鹽堿脅迫及植物耐鹽堿分子機(jī)制研究

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(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

土地鹽堿化是世界范圍內(nèi)普遍存在的問(wèn)題，嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，限制農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。全世界有8.31億hm2的土壤因鹽堿度過(guò)高而不能被有效利用。其中，4.34億hm2為堿化土壤，3.97億hm2為鹽化土壤[1]。位于我國(guó)東北的松嫩平原是世界上鹽堿地分布最廣的地區(qū)之一，有鹽堿地373萬(wàn)hm2，且正以每年1.4%的速率逐年遞增。

水稻是世界范圍內(nèi)重要的糧食作物，在我國(guó)種植面積達(dá)4.5億hm2，居世界第二位。鹽脅迫對(duì)水稻的傷害包括營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的各個(gè)時(shí)期：萌發(fā)期可降低種子發(fā)芽率，延遲種子發(fā)芽時(shí)間；孕穗期阻礙幼穗的分化，減少分蘗數(shù)，延長(zhǎng)分蘗的時(shí)間，影響種子灌漿，從而降低水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)等[3]。堿脅迫對(duì)水稻的傷害主要表現(xiàn)為水稻幼苗植株矮小，生長(zhǎng)遲緩，細(xì)胞質(zhì)膜損傷，甚至導(dǎo)致幼苗的死亡。我國(guó)鹽堿地面積分布廣泛，而水稻屬于鹽堿敏感型作物，土地鹽堿化嚴(yán)重制約著水稻的種植面積及產(chǎn)量，限制了我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。隨著世界人口不斷增加，土地鹽堿化日益加劇，糧食安全問(wèn)題已成為亟待解決的問(wèn)題。因此，了解植物耐鹽堿機(jī)制，挖掘耐鹽堿基因，培育耐鹽堿植物新品種，對(duì)于開(kāi)發(fā)利用這些鹽堿地資源，保證我國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)高效發(fā)展和糧食安全，具有重大的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 鹽堿脅迫對(duì)植物傷害的生理分析

1.1 離子毒害

1.2 滲透脅迫

正常情況下，植物細(xì)胞滲透壓高于土壤溶液。植物細(xì)胞利用這種高滲透壓來(lái)吸收土壤溶液中的水分和必需的礦物質(zhì)。在鹽脅迫下，由于高濃度鹽分的存在，降低了土壤的水勢(shì)，植物細(xì)胞的滲透壓低于土壤溶液的滲透壓，使植物體內(nèi)水分外滲導(dǎo)致植物缺水，從而降低了植物對(duì)水和鉀、鈣等礦物質(zhì)的吸收能力[6]，引發(fā)滲透脅迫。滲透脅迫的特點(diǎn)是對(duì)作物傷害迅速，但是持續(xù)時(shí)間短，植株的幼嫩組織或器官易受到危害。

1.3 氧化脅迫

細(xì)胞內(nèi)嚴(yán)重的離子失衡將引起滲透脅迫，導(dǎo)致細(xì)胞嚴(yán)重失水，細(xì)胞內(nèi)環(huán)境紊亂，而這種離子失衡又進(jìn)而引發(fā)活性氧的產(chǎn)生，造成氧化脅迫。在鹽堿條件下，離子毒害和活性氧(Reactive oxygen species，ROS)常常伴隨發(fā)生，細(xì)胞內(nèi)活性氧大量積累，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的氧自由基，從而導(dǎo)致膜脂被氧化傷害，DNA鏈斷裂以及蛋白質(zhì)受到損傷等，使得植物細(xì)胞喪失正常的生理功能。

1.4 高pH脅迫

研究表明，植物根系對(duì)周?chē)?pH 值環(huán)境的應(yīng)答主要是有機(jī)酸的分泌。在堿脅迫條件下，棉花、沙棘及苜蓿植株莖和葉中的Na+累積明顯高于鹽脅迫。但若當(dāng)脅迫強(qiáng)度超過(guò)根系的調(diào)節(jié)能力時(shí)，大量的Na+涌入到植物的莖葉之中，則會(huì)造成細(xì)胞內(nèi)葉綠體片層結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠素含量降低，多種酶失活和氣孔導(dǎo)度降低等。盡管對(duì)耐堿機(jī)制仍未有定論，但是毋庸置疑，堿脅迫對(duì)植物造成的傷害比鹽脅迫更為嚴(yán)重和復(fù)雜，所以具有更重要的研究?jī)r(jià)值。

