大豆耐鹽機(jī)制的研究進(jìn)展

李亮

摘 要：中國(guó)乃至整個(gè)世界土地的鹽漬化越來越嚴(yán)重，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了越來越大的影響。大豆作為重要的經(jīng)濟(jì)作物，同樣受到鹽害帶來的影響。高鹽會(huì)對(duì)大豆的許多方面產(chǎn)生負(fù)面的影響，包括大豆的生長(zhǎng)、節(jié)間伸長(zhǎng)、各種農(nóng)藝性狀、種子質(zhì)量和產(chǎn)量等。本文將在描素鹽害對(duì)大豆產(chǎn)生各種負(fù)面影響的同時(shí)，總結(jié)介紹大豆在鹽壓力下的分子反應(yīng)、耐鹽機(jī)制和基因調(diào)控途徑。

關(guān)鍵詞：大豆； 耐鹽性；NaCl

中圖分類號(hào)：S565.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170832015

大豆是一種高油、高蛋白含量的經(jīng)濟(jì)作物。不但可以用大豆生產(chǎn)食用油滿足人們的生活所需，還可以用來生產(chǎn)飼料甚至是工業(yè)產(chǎn)品。大豆的需求量與日俱增，但是鹽害作為一種重要的非生物壓力嚴(yán)重抑制大豆的產(chǎn)量。全世界有近1/3的土地是鹽堿地，我國(guó)鹽漬土地面積巨大，并且有7%左右耕地土壤嚴(yán)重鹽漬化[1]。土壤的鹽漬化是造成作物減產(chǎn)的重要脅迫之一。大豆雖然是中度耐鹽作物但在鹽漬化土地上生長(zhǎng)仍會(huì)減產(chǎn)50%以上，甚至絕產(chǎn)。近些年大豆的種植面積不斷縮小，國(guó)產(chǎn)大豆總產(chǎn)量不斷降低。所以向鹽漬化土地要糧，提高鹽漬化耕地的利用效率是提高大豆等農(nóng)作物總產(chǎn)量的有效方法之一。因此，在生產(chǎn)上對(duì)耐鹽大豆品種的需求顯得十分迫切。

利用現(xiàn)代生物技術(shù)培育耐鹽品種相對(duì)傳統(tǒng)耐鹽品種的選育手段省時(shí)、省力，已逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在耐鹽分子標(biāo)記輔助育種領(lǐng)域，近年來取得了一些可喜的進(jìn)展，一些與耐鹽基因相關(guān)分子標(biāo)記的獲得和QTL位點(diǎn)的定位可能為耐鹽品種的選育提供了更為有效的方法。但是目前還沒有成功實(shí)踐的范例，在大豆研究領(lǐng)域更是處于起步階段。隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行作物耐鹽性改良已經(jīng)成了新的研究熱點(diǎn)。研究人員已經(jīng)克隆得到了大量與大豆耐鹽性相關(guān)的基因，并且把這些基因?qū)氩煌闹参?，以期提高植物的耐鹽性。目前用于該領(lǐng)域的基因大體有以下這幾類：逆境誘導(dǎo)的植物蛋白酶基因，如受體激酶基因、核糖體蛋白激酶基因、轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白激酶基因等；細(xì)胞滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)基因，如大豆磷酸酯酶基因、1-磷酸甘露醇脫氫酶基因、6-磷酸山梨醇脫氫酶基因等；超氧化物歧化酶；轉(zhuǎn)錄因子基因，如JERF轉(zhuǎn)錄因子、DREB轉(zhuǎn)錄因子等[2-5]。但目前還沒有培育出優(yōu)良的轉(zhuǎn)基因大豆耐鹽品種。所以，對(duì)大豆的耐鹽性改良，必須依賴對(duì)大豆耐鹽性分子機(jī)理的深入理解。

