海濱耐鹽植物耐鹽性及其形態(tài)和生理適應(yīng)性研究進(jìn)展

王宏信, 駱 娟, 李向林

(三亞學(xué)院, 三亞 572000)

海濱耐鹽植物主要分布于海岸線的潮間帶和潮上帶區(qū)域，既是海濱生境中的優(yōu)勢(shì)植物，更是濱海生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的一部分[1]。耐鹽植物(Halo-tolerant plant)，泛指具有較強(qiáng)耐鹽能力的植物，而海草(Seagrass)、紅樹林植物(Mangrove plants)、鹽沼植物(Slat marsh plants)則是嚴(yán)格意義上的海濱耐鹽植物。研究已表明，鹽脅迫影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育、光合作用、蛋白質(zhì)合成、能量和脂質(zhì)代謝等。海濱耐鹽植物通過形態(tài)的調(diào)整適應(yīng)可塑性，從而確保鹽脅迫條件下必要的生理功能和一定的生存適合性。本文著重闡述了有關(guān)海濱耐鹽植物耐鹽性的研究?jī)?nèi)容，總結(jié)了海濱耐鹽植物在鹽脅迫條件下的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理等方面的適應(yīng)性，耐鹽性的分子機(jī)制和與叢植菌根的共生機(jī)理，及其耐鹽性評(píng)價(jià)策略等。探究海濱耐鹽植物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)機(jī)制，有助于進(jìn)一步理解鹽脅迫環(huán)境下海濱耐鹽植物種群的建立和發(fā)展過程中的環(huán)境制約因素，為海岸生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和恢復(fù)提供參考依據(jù)。

1 海濱耐鹽植物耐鹽性研究

1.1 海濱耐鹽植物的種類

受海濱極端環(huán)境的影響，海濱耐鹽植物種類相對(duì)匱乏，種群比較單一，優(yōu)勢(shì)種明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有耐鹽植物1500多種，陳興龍等[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)中國(guó)濱海耐鹽植物大約有517種，共115科，359屬。其中數(shù)量較多的3個(gè)科分別是禾本科(Poaceae)、藜(Chenopodiaceae)和菊科(Asteraceae)。

表1 與海濱耐鹽植物耐鹽性相關(guān)的植物特征

1.2 耐鹽性的研究?jī)?nèi)容

目前，對(duì)海濱耐鹽植物的耐鹽性研究主要集中于以下幾個(gè)方面(見表1)：1)葉片、莖、根系形態(tài)適應(yīng)性特征[3-7]。2)生理適應(yīng)特征。光合生理特征[8]；植物體內(nèi)離子轉(zhuǎn)運(yùn)與均衡[9]；植物滲透調(diào)節(jié)和抗氧化酶系統(tǒng)[10]。3)耐鹽性與植物個(gè)體發(fā)育[11]。4)鹽脅迫的分子機(jī)制[12-13]。5)叢植菌根(AMF)與海濱耐鹽植物耐鹽性[14]。6)耐鹽性的等級(jí)評(píng)估[15]等方面。

2 海濱耐鹽植物的表型與生理可塑性

2.1 耐鹽性與表型可塑性

海濱耐鹽植物在鹽脅迫下，其葉片光合作用、生產(chǎn)代謝功能、體內(nèi)蛋白質(zhì)合成、水分代謝及離子吸收等植物生理生化過程都將受到影響。每一種植物都會(huì)進(jìn)化出與環(huán)境相適應(yīng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。鹽脅迫下，海濱耐鹽植物各營(yíng)養(yǎng)器官形態(tài)呈現(xiàn)出廣泛的可塑性。

2.1.1 生物量分配格局

生物量分配格局是植物適應(yīng)不利生境的重要途徑。Li等[16]研究發(fā)現(xiàn)陸生型蘆葦(Phragmitesaustrilis)通過調(diào)整葉片與根中的干物質(zhì)量，降低自身生長(zhǎng)速度，來適應(yīng)高鹽的環(huán)境。Basyuni等[11]研究發(fā)現(xiàn)，低鹽分顯著增加了紅樹(Rhizophoraapiculata)根系數(shù)量及其長(zhǎng)度，但是隨著鹽分濃度增加，這種趨勢(shì)下降。這些結(jié)果表明，不同耐鹽植物在鹽脅迫下通過改變生物量的分配模式來適應(yīng)生境。

2.1.2 根、莖、葉外部形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)

