mainly two types of plants： halophilic plants and glycophytes， which have undergone extensive and deep genetic variations in the salt-processing mechanisms by cells and populations. In view of the great progress made in the exploration of plant salt tolerance， the salt tolerance improvement and the desalination of salt environment for plants， there is a need to expand the horizon from the perspective of cellular and individual mechanisms to populational mechanism and even ecological interactions with multi-genome involved by means of salt-genomics （halogenomics） and metagenomics. Here， according to the recent progress in this field， the evolution and omics analysis of plant salt-tolerance were made in the present review in order to provide a genomic reference for further research and exploration of plant halotolerance.

Keywords： plant salt-tolerance; halogenome; metagenomics; hologenome; evolution

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.10.005

1? 植物耐鹽反應(yīng)的架構(gòu)

植物對高鹽濃度脅迫的耐受與否及其反應(yīng)，理論上包括個體、群體和環(huán)境3個層面的動態(tài)過程，具體涉及6個方面，包括個體的：（1）界面調(diào)控，（2）內(nèi)傷修復，（3）生長調(diào)節(jié)，（4）遺傳變異;群體的：（5）生態(tài)選擇;生態(tài)的：（6）互作（圖1）。個體和群體以及與生態(tài)互作的3個方面效應(yīng)的疊加提供了植物在生態(tài)環(huán)境中耐鹽演化的驅(qū)動力。這種植物與鹽脅迫相關(guān)的基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的總和被籠統(tǒng)地稱作鹽基因組（halogenome），其基因組學研究相應(yīng)地稱作鹽基因組學（halogenomics）。如圖1所示，研究植物的耐鹽性通過無機環(huán)境的改變和環(huán)境中的其他生命體的參與形成了生態(tài)對植物的個體和群體以及家族演化的選擇壓力，因此，全面地考察植物鹽基因組需要連帶研究植物個體與其他生物個體間的互作（宏基因組學或元基因組學，metag eno mics），乃至植物與所有相關(guān)生物的基因組學——共生總基因組學（hologenomics）[1-7]，包括未來人工導入的基因組以及相關(guān)的生物演化中的古生物基因組。

本文所述的鹽一般是指NaCl，所述的耐鹽（halotolerance）廣義地包括拒鹽植物對鹽的屏蔽和阻擋（resistance），泌鹽植物對鹽的吸收轉(zhuǎn)運（secretion），儲鹽植物對鹽的儲存（storage），嗜鹽植物（halophyte）對鹽的依賴（halophilication）和稀釋（dilution）及其在超過其嗜鹽閾值時的脅迫反應(yīng)，植物和菌根、內(nèi)生菌及環(huán)境生物聯(lián)合對鹽進行反應(yīng)的聯(lián)縱反應(yīng)（coalition），浮游植物、具游動精子類的個體植物和以個體死亡及選擇性傳粉為主要形式的植物群體對高鹽環(huán)境的避鹽逃避（avoidance）等方面。本文對植物個體和群體改良的進展按照上述耐鹽反應(yīng)的各層面主要對新的進展和關(guān)鍵問題進行評述[2， 7]。植物耐鹽領(lǐng)域的生態(tài)改良方面主要包括例如鹽堿乃至重金屬污染土地的修復工程、內(nèi)生菌和環(huán)境有益菌的配置、人類?動物?植物?微生物?生態(tài)鏈的總體研究和構(gòu)建等方面。這些領(lǐng)域超出了共生總基因組學所涵蓋的范圍，并在近期都取得了很大的進展[8-13]，限于篇幅，耐鹽植物群體行為和生態(tài)改良領(lǐng)域的進展將不在本文論述。

2? 植物鹽基因組的演化

有機分子和無機鹽在45億年前的地球星云形成時就已產(chǎn)生并相伴[14]。從生物演化方面看（表1），45億年前地球形成，在持續(xù)大約6億多年的冥古宙（Hadean Eon，45.67億年前至38億年前）中，生物演化最重要的事件是在地球形成后的1.5億年就形成了原始海洋。那時沒有表面覆土的陸地，海洋形成時的含鹽量是目前海水的大約2倍，pH約5.5[15]，溫度從100 ℃降至大約目前海洋的溫度。至太古宙（Archean Eon，38億年前至25億年前），膜包被的生物大分子出現(xiàn)，估計只是單層脂類分子形成的膜對以RNA為遺傳載體的先基因組（pregenome）的一種隔離和簡單包裹，形成非典型細胞結(jié)構(gòu)的細胞雛形。生物演化在地球形成后10億年的時間里都是在原始海洋中的高濃度鹽混合液中實現(xiàn)的。在最早出現(xiàn)的原始細胞中，細胞沒有細胞器和細胞核，只含有RNA或RNA-DNA的原基因組（protegenome）核區(qū)。由于細胞膜結(jié)構(gòu)簡單，鹽可以順利通過膜進入細胞內(nèi)達到鹽的平衡或稱穩(wěn)態(tài)（homeostat）（有時也涉及綜合滲透壓），細胞內(nèi)外所有物質(zhì)都面臨高鹽濃度的脅迫。

