水稻耐鹽生理及分子調(diào)節(jié)機(jī)制

黃 潔 白志剛 鐘 楚 金千瑜 朱練峰 曹小闖 朱春權(quán) 張均華

(中國水稻研究所水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310006)

我國鹽堿土耕地面積達(dá)760 萬hm2，其中約660萬hm2鹽漬土和100 萬hm2堿化土[1]。 鹽漬土主要成分是氯化鈉和硫酸鈉[2]。 水稻(Oryza staive)是鹽敏感作物，土壤鹽漬化是水稻最常見的非生物脅迫之一。 鹽脅迫對水稻的影響主要表現(xiàn)為鹽濃度升高造成滲透缺水，水稻吸水困難，生理代謝過程迅速減慢；鈉、氯等離子濃度過高會抑制水稻對其他營養(yǎng)元素的吸收(如鉀、鈣等)，導(dǎo)致細(xì)胞離子失衡，養(yǎng)分失調(diào)；水稻細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧，膜脂過氧化加劇，破壞水稻細(xì)胞和細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，引起代謝紊亂；光合作用降低，同化物和能量供應(yīng)減少，影響水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)[3]。 多年來，人們從土壤改良技術(shù)[4]、農(nóng)藝栽培措施[5]、耐鹽品種選育[6]、生理及分子調(diào)控等方面[7]，對增加鹽堿地的利用及提高水稻耐鹽性進(jìn)行了廣泛研究。

水稻是世界性的糧食作物，在中國約占糧食總產(chǎn)量的37%，而五分之一的稻田受鹽脅迫侵害[8]。 稻田受鹽堿化危害日益擴(kuò)大，嚴(yán)重制約著水稻的正常生長。因此，研究水稻耐鹽性對提高鹽脅迫土壤稻谷產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要作用。 目前人們對鹽脅迫下水稻形態(tài)特征及部分生理響應(yīng)機(jī)理已有明確認(rèn)識，但缺乏生理分子綜合效應(yīng)的研究。 本文通過分析鈉在水稻體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征，解析鹽脅迫下水稻的生理分子調(diào)節(jié)機(jī)制，明確水稻耐鹽內(nèi)在機(jī)理，并提出增強(qiáng)水稻耐鹽性的調(diào)控措施，以期為鹽堿地水稻種植提供參考。

1 水稻體內(nèi)鈉的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)

鈉鹽在鹽堿土中占重要地位，是自然界含量最豐富最易溶解的鹽類，鹽脅迫對水稻的傷害主要是由鈉離子引起的[9]。 由于鈉離子半徑和水的離子半徑相近，且鈉在維持細(xì)胞膨壓增加滲透勢，吸收水分等方面有一定作用，放水稻易吸收鈉離子，但鈉離子濃度過高會對水稻產(chǎn)生毒害。 環(huán)境中鈉離子濃度過高往往會造成水稻生物膜功能受到干擾，影響營養(yǎng)物質(zhì)吸收和細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)平衡，導(dǎo)致生理代謝紊亂[10]。 因此，了解水稻對鈉的感應(yīng)及鈉在水稻體內(nèi)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，對提高水稻耐鹽性、培育耐鹽品種、減輕鹽危害具有參考價(jià)值。

