植物響應(yīng)鹽堿脅迫的分子機(jī)制

趙懷玉，林鴻宣

(植物分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所，上海 200032)

0 引 言

在一系列的非生物脅迫中，土壤的鹽堿脅迫對(duì)于作物影響巨大。鹽堿脅迫在作物整個(gè)生活史過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一系列的影響，土壤的鹽堿化會(huì)影響作物正常生長(zhǎng)，并且會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的減產(chǎn)，特別是水稻、番茄等需要在中性或者弱酸性的土壤中生長(zhǎng)的作物。土壤發(fā)生鹽堿化會(huì)影響水稻的苗期發(fā)育、分蘗及抽穗期等生理及發(fā)育過(guò)程[1]。番茄在鹽堿化的培養(yǎng)條件下，種子的發(fā)芽率顯著下降[2]。目前，我國(guó)約有20%的稻田遭受鹽堿脅迫，并且遭受鹽堿脅迫的區(qū)域仍在逐年擴(kuò)大[3]，每年約有1 000萬(wàn)hm2的土地由于人為原因造成的次生鹽堿化而變得不適宜作物生長(zhǎng)。

研究人員根據(jù)土壤中鹽的性質(zhì)將植物的鹽堿脅迫分為兩種：鹽脅迫和堿脅迫。土壤中的NaHCO3和Na2CO3對(duì)植物的毒害較NaCl、Na2SO4等中性鹽的毒害更大[4-5]。過(guò)去的研究表明，鹽堿毒害主要要是可溶性的Na+和Cl-引起的高滲狀態(tài)，從而阻礙植物對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[6]。與鹽脅迫相比，植物在堿脅迫條件下，對(duì)微量元素的吸收效率更低。堿性土壤的高pH值不利于根的生長(zhǎng)，因此會(huì)降低根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，使有機(jī)酸的分布不平衡，打破植物細(xì)胞內(nèi)pH的穩(wěn)定性[7]，特別是高pH會(huì)降低可溶性鐵離子的溶解性，導(dǎo)致植物產(chǎn)生缺鐵癥，具體表現(xiàn)出葉片缺綠黃化[8]。

鹽脅迫主要包括滲透脅迫和離子脅迫等初級(jí)脅迫以及高鹽引起的營(yíng)養(yǎng)虧缺、氧化脅迫等一系列的次生脅迫。多種脅迫的積累會(huì)導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)發(fā)育及能量代謝受到抑制，從而使植物早衰甚至死亡。當(dāng)土壤環(huán)境的鹽濃度高于植物體生長(zhǎng)所需的鹽濃度，會(huì)使土壤中的水勢(shì)力降低，因此植物對(duì)水分的吸收能力減弱，從而使植物產(chǎn)生滲透脅迫。滲透脅迫不僅存在于鹽脅迫中，干旱脅迫也會(huì)通過(guò)環(huán)境與植物的水勢(shì)差形成滲透脅迫。水勢(shì)的改變引起的滲透脅迫會(huì)通過(guò)植物葉片的保衛(wèi)細(xì)胞降低氣孔開(kāi)度[9]，使植物的光合作用降低，最終影響植物能量的積累。滲透脅迫主要是通過(guò)氧化脅迫等次級(jí)脅迫對(duì)植物產(chǎn)生傷害，影響植物細(xì)胞的正常生理功能。

植物細(xì)胞內(nèi)的葉綠體光合電子傳遞鏈與線粒體呼吸電子傳遞鏈所泄漏的電子與O2反應(yīng)生成氧化性強(qiáng)的O2-、H2O2、·OH，過(guò)氧化氫酶體也可以產(chǎn)生H2O2,這些強(qiáng)氧化劑會(huì)損傷植物細(xì)胞的蛋白質(zhì)、核酸及脂質(zhì)等大分子物質(zhì)，從而使細(xì)胞受到氧化脅迫的損傷，最終影響到植株的生長(zhǎng)發(fā)育。外界環(huán)境的Na+、Cl-等離子濃度過(guò)高后會(huì)使植物通過(guò)電化學(xué)勢(shì)梯度攝取過(guò)量的Na+、Cl-，從而使胞質(zhì)內(nèi)的離子濃度增加，產(chǎn)生毒害。

因此，如何解決土壤的鹽堿化已經(jīng)成為重要科學(xué)問(wèn)題。而探究植物對(duì)鹽脅迫與堿脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制，闡明植物耐鹽堿的信號(hào)通路，對(duì)植物特別是作物的鹽堿響應(yīng)及耐受的分子機(jī)制研究以及挖掘作物中耐鹽堿的QTL位點(diǎn)，將為培育耐鹽堿的作物新品種提供理論基礎(chǔ)。

