植物響應鹽脅迫的機制研究進展

謝穎悅, 王 琦, 王春平, 周冰玉, 周 宇, 劉 芬, 孫翔宇*

（1. 湖南省微生物研究院, 長沙 410009；2. 湖南省勘測設計院有限公司, 長沙 410014）

土壤鹽堿化是農業(yè)生產的限制因子之一, 預計到2050年, 全球約有50%以上的耕地受鹽堿化影響, 嚴重威脅全球農業(yè)生產和糧食供應[1-4]。鹽脅迫導致細胞膜結構和功能、細胞內離子平衡及正常生理代謝活動受損[5-8], 從而抑制植物的正常生長發(fā)育。鈉離子（Na+）毒害是導致鹽脅迫的主要因素之一, 細胞內積累過多的Na+會抑制光合作用以及離子平衡等一系列生理生化活動[9-12]。因此, 胞內Na+動態(tài)平衡對于維持植物在鹽脅迫下的正常生長發(fā)育極其重要。植物對鹽脅迫的響應是一個復雜的過程, 包括植物對鹽脅迫的感知、脅迫響應基因的轉錄調控以及功能基因的表達、代謝活動的調控等[10-12]。本文從鹽脅迫對植物的危害、Na+轉運、信號傳導等方面來闡述植物應答高鹽脅迫的機制研究進展, 以推動對植物鹽脅迫應答機制的研究。

1 鹽脅迫對植物生長發(fā)育的危害

1.1 抑制植物光合作用和正常生理代謝

植物物質能量來源于光合作用。鹽脅迫下, 植物葉片細胞的結構受損, 氣孔導度及胞間CO2濃度下降, 導致植物葉片凈光合速率下降。另外, 鹽脅迫會抑制光合電子傳遞和光系統(tǒng)PSII的活性。同時, 鹽脅迫下由于葉綠體結構損傷, 導致參與光反應和卡爾文循環(huán)的酶的活性受到抑制。另有研究表明, 鹽脅迫下葉原基的發(fā)生也會受到抑制, 導致單株植物的光合面積減少, 間接造成植物碳同化量減少, 減少葉片干物質的累積, 從而影響植物的生長發(fā)育[5-7]。

高鹽通常會導致植物的正常生理代謝紊亂。有研究表明, 耐鹽植株的脯氨酸及糖蛋白含量明顯高于鹽敏感植株[6]。鹽脅迫下葉綠素酶活性增加, 導致葉綠素分解加速, 從而引起光合作用速率下降等不良影響。另外, 鹽脅迫下植物呼吸作用增加, 氣孔關閉, 蛋白質合成嚴重受阻, 大量有毒代謝物質不斷積累, 導致植株衰老速度加快, 最終引起植株死亡[6, 13-15]。

1.2 導致滲透脅迫及離子脅迫發(fā)生

土壤中鹽濃度過高會引起土壤溶液的水勢低于植物根細胞的水勢, 導致植物根系吸水受到抑制或吸水困難, 引起植物體內水分外滲, 造成“生理干旱”, 從而導致植株滲透平衡失控, 引起植物細胞膜結構、細胞分裂和增殖受損, 嚴重影響植物生長[9-10]。因此, 植物必須依賴相應的調控機制來維持機體滲透壓平衡及植株的正常生長發(fā)育。

離子脅迫主要是由細胞中Na+過量累積引起的, 適量的Na+能促進植物生長, 在缺鉀條件下還能暫時維持細胞膨壓。但Na+濃度過高會對水稻（Oryza sativaL.）、玉米（Zea maysL.）、高粱（Sorghum bicolorL.）等植物產生毒害[9-10]。另一方面, 細胞質中過量的Na+會干擾鉀、鈣、鋅等礦質元素的吸收和利用, 影響植物礦質營養(yǎng)的高效利用, 進而影響植物的生長發(fā)育[11-12]。例如, Na+拮抗K+的吸收及利用。Na+與K+的水合半徑類似, 因此, Na+會伴隨著K+通過相關K+離子轉運蛋白或陽離子非選擇性離子通道一起被轉入細胞。此外, 植物淀粉合成酶、谷胺合成酶、丙酮酸激酶等50多種酶的酶活需要K+激活, 而Na+會參與競爭相關酶的K+結合位點, 導致淀粉合成酶、丙酮酸激酶等酶的活性下降, 從而影響植物的淀粉合成、蛋白質合成、光合作用等多種生理生化活動[11-12]。另外, 有研究表明, 過量的Na+會置換相關膜系統(tǒng)上結合的Ca2+, 增大膜Na+/Ca2+比值, 從而增加膜的通透性, 擾亂胞質中離子穩(wěn)態(tài)平衡[11-12]。因此, 植物必須通過精確的調控機制來維持機體離子穩(wěn)態(tài)平衡和調節(jié)植株的正常生長發(fā)育。