1.1 水稻根系對鈉的感應(yīng)與吸收

1.1.1 水稻根系對鈉的感應(yīng) 水稻根系對鹽脅迫信號的感應(yīng)，可能在調(diào)控水稻對鹽脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。 目前對水稻如何感應(yīng)鹽脅迫的認(rèn)知有限，還未發(fā)現(xiàn)特定的鹽感受器。 研究表明，鹽脅迫下，水稻鈣調(diào)素(calmodulin，CaM) 和類鈣調(diào)素(calmodulin-like，CML)蛋白基因在組織和器官中異常表達(dá)，鹽處理后1～3 h 明顯上調(diào)，并在這些基因上游區(qū)域檢測到響應(yīng)非生物脅迫的順式作用元件，包括響應(yīng)干旱、高鹽和低溫脅迫的重要啟動子元件DRES[11]。 控制質(zhì)膜發(fā)育的多肽OsDREPP2 是一種Ca2＋結(jié)合蛋白，CaM 能抑制OsDREPP2 與皮層微管的結(jié)合，提高細(xì)胞伸長率，故CaM 基因表達(dá)上調(diào)，有助于增強(qiáng)水稻耐鹽性。 此外，CaM 還可能直接激活鈣調(diào)素結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子(calmodulin-binding transcription activator，CAMTA)等，CaM 與Ca2＋結(jié)合可以激活多種下游蛋白，并調(diào)節(jié)其活性。 由此推測，水稻的高滲物質(zhì)和鈉感受器，可能受鈣離子通道控制[12-13]。 有研究指出SOS3(salt overly sensitive 3)通過與SOS2(salt overly sensitive 2)相互作用來傳遞鹽脅迫誘導(dǎo)的鈣信號，SOS2-SOS3 可以結(jié)合到質(zhì)膜上，從而磷酸化質(zhì)膜鈉鉀反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SOS1(salt overly sensitive 1)，激活SOS1 起作用，由此推測SOS1 可能是鹽感受器[14-15]。 鹽脅迫早期，環(huán)核苷酸受體、嘌呤受體可以激活鉀離子通道，從而增加鉀吸收，減少鈉吸收，這些受體起脅迫應(yīng)答作用。 環(huán)核苷酸與其受體結(jié)合，可以激活鈣離子通道，細(xì)胞攝取大量鈣離子，胞漿鈣離子濃度升高，是根細(xì)胞適應(yīng)鹽脅迫的關(guān)鍵。 鹽脅迫下，胞質(zhì)鉀含量減少可以激活H＋-ATP 酶，致使膜電位發(fā)生變化，植物由此感應(yīng)鹽脅迫程度。 此外，某些高親和力鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體(high-affinity K＋trasporter，HKT)突變體能夠誘導(dǎo)其他蛋白質(zhì)感受到滲透脅迫[16]。 組氨酸激酶(histidine kinases， AHK1/ATHK1)也可能是鹽傳感器或滲透傳感器[17]，但缺乏足夠的依據(jù)。 也有研究指出根分生組織位于根尖端，含有鹽感受器成分。 水稻對鈉的感知，促使水稻對鹽脅迫作出一系列響應(yīng)[18]。

1.1.2 水稻根系對鈉的吸收 減少水稻對鈉的吸收，控制植株體內(nèi)鈉積累量是提高水稻耐鹽性的有效途徑。 正常生理狀態(tài)下，植物細(xì)胞一般保持較高鉀鈉比。鹽脅迫下，由于外界環(huán)境和細(xì)胞之間存在電化學(xué)梯度，使得大量外界鈉離子進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)[19]。 而鈉進(jìn)入細(xì)胞主要與某些通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體有關(guān)，涉及鈉內(nèi)流的通道是非選擇性陽離子通道(non-selective cation channels，NSCC)，包括環(huán)核苷酸門控通道(cyclic nucleotide gated channels， CNGC) 和谷氨酸受體(glutamate receptors，GluR)；涉及鈉內(nèi)流的轉(zhuǎn)運(yùn)體是HKTs 和HAKs。 目前這些通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體已在水稻中證實(shí)[20-21]。 HKT 是植物體內(nèi)普遍存在的一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，介導(dǎo)鈉離子的吸收，其對離子的選擇吸收主要受結(jié)構(gòu)中帶電氨基酸殘基的影響。 水稻體內(nèi)HKT 蛋白分為兩大亞家族，第一類是OsHKT1 和OsHKT8，具有由SGGG(S ＝絲氨酸，G ＝甘氨酸)形成的孔道結(jié)構(gòu)，存在于多肽中，是鈉特異性轉(zhuǎn)運(yùn)體；第二類是OsHKT2，具有由GGGG 形成的結(jié)構(gòu)，是鈉鉀的共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[22]。 如OsHKT2；2/1 是一種從根部分離出的HKT 亞型，介導(dǎo)鹽脅迫下鈉流入植物根系[23]。 HKT 不僅介導(dǎo)鈉內(nèi)流，還與鈉向木質(zhì)部韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)[24]。 鹽脅迫下水稻OsHAK1 基因在各組織中表達(dá)均上調(diào)，特別是在根尖分生組織和莖尖分生組織中，OsHAK1 的過表達(dá)增加了鹽脅迫下水稻對鉀的吸收，而鉀濃度與地上部生物量呈正相關(guān)關(guān)系，表明鹽脅迫下OsHAK1 通過調(diào)節(jié)鉀吸收促進(jìn)水稻生長，增加耐鹽性[25]。 目前廣泛認(rèn)為非電壓依賴型NSCC(Ⅵ-NSCCs)是植物吸收鈉離子的重要途徑。此通道對奎寧等阻滯劑敏感，通過施加奎寧阻斷NSCCS，可以減少鈉離子進(jìn)入植物體[26]。 Senadheera等[20]在耐鹽性水稻品種的研究中發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下耐鹽性水稻品種CNGC1 的下調(diào)程度高于鹽敏感品種，證明CNGCs 可能參與鈉內(nèi)流。 GluRs 可能也參與鈉的內(nèi)流，但在水稻中尚未見報(bào)道。