1 植物對(duì)鹽脅迫的感知

植物對(duì)于外界的刺激或者脅迫往往是通過(guò)細(xì)胞受體感知，并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)引起細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)，從而適應(yīng)或者躲避外界環(huán)境刺激。例如，OSCA1編碼一個(gè)未知的質(zhì)膜蛋白，當(dāng)擬南芥受到山梨醇模擬的滲透脅迫時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)加強(qiáng)，起到滲透脅迫的感受器[10]。水稻中的COLD1作為一個(gè)耐冷脅迫的QTL位點(diǎn)，COLD1編碼一個(gè)G蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)因子，起到冷脅迫感受器的作用[11]。植物在受到鹽脅迫后，Na+會(huì)快速通過(guò)植物根部表皮細(xì)胞和中柱細(xì)胞質(zhì)膜上Na+非選擇離子通道(NSCCs)進(jìn)入細(xì)胞，Na+內(nèi)流引起細(xì)胞去極化，造成細(xì)胞內(nèi)cGMP的積累，cGMP能夠通過(guò)激活環(huán)核苷酸門(mén)控通道(CNGC)起始早期Ca2+信號(hào)[12]。G蛋白在植物鹽脅迫的感知過(guò)程中起到重要的傳導(dǎo)作用，在胞內(nèi)Na+與K+穩(wěn)態(tài)失衡時(shí)，鹽離子受體感知鹽脅迫使胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度增加，Ca2+會(huì)誘導(dǎo)非典型的大型Gα蛋白XLG與Gβγ蛋白調(diào)節(jié)下游的脅迫響應(yīng)基因如HKT1、NHX1、SZF1/2的表達(dá)，從而引起細(xì)胞死亡以及抵抗脅迫的表型[13]。最近，研究人員在擬南芥中鑒定到一個(gè)對(duì)NaCl處理超敏感的突變體moca1，該突變體還表現(xiàn)出鹽處理后胞內(nèi)Ca2+信號(hào)明顯弱于野生型，MOC1編碼一個(gè)葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶，能將葡萄糖醛酸(GlcA)轉(zhuǎn)移至肌醇磷脂酰神經(jīng)酰胺(IPC)生成葡萄糖醛酸肌醇磷脂酰神經(jīng)酰胺(GIPC)，其中，GIPC大量存在于細(xì)胞質(zhì)膜上，并且?guī)в?個(gè)負(fù)電荷，一價(jià)陽(yáng)離子如Na+、Li+及K+等可以結(jié)合到GIPC上，使Ca2+通道打開(kāi)，通過(guò)Ca2+信號(hào)引起下游鹽脅迫信號(hào)響應(yīng)，因此磷脂分子GIPC可以作為鹽離子的感受器感知鹽脅迫[14]。由此可見(jiàn)，植物對(duì)鹽脅迫的感知方式與滲透脅迫、冷脅迫等通過(guò)離子通道或者其它蛋白的方式并不相同，而是通過(guò)一種全新的模式，即磷脂分子葡萄糖醛酸肌醇磷脂酰神經(jīng)酰胺感知鹽脅迫。