2 耐鹽堿植物資源及其相關(guān)研究

長(zhǎng)期處于不斷變換的自然環(huán)境使植物進(jìn)化出了復(fù)雜的適應(yīng)系統(tǒng)，只有增強(qiáng)對(duì)環(huán)境尤其是逆境的適應(yīng)能力才能維持其正常生存。因此，為了揭示植物的堿脅迫應(yīng)答過(guò)程和耐堿機(jī)理，科學(xué)家們大多從天然的耐堿植物著手，以其為研究對(duì)象深入探究其生理適應(yīng)機(jī)制。

盡管鹽堿脅迫對(duì)植物的傷害巨大，但仍有部分植物能夠在鹽堿地中生存，是研究植物耐堿機(jī)制的理想材料，如星星草(Puccinelliatenuiflora)[7]、羊草(Leymuschinensis)[8-9]、剛毛怪柳(Tamarixhispida)[10-11]，堿茅(Puccinelliadistans)[12]及野生大豆[13]等。星星草是生長(zhǎng)在草原、鹽漬化土壤堿斑周?chē)亩嗄晟瘫究撇荼局参?，能夠在pH值10以上、表土含鹽量5%以上的土壤中生長(zhǎng)良好，具有較強(qiáng)的耐鹽、堿能力。這些植物資源的發(fā)現(xiàn)使科研工作者在挖掘耐鹽堿關(guān)鍵基因，揭示植物耐鹽堿作用機(jī)制，培育耐鹽堿作物新品種及改良鹽堿地等方面取得了較大進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)星星草不僅擁有較強(qiáng)的耐堿能力，對(duì)土壤堿性環(huán)境還存在著有效的調(diào)節(jié)機(jī)制，目前人工播種星星草成為當(dāng)前治理鹽堿化草地行之有效的手段[14]。

結(jié)合較為先進(jìn)的技術(shù)手段，如芯片數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等，通過(guò)對(duì)這些物種的深入研究，已獲得大量鹽堿脅迫應(yīng)答基因，并對(duì)耐鹽堿植物的耐鹽堿機(jī)理有了初步的認(rèn)識(shí)。劉桂豐等通過(guò)芯片雜交的方法獲得了堿脅迫(Na2CO3)下星星草的基因表達(dá)譜[15]。王玉成等通過(guò)差異顯示技術(shù)對(duì)星星草在堿脅迫條件下的基因表達(dá)進(jìn)行了分析，并獲得7個(gè)在堿脅迫下差異表達(dá)的基因片段[16]。Kobayashi等通過(guò)對(duì)比耐堿品種星星草和一種對(duì)堿敏感的一年生早熟禾(Poaannua)在堿脅迫條件下的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)表達(dá)量變化的基因數(shù)目在耐堿品種星星草中遠(yuǎn)低于堿敏感品種早熟禾，推測(cè)在星星草中，調(diào)節(jié)碳酸氫鈉耐性的基因組成型表達(dá)[17]。并且，與鐵離子吸收相關(guān)的同源基因(Metal-nicotianamine transporter和NAAT-A)在星星草中上調(diào)表達(dá)而在鹽堿敏感品種早熟禾中則下調(diào)表達(dá)，這種不同應(yīng)答機(jī)制說(shuō)明星星草在堿脅迫條件下能夠更好地適應(yīng)Fe缺乏癥狀。Ma等通過(guò)對(duì)不同程度堿脅迫條件下處理6個(gè)月的羊草的根，地下莖和地上部分的離子含量(K+、Na+和Ca2+)進(jìn)行分析，揭示了鹽堿脅迫條件下羊草在維持離子平衡上的作用機(jī)制，結(jié)果表明根中Na+含量較低，而對(duì)K+和Ca2+的選擇吸收性較強(qiáng)，保證了較高的K+/Na+和Ca2+/Na+比，是羊草適應(yīng)堿脅迫的重要機(jī)制[18]。

3 植物應(yīng)答鹽堿脅迫的分子機(jī)制

植物本身進(jìn)化出多種鹽堿脅迫應(yīng)答的分子機(jī)制，主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1 離子平衡對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