1.2 鈉在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)

鈉在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)分為短距離運(yùn)輸和長距離運(yùn)輸。 短距離運(yùn)輸依賴于質(zhì)膜上離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和液泡膜離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用。 質(zhì)膜離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分為鈉內(nèi)流蛋白和鈉外排蛋白，介導(dǎo)鈉內(nèi)流的蛋白和通道是HKT、HAK、NSCC，鈉外排主要通過SOS1 和質(zhì)膜鈉鉀反向轉(zhuǎn)運(yùn)體兩種途徑。 且這種途徑主要通過根和莖外排鈉來減少水稻體鈉的積累[23，27]。 液泡膜Na＋/H＋交換體(NHX)是將細(xì)胞內(nèi)的鈉轉(zhuǎn)移至液泡中并儲存起來的重要調(diào)節(jié)因子，通過跨液泡膜H＋梯度驅(qū)動來轉(zhuǎn)運(yùn)Na＋，其中NHX 1 和NHX 2 是含量最豐富的NHX，而NHX 1 在水稻、玉米、小麥中均有發(fā)現(xiàn)[28]。 Liu 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與野生型水稻相比，過表達(dá)的OsNHX1 植株受鹽傷害程度較小，光合活性提高，根系生物量增加。NHX 通過將鹽分隔離在液泡中，一方面可以減少細(xì)胞質(zhì)中的鹽積累，減緩對重要器官和組織的傷害，使耐鹽性水稻品種能夠在液泡中固存更多鈉，從而增強(qiáng)耐鹽性。 另一方面防止鈉從液泡向胞漿的滲漏也可能是其增強(qiáng)耐鹽性的重要機(jī)制之一。 鈉的長距離運(yùn)輸包括鈉進(jìn)入木質(zhì)部、在木質(zhì)部的裝載以及通過韌皮部從莖到根的再循環(huán)過程，受多種轉(zhuǎn)運(yùn)體和通道的共同調(diào)節(jié)。根系將鈉轉(zhuǎn)移至木質(zhì)部，然后通過木質(zhì)部蒸騰流作用，將其轉(zhuǎn)移至葉片，因此，增加木質(zhì)部儲存鈉也是提高水稻耐鹽性的重要方向[30]。 HKT 在鈉長距離運(yùn)輸中也起著重要作用，Ren 等[31]研究發(fā)現(xiàn)水稻莖中由SKC1基因編碼的HKT 可能通過從木質(zhì)部卸載而參與鈉的再循環(huán)；與SKC1 基因相關(guān)的OsHKT 1；5 已被證實(shí)位于根木質(zhì)部附近細(xì)胞中，介導(dǎo)韌皮部鈉的外排，可以減緩水稻葉片受到鹽脅迫的傷害[32](如圖1 所示)。

圖1 鈉的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)(引自Wu[18]，部分已修改)Fig.1 Sodium absorption and transport(quoted from Wu[18]， partially modified)

2 水稻耐鹽生理調(diào)節(jié)機(jī)制

2.1 水稻生理特征對鹽脅迫的響應(yīng)

