甜菜耐鹽性形態(tài)學(xué)及生理生化特征研究進(jìn)展

耿貴 ，呂春華 ，於麗華 ，楊瑞瑞 ，王宇光

（1.黑龍江大學(xué)農(nóng)作物研究院，哈爾濱150080；2.黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150080）

0 引言

土壤鹽漬化是世界上干旱和半干旱地區(qū)最普遍的農(nóng)業(yè)及環(huán)境問題之一。截至目前為止，全世界共有15億公頃耕地，約7 700萬公頃（5%）的土地受到過量鹽含量的影響[1]。在中國，鹽漬土的面積約為3 400萬公頃，占中國陸地面積的3.6%，相當(dāng)于總耕地面積的三分之一[2]。甜菜（Beta vulgaris L.）屬藜科，為二年生草本植物，是最重要的耐鹽經(jīng)濟(jì)作物之一，供應(yīng)世界上約35%的糖[3]，廣泛種植于中國北部的干旱和半干旱地區(qū)。灌溉是保持甜菜高產(chǎn)的重要方法，但持續(xù)灌溉會導(dǎo)致土壤鹽堿化[4]。雖然甜菜是耐鹽性較強(qiáng)的作物，但在嚴(yán)重鹽堿環(huán)境中對其產(chǎn)質(zhì)量影響較大[5]。多年來，國內(nèi)外許多研究者對甜菜耐鹽機(jī)制開展了大量工作，筆者從前人研究較為集中的形態(tài)學(xué)和生理生化方面總結(jié)了甜菜耐鹽的生理和代謝反應(yīng)機(jī)制的研究進(jìn)展，旨在為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供資料。

1 鹽脅迫對甜菜形態(tài)學(xué)特征的影響

1.1 鹽脅迫對甜菜種子萌發(fā)的影響

鹽脅迫條件下，植物的外界溶液滲透壓比體內(nèi)高，使種子不能正常吸水，因此種子在鹽漬環(huán)境中能否正常萌發(fā)是植物生長的一大難題。鹽的組成、品種和鹽度對種子萌發(fā)和根系長度均有顯著影響[6]。低濃度的鹽處理能夠促進(jìn)甜菜種子的萌發(fā)，可提高甜菜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率[7]；甜菜種子初始萌發(fā)率和累計(jì)萌發(fā)率隨著鹽濃度的增加均呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)鹽濃度過高時(shí)，種子萌發(fā)受到完全抑制，不能萌發(fā)[8-10]。在同一鹽脅迫條件下，不同品種（品系）甜菜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢上存在一定的差異[10]。劉洋[11]和Jafarzadeh[12]在不同甜菜品種的耐鹽性方面也得到相似的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Kandil等研究與耿貴等的結(jié)果一致，另外他們和Jamil均實(shí)驗(yàn)得出在鹽脅迫條件下用適量濃度赤霉素GA3浸泡甜菜種子能有效提高種子的發(fā)芽率[13-14]。Jafarzadeh等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單獨(dú)NaCl對種子萌發(fā)和幼苗根系長度的影響要高于混合鹽（NaCl、MgSO4、Na2SO4、CaCl2）處理的影響，即在天然鹽成分的田間條件下甜菜受到鹽脅迫影響較小[6]。