2 SOS信號(hào)途徑響應(yīng)植物鹽脅迫

鹽脅迫會(huì)引起植物細(xì)胞內(nèi)的一系列的生理生化反應(yīng)。植物主要通過(guò)Ca2+依賴(lài)的SOS(Salt overly sensitive)通路來(lái)響應(yīng)鹽脅迫，SOS途徑對(duì)于植物Na+/K+穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)是至關(guān)重要的[15]。EF手型鈣結(jié)合蛋白SOS3是植物體內(nèi)鈣離子初級(jí)感受器，鈣信號(hào)會(huì)響應(yīng)外界的鹽濃度，因此，SOS3可以通過(guò)感知胞質(zhì)內(nèi)的鈣信號(hào)從而響應(yīng)鹽脅迫，SOS3基因?qū)儆贑BL家族，被稱(chēng)為CBL4，CBL家族蛋白也被稱(chēng)為SCaBP(SOS3 like calcium binding protein)。相比與擬南芥中只有一個(gè)拷貝的CBL10，山崳菜具有兩個(gè)拷貝EsCBL10a和EsCBL10b，將這兩個(gè)基因轉(zhuǎn)入擬南芥中能顯著增加擬南芥的耐鹽能力[16]。SOS2是屬于SnRK3家族的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[17]，SOS3可以直接與SOS2結(jié)合并且激活SOS2，在擬南芥中，SOS2激酶特異性也被NaCl激活，KCl或甘露醇并不能使其激活[18]，在植物未受到鹽脅迫的情況下，PKS5通過(guò)磷酸化SOS2的194位的Ser，從而促進(jìn)14-3-3與SOS2蛋白結(jié)合，確保SOS2處于非激活狀態(tài)[19-20]。在鹽脅迫情況下，14-3-3蛋白會(huì)被26S蛋白酶體途徑降解[21],從而使SOS2的抑制作用被解除。類(lèi)SOS3鈣結(jié)合蛋白SCaBP8主要在擬南芥中莖部行使功能[22]，SOS2還可以磷酸化SCaBP8進(jìn)而穩(wěn)定兩者之間的結(jié)合，并且通過(guò)AtANN4形成SCaBP8-AtANN4-SOS2復(fù)合體，從而提高質(zhì)膜Na+/H+的轉(zhuǎn)運(yùn)活性[23]。SOS1是植物中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的在鹽脅迫條件下可以特異地向胞外轉(zhuǎn)運(yùn)Na+的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體[24]。SOS1主要在根部表皮細(xì)胞和木質(zhì)部薄壁組織細(xì)胞表達(dá)，位于SOS2的下游，SOS2可以磷酸化SOS1，活化的SOS1能將Na+排除植物細(xì)胞[25]。SCaBP8可以激活SOS1和AKT1，維持胞質(zhì)內(nèi)的Na+/K+的穩(wěn)態(tài)[26]。植物受到鹽脅迫時(shí)SCaBP8與AKT1的互作程度降低，AKT1的抑制作用被解除，從而使胞內(nèi)的K+濃度增加。因此，植物對(duì)外界環(huán)境的鹽脅迫主要是通過(guò)GIPC-Ca2+信號(hào)-SOS3/SCaBP8-SOS2-SOS1信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)的，從而調(diào)節(jié)Na+的外排以及胞內(nèi)Na+的穩(wěn)態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)SOS1不止受SOS3-SOS2的調(diào)節(jié)，還受到磷脂酶D(PLD)的調(diào)控，在擬南芥中，鹽脅迫會(huì)使植物體內(nèi)PLDα1的酶活性增加，從而導(dǎo)致第二信使磷脂酸PA的積累，PA反過(guò)來(lái)可以激活MPK6，MPK6可以直接磷酸化SOS1[27]，這一信號(hào)通路可能平行于SOS3-SOS2-SOS1。

3 ROS信號(hào)參與植物鹽脅迫的響應(yīng)

ROS信號(hào)和抗氧化劑也涉及鹽脅迫的響應(yīng)。鹽誘導(dǎo)的脅迫可以通過(guò)Ca2+信號(hào)使植物體內(nèi)產(chǎn)生ROS。ROS濃度較低的時(shí)候可以作為一種信號(hào)激活鹽脅迫的響應(yīng)，ROS引起的細(xì)胞內(nèi)高氧化狀態(tài)可以改變一些轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)活性，從而調(diào)控相應(yīng)脅迫基因的表達(dá)；但是，高濃度的ROS會(huì)損壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)[28]。鹽脅迫會(huì)通過(guò)誘導(dǎo)酶清除劑或者無(wú)酶清除劑來(lái)降低ROS[29]。酶清除劑主要包括超氧化歧化酶(SOD)，抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)，過(guò)氧化氫酶(CAT)，愈創(chuàng)木酚過(guò)氧化酶(GPOX)，脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GR)和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)等。

ROS主要包括超氧自由基，羥自由基，單線態(tài)氧以及過(guò)氧化氫。SOD是活性氧最有效的清除方式，是抵抗在環(huán)境壓力下形成的ROS造成損失的第一道防線[30]。某些酶會(huì)產(chǎn)生無(wú)酶清除劑，如DHAR,MDHAR以及GR參與抗壞血酸從包括脫氫抗壞血酸(DHA)、單脫氫抗壞血酸(MDHA)和氧化谷胱甘肽(GSSG)等氧化產(chǎn)物的再生。非酶清除劑包括抗壞血酸(ASH)、生物堿、類(lèi)胡蘿卜素、類(lèi)黃酮、GSH、酚類(lèi)化合物以及生育酚。ROS在鹽脅迫下可以通過(guò)自噬基因ATG誘導(dǎo)植物細(xì)胞的自噬[31]。DST編碼一個(gè)未知的鋅指轉(zhuǎn)錄因子，具有轉(zhuǎn)錄激活活性，DST與活性氧相關(guān)基因啟動(dòng)子中的DBS元件直接結(jié)合，調(diào)節(jié)這些基因的表達(dá)，影響活性氧的積累，從而調(diào)節(jié)氣孔的開(kāi)度，最終影響水稻的耐旱及耐鹽性[32]。DST能夠與自身發(fā)生直接的互作，同時(shí)與DCA1形成異源四聚體，這個(gè)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物能夠調(diào)控編碼H2O2清除因子Prx24的表達(dá)，從而正向調(diào)控氣孔孔徑大小和氣孔中H2O2含量，最終影響植株對(duì)鹽旱脅迫的耐受性[33]。轉(zhuǎn)錄因子OsMADS25可以與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶OsGST4基因的啟動(dòng)子區(qū)直接結(jié)合，過(guò)表達(dá)OsMADS25能顯著提高GST4對(duì)ROS的清除能力，使植物表現(xiàn)出耐鹽的表型[34]。在擬南芥中過(guò)表達(dá)馬鈴薯硫氧還蛋白基因StTrxF能夠增加轉(zhuǎn)基因植株脯氨酸含量，提高SOD活性，激活ROS清除系統(tǒng)，具有提高轉(zhuǎn)基因擬南芥植株耐鹽性的顯著效果[35]。植物在鹽脅迫過(guò)程中ROS的產(chǎn)生與清除之間存在平衡，即植物產(chǎn)生ROS改變細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)發(fā)揮抵抗鹽脅迫的作用以及過(guò)量的ROS對(duì)植物會(huì)造成損傷，植物需要維持兩者的平衡從而降低鹽脅迫對(duì)植物造成的危害。