鹽脅迫下水稻生長發(fā)育受到抑制，組織生長及器官分化減緩，且隨著鹽濃度的增加抑制作用更加明顯。水稻種子萌發(fā)階段受到鹽脅迫，不僅限制了種子的生理吸水，而且在吸水過程中膜結(jié)構(gòu)受鹽脅迫影響而遭到破壞，導(dǎo)致種子萌發(fā)受阻，發(fā)芽率降低，發(fā)芽不整齊，甚至不發(fā)芽。 張靜[33]研究發(fā)現(xiàn)，40 mmol·L-1鹽溶液對發(fā)芽無顯著影響，而200 mmol·L-1以上鹽濃度幾乎不能成苗。 高鹽脅迫下水稻種子發(fā)芽率、芽長、主根長和根數(shù)顯著下降，出芽后，根芽生長對鹽脅迫更敏感[34]。 研究表明，鹽脅迫下水稻種子的萌發(fā)能力主要受2～3 個主基因＋多基因協(xié)同調(diào)控，且每個發(fā)芽特征指數(shù)均由特定的主要基因控制[35]。 苗期是水稻對鹽脅迫最敏感的時(shí)期，在鹽脅迫下水稻植株首先表現(xiàn)出生長受到抑制、老葉死亡、綠葉葉面積下降等特征[36]。鹽脅迫初期，耐鹽品種根部迅速合成大量的脫落酸(abscisic acid，ABA)，誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，顯著降低葉片蒸騰速率，避免水稻吸收過多鈉[37]。 鈉離子還對水稻色素含量、抗氧化系統(tǒng)、光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)效率、光合電子傳遞等產(chǎn)生影響，鹽脅迫導(dǎo)致葉片葉綠素降解加快，光合速率降低，地上部生長發(fā)育受到抑制[3]。 有研究表明，水稻分蘗期受鹽脅迫，其分蘗及葉片生長均將受到抑制，單株分蘗力下降，莖桿變粗，葉片較正常葉片小且發(fā)黃，株高降低，高鹽條件下甚至造成葉片死亡[38]；水稻抽穗期受到鹽脅迫會導(dǎo)致抽穗期延遲、穎花退化嚴(yán)重、結(jié)實(shí)率降低等，嚴(yán)重影響產(chǎn)量，并引起籽粒脂肪酸、礦物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生變化，降低稻谷品質(zhì)[39]。

2.2 水稻耐鹽生理調(diào)節(jié)機(jī)制

2.2.1 滲透調(diào)節(jié) 鹽脅迫下，外界環(huán)境的滲透勢降低，水稻根系吸水困難，表現(xiàn)為水分脅迫，處于生理干旱狀態(tài)。 水稻若要吸收水分或者減少自身失水，必須積累足夠多的溶質(zhì)來減小與外界環(huán)境的滲透勢差。 植物通常采取兩種滲透調(diào)節(jié)方式:一是自身合成有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，二是從外界吸收更多的無機(jī)離子。 自身合成的有機(jī)溶質(zhì)包括脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖、多元醇、有機(jī)酸、海藻糖等。 鹽脅迫下脯氨酸大量增加，可達(dá)正常水平的數(shù)十至數(shù)百倍；脯氨酸與蛋白質(zhì)結(jié)合可以束縛更多的水，有效緩解水分虧缺，防止蛋白質(zhì)變性；可溶性糖、可溶性蛋白和葉綠素含量以及抗氧化酶活性均受脯氨酸含量影響；此外，脯氨酸還是氮、碳快速補(bǔ)償來源[40-42]。 甜菜堿主要積累在細(xì)胞質(zhì)中，可以促進(jìn)鹽分在液泡中儲存，穩(wěn)定光系統(tǒng)Ⅱ和類囊體膜結(jié)構(gòu)，且在滲透脅迫下有助于膽堿和蔗糖的積累[43]。 可溶性糖和多元醇作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，通過調(diào)節(jié)滲透勢緩解過高鹽濃度帶來的傷害。 有機(jī)酸主要起到調(diào)節(jié)pH 值的作用，細(xì)胞、組織或器官在排出鈉離子時(shí)產(chǎn)生大量H＋，有機(jī)酸也可以平衡部分陽離子。 外界無機(jī)離子在緩解鹽脅迫方面有較多優(yōu)勢，無需消耗物質(zhì)和能量來合成有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在調(diào)節(jié)滲透勢方面也起著重要作用，參與滲透調(diào)節(jié)的無機(jī)離子主要有鉀離子、鈉離子和氯離子，耐鹽水稻品種可以較鹽敏感品種減少鈉的吸收，增加鉀的吸收，從而維持細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力[44-45]。