1.2 鹽脅迫對甜菜幼苗生長的影響

鹽脅迫條件下，鹽分在土壤中的過度積累，使土壤水勢降低，從而阻礙植物根系吸收水分，造成植物的生理干旱，葉片和根細(xì)胞會合成大量抗逆相關(guān)基因和蛋白來增強(qiáng)抵御鹽脅迫的能力[15]。并從形態(tài)上來適應(yīng)環(huán)境脅迫，包括增強(qiáng)葉片多汁性和葉片大小，減少葉片和氣孔的數(shù)量，葉片角質(zhì)層增厚、退化[16]。甜菜的葉片厚度和鹽濃度之間呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著鹽濃度增加，葉片厚度也隨之增加[17]。鹽脅迫下甜菜幼苗的相對生長量與種子相對發(fā)芽率是正相關(guān)的[10]。低鹽濃度處理對甜菜葉面積和干物質(zhì)量的影響不明顯，在高鹽度處理下顯著抑制甜菜葉面積和干物質(zhì)量的生長[18]。隨著鹽處理濃度的增加，甜菜幼苗的株高、葉面積、生物量、相對含水量、水勢、肉質(zhì)化均呈現(xiàn)先升高后降低趨勢[19-21]，甜菜的地上、地下部分也呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢[22]，Dadkhah等報(bào)道甜菜根生長對鹽度的敏感性高于芽生長和葉生長[23]。用NaCl和KCl分別脅迫甜菜幼苗，甜菜幼苗的生物量、葉面積及葉綠素含量抑制作用隨脅迫濃度的升高不斷加重，而且KCl的脅迫比NaCl脅迫更為嚴(yán)重[24]。

1.3 鹽脅迫下甜菜不同生長時(shí)期耐鹽性的差異

植物在不同的生長時(shí)期耐鹽能力有所不同，一般來說，耐鹽性最差的階段是萌發(fā)期和幼苗期，其次是生殖期。甜菜種子發(fā)芽期間鹽濃度越高，種子發(fā)芽率降低越明顯；低濃度鹽處理甜菜的出芽高峰推遲了5 d，而高濃度鹽處理未出現(xiàn)明顯的出芽高峰；在子葉期進(jìn)行鹽脅迫時(shí)，甜菜總生物量明顯降低，各器官中根系受到影響最大，葉柄次之，葉片受到影響最??；在3對真葉期進(jìn)行鹽脅迫，甜菜幼苗的干物質(zhì)積累量增多，耐鹽性較強(qiáng)[25]。葉片不同葉位的含水量對不同時(shí)期進(jìn)行鹽脅迫的反應(yīng)也不同，子葉期脅迫時(shí)第一對真葉含水量高于第二對真葉的，而三對真葉期脅迫的不同葉位含水量的差異不明顯。對于鹽脅迫下葉片的相對含水量及水勢，同一處理不同葉位沒有明顯差異[26]。

2 鹽脅迫對甜菜生理生化特征的影響

鹽脅迫對甜菜植株在生理生化水平上的影響首先表現(xiàn)在離子積累與分布以及滲透脅迫等方面的原初傷害，其次導(dǎo)致氧化脅迫等次生傷害，導(dǎo)致植株光合作用下降，細(xì)胞產(chǎn)生活性氧造成脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致植株生理代謝失衡，最終死亡。因此，植物在長期的進(jìn)化過程中形成了一系列的物質(zhì)來減少滲透脅迫對自身的傷害，例如滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性系統(tǒng)等。

2.1 鹽脅迫下鹽分離子積累與分布

甜菜受到鹽脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的Na+、Cl-、K+、NO3-等離子平衡受到破壞導(dǎo)致離子毒害。高濃度Na+可置換質(zhì)膜和細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)所結(jié)合的Ca2+，膜所結(jié)合離子中Na+/Ca2+增加，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)受到損傷[26]。鹽脅迫條件下，甜菜植株的Na+和Cl-含量均顯著增加，K+含量下降[27-28]。其中葉柄組織中的Na+和Cl-的含量明顯高于根或葉中的，在不同器官中Na+和Cl-的增加趨勢有所不同，Na+濃度增加時(shí)，甜菜根系所吸收的Na+正常地向葉柄和葉片運(yùn)輸，而Cl-在低鹽濃度下主要集中在葉柄，高鹽濃度下主要集中在葉片；鹽離子在鹽脅迫下會首先積聚在甜菜老葉中，在不同葉位葉片中Na+和Cl-變化趨勢也有不同；甜菜葉片質(zhì)外體和原生質(zhì)體中Na+的濃度均隨鹽濃度升高而升高[2，29-30]。植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可將Na+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外或者將其區(qū)域化于液泡中來抵御環(huán)境中過高的Na+，從而維持細(xì)胞內(nèi)正常的Na+水平[31]?？傊谀婢硹l件下甜菜植株能夠通過將對自身傷害大的Na+、有害離子聚集在老葉等不同的離子分配方式，盡量減少鹽離子對植株的傷害。

