植物耐鹽性生理與分子機制研究進展

劉云芬 彭華 王薇薇

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，嚴重的工業(yè)污染以及不良的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動方式使得土壤鹽漬化程度加重，土壤鹽漬化以及鹽堿地資源如何利用成為一個世界性問題。我國擁有大面積無法正常利用的沿海灘涂鹽堿地。研究植物耐鹽機制對提高植物耐鹽性和作物產(chǎn)量，培育耐鹽新品種以及對鹽堿地的充分利用有重要的理論意義與實踐意義。結合前人研究成果，綜述鹽脅迫對植物的危害、植物耐鹽生理及分子機制、提高植物耐鹽性的主要方法。同時筆者還針對現(xiàn)階段存在的問題進行分析，對今后植物耐鹽性方面的研究方向進行展望。

關鍵詞：鹽脅迫;植物;耐鹽機制;研究進展;生理機制;分子機制

中圖分類號： Q945.78;S184? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0030-06

收稿日期：2018-02-02

基金項目：江蘇省蘇北科技專項（編號：SZ-YC2017057）。

作者簡介：劉云芬（1989—），女，江西吉安人，博士，助理研究員，研究方向為植物抗逆性研究。E-mail：15105102053@163.com。

通信作者：郭 軍，研究員，主要從事蔬菜遺傳育種及栽培技術研究。E-mail：guojunyc@163.com。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全世界范圍內(nèi)約10億hm2的土地受到鹽堿化的危害[1]，預計到2050年全球耕地面積的50%以上將會被鹽漬化[2]。而我國的鹽漬土面積達3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，主要分布在我國的北方及沿海地區(qū)[3-4]。在江蘇沿海地區(qū)，灘涂總面積達29.5萬hm2，居各省市之首。隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)污染加重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不合理的灌溉和施肥方式等使得土壤次生鹽漬化逐漸加重，這嚴重制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，土壤鹽漬化以及鹽堿地資源如何有效利用成為一個世界性問題[5-6]。

1 鹽分對植物生長發(fā)育與生理的影響

研究表明，大部分植物在含鹽量達0.3%的土壤中會受到傷害[7]。鹽脅迫對植物的傷害主要是抑制生長，隨著鹽脅迫加劇，植物葉面積停止增加，根莖葉的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量顯著降低[8]。研究表明，鹽脅迫下黃瓜幼苗根系生長受到抑制[9]，隨著鹽濃度的增加，番茄幼苗的根干質(zhì)量逐漸降低[10]。研究表明，低濃度的鹽溶液促進種子萌發(fā)，但隨著鹽濃度的增加，發(fā)芽率和活力指數(shù)均降低，過高的鹽濃度抑制種子的萌發(fā)。趙滿興等研究發(fā)現(xiàn)，草木樨和堿茅種子的發(fā)芽率隨著鹽濃度的升高呈先上升后下降的趨勢[11]。有研究表明，鹽脅迫既可以直接抑制植物生長，也可以通過抑制光合作用減少生長物質(zhì)的合成從而間接影響植物生長，且鹽濃度越高，作用時間越長，抑制效果越明顯[12]。鹽脅迫抑制植物的生長推測可能是鹽分影響了細胞分裂和延伸，并且縮短了延伸時間[13]，同樣鹽脅迫可以縮短小麥主莖的發(fā)育及生殖結構的提早發(fā)生，縮短開花時間，加速植物的成熟[14]。

