利用外源NO緩解植物鹽脅迫傷害的研究進(jìn)展

李麗麗， 李銳娟， 李炎艷， 肖 磊*

(1.邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 河北 邯鄲 056001； 2.沙河市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 河北 沙河 054100)

我國(guó)目前鹽漬化土壤約為670萬(wàn)hm2，而且隨著降雨量的減少，對(duì)灌溉水的依賴進(jìn)一步加劇，引起我國(guó)土壤的鹽漬化面積呈逐年增加趨勢(shì)[1]。鹽漬化土壤一方面造成土壤板結(jié)與肥力下降，不利于植物吸收養(yǎng)分，阻礙植物生長(zhǎng)發(fā)育；另一方面因離子毒害和滲透脅迫，引起植物細(xì)胞葉綠體及線粒體在電子傳遞過(guò)程中泄露大量的電子，產(chǎn)生活性氧積累現(xiàn)象，對(duì)植物造成氧化損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致植物死亡[2]。因此，鹽漬化土壤不能直接用于植物生產(chǎn)。

隨著鹽漬化土地面積的逐年增加，我國(guó)的可利用耕地面積呈逐年減少趨勢(shì)，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采取合理有效的措施緩解植物遭受鹽脅迫傷害是一種行之有效的途徑。一氧化氮(NO)是植物體內(nèi)的一種生物活性分子，對(duì)增強(qiáng)植物抗病性[3]、減緩植物重金屬脅迫[4]與鹽脅迫傷害[5-6]方面具有重要作用。有研究表明，NO具有緩解鹽脅迫對(duì)植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的抑制作用[7-12]，進(jìn)而促使植物在適應(yīng)鹽漬化土壤中發(fā)揮重要作用[13-14]。然而，有關(guān)外源NO在緩解植物鹽脅迫傷害中的研究不夠系統(tǒng)，在指導(dǎo)生產(chǎn)方面存在一定局限性。為鹽漬化土壤合理利用提供參考，從外源NO對(duì)植物鹽脅迫傷害的緩解效應(yīng)及其作用機(jī)制方面概述了外源NO緩解植物鹽脅迫傷害的研究進(jìn)展，對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

1外源NO對(duì)植物鹽脅迫傷害的緩解效應(yīng)

1.1種子萌發(fā)

種子萌發(fā)是植物生活史的起點(diǎn)，是植物吸水后所進(jìn)行的一系列生理生化反應(yīng)和形態(tài)建成的過(guò)程。水分是種子萌發(fā)的必需環(huán)境條件，用于活化相關(guān)酶類，分解貯能有機(jī)物，進(jìn)行新陳代謝，從而進(jìn)行萌發(fā)。然而，在鹽脅迫環(huán)境中，因滲透壓影響致使種子的發(fā)芽率降低，出苗時(shí)間延遲[15]。在鹽脅迫環(huán)境中，利用外源NO供體硝普鈉(SNP)處理植物的種子，可使因鹽脅迫造成種子萌發(fā)的抑制作用得到緩解，主要表現(xiàn)為種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)得以提高[16-20]。趙威等[16]研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的SNP溶液處理100 mmol/L NaCl脅迫下待萌發(fā)玉米種子，SNP不僅可促進(jìn)其萌發(fā)，而且還可促進(jìn)其根和芽的生長(zhǎng)；以100 μmol/L SNP溶液處理效果最佳。在100 mmol/L NaCl脅迫下，0.1 mmol/L SNP的處理效果最佳，紫蘇種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)較對(duì)照分別提高78.3%、60.4%、13.7和0.109 3[17]。劉文瑜等[20]研究發(fā)現(xiàn)，以0.1 mmol/L、0.3 mmol/L和1.0 mmol/L SNP溶液浸泡蒺藜苜蓿種子48 h后置于2.0% NaCl脅迫環(huán)境中進(jìn)行種子萌發(fā)，其中0.1 mmol/L SNP處理的效果最佳，可顯著緩解鹽脅迫抑制作用，而1.0 mmol/L SNP處理則抑制種子萌發(fā)，表明外源NO可以通過(guò)種子浸種發(fā)揮其緩解鹽脅迫的作用，但緩解效應(yīng)取決于其濃度的高低。袁芳等[21]研究發(fā)現(xiàn)，800 mmol/L NaCl鹽脅迫下應(yīng)用SNP可顯著提高堿蓬種子的含水量與吸水速率，緩解鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用。