2.2 鹽脅迫對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

鹽脅迫下，植物細(xì)胞會通過兩種方式進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)：1）吸收和積累對植物無害的離子，使植物體內(nèi)外滲透壓平衡防止植物失水；2）合成并積累小分子物質(zhì)維持滲透壓平衡保證植物可吸收充足的水分，這些小分子物質(zhì)即滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，包括脯氨酸、游離氨基酸、可溶性糖、可溶性蛋白和甜菜堿、多胺及有機(jī)酸等物質(zhì)[32]。

脯氨酸在生物合成、降解、運(yùn)輸以及維持細(xì)胞的滲透平衡、調(diào)節(jié)植物抗脅迫能力方面起著至關(guān)重要的作用[33]?？扇苄蕴欠e累降低滲透勢是鹽脅迫中常見的生理反應(yīng)，主要有葡萄糖、蔗糖、海藻糖等，不僅參與細(xì)胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，也含有參與調(diào)控與耐鹽防御機(jī)制相關(guān)的基因[34]。在鹽脅迫下，甜菜幼苗葉片中的脯氨酸、可溶性糖和甜菜堿含量均隨鹽脅迫濃度的升高呈先上升后下降的趨勢[35-38]，相比之下，甜菜根部的脯氨酸和可溶性糖含量均顯著下降[39]。甜菜堿生物合成途徑中的最后一個(gè)酶是甜菜堿醛脫氫酶（BADH），隨鹽脅迫濃度的增加BADH活性增加，翻譯BADH的mRNA水平也隨之增加[40-41]。將擬南芥AtNHX3基因?qū)胩鸩酥仓?，鹽脅迫下根中積累較多的可溶性糖，增強(qiáng)甜菜對高鹽度的抗性，在提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量方面有很大的應(yīng)用潛力[3]。鹽處理不影響琥珀酸和丙酮酸的含量，而檸檬酸、蘋果酸和富馬酸的含量隨鹽度的增加呈上升趨勢[2]。鹽堿脅迫使甜菜葉片的硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）以及過氧化物酶（POD）活性和硝酸鹽均下降，且隨著鹽堿脅迫程度的增強(qiáng)，下降幅度增大[42-43]。鹽脅迫下，與僅受輕度影響的天冬氨酸和谷氨酸相比，酸性酰胺和堿性氨基酸含量急劇增加；除絲氨酸外，大多數(shù)游離氨基酸水平均有所提高[44]。因此，在逆境條件下甜菜植株能夠通過提高脯氨酸、可溶性糖、甜菜堿和有機(jī)酸、氨基酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量維持滲透壓平衡，減少對細(xì)胞的傷害。

