SA 對鹽脅迫下草本植物種子萌發(fā)及幼苗生理特性影響的研究進(jìn)展

趙丹，紀(jì)鵬，何曉蕾，景艷麗，張濤，王洪義

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

草本植物是指一類莖葉未發(fā)生木質(zhì)化的植物的統(tǒng)稱[1]，既包括玉簪、萱草、三色堇、百日草、彩葉草、水仙等園林花卉，也包括棉花、水稻、黃瓜等農(nóng)作物。草本植物不僅具有凈化空氣、改善區(qū)域小氣候、減弱噪音、降低大氣和水體污染、防止水土流失的生態(tài)作用價值，還兼具觀賞價值以及經(jīng)濟(jì)價值[2-3]。草本植物與木本植物是我們在生活中常見的植物類型，而木本植物由于其莖葉的高度木質(zhì)化對自身具有一定的保護(hù)作用，所以生命力更頑強(qiáng)。相較之下，草本植物在遭受逆境脅迫時生長受限的問題更為嚴(yán)重。過于強(qiáng)烈的光照、持續(xù)性的降雨、肥力較弱的土層條件、以及輕、中、重度的鹽漬土壤條件等均會抑制草本植物的生長，甚至致使其死亡。全世界約有9.5×10 hm2鹽漬土壤，而這種比例每年還在持續(xù)的上升。同時我國的土壤情況也不容樂觀，由于降水量較少，灌溉措施不合理，土壤水分的蒸發(fā)量又相對較大，導(dǎo)致鹽分易在地表聚集，我國鹽漬化土地已達(dá)到現(xiàn)有耕地面積的10%。由此可見，土壤鹽漬化既是我國也是世界性的生態(tài)和資源問題[4]，這是目前為止在世界上對草本植物生長具有最大影響作用的環(huán)境因素之一。土壤過分鹽漬化不僅會對植物的株高、葉型、葉色等形態(tài)特性造成一定的影響，甚至對未萌發(fā)的種子也能產(chǎn)生一定的抑制作用，這種抑制作用的結(jié)果可能會因鹽脅迫程度的不同而存在差異。通常情況下，輕度鹽脅迫會使草本植物種子的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損，其功能也會發(fā)生改變，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)降低，出苗時間延緩，不利于植物的生長；而重度鹽脅迫則會直接導(dǎo)致草本植物的種子因喪失活力而無法萌發(fā)，同時也會引發(fā)草本植物一系列的生理代謝紊亂，如體內(nèi)氨積累過多而產(chǎn)生氨害、光合速率降低、植物葉片氣孔關(guān)閉等，甚至致使其幼苗的死亡[5]。因此，提高草本植物種子及幼苗抗鹽脅迫的能力成為近些年重點(diǎn)的研究課題。

水楊酸（salicylic acid，SA）是植物體內(nèi)一類重要的酚類化合物，在植物應(yīng)對脅迫過程中發(fā)揮信號分子作用[6]，可以參與并調(diào)控草本植物體內(nèi)部一些重要的生理代謝活動，強(qiáng)化植物抗逆性以及誘導(dǎo)防御反應(yīng)的發(fā)生。早在1828 年植物學(xué)研究者們便已經(jīng)對SA 進(jìn)行了分離和提純，雖然對SA 的發(fā)現(xiàn)較早，但并沒有進(jìn)行較為深入的探討，直至20 世紀(jì)60 年代，研究者們才又一次將目光聚焦到SA 類物質(zhì)上。在近些年的一些研究中發(fā)現(xiàn)外施SA 具有提高草本植物對于非生物脅迫抗性的作用[7]，如對香水百合加施一定濃度的SA，可有效緩解低溫對其產(chǎn)生的危害，并提高其超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）活性[8]；外源SA 能誘導(dǎo)德國鳶尾SOD和POD 活性提高，并提高其耐鹽性[9]。研究發(fā)現(xiàn)SA不僅具有誘導(dǎo)草本植物種子產(chǎn)生耐鹽性的作用[10-13]，還能促進(jìn)草本植物種子萌發(fā)及幼苗生長[14-16]。同時，與傳統(tǒng)誘導(dǎo)物質(zhì)相比SA 具有方便高效、無毒無害、無殘留等優(yōu)點(diǎn)，在誘導(dǎo)植物抗性的同時不會對環(huán)境造成二次污染。因此，探究SA 對鹽脅迫下草本植物種子萌發(fā)及幼苗生長的誘導(dǎo)作用機(jī)理，能為我國鹽堿地區(qū)草本植物的品種應(yīng)用、土壤修復(fù)和園林綠化提供一定的理論依據(jù)。