1 鹽對(duì)大豆的影響

大豆是一種中度耐鹽的作物。當(dāng)土壤中鹽的含量達(dá)到5dS/m時(shí)，就會(huì)降低大豆的產(chǎn)量[6]。高濃度的鹽影響大豆的整個(gè)生育期，從而影響大豆的最終產(chǎn)量。低鹽濃度會(huì)延遲大豆種子的發(fā)芽時(shí)間。在高濃度的鹽壓力下，大豆的發(fā)芽率將大幅度的降低甚至不發(fā)芽。但是耐鹽大豆品種的發(fā)芽率和發(fā)病率要明顯低于鹽敏感品種。在大豆種子萌發(fā)過程中，不同發(fā)育階段對(duì)鹽的耐性不同，種子吸脹期、出芽期、芽伸長(zhǎng)期、側(cè)根生長(zhǎng)期耐鹽性逐漸降低。大豆萌發(fā)階段和成熟階段的耐鹽性也不同，‘Lee、‘Coiquitt和‘Clark363個(gè)栽培品種在鹽脅迫下發(fā)芽率下降幅度相似，但是高鹽對(duì)‘Coiquitt和‘Clark36株高和地上部分干重的影響比Lee嚴(yán)重得多[7]。相對(duì)于大豆種子的萌發(fā)階段，苗期對(duì)鹽壓力更加敏感。220mM的氯化鈉對(duì)苗期大豆的生長(zhǎng)影響不大，300mM的氯化鈉會(huì)嚴(yán)重抑制大豆的生長(zhǎng)。高鹽嚴(yán)重影響大豆各種農(nóng)藝性狀，包括株高、葉面積、節(jié)數(shù)、分枝數(shù)、結(jié)莢數(shù)、生物產(chǎn)量和百粒重等。種子的質(zhì)量也受到高鹽的影響，現(xiàn)在已經(jīng)明確的是鹽壓力會(huì)降低大豆種子中蛋白質(zhì)的含量，但是對(duì)脂肪含量的影響到底有多大現(xiàn)在還沒有一個(gè)明確的結(jié)論[8]。一般情況下，大豆耐鹽品種要比敏鹽品種在高鹽的環(huán)境下各種農(nóng)藝性狀表現(xiàn)得更好。根瘤是豆科植物的重要特征。鹽脅迫影響大豆根瘤的發(fā)育，減少大豆根瘤的數(shù)量、降低大豆根瘤重量，從而降低大豆的固氮效率。吸氧受阻、根瘤中豆血紅蛋白含量下降、固氮所需要的能量源消耗殆盡是鹽脅迫抑制根瘤菌固氮的重要原因。另外，鹽壓力可以嚴(yán)重抑制根毛結(jié)瘤從而阻止與根瘤菌的共生過程的開始。鹽脅迫可以嚴(yán)重?fù)p傷根瘤，但是大豆根瘤的數(shù)量和固氮效率與大豆品種和共生根瘤菌的耐鹽性正相關(guān)。大豆品種本身的耐鹽能力對(duì)根瘤的形成至關(guān)重要。

2 大豆耐鹽機(jī)制

2.1 離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

在沿海和內(nèi)陸地區(qū)，鹽主要以NaCl 和 Na2CO3/NaHCO3的形式存在。大量的研究顯示Na+的過量積累是造成植物鹽脅迫致死的關(guān)鍵離子，也有研究證明Cl-離子與大豆Nacl脅迫傷害高度相關(guān)。大豆葉片和根系中Na+和Cl-吸收、外排能力與大豆耐鹽性相關(guān)。一般，大豆耐鹽品種‘Dare和鹽敏感品種‘Tachiyutaka在中度鹽脅迫下Na+聚集在根系中，把Cl-離子轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分[9]。不同大豆品種耐鹽性的差異取決于大豆根中Na+和Cl-的吸收和外排能力，栽培大豆對(duì)Cl-更敏感，而野生大豆對(duì)Na+更敏感[10]。以上的研究并沒有明確Na+還是Cl-是大豆鹽脅迫致死的關(guān)鍵因子。所以，Na+和Cl-的動(dòng)態(tài)平衡可能與大豆耐鹽性高度相關(guān)。Na+的外排和液泡區(qū)室化是植物抵抗鹽脅迫重要的方式之一。人們發(fā)現(xiàn)高等植物液泡膜上的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以將細(xì)胞質(zhì)中的Na+區(qū)室化進(jìn)入液泡， 以避免高濃度Na+累積對(duì)細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生毒害，并影響正常的代謝活動(dòng)[11]。Cl-的動(dòng)態(tài)平衡可能是決定大豆耐鹽性的關(guān)鍵因素。GmCLC1定位于大豆的液泡膜上， NaCl， KCl， NaNO3， KNO3 和 PEG 可以誘導(dǎo)其在根系和葉片中表達(dá)。在轉(zhuǎn)基因煙草BY-2細(xì)胞中，GmCLC1的異常表達(dá)可以通過增強(qiáng)液泡對(duì)Cl-的承載能力來避免NaCl產(chǎn)生的不良影響[12]。