2.3 鹽脅迫對離子選擇性吸收的影響

鹽脅迫會對植物產(chǎn)生一系列不良影響，除了通過降低土壤水勢限制植物吸水量從而增加滲透脅迫外，鹽分還會導(dǎo)致離子特別是Na+和Cl-的過量攝取，使?fàn)I養(yǎng)失衡，并最終干擾各種代謝過程[45]。K+是高等植物必需的重要元素和最豐富的陽離子，而高濃度的Na+對大多數(shù)植物有毒害作用，一般認(rèn)為，K+能抵消Na+的脅迫，而Na+反過來又能在一定程度上緩解K+的缺乏，因此植物要在鹽堿環(huán)境中正常存活，需要保持較高的K+/Na+比；在鹽脅迫條件下，甜菜葉片的Na+含量逐漸增加，K+流出量降低，導(dǎo)致K+/Na+比值降低[46]。有研究報(bào)道，在相同滲透濃度下，Cl-對植物的傷害不及Na+的一半，而NaCl的傷害與Na+的傷害差別不大，由此說明了NaCl起決定性傷害作用的是Na+[47]。植物中Cl-是調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)中酶活性的必需微量營養(yǎng)素，是光合作用中必不可少的輔助因子[48]，過量的Cl-可與NO3-競爭，從而降低NO3-的吸收效率[49]。鹽脅迫時(shí)無機(jī)離子含量在甜菜體內(nèi)從根到莖再到葉呈現(xiàn)增加趨勢，Na+濃度隨 NaCl含量的增加而增加，總陽離子（Na+、Ca2+、K+、Mg2+）含量隨鹽處理濃度的增加而增加，而Ca2+、K+、Mg2+含量隨鹽處理濃度增加而降低[50]。隨著鹽濃度的增加，甜菜根、莖、葉中N、K含量顯著降低[2]，幼苗體內(nèi)Mg、Mn和Fe元素含量明顯下降，而Ca、Zn、Cu元素含量波動(dòng)不明顯[38]，同時(shí)抑制甜菜吸收NO3-、K、Ca和Mg愈顯著，促進(jìn)甜菜吸收P、Cl-與NO3-不存在競爭吸收現(xiàn)象[51]。因此，鹽脅迫條件下，甜菜植株可以通過排除對自身有害的離子、吸收對自身有益的離子等方式實(shí)現(xiàn)自身的耐鹽機(jī)制。

2.4 鹽脅迫對光合作用的影響

光合作用是植物生長過程中最基本的生命活動(dòng)，鹽脅迫條件下光合作用及相關(guān)指標(biāo)會受到影響。葉綠素在植物光合作用過程中起著重要作用，葉綠素含量不僅反映了植物光合作用的能力，而且也是植物耐鹽性評價(jià)的重要生理指標(biāo)。鹽脅迫可能破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，降低植物中葉綠素的含量，還可能導(dǎo)致氣孔關(guān)閉以緩解生理干旱，影響植物的蒸騰和呼吸，導(dǎo)致光合能力減弱[52-53]。鹽脅迫下1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBP）的活性和含量降低，導(dǎo)致酶的羧化效率下降，使植物固定CO2的能力減弱[2，31]。鹽脅迫下甜菜單位葉面積光合速率、葉綠素a、葉綠素b和葉綠素（a+b）含量降低，氣孔導(dǎo)度（Gs）和細(xì)胞間二氧化碳濃度（Ci）以及葉片磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性、蘋果酸脫氫酶（MDH）活性先升高后降低[2，54-56]。鹽度對甜菜碳素積累能力的影響主要是通過減少光合表面的面積來實(shí)現(xiàn)的[57]。低濃度鹽處理下甜菜的光能利用能力、凈光合速率（Pn）、光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）和光飽和點(diǎn)（LSP）增加，但是高濃度鹽處理下顯著下降[22]?？傊?，甜菜植株的耐鹽能力與其光合作用相關(guān)指標(biāo)緊密相連，鹽脅迫條件下，甜菜植株通過改變?nèi)~綠素含量、RuBP活性、Gs、Ci、PEPC活性、MDH活性等光合作用相關(guān)指標(biāo)穩(wěn)定光合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自身的耐鹽能力。