2.2.2 養(yǎng)分調(diào)節(jié) 水稻在正常生長環(huán)境中，各養(yǎng)分處于平衡狀態(tài)，但在鹽脅迫下，過多的鹽離子尤其是鈉離子抑制了水稻對其他元素的吸收，如鉀、鈣等。 鹽脅迫往往伴隨著缺鉀，而鉀在細(xì)胞內(nèi)可以作為多種酶的催化劑，對蛋白質(zhì)、糖類合成有促進(jìn)作用，且鉀參與調(diào)節(jié)氣孔開放程度，直接影響植物光合作用，故鹽脅迫下光合活性迅速降低[46]；鈣是重要的第二信使，具有調(diào)節(jié)鈣調(diào)蛋白和磷酸肌醇系統(tǒng)的功能，鈣能降低水稻對鈉的吸收，同時(shí)恢復(fù)根系對鉀的吸收，增大根冠比，從而提高水稻耐鹽性[47]。 此外鹽脅迫不利于水稻對氮素的獲取以及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在水稻體內(nèi)的同化過程，尤其對硝態(tài)氮影響更大[48]。 因此鹽脅迫下，稻田適當(dāng)增施氮肥、鉀肥及硅等微肥，有利于維持水稻氮代謝，保持植株正常生長，有利于稻米產(chǎn)量及品質(zhì)趨于正常水平。 研究表明，在富含鈉的土壤中添加硅時(shí)，水稻植株的含水量提高了7.3%，同時(shí)顯著提高了光合效率及CO2同化效率[49]。

2.2.3 抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié) 相較于正常環(huán)境，鹽脅迫下水稻體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧，從而導(dǎo)致膜脂過氧化加劇，丙二醛(malondialdehyde，MDA)大量積累。 植物體內(nèi)存在清除活性氧的過氧化酶系統(tǒng)和抗氧化劑，主要有超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、抗壞血酸(ascorbic acid，ASA)以及維生素C等。 高鹽脅迫時(shí)，水稻體內(nèi)清除活性氧的膜保護(hù)體系活性加強(qiáng)，抗氧化物質(zhì)含量增加，從而清除體內(nèi)過多的活性氧，減少傷害。 研究發(fā)現(xiàn)，耐鹽水稻比鹽敏感水稻具有更強(qiáng)的清除活性氧能力，水稻葉片中的SOD、POD活性隨著鹽脅迫程度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在一定鹽濃度范圍內(nèi)呈正相關(guān)趨勢[50-51]。 抗氧化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可以有效清除對水稻有害的活性氧，保護(hù)水稻膜系統(tǒng)，維持正常膜結(jié)構(gòu)。

2.2.4 激素調(diào)節(jié) 在水稻應(yīng)對逆境脅迫過程中，內(nèi)源激素也起著重要的調(diào)節(jié)作用。 脫落酸(abscisic acid，ABA)被稱為逆境激素，在鹽脅迫早期根系A(chǔ)BA 含量迅速增加，到達(dá)峰值后下降，之后趨于穩(wěn)定。 有研究認(rèn)為ABA 作為信號調(diào)節(jié)物質(zhì)，調(diào)控著鈉離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[52]。 耐性品種的ABA 含量在鹽脅迫期間一般高于常規(guī)水平。 ABA 合成后隨木質(zhì)部汁液運(yùn)輸至水稻植株地上部，調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉，降低葉片蒸騰作用和光合作用，減少水稻體內(nèi)水分及養(yǎng)分的消耗，避免水稻吸收過多的鈉離子[37]。 鹽脅迫條件下，內(nèi)源細(xì)胞分裂素(cytokinin， CTK)和乙烯(ethylene， ETH)積累量降低，而CTK 和ETH 均能解除逆境對種子萌發(fā)的抑制作用。 耐鹽品種生長素(auxin，IAA)含量增加，研究發(fā)現(xiàn)IAA 可以提升H＋-ATP 酶活性，有利于鈉向外運(yùn)輸及儲存[53]。