鹽堿脅迫會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生離子毒害，植物根系在受到離子脅迫時(shí)會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子的進(jìn)出來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)外或組織內(nèi)外的離子穩(wěn)態(tài)。

3.1.1 Na+-K+對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響。受到鹽堿脅迫的水稻，細(xì)胞內(nèi)Na+濃度降低、K+濃度迅速升高，且隨著鹽堿溶液濃度的升高，水稻幼苗體內(nèi)的Na+/K+比下降。植物體內(nèi)存在過(guò)多的 Na+又導(dǎo)致了K+的缺乏，并且會(huì)抑制植物對(duì)其他離子(Ca2+、Mg2+)的吸收[19]。堿脅迫干擾 Na+-K+吸收和代謝是堿害的生理基礎(chǔ)，植物如果能夠有效地控制 Na+-K+的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)就能夠在堿脅迫條件下生存，換言之維持Na+-K+平衡可能就是植物抗堿的最終體現(xiàn)。

在鹽脅迫或堿脅迫下，根周?chē)h(huán)境Na+濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其生長(zhǎng)需求的范圍，大部分植物在鹽脅迫下都積累了大量Na+。研究表明，在堿脅迫下，高pH導(dǎo)致根外質(zhì)子虧缺，抑制依賴(lài)質(zhì)子梯度的Na+外排作用，使植物根系出現(xiàn)Na+積累的傾向[20]。這些積累的Na+都會(huì)被區(qū)隔到液泡中或排出體外，因此，植物Na+的區(qū)隔化和外排作用成為了Na+代謝的核心過(guò)程，也在植物抗鹽堿過(guò)程中起決定性的作用。主要由兩類(lèi)蛋白完成這兩個(gè)過(guò)程，既細(xì)胞膜上的鹽超敏感蛋白1(SOS1)介導(dǎo) Na+外排，液泡膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NHX)介導(dǎo)Na+區(qū)隔到液泡，這兩個(gè)蛋白均受鈣依賴(lài)的SOS2/SOS3激酶復(fù)合體調(diào)控。研究表明，鹽脅迫下鈣離子的增加被鈣離子傳感器SOS3感知，SOS3蛋白與SOS2蛋白激酶相互作用，SOS2-SOS3復(fù)合物激活一個(gè)質(zhì)膜上Na+/H+的反向轉(zhuǎn)運(yùn)體SOS1蛋白，從而重新建立細(xì)胞內(nèi)鈉穩(wěn)態(tài)。

3.1.2 鐵對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響。鐵缺乏癥是堿脅迫對(duì)植物的主要影響之一，因此在堿脅迫下，植物能獲取更多的鐵離子至關(guān)重要。植物通常采用兩種策略進(jìn)行鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，即還原策略(策略I)和螯合策略(策略II)。大多數(shù)雙子葉植物和單子葉非禾本科植物通常采用還原策略吸收鐵離子，即通過(guò)酸化將質(zhì)子釋放到根際，增加Fe3+的溶解度，然后通過(guò)膜結(jié)合鐵還原酶氧化酶將Fe3+還原成Fe2+，F(xiàn)e2+通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從土壤中轉(zhuǎn)運(yùn)到根細(xì)胞中[21]。而單子葉禾本科植物通常采用螯合策略對(duì)鐵離子進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，即根際分泌植物鐵載體，例如能與Fe3+離子高親和力結(jié)合的麥根酸，形成Fe3+-植物鐵載體復(fù)合物，在缺鐵情況下從根際周?chē)@得鐵[22-23]。

大麥?zhǔn)亲钅腿辫F癥的禾本科植物，Murata等人在2006已確定一個(gè)植物鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)子HvYS1[25]，該基因與ZmYS1有72.7%相似度。HvYS1蛋白的細(xì)胞定位和底物特異性與ZmYS1[26]不同，說(shuō)明HvYS1是特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)子，在大麥的根中參與主要的離子吸收過(guò)程。水稻是對(duì)鹽堿中度敏感的作物，在鹽堿脅迫條件下，水稻品種東稻4相較于吉粳88表現(xiàn)出了較強(qiáng)的鹽堿脅迫耐性，除了葉綠素含量較高，根系較發(fā)達(dá)等，東稻4還表現(xiàn)出了較強(qiáng)的根際酸化能力和較高的鐵離子含量[27]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)OsIRO2、OsIRT1及OsNAS1等鐵缺乏誘導(dǎo)基因在堿脅迫條件下的表達(dá)量顯著高于吉粳88。這些結(jié)果表明，具有發(fā)達(dá)的根系和高效吸收鐵離子能力顯著增強(qiáng)東稻4的鹽堿脅迫耐性。

