鹽生植物耐鹽性研究進(jìn)展

薛瓊瓊，趙露露，王云霞，趙 猛

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004)

鹽分對植物是一種主要的環(huán)境脅迫因子，耕地鹽漬化的加劇將對全球造成嚴(yán)重影響。據(jù)估計(jì)，到21世紀(jì)中葉，大約有50%的耕地可能因土壤鹽漬化而遭到破壞[1]。土壤鹽漬化會對植物造成生長效率降低、光合作用減弱和產(chǎn)量減少等影響。大多數(shù)植物不能耐受土壤中的高鹽含量，但鹽生植物是可以在含鹽量為70mmol/L以上的土壤中正常生長并完成生活史的植物[2-3]，例如白刺(Nitrariatangutorum)，檉柳(Tamarixchinensis)，芨芨草(Achnatherumsplendens)和黃花補(bǔ)血草(Limoniumaureum)等[4]。本文重點(diǎn)討論了鹽生植物的分類、鹽漬化對植物的影響及耐鹽機(jī)制的研究進(jìn)展，旨在為今后鹽生植物及其耐鹽機(jī)制研究提供相關(guān)依據(jù)。

1 鹽生植物分類及基本特征

1.1 假鹽生植物

假鹽生植物是一類能夠?qū)Ⅺ}分積累在液泡的植物，主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)和沙蒿(Artemisiadesertorum)等[5-6]。它們的根外皮層栓質(zhì)化，主要由不透水、不透氣的角質(zhì)組成，因此溶解于土壤水分中的鹽分難以進(jìn)入根中。莖的表皮切向壁表面具有發(fā)達(dá)的角質(zhì)層，維管束呈星散分布；葉上表皮的表皮毛較多，氣孔下陷；葉肉細(xì)胞排列疏松，細(xì)胞間隙較大，葉脈維管束鞘有兩層細(xì)胞[6]。在NaCl處理下，假鹽生植物通過降低葉片水分含量來應(yīng)對外部滲透壓的增加。此外，假鹽生植物還在細(xì)胞內(nèi)積累相容性溶質(zhì)和無機(jī)離子進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)。細(xì)胞質(zhì)中的脯氨酸、可溶性糖和甜菜堿等相容性溶質(zhì)可以通過保持穩(wěn)定的滲透壓來防止脫水，也可以保護(hù)蛋白質(zhì)和核酸等大分子不變性。隨著鹽度的增加，無機(jī)離子的積累也有助于滲透調(diào)節(jié)。大多數(shù)積累的無機(jī)離子被分隔在液泡中，以避免細(xì)胞質(zhì)中的離子毒性[7]。

1.2 真鹽生植物

真鹽生植物是一類將鹽離子積累在肉質(zhì)化組織和液泡中的植物，顯著的特征之一是莖葉肉質(zhì)化，代表植物有鹽角草(Salicorniaeuropaea)和堿蓬(Suaedaglauca)等[5]。這類植物莖、葉部肉質(zhì)化，鹽分隔離在細(xì)胞特定區(qū)域，使植株體內(nèi)鹽濃度降低[8]。這為植物體內(nèi)釋放有毒離子提供了更大的空間，且增加了植物的總含水量，對于平衡離子毒性至關(guān)重要[9]。堿蓬具有較高的Na+和Cl-積累能力，這與液泡膜H+-ATPase和H+-PPase的高活性有關(guān)[10]。在200mM NaCl下生長的堿蓬，其液泡中Na+和Cl-的濃度大約是細(xì)胞質(zhì)中的四倍[11]。

1.3 泌鹽鹽生植物

泌鹽鹽生植物是一類可通過鹽腺泌出體內(nèi)鹽分的植物。根據(jù)其泌鹽結(jié)構(gòu)和機(jī)理的不同，鹽腺可分為四類：鹽囊泡、多細(xì)胞鹽腺、雙細(xì)胞鹽腺和單細(xì)胞鹽腺[12]。

鹽囊泡通常由柄細(xì)胞和膨大的泡狀細(xì)胞組成，柄細(xì)胞內(nèi)有豐富的胞間連絲，分別與泡狀細(xì)胞和相鄰的葉肉細(xì)胞相連，且表皮細(xì)胞上覆有角質(zhì)層。鹽離子被隔離在泡狀細(xì)胞的大液泡中，以濱藜(Atriplexpatens)為代表性植物[13]。

