鹽脅迫下調(diào)控玉米胞內(nèi)Na＋／K＋比穩(wěn)定的主要機(jī)制與措施

李明，冷冰瑩，張晗菡，劉霞

（1.山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所／小麥玉米國家工程實(shí)驗(yàn)室／農(nóng)業(yè)部黃淮海北部玉米生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100）

目前土壤鹽漬化面積逐年擴(kuò)大問題受到國內(nèi)外研究者持續(xù)關(guān)注。全世界有近50%的灌溉土受到不同程度的鹽漬威脅，我國鹽漬土面積超過總耕地面積的20%［1］。玉米是我國第一大作物，在食用、飼用及工業(yè)原料供給等方面作出突出貢獻(xiàn)［2］。玉米可以承受的極限鹽度僅在0.0017 mol／L左右，鹽害顯著影響玉米的生長與生產(chǎn)［3］。多元醇類物質(zhì)、激素與營養(yǎng)元素在玉米應(yīng)答鹽脅迫過程中起到保護(hù)作用，其中鉀素是玉米生長發(fā)育所必需的主要營養(yǎng)元素之一，鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在植物獲得K＋與維持Na＋／K＋比穩(wěn)定的過程中起著重要作用；鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與CBLs和CIPKs蛋白在逆境應(yīng)答的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中作用顯著，并且CBLs與CIPKs蛋白調(diào)控某些鉀轉(zhuǎn)運(yùn)通道活性，并參與玉米K＋吸收和再分配過程，對胞內(nèi)Na＋／K＋比的調(diào)控作用表現(xiàn)出關(guān)聯(lián)性［4］。因此，玉米內(nèi)外源有機(jī)物應(yīng)答鹽脅迫的機(jī)制與培育優(yōu)良耐鹽玉米品種問題亟待解決，這對于鹽堿地的開發(fā)和利用也至關(guān)重要。

1 鹽脅迫對玉米的危害

鹽脅迫影響玉米從種子發(fā)芽到成熟各個(gè)生長發(fā)育環(huán)節(jié)，參與眾多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，包括光反應(yīng)、暗反應(yīng)、離子運(yùn)輸、滲透物質(zhì)積累等生理生化反應(yīng)［5］。土壤鹽分的過量積累主要源于營養(yǎng)富集和氧化反應(yīng)引起的滲透脅迫與離子毒害，進(jìn)而引發(fā)酶的失活、抑制蛋白質(zhì)的合成、電解質(zhì)滲漏增加、脂質(zhì)過氧化、光合色素降解和膜系統(tǒng)損傷［6，7］。

玉米受到鹽脅迫時(shí)最早發(fā)出的信號是滲透脅迫，一般是從生理水平導(dǎo)致植株干旱，引起根部細(xì)胞的質(zhì)壁分離［5］，表現(xiàn)出葉片失水和氣孔孔徑減?。?］，并引發(fā)細(xì)胞離子失衡［9］。高滲透脅迫引起Na＋和Cl－失衡，導(dǎo)致膜質(zhì)分離、細(xì)胞器功能喪失和離子外流［10］。離子失衡破壞細(xì)胞膜透性及功能，限制正常新陳代謝，導(dǎo)致玉米死亡［11］。

1.1 高鹽環(huán)境對玉米表型的影響

在高鹽脅迫逆境中，玉米葉片的光合速率、根系水分和養(yǎng)分的吸收率降幅顯著，因而植株往往矮小脆弱，葉面積停滯擴(kuò)張，葉片狹長［12］；基部黃葉指數(shù)增加、葉色多呈黃綠色，隨著高鹽脅迫的持續(xù)作用，葉片因水分不足而萎蔫，形態(tài)上表現(xiàn)出枯黃、向內(nèi)卷曲，加速玉米植株的死亡［12，13］；果穗頂部開始出現(xiàn)部分裸露、禿尖、缺粒干癟、畸形穗［14］；莖稈橫、縱向生長遲緩，莖稈單薄易倒伏；根變短變粗，節(jié)根分支也明顯增多［13］。