3.1.3 鈣對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響。鈣是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)素之一，它是細(xì)胞壁和細(xì)胞膜中各種結(jié)構(gòu)的重要組成部分。鈣除了在正常條件下起著重要的作用外，在不同的發(fā)育條件和鹽脅迫條件下，鈣作為植物的主要次級(jí)信使分子發(fā)揮著重要的作用。細(xì)胞內(nèi)pH值的變化，與細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度等變化相一致，引起植物廣泛的細(xì)胞功能，包括植物防衛(wèi)反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。一般認(rèn)為，鹽脅迫和其他應(yīng)激一樣，在細(xì)胞膜上，即細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)被感知，然后觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)，包括產(chǎn)生次級(jí)信使分子，如Ca2+和質(zhì)子。Ca2+和質(zhì)子信號(hào)的多樣性和復(fù)雜性是由植物的脅迫性質(zhì)和植物對(duì)指定脅迫的耐受能力決定的。在鹽脅迫條件下，不同的耐鹽或鹽敏感植物中，細(xì)胞內(nèi)Ca2+和質(zhì)子在細(xì)胞水平和全株水平上都存在[28]。

3.2 滲透調(diào)節(jié)對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

3.3 抗氧化調(diào)節(jié)對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

研究發(fā)現(xiàn)，SOD活性與抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)相結(jié)合，對(duì)緩解鹽脅迫和堿脅迫誘導(dǎo)的番茄葉片氧化脅迫起著重要作用[21]。Guan等發(fā)現(xiàn)在酵母、擬南芥和水稻中超量表達(dá)水稻LDS1型鋅指蛋白OsLOL5 顯著提高了其耐鹽堿脅迫的能力。在水稻中超量表達(dá)OsLOL5的水稻在堿脅迫下表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性，包括較高的地上部分和鮮重。氧化脅迫相關(guān)基因OsAPX2、OsCAT、OsCu/Zn-SOD以及OsRGRC2基因的表達(dá)量在轉(zhuǎn)基因水稻中顯著上調(diào)，表明OsLOL5可能通過(guò)調(diào)節(jié)活性氧清除途徑提高了水稻對(duì)鹽堿脅迫的耐性[29]。并且最近有研究發(fā)現(xiàn)，外源激素2，4-D能夠通過(guò)調(diào)節(jié)水稻根的抗氧化能力和離子轉(zhuǎn)運(yùn)能力緩解鹽脅迫的傷害[30]。

3.4 氮代謝對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

3.5 有機(jī)酸對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

研究表明，在堿脅迫下，虎尾草分泌有機(jī)酸不僅可以維持細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)定和離子平衡，還在根外pH調(diào)節(jié)中起重要作用?；⑽膊莞翟趬A化土壤環(huán)境中，通過(guò)分泌有機(jī)酸，還可能通過(guò)吸收Na+交換出H+及呼吸釋放CO2等其他作用在根表面或皮層質(zhì)外體空間進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，將堿脅迫所致的高pH屏蔽在根外，使根系結(jié)構(gòu)與功能基本不受影響[37]。堿脅迫下水稻僅分泌少量的有機(jī)酸，無(wú)法有效地調(diào)節(jié)根周?chē)h(huán)境pH，堿脅迫的高pH就會(huì)迅速破壞根結(jié)構(gòu)和功能，明顯地抑制水稻根生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致根細(xì)胞大批死亡解體。研究表明，堿脅迫下水稻中的有機(jī)酸以蘋(píng)果酸、檸檬酸和草酸為主。堿脅迫下根系積累草酸用于離子平衡可能是水稻根系對(duì)缺氧環(huán)境的一種適應(yīng)策略，水稻根系長(zhǎng)期生長(zhǎng)在水生環(huán)境，可能已經(jīng)進(jìn)化出以低耗氧為主的代謝途徑[20]。