鹽脅迫使得細胞質(zhì)膜最先受到傷害，可能是植物在鹽脅迫下產(chǎn)生并積累過量的活性氧自由基，破壞了與活性氧清除系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡，從而導致膜脂過氧化，積累大量的丙二醛，使得細胞質(zhì)膜透性增大，使植物遭受傷害[15]。李曉雅等研究發(fā)現(xiàn)，高鹽濃度加快膜脂過氧化程度，增大細胞膜透性，最終導致膜系統(tǒng)受損[16]。馮利波等研究表明，鹽濃度越高，質(zhì)膜透性越大，胞內(nèi)的電解質(zhì)及其他小分子物質(zhì)大量外滲，導致相對電導率增大[17]。鹽脅迫產(chǎn)生的大量活性氧加快了膜脂的過氧化進程，促進了細胞膜的損傷，周艷等用100 mmol/L NaCl溶液處理番茄幼苗，發(fā)現(xiàn)超氧化物歧化酶（SOD）活性下降，丙二醛（MDA）含量增加，細胞質(zhì)膜遭受嚴重破壞[18]。Hsu等的研究表明，種子發(fā)芽率的提高與膜完整性的提高、核酸和蛋白質(zhì)的合成加快以及抗氧化酶活性的提高密切相關[19]。直接證據(jù)表明，細胞質(zhì)膜的破壞是由于鹽脅迫破壞了細胞膜內(nèi)外鈉離子與鈣離子的平衡[20-21]。鹽脅迫造成大量活性氧積累，導致DNA降解，同時造成膜脂過氧化，破壞膜結構，最終導致細胞死亡[22-23]。

鹽脅迫影響光合作用主要是由于葉面積減小，葉綠素含量降低，氣孔開度減小，并且在一定程度上導致光系統(tǒng)Ⅱ效率降低[24]。鹽脅迫對呼吸作用的影響結論不一。有學者認為，鹽脅迫抑制棉花、小麥等的呼吸作用，但也能輕度促進植物的呼吸[25]，這種促進或者抑制作用存在濃度效應，低鹽濃度促進菜豆的呼吸，高濃度下則抑制[26]。無論促進還是抑制作用，都是鹽脅迫影響呼吸過程中酶活性的結果。

鹽脅迫下，由于植物體內(nèi)氨基酸、蛋白質(zhì)及其他激素類物質(zhì)等發(fā)生不同程度的變化，造成植物的生理代謝發(fā)生紊亂，主要涉及的代謝過程包括氮代謝、碳水化合物代謝、蛋白質(zhì)代謝，其中氮代謝紊亂則被認為是造成植物發(fā)生鹽害的主要原因[27]。

2 植物耐鹽的生理及分子機制

2.1 滲透平衡調(diào)節(jié)機制

滲透調(diào)節(jié)是植物耐鹽必須擁有的特性之一[28]。植物中存在2種滲透調(diào)節(jié)方式，一種在細胞中吸收并積累Na+、K+、Cl-等無機離子，另一種是積累一定量的可溶性有機物質(zhì)參與滲透調(diào)節(jié)。

在鹽脅迫下，植物通過選擇性吸收或隔離胞外離子維持一個相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境[29-30]。同時在鹽生植物和非鹽生植物中均存在離子區(qū)域化作用，它能將大部分離子隔離在液泡中，使細胞免遭離子的毒害。而非鹽生植物則通過減少有害離子的吸收或?qū)⑽盏挠泻﹄x子運輸?shù)捷^老的組織器官來減輕對幼嫩組織的損傷。

植物吸收的無機離子主要有Na+、K+、Ca2+、Cl-等，細胞內(nèi)Na+/K+濃度的平衡是保證植物在鹽脅迫下進行正常生理代謝的關鍵[31-32]。研究表明，K+在調(diào)節(jié)植物體內(nèi)滲透壓和酸堿平衡上起重要作用，因此擬南芥在液泡中積累較多的K+以維持較高的酶活性來抵御鹽脅迫[33]。有學者認為Cl-在調(diào)節(jié)滲透方面作用不大，但有研究發(fā)現(xiàn)玉米在鹽脅迫初期可以通過快速吸收Cl-來增強耐鹽性[34]。Ca2+在細胞中起重要的調(diào)節(jié)作用，尤其在脅迫條件下，它能作為信號物質(zhì)參與鹽脅迫信號的響應轉(zhuǎn)導[35]，調(diào)節(jié)相關基因的表達，從而提高耐鹽性。