2.2 滲透調(diào)節(jié)

高鹽引起作物生長(zhǎng)環(huán)境相對(duì)水分不足，從而對(duì)植物產(chǎn)生滲透壓。滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)鹽脅迫的最基本特征之一。鹽處理將引發(fā)大豆相關(guān)的生理反應(yīng)。在水培鹽處理大豆幼苗時(shí)，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)現(xiàn)葉片出現(xiàn)萎蔫狀態(tài)，并且葉片氣孔的電導(dǎo)率明顯的降低。在鹽脅迫下，植物會(huì)主動(dòng)積累一些無機(jī)離子、小分子有機(jī)化合物和蛋白類保護(hù)劑，如： Na+、K+、有機(jī)物、脯氨酸、有機(jī)酸等，來維持細(xì)胞內(nèi)的滲透平衡，以避免鹽脅迫造成傷害。在鹽脅迫下，耐鹽大豆品種‘Clark和‘Forest體內(nèi)可溶性蛋白、脯氨酸、K+和Ca2+ 等含量增加，而在鹽敏感品種‘Kint體內(nèi)這些物質(zhì)大量減少[13]。亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸的積累有利于提高植物的抗逆性。相關(guān)研究顯示在低濃度鹽脅迫下，大豆種子中蛋白質(zhì)含量顯著下降，脂肪酸組成中的亞油酸和亞麻酸含量卻顯著增加[14]。endprint

2.3 鹽脅迫下細(xì)胞壁和膜脂的變化

細(xì)胞壁是一種非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，決定細(xì)胞的大小和形狀，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和各個(gè)器官的功能。不同類型的細(xì)胞根據(jù)它們特定的功能細(xì)胞壁的組成成分不同，細(xì)胞壁通常會(huì)為了適應(yīng)各種環(huán)境壓力而發(fā)生改變。Proline-rich細(xì)胞壁蛋白是一種組成細(xì)胞壁的重要成分，它對(duì)外界的刺激十分敏感。大豆中SbPRP3編碼了一種Proline-rich細(xì)胞壁蛋白。水楊酸、各種病毒感染、干旱和鹽壓力都能誘導(dǎo)它的表達(dá)[15]。

鹽脅迫下，質(zhì)膜的穩(wěn)定性與大豆的耐鹽性相關(guān)。植物細(xì)胞質(zhì)膜是由磷脂，糖脂，和類固醇構(gòu)成的。高鹽可以改變質(zhì)膜成分，導(dǎo)致細(xì)胞中的電解質(zhì)和有機(jī)化合物滲漏。Surjus 和 Durand[16]的研究顯示鹽脅迫可以使質(zhì)膜和微粒體中不飽和脂肪酸的含量分別降低55%和26%。鹽壓力可以降低棕櫚酸和油酸的合成量，但是低鹽馴化可以保持大豆幼苗中棕櫚酸和油酸的含量，從而提高大豆的耐鹽性[17]。