3.6 激素調(diào)節(jié)對(duì)植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

脫落酸(ABA)、乙烯、生長(zhǎng)素、茉莉酸及水楊酸等在協(xié)調(diào)植物適應(yīng)逆境脅迫過(guò)程中具有重要的作用[38-41]。ABA誘導(dǎo)基因RD29A、RD29B及COR47等在植物響應(yīng)干旱、冷和鹽堿脅迫過(guò)程中發(fā)揮重要作用，其蛋白產(chǎn)物在植物細(xì)胞中的累積使植物更好地適應(yīng)逆境環(huán)境，常用來(lái)作為鹽堿或其他逆境脅迫下的Marker基因[38,42]。大豆乙烯應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子GmERF4不僅受乙烯誘導(dǎo)，還受茉莉酸、水楊酸、鹽及干旱等非生物脅迫誘導(dǎo)，在煙草中超量表達(dá)GmERF4提高了對(duì)鹽和干旱脅迫的耐性[43]。研究表明，外源ABA提高水稻幼苗的鹽脅迫耐性[44]。進(jìn)一步研究表明，ABA能一定程度的降低堿脅迫所引起的幼苗質(zhì)膜的損傷，并能提高水稻地上部分的相對(duì)含水量，減輕滲透脅迫對(duì)水稻幼苗的傷害，促進(jìn)其生長(zhǎng)；其次，ABA降低水稻體內(nèi)Na+/K+比值，緩解由于堿脅迫下 Na+含量過(guò)高而引起的離子毒害，避免對(duì)植株新陳代謝造成干擾。高pH脅迫導(dǎo)致水稻根部損傷,是堿脅迫抑制水稻生長(zhǎng)的主要原因，ABA對(duì)堿脅迫下水稻根長(zhǎng)和根表面積的影響有緩解作用。同時(shí)，在非脅迫條件下，ABA處理對(duì)水稻株高存在抑制作用，其濃度越大抑制越明顯，而在堿脅迫條件下，ABA對(duì)水稻株高存在促進(jìn)作用，說(shuō)明植物激素只有在一定濃度范圍內(nèi)才能發(fā)揮有效的作用[45]。

同樣，研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素的過(guò)量累積是堿脅迫抑制根伸長(zhǎng)的原因之一。通過(guò)對(duì)模式植物擬南芥在高pH條件下根生長(zhǎng)受到抑制的作用機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，堿脅迫條件下植物根中的乙烯含量增加，進(jìn)一步誘導(dǎo)生長(zhǎng)素的產(chǎn)生，IAA合成的增多導(dǎo)致其在根尖中過(guò)度累積從而抑制根的伸長(zhǎng)[46]。該研究指出，由AUX1介導(dǎo)的生長(zhǎng)素的合成和累積參與了該堿脅迫應(yīng)答過(guò)程，然而，生長(zhǎng)素不能影響堿脅迫條件下乙烯激素的累積[46]。近期，有研究進(jìn)一步證明了這個(gè)觀點(diǎn)，通過(guò)對(duì)野生大豆基因GsERF71的耐堿功能分析發(fā)現(xiàn)GsERF71在堿脅迫條件下能夠調(diào)節(jié)擬南芥根中生長(zhǎng)素的累積，并且通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜上的H+-ATPase提高了超表達(dá)擬南芥對(duì)堿脅迫的耐性[47]。

4 水稻鐵轉(zhuǎn)移與耐鹽堿的研究

鐵是植物體內(nèi)新陳代謝過(guò)程所必需的離子元素，包括光合作用和呼吸作用。堿脅迫條件下植株通常表現(xiàn)出明顯的由缺鐵導(dǎo)致的失綠癥狀，主要因?yàn)殡m然土壤中鐵含量豐富，但由于堿性土壤的pH增高，鐵大多以Fe3+形式存在，溶解度降低，不溶于水而無(wú)法為植物所用[23]，從而限制了植物的光合作用，嚴(yán)重抑制了植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。