除離子區(qū)域化外，在長期的進化過程中，植物自身形成了各種防御機制來減輕鹽脅迫造成的傷害，包括積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，例如可溶性糖類、脯氨酸、甜菜堿等[36]，它們在脅迫中的作用主要為調(diào)節(jié)滲透勢、活性氧的解毒作用以及維持蛋白結構[37]。范惠玲等的研究表明，耐鹽生態(tài)型蕓芥在高鹽脅迫下檢測到了高濃度的可溶性糖和游離氨基酸[38]。尚娜等研究表明，番茄葉片中的可溶性糖含量隨著鹽濃度的增加而增加[39]。

2.2 抗氧化防御系統(tǒng)調(diào)節(jié)機制

在長期的進化過程中，植物自身能夠產(chǎn)生活性氧清除系統(tǒng)，包括一些抗氧化酶及抗氧化物質(zhì)，它們是反映植物抗性的重要指標。有研究表明，NaCl脅迫條件下，馬鈴薯試管苗的過氧化氫酶（CAT）和SOD活性顯著上調(diào)，在一定程度上緩解了鹽傷害[40]。鹽脅迫下外源施加谷胱甘肽（GSH），誘導番茄幼苗葉片SOD、CAT、過氧化物酶（POD）活性上調(diào)，MDA含量下降，脯氨酸和可溶性糖含量恢復到對照水平[18]。雖然植物在受到脅迫時能夠啟動自身的酶系統(tǒng)來抵御不良環(huán)境，但也僅限于一定的脅迫范圍內(nèi)，當鹽脅迫濃度過大時，酶活性下降，從而對植物造成傷害[41]。

2.3 脅迫信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)

在鹽脅迫下，胞內(nèi)Ca2+濃度急劇上升，其中Ca2+通道蛋白作為重要的鹽信號受體[42]，有研究表明，Ca2+除了能在鹽脅迫下維持植物的生長，誘導Ca2+通道阻礙Na+的吸收外，還作為一種信號分子參與鹽脅迫信號轉(zhuǎn)導[43-44]。植物在受到脅迫后，胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度升高，將脅迫信號傳到細胞內(nèi)，通過調(diào)控基因的表達產(chǎn)生相應的生理生化變化以應對鹽脅迫[45]。根據(jù)Ca2+直接或間接作為第二信使參與信號級聯(lián)作用，將信號轉(zhuǎn)導通路分為Ⅰ型或Ⅱ型，Ⅰ型主要包括超鹽敏感（SOS）途徑、鈣依賴型蛋白激酶（CDPK）級聯(lián)反應等;Ⅱ型主要為脫落酸（ABA）信號通路、磷脂信號通路等[46]。

2.3.1 SOS途徑 在高鹽環(huán)境下，植物細胞主要通過SOS途徑將Na+排出或區(qū)域化至液泡中，以此來減輕鹽害。通過對SOS基因的一系列研究鑒定，生理生化、電生理以及分子遺傳等證據(jù)表明，SOS途徑在調(diào)控細胞乃至整個植物離子穩(wěn)態(tài)上起重要作用[47]。擬南芥中調(diào)控鹽脅迫下離子穩(wěn)態(tài)的SOS信號通路如圖1所示。由圖1可知，細胞質(zhì)膜上的Na+感受器將感受到的鹽脅迫信號傳到胞內(nèi)，引起胞內(nèi)Ca2+濃度升高，SOS3感知Ca2+信號，進而激活SOS2激酶，活化后的SOS2激酶使得質(zhì)膜上Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白SOS1磷酸化，將Na+外排。因此SOS1的表達水平以及由Na+轉(zhuǎn)運蛋白高親和力鉀離子轉(zhuǎn)運蛋白（HKT1）轉(zhuǎn)運的Na+水平受到SOS2激酶的調(diào)控;SOS激酶同樣通過調(diào)控離子轉(zhuǎn)運蛋白（NHX1）來調(diào)控Na+進出液泡，ABI1通過ABA響應元件結合因子調(diào)控NHX1的表達。