3 水稻耐鹽分子調(diào)節(jié)機(jī)制

3.1 水稻耐鹽逆境蛋白調(diào)節(jié)機(jī)制

隨著蛋白組學(xué)的發(fā)展，一些鹽逆境調(diào)節(jié)蛋白相繼被發(fā)掘研究。 胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白( late embryogenesis abundant proteins，LEA)是種子胚胎發(fā)育后期的脫水保護(hù)蛋白。 早先，人們將大麥LEA 蛋白基因HVA導(dǎo)入水稻中，發(fā)現(xiàn)第二代轉(zhuǎn)基因水稻對水分和鹽度的耐受性顯著提高，直接證明了LEA 蛋白在水鹽脅迫下對水稻具有保護(hù)作用[54]。 近年，從LEA 基因中分離到一個新基因EhEm1，EhEm1 蛋白能防止鹽脅迫引起的乳酸脫氫酶(lactic dehydrogenase，LDH)失活，有助于LDH 活性的穩(wěn)定，水稻種子EhEm1 基因在非生物脅迫下以ABA 依賴的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑發(fā)揮作用，EhEm1 高表達(dá)水稻在鹽脅迫下可以維持較好的發(fā)芽性能、降低葉綠素?fù)p傷，增加脯氨酸積累量，增強(qiáng)CAT活性，使水稻更好的適應(yīng)鹽環(huán)境[55]。 鋅指蛋白家族中有多個成員參與非生物脅迫調(diào)控，能夠通過IAA 途徑影響ABA 信號途徑，通過調(diào)節(jié)各差異表達(dá)蛋白，對鹽脅迫進(jìn)行響應(yīng)，維持水稻在鹽環(huán)境中碳的固定[56]。 鈣依賴的蛋白激酶(calcium - dependent protein kinase，CDPKs)直接結(jié)合Ca2＋，介導(dǎo)鈣信號通路，水稻基因組中有31 個CDPK基因，參與調(diào)控ABA 合成和鹽脅迫反應(yīng)。 此外鈣調(diào)素結(jié)合蛋白(calmodulin binding protein，CaMBP) 的合成也有利于提高植物耐鹽性[57-58]。 運(yùn)用現(xiàn)代測序技術(shù)，檢測到水稻未知功能域(domains of unknown function protein families， DUF)的蛋白質(zhì)OsDUF810 家族成員OsDUF810.7 在鹽脅迫下表達(dá)顯著增加，該蛋白可以顯著增強(qiáng)CAT 和POD 活性[59]。 絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)在多種生物和非生物脅迫、激素、細(xì)胞分化和發(fā)育進(jìn)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，調(diào)控著植物對鹽脅迫的抗性。 有研究指出，一種非典型結(jié)構(gòu)的MAPK(MPKK10.2)能增強(qiáng)水稻對黃單胞菌(xanthomonas oryzae pv.oryzicola，Xoc)的抗性，并提高水稻對干旱脅迫的耐受性。 MAPK10.2 是參與水稻對生物和非生物反應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之一，通過在兩個MAPK 級聯(lián)的交叉點(diǎn)上發(fā)揮作用，從而產(chǎn)生Xoc 抗性和耐旱性[60]。 鹽脅迫下水稻根系病程相關(guān)蛋白(pathogenesis-related proteins，PRs)、β-1-3 葡聚糖酶和抗病蛋白表達(dá)上調(diào)，這些功能蛋白可能與水稻抗鹽有關(guān)[61]。 鹽脅迫水稻根質(zhì)膜組分中的受體蛋白激酶、G 蛋白、小G 蛋白及通道蛋白等表達(dá)豐度變化，有助于脅迫信號和質(zhì)膜受體結(jié)合，并通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)相關(guān)耐鹽基因表達(dá)，提高水稻對高鹽環(huán)境的耐受性[62-63]。 此外，有研究表明，水稻黃單胞菌單鏈DNA 結(jié)合蛋白(single strand DNA-binding protein，SSBxoc)的過表達(dá)促進(jìn)了轉(zhuǎn)基因煙草的生長和耐鹽性[64]。 綜上，水稻耐鹽性的蛋白機(jī)理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，蛋白之間的協(xié)同及調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)有待進(jìn)一步研究。