3? 植物鹽基因組的功能

3.1? 界面調(diào)控

植物細胞對高鹽濃度的反應(yīng)雖然可以歸類為圖1所示的層次和類別，但是實際發(fā)生的事件是多維的網(wǎng)絡(luò)式多重反饋調(diào)控和影響的。反應(yīng)的起始首先是界面調(diào)控。拒鹽植物對鹽的屏蔽和阻擋（resistance）包括角質(zhì)層等表面的不滲透能力，膜系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)運能力，以及細胞質(zhì)的高滲溶液拮抗能力。在陸生微管植物類群中，根的出現(xiàn)，包括根冠和根毛的分化，在細胞?組織?器官水平上對鹽的脅迫進行有利于植物耐鹽的反應(yīng)，同時許多根的細胞也參與召集根際微生物進行鹽的界面調(diào)控。高等植物根中的凱氏帶，也具有鹽阻擋作用。植物適應(yīng)鹽脅迫的各種形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究為鹽基因組的進一步研究奠定了基礎(chǔ)[6， 43]。相比動物細胞而言，在植物細胞里首先是要有信號傳出以保證細胞壁的完整從而保護細胞膜及整個細胞[44-45]。進入細胞內(nèi)的高鹽濃度也被細胞內(nèi)膜系統(tǒng)做進一步的界面調(diào)控，包括液泡等細胞器和細胞核，離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白也在這些膜上分布。脅迫會導致細胞器及其功能的失調(diào)，例如光合作用、能量代謝等。在細胞膜結(jié)構(gòu)方面，膜和膜蛋白及其在細胞膜和細胞內(nèi)膜系統(tǒng)上的表面的電性和其分布都是動態(tài)的[46]。膜外側(cè)積聚表面結(jié)合密集的Na+的蛋白后，對鹽形成梯度屏蔽。其中反轉(zhuǎn)運蛋白在植物的營養(yǎng)和信號轉(zhuǎn)導中起著重要的作用[32]。包括甘油在內(nèi)的有機分子參與鹽脅迫的耐鹽性，一般認為是通過滲透壓拮抗高鹽濃度，但最近發(fā)現(xiàn)，其具有分子特異性和參與特定信號傳導[47-48]。

3.2? 內(nèi)傷修復

高鹽濃度在細胞內(nèi)形成后會影響細胞結(jié)構(gòu)和生理生化過程。這種過程一般會打破原先的生理生化和生長代謝等一系列平衡，甚至超出其調(diào)控的極限而產(chǎn)生負面的損害（例如自由基）。從耐鹽的角度看，植物調(diào)控的結(jié)果，實際上是要看其調(diào)節(jié)的值域和超出值域時其修復損傷的能力，即內(nèi)傷修復。在植物細胞膜及細胞壁在受到高鹽脅迫后通過體積和構(gòu)象變化、膨壓、成分的改變和損壞等導致的信號傳導，以及激素的反應(yīng)進行適應(yīng)性生長和修復。這些修復反應(yīng)重要的一方面是通過滲透壓機制補充游離態(tài)水進行稀釋或補充其他無機或有機分子進行拮抗。細胞還會以細胞膜的質(zhì)壁分離、細胞壁的變形調(diào)整共質(zhì)體的體積，同時細胞器和內(nèi)膜系統(tǒng)也會進行游離態(tài)水和膜所包被的囊泡體積的調(diào)整，首先是保證細胞壁-質(zhì)膜復合體的完整性，啟動相應(yīng)生長修補程序[44-45]。當這一調(diào)控超出臨界范圍之后，高鹽濃度導致的損傷，都不僅僅是物理變型，多是與化學變性相關(guān)，對細胞質(zhì)的電導率、電位和各種鹽的平衡及生物有機分子表面的電荷都會產(chǎn)生影響。超出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)彈性變量范圍的變性和對其酶活及其他功能的阻礙會引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞、代謝的紊亂和自由基的產(chǎn)生，并進一步導致膜系統(tǒng)和蛋白質(zhì)、核酸等其他生物大分子的惡性變性。相關(guān)細胞器的功能也受到損害。細胞質(zhì)K+、Ca2+和甘油等有機分子的招募可以對Na+鹽進行拮抗，相應(yīng)的離子通道蛋白活性提高、有機分子濃度提高，這在一定程度上減輕鹽脅迫的加重[49]。同時，抗氧化機制的啟動是修復自由基的損失所必須的。自由基的消除，依賴于植物還原性物質(zhì)含量和運輸（招募）及合成能力，并與啟動自由基消除代謝能力緊密相關(guān)。這種自由基消除途徑，往往不是專門針對鹽脅迫的，而是與溫度、干旱等脅迫乃至形態(tài)建成和生理生化過程關(guān)聯(lián)[50]。

3.3? 生長調(diào)節(jié)

生長調(diào)節(jié)包含多個方面，同時又與鹽脅迫的其他反應(yīng)相關(guān)聯(lián)。生長調(diào)節(jié)首先是信號的產(chǎn)生和傳導及接收，包括內(nèi)傷修復過程和結(jié)果所產(chǎn)生的信號。研究比較深入的信號途徑有4大類，包括主要負責鹽離子穩(wěn)態(tài)調(diào)控的SOS途徑（SOS regulatory pathway）[51]，主要負責滲透壓調(diào)控的蛋白激酶途徑（protein kinase pathways）[52]，還有磷脂信號途徑（phospholipid signaling pathway）以及植物激素信號途徑[3]。

3.3.1? SOS信號通路? 在擬南芥中的鹽過度敏感（SOS）基因，由SOS3和SCAPP8、SOS2和SOS1組成的SOS信號通路在調(diào)節(jié)Na+/K+離子穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用，是重要的離子脅迫信號通路。SOS3和SCAPP8將鹽誘導的Ca2+信號傳遞給SOS2激酶。SOS3激活并且將SOS2招募到質(zhì)膜上。在正常情況下，PKS5通過促進SOS2與14-3-3和GIGANTEA（GI）蛋白的相互作用來抑制SOS2的活性;鹽脅迫產(chǎn)生的Ca2+信號誘導PKS5和14-3-3的相互作用，導致SOS2-GI/14-3-3復合物釋放SOS2，因此SOS2被SOS3激活。另外，SOS2的激酶活性也由蛋白磷酸酶2C ABI2調(diào)節(jié)。SOS1是一種質(zhì)膜Na+/H+反轉(zhuǎn)運蛋白，是將多余的Na+排出細胞從而緩解離子脅迫所必需的。在正常條件下，SOS1是自抑制的，在鹽脅迫下，其C-末端結(jié)構(gòu)域的Ser1044被SOS2磷酸化，SOS1活性被激活。值得注意的是，sos突變體僅在高鹽脅迫下表現(xiàn)出超敏表型，而在甘露醇或聚乙二醇（PEG）的滲透脅迫下正常生長，表明SOS信號通路特別參與了對離子脅迫的反應(yīng)[3， 7， 51-53]。