海濱耐鹽植物的根、莖、葉外部形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)在鹽脅迫條件下，需要發(fā)生一些變化以適應(yīng)脅迫。劉瑩[5]研究表明，蘆葦(Phragmitesaustralis)和扁稈荊三棱(Bolboschoenusplaniculmis)主要通過調(diào)節(jié)葉片形態(tài)性狀和整體性狀來適應(yīng)鹽堿含量的變化。李群等[17]研究發(fā)現(xiàn)，為適應(yīng)水鹽雙重脅迫的生境, 蘆葦植株形成小且厚的葉片，降低比葉面積(SLA), 確保植物自身碳和水分的動(dòng)態(tài)平衡。黃相玲等[18]對(duì)小葉欖仁(Terminalianeotaliala)研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的鹽脅迫會(huì)使2年實(shí)生的小葉欖仁葉面積變小，地徑變細(xì)。郭建榮等[19]研究了鹽地堿蓬(Suaedasalsa)發(fā)現(xiàn)，它能通過增加植物根系總長(zhǎng)度、總吸收面積和根總體積來適應(yīng)鹽脅迫。Mari等[20]通過對(duì)馬齒莧(Sesuviumportulacastrum)葉片解剖發(fā)現(xiàn)，最初到達(dá)葉片的鹽可能積累在葉肉細(xì)胞的大液泡中，而當(dāng)鹽分積累超過液泡貯藏能力48 h時(shí)，鹽分被輸出到質(zhì)外體。Krishnamurthy等研究[21]發(fā)現(xiàn)非泌鹽植物柱果木欖(Bruguieracylindrica)在自然生長(zhǎng)條件下，根尖10 mm處可看到雙層內(nèi)皮層細(xì)胞，這與泌鹽植物海欖雌(Avicenniamarina)根系的疏水屏障的單層細(xì)胞結(jié)構(gòu)是不同的。這樣的結(jié)構(gòu)差異被認(rèn)為是植物適應(yīng)性進(jìn)化的結(jié)果。

2.2 耐鹽性與生理可塑性

2.2.1 葉片的生理特征

在高鹽脅迫條件下，植物體葉綠體、線粒體結(jié)構(gòu)受損，從而導(dǎo)致光合作用相關(guān)的酶類失活或者變性，同化產(chǎn)物減少。任媛媛等[22]研究表明，在受到不同濃度NaCl脅迫后，刺槐(Robiniapseudoacacia)最大熒光Fm值在不同濃度脅迫之間存在顯著差異，隨著NaCl濃度的增加，刺槐的光能轉(zhuǎn)化效率值、非循環(huán)光和電子傳遞速率以及光化學(xué)猝滅系數(shù)值逐漸降低，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)值顯著增加。Shen等[23]研究表明高鹽處理不僅可以誘導(dǎo)海欖雌(Avicenniamarina)氣孔限制，而且可以誘導(dǎo)非氣孔限制光合作用，并導(dǎo)致與光合有關(guān)的蛋白質(zhì)豐度下降。由此看出，海濱耐鹽植物光合能力的降低因植物的種類、生育時(shí)期、環(huán)境因子等的不同而有所差異。

2.2.2 離子轉(zhuǎn)運(yùn)與均衡

在鹽脅迫環(huán)境下，鹽分離子與其他的礦質(zhì)元素競(jìng)爭(zhēng)，打破了植物體內(nèi)的離子穩(wěn)態(tài)，從而嚴(yán)重阻礙了植物的正常生長(zhǎng)。李廣魯?shù)萚24]對(duì)冰葉日中花(Mesembryanthemumcrystallinum)的研究表明，NaCl處理后，冰葉日中花各個(gè)器官中的Na+含量增加，而K+、Ca2+、Mg2+含量降低，離子比值降低。胡化廣等[9]對(duì)大穗結(jié)縷草(Zoysiamacrostachya)和中華結(jié)縷草(Zoysiasinica)進(jìn)行雙鹽脅迫處理，結(jié)果表明，隨著鹽濃度增加，兩種結(jié)縷草葉片中 K+/Na+逐漸下降，但葉片中 K+/Na+大于根中，表明鹽脅迫促進(jìn)了K+向葉片運(yùn)輸。大穗結(jié)縷草運(yùn)輸選擇系數(shù)Sk,Na逐漸降低，中華結(jié)縷草的Sk,Na先降低后升高，說明 2 種結(jié)縷草對(duì)K+和 Na+的選擇性運(yùn)輸特點(diǎn)不同。熊雪等[3]研究表明鹽脅迫不均勻性有利于紫花苜蓿(Medicagosativa)對(duì)地上部分離子的調(diào)控，保持較高的 K+/Na+避免了由于Na+濃度過高而導(dǎo)致的光合作用降低。Zeng等[25]研究發(fā)現(xiàn)鹽穗木(Halostachyscaspica)通過無機(jī)離子特別是Na+、Cl-的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制和有機(jī)溶質(zhì)甜菜堿的積累以保護(hù)植物在高鹽脅迫下的生長(zhǎng)和發(fā)育。