1.2幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育

在鹽脅迫環(huán)境中植物的生長(zhǎng)發(fā)育受到阻礙。事實(shí)上，自然狀態(tài)下，植物在其生存環(huán)境中可產(chǎn)生一定量的NO(即內(nèi)源NO)[22]。為了消除內(nèi)源NO對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，揭示鹽脅迫下外源NO對(duì)植物抑制作用的緩解效應(yīng)，時(shí)振振等[23-24]用NO供體硝普鈉(SNP)和NO清除劑c-PTIO分別對(duì)鹽脅迫下的豌豆和苜蓿幼苗進(jìn)行處理，結(jié)果表明，添加外源NO能夠明顯促進(jìn)鹽脅迫下豌豆幼苗的胚芽、胚根長(zhǎng)和幼苗干重提高，對(duì)于苜蓿幼苗，外源 NO處理能明顯緩解鹽脅迫對(duì)苜蓿幼苗的生長(zhǎng)抑制作用，并促進(jìn)單株干質(zhì)量增加，說(shuō)明通過(guò)外源NO處理，可以緩解鹽脅迫對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)的抑制作用。大量研究表明，鹽脅迫下外源NO對(duì)植物抑制作用的緩解效應(yīng)取決于NO濃度、鹽脅迫程度和品種的抗(耐)鹽性，而且植物的不同器官對(duì)外源NO的響應(yīng)也存在差異[25-28]。劉開(kāi)力等[25]研究表明，在0～150 mmol/L NaCl脅迫條件下，以0.2 mmol/L、0.4 mmol/L和0.6 mmol/L SNP溶液浸泡水稻種子，各濃度的SNP可緩解不同濃度鹽脅迫對(duì)水稻幼苗的抑制作用，且SNP的作用效果與其浸種濃度及 NaCl的脅迫程度密切相關(guān)。外源NO供體SNP在緩解鹽脅迫抑制黑麥草生長(zhǎng)中也具有重要作用，以50 μmol/L SNP緩解效果最明顯，而150 μmol/L以上的SNP處理則會(huì)抑制黑麥草根的生長(zhǎng)[27]。在100 mmol/L NaCl 脅迫下，經(jīng)過(guò)50 mmol/L SNP處理黃金樹(shù)種子，可以顯著促進(jìn)黃金樹(shù)的苗高生長(zhǎng)，但2 000 μmol/L SNP浸種才能夠明顯增加黃金樹(shù)的發(fā)根數(shù)[26]，說(shuō)明相同鹽脅迫條件下植物不同器官抑制作用的恢復(fù)程度因外源NO的濃度而存在差異。蘆翔等[28]研究鹽脅迫下不同燕麥品種對(duì)外源NO的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，外源NO均可緩解鹽脅迫對(duì)不同燕麥品種的抑制作用，但鹽脅迫對(duì)不同品種抑制作用的恢復(fù)程度因外源NO的濃度而存在差異，推斷外源NO緩解鹽脅迫傷害的程度可能依賴于品種自身的抗鹽能力。谷文英等[29]研究發(fā)現(xiàn)，利用葉面噴灑法將SNP溶液噴灑至菊苣葉面上，連續(xù)處理2 d(2次/d，間隔12 h)，SNP葉面噴灑法也可以緩解鹽脅迫對(duì)菊苣葉的生長(zhǎng)。樊懷福等[30]通過(guò)添加NO信號(hào)傳遞途徑關(guān)鍵酶“鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶抑制劑亞甲基藍(lán)(MB-1)”研究鹽脅迫下外源NO緩解黃瓜幼苗生長(zhǎng)抑制作用的途徑發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下外源NO對(duì)黃瓜幼苗受傷害的緩解作用并未消除，說(shuō)明NO可能是通過(guò)鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶的介導(dǎo)途徑而發(fā)揮作用。

1.3光合作用

植物處于鹽脅迫環(huán)境中會(huì)引起葉綠素酶的活性升高，促進(jìn)葉綠素降解[31]。研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量的降低是引起光合作用受阻的主要原因[32]。在鹽脅迫環(huán)境中，經(jīng)過(guò)外源NO的處理，苜蓿、水稻、黑麥草、山葡萄、小麥和番茄幼苗的葉綠素含量明顯提高[24，33-37]，說(shuō)明鹽脅迫下外源NO可以延緩葉綠素的降解，保證葉綠素的含量，對(duì)光合作用起到間接的保護(hù)作用。劉建新等[13]從光合作用中的化學(xué)反應(yīng)方面揭示鹽脅迫下外源NO保護(hù)效應(yīng)的結(jié)果顯示，外源NO可通過(guò)調(diào)節(jié)光能的捕獲與轉(zhuǎn)換提高黑麥草幼苗的光合能力，促進(jìn)黑麥草葉片的初始熒光(F0)降低，而葉片的最大熒光(Fm)、PSⅡ潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)(qP)、表觀光合電子傳遞速率(ETR)以及光化學(xué)速率(PCR)均得到提高，從而保證光合作用的提高，減緩鹽脅迫傷害。此外，外源 NO也可通過(guò)保護(hù)性熱耗散機(jī)制緩解鹽脅迫條件下山葡萄幼苗的光抑制，致使山葡萄葉片的 PSⅡ最大光化學(xué)效率( Fv/ Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和保護(hù)性熱耗散(ΦNPQ)均升高，而初始熒光(F0)和非調(diào)節(jié)性能量耗散(ΦNO)顯著下降[36]。吳雪霞等[37]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)外源NO處理鹽脅迫下的番茄幼苗，其氣孔導(dǎo)度(Gs)、凈光合速率(Pn)以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)顯著提高，而胞間CO2濃度(Ci)明顯下降，說(shuō)明外源NO可以通過(guò)對(duì)鹽脅迫下光合作用的影響因素進(jìn)行調(diào)控，從而緩解鹽脅迫對(duì)番茄幼苗光合功能的不利影響。