1 SA 對鹽脅迫下草本植物種子萌發(fā)的影響

鹽分濃度對于草本植物種子萌發(fā)的影響主要體現(xiàn)在增效效應(yīng)、負(fù)效效應(yīng)以及完全阻抑效應(yīng)。其中低濃度鹽分能促進(jìn)草本植物種子的萌發(fā)，隨著鹽濃度的上升，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)以及活力指數(shù)都隨之減小，而過高的鹽濃度則會對種子萌發(fā)起抑制作用[17]。在鹽脅迫對堿茅種子萌發(fā)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，在鹽濃度低于0.54 g·100-1mL 時，堿茅種子的累積發(fā)芽率隨其升高呈上升趨勢；鹽濃度在0.54～0.72 g·100-1mL 之間時，種子發(fā)芽率處于穩(wěn)定狀態(tài)；而在0.72～4.74 g·100-1mL 之間時，堿茅種子的萌發(fā)總曲線隨鹽濃度的升高卻持續(xù)下降；當(dāng)高于4.74 g·100-1mL 時種子發(fā)芽率逐漸趨向于零[18]。在對粉色波斯菊的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)NaCl 濃度為15 mmol·L-1時，發(fā)芽率為76.67%，高于對照組的46.67%；而當(dāng)NaCl 濃度大于35 mmol·L-1時，種子的萌發(fā)率、發(fā)芽勢均顯著降低[4]。在對星星草的研究中發(fā)現(xiàn)低于0.6 g·100-1mL 的鹽濃度能促進(jìn)種子萌發(fā)；而鹽濃度介于0.7～3.6 g·100-1mL 之間時，種子的萌發(fā)率和累積發(fā)芽率明顯下降；鹽濃度高于3.7 g·100-1mL 會抑制星星草種子的萌發(fā)[19]。對于黑麥草、高羊茅和早熟禾[20]等草本植物的相關(guān)研究中也得到了與相似的結(jié)果。

SA 對鹽脅迫下草本植物的種子萌發(fā)具有一定促進(jìn)作用，但這種促進(jìn)作用會因植物種類以及鹽脅迫程度的不同存在一定的差異性，如在對百日草[21]、花椰菜[13]、小麥[11]、紫蘇[22]、小黑麥[23]、黃瓜[24]、孔雀草[25]的研究中發(fā)現(xiàn)外施SA 對種子的萌發(fā)均有一定的促進(jìn)作用，但是SA 的最適誘導(dǎo)濃度存在一定差異。在SA 對鹽脅迫下三角濱藜種子[26]和幼苗抗鹽能力影響的研究中發(fā)現(xiàn)，對照組SA 能夠提高三角濱藜種子的萌發(fā)率，但在鹽脅迫下卻促進(jìn)了鹽害對種子的抑制作用。在SA 對鹽脅迫下廣藿香種子萌發(fā)和幼苗生長的研究中發(fā)現(xiàn)[16]，一定濃度范圍內(nèi)的SA 可有效緩解廣藿香的鹽害程度，而0.5 mmol·L-1SA 處理卻加劇了鹽脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用。造成這些差異的原因可能是植物的抗鹽能力和耐受性不同。