4 植物激素在植物鹽脅迫中的作用

植物激素作為植物體內(nèi)重要的小分子化學(xué)物質(zhì)，參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育及其對(duì)環(huán)境的脅迫響應(yīng)過(guò)程，多種植物激素如茉莉酸、乙烯及脫落酸等在鹽脅迫的響應(yīng)以及耐鹽過(guò)程中起到重要的作用。茉莉酸(JA)作為一種脂肪酸的衍生物，在植物抵抗病蟲(chóng)害過(guò)程中起作用。最近的研究結(jié)果表明JA在植物抵抗鹽脅迫過(guò)程中起到正向調(diào)控的作用,小麥TaAOC1編碼一個(gè)丙二烯氧化物環(huán)氧化酶，將其轉(zhuǎn)入擬南芥中可以提高JA水平，提高擬南芥的耐鹽能力[36]。棉花在鹽脅迫情況下外源施JA和Me JA能顯著提高種子萌發(fā)能力[37]。擬南芥共激活子亞基PFT1/MED25通過(guò)與ERF1以及MYC2互作來(lái)調(diào)節(jié)JA信號(hào)[38]。PFT1/MED25也可以與不依賴(lài)于ABA調(diào)節(jié)非生物脅迫的DREB2A互作，pft1/med25雙突對(duì)鹽的敏感性增加，表明PFT1/MED25在擬南芥JA信號(hào)和耐鹽的過(guò)程中起到一個(gè)正向調(diào)控子的作用[39]。在水稻中，水稻鹽敏感蛋白R(shí)SS3是一個(gè)在根尖表達(dá)的核蛋白，能夠促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng)，在鹽脅迫條件下能夠通過(guò)抑制根部JA來(lái)保證根的正常生長(zhǎng)。RSS3可以與JA信號(hào)中的OsbHLH089和OsbHLH094以及OsJAZ9和OsJAZ11互作，與OsJAZ9和OsbHLH089形成一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合體，保證抑制OsbHLH094的轉(zhuǎn)錄活性[40]。耐鹽脅迫負(fù)向調(diào)控因子OsJAZ9可以與抑制子OsbHLH062互作，從而調(diào)控OsbHLH062下游的SKC1,OsHAK21以及OsHAK27參與離子穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵基因的表達(dá)[41]。番茄突變體res在無(wú)鹽脅迫的狀態(tài)下根部的JA會(huì)發(fā)生積累并引起植株形態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部的紊亂，當(dāng)遭受鹽脅迫以后這些改變將會(huì)消失[42]。番茄中一種促進(jìn)JA產(chǎn)生的植物激素-系統(tǒng)素可以通過(guò)一種依賴(lài)于ABA途徑提高植株的耐鹽能力。與野生型相比，番茄原系統(tǒng)素轉(zhuǎn)基因植株在鹽脅迫條件下有更高的氣孔導(dǎo)度以及積累更多的生物量[43]。這些證據(jù)表明JA在植物耐鹽脅迫過(guò)程中主要起到正向調(diào)控的作用。