多細(xì)胞鹽腺呈球形或盤狀結(jié)構(gòu)，由基底收集細(xì)胞和遠(yuǎn)端分泌細(xì)胞構(gòu)成。整個(gè)結(jié)構(gòu)常陷入表皮中，使分泌細(xì)胞的表皮處于或低于細(xì)胞表皮水平[12]。收集細(xì)胞與周圍的葉肉細(xì)胞間有許多胞間連絲，收集細(xì)胞利用滲透梯度，從鄰近的葉肉細(xì)胞收集鹽離子，并將其輸送到分泌細(xì)胞。分泌細(xì)胞除了與收集細(xì)胞接觸的部分外均被角質(zhì)層包圍，防止鹽通過質(zhì)外體泄漏回鄰近組織[14]。分泌細(xì)胞的內(nèi)表面向內(nèi)突起，增加了表面積，且頂部的角質(zhì)層上有孔，鹽可以通過這些孔排出細(xì)胞，以二色補(bǔ)血草(Limoniumbicolor)為代表性植物[15]。

雙細(xì)胞鹽腺由一個(gè)基底收集細(xì)胞和一個(gè)帽細(xì)胞組成，二者通過胞間連絲相連。帽細(xì)胞和基底細(xì)胞中都充滿了許多儲存鹽分的小液泡。研究發(fā)現(xiàn)這些液泡可以與帽細(xì)胞的質(zhì)膜融合，并將其內(nèi)容物釋放到帽細(xì)胞頂部外的空間[16]。帽細(xì)胞被一層角質(zhì)層覆蓋，其上有孔。帽細(xì)胞和角質(zhì)層之間有一個(gè)間隙，形成一個(gè)可以積聚鹽分的空腔，鹽分可通過角質(zhì)層的孔分泌出來，以大米草(Spartinaanglica)為代表性植物[17]。

單細(xì)胞鹽腺有大液泡和很少的細(xì)胞器，具分泌毛。當(dāng)鹽分在分泌毛中積累時(shí)，會導(dǎo)致尖端破裂，將鹽分釋放。土壤鹽含量下降時(shí)分泌毛會重新生長[18]。植物為適應(yīng)外界的鹽分水平，可自我調(diào)節(jié)分泌毛的類型和數(shù)量[12]。鹽分在分泌毛中的傳輸類似于雙細(xì)胞鹽腺，但鹽分的釋放與鹽囊泡相似，以Porteresiacoarctata為代表性植物[14]。

2 土壤鹽漬化對植物的影響

2.1 生長效率與產(chǎn)量

土壤中的鹽分會降低植物吸收水分的能力，抑制葉片和根的生長，導(dǎo)致植物生長緩慢，生長速率降低。鹽分還可能進(jìn)入蒸騰流，進(jìn)一步傷害葉片中的細(xì)胞，最終降低生長速率[19]，可能的原因是鹽負(fù)荷超過了細(xì)胞在液泡中分隔鹽的能力。鹽分會在細(xì)胞中迅速積累造成細(xì)胞脫水，并抑制酶的活性，過高的鹽濃度增加了土壤的滲透勢，限制了植物吸收水的能力[20]。鹽脅迫會抑制植物育性，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降，這可能是由于營養(yǎng)生長中碳水化合物供應(yīng)的差異競爭和對發(fā)育中花序的限制供應(yīng)?；ǚ墼邴}脅迫下的生存力降低也可能導(dǎo)致結(jié)實(shí)失敗[21]。

2.2 離子毒性

土壤Na+含量高會導(dǎo)致K+缺乏癥，K+是活細(xì)胞的首選無機(jī)陽離子，但土壤中的K+濃度幾乎總是低于細(xì)胞中的，這意味著植物必須使用離子轉(zhuǎn)運(yùn)體主動吸收和濃縮K+。由于K+和Na+的相似性，許多K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白無法區(qū)分兩種離子，導(dǎo)致Na+含量高于K+，過量的外源Na+不僅會影響植物對K+的攝取，而且會使Na+在植物細(xì)胞中過量積累，產(chǎn)生毒性[22]。毒性癥狀可能首先表現(xiàn)為葉尖灼熱，然后出現(xiàn)葉尖和邊緣壞死[23]。土壤中高濃度的Cl-對植物也有毒害作用[24]。Cl-是葉綠素的輔助因子，也是維持膨壓的抗衡離子。葉片中高濃度的Cl-會干擾光合作用，導(dǎo)致葉片燒傷，最終壞死掉落[25]。在鹽生植物中，隨著Na+不斷增加，Ca+和Mg+的吸收也會減少，偶爾會出現(xiàn)碳同化現(xiàn)象。當(dāng)鹽濃度達(dá)到600 mM時(shí)，一些基本元素如銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)和鋅(Zn)在植物的所有部位都顯著積累[26]。