2.2.3 滲透調(diào)節(jié)和抗氧化酶系統(tǒng)

鹽脅迫下，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自由基，破壞生物膜并影響植物的正常代謝，植物體內(nèi)抗氧化酶的活性水平與耐鹽性存在相關(guān)性。Rashmi等[26]研究表明，內(nèi)源γ-氨基丁酸(GABA)通過調(diào)控甜露兜樹(Pandanusodorifer)體內(nèi)的抗氧化活性酶系統(tǒng)達(dá)到對(duì)鹽逆境的適應(yīng)。林雪鋒等[4]對(duì)中山杉(Taxodiumhybrid‘Zhongshanshan’)、小葉榕(Ficusmicrocarpa)和海濱木槿(Hibiscushamabo)在不同鹽分梯度下的研究表明，隨著鹽處理時(shí)間增加，3種植物葉片超氧化物歧化酶活性下降，過氧化物酶和抗壞血酸過氧化物酶活性先上升后下降，丙二醛含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。姚明志等[15]研究發(fā)現(xiàn)隨鹽脅迫加劇，各種源的單葉蔓荊(Vitexrotundifolia)過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶活性呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。植物體內(nèi)的花青素也是重要的抗氧化劑，在受到鹽脅迫時(shí)也將產(chǎn)生保護(hù)作用，但這與植物葉片的發(fā)育進(jìn)程密切相關(guān)[10]。由于海濱植物耐鹽性的機(jī)理非常復(fù)雜，不同植物同一發(fā)育時(shí)期的單個(gè)或者幾個(gè)指標(biāo)很難全面客觀地反映出植物的耐鹽能力，今后的研究需要在脅迫時(shí)間和多個(gè)鹽梯度方面深入探討。

3 耐鹽性與植物個(gè)體發(fā)育

鹽脅迫會(huì)通過離子毒害和滲透脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育、生理生化代謝、繁殖以及地理分布等產(chǎn)生重要的影響。陳文翰等[27]研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫會(huì)抑制翅堿蓬(Suaedaheteroptera)種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)速率，導(dǎo)致幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加。韋梅球[28]對(duì)貝克喜鹽草(Halophilabeccarii)研究發(fā)現(xiàn)高鹽度使種子累積萌發(fā)率以及植物生長(zhǎng)速率顯著降低。植物的相對(duì)生長(zhǎng)率(RGR)也存在一定的可塑性，在受到鹽脅迫時(shí)，較低的RGR能夠維持自由度較高的碳水化合物和礦質(zhì)資源庫，來適應(yīng)脅迫。

4 鹽脅迫的分子機(jī)制

植物遭受鹽脅迫時(shí)迅速啟動(dòng)相關(guān)基因，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控，進(jìn)而合成相應(yīng)蛋白質(zhì)來控制代謝物合成和離子轉(zhuǎn)運(yùn)以調(diào)節(jié)滲透平衡[29]。Chang等[30]對(duì)小鹽芥(Thellungiellahalophila)研究發(fā)現(xiàn)，其葉綠體中ThGAPB基因過表達(dá)可以維持較高的ADP和NADP+循環(huán)速率來降低活性氧產(chǎn)量，從而改善植物的耐鹽性。汪瓊等[31]研究表明楊樹(Populus)MYB轉(zhuǎn)錄因子PtrMYB106 借助抑制內(nèi)源性 ABA 合成，降低植物對(duì)高鹽脅迫的適應(yīng)能力。王甜甜等[32]研究表明高親和性鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(KHT)可以將植物體內(nèi)的鈉、鉀離子長(zhǎng)距離運(yùn)輸分配，從而維持植物細(xì)胞及整株水平Na+/K+平衡。近年通過基因組學(xué)的方法來研究海濱耐鹽植物的耐鹽性，主要是通過鑒定和利用擬南芥(Arabidopsisthaliana)中已知的相應(yīng)基因來進(jìn)行耐鹽性調(diào)控，缺乏通過正向篩選植物敏感突變體來確定其耐鹽基因的研究，今后類似的研究還需加強(qiáng)。