2 SA 對鹽脅迫下草本植物幼苗生長的影響

通常在土壤含鹽量超過0.2%～0.25%時，就會對植物造成鹽分脅迫，使植物生長會產(chǎn)生異常狀況，如植株矮小，葉片過小而呈暗綠色、似干旱缺水狀態(tài)。在鹽脅迫下，草本植物會在形態(tài)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生相應(yīng)的改變來適應(yīng)環(huán)境。鹽脅迫對草本植物最明顯最普遍的作用就是抑制生長[27]。不同程度的鹽分脅迫使小麥幼苗、芙蓉葵株高生長量下降，同時降低了芙蓉葵的莖粗增長量[28]。隨著NaCl 濃度的升高，番茄的株高、根長顯著降低；隨著鹽處理時間的增加，新發(fā)根數(shù)逐漸減少[29]。在鹽脅迫對蘆薈幼苗生長情況影響的研究中發(fā)現(xiàn)，其葉片的生長速率以及干物質(zhì)的積累量顯著降低[30]。鹽脅迫下雪菊幼苗株高、根長、根干鮮重、地上部干鮮重均隨鹽濃度的升高而降低[31]。但對高羊茅鹽脅迫研究中發(fā)現(xiàn)，低鹽脅迫對幼苗地上部分和根系的鮮重、干重和含水量影響不大，而高鹽環(huán)境會嚴(yán)重影響其幼苗的生長，且對其地上部分的抑制作用要大于根部[32]。

鹽脅迫下，外源SA 對植物幼苗生長的促進(jìn)作用隨其濃度的升高而降低。SA 緩解鹽脅迫對草本植物幼苗生長影響的最佳濃度因植物種類的不同而有所差異。研究發(fā)現(xiàn)，外施0.25 mmol·L-1SA 能有效提高苜蓿幼苗的株高、根長和鮮重[33]；0.6 mmol·L-1SA 對鹽脅迫下沙打旺幼苗株高和干重的增加效果最好[34]；而0.25 mmol·L-1的SA 為增強(qiáng)鹽脅迫下廣藿香幼苗的環(huán)境適應(yīng)能力的最佳濃度[16]。

3 SA 對鹽脅迫下草本植物種子及幼苗生理生化的影響

3.1 抗氧化酶系統(tǒng)

鹽脅迫時，植物往往會通過增加抗氧化酶的合成來抑制過氧化氫、超氧陰離子等過氧化物對細(xì)胞質(zhì)膜的膜脂過氧化作用[35]。SOD、POD、多酚氧化酶（PPOD）是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶類，其中SOD 和POD 可有效清除自由基，從而減少自由基對植物造成氧化損傷[36]。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用較低濃度的SA 處理草本植物種子及幼苗能提高其SOD、POD、PPOD 等的活性[37]，如外施0.25 mmol·L-1SA 誘導(dǎo)早熟禾能促進(jìn)CAT、POD、SOD 活性的提高[38]，0.05 mmol·L-1SA誘導(dǎo)小麥會促使其SOD、POD、PPOD 活性上升[39]，0.1 mmol·L-1SA 處理黃芪種子，其POD 活性提高最大[40]，但提高程度可能與植物體內(nèi)的抗氧化酶含量與內(nèi)源SA 水平有關(guān)。

丙二醛（MDA）是植物在鹽脅迫下膜脂過氧化的重要產(chǎn)物，其含量的高低可表明細(xì)胞膜損傷程度。研究發(fā)現(xiàn)，SA 處理能夠降低鳳仙花[41]、紫蘇[22]、紅花[42]、辣椒[43]等草本植物內(nèi)的MDA 含量，降低細(xì)胞膜通透性和膜脂過氧化作用，從而減少鹽脅迫對植物的損傷，增強(qiáng)草本植物對鹽脅迫的抗性。

3.2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

在自然界中，脅迫往往不是單一存在的，如鹽脅迫會使?jié)B透勢增高從而使土壤水勢降低，植物根系的吸水能力減弱，甚至倒流外滲，發(fā)生生理干旱[44]。在發(fā)生此類情況時細(xì)胞會通過滲透調(diào)節(jié)來降低細(xì)胞水勢等以維持正常的生理代謝活動，參與滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)主要有兩大類，其一是從外界進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)的無機(jī)離子，如Cl-、NO3-和無機(jī)鹽等，其二是細(xì)胞內(nèi)合成的有機(jī)物，如游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等[45]。