在植物的耐鹽脅迫過(guò)程中，乙烯(ET)途徑既有正向也有負(fù)向調(diào)控的作用。在植物鹽脅迫過(guò)程中，大量的ET響應(yīng)基因表達(dá)發(fā)生了改變[44]。擬南芥中，ET可以通過(guò)負(fù)向影響植物的鹽脅迫過(guò)程，氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)的水平增加使植株耐鹽能力降低[45]。acs7突變體在發(fā)芽期間ET水平顯著降低，但是耐鹽能力增加，表明ACS7在耐鹽過(guò)程中起到負(fù)向調(diào)控的作用。同時(shí)，acs7突變體還具有ABA超敏感的表型。因此，ACS介導(dǎo)的鹽敏感性很可能是由于ABA信號(hào)減弱引起的[46]。轉(zhuǎn)錄因子OsDOF15可以與OsACS1啟動(dòng)子直接互作，使乙烯合成受到抑制進(jìn)而抑制初生根的伸長(zhǎng)[47]。在擬南芥sst1突變體中鹽處理會(huì)引起ET水平增加，sst1是eto1-1的等位突變，其耐鹽能力主要是通過(guò)提高Na+/K+穩(wěn)態(tài)，使進(jìn)入根部以及莖的Na+降低。sst1/eto1介導(dǎo)的耐鹽過(guò)程是受ETR1-CTR1信號(hào)通路的影響[48]。與ET不同，ET信號(hào)對(duì)鹽脅迫是正調(diào)控，ET受體突變體etr1和ein4等對(duì)鹽的敏感性增加[49-50]。然而，ETR1和ETR2在種子萌發(fā)過(guò)程具有相反的表型。在鹽脅迫的情況下，ETR1和EIN4突變會(huì)加速種子萌發(fā)，而ETR2突變會(huì)延遲種子萌發(fā)[51]。在鹽脅迫下，植物細(xì)胞微管會(huì)發(fā)生解聚，而乙烯信號(hào)通過(guò)EIN3可以上調(diào)WDL5表達(dá)，調(diào)控植物細(xì)胞微管重新組裝，從而提高植物耐鹽能力[52]。

鹽脅迫還會(huì)引起ABA信號(hào)途徑響應(yīng)。鹽脅迫會(huì)通過(guò)Ca2+信號(hào)和ROS信號(hào)增加植物細(xì)胞的ABA合成[53]。PYR1類(lèi)受體激酶PYL可以感知ABA的增加，PYL結(jié)合蛋白磷酸酶2C，解除對(duì)下游ABA依賴(lài)的SnRK2的抑制作用，SnRK2可以激活A(yù)REB1、ABI5等ABA響應(yīng)基因的的表達(dá)，ABA依賴(lài)的信號(hào)通路的激活可以調(diào)控氣孔的開(kāi)閉在生理上響應(yīng)鹽脅迫[13]。轉(zhuǎn)錄因子OsMADS25在水稻根部的生長(zhǎng)過(guò)程以及耐鹽過(guò)程中起到重要作用，過(guò)表達(dá)OsMADS25會(huì)增加根部對(duì)外源ABA的敏感性，并且過(guò)表達(dá)植株在鹽脅迫狀態(tài)下ABA依賴(lài)的脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)量也會(huì)增加[49]。Zhu等人通過(guò)遺傳篩選的方法，在sic-1突變體背景下使用脅迫響應(yīng)熒光報(bào)告基因RD29A-LUC篩選鑒定到一個(gè)由于核孔復(fù)合體蛋白NUP85突變導(dǎo)致的一個(gè)抑制子在響應(yīng)ABA和鹽脅迫過(guò)程中RD29-LUC的表達(dá)量降低[54]。細(xì)胞內(nèi)膜定位的E3泛素連接酶SDIR1通過(guò)促進(jìn)ABI5,ABF3和ABF4的表達(dá)參與到植物響應(yīng)鹽脅迫與干旱脅迫[55]，SDIR1的配體SDIRIP1可以選擇性地僅調(diào)控ABI5的表達(dá)，SDIR1可以通過(guò)26S蛋白酶體途徑調(diào)控SDIRIP1的穩(wěn)定性，這兩者共同參與ABA信號(hào)與鹽脅迫過(guò)程[56]。

雖然植物激素在植物體內(nèi)的含量較低，但是在植物的發(fā)育以及環(huán)境脅迫響應(yīng)過(guò)程中都起到很重要的作用，在脅迫響應(yīng)過(guò)程中，并不是簡(jiǎn)單的通過(guò)某種單一的植物激素起作用，往往會(huì)存在不同激素之間的交互影響，在這個(gè)過(guò)程中，ABA起到較為重要的作用，ABA與JA，ABA與SA以及其它激素信號(hào)可以發(fā)生相互作用，通過(guò)多種植物激素的共同響應(yīng)最終維持植物體發(fā)育與逆境響應(yīng)的穩(wěn)定性。

5 表觀修飾在植物鹽脅迫響應(yīng)過(guò)程中的作用

植物的基因表達(dá)會(huì)受到表觀修飾的影響，包括DNA甲基化、組蛋白修飾及小RNA等表觀修飾，這些調(diào)控方式在植物的非生物脅迫響應(yīng)過(guò)程中起到重要的作用。鹽脅迫響應(yīng)基因在鹽脅迫條件下的表達(dá)受到可變的表觀調(diào)控[57]。受DNA聚合酶V轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的RNA介導(dǎo)的DNA甲基化(RdDM)途徑響應(yīng)鹽脅迫[58]。表觀修飾還可以介導(dǎo)植物對(duì)特定環(huán)境脅迫記憶的調(diào)控。擬南芥中的HTK的DNA甲基化參與調(diào)節(jié)鹽脅迫相關(guān)基因的表達(dá)[59]。