2.3.2 ABA信號途徑 ABA調(diào)控鹽脅迫主要有2條路徑，一條依賴ABA，另一條則不依賴ABA[49]。在依賴ABA的路徑中，ABA將識別到的鹽脅迫信號傳遞給下游轉(zhuǎn)錄因子，包

括MYB、MYC、NAC等，這些轉(zhuǎn)錄因子與下游相關基因啟動子上的順式作用元件（MYBRS、MYCRS、NACRS）相互識別，從而調(diào)控相關基因的表達以應答鹽脅迫[50]。對于不依賴ABA的轉(zhuǎn)導途徑，植物將識別到的鹽脅迫信號進行以Ca2+和干旱應答元件為中心的信號轉(zhuǎn)導，從而誘導植物發(fā)生相應的生理生化變化以緩解鹽傷害[50]。

通過ABA和Ca2+介導的鹽脅迫信號途徑推測如圖2所示。鹽脅迫誘導ABA積累，激活C-重復結合因子（CBFs）的表達，又通過C-重復/脫水響應（DRE/CRT）順式元件反饋調(diào)節(jié)晚期胚胎豐富蛋白/冷響應（LEA/COR）基因表達;鹽脅迫激活鈣離子通道，此信號通道受CDPK正調(diào)控，ABI1/ABI2、CaMs、鈣調(diào)素蛋白激酶（SCaBP5-PKS3）負調(diào)控，調(diào)控位于下游的MYC/MYB、bZip等轉(zhuǎn)錄因子，繼而調(diào)控下游目標基因的表達，誘導植物產(chǎn)生抗性。

2.3.3 CDPK級聯(lián)反應 通常認為，鹽脅迫下CDPK主要通過參與調(diào)節(jié)氣孔開閉、離子通道相關基因的表達來調(diào)節(jié)植物對鹽脅迫的耐受性。目前已經(jīng)從很多種植物中鑒定出了CDPK基因，它能解碼和翻譯鈣濃度升高信號，從而提高蛋白激酶活性并調(diào)控下游信號元件[51]。研究表明，擬南芥質(zhì)膜上的CDPK6過量表達，能夠激活脅迫響應相關基因的表達從而增強植株的耐鹽性[52]。CDPK還能通過誘導活性氧（ROS）清除基因的表達、抑制還原性輔酶（NADPH）氧化酶的表達來調(diào)節(jié)活性氧的平衡，從而在抗氧化脅迫響應中起作用，提高植物的耐鹽性[53]。

2.3.4 磷脂信號通路 鹽脅迫下，細胞膜不僅能將脅迫信號由胞外傳遞至胞內(nèi)，其本身也能作為前體參與第二信使的合成而參與磷脂信號通路，這些第二信使主要由磷脂酶C（PLC）和磷脂酶D（PLD）催化產(chǎn)生。PLC能催化形成第二信使IP3，觸發(fā)Ca2+的釋放，這些Ca2+信號被感受器感知后參與ABA調(diào)節(jié)氣孔運動、鹽脅迫相關基因的表達[54]。而PLD則參與響應鹽脅迫的蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導。研究表明，鹽脅迫下，PLDα1被激活產(chǎn)生的PA與鹽信號靶蛋白MAPK6結合，使其活性增加，促使SOS1磷酸化，增加Na+外排，提高植物耐鹽性[55]。

3 主要耐鹽相關基因研究

3.1 滲透調(diào)節(jié)相關基因

在高滲透脅迫環(huán)境下，起重要作用的滲透感知通路是高滲透性甘油促分裂原活化蛋白激酶通路，它可以激活一系列應答反應，其中起重要作用的是跨膜組氨酸激酶SLN1[56]。此后在擬南芥上克隆出了一個組氨酸激酶基因HK1，比對發(fā)現(xiàn)，其編碼的蛋白在結構上與酵母的SLN1具有較高的同源性[57]，推測HK1具有感知滲透脅迫功能。絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）是最重要的也是分離最多的蛋白激酶，參與了鹽脅迫信號轉(zhuǎn)導途徑，接收外界脅迫信號并傳入胞內(nèi)，影響胞內(nèi)鹽響應蛋白的表達，從而提高耐鹽性[58]。在擬南芥中過量表達CaMAPK9，能顯著提高鹽脅迫下的發(fā)芽率，根系長度也明顯長于對照[59]。