鹽脅迫促使生理干旱的發(fā)生，而水分的缺失導(dǎo)致植物對礦質(zhì)元素的吸收能力降低，從而使植物的滲透調(diào)節(jié)主要依靠大分子有機(jī)物[46]。藜麥在鹽脅迫過程中，可溶性糖、游離脯氨酸含量隨鹽濃度的升高和處理時間的延長而逐漸升高[47]。在對大穗結(jié)縷草、溝葉結(jié)縷草和日本結(jié)縷草的耐鹽性研究中發(fā)現(xiàn)，隨鹽濃度增加游離脯氨酸的含量呈上升趨勢[48]。游離脯氨酸作為主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，主要在細(xì)胞質(zhì)中累積，這一過程是植物在鹽脅迫下自身應(yīng)變出的防御性行為，同時也是其遭受逆境脅迫的一種信號[49]。可溶性糖可為物質(zhì)的合成提供能量基礎(chǔ)，作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物生長發(fā)育過程中十分重要。在對鹽脅迫下月見草滲透調(diào)節(jié)作用的研究中發(fā)現(xiàn)可溶性糖隨鹽濃度的升高而降低，游離脯氨酸含量的變化與其相反，而可溶性蛋白則呈先升后降的趨勢[50]。長春蔓在鹽脅迫過程中，隨著鹽濃度的增加，可溶性蛋白和游離脯氨酸含量先升后降，可溶性糖含量呈上升趨勢[51]。0.5～1.5 mmol·L-1SA 處理的花椰菜[13]游離脯氨酸、可溶性糖含量較高；1 mmol·L-1SA 處理的茄子幼苗[52]游離脯氨酸含量升高，外源SA 明顯增加了德國鳶尾[9]的可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，有效緩解了鹽脅迫對植物的危害。

3.3 植物激素

植物在生長發(fā)育過程中的細(xì)胞分裂、體積增大、形態(tài)建成等生長過程都與植物內(nèi)源激素水平密不可分，如生長素（IAA）可促進(jìn)植物側(cè)根和不定根的形成，赤霉素（GA）能促進(jìn)莖的伸長[53]。植物激素沒有明顯的專一性，一種激素能夠在多種生理效應(yīng)中進(jìn)行參與，而多種激素又可以調(diào)節(jié)同一生理過程[54]。

通常，處于鹽脅迫下的草本植物會通過改變自身內(nèi)源激素水平的方式來緩解脅迫所帶來的傷害。在對鹽脅迫下菊芋內(nèi)源激素調(diào)節(jié)的研究中發(fā)現(xiàn)，中度鹽脅迫下葉片和塊莖中IAA 和GA3 合成受到抑制，脫落酸（ABA）合成得到促進(jìn)[55]。鹽脅迫下油葵種子在萌發(fā)過程中ABA 含量隨鹽濃度升高產(chǎn)生先降低后升高的趨勢，而GA3 則相反[56]。鹽脅迫下植物體內(nèi)的ABA 含量可在短時間內(nèi)顯著增加[57]，而GA 和細(xì)胞分裂素（CTK）含量則有不同程度的降低。外源SA 可誘導(dǎo)小麥幼苗IAA 和CTK 含量增加，但同時抑制其ABA 含量[58]。在對外施SA 促進(jìn)百合鱗莖膨大和其內(nèi)源激素含量變化的研究中發(fā)現(xiàn)，ABA 和GA3 含量下降，IAA 含量上升[59]。外施SA 誘導(dǎo)甜菜提高其葉片IAA 和GA 的含量，降低ABA 含量[60]。

3.4 植物的光合作用和蒸騰作用

鹽脅迫會對葉綠體結(jié)構(gòu)和光合色素造成破壞，使葉綠素和葉綠素蛋白復(fù)合體含量下降，降低凈光合速率（Pn），從而影響植物的光合作用[61]。在鹽脅迫對啤酒大麥幼苗光合作用影響的研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度鹽分能顯著抑制其凈光合速率[62]。鹽脅迫下，隨著鹽濃度的升高，堿蓬和三角葉濱藜的凈光合速率顯著下降[63]。有研究發(fā)現(xiàn)，SA 能提高鹽脅迫下玉米葉綠素a、b 和類胡蘿卜素的含量，增強(qiáng)其光合能力[64]。孫德智研究表明SA 可誘導(dǎo)鹽脅迫下的番茄幼苗葉片光合速率、葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度的顯著升高[65]。在對鹽脅迫下外施SA 對黃瓜葉片光合參數(shù)調(diào)節(jié)作用的研究中發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度相比鹽脅迫對照都明顯提高[66]。