植物通常采用兩種策略進(jìn)行鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明，根據(jù)鐵離子的吸收形式不同，禾本科植物水稻主要采用策略II從土壤中獲取鐵離子，即在鐵缺乏條件下，植物體內(nèi)會(huì)大量的合成植物鐵載體(Phytosideropres，PS)，例如天然Fe3+螯合劑-麥根酸植物鐵載體(MAs)，從植物根系分泌到根際土壤中，與土壤中難溶的Fe3+直接結(jié)合形成螯合物后，被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，再釋放出Fe3+，以供植物進(jìn)行正常的生命代謝活動(dòng)[48]。近年來(lái)，有研究表明水稻既可以運(yùn)用策略II，通過(guò)分泌PS，螯合、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+，也可以利用策略I中的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，直接從土壤中吸收Fe2+，由OsIRT1/2等鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，再通過(guò)其它的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Fe2+運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)細(xì)胞器和組織中加以利用[22]。因此，研究人員通過(guò)研究相關(guān)基因和分子機(jī)制，旨在通過(guò)增加水稻對(duì)鐵離子的吸收，改良水稻在鹽堿土壤中生長(zhǎng)的耐受性。

MAs是植物鐵載體，能夠螫合植物根際周?chē)寥乐械腇e3+，在禾本科植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鐵的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。NAS(尼克酰胺合成酶)、NAAT(尼克酰胺轉(zhuǎn)氨酶)和DMAS(脫氧麥根酸合成酶)是在MAs合成過(guò)程中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵酶，決定著水稻根系MAs的合成量[49-51]。首先，SAM(S-腺苷-L-甲硫氨酸)在NAS作用下合成NA(尼克酰胺)，在NAAT和DMAS催化下形成DMA(脫氧麥根酸)，最后雙加氧酶IDS2和IDS3將其轉(zhuǎn)化為MAs(麥根酸)。通過(guò)輸出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsTOM1、OsTOM2，將合成的MAs運(yùn)輸?shù)礁H周?chē)贤寥乐杏坞x的Fe3+[52]，形成Fe3+-MAs復(fù)合物。再由鐵運(yùn)輸載體OsYSL15、OsYSL16把復(fù)合物從根際土壤轉(zhuǎn)運(yùn)到根表皮細(xì)胞中，之后，鐵運(yùn)輸載體OsYSL15、OsYSL16和OsYSL18負(fù)責(zé)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，把根細(xì)胞內(nèi)的Fe3+-MAs復(fù)合物從木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸?shù)降厣喜縖51,53-55]。

水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鐵主要是通過(guò)MAs螯合Fe3+，在缺鐵條件下，水稻根系也能產(chǎn)生和分泌數(shù)量較少的MAs，但與之相比，大麥根系所能分泌的MAs相對(duì)較多。因此，研究人員通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法將大麥基因組中兩個(gè)編碼MAs合成關(guān)鍵酶的基因HvNAAT-A和HvNAAT-B轉(zhuǎn)入了水稻中，以此來(lái)改良水稻的耐堿性。研究表明，在堿性土壤中，HvNAAT的異源表達(dá)使轉(zhuǎn)基因水稻植株表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐堿性，相對(duì)野生型植株而言，轉(zhuǎn)基因水稻植株表現(xiàn)出較高的NAAT活性，根系分泌更多的DMA，且生長(zhǎng)狀態(tài)良好，沒(méi)有出現(xiàn)老葉與旗葉失綠的癥狀，同時(shí)在pH8.5的堿性土壤中增產(chǎn)4.1倍[56]。與此相同，研究人員在水稻中異源表達(dá)大麥調(diào)控MAs合成的基因HvNAS1、HvIDS3，水稻轉(zhuǎn)基因株系在苗期也表現(xiàn)出明顯的耐堿性[57-58]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水稻調(diào)控MAs合成的基因OsNAS2的水稻過(guò)表達(dá)植株對(duì)鐵缺乏的耐受性增強(qiáng)，并使其在堿性條件下生長(zhǎng)良好，在一定程度下增強(qiáng)了水稻的耐堿性[59]。其他與MAs合成相關(guān)的基因過(guò)表達(dá)也被證明能提高植株對(duì)石灰性土壤的耐受性。因此，通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法提高水稻對(duì)低鐵脅迫的耐受性是提高石灰性土壤條件下水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的有效途徑。