2.3 光合作用

鹽脅迫下葉綠體積累大量Na+和Cl-時(shí)，類囊體腫脹，葉綠體外膜解體，光合作用受到抑制[27]。鹽脅迫下葉綠素酶的活性提高，加速了葉綠素降解，同時(shí)葉綠素合成受到抑制，導(dǎo)致葉綠素含量下降[28]。在高鹽濃度處理下，水稻(Oryzasativa)和綠豆(Vignaradiata)的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均不同程度減少，這可能與膜劣化有關(guān)[29-30]；而柑橘(Citrusreticulata)和大麥(Hordeumvulgare)的生長與光系統(tǒng)II的效率、電子傳輸鏈效率和CO2的同化率顯著相關(guān)[31-32]。

2.4 滲透壓

植物通過調(diào)控不同組織中的鹽濃度來維持細(xì)胞功能。土壤中的水通過根系細(xì)胞到達(dá)木質(zhì)部，由葉表面蒸騰的負(fù)壓和毛細(xì)作用向上輸送水分。吸水首先取決于滲透梯度，與周圍的土壤相比，由于根內(nèi)部的滲透勢較高，水進(jìn)入植物。在鹽漬化土壤中，這種滲透梯度會降低甚至逆轉(zhuǎn)，水分不會輕易地進(jìn)入根部[14]。鹽濃度的增加會干擾植物從土壤中吸收水分和保持細(xì)胞膨脹的能力[33]。植物體內(nèi)的水勢下降時(shí)，液泡中的液體流失，植物就會枯萎，這種類似干旱的信號會誘導(dǎo)植物重新調(diào)整滲透梯度，使細(xì)胞水勢維持正常狀態(tài)[24]。

3 鹽生植物耐鹽機(jī)制

3.1 鹽脅迫下離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

3.1.1 鹽脅迫下離子的吸收

植物的正常細(xì)胞功能需要較高的K+/Na+比值。在較高的Na+濃度下，Na+誘導(dǎo)的膜去極化會導(dǎo)致K+通過去極化激活的KOR通道流出，這是細(xì)胞中K+缺乏的主要原因[34]。鹽脅迫期間活性氧(ROS)的積累也可能導(dǎo)致K+通過非選擇性陽離子通道(NSCCs)滲漏[35]。Na+還可能有阻斷K+特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的毒性作用，并誘導(dǎo)蛋白質(zhì)構(gòu)象改變且失活[1，36]。根內(nèi)存在多種Na+內(nèi)流途徑。鹽脅迫下，Na+通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和陽離子通道進(jìn)入細(xì)胞。一些轉(zhuǎn)運(yùn)突變體減少了Na+在植物細(xì)胞中的積累[37]。Ca2+滲透性非選擇性陽離子通道包括環(huán)核苷酸門控通道(CNGC)和谷氨酸樣受體(GLR)家族，對Na+具有滲透性，可能是Na+進(jìn)入細(xì)胞的入口點(diǎn)。鹽脅迫下，K+的獲取和分布，對維持離子穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[38]，因?yàn)镵+在植物細(xì)胞中的積累平衡了Na+積累的毒性效應(yīng)[39]。內(nèi)向整流K+通道和外向整流K+通道被認(rèn)為是植物細(xì)胞長期凈K+選擇性內(nèi)流和K+外排的機(jī)制，也可能有降低Na+毒性的作用[40]。在高鹽濃度的土壤環(huán)境中，與Cl-相比，Na+的擴(kuò)散速度更快，導(dǎo)致膜電位發(fā)生變化，Cl-經(jīng)質(zhì)膜的陰離子通道，沿其跨膜電化學(xué)梯度進(jìn)入植物根系細(xì)胞[41]。