2.4 酶的變化

超氧化物歧化酶（SOD）分布于不同亞細(xì)胞，在大豆耐鹽過程中扮演重要的角色。在大豆幼苗子葉中，細(xì)胞質(zhì)、線粒體和葉綠體中超氧化物歧化酶活性分別占總活性的80%，11%， 9%[18]。鹽脅迫首先抑制葉綠體中SOD的活性，然后是線粒體，最后是細(xì)胞質(zhì)中SOD的活性。鹽脅迫不但改變了SOD的活性，同時(shí)也改變了SOD的組成成分。除了SOD，人們分離得到了一些新的活性氧清除劑。例如，植物替代氧化酶可以在氧化狀態(tài)下維持上游的電子傳輸組件的穩(wěn)定，從而降低活性氧的產(chǎn)生。據(jù)報(bào)道，植物替代氧化酶可能通過這種方式來參與活性氧的清除 [19] 。大豆中GmPAP3編碼一種紫色酸性磷酸酶。鹽壓力可以誘導(dǎo)其表達(dá)。GmPAP3的異常表達(dá)可以減輕植物由于鹽、滲透壓力和特異氧化帶來的負(fù)面影響。在鹽處理下，轉(zhuǎn)GmPAP3基因的擬南芥比野生型生長(zhǎng)的更好，并且減少了脂肪過氧化反應(yīng)的發(fā)生[20]。

3 基因調(diào)控途徑

據(jù)推測(cè)，高等植物中特定的受體會(huì)感知外界的鹽壓力信號(hào)，并把信號(hào)傳導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)，激活或生成特定轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控一系列特定鹽誘導(dǎo)基因的表達(dá)。目前，人們已經(jīng)在大豆中分離得到了模式植物鹽脅迫信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中一些重要的假定元件。這暗示大豆鹽脅迫信號(hào)傳導(dǎo)途徑可能與模式植物的相似。

3.1 Ca2+調(diào)控途徑

胞外的刺激信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后進(jìn)入細(xì)胞，通過細(xì)胞內(nèi)的第二信使進(jìn)一步傳遞和放大，最終引起細(xì)胞反應(yīng)。第二信使的種類很多，Ca2+是其中研究比較深入的一種。一旦感受器感知外界的刺激信號(hào)，Ca2+就會(huì)引發(fā)一系列的反應(yīng)。Ca2+感受器可以識(shí)別特定的鹽壓力Ca2+信號(hào)并與之結(jié)合，然后轉(zhuǎn)移到激酶/磷酸酯酶從而激活相應(yīng)基因的表達(dá)，相應(yīng)功能基因的表達(dá)使植物表現(xiàn)出耐鹽性，這些反應(yīng)是不受ABA調(diào)控的[21]。

Ca2+調(diào)控途徑是一種重要的壓力反應(yīng)信號(hào)傳導(dǎo)途徑。Ca2+-ATPase是一種主要的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。研究人員在大豆中分離出來一種定位在質(zhì)膜上的Ca2+-ATPase基因GmSCA1。對(duì)它的功能分析顯示，它屬于一種新的IIB Ca2+泵蛋白家族，并且壓力可以誘導(dǎo)它的表達(dá)[22]。CaMs是一種無酶活的蛋白，可以調(diào)節(jié)其它的無酶活或有酶活的蛋白。CaMs是真核細(xì)胞中Ca2+信號(hào)傳到途徑的主要組成成分。人們?cè)诖蠖怪幸呀?jīng)克隆得到了5個(gè)CaMs拷貝序列（SCaM-1 to -5） 。SCaM-4表達(dá)水平比較低，但是鹽壓力可以誘導(dǎo)其短時(shí)間的表達(dá)[23]，說明它可能參與了生物壓力和非生物壓力的早期反應(yīng)過程。人們已經(jīng)分離得到了許多大豆蛋白激酶基因。GmAAPK編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，非生命壓力可以調(diào)控它的表達(dá)。PEG，ABA，Ca2+和Na+可以誘導(dǎo)GmAAPK基因在大豆葉片中表達(dá)，表明它可能參與大豆的耐鹽性調(diào)控[24]。GmSTY1是一種編碼大豆假定雙重-特異蛋白激酶基因。它與絲氨酸/蘇氨酸激酶和酪氨酸蛋白激酶的羧肽相似。干旱和鹽脅迫可以誘導(dǎo)它的表達(dá)，但脫落酸不能[25]。