IDEF1是禾本科植物缺鐵響應(yīng)基因中的中心轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子，位于其他缺鐵因子反應(yīng)級(jí)聯(lián)的上游，鐵缺乏的初期參與鐵的吸收和利用。研究顯示，OsIDEF1既可以通過(guò)直接與Fe2+等金屬離子結(jié)合，在缺鐵時(shí)發(fā)揮傳感器的作用；又可以通過(guò)識(shí)別水稻中鐵缺乏響應(yīng)順式元件的CATGC序列來(lái)調(diào)節(jié)水稻對(duì)鐵缺乏的響應(yīng)。進(jìn)一步研究表明，OsIDEF1的表達(dá)水平與鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的相關(guān)基因OsIRO2、OsYSL15、OsIRT1、OsYSL2、OsNAS1、OsNAS2、OsNAS3和OsDMAS1的誘導(dǎo)水平呈正相關(guān)關(guān)系。因此，研究人員得到的轉(zhuǎn)基因IDEF1過(guò)表達(dá)水稻植株，不但對(duì)缺鐵表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性，而且同時(shí)增強(qiáng)了其耐堿性。轉(zhuǎn)錄因子IDEF2與鐵缺乏響應(yīng)順式元件結(jié)合，參與鐵缺乏基因的調(diào)控，在植物鐵穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用。轉(zhuǎn)錄因子OsIDEF1和OsIDEF2均受缺鐵誘導(dǎo)，OsIDEF1、OsIDEF2的表達(dá)增強(qiáng)導(dǎo)致石灰性土壤中植物鐵載體分泌增加，對(duì)低鐵有效性的耐受性增強(qiáng)[57]。

HRZs/BTS是禾本科植物和非禾本科植物中的E3泛素連接酶和鐵缺乏的負(fù)調(diào)控因子。與OsIDEF1類(lèi)似，水稻OsHRZ1和OsHRZ2可以直接結(jié)合鐵離子和鋅離子，是缺鐵條件下，負(fù)調(diào)控鐵的獲得的鐵結(jié)合傳感器，也是鐵積累有效的調(diào)節(jié)者，同時(shí)具有泛素化活性，參與蛋白的降解或修飾[60-65]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鐵穩(wěn)態(tài)正調(diào)節(jié)因子OsPRI1與OsHRZ1互作，且能被OsHRZ1泛素化，作為OsHRZ1-OsPRI1-OsIRO2/3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)的一部分，介導(dǎo)水稻對(duì)鐵缺乏的響應(yīng)，正調(diào)控OsIRO2和OsIRO3的表達(dá)[66]。OsIRO2、OsIRO3和 OsbHLH133[67]是堿性螺旋-環(huán)-螺旋( basic helix 1oop helix，bHLH)的轉(zhuǎn)錄因子，在水稻鐵離子的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮著重要的作用。其中，OsIRO2能正向調(diào)控鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，而OsIRO3和OsbHLH133負(fù)向調(diào)控鐵離子的吸收。研究表明，轉(zhuǎn)錄因子OsIRO2正向調(diào)控水稻根系MAs的分泌量，在石灰性土壤長(zhǎng)期栽培條件下，水稻過(guò)表達(dá)OsIRO2植株不僅能增強(qiáng)OsNAS1、OsNAS2、OsNAS3、OsNAAT1、OsDMAS1等MAs合成相關(guān)基因的表達(dá)，使得水稻根系MAs的分泌增多-在缺鐵條件下，過(guò)表達(dá)植株分泌的DMA是正常植株的1.7倍，水稻過(guò)表達(dá)OsIRO2植株還能增強(qiáng)Fe3+-DMA轉(zhuǎn)運(yùn)載體OsYSL1的表達(dá)，使得轉(zhuǎn)基因株系對(duì)低鐵利用的耐受性增強(qiáng)，且在石灰性土壤中積累的鐵多于正常植株，并表現(xiàn)出一定程度的耐堿能力[68-71]。

水稻除了通過(guò)策略II以Fe3+-MAs螯合物形式吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鐵，也可以通過(guò)策略I直接轉(zhuǎn)運(yùn)游離態(tài)的Fe2+。水稻的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期大部分處于水中，根際周?chē)腇e2+含量比其他禾本科植物相對(duì)較多，為了更好地適應(yīng)缺鐵環(huán)境，水稻也進(jìn)化出了相應(yīng)的Fe2+吸收機(jī)制。研究表明，鐵運(yùn)輸載體OsIRT1、OsIRT2、OsNRAMP1和OsNRAMP5均可以直接轉(zhuǎn)運(yùn)游離態(tài)的Fe2+。其中，OsIRT1在此過(guò)程中發(fā)揮了主要作用，是鐵的一種功能性金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體，并積極參與水稻對(duì)鐵的吸收，特別是在限制條件下[23,72-75]。將酵母Fe3+螯合還原基因refre1/372融合至鐵調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn)體OsIRT1的啟動(dòng)子下游，導(dǎo)入水稻植株中，提高了水稻根系細(xì)胞鐵還原酶的活性，從而增強(qiáng)了水稻在堿性土壤中對(duì)缺鐵的耐受性[57]。