鹽脅迫引起植物葉片氣孔關(guān)閉，從而引發(fā)植物蒸騰速率下降。研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下，隨鹽濃度的增加，互花米草、結(jié)縷草、辣椒幼苗的氣孔阻力逐漸增大，蒸騰速率呈逐漸降低趨勢，但當(dāng)鹽濃度達(dá)到一定程度時，蒸騰速率變化不再明顯[67-69]。

4 SA 對鹽脅迫下草本植物種子及幼苗影響分子水平的研究

隨著分子生物學(xué)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的飛速發(fā)展，科研工作者利用基因沉默、定點(diǎn)突破技術(shù)探索出多種耐鹽基因，并通過分子克隆技術(shù)將其克隆出來。此外，還通過研究調(diào)控耐鹽基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子來增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽性[70]。將從鹽角草中得到的Se NHX1 基因轉(zhuǎn)入煙草中獲得鹽脅迫下生長良好的轉(zhuǎn)基因煙草[71]。將酵母海藻糖-6-磷酸合成酶（trehalose-6-phosphate synthase，TPS）基因TPS1 和海藻糖-6-磷酸磷酸酶（trehalose-6-phosphate phosphatase，TPP）基因TPS2 融合轉(zhuǎn)入紫花苜蓿中表達(dá)，獲得耐鹽性明顯增強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因紫花苜蓿[72]。當(dāng)今由于草本植物自身可利用抗性基因較少，導(dǎo)致草本植物中的抗非生物脅迫基因大都來自于作物或模式植物，從而引發(fā)了一些相關(guān)抗性基因在特定植物類群表達(dá)優(yōu)良，但轉(zhuǎn)入草本植物中抗逆能力下降的現(xiàn)象[73]。近些年有研究發(fā)現(xiàn)非生物脅迫和SA 具有誘導(dǎo)特殊基因表達(dá)的作用，如包括鹽脅迫在內(nèi)的部分非生物脅迫和SA 能夠誘導(dǎo)TOP2[74]、AtPLAⅡA[75]等基因的表達(dá)，說明SA 有可能通過誘導(dǎo)基因的表達(dá)來提高植物對非生物脅迫的抗性。但目前對于通過外施SA 來提高草本植物耐鹽性分子水平影響的研究還有待增加和深入。

5 建議

鹽脅迫使草本植物的生態(tài)價值、觀賞價值以及經(jīng)濟(jì)價值產(chǎn)生不同程度的降低，外源SA 誘導(dǎo)為草本植物種子及幼苗抗鹽能力的改善提供了新的思路，但是由于植物內(nèi)源生理生化代謝作用較為復(fù)雜，若要將此應(yīng)用于實踐，還需要進(jìn)行更為深入的探討。目前，針對外源SA 緩解鹽脅迫對草本植物種子和幼苗的影響已經(jīng)有了一些結(jié)論：SA 對草本植物種子和幼苗的抗鹽能力存在一定的促進(jìn)作用，但這種促進(jìn)作用會因植物種類、耐受性、處理時間、處理方式和鹽濃度的不同等因素而存在一定的差異性。同時筆者在總結(jié)前人的理論與經(jīng)驗時發(fā)現(xiàn)一些問題：1）目前此類誘導(dǎo)抗鹽性的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)作物上，對于觀賞性草本植物的研究較少；2）外源物質(zhì)的種類及施用方式較多，不同種類以及不同施用方法對植物誘導(dǎo)作用的影響情況尚不明確；3）轉(zhuǎn)基因植物可能會對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，在轉(zhuǎn)基因耐鹽草本植物實地應(yīng)用之前應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)安全測評工作。