1.2 鹽害影響玉米細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的變化

在鹽害逆境下，玉米干物質(zhì)積累效率開始降低，植株干鮮重不斷下降，細(xì)胞含水量與維生素C含量也大大減少［14］；根系活力比與氣孔導(dǎo)度呈顯著降低趨勢［15］。氣孔導(dǎo)度降低導(dǎo)致CO2濃度降低，也會使活性氧（ROS）水平增加［16］。ROS作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子在植物中起著重要作用。鹽脅迫引發(fā)植物產(chǎn)生的ROS失穩(wěn)，過量的ROS是脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)降解和DNA突變等毒性反應(yīng)的來源［17，18］。葉綠素占比隨著Na＋濃度的升高明顯降低，K＋和Ca2＋濃度也逐漸降低，可溶性蛋白、游離脯氨酸和可溶性糖含量逐漸升高［19］。鹽脅迫造成的活性氧增多，會進(jìn)一步損壞胞內(nèi)的脂質(zhì)及膜結(jié)構(gòu)，引起脫脂反應(yīng)和離子及有機(jī)物流失，蛋白質(zhì)與核酸也會因?yàn)镽OS的積累而被損害，限制其新陳代謝，加速細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)失衡，最終導(dǎo)致植株死亡［20，21］。

2 玉米應(yīng)答鹽脅迫的生理生化機(jī)制

鈉鹽在土壤鹽分種類中含量豐富，研究表明，Na＋作為鹽脅迫起主要作用的陽離子，對物質(zhì)運(yùn)輸、離子平衡以及H＋-ATPase酶活性都有較強(qiáng)的抑制作用，尤其使核質(zhì)膜的H＋-ATPase活性顯著降低，導(dǎo)致pH值梯度減小，限制細(xì)胞分裂和伸長［22］。

高濃度的Na＋會影響細(xì)胞質(zhì)膜的K＋吸收。為維持K＋穩(wěn)定吸收、避免鹽環(huán)境下離子紊亂，玉米細(xì)胞胞漿中的代謝酶必須保持低Na＋、高K＋的濃度水平［23］。所以探究鈉鹽的輸出轉(zhuǎn)運(yùn)以及Na＋、K＋互作關(guān)系尤為重要［24］。為適應(yīng)脅迫生長環(huán)境，植物一般通過調(diào)動自身內(nèi)源物質(zhì)，并通過外源激素協(xié)助等生命活動維持離子穩(wěn)態(tài)［25］。

2.1 內(nèi)源可溶性物質(zhì)參與鹽脅迫環(huán)境的滲透調(diào)節(jié)

研究發(fā)現(xiàn)，可溶性多元醇類物質(zhì)（糖類、甜菜堿、脯氨酸等）可以在植物面臨鹽脅迫時(shí)調(diào)節(jié)滲透壓，緩解因鹽脅迫造成的營養(yǎng)物質(zhì)流失，并在受到鹽脅迫時(shí)自主產(chǎn)生［26］。葉綠體中合成的甜菜堿（GB），有維持光合速率穩(wěn)定的作用。甜菜堿處理幼芽，可在根細(xì)胞中產(chǎn)生額外的液泡，增加Na＋在根中的積累，并減少其向芽的運(yùn)輸，降低芽中Na＋／K＋比例，提高植物對鹽脅迫的耐性［27］。脯氨酸含量隨鹽脅迫的加大而升高，它協(xié)助作物生長并增強(qiáng)細(xì)胞抗?jié)B性，一定程度上提高植物根部到地上部對K＋運(yùn)輸?shù)倪x擇性［28］。脯氨酸適量增多可以緩解脅迫造成的蛋白解聚過程中出現(xiàn)的離子毒害，而其介導(dǎo)的谷氨酸生成途徑的關(guān)鍵酶表現(xiàn)出對NaCl的抗性［29］。國外已有研究指出，適量濃度的脯氨酸可以改善鹽害幼苗的氣孔導(dǎo)度，同時(shí)提高植物的含水量和CO的利用率，也能夠減弱鹽脅迫對葉片中葉綠素的刺激，保障植株各項(xiàng)正常功能［30］。