3.3.2? 磷脂和蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導途徑? 在鹽脅迫期間，膜磷脂的修飾起到信號傳遞的作用。在鹽脅迫和滲透脅迫下幾分鐘內(nèi)，會產(chǎn)生多種磷脂信號，包括多磷肌醇和磷脂酸（PA）。PA的形成是鹽脅迫下鈣信號傳導的另一個下游反應(yīng)。PA本身可以結(jié)合并影響ABA信號和生長素轉(zhuǎn)運中的各種下游蛋白，這兩種激素信號通路在鹽脅迫信號傳導中起主要作用。PA還影響了通過MITOGEN- ACTIVATED PROTEIN KINASE6的鈉轉(zhuǎn)運，其下游靶點是SOS1/NHX7?？傊?，PA在鹽脅迫和滲透脅迫期間影響蛋白質(zhì)的定位和活化，從而影響激素信號和鈉轉(zhuǎn)運[54]。

3.3.3? 植物對鹽脅迫反應(yīng)中ROS信號轉(zhuǎn)導? 鹽脅迫與植物細胞快速產(chǎn)生活性氧有關(guān)。ROS水平升高作為一種信號，由ROS傳感器/受體感知，并被轉(zhuǎn)導以調(diào)節(jié)植物在鹽脅迫下的反應(yīng)、生長和發(fā)育。MAPKKK-MAPKK-MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）級聯(lián)，作為重要的ROS信號轉(zhuǎn)導途徑，參與ROS穩(wěn)態(tài)、離子穩(wěn)態(tài)和植物生長發(fā)育的調(diào)控。鹽脅迫誘導ROS的積累，ROS對植物具有氧化脅迫誘導的毒性作用。除了毒性作用外，ROS還作為信號分子對環(huán)境刺激做出反應(yīng)。活性氧必須存在于植物細胞中的適當水平。解毒信號通路參與控制細胞在各種應(yīng)激條件下ROS水平的動態(tài)平衡。一旦細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)重建，應(yīng)激損傷的機會就會降低[54]。

3.3.4? 植物激素信號途徑? 植物應(yīng)對鹽脅迫的激素調(diào)控涉及目前發(fā)現(xiàn)的幾乎所有植物內(nèi)源激素及其相互間的整合和協(xié)調(diào)，例如包括脫落酸（ABA）、茉莉酸（JA）、生長素（IAA）、赤霉素（GA）、乙烯（ET）和水楊酸（SA）。在這些激素中，ABA對非生物脅迫的響應(yīng)最為重要。滲透脅迫導致根和葉組織中ABA濃度迅速（幾分鐘內(nèi)）大量的增加，同時ABA是導致氣孔關(guān)閉的關(guān)鍵信號分子之一[55]。

茉莉酸及其衍生物統(tǒng)稱為茉莉素，是植物體內(nèi)一類重要的脂質(zhì)激素。茉莉素作為抗性激素在植物抵抗生物脅迫和非生物脅迫過程中發(fā)揮重要作用。鹽脅迫下許多JA生物合成基因上調(diào)，JA信號通路參與鹽脅迫響應(yīng)基因的調(diào)控[56]，例如在小麥中TaAOC1和TaOPR1分別通過JA和ABA信號通路調(diào)控耐逆關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子MYC2，從而提高小麥的耐鹽能力[57]。

生長素和赤霉素作為調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的重要激素，也參與非生物脅迫下的生長調(diào)節(jié)。赤霉素信號轉(zhuǎn)導過程中的抑制子DELLA蛋白通過限制高鹽下的生長來促進植物的存活[58-59]。

乙烯參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育以及對干旱、高鹽、病原菌侵染等一系列脅迫的抗性反應(yīng)。研究表明乙烯前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）可提高鹽脅迫耐受性;而乙烯信號通路相關(guān)基因（如ETR1、EIN4、EIN2和EIN3）的突變會導致植物對高鹽的敏感反應(yīng)[56， 60]。

水楊酸是一種酚類激素，作為植物應(yīng)對生物脅迫及非生物脅迫反應(yīng)的重要信號分子，能誘導植物對這些脅迫產(chǎn)生抗性反應(yīng)。SA在鹽脅迫耐受中的作用表現(xiàn)為其能夠提高滲透保護劑（如脯氨酸、多胺）的積累，并在高鹽度下增強抗氧化酶活性。用SA對植物進行預處理也減少了NaCl誘導的K+外流和H+內(nèi)流，因此促進了植物對高鹽度的適應(yīng)[61]。

由于鹽脅迫是多維的，植物也在不同結(jié)構(gòu)尺度、不同生長發(fā)育時期和不同環(huán)境中進行反應(yīng)，因此各種植物激素實際上都參與了鹽脅迫相關(guān)的信號傳導，其作用在不同植物和不同器官中所導致的植物個體水平的耐鹽效果各有不同，同時在嗜鹽植物和非嗜鹽植物中，依據(jù)其耐鹽策略和耐鹽閾值外的內(nèi)傷修復內(nèi)容，相同的激素會產(chǎn)生相反的效果。例如生長類激素一般是促進生長而達到稀釋鹽的作用，或負調(diào)控時減少生長以集中能量用于脅迫的修復和耐性。

植物個體在可以移動的情況下，例如浮游植物、具游動精子類的個體植物和以個體死亡及選擇性傳粉為主要形式的植物群體對高鹽環(huán)境的避鹽逃避（avoidance），是鹽基因組在個體和群體與環(huán)境的互作和最終生境的選擇層面上的功能。這方面的研究目前還是空白。植物的群體行為多是生態(tài)學的統(tǒng)計內(nèi)容，顯示物種在不同時空及生態(tài)型中的分布、遷移和消長，目前還很少進行組學的機制研究。