3.1.2 鹽脅迫下離子的轉(zhuǎn)運(yùn)及調(diào)控

鹽生植物通過對特定離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)的上調(diào)和下調(diào)，控制了整個(gè)植物體內(nèi)的Na+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[42]。HKT、NHXs和CHX等植物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對Na+和K+的轉(zhuǎn)運(yùn)起重要作用[43]。HKT轉(zhuǎn)運(yùn)體定位于木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的質(zhì)膜中，參與了植物木質(zhì)部Na+外排的長距離運(yùn)輸，分為I類和II類，分別介導(dǎo)了Na+選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)和Na+/K+共轉(zhuǎn)運(yùn)[44]。在高鹽環(huán)境下，它們可以傳遞Na+，降低細(xì)胞電化學(xué)電位。NHXs參與了植物細(xì)胞為維持細(xì)胞質(zhì)中低Na+水平而排出Na+的過程，在調(diào)節(jié)pH、Na+和K+內(nèi)環(huán)境平衡和細(xì)胞體積方面起著重要作用[41]。植物的NHX反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包括一組異質(zhì)的膜蛋白NHX1-8[45]：液泡NHX1-4反轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)Na+進(jìn)入液泡，降低了細(xì)胞質(zhì)中Na+的濃度；內(nèi)質(zhì)體NHX5-6參與囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)和維持體內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)；質(zhì)膜NHX7-8反轉(zhuǎn)運(yùn)體(SOS1)利用跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度的能量將Na+轉(zhuǎn)移到質(zhì)外體[46]。另一種Na+轉(zhuǎn)運(yùn)體CHX只在根內(nèi)皮層的細(xì)胞膜中被發(fā)現(xiàn)[47]。鹽脅迫下，進(jìn)入植物細(xì)胞的Cl-最終會從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外或積累于液泡中。Cl-通過質(zhì)膜或液泡膜上的陰離子通道轉(zhuǎn)運(yùn)，運(yùn)動方向由其跨膜電化學(xué)梯度方向決定，而跨膜電化學(xué)梯度又取決于H+-ATP酶或H+-焦磷酸酶的活性。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白一旦激活，將導(dǎo)致膜超極化，刺激Cl-轉(zhuǎn)運(yùn)[41]。

3.2 鹽脅迫下相容性溶質(zhì)的調(diào)節(jié)

土壤中鹽含量的增加，導(dǎo)致流向植物根部的水減少。在這種情況下，需要相容性溶質(zhì)對植物細(xì)胞進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)[48]。相容性溶質(zhì)提高植物的滲透耐受性，保護(hù)酶不發(fā)生變性，保證細(xì)胞膜和大分子的穩(wěn)定性[49]。相容性溶質(zhì)通常具有親水性，可以取代蛋白質(zhì)或膜表面的水。它們即使在高濃度下也不影響細(xì)胞功能，還可以通過清除活性氧來保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)[50]。目前在鹽生植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一系列相容性溶質(zhì)，如脯氨酸、甘氨酸甜菜堿、可溶性糖和可溶性蛋白等[51]。

在許多鹽脅迫和缺水的植物中都發(fā)現(xiàn)了大量的脯氨酸。在馬齒莧(Portulacaoleracea)中，長時(shí)間的高鹽作用導(dǎo)致脯氨酸濃度顯著升高[52]。在沙蒿的游離氨基酸中，脯氨酸含量占氨基酸總量的82%[53]。脯氨酸的積累通常發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，在滲透調(diào)節(jié)中起重要作用[54]。脯氨酸積累在鹽脅迫開始后迅速發(fā)生，表明這種積累最初是針對鹽脅迫的反應(yīng)，而不是針對與耐受性相關(guān)的植物的反應(yīng)[55]。脯氨酸可誘導(dǎo)鹽脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)，其啟動子中含有脯氨酸響應(yīng)元件(如PRE和ACTCAT)[56]。脯氨酸還有助于穩(wěn)定亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，清除自由基，并維持NADP+/NADPH比值穩(wěn)定，從而與代謝相適應(yīng)[57]。

甘氨酸甜菜堿(GB)是一種季銨化合物，極易溶于水，可作為一種滲透保護(hù)劑，抵消液泡中的高濃度鹽。它是一種穩(wěn)定的滲透液，在脫水脅迫下具有保護(hù)植物大分子的作用[58]。GB存在于禾本科(Poaceae)和莧科(Amaranthaceae)的鹽生植物中[59]，它的分子特征使其不僅可以作為滲透調(diào)節(jié)劑，還可以與蛋白質(zhì)復(fù)合物和酶等大分子相互作用，從而穩(wěn)定大分子的結(jié)構(gòu)和活性，保持膜完整性[49]。