2.2 外源ABA對作物耐鹽性的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

外源激素通過人工控制手段，對玉米的生長周期與不利環(huán)境有趨利避害的正向作用，同時(shí)經(jīng)濟(jì)成本較低，實(shí)操效果良好［31］。其中ABA（脫落酸）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑能夠明顯下調(diào)植物種內(nèi)細(xì)胞間Na＋／K＋與Na＋／Cl－比例［32］，從而增加K＋、Ca2＋濃度，積累可溶性糖與脯氨酸［33］。ABA可以減輕鹽脅迫對作物光合作用、生長和同化物易位等不同過程的抑制作用［34］。

ABA被稱為脅迫調(diào)節(jié)激素，靶向作用滲透脅迫的同時(shí)又加速自身生成，此時(shí)編碼液泡Na＋／H＋交換器的AtNHX1（逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因）轉(zhuǎn)錄表現(xiàn)出明顯的上升趨勢［35］，其伸展激活的通道和跨膜蛋白激酶也可以感受到鹽脅迫［36，37］。所以ABA作用于植物細(xì)胞，提高其CAT、SOD與POD等抗氧化酶活性，緩沖鹽害作用，維持營養(yǎng)物質(zhì)的正常吸收，優(yōu)化植物的耐逆性［38］。激素、抗氧化酶類與體內(nèi)活性氧是一系列的連環(huán)調(diào)控鏈，外源ABA定量施加于植株，會增強(qiáng)CAT、SOD與POD等抗氧化酶的活力，從而減少活性氧的生成和降低膜結(jié)構(gòu)的損傷，提升作物整體的抗鹽能力［38］。

植物脯氨酸的積累可能是通過ABA依賴和ABA獨(dú)立的信號通路介導(dǎo)［39］；磷脂酶D與鈣和ABA在調(diào)控脯氨酸生物合成同時(shí)起信號作用［40］。但就目前來說，有關(guān)ABA激素在作物胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制還有待研究，外源ABA參與脯氨酸生物合成途徑對鹽脅迫的分子機(jī)制還有待探索。

3 玉米應(yīng)答鹽脅迫的分子機(jī)制

植物胞內(nèi)Na＋／K＋分子機(jī)制的探究已較完善，其中鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體家族、CBLs與CIPKs蛋白家族近年來被廣泛研究，在逆境應(yīng)答的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起重要作用。有些鉀轉(zhuǎn)運(yùn)通道活性受CBLs與CIPKs的調(diào)控，有研究表明CIPK家族與CBL家族參與玉米K＋吸收和再分配過程，并對胞內(nèi)Na＋／K＋比的調(diào)控作用表現(xiàn)出關(guān)聯(lián)性［41］。

3.1 鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體主動響應(yīng)鹽脅迫

玉米在鹽脅迫環(huán)境的生長速度與物質(zhì)積累量相對緩慢，需要外源營養(yǎng)供給，氮磷鉀三大營養(yǎng)元素易于被玉米根細(xì)胞吸收，其中施用外源鉀則顯著抑制鹽脅迫下玉米植株的電解質(zhì)滲漏［6］，并激活鹽脅迫下玉米體內(nèi)的超氧化物歧化和H2O2解毒能力，提高SOD、POD和GR的活性［7］。高鹽土壤可以增加鉀素的吸附量，而細(xì)胞液態(tài)組分中大量離子形式的鉀調(diào)控植物正態(tài)生長［42］。KUP／HAK／KT鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體家族、CPA家族以及HKT鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體家族對鹽害環(huán)境下的植物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)K＋起重要作用［43］。

3.1.1 HAK轉(zhuǎn)運(yùn)體維持鹽脅迫下的鈉鉀穩(wěn)態(tài)KT／HAK／KUP轉(zhuǎn)運(yùn)體是植物中最重要的K＋轉(zhuǎn)運(yùn)體家族之一。其中基因進(jìn)化簇中包含的ClusterⅢ、ClusterⅣ是具備Na＋轉(zhuǎn)運(yùn)功能的高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體［44，45］，參與Na＋轉(zhuǎn)運(yùn)。ClusterⅢ的AtHAK11，鹽脅迫下在根部顯著表達(dá)，可能參與了植物耐鹽的調(diào)節(jié)機(jī)制［46］。研究發(fā)現(xiàn)水稻OsHAK21轉(zhuǎn)運(yùn)體受鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，從而介導(dǎo)木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的K＋吸收［47］。鹽脅迫誘導(dǎo)根部OsHAK21的上調(diào)表達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)K＋在地下和地上部的長距離轉(zhuǎn)運(yùn)［47，48］。ZmHAK4通過促進(jìn)Na＋／K＋穩(wěn)態(tài)促進(jìn)玉米耐鹽性，它在根維管組織中表達(dá)，編碼膜上的Na＋篩選轉(zhuǎn)運(yùn)體，其機(jī)制可能是通過從木質(zhì)部維管中提取Na＋來促進(jìn)莖部Na＋排出［18］。