3.2 水稻耐鹽基因調(diào)節(jié)機(jī)制

水稻耐鹽性是受多基因調(diào)控的數(shù)量形狀，隨著現(xiàn)代測序技術(shù)的發(fā)展，一些耐鹽基因相繼被分離、克隆，但還有很多與抗鹽有關(guān)的基因未被發(fā)現(xiàn)。 目前QTL定位第2、第6 號染色體上與耐鹽相關(guān)基因最多，第10、第11 號染色體最少[65]。 水稻OsDREB基因，在干旱、高鹽和寒冷應(yīng)答基因表達(dá)中作為轉(zhuǎn)錄激活因子起作用[66]；ZmWRKY58 基因過表達(dá)也可以提高轉(zhuǎn)基因水稻的耐鹽性[67]。 Li 等[68]指出SoP5CS在非生物脅迫響應(yīng)中起重要作用，過表達(dá)的SoP5CS可以提高植物耐旱、耐鹽性。 水稻新生多肽結(jié)合復(fù)合體基因(NAC)是一個水稻特異性轉(zhuǎn)錄因子家族，在水稻等植物中與衰老相關(guān)，水稻脯氨酸和可溶性糖的積累與該家族成員OsNAC5 表達(dá)水平呈正相關(guān)，鹽脅迫下OsNAC5 表達(dá)迅速上調(diào)，水稻滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)；且該家族成員ONAC106 基因受鹽脅迫和冷脅迫誘導(dǎo)，可與OsNAC5的啟動子結(jié)合，共同在水稻非生物脅迫中發(fā)揮作用[69]；另外，高鹽誘導(dǎo)時(shí)，NAC家族成員NAC1 也可通過調(diào)節(jié)氣孔開度來提高水稻耐鹽性[70]。 通過對不同耐鹽基因型水稻幼苗在鹽脅迫下淀粉代謝基因調(diào)控分析發(fā)現(xiàn)， 鹽脅迫下磷酸葡聚糖- 水二激酶(phosphoglucan water dikinase，PWD)基因和淀粉磷酸化酶(starch phosphorylase，Pho)基因表達(dá)上調(diào)。 鹽脅迫下可溶性糖主要來源于光合作用和淀粉代謝，高鹽環(huán)境下水稻維持滲透勢的方法之一是增加可溶性糖含量，可見淀粉代謝基因?qū)λ究果}也具有調(diào)控作用[71]。 此外，植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子對非生物脅迫及碳氮代謝等具有重要調(diào)控作用[72]。 Kwon 等[73]發(fā)現(xiàn)光敏色素b 突變體水稻對鹽脅迫耐性更強(qiáng)，光敏色素b突變有助于降低鈉鉀比，可通過上調(diào)鹽脅迫相關(guān)基因來提高細(xì)胞膜的完整性，從而提高水稻對鹽脅迫的耐受性。

4 增強(qiáng)水稻耐鹽性的調(diào)控措施

鹽堿地土壤改良和培育高抗鹽品種，是提高水稻耐鹽性能最直接有效的方法，也是實(shí)現(xiàn)鹽堿地水稻正常生長的基礎(chǔ)。 此外，栽培農(nóng)藝措施及化學(xué)調(diào)控手段，也是增強(qiáng)水稻耐鹽性的重要方面。

4.1 栽培農(nóng)藝措施

用鹽濃度逐漸升高的溶液預(yù)處理水稻種子，有助于提高水稻植株的耐鹽性。 梅映學(xué)等[74]研究表明用聚乙二醇對水稻幼苗進(jìn)行干旱預(yù)處理，相比未預(yù)處理的幼苗，其抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性升高，MDA含量顯著降低，有助于提高幼苗耐鹽性，緩解鹽害。 孫志國等[75]指出，保水緩釋肥能促進(jìn)鹽脅迫下的根系生長，改善氣孔限制，提高水分利用效率，促進(jìn)光合作用，增強(qiáng)水稻幼苗耐鹽力。 此外，播種前灌水洗鹽、空季培肥地力、秸稈還田、增施有機(jī)肥均有利于改善鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)；種植時(shí)選用耐鹽品種、平田整地、適時(shí)早播、適度密植、合理施肥、覆膜栽培，并加強(qiáng)水分管理和病蟲害防治等，均有利于鹽堿地水稻種植[76]。