植物在鹽脅迫條件下組蛋白修飾主要改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)從而調(diào)控靶基因的表達(dá)，參與調(diào)控植物的發(fā)育與生長(zhǎng)。組蛋白去乙酰化酶HDA6和HD2C在擬南芥的鹽脅迫響應(yīng)過(guò)程中會(huì)改變鹽響應(yīng)基因的表達(dá)[60]。在擬南芥中，帽結(jié)合蛋白CBP20和CBP80可以通過(guò)調(diào)節(jié)在鹽響應(yīng)相關(guān)基因的剪接來(lái)調(diào)節(jié)糖和脯氨酸的代謝[61]。鹽脅迫還能通過(guò)表觀修飾影響植物的開(kāi)花時(shí)間。鹽脅迫能夠通過(guò)降低誘導(dǎo)開(kāi)花的shk1激酶結(jié)合蛋白1(SKB1)與染色質(zhì)的結(jié)合并降低H4R3的二甲基化水平進(jìn)而提高調(diào)控植物開(kāi)花的FLC基因的表達(dá)[62]。甜菜和海甜菜在鹽脅迫條件下，H3K9和H3K27的乙?；教岣邥?huì)引起編碼過(guò)氧化氫酶POX的轉(zhuǎn)錄激活[63]。轉(zhuǎn)錄因子IDS1可以與轉(zhuǎn)錄輔阻遏物TPR1形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體，該復(fù)合體可以與組蛋白去乙?；窰DA1結(jié)合，通過(guò)控制組蛋白乙?；街苯涌刂芐OS1和LEA1的表達(dá)，從而可以在表觀水平調(diào)控植物對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)[64]。

小RNA主要通過(guò)與靶基因的mRNA結(jié)合從而在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá)。在紅樹(shù)林中，ta-siRNAs通過(guò)調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及基因的表達(dá)從而平衡植物在高鹽環(huán)境中的生長(zhǎng)和耐鹽過(guò)程[65]。SiRNA可以通過(guò)介導(dǎo)DNA的甲基化來(lái)調(diào)控基因的表達(dá)，24-nt的siRNA水平可以調(diào)節(jié)擬南芥的AtMYB7的水平進(jìn)而通過(guò)RdDM途徑響應(yīng)鹽脅迫[66]。

6 作物中耐鹽QTL位點(diǎn)

通過(guò)正向與反向遺傳學(xué)的分析能夠讓我們進(jìn)一步了解植物的耐鹽機(jī)制。然而，在作物中很少有單基因的突變能夠提高作物的耐鹽能力。對(duì)于植物的耐鹽過(guò)程許多基因是必需的，比如SOS信號(hào)通路中的基因，當(dāng)發(fā)生突變后，植物多會(huì)表現(xiàn)出對(duì)鹽脅迫超敏的表型。植物的耐鹽性狀主要是一些由數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)控制的一種復(fù)雜性狀。目前為止，僅在水稻、小麥、玉米及大豆等作物中鑒定到了能夠顯著提高植株耐鹽能力的QTLs位點(diǎn)。在水稻中，來(lái)源于Nona Bokra的SKC1的QTL位點(diǎn)在植株遭受鹽脅迫的情況下可以保持莖部較高的K+濃度，SKC1編碼一個(gè)優(yōu)先在莖部木質(zhì)部薄壁細(xì)胞表達(dá)的Na+選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)體[67]。單粒小麥和春小麥中SKC1的同源基因HKT1；5位點(diǎn)，分別命名為Nax2和Kna1[68-69]。Nax2位點(diǎn)導(dǎo)入到硬質(zhì)小麥內(nèi)，從而使硬質(zhì)小麥在高鹽土壤中的產(chǎn)量比對(duì)照高25%[70]。在小麥中，Nax2對(duì)于植物在鹽脅迫時(shí)Na+從根部木質(zhì)部的排出，以及葉鞘對(duì)Na+的阻隔過(guò)程起到重要作用[71]。在玉米中，同樣是HKT型的轉(zhuǎn)運(yùn)體ZmHKT1在功能喪失的等位突變的品種中表現(xiàn)增加Na+從玉米根部向莖部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)木質(zhì)部Na+向葉片外排，增加玉米的耐鹽能力[72]。在野生大豆中鑒定到了一個(gè)植物B類(lèi)熱激轉(zhuǎn)錄因子HSFB2b，一方面可以直接激活一組類(lèi)黃酮合成相關(guān)基因的表達(dá)，另一方面可以抑制GmNAC2基因表達(dá)，從而促進(jìn)了黃酮生物合成途徑的另一組基因的表達(dá)，最終提高耐鹽能力[73]。