脯氨酸、甜菜堿、多元醇等在鹽脅迫下會大量積累，因此，編碼這幾種物質(zhì)的基因成為重要的耐鹽相關基因，如脯氨酸合成中的關鍵限速酶P5CS，以及甜菜堿合成過程中的關鍵基因BADH、CMO、mtlD和gutD。將菜豆P5CS1和P5CS2轉(zhuǎn)入擬南芥中，鹽脅迫下，這2個基因的表達都強于野生型擬南芥，脯氨酸含量顯著高于對照，增強了耐鹽性[60]。將BADH基因轉(zhuǎn)入紫花苜蓿中，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下野生型植株不能正常生長，而轉(zhuǎn)基因植株的相對電導率和MDA含量較低，POD和SOD活性則高于野生型，表明轉(zhuǎn)外源BADH基因能增強苜蓿的耐鹽性[61]。

3.2 通道蛋白相關基因

高鹽濃度可以促使植物產(chǎn)生2類大分子蛋白，第1類為親水性蛋白，如水通道蛋白（AQP）和胚胎后期發(fā)生富集蛋白（LEA）。水通道蛋白在植物水分轉(zhuǎn)移過程中起重要作用，在逆境脅迫中參與液泡融合以及活性氧的信號傳導等[62]。將番茄中克隆到的水通道蛋白SIMIP基因轉(zhuǎn)入擬南芥中，鹽脅迫下，轉(zhuǎn)基因擬南芥植株生長受抑制程度要低于野生型，同時轉(zhuǎn)基因擬南芥能夠通過加大根尖分生區(qū)Na+的外流和H+、K+的內(nèi)流，更有效地調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外離子交換能力，這表明轉(zhuǎn)基因擬南芥具有更強的滲透調(diào)節(jié)能力[63]。胚胎后期發(fā)生富集蛋白在種子胚胎發(fā)育后期表達豐富，且在鹽脅迫等逆境下mRNA也大量積累。Park等將甘藍型油菜中的Me-leaN4基因?qū)氲缴酥校l(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株有較強的抗鹽性，在 100 mmol/L 鹽溶液中，轉(zhuǎn)基因植株的平均根長和鮮質(zhì)量均較野生型有明顯提高[64]。第2類為熱激蛋白。熱激蛋白最早被認為是在熱脅迫后受到誘導，通過深入的研究發(fā)現(xiàn)它具有分子伴侶功能，受多種生物脅迫誘導[65-66]。用 300 mmol/L NaCl溶液處理胡蘿卜，葉片中小分子Hsp17.7蛋白顯著增加，原核表達分析，轉(zhuǎn)入Hsp17.7蛋白的大腸桿菌在鹽環(huán)境中表現(xiàn)更高的存活率，蛋白表達也較強，這些結果表明，Hsp17.7 不僅參與耐熱性，也參與耐鹽性，且在鹽脅迫中表現(xiàn)出分子伴侶的作用[67]。

3.2.1 鹽過度敏感基因 通過篩選SOS突變體，發(fā)現(xiàn)了SOS1～SOS5[68]。Liu等的研究表明，增強SOS1的表達能在鹽脅迫下維持胞內(nèi)較低濃度的Na+[69]，將互花米草SOS1轉(zhuǎn)入水稻中，發(fā)現(xiàn)增強了日本晴水稻的耐鹽性[70]。SOS4可以催化吡哆醛-5-磷酸的生物合成，而SOS4對鹽的超敏性由控制吡哆醛激酶的基因突變所致[71];在擬南芥中新克隆出的SOS6，其編碼一個纖維素合成類似蛋白[72]，鹽脅迫下SOS6引起活性氧的迅速積累，造成氧化脅迫[73]。