3.4? 遺傳變異

植物對鹽脅迫而產(chǎn)生的遺傳變異有耐鹽和不耐鹽兩個方向，其遵從一般的遺傳變異規(guī)律，在植物中的研究已經(jīng)很多，成為教科書的經(jīng)典內(nèi)容[6， 62]。在生物演化中，陸生植物，特別是甜土植物離開海生和高鹽土壤后產(chǎn)生的次生基因組，由于失去鹽脅迫選擇壓力，其中大部分植物失去耐鹽特性，現(xiàn)存的陸生植物，雖然每個大分類群里都有嗜鹽植物，但是絕大多數(shù)都成為了非耐鹽的所謂甜土植物。特別是部分栽培作物，通過產(chǎn)量等的定向育種，加速失去了耐鹽基因或耐鹽調(diào)控機制，例如番茄的SOS1和HAK 20基因[42， 63]。

另一方面，耐鹽的遺傳變異也廣泛存在。新的耐鹽基因也在挖掘中[50， 64-65]。例如植物感受鹽脅迫的受體[66]。這方面的研究受到人類育種的巨大影響，對植物的遺傳變異產(chǎn)生了數(shù)量級級別的加速改變。

4? 表觀遺傳學研究

從地球和分子演化的角度分析，在原始海洋的高鹽度水環(huán)境中，先基因組在大量的RNA環(huán)境中產(chǎn)生。隨著海水鹽濃度的降低，RNA酶的增多和活性的升高導致核心遺傳信息載體由RNA交接給更穩(wěn)定的DNA，但RNA仍然保持為遺傳變異最活躍的分子，并以較短的多樣性序列擔負遺傳信息的儲存、調(diào)取、使用、維護和轉(zhuǎn)換的幾乎所有調(diào)控功能，即表觀遺傳（epigenetics）。

近年來表觀遺傳學和表觀遺傳在植物抗性方面的研究取得重要進展[67-68]。自從miRNA被發(fā)現(xiàn)[69]，大量的研究揭示了miRNA是一類經(jīng)過一系列核酸酶的剪切加工而產(chǎn)生的長度約為21～24個核苷酸（nt）并能夠轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)基因表達的內(nèi)源性非編碼的小RNA。植物miRNA通過調(diào)節(jié)靶基因的表達進而參與調(diào)控植物的多種生理代謝活動，參與植物對生物和包括鹽脅迫的非生物脅迫反應(yīng)并在植物鹽脅迫中的作用已得到轉(zhuǎn)基因驗證[64， 70]。

植物耐鹽性是個受多基因、多途徑調(diào)控的復雜網(wǎng)絡(luò)，許多與鹽脅迫有關(guān)的miRNAs被預測和鑒定出來，其靶基因的實驗驗證和其調(diào)控其靶基因的表達進而參與植物對抗鹽脅迫的機制及其應(yīng)用，是未來研究的重要方向。從生物演化的角度看，RNA很可能在DNA出現(xiàn)以后進行了長期的生長發(fā)育的調(diào)控特化并形成目前一系列例如mRNA、tRNA、rRNA、siRNA、miRNA和大量其他RNA的品種和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[71]。陸地植物在奧陶紀前后產(chǎn)生并大量在陸地上演化[20]，同時miRNA恰恰也在此時出現(xiàn)大規(guī)模的分歧演化[72]，可以推測miRNA多靶點和多形式的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)控的可塑性很強，可挖掘耐鹽調(diào)控的潛力很大。從宏基因組和共生總基因組角度看，內(nèi)生菌和根際微生物對植物耐鹽性的提高也可能由水平基因轉(zhuǎn)移和小RNA傳遞進行調(diào)控和變異實現(xiàn)[27， 72]。

表觀遺傳的耐鹽性可能與其他脅迫抗性類似，能夠遺傳后代，這使歷史上進化論的獲得性遺傳理論得到部分復活。在植物耐高溫等方面已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種遺傳現(xiàn)象，例如將高溫記憶傳遞給下一代，形成一個由組蛋白去甲基化酶、染色質(zhì)重塑因子、轉(zhuǎn)錄因子、泛素連接酶和小RNA共同組成的表觀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，維持植物對高溫記憶傳代的機制[73]。但是有性生殖對部分類型的表觀遺傳的回零作用對其代傳設(shè)立了門檻[74]。表觀遺傳學的代傳機制和穩(wěn)定性尚有待進一步研究[67]。

5? 組學及耐鹽育種

植物鹽基因組學離不開植物內(nèi)外環(huán)境。宏基因組（metagenome）研究揭示，植物和其內(nèi)生菌、菌根、根際微生物及其他環(huán)境生物也會參與植物耐鹽的調(diào)控，對鹽進行聯(lián)縱反應(yīng)（coalition）。在菌根提高植物耐鹽性方面已經(jīng)取得大量研究成果[8]。在鹽脅迫地區(qū)的植株根部土壤發(fā)現(xiàn)大量增強植株耐鹽性和促進生長的菌類，以及包含芽孢桿菌、假單胞菌、固氮桿菌和腸桿菌等植株抗鹽的多種內(nèi)生菌，誘導滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化化合物的積累，提高抗氧化系統(tǒng)以及提供激素調(diào)節(jié)和植物營養(yǎng)，從多方面增強植物的抗鹽性[26-27， 39， 75]。大多數(shù)耐鹽細菌對IAA和ACC脫氨酶的產(chǎn)生呈陽性反應(yīng)，是耐鹽菌促進植物生長的重要性狀[76]。這種植物和微生物互作形成對鹽的聯(lián)縱反應(yīng)在過去研究較少，各種耐鹽基因在組學水平上的評價尚未展開。