2外源NO緩解鹽脅迫傷害的作用機(jī)制

2.1抗氧化酶

鹽漬化環(huán)境形成逆境脅迫可引起植株體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS)，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成氧化損傷[38]，而過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)等是植物體內(nèi)的活性氧清除酶，在植物抵御逆境脅迫中具有重要意義[39]。大量研究表明，在鹽脅迫條件下，外源NO通過(guò)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的抗氧化酶類改善抗氧化酶的活性，清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧，降低膜質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)的含量，從而緩解植物遭受鹽脅迫的毒害[17-18，20，23，27-28，34-36，40-44]。肖強(qiáng)等[34]研究鹽脅迫下外源NO對(duì)水稻幼苗抗氧化酶的影響發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下葉片和幼根中抗氧化酶的種類與活性對(duì)外源NO的響應(yīng)存在差異，在水稻幼苗葉片中SOD和CAT活性呈升高趨勢(shì)，而幼根中除SOD、CAT活性升高外，還促進(jìn)愈創(chuàng)木酚過(guò)氧化酶(GPX)活性升高。曾長(zhǎng)立等[18，44]研究發(fā)現(xiàn)，利用外源NO供體SNP分別處理鹽脅迫條件下的雪里蕻和谷子幼苗，其抗氧化酶活性因外源NO濃度的變化而改變，存在劑量效應(yīng)[42]。此外，鹽脅迫下外源NO對(duì)抗氧化酶的影響也依賴于品種本身的抗(耐)鹽性。蘆翔等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下經(jīng)過(guò)外源NO處理，白燕6號(hào)和內(nèi)散2號(hào)2個(gè)燕麥品種幼苗葉片中SOD的活性在短期內(nèi)均顯著升高，且在處理2 d后達(dá)到峰值，之后迅速下降；在鹽脅迫8 d時(shí)，白燕6號(hào)的SOD活性仍高于對(duì)照，但內(nèi)散2號(hào)的SOD活性已低于對(duì)照，推斷可能是隨鹽脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，消弱了SOD清除活性氧的能力，造成活性降低?？傮w看，外源NO通過(guò)調(diào)節(jié)植物的抗氧化酶活性適應(yīng)鹽脅迫的傷害，但抗氧化酶的種類與活性因植物種類、品種不同，植物器官不同，鹽脅迫強(qiáng)度以及脅迫時(shí)間的長(zhǎng)短等而存在顯著差異。

2.2有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是植物在受到逆境脅迫時(shí)，植物體內(nèi)可主動(dòng)產(chǎn)生或積累的一些有機(jī)物質(zhì)，通過(guò)有機(jī)物質(zhì)含量的增加提高細(xì)胞液的濃度，降低滲透勢(shì)，促進(jìn)細(xì)胞的吸水或保水能力，從而增強(qiáng)對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)性。在鹽脅迫條件下經(jīng)過(guò)外源NO的處理，可誘導(dǎo)一些含氮或含碳化合物的產(chǎn)生和積累，該含氮或含碳化合物在調(diào)控植物適應(yīng)鹽脅迫傷害中具有重要意義[30]。劉建新等[13]研究表明，50 μmol/L的SNP能顯著提高鹽脅迫下黑麥草幼苗的葉片精胺(Spm)以及亞精胺(Spd)的含量，減緩鹽脅迫對(duì)植株的傷害程度。而適宜低濃度的SNP可顯著提高鹽脅迫下水稻葉片脯氨酸含量，增加水稻對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)能力[34]。李運(yùn)合等[45]利用外源NO供體SNP處理50 mmol/L NaCl脅迫下的玉米幼苗發(fā)現(xiàn)，其蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)的活性升高，蔗糖與可溶性總糖的積累量增加，進(jìn)而緩解鹽脅迫對(duì)玉米幼苗的傷害。谷文英等[29]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)SNP預(yù)處理的菊苣幼苗置于鹽脅迫環(huán)境中，外源NO能夠促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸以及果聚糖的產(chǎn)生，尤其是蔗果四糖的生成，進(jìn)而增強(qiáng)菊苣幼苗抵御鹽脅迫的能力。此外，在鹽脅迫條件下，通過(guò)外源NO處理黃瓜幼苗，可明顯促進(jìn)其可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量的增加，進(jìn)而緩解鹽脅迫對(duì)黃瓜幼苗的傷害，提高黃瓜幼苗適應(yīng)鹽脅迫的能力[30]。