此外，以策略I植物矮牽牛為研究對(duì)象，通過(guò)引入大麥參與策略II途徑的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)載體HvYSL1和PS，DMA，增強(qiáng)了矮牽牛在堿性條件下對(duì)缺鐵的耐受性。研究表明，在高pH條件下，植物根際周?chē)嬖谥y溶的Fe3+，MAs有效性提高，可以促進(jìn)水稻對(duì)鐵的吸收。外源性DMA的使用不僅在促進(jìn)環(huán)境鐵的吸收中起著重要的作用，還可以促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)，并能協(xié)調(diào)鐵和硝酸鹽的同化。外源DMA的使用提高了水稻對(duì)鐵的選擇性吸收，促進(jìn)植株體內(nèi)鐵的迅速轉(zhuǎn)運(yùn)，并上調(diào)硝酸還原酶的活性，還促進(jìn)了水稻幼苗在高pH條件下的生長(zhǎng)恢復(fù)，且SAM依賴(lài)的代謝途徑部分參與了堿脅迫[76]。綜上，通過(guò)增強(qiáng)水稻對(duì)鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)功能可以顯著提高水稻對(duì)缺鐵的耐受性，尤其是堿脅迫導(dǎo)致的缺鐵耐受性，提高其在鹽堿土壤中的生存能力。

5 總結(jié)與展望

鹽堿逆境嚴(yán)重限制著世界范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展，因此，挖掘耐鹽堿基因、了解植物耐鹽堿的分子機(jī)制已經(jīng)成為重要的挑戰(zhàn)。目前，隨著多種天然耐鹽堿植物如星星草[7]、堿茅[12]及野生大豆[13]等的挖掘與利用，以及基因芯片、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及QTL定位等新技術(shù)方法有效結(jié)合，參與植物多方面如離子平衡調(diào)節(jié)、抗氧化、有機(jī)酸分泌及鐵離子的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)等生長(zhǎng)代謝過(guò)程的耐鹽堿新基因被發(fā)現(xiàn)并鑒定出來(lái)[57]，為耐鹽堿作物新品種的培育提供了多種重要的基因資源。然而在植物耐鹽堿分子機(jī)制研究方面，相對(duì)于中性鹽脅迫，關(guān)于堿性鹽脅迫的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制研究的報(bào)道還比較少，尤其是堿脅迫的感知受體以及信號(hào)傳遞過(guò)程仍然未知，需要科研人員進(jìn)一步深入的探索。

此外，我國(guó)是人口大國(guó)，鹽堿地面積的不斷擴(kuò)增嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展，威脅到了我國(guó)糧食安全，但是目前對(duì)于我國(guó)重要糧食作物水稻的鹽堿耐性改良方面的研究仍較少，多數(shù)研究集中于通過(guò)增加鐵離子的吸收提高水稻的耐堿性。水稻育種專(zhuān)家主要通過(guò)傳統(tǒng)的育種方式選育出耐鹽堿的優(yōu)良品種，然而這種培育方式周期較長(zhǎng)且沒(méi)有可預(yù)見(jiàn)性，其原因在于水稻耐鹽堿品種的培育所能利用的種質(zhì)資源和基因資源匱乏。因此，水稻耐鹽堿基因的挖掘和利用尤為重要，仍需要結(jié)合現(xiàn)代測(cè)序，QTL定位等進(jìn)行更深入的探索。此外，水稻耐鹽堿的分子機(jī)制及其信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍未被清楚的認(rèn)識(shí)，且目前對(duì)耐鹽堿分子機(jī)理的研究看法多樣，植物在不同生育過(guò)程響應(yīng)鹽堿逆境的程度不同，需要重視并開(kāi)展水稻鹽堿脅迫不同階段各類(lèi)應(yīng)答基因的研究，如上游傳感器、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、蛋白激酶及離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等。因此，進(jìn)一步挖掘耐鹽堿水稻品種，鑒定新的耐鹽堿基因，通過(guò)探索多種途徑提高水稻的耐鹽堿能力將成為我們未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

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