從信號傳導的角度看，信號傳導的一個重要問題是細胞由誰感知并啟動最初的信號傳導的。大量的研究是受動物研究的啟發(fā)進行Ca2+及其相關(guān)蛋白的研究，但迄今沒有發(fā)現(xiàn)在植物里找到與動物細胞高同源性的電壓依賴型陽離子通道及其功能模型，植物的鈣信號途徑中只是鈣離子充當?shù)诙攀?。目前發(fā)現(xiàn)的植物鹽脅迫特異性的啟動信號是在細胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上分布的MOCA1（monocation induced Ca2+ increases 1），其編碼肌醇磷酸化神經(jīng)酰胺葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶（IPUT1）催化合成鞘脂糖基肌醇磷酰神經(jīng)酰胺（GIPC），后者與Na+結(jié)合，但同時可能引起膜極性的變化，從而打開膜上的Ca2+通道，導致細胞質(zhì)Ca2+濃度增加，繼而激活SOS通路泵出Na+鹽，以適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境。這一途徑與K+、Li+、ABA及滲透壓脅迫等無關(guān)，是目前唯一發(fā)現(xiàn)的植物鹽脅迫特異性起始信號，而且是脂類分子作為第一信使[66]。

信號傳導的另一個重要問題是細胞是如何感知生長并進而調(diào)控生長的。在酵母中，細胞周期的啟動由細胞生長到足夠尺度而開始。激酶Gin4和Hsl1能夠感知出芽生長，當這兩個激酶受抑制時則出現(xiàn)長時間的有絲分裂延遲和過度的出芽生長。進一步研究發(fā)現(xiàn)，當出芽生長時，這兩個激酶呈相關(guān)的逐步的高磷酸化，并且其中Gin4逐步的高磷酸化需要與不斷釋放到出芽生長處的陰離子磷脂相結(jié)合，因此細胞感知生長的機制很可能是釋放到出芽生長處的脂質(zhì)產(chǎn)生了生長依賴性的信號，這個信號被細胞通過激酶感知了生長[52]。在擬南芥中，鹽脅迫會削弱細胞壁，這種細胞壁的損傷可通過激活阻止細胞爆裂的FER信號通路來感知，并也會觸發(fā)短暫的Ca2+增加以及自身的膜內(nèi)移。其他脅迫和信號途徑，以及膜和細胞壁的組分，都可能與之相關(guān)聯(lián)，并啟動細胞及植物體的生理生化過程[44]。鹽脅迫的調(diào)控信號途徑包括水通道蛋白、非選擇性陽離子通道以及更綜合的非生物脅迫及信號傳導與生長調(diào)節(jié)[45， 54]。

泌鹽植物對鹽的吸收轉(zhuǎn)運（secretion）反轉(zhuǎn)運蛋白SOS1調(diào)控作用不僅在甜土植物中發(fā)揮作用，在泌鹽型耐鹽植物（recretohalophyte）中也發(fā)揮重要作用。菊科植物花花柴（Karelinia caspia）的長距離泌鹽中SOS1在Na+的轉(zhuǎn)運和分泌、K+的吸收、整株植物的鹽穩(wěn)態(tài)中都發(fā)揮作用[51-52]。進行嗜鹽植物（halophyte）對鹽的依賴（haloph ilic ation）和稀釋（dilution）、儲存（storage）及其在超過其嗜鹽閾值時脅迫反應(yīng)以及其與生態(tài)因子的互作的比較研究對陸生甜土植物的耐鹽性理解和研發(fā)具有重要作用[1， 6]。

多數(shù)甜土植物沒有能夠從古菌和原綠藻的共同祖先的原基因組中繼承下來耐鹽基因組，即使傳承下來的鹽基因組成分也由于次生基因組的產(chǎn)生而被稀釋或?qū)π卵莼龅纳L發(fā)育代謝失去靶針對性。目前所發(fā)現(xiàn)的大量miRNA對基因表達、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的調(diào)控，可能反映了原基因組來源于RNA[71]，而后來只有核基因組被更穩(wěn)定的DNA取代，負責核心遺傳信息儲存，包括信號傳導等其他功能仍主要由RNA負責執(zhí)行（線粒體和質(zhì)體基因組類似）。

無機環(huán)境的改變和環(huán)境中的其他生命體的參與，形成了生態(tài)對植物的個體和群體以及家族演化的作用力，因此，全面研究植物的耐鹽性，必然從過去的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)生理及植物個體基因組學的研究，發(fā)展到植物個體與其他生物個體間的互作（宏基因組學或元基因組學，metage no mics）的研究，乃至植物與所有相關(guān)生物的基因組學——共生總基因組學（hologenomics）[1]研究，其中還應(yīng)包括未來人工導入的基因組以及相關(guān)的生物演化中的古生物基因組（圖2）。耐鹽反應(yīng)在個體、群體和生態(tài)環(huán)境不同層面的復雜性和其進化時空的復雜性，要求植物耐鹽的機制研究應(yīng)與更廣泛的、多維的視角對網(wǎng)絡(luò)化的調(diào)控進行整體的思考，以便在形態(tài)建成、生理生化、生長發(fā)育、遺傳變異、繁殖、生物量、群落配置，以及生物工程和農(nóng)業(yè)與環(huán)境工程的高效性等方面得到更高的受益。本文擴展的共生總基因組學，在原有的基礎(chǔ)上包攬了必要的人工合成基因組和古基因組，即把生物演化和合成生物學的內(nèi)容納入系統(tǒng)生物學研究。