目前，在作物中鑒定到的耐鹽QTL位點(diǎn)主要與Na+轉(zhuǎn)運(yùn)體相關(guān)[67-69,72]，也許仍有許多未知的耐鹽調(diào)控途徑尚待研究，作物的耐鹽作用可能是有數(shù)個(gè)主效的QTLs以及多個(gè)微效QTLs共同起作用。

7 堿脅迫響應(yīng)及耐堿脅迫的分子機(jī)制

雖然鹽脅迫和堿脅迫都被歸為鹽堿脅迫，但是相對(duì)于中性鹽脅迫，堿性鹽離子引起的堿脅迫還是具有一定的特殊性。植物對(duì)堿脅迫的響應(yīng)的分子機(jī)制也有所不同。

最近的一些研究結(jié)果表明，提高植物對(duì)鐵的吸收能夠增加植物的耐堿能力。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，不同的植物進(jìn)化出策略I和策略II兩種適應(yīng)鐵缺乏環(huán)境。策略I主要是雙子葉植物和非禾本科的單子葉植物，主要通過(guò)三個(gè)過(guò)程：質(zhì)膜定位的H+-ATP酶引起的根部酸化[74]，三價(jià)鐵螯合還原酶FRO2參與的Fe3+還原[75]，鐵離子調(diào)控的高效轉(zhuǎn)運(yùn)體IRT1轉(zhuǎn)運(yùn)Fe2+[76]。策略II主要是禾本科植物采取的方式，主要通過(guò)植物根部分泌的植物鐵螯合載體的麥根酸螯合Fe3+[77]。與策略I植物相比，采用策略II的植物在堿脅迫時(shí)展現(xiàn)出更好的生長(zhǎng)狀態(tài)，依賴(lài)鐵吸收的鐵螯合載體對(duì)高pH并不敏感，所以在堿脅迫條件下其功能發(fā)揮受pH變化并不大。在一些植物中可以同時(shí)采用兩種策略來(lái)獲取鐵離子。有研究表明，水稻既可以通過(guò)策略II來(lái)獲取鐵離子也可以通過(guò)策略I獲取鐵離子[78]。因此，在水稻中可以通過(guò)多種方式提高對(duì)鐵離子的吸收從而提高對(duì)堿脅迫的耐受能力。

通過(guò)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在植物堿脅迫響應(yīng)過(guò)程中，活性氧(ROS)清除劑的表達(dá)量發(fā)生了明顯的變化[79]。SOD作為重要的ROS清除劑，在水稻中過(guò)表達(dá)OsCu/Zn-SOD可以顯著提高ROS的解毒能力從而降低堿性鹽脅迫對(duì)水稻造成的危害[80]。在擬南芥中過(guò)表達(dá)來(lái)源于星星草的Cu/Zn-SOD同樣也能增加對(duì)堿性鹽的耐受，并且增加對(duì)H2O2的耐受[81]。

植物除了通過(guò)平衡細(xì)胞內(nèi)的ROS提高耐堿以及增加鐵的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以外，還有多種基因參與植物耐堿的過(guò)程,包括在鹽脅迫響應(yīng)過(guò)程中起重要作用的SOS途徑相關(guān)基因也參與到堿脅迫過(guò)程。在擬南芥中，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶PKS5,可以作為一個(gè)負(fù)調(diào)控因子，調(diào)控質(zhì)膜上的質(zhì)子泵(H+-ATP酶),外部的高pH會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度增加，從而使RKS5與鈣結(jié)合蛋白SCaBP1的結(jié)合加強(qiáng)，從而阻止H+-ATP酶與14-3-3蛋白結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的pH[82]。J3可以通過(guò)與PKS5激酶的互作抑制RKS5的功能從而調(diào)控H+-ATP酶的活性[83]。SCaBP3也是一個(gè)H+-ATP酶的負(fù)調(diào)控因子，SCaBP3可以加強(qiáng)PKS5與H+-ATP酶AHA2的互作，PKS5磷酸化AHA2上的931位的絲氨酸，使H+-ATP酶處于低活性狀態(tài)，當(dāng)堿脅迫發(fā)生時(shí)，Ca2+與SCaBP3結(jié)合會(huì)減弱SCaBP3與PKS5的結(jié)合，14-3-3蛋白與某一未知的蛋白激酶結(jié)合可以磷酸化AHA2 C端的947的酪氨酸，從而使H+-ATP酶活性增強(qiáng)，將胞內(nèi)H+泵出胞外，從而降低胞內(nèi)的pH[84]。