可溶性糖是調(diào)節(jié)與植物生長和發(fā)育相關(guān)過程的信號分子，參與鹽脅迫途徑調(diào)節(jié)，對鹽生植物的滲透調(diào)節(jié)具有重要意義。有研究發(fā)現(xiàn)，高鹽濃度下，濱藜中存在大量的可溶性糖作為滲透調(diào)節(jié)劑，且具有相容性溶質(zhì)和抗氧化劑的功能[60]。

據(jù)報(bào)道，在鹽脅迫下大麥、向日葵(Helianthusannuus)、水稻和黍(Panicummiliaceum)等耐鹽品種的可溶性蛋白質(zhì)含量較高?？扇苄缘鞍椎脑黾涌赡苁怯捎陬悵B透調(diào)節(jié)蛋白或結(jié)構(gòu)蛋白，尤其是參與細(xì)胞壁修飾蛋白的合成?？扇苄缘鞍踪|(zhì)的積累可能為N提供一種儲存形式，當(dāng)脅迫結(jié)束時(shí)，N被重新利用，且可能在滲透調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用[61]。

3.3 鹽脅迫下植物激素的調(diào)節(jié)

鹽脅迫導(dǎo)致滲透脅迫和水分虧缺，增加了莖和根中脫落酸的產(chǎn)生[62]。脫落酸是一種重要的細(xì)胞信號，調(diào)節(jié)高濃度鹽和水分虧缺響應(yīng)基因的表達(dá)，可以改善逆境效應(yīng)[63]。脫落酸的積累可以減輕鹽分對光合作用、生長速率和同化物轉(zhuǎn)運(yùn)的抑制作用。脫落酸積累與耐鹽性之間的正相關(guān)歸因于K+、Ca2+和相溶性溶質(zhì)在根系液泡中的積累，這些物質(zhì)會抵消Na+和Cl-的吸收[64]。

有報(bào)道稱用細(xì)胞分裂素培育種子可以提高植物的耐鹽性[65]。細(xì)胞分裂素產(chǎn)生于植物的根尖和發(fā)育中的種子。它們通過木質(zhì)部從根轉(zhuǎn)移到莖，調(diào)節(jié)植物的發(fā)育和生長過程[66]。在鹽脅迫條件下，根系中細(xì)胞分裂素生物合成的減少，以及隨后地上部細(xì)胞分裂素供應(yīng)的減少可能會改變基因表達(dá)，從而改善鹽脅迫造成的影響[67]。

生長素調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育，有助于維管組織發(fā)育、細(xì)胞伸長、器官發(fā)生和頂端優(yōu)勢。許多證據(jù)表明生長素參與了植物對鹽脅迫的響應(yīng)[68-69]。鹽脅迫通過改變生長素的積累及再分配，重塑根系結(jié)構(gòu)[70]。用生長素對普通小麥(Triticumaestivum)種子進(jìn)行預(yù)處理或后處理，可以大大減輕鹽分對小麥種子萌發(fā)和早期成苗的不利影響[71]。

其他一些具有激素性質(zhì)的化合物，如水楊酸(SA)和油菜素甾體(BR)，也參與植物非生物脅迫反應(yīng)[72]。鹽脅迫下，水稻幼苗內(nèi)源SA水平隨著水楊酸合成酶活性的提高而增加[73]。BR增強(qiáng)了抗氧化酶的活性以及非酶抗氧化化合物的積累[74]。BR和SA在植物界普遍存在，以多種方式影響植物的生長發(fā)育，提高植物的抗逆能力[63]。

4 展 望

近年來，土壤鹽漬化情況加劇，對植物耐鹽性的研究迫在眉睫。我們應(yīng)當(dāng)結(jié)合鹽生植物解剖學(xué)和耐鹽生理特征，進(jìn)一步探索鹽生植物耐鹽生理過程；繼續(xù)進(jìn)行鹽生植物參與耐鹽過程的相關(guān)基因、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和離子通道的相關(guān)研究，加強(qiáng)對鹽生植物耐鹽性分子機(jī)制的了解。此外，我們應(yīng)將近年來快速發(fā)展的轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于高耐鹽新作物的培育，以適應(yīng)特殊的高鹽生境。這些研究將對提高植物耐鹽性有很大的幫助，有助于人類對植物耐鹽性這種特殊能力的進(jìn)一步了解和開發(fā)利用。