組學研究結(jié)合耐鹽育種在許多重要植物中都取得了進展[77-80]。傳統(tǒng)耐鹽篩選和育種是商業(yè)公司的產(chǎn)業(yè)化行為，分子育種的實驗驗證為日常的產(chǎn)業(yè)化育種提供了有力參考。耐鹽基因和修復基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的挖掘、剛剛開始的表觀遺傳學研究、鹽基因組學和宏基因組學及擴展的共生總基因組學（圖1、圖2）將成為植物耐鹽育種的有力指導工具。在非耐鹽植物中發(fā)現(xiàn)耐鹽基因，這聽起來是個悖論。例如文心蘭和擬南芥都是不耐鹽植物，而其抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase， APX）被發(fā)現(xiàn)具有耐鹽作用，并在文心蘭中比其在擬南芥中參與更多的催化[50]。但從植物基因組演化的角度分析，植物初生基因組適應(yīng)海洋高鹽環(huán)境的耐鹽基因在植物進入陸生環(huán)境中逐漸被次生基因組丟失或與新生的形態(tài)建成和生理生化途徑脫鉤而沉默或轉(zhuǎn)為他用。同時，與海洋幾乎恒定的鹽濃度不同，陸地鹽濃度波動大，不同種類的鹽濃度波動更大，這種新型的變幅鹽脅迫是催生陸生植物鹽基因組演化的新型驅(qū)動力。

以宏基因組的視角進行耐鹽育種和發(fā)掘耐鹽資源近年來取得很大進展[1， 6， 8-12]。許多例如鹽單胞菌（Halomonas）、芽孢桿菌（Bacillus）、鏈霉菌（Streptomyces）、海洋細菌（Oceanobacillus）和假單胞菌（Pseudomonas）等屬的耐鹽微生物，可通過信號傳導、激素調(diào)節(jié)等途徑提高植物的耐鹽性[27， 29， 77]，這顯示了宏基因組學和共生總基因組學的強大作用。自從表觀遺傳的傳代被提出后，表觀遺傳機制對后代的影響及對演化的貢獻被廣泛接受。表觀遺傳的機制是否能進行植物與內(nèi)生菌和外生菌即其他環(huán)境微生物間的互作和穩(wěn)定的遺傳搭配尚需研究，這可能為耐鹽育種提供新的線索。在今后的鹽基因組“復壯”中，使陸生植物繼承和銜接初生基因組的耐鹽基因，使植物次生基因組發(fā)展出新的耐鹽機制，以及從生境中配置耐鹽的協(xié)同者，可能是育種成功的大概率事件。

6? 展望

綜上所述，鹽基因組指自生物演化以來生物體對鹽感受、信號轉(zhuǎn)導、拒絕、轉(zhuǎn)運、儲存、分泌及相關(guān)的調(diào)節(jié)和互作等反應(yīng)的全部基因組結(jié)構(gòu)及功能。植物鹽基因組涉及個體、群體、生態(tài)以及進化和包括表觀遺傳在內(nèi)的多種遺傳、變異、生長、發(fā)育、代謝和應(yīng)激機制，并與基因編輯和未來的人工合成基因以及與農(nóng)業(yè)耕作和生態(tài)修復工程息息相關(guān)。以多維的視角和系統(tǒng)的方法研究植物對高鹽濃度脅迫的反應(yīng)，以鹽基因組為線索把古生物、包括內(nèi)生菌和外生菌的微生物、動物和人類活動有機地聯(lián)系起來進行動態(tài)的系統(tǒng)研究，可望為植物耐鹽育種帶來新的思路和途徑。

參考文獻

羅森伯格， 齊爾博-羅. 共生總基因組——人類、動物、植物及其微生物區(qū)系[M]. 孟? 和， 譯. 北京： 科學出版社， 2019.

Munns R， Teste M. Mechanisms of salinity tolerance[J]. Annual Review of Plant Biology， 2008， 59： 651-681.

Zhu J K. Salt and drought stress signal transduction in plants[J]. Annual Review of Plant Biology， 2002， 53： 247- 273.

李鳳霞. 鹽堿地土壤微生物多樣性特征研究[M]. 北京： 陽光出版社， 2015.

劉潤進， 王? 琳. 生物共生學[M]. 北京： 科學出版社， 2018.

趙可夫， 范? 海. 鹽生植物及其對鹽漬生境的適應(yīng)生理[M]. 北京： 科學出版社， 2005.

Zhu J K. Plant salt tolerance[J]. Trends in Plant Science， 2001， 6（2）： 66-71.

唐? 明. 菌根真菌提高植物耐鹽性[M]. 北京： 科學出版社， 2010.

陳文新， 汪恩濤. 中國根瘤菌[M]. 北京： 科學出版社， 2011.

斯沃伊斯. 污染場地處置——從理論到實踐應(yīng)用[M]. 朱勇兵， 趙三平， 劉曉東， 譯. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2017.

李? 隆. 間套作體系豆科作物固氮生態(tài)學原理與應(yīng)用[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)大學出版社， 2013.

羅勝聯(lián)， 劉承斌， 羅旭彪. 植物內(nèi)生菌修復重金屬污染理論與方法[M]. 北京： 科學出版社， 2013.

郝? 闖， 唐? 兵， 唐曉峰. 嗜鹽微生物的工業(yè)應(yīng)用研究及進展[J]. 生物資源， 2019， 41（4）： 281-288.

Spezia R， Jeanvoine Y， Scuderi D. Ion–molecule reactions as a possible synthetic route for the formation of prebiotic molecules in space[M]//Pontarotti P. Origin and evolution of biodiversity， Cham： Springer， 2018.

Hazen R M. The story of earth： The first 4.5 billion years， from stardust to living planet[M]. New York： Penguin Group， 2012： 89-92.

Wacey D， Kilburn M R， Saunders M， et al. Microfossils of sulphur-metabolizing cells in 3，4-billion-year-old rocks of Western Australia[J]. Nature Geoscience， 2011， 4（10）： 698-702.

Quayle J R， Ferenci T. Evolutionary aspects of autotrophy[J]. Microbiological Reviews， 1978， 42（2）： 251-273.