3.2 ABA-independent調(diào)控途徑

DREB蛋白在鹽壓力信號(hào)ABA-independent調(diào)控途徑中起重要的作用，它們是一組轉(zhuǎn)錄因子，參與植物的生物壓力和非生物壓力抗性調(diào)控[26]。現(xiàn)在已經(jīng)在大豆中克隆得到了十多個(gè)DREB蛋白基因。在經(jīng)脫水處理的耐鹽野生大豆品種中，GmDREB1表達(dá)量迅速增加并且表達(dá)量要比在野生型敏鹽大豆品種中高得多。鹽、干旱和冷壓力可以誘導(dǎo)大豆葉片中GmDREBa 和GmDREBb的表達(dá)，在葉片中并沒有發(fā)現(xiàn)GmDREBc被誘導(dǎo)表達(dá)。但鹽、干旱、和脫落酸可以誘導(dǎo)GmDREBc在根系中表達(dá)。對(duì)DREB蛋白不同成員基因功能的研究顯示，鹽、冷和脫落酸同樣可以誘導(dǎo)GmDREB2的表達(dá)，GmDREB2可以與DRE元件特異的結(jié)合，在轉(zhuǎn)該基因擬南芥中的過表達(dá)可以激活下游壓力反應(yīng)基因。轉(zhuǎn)GmDREB2基因的煙草比野生型植株積累了更多的脯氨酸[26]。

3.3 ABA-dependent調(diào)控途徑

bZIP-like蛋白是調(diào)控ABA-dependent調(diào)控途徑的重要轉(zhuǎn)錄因子。研究人員已經(jīng)在大豆中鑒別出了2個(gè)同源的bZIP-like蛋白。GmTDF-5編碼一個(gè)帶有2個(gè)亮氨酸拉鏈的細(xì)胞溶質(zhì)蛋白質(zhì)。進(jìn)一步的研究表明鹽、甘露醇和脫水處理可以誘導(dǎo)GmTDF-5的表達(dá)。GmbZIP132是另一個(gè)在大豆中克隆出來的bZIP-like蛋白基因，可以被干旱和高鹽誘導(dǎo)[27]。GmbZIP132在轉(zhuǎn)基因擬南芥的表達(dá)降低了植物對(duì)脫落酸的敏感性、提高了對(duì)失水的耐性。進(jìn)一步的研究顯示GmbZIP132還可以提高種子萌發(fā)階段的耐鹽性，但是不能改善苗期的耐鹽能力。

另一類ABA-dependent轉(zhuǎn)錄因子蛋白是NAC蛋白。根據(jù)序列相似性和可能的DNA結(jié)合區(qū)域功能，把NAC蛋白的N端分成5個(gè)亞區(qū)域，C端是轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域。在相關(guān)的研究中已經(jīng)說明NAC蛋白的轉(zhuǎn)錄功能。在大豆中雖然已經(jīng)克隆到了6個(gè)NAC相關(guān)基因 （GmNAC1–GmNAC6） [28]，但是還沒有明確它們與大豆耐鹽性的關(guān)系。endprint

4 展望

大豆耐鹽機(jī)制涉及從植株到器官、組織、生理生化直至分子的各個(gè)水平。盡管已經(jīng)開展了大量研究，但由于其機(jī)制十分復(fù)雜，大豆耐鹽中的許多重要問題仍有待探索。例如，大豆耐鹽的關(guān)鍵因子仍未找到；植物耐鹽的分子機(jī)制并不十分清楚；雖然已經(jīng)進(jìn)行了大量耐鹽基因的轉(zhuǎn)化，但轉(zhuǎn)化植株耐鹽性提高有限，離生產(chǎn)應(yīng)用還有一定距離。突變體篩選、分子生物學(xué)研究手段及基因工程技術(shù)在植物耐鹽研究中的廣泛應(yīng)用，為解決這些大豆耐鹽研究中的瓶頸問題提供了很大的幫助。大豆基因組測(cè)序工作已經(jīng)完成，人們對(duì)大豆這一古老的作物有了更深層次的了解，基因發(fā)掘顯得更加容易，大量的基因不斷被研究人員們找到。隨著相關(guān)研究的不斷進(jìn)行所有大豆耐鹽相關(guān)的基因特別是那些主效基因也一定會(huì)逐漸的浮出水面，耐鹽基因位點(diǎn)的遺傳圖譜也會(huì)逐步的建立起來。在生產(chǎn)實(shí)際中，大豆耐鹽“分子育種、分子設(shè)計(jì)育種”的應(yīng)用也必將會(huì)實(shí)現(xiàn)。

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