2.5 鹽脅迫對抗氧化酶活性的影響

正常情況下，植物體內(nèi)的活性氧與抗氧化酶系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但是在鹽脅迫條件下，由于滲透壓增大使植物體內(nèi)的代謝活動(dòng)失衡產(chǎn)生活性氧，引起膜的脂質(zhì)過氧化或誘導(dǎo)氧化應(yīng)激[58]。隨鹽濃度的增加甜菜幼苗葉片與根的質(zhì)膜透性、丙二醛（MDA）含量以及電導(dǎo)率均呈上升趨勢，說明鹽脅迫對甜菜植株傷害程度不斷加大[36]。植物在長期進(jìn)化過程中形成了減輕氧自由基（ROS）傷害的抗氧化酶活性系統(tǒng)，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、非特異性過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）等[59-60]。甜菜抗氧化基因啟動(dòng)子中的順式成分參與調(diào)節(jié)氧化還原ROS，是甜菜耐鹽性的基礎(chǔ)[61]。H2O2是一種有毒物質(zhì)，是SOD活性的副產(chǎn)品，可以防止細(xì)胞損傷，H2O2又可被CAT和POD分解成水，從而防止活性氧自由基對植物的毒害[62-63]。隨著鹽脅迫程度的增加以及鹽脅迫時(shí)間的延長，甜菜幼苗葉片的SOD和POD活性均呈先升高后下降的趨勢[11，64]。不同鹽濃度脅迫下葉用甜菜的抗逆性表現(xiàn)不同，0.5%鹽濃度下，葉用甜菜表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽性，而在0.7%的鹽濃度下，葉用甜菜的抗性開始降低[65]。在低鹽處理下甜菜SOD活性比高鹽處理下活性高，而在高鹽處理下APX活性比低鹽處理下的活性高，表明低鹽處理下清除活性氧的主要酶是SOD，在高鹽處理下清除活性氧的主要酶是APX[22]。因此，在逆境條件下甜菜植株能夠通過提高細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶活性保護(hù)質(zhì)膜穩(wěn)定，減少脂質(zhì)過氧化對細(xì)胞的傷害程度。

2.6 鹽脅迫對植物激素調(diào)節(jié)的影響

植物激素是在其細(xì)胞接受特定環(huán)境信號誘導(dǎo)產(chǎn)生的，低濃度時(shí)可調(diào)節(jié)植物生理反應(yīng)的植物激素活性物質(zhì)，它們在植物生長發(fā)育分化中起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用[66]。植物的耐鹽性與其體內(nèi)植物激素含量有一定關(guān)系，吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA3）均能夠促進(jìn)植物幼苗的干物質(zhì)產(chǎn)量和光合作用，提高植物的耐鹽性[67]。而脫落酸（ABA）含量的升高能夠使氣孔關(guān)閉，從而降低蒸騰速率，減少植物體內(nèi)水分流失，是植物應(yīng)對脅迫環(huán)境的一種策略[68]。鹽度會擾亂植物激素平衡，在鹽脅迫下，甜菜幼苗葉片中IAA和GA3含量均隨鹽脅迫濃度的升高而顯著降低；ABA含量升高，IAA/ABA和GA3/ABA比值呈先降低后升高趨勢[2，69]，甜菜幼苗葉片中玉米素核苷（ZR）、油菜素內(nèi)酯（BR）含量均呈現(xiàn)下降趨勢，ZR/ABA和BR/ABA在高濃度的鹽脅迫條件下呈現(xiàn)下降趨勢[38]?？傊?，針對甜菜植株在鹽脅迫條件下的植物激素水平變化的報(bào)道較少，可能是由于植物激素受到鹽脅迫后的變化是通過其他方式間接影響的。

綜上所述，鹽脅迫對甜菜生理生化特征的影響主要包括對離子積累與分布、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、離子選擇性吸收、光合作用、抗氧化酶活性、植物激素的影響，綜合見圖2。

圖2 鹽脅迫對甜菜生理生化的影響Fig.2 Effects of salt stress on physiology and biochemistry of sugar beet

3 展望

隨著鹽漬化土地面積的增加，培育耐鹽性甜菜品種對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越急迫。雖然國內(nèi)外已從多方面對甜菜耐鹽性進(jìn)行研究，但甜菜耐鹽性是綜合作用的結(jié)果，其機(jī)制十分復(fù)雜，許多重要問題仍需要進(jìn)一步探索。目前，對甜菜的耐鹽性研究多為氯化鈉脅迫下的研究，但是鹽漬化土壤中其他主要成分像碳酸鈉、碳酸氫鈉類鹽的研究較少，應(yīng)結(jié)合土壤環(huán)境和生態(tài)環(huán)境綜合進(jìn)行研究。另外雖然甜菜是耐鹽性較強(qiáng)的植物，但是自身耐鹽能力有限，如果要大幅度增強(qiáng)甜菜耐鹽水平，需要利用分子生物學(xué)技術(shù)和基因組學(xué)等技術(shù)引進(jìn)其他物種的耐鹽基因，這將是甜菜耐鹽育種的重要研究方向。