3.1.2 CPA的NHX亞家族維持鹽環(huán)境中Na＋／K＋比 CPA鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體家族是植物中具有陽離子／質(zhì)子反向轉(zhuǎn)運(yùn)的大家族，如Na＋／H＋、K＋／H＋等反向轉(zhuǎn)運(yùn)體［49］，在保持植物Na＋／K＋穩(wěn)態(tài)上起到積極作用的同時(shí)，也能夠直接提升植株的耐鹽能力［50］。CPA家族的NHX亞家族主要的兩類蛋白及功能分別是：在細(xì)胞膜上參與Na＋外排（plasma-membrane，PM），以及在細(xì)胞內(nèi)部參與Na＋區(qū)域化（intra-celluar，IC），兩類蛋白分別通過這兩種功能維持細(xì)胞內(nèi)Na＋／K＋平衡［51］。

Na＋／H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，通過Na＋外排維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)低水平Na＋含量，保障K＋／Na＋比處在穩(wěn)態(tài)的重要手段［52］。Na＋／H＋轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包含陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CAP1家族類NHX家族［51］，玉米ZmNHX亞型在mRNA水平上的表達(dá)具有鹽特異性，對抵御鹽害起正調(diào)控作用［23］。

NHX1是一種葉綠體Na＋／H＋抗孢子體［23］。擬南芥中的AtNHX1在提升植物的抗旱耐鹽能力上起作用，并具有調(diào)節(jié)pH 值和K＋含量的功能［53］。AtNHX1過表達(dá)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)植株的耐鹽性，緩解鹽脅迫［54］。研究發(fā)現(xiàn)ZmNHX和At-NHX1之間的同源性高達(dá)78%［23］。AtNHX1基因轉(zhuǎn)入玉米優(yōu)化其抗旱耐鹽性的同時(shí)，也提高玉米產(chǎn)量；ZmNHX基因的調(diào)控表達(dá)Na＋（K＋）／H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以把Na＋分隔到液泡中，這就顯著降低細(xì)胞的滲透壓，保障植物的穩(wěn)定吸水能力［51］。

3.1.3 HKT家族對Na＋的調(diào)控機(jī)制 HKT在植物生長受到環(huán)境脅迫時(shí)起到關(guān)鍵保護(hù)作用［55］。其中HKT1具有兩種功能：鹽脅迫發(fā)生時(shí)，它表現(xiàn)出K＋低吸收率，主要有Na＋爭奪對應(yīng)HKT1的作用位點(diǎn)，抑制K＋吸收［56］；對應(yīng)的載體蛋白具有兩個(gè)作用部位：分別是Na＋結(jié)合位點(diǎn)和K＋、Na＋流動定位點(diǎn)，據(jù)此推測HKT1的作用集中在Na＋的吸收上，弱化本身表達(dá)力，而提高作物的耐鹽能力［57］。

擬南芥中AtHKT1基因可以控制根莖Na＋分布，減少葉片中Na＋積累，保障植物體內(nèi)K＋／Na＋比動態(tài)平衡，抵御鹽脅迫［58，59］。小麥HKT1是首個(gè)檢驗(yàn)出高親和K＋載體［60］。研究發(fā)現(xiàn)ZmHKT1；5基因序列變異與耐鹽性相關(guān)，轉(zhuǎn)基因煙草中過表達(dá)ZmHKT1其根長和鮮重增加，從而獲得較高的耐鹽性；高濃度鹽處理后，轉(zhuǎn)基因煙草莖、根Na＋含量均呈下降趨勢，K＋含量均呈上升趨勢［59，61］。HKT的表達(dá)量可作為判斷依據(jù)，當(dāng)作物面臨鹽脅迫時(shí)，通過觀察細(xì)胞吸收鉀離子養(yǎng)分含量多少，及時(shí)調(diào)整、改善高鹽帶來的危害。