劉浩東， 閆榮曼， 張傳倫. 海洋浮游古菌MGII的研究進展[J/OL]. 微生物學報， 2020. [2020-08-17]. https：//doi.org/ 10.13343/j.cnki.wsxb.20200105.

Jiao C， S?rensen I， Sun X， et al. The Penium margaritaceum genome： Hallmarks of the origins of land plants[J]. Cell， 2020， 18（5）： 1097-1111.

Morris J L， Puttick M N， Clark J W， et al. The timescale of early land plant evolution[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2018， 115（10）： 2274-2283.

賴曉娟， 陳海敏， 楊? 銳， 等. 藻類基因組研究進展[J]. 遺傳， 2013， 35（6）： 735-744.

李星學， 周志炎， 郭雙興. 植物界的發(fā)展和演化[M]. 北京： 科學出版社， 1981.

Pellicer J， Hidalgo O， Dodsworth S， et al. Genome size diversity and its impact on the evolution of land plants[J]. Genes， 2018， 9（2）： 88.

Panchy N， Lehti-Shiu M D， Shiu S H. Evolution of gene duplication in plants[J]. Plant Physiology， 2016， 171（4）： 2294-2316.

Bowles A M C， Bechtold U， Paps J. The origin of land plants is rooted in two bursts of genomic novelt[J]. Current Biology， 2020， 30： 530-536.

Keeling P J， Palmer J D. Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution[J]. Nature Reviews Genetics， 2008， 9（8）： 605-618.

Tiwari P，Bae H. Horizontal gene transfer and endophytes： An implication for acquisition of novel traits[J]. Plants， 2020（9）： 305-316.

Zhong Y， Cheng Z M. A unique RPW8-encoding class of genes that originated in early land plants and evolved through domain fission， fusion， and duplication[J]. Scientific Reports， 2016（6）： 32 923.

Zerulla K， Soppa J. Polyploidy in haloarchaea： Advantages for growth and survival[J]. Frontiers in Microbiology， 2014（5）： 274.

Xiao Y， Xu P， Fan H， et al. The genome draft of coconut （Cocos nucifera）[J]. Giga Science， 2017， 6（11）： 1-11.

李? 丹， 陳曉慧， 賴鐘雄. 熱帶植物基因組研究進展[J]. 熱帶作物學報， 2019， 40（10）： 1875-1888.

Apse M P. Salt tolerance conferred by overexpression of a vacuolar Na+/H+ antiport in Arabidopsis[J]. Science， 1999， 285： 1256-1258.

王伏雄， 陳祖鏗. 銀杏胚胎發(fā)育的研究——兼論銀杏目的親緣關(guān)系[J]. 植物學報， 1983， 25（3）： 199-207， 295-298.

Xuhan X， Lammeren A A M Van. Structural analysis of embryogenesis and endosperm formation in celery-leafed buttercup （Ranunculus sceleratus L.）[J]. Acta Botanica Neerlandica， 1997， 46（3）： 291-301.

Schel J H N， Kieft H， Lammeren A A M Van. Interactions between embryo and endosperm during early developmental stage of maize caryopses （Zea mays）[J]. Canadian Journal of Botany， 1984， 62（12）： 2842-2853.

XuHan X， Christian Brière， Nathalie Vallée， et al. In vivo labeling of sunflower embryonic tissues by fluorescently labeled phenylalkylamine[J]. Protoplasma， 1999， 210（1-2）： 52-58.

胡適宜. 被子植物胚胎學[M]. 北京： 人民教育出版社， 1983.

閻秀峰， 龐秋穎. 鹽生植物鹽芥的組學分析[M]. 北京： 科學出版社， 2012.

Lyu H， He Z， Wu C I， et al. Convergent adaptive evolution in marginal environments： unloading transposable elements as a common strategy among mangrove genomes[J]. New Phytologist， 2018， 217（1）： 428-438.

Nguyen H T， Stanton D E， Schmitz N， et al. Growth responses of the mangrove Avicennia marina to salinity： Development and function of shoot hydraulic systems require saline conditions[J]. Annals of Botany， 2015， 115： 397-407.

楊傳平. 檉柳耐鹽抗旱分子基礎(chǔ)研究[M]. 北京： 科學出版社， 2015.

Wang Z， Hong Y， Li Y， et al. Natural variations in SlSOS1 contribute to the loss of salt tolerance during tomato domestication[J/OL]. Plant Biotechnology Journal， 2020. [2020-08-17]. https：//doi.org/10.1111/pbi.13443.

谷? 俊， 耿? 貴， 李冬雪， 等. 鹽脅迫對植物各營養(yǎng)器官形態(tài)結(jié)構(gòu)影響的研究進展[J]. 中國農(nóng)學通報， 2017， 33（24）： 62-67.

Feng W， Kita D， Peaucelle A， et al. The FERONIA receptor kinase maintains cell-wall integrity during salt stress through Ca2+ signaling[J]. Current Biology， 2018， 28： 666-675.

Ismail A， El-Sharkawy I， Sherif S. Salt stress signals on demand： Cellular events in the right context[J]. International Journal of Molecular Sciences， 2020， 21（11）： 3918.

Yeung T， Gilbert G E， Shi J， et al. Membrane phosphatidylserine regulates surface charge and protein localization[J]. Science， 2008， 319（5860）： 210-213.

Bahieldin A， Sabir J S M， Ramadan A， et al. Control of glycerol biosynthesis under high salt stress in Arabidopsis[J]. Functional Plant Biology， 2014， 41（1）： 87-95.

Xu， L， Yeu Q， Bian F， et al. Melatonin enhances phenolics accumulation partially via ethylene signaling and resulted in high antioxidant capacity in grape berries[J]. Frontiers in Plant Science， 2017（8）： 1426-1437.

趙振杰， 張海龍， 王明晶， 等. 植物耐鹽性相關(guān)細胞內(nèi)pH和離子穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機制[J]. 植物生理學報， 2020， 56（3）： 337-344.