2.3植物細(xì)胞中的離子

處于鹽脅迫條件下，植物細(xì)胞中的離子平衡被打破，引起組織中Na+含量的增加，K+、Ca2+和Mg2+含量的減少，進(jìn)而抑制植物的生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致代謝紊亂，嚴(yán)重時(shí)造成植株死亡[46]。吳雪霞等[37]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)外源NO處理可顯著降低鹽脅迫下番茄幼苗葉片和根系中的Na+含量，并促進(jìn)K+、Ca2+和Mg2+含量升高。劉建新等[27，41]分別研究鹽脅迫下黑麥草和海濱錦葵幼苗中離子含量的變化發(fā)現(xiàn)，經(jīng)外源NO處理后均可引起體內(nèi)K+含量的增加，Na+含量的降低?？傮w看，鹽脅迫下外源NO能夠改善離子的選擇性吸收。一般表現(xiàn)為促進(jìn)對(duì)K+、Ca2+和Mg2+的吸收，降低對(duì)Na+的吸收。說(shuō)明外源NO可通過(guò)某種機(jī)制降低植物對(duì)Na+的吸收，直接或間接的影響細(xì)胞對(duì)離子的選擇性吸收[47]，同時(shí)減少細(xì)胞膜的滲透作用，維持胞質(zhì)離子的平衡，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)免受損傷，緩解鹽脅迫傷害[48]。

3小結(jié)

鹽漬化的土壤可造成土壤板結(jié)與肥力下降，不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育。作為一項(xiàng)逆境脅迫因子，鹽漬化土壤會(huì)產(chǎn)生離子毒害、滲透脅迫以及氧化脅迫等[49]，引起植物細(xì)胞受損傷，蛋白質(zhì)變性以及核酸斷裂，影響種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，并降低植物的光合作用，嚴(yán)重時(shí)甚至造成植物死亡。因此，在鹽漬化土壤中種植植物必須采取相應(yīng)措施緩解鹽脅迫的傷害。一氧化氮(NO)是一種存在于植物體內(nèi)的活性分子，也是一種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子[50]，在適應(yīng)逆境脅迫中發(fā)揮著重要作用[51]。當(dāng)植物處于逆境脅迫時(shí)，可在NO合成酶和硝酸還原酶的作用下，也可能通過(guò)非酶促反應(yīng)等途徑合成NO[52]，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)植物對(duì)逆境脅迫傷害的適應(yīng)性。通過(guò)分析探討外源NO在植物抵御鹽脅迫傷害中的作用效果與機(jī)制發(fā)現(xiàn)，通過(guò)浸種、直接灌根和葉面噴灑外源NO供體SNP等不同方式處理鹽脅迫下的植物，均可減緩鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)的傷害程度，促進(jìn)種子萌發(fā)，也能緩解鹽脅迫對(duì)幼苗生長(zhǎng)和光合機(jī)構(gòu)的傷害程度，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)和改善幼苗的光合作用；鹽脅迫下外源NO對(duì)植物的保護(hù)作用在于調(diào)控體內(nèi)的抗氧化酶、清除活性氧和保護(hù)植物免受氧化損傷，調(diào)控體內(nèi)的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、降低滲透勢(shì)和提高細(xì)胞吸水或保水能力，調(diào)節(jié)離子的選擇性吸收、減少細(xì)胞膜的離子滲漏和維持胞質(zhì)離子的平衡。

鹽漬化土壤的改良是一個(gè)長(zhǎng)期、持續(xù)的過(guò)程，將較長(zhǎng)時(shí)間影響植物的整個(gè)生活史。當(dāng)前有關(guān)外源NO對(duì)植物的保護(hù)效應(yīng)多集中在種子萌發(fā)或幼苗生長(zhǎng)階段，缺乏對(duì)植物整個(gè)生活史影響的評(píng)價(jià)。此外，對(duì)于大多數(shù)農(nóng)作物而言，目前研究多以產(chǎn)量與品質(zhì)為生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)目的，同樣也缺乏鹽脅迫下外源NO在產(chǎn)量和品質(zhì)方面調(diào)控效應(yīng)的相關(guān)研究。因此，今后應(yīng)重點(diǎn)評(píng)價(jià)鹽脅迫下外源NO在植物整個(gè)生活史中的保護(hù)效應(yīng)，以及鹽脅迫下外源NO對(duì)作物產(chǎn)量及品質(zhì)的保護(hù)效應(yīng)。