3.2 CBLs-CIPKs協(xié)同緩解鹽脅迫分子機(jī)制

鹽脅迫的調(diào)控需要大量蛋白以及蛋白酶參與離子的跨膜運(yùn)輸。植物中鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶b樣蛋白（CBL）家族是一組獨(dú)特的鈣傳感器，通過與蛋白激酶（CIPKs）特異性的相互作用和調(diào)節(jié)，在鹽害環(huán)境中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［62］。鹽脅迫等逆境阻礙時(shí)，CIPK家族與植物中對應(yīng)的CBL蛋白相互作用引起特異反應(yīng)［9］。

在擬南芥的耐鹽調(diào)控中，CBL4和CIPK24以及組織上的離子轉(zhuǎn)換器將Na＋運(yùn)出胞質(zhì)［63］，CBL10與CIPK24相互作用形成復(fù)合物，與部分液泡隔室共同抑制有害化學(xué)組分［41］；CBL1-CIPK1和CBL3-CIPK3相互作用形成復(fù)合體，在質(zhì)膜上有選擇地抑制鹽害［62］。

ZmCIPK21基因轉(zhuǎn)入擬南芥突變體cipk1-2增強(qiáng)了鹽敏感性表型的抗鹽能力，ZmCIPK21的過度表達(dá)減少Na＋的積累，并保留相對高的K＋含量，從而提高玉米對鹽害的耐受性；ZmCIPK12與CBL4或CBL8互作結(jié)合為復(fù)合體的同時(shí)，磷酸化ZmPPase4，作用鹽害環(huán)境胞內(nèi)H＋調(diào)節(jié)的滲透勢，保持植物體內(nèi)的Na＋／K＋穩(wěn)定動態(tài)比［9］?？傮w來說，基因水平上，鹽脅迫的調(diào)節(jié)機(jī)制比較復(fù)雜，擬南芥響應(yīng)鹽脅迫的相關(guān)分子機(jī)制的探究已經(jīng)比較詳盡，而玉米響應(yīng)逆境脅迫的機(jī)制還需要進(jìn)一步探究。

4 問題與展望

以上研究顯示，鹽脅迫環(huán)境下玉米通過多元醇類物質(zhì)、激素、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體以及蛋白互作過程調(diào)節(jié)，使玉米胞內(nèi)Na＋／K＋比穩(wěn)定，化解逆境脅迫。玉米從生理到分子水平的生物進(jìn)程，體現(xiàn)了玉米受到鹽脅迫時(shí)的復(fù)雜應(yīng)答機(jī)制。玉米從遭受鹽害到調(diào)節(jié)自身內(nèi)源物質(zhì)、多重角度做出反應(yīng)，以保證生命活動與營養(yǎng)物質(zhì)供給，從而完成生活史。

目前有關(guān)擬南芥響應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制研究已較為深入，但玉米對鹽脅迫的應(yīng)答機(jī)制研究還有待加深。有關(guān)鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體HKT、HAK對Na＋外排的功能研究主要集中在擬南芥等植物上，其中擬南芥ATHKT1與MAP有關(guān)的激酶通路已被鑒定，但在玉米應(yīng)答鹽脅迫過程中，鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，以及代謝途徑還需進(jìn)一步研究［4，59］。

鹽漬化土地逐年增多，玉米等作物受到的鹽堿脅迫逐年惡化，如何充分調(diào)動植物內(nèi)外源物質(zhì)的利用效率、減少鹽害，是我們必須面對和亟待研究的課題。我們可以多角度從玉米種子的耐鹽性入手，以種子萌發(fā)以及后續(xù)生長狀態(tài)作為研究鹽脅迫的新方向［54］。培育高產(chǎn)耐鹽玉米更是解決該問題的有效途徑之一。