染色質(zhì)重塑ATP酶家族的SNF2的ALT1可以通過(guò)提高對(duì)活性氧的清除能力負(fù)調(diào)控植物對(duì)堿的脅迫[85]。大豆中，陽(yáng)離子/H+轉(zhuǎn)運(yùn)體GsCHX19.3可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子含量從而提高植物的耐堿脅迫能力[86]。同樣在大豆中，緩慢型陰離子通道同源基因GsSLAH3受NaHCO3的誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中過(guò)表達(dá)GsSLAH3能顯著提高其耐堿能力[87]。小鹽芥中的無(wú)機(jī)焦磷酸酶編碼基因ThPP1在水稻中過(guò)表達(dá)可以顯著提高水稻耐堿能力，并且ThPP1可以與光系統(tǒng)II捕光色素蛋白結(jié)合，提高植株的光合效率，增加葉綠素、糖類(lèi)及淀粉含量，從而增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株對(duì)堿脅迫的耐受能力[88]。在擬南芥中，乙烯在植物遭受堿脅迫情況下能夠通過(guò)促進(jìn)AUX1及生長(zhǎng)素合成相關(guān)基因的表達(dá)而抑制根的發(fā)育，乙烯信號(hào)突變體etr1-3、ein2、ein3-1在堿脅迫條件下根長(zhǎng)會(huì)長(zhǎng)于野生型[89]。因此，乙烯在堿脅迫調(diào)控過(guò)程起到負(fù)調(diào)控的作用。

8 鹽脅迫與堿脅迫的關(guān)系

9 研究展望

我國(guó)作為一個(gè)人口大國(guó)，正面臨著許多挑戰(zhàn)，特別是糧食安全問(wèn)題。在工業(yè)化日益發(fā)展，引起土壤鹽堿化，使耕地面積日益減少的情況下，如何利用這些鹽堿化的土地已經(jīng)成為我們現(xiàn)在亟待解決的問(wèn)題。在一些模式植物中，如擬南芥等中關(guān)于植物對(duì)鹽堿脅迫已經(jīng)有相關(guān)的研究，闡明了可以通過(guò)Ca2+信號(hào)感知外界的鹽堿脅迫，通過(guò)胞內(nèi)的SOS信號(hào)引起植物的鹽堿脅迫的響應(yīng)，還可以通過(guò)ROS信號(hào)維持胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)，以及各種表觀修飾，使植物適應(yīng)鹽堿脅迫，多種植物激素可以通過(guò)不同的信號(hào)通路在植物鹽堿脅迫響應(yīng)過(guò)程中也起到一定的作用。但是，植物鹽堿脅迫對(duì)植物來(lái)說(shuō)是多重脅迫復(fù)雜的累加，仍有許多問(wèn)題等待我們研究。特別是堿性鹽脅迫，堿性鹽離子所產(chǎn)生的毒害往往產(chǎn)生更加劇烈的表型，特別是高pH對(duì)植物細(xì)胞的破壞以及營(yíng)養(yǎng)元素的虧缺，加大了突變體篩選工作的難度。近期，研究人員開(kāi)發(fā)出脂質(zhì)磷脂酸PA特異性的光遺傳傳感器PAleon，鹽處理后調(diào)控通過(guò)檢測(cè)活體的PA含量，PA可以作為細(xì)胞pH的一個(gè)指示劑，所以，PAleon為實(shí)時(shí)檢測(cè)植物活體細(xì)胞內(nèi)pH提供了可能[90]。植物雖然鑒定出了Na+感受器，但是，與其它脅迫類(lèi)型的感受器不同，與動(dòng)物中鹽感受器多為離子通道也不同，植物為何選擇磷脂分子GIPC作為Na+感受器？高堿環(huán)境引起的植物缺鐵癥是否可以被高效的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體所逆轉(zhuǎn)？這些問(wèn)題仍需我們?nèi)ソ獯稹?/p>

目前，研究人員已經(jīng)建立起了從鹽脅迫的感知到包括SOS信號(hào)、ROS信號(hào)及激素信號(hào)等一系列的鹽脅迫的信號(hào)通路，但是由于堿性鹽脅迫的特殊性，仍有許多與中性鹽不同的分子機(jī)制仍是未知。因此，在未來(lái)需要加強(qiáng)作物耐鹽堿的分子機(jī)制的相關(guān)研究。由于植物耐鹽堿的表型是一種數(shù)量性狀，受多基因的調(diào)控，因此，通過(guò)正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)，尤其是全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)輔以基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)，蛋白組學(xué)以及代謝組學(xué)等多種技術(shù)結(jié)合的方式鑒定耐鹽堿的QTLs位點(diǎn)，并通過(guò)分子育種的方式改良其它品種，對(duì)于擴(kuò)大作物的種植范圍具有重要意義。