3.2.2 離子轉(zhuǎn)運蛋白 在鹽環(huán)境中，植物能將Na+從胞質(zhì)內(nèi)排到液泡中，減少Na+的毒害，這一過程依賴NHX完成。到目前為止，已在許多植物中克隆出了NHX基因，如大豆GmNHX1[74]、小麥TaNHX1-2[75-76]。有報道稱，超表達AtNHX的擬南芥具有耐鹽性[77]，此后將綠豆VrNHX1異源導入擬南芥，顯著提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐鹽性[78]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，超表達AtNHX1促進鹽脅迫下番茄細胞中K+從地下部向地上部運輸，使得液泡中K+含量升高，提高了K+/Na+，減輕了Na+毒害[79]。

3.2.3 高親和K+轉(zhuǎn)運蛋白 HKT被證實與植物耐鹽性密切相關，主要分為2種類型：一種特異運輸Na+和介導Na+吸收[80]，另一種是作為Na+/K+協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白[81]。研究表明，水稻HKT1、HKT2受鹽脅迫誘導表達，通過調(diào)節(jié)K+和Na+比例來降低Na+的濃度[82];最近的研究表明，沿海生態(tài)型擬南芥Tsu-1 HKT1在莖中表達水平較高，從而減少了Na+向生殖器官的運輸，降低了Na+對生殖器官的毒害，使植株具有更強的適應鹽環(huán)境能力[83]。

3.3 抗氧化相關基因

鹽脅迫的主要危害之一就是由于膜脂過氧化導致的細胞膜透性增大，而SOD、POD、CAT、GSH等是植物體內(nèi)重要的抗氧化保護物質(zhì)，能抑制清除活性氧。將NtGST/GPX于煙草中過量表達，其耐鹽性得到增強[84]。

4 提高植物耐鹽性的途徑

迄今為止，國內(nèi)外研究報道了許多提高植物耐鹽性的途徑，主要有耐鹽鍛煉、生物化學物質(zhì)誘導耐鹽性以及培育耐鹽品種等。

4.1 耐鹽鍛煉

植物在不同的生長發(fā)育時期對鹽的抵抗力不同。在對植物進行耐鹽鍛煉時，以低濃度鹽（0.1% NaCl）處理水稻幼苗，可提高水稻的耐鹽性，降低0.3% NaCl對其生長的抑制[85]。

4.2 生物化學物質(zhì)誘導耐鹽性

用化學試劑處理種子或者植株，是常用的提高植物耐鹽性的途徑。研究表明，γ-氨基丁酸[86]、亞精胺[87]浸種后均能提高番茄種子鹽脅迫下的萌發(fā)，提高番茄幼苗的生長，從而緩解鹽脅迫傷害。海藻糖是一種新型的糖類，研究表明，在鹽堿條件下，海藻糖能有效提高植物的抗性，緩解番茄幼苗的鹽傷害，提高番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)[88]。外源NO能夠明顯促進鹽脅迫下大豆幼苗生長，緩解鹽脅迫對大豆幼苗生長的抑制[89]。

4.3 培育耐鹽品種

隨著生物技術的不斷進步，生物學研究的不斷深入，植物組學研究的不斷發(fā)展，耐鹽品種的培育已經(jīng)從普通的生理生化深入到分子水平。研究者已經(jīng)可以通過構建耐鹽基因載體、修飾植物內(nèi)部基因等方法進一步改良植株。在蔬菜上，將耐鹽植物紅樹的DNA導入辣椒、豇豆、茄子等都獲得了耐鹽性較強的轉(zhuǎn)化后代[90]。

4.4 其他途徑

嫁接是提高果菜類蔬菜對非生物脅迫抗性的重要手段。最近的研究報道闡述了嫁接黃瓜耐鹽性提高的機制，主要是南瓜砧木通過根源過氧化氫信號增強了根系Na+的外排能力，并促進鹽脅迫早期葉片氣孔關閉來適應鹽脅迫[91]。

5 展望