5 叢植菌根與海濱植物耐鹽性

叢枝菌根真菌(AMF)能夠適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境，可與海濱植物共存，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物耐鹽性。在鹽脅迫下， AMF可以顯著增加植物對(duì)各種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收，王敏強(qiáng)等[14]研究表明接種AMF真菌顯著增加了高鹽脅迫下甜葉菊(Steviarebaudiana)植株的P含量，且甜菊對(duì)P依賴性隨著鹽濃度增加而升高，因此促進(jìn)P元素的吸收可能是AM真菌提高甜葉菊耐鹽性的內(nèi)在機(jī)理。Palacio-Rodríguez等[33]研究發(fā)現(xiàn)從鹽草(Distichlisspicata)根際分離的LBEndo1和KBEcto4兩種嗜鹽細(xì)菌可以提高擬南芥抗鹽性，這也部分說明了鹽草對(duì)鹽脅迫耐受的機(jī)理。潘晶等[34]研究認(rèn)為 AMF提高植物耐鹽性的主要機(jī)制包括：1)緩解鹽離子毒害和改善植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)平衡；2)通過擴(kuò)大植物根系吸收面積來增加水分吸收效率；3)通過激活植物抗氧保護(hù)體系，保護(hù)植物細(xì)胞膜系統(tǒng)和光合系統(tǒng)的完整性，提高植物耐鹽性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)AMF研究雖多，但對(duì)其耐鹽機(jī)制的認(rèn)識(shí)并未統(tǒng)一，不同菌株與不同植物的最適組合，以及如何進(jìn)一步利用宏基因組學(xué)和新一代測(cè)序技術(shù)來研究AMF耐鹽性方面將成為今后研究的熱點(diǎn)。

6 海濱耐鹽植物的耐鹽性評(píng)估及其在生態(tài)恢復(fù)中的作用

在確定海濱耐鹽植物耐鹽指標(biāo)時(shí)，主要根據(jù)形態(tài)發(fā)育和生理生化代謝兩方面，而在評(píng)定方法方面主要考慮相關(guān)分析、主成分分析、隸屬函數(shù)法、主成主觀賦值法、回歸分析和路徑分析等。姚明志等[15]利用隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)了來自7個(gè)不同種源的單葉蔓荊抗鹽性能，其耐鹽能力由大到小為: 山東、海南、遼寧、廣東、福建、廣西及浙江。李偉等[35]研究了不同鹽度處理下海三棱藨草(Scirpusmariqueter) 和互花米草(Spartinaalterniflora) 模擬對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)互花米草比本地物種海三棱藨草具有更強(qiáng)的耐鹽性。由于濱海耐鹽植物抗鹽性受到諸多因素影響，且耐鹽機(jī)制比較復(fù)雜，今后可通過建立健全耐鹽植物數(shù)據(jù)庫，劃定植物耐鹽級(jí)別來進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

7 研究展望

目前大部分研究集中在海濱資源植物對(duì)鹽脅迫的耐受性及其適應(yīng)性形態(tài)和生理變化，而對(duì)其他海濱耐鹽植物的研究還較少；一些結(jié)論是建立在彼此獨(dú)立幾個(gè)形態(tài)或者生理指標(biāo)的研究結(jié)果上，因此很難全面地反映濱耐海鹽植物的耐鹽性；缺乏對(duì)海濱耐鹽植物耐鹽性在宏觀尺度上的研究?；谝酝芯恐写嬖诘膯栴}，應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)：1)在研究其結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上，對(duì)典型的海濱耐鹽植物的抗鹽機(jī)理進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行進(jìn)一步的生理生化研究，如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等。2)使用正向和反向遺傳工具以及植物生理學(xué)、分子生物學(xué)方法，提取耐鹽基因，通過遺傳修飾改造植物。3)利用比較遺傳學(xué)的方法確定被研究植物物種與模式植物基因組之間的關(guān)系以及與鹽脅迫反應(yīng)和耐鹽性之間的關(guān)系。4)我國(guó)擁有約18 000 km的海岸線，這需要在更大尺度上去研究海濱耐鹽植物在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的作用，為恢復(fù)海濱生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性提供理論支持。5)篩選不同的AMF菌株與不同海濱耐鹽植物形成共生體的最適組合，利用新一代測(cè)序技術(shù)研究AMF耐鹽基因，篩選耐鹽基因以增加AMF 鹽脅迫下植物的耐受性。