4.2 化學(xué)調(diào)控措施

研究表明，增施氮、鉀、硅、鈣肥可以有效改善鹽脅迫下水稻抗逆生理參數(shù)，減輕鹽脅迫對水稻的傷害[77]。 徐晨等[78]研究表明，鹽脅迫條件下水稻分蘗期、孕穗期和抽穗期最佳的施氮水平應(yīng)為營養(yǎng)液正常含氮量的2 倍。 鹽逆境中外源硅可以促進(jìn)根系伸長生長，促進(jìn)水稻對有益元素(N、P、K、Mg、Mn、Ca、Fe)的吸收，降低MDA 含量[79]。 鈣是細(xì)胞內(nèi)生理生化反應(yīng)的第二信使，偶聯(lián)胞外信號，同時(shí)也是一種很好的膜保護(hù)劑。 朱娜等[80]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)施外源Ca2＋可以降低水稻幼苗電解質(zhì)滲漏，維持細(xì)胞膜系統(tǒng)的完整性，顯著提高水稻葉片ASA 含量，有效緩解鹽脅迫傷害，維持其正常生長。 NO 是一種植物內(nèi)源小分子，參與調(diào)節(jié)種子萌發(fā)、光形態(tài)建成、細(xì)胞凋亡、乙烯釋放等過程。低濃度NO 有利于增加水稻SOD、POD、CAT 活性，減少M(fèi)DA 和H2O2的積累，提高水稻耐鹽性[81]；此外，外源H2S、低濃度H2O2均能增強(qiáng)過氧化酶活性，增加脯氨酸含量，此類調(diào)節(jié)物質(zhì)施用均有利于增強(qiáng)水稻抗鹽性。

4.3 植物激素與激素類似物

植物逆境響應(yīng)大多與植物激素的調(diào)控有關(guān)。 鹽脅迫下適當(dāng)施加外源激素，有助于增強(qiáng)水稻耐鹽性。 張麗麗等[82]研究表明，噴施50 mg·L-1外源赤霉素對水稻緩解鹽害效果最明顯，增強(qiáng)了SOD、POD 等活性，降低了葉片MDA 和超氧陰離子自由基含量，保護(hù)了膜系統(tǒng)的穩(wěn)定。 褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)是一種普遍存在于動物和植物中的分子，鹽脅迫下，提高水稻耐鹽性最適的褪黑素濃度為200 μmol·L-1，施用褪黑素可明顯提高水稻幼苗的氮、磷、鉀吸收，降低植株鈉的積累，顯著提高水稻對鉀的選擇性吸收，維持體內(nèi)的離子穩(wěn)態(tài)[83-84]。 鹽脅迫下，外源施加水楊酸、茉莉酸、茉莉酸甲酯以及油菜素內(nèi)酯等，均可以通過提高抗氧化能力，緩解鹽害對植株的影響[40，85]。

5 討論與展望

水稻耐鹽性研究對鹽堿地綜合利用，緩解農(nóng)業(yè)用地、用水緊張意義重大。 提高水稻耐鹽性可從多方面考慮，包括通過調(diào)節(jié)或者阻斷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和離子通道，減少對鈉及高滲透物質(zhì)的吸收，減少鹽分進(jìn)入水稻體內(nèi)；增強(qiáng)液泡儲存鈉，增加水稻根系、莖稈中鈉積累，增加水稻對鹽脅迫的耐受性，減輕鹽分對葉片的傷害；鹽堿地作物可以通過泌鹽、析鹽等方式在鹽堿地正常生存，增強(qiáng)水稻體外排鹽，減少機(jī)體鹽含量，是提高水稻耐鹽性的途徑之一。 此外，我國鹽堿地類型多樣，分布面積廣，鹽堿地土壤改良有較大困難。 從作物本身耐鹽性方面考慮，有助于解決問題。 水稻本身對鹽較敏感，耐鹽育種工作已進(jìn)行多年，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對水稻鹽脅迫的響應(yīng)及抗鹽機(jī)理已有一定研究進(jìn)展，利用分子研究方法已得到部分耐鹽基因。 然而，水稻耐鹽性是由多基因調(diào)控的復(fù)雜性狀，目前還有許多耐鹽基因有待進(jìn)一步發(fā)掘。 同時(shí)，水稻耐鹽性是多基因間互作結(jié)果，體內(nèi)存在復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，有待進(jìn)一步研究。 因此，提高水稻耐鹽性需要從多方面考慮，通過基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等研究可進(jìn)一步篩選耐鹽基因和蛋白，從而選育耐鹽品種。 在水稻栽培上，合理的高產(chǎn)高效栽培技術(shù)配合外源調(diào)控技術(shù)也是提高鹽堿地水稻產(chǎn)量的有效措施。