Chin D C， Kumar R S， Suen C S， et al. Plant cytosolic ascorbate peroxidase with dual catalytic activity modulates abiotic stress tolerances[J]. Science， 2019， 16： 31-49.

Guo Q， Meng L， Han J， et al. SOS1 is a key systemic regulator of salt secretion and K+/Na+ homeostasis in the recretohalophyte Karelinia caspia[J]. Environmental and Experimental Botany， 2020， 177： 104 098.

Jasani A， Huynh T， Kellogg D R. Growth-dependent activation of protein kinases suggests a mechanism for measuring cell growth[J]. Genetics， 2020， 215（3）： 729-746.

Yang Z， Wang C， Xue Y， et al. Calcium-activated 14-3-3 proteins as a molecular switch in salt stress tolerance[J]. Nature Communication， 2019（10）： 1199.

Zelm E V， Zhang Y X， Testerink C. Salt tolerance mechanisms of plants[J]. Annual Review of Plant Biology， 2020， 71： 24.1-24.31.

Osakabe Y， Yamaguchi-Shinozaki K， Shinozaki K， et al. ABA control of plant macroelement membrane transport systems in response to water deficit and high salinity[J]. New Phytologist， 2014， 202（1）： 35-49.

Kazan K. Diverse roles of jasmonates and ethylene in abiotic stress tolerance[J]. Trends in Plant Science， 2015， 20（4）： 219-229.

Zhao Y， Dong W， Zhang N， et al. A wheat allene oxide cyclase gene enhances salinity tolerance via jasmonate signa ling[J]. Plant Physiologist， 2014， 164： 1068-1076.

Colebrook E H， Thomas S G， Phillips A L， et al. The role of gibberellin signalling in plant responses to abiotic stress[J]. Journal of Experimental Biology， 2014， 217： 67-75.

Achard P， Cheng H， Grauwe D L， et al. Integration of plant responses to environmentally activated phytohormonal signals[J]. Science， 2006， 311（5757）： 91-94.

Cao W H， Liu J， He X J， et al. Modulation of ethylene responses affects plant salt-stress responses[J]. Plant Physiologist， 2007， 143： 707-719.

Jayakannan M， Bose J， Babourina O， et al. Salicylic acid improves salinity tolerance in Arabidopsis by restoring membrane potential and preventing salt induced K+ loss via a GORK channel[J]. Journal of Experimental Botany， 2013， 64（8）： 2255-2268.

趙可夫，李法曾，張福鎖. 中國鹽生植物[M]. 2版. 北京： 科學出版社， 2013，

Wang Z， Hong Y， Zhu G， et al. Loss of salt tolerance during tomato domestication conferred by variation in a Na+/K+ transporter[J]. The EMBO Journal， 2020， 39（10）： e103256.

Li B， Duan H， Li J. et al. Global identification of miRNAs and targets in Populus euphratica under salt stress[J]. Plant Molecular Biology， 2013， 81（6）： 525-539.

Xiang Y， Jiménez-Gómez J M. SlHAK 20： a new player in plant salt tolerance[J]. The EMBO Journal， 2020， 39（10）： e104997.

Jiang Z， Tao M， Zhou X， et al. Plant cell-surface GIPC sphingolipids sense salt to trigger Ca2+ influx[J]. Nature， 2019， 572（7769）： 341-346.

Li J， Yang D L， Huang H， et al. Epigenetic memory marks determine epiallele stability at loci targeted by de novo DNA methylation[J]. Nature Plants， 2020（6）： 661-674.

劉小云， 吳邦庭， 邱? 璐. 植物逆境響應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控研究進展[J]. 江漢大學學報（自然科學版）， 2018， 46（2）： 180-187.

Reinhart B J， Slack F J， Basson M， et al. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans[J]. Nature， 2000， 403（6772）： 901-906.

Ding D， Zhang L， Wang H， et al. Differential expression of miRNAs in response to salt stress in maize roots[J]. Annals of Botany， 2009， 103（1）： 29-38.

Atkins J F， Gesteland R F， Cech T R. RNA worlds： From lifes origins to diversity in gene regulation[M]. New York： Cold Spring Harbor Laboratory Press， 2010.

Voinnet O. Origin， biogenesis， and activity of plant microRNAs[J]. Cell， 2009， 136（4）： 669-687.

Ratajczak M Z， Ratajczak J. Horizontal transfer of RNA and proteins between cells by extracellular microvesicles： 14 years later[J]. Clinical and Translational Medicine， 2016（5）： 7.

Lang-Mladek C， Popova O， Kiok K， et al. Transgenerational inheritance and resetting of stress-induced loss of epigenetic gene silencing in Arabidopsis[J]. Molecular Plant， 2010， 3（3）： 594-602.

Crevillen P， Yang H， Cui X， et al. Epigenetic reprogramming that prevents transgenerational inheritance of the vernalized state[J]. Nature， 2014， 515（7528）： 587-590.

Vaishnav A， Shukla A K， Sharma A， et al. Endophytic bacteria in plant salt stress tolerance： Current and future prospects[J]. Journal of Plant Growth Regulation， 2019， 38（2）： 650-668.

Etesami H， Glick B R. Halotolerant plant growth-promoting bacteria： Prospects for alleviating salinity stress in plants[J]. Environmental and Experimental Botany， 2020， 178： 104 124.

劉艷麗， 許海霞， 劉桂珍， 等. 小麥耐鹽性研究進展[J]. 中國農(nóng)學通報， 2008（11）： 202-207.

連? 勇， 劉富中， 田時炳， 等.“十二五”我國茄子遺傳育種研究進展[J]. 中國蔬菜， 2017（2）： 14-22.

田麗麗， 黃建安， 劉仲華. 茶樹抗鹽堿研究進展[J]. 植物生理學報， 2017， 53（2）： 167-173.