2 植物Na+轉運

植物可通過調控形態(tài)構建、離子轉運及代謝等多種途徑來響應鹽脅迫, 以維持機體正常生長發(fā)育。在長期的進化過程中, 植物已進化出以下機制來避免Na+毒害[11-12]：1）減少植物根系Na+吸收；2）降低Na+從根部到地上部分的運輸；3）Na+通過韌皮部向下回流至植物根系, 進而分泌到植物體外；4）過多的Na+被區(qū)隔到液泡進行儲存。成熟的高等植物細胞中, 液泡占細胞總體積的95%, 主要用于存儲營養(yǎng)物質和代謝產物, 避免細胞遭受有毒物質的損害。植物將鹽分區(qū)隔化到液泡中, 一方面能避免過量的Na+對胞質的損傷, 另一方面又能將液泡的Na+作為滲透調節(jié)劑, 促進細胞吸水, 維持鹽脅迫下的細胞膨壓。5）將植物體內過多的Na+通過鹽腺等器官排出體外。另外, 當植物遭受到鹽脅迫時, 植物會迅速積累合成一些小分子物質和蛋白質保護劑等來維持細胞滲透壓平衡, 比如合成海藻糖、脯氨酸、甘露醇、甜菜堿等有機物來進行滲透壓調節(jié), 避免細胞失水[9-10]。綜上所述, 植物在長期適應進化的過程中, 建立起了一套從Na+吸收、運輸及區(qū)隔至液泡的機制來響應鹽脅迫毒害, 這些過程由定位于細胞膜或細胞器膜的各種Na+轉運蛋白負責。

為維持各組織細胞中Na+的最佳水平, 植物進化出有效的Na+轉運及調節(jié)機制。植物根部從外界環(huán)境吸收Na+后, 將Na+裝載至木質部導管中, 然后隨著蒸騰流被長距離運輸到地上部分并參與地上部分的再分配[16-17], 這些過程均由定位于細胞膜和不同細胞器膜的Na+轉運蛋白介導, 這些轉運蛋白活性的調控也是植物應答鹽脅迫的基礎。迄今為止, 在植物中主要存在HKTs（high-affinity K+transporters）和NHXs（Na+/H+antiporters）兩類Na+轉運蛋白[16-18], 它們協(xié)同調控植物對鹽脅迫的響應（圖1）。

圖1 植物中Na+轉運Fig. 1 Na+ transport in plants

2.1 HKTs轉運蛋白

HKTs參與K+及Na+等陽離子的轉運, 并參與植物對逆境的響應。HKTs家族蛋白主要分為 HKT1和 HKT2 兩個亞族蛋白, 其中 HKT1亞族屬于高親和Na+轉運蛋白, 介導植物高親和性Na+轉運[16-17]。 HKT2亞族基因編碼K+/Na+高親和性轉運蛋白, 主要介導植物K+轉運[16-17]。高等植物HKT1亞族基因首先在小麥（Triticum aestivumL.）中被鑒定,TaHKT1是從植物中鑒定出來的第一個HKT1基因, 電壓鉗試驗表明,TaHKT1具有Na+轉運能力[16-17]。隨后, HKT1亞族基因相繼在模式植物擬南芥（Arabidiopsis thaliana）及水稻（Oryza sativaL.）中被克隆出來, 其基因功能也相繼被鑒定。擬南芥中的研究表明, HKT1亞族基因大部分定位于植物根和莖的維管組織的細胞質膜, 當植物木質部導管中Na+過量累積時, HKT1亞族基因能將木質部導管中的Na+卸載至木質部薄壁細胞, 降低木質部導管中的Na+含量, 從而阻止Na+進入至地上部分, 避免植物地上部分遭受鹽脅迫損傷。另外, 有研究表明, 當葉肉細胞中的 Na+積累過多時,HKT1基因能將葉肉細胞中過多的Na+轉運至葉脈, 減少細胞質中的Na+毒害, 維持葉片正常的光合作用[16-20]。水稻中的研究表明, HKT1亞族基因OsHKT1;5在木質部導管薄壁細胞特異表達, 介導Na+從木質部薄壁細胞外排至木質部導管, 從而降低地上部分Na+含量, 維持地上部分Na+/ K+動態(tài)平衡及植物在鹽脅迫條件下的正常生長發(fā)育[16-20]。上述研究表明, HKT1亞族基因介導單子葉植物和雙子葉植物響應鹽脅迫的機制具有保守性。

2.2 NHXs 轉運蛋白

離子穩(wěn)態(tài)和pH調節(jié)對植物的生長發(fā)育及對逆境的響應極其重要。 Na+/H+反向轉運基因NHXs編碼定位于質膜或細胞器膜的膜蛋白, 促進 Na+或 K+與H+的交換, 維持腔內pH 值和離子穩(wěn)態(tài)。在擬南芥中鑒定出8個NHX同源基因, 根據序列同源性和功能將其分為3類：質膜蛋白NHX7/SOS1和NHX8、內體/囊泡蛋白NHX5及NHX6、液泡蛋白NHX1～NHX4[21-30]。其中,NHX7/SOS1編碼質膜 Na+/H+反轉運蛋白, 在根的木質部薄壁組織大量表達, 介導Na+從根部到地上部分的長距離運輸。當土壤中的 Na+含量過高時, 質膜上的 SOS1 將根尖細胞內過多的Na+排出根外, 避免分生組織遭受Na+毒害。另外, SOS1還能將多余的Na+裝載至木質部導管, 參與Na+從根到地上部分的長距離運輸, 避免植物地上部分遭受Na+毒害。同時,SOS1的過表達能顯著提高植株的耐鹽能力[21-22]。此外, 有研究表明, 在甜菜中外源表達擬南芥NHX3能顯著提高甜菜的耐鹽能力。 NHX4 定位于液泡膜, 通過介導過多的Na+進入液泡隔離, 其過表達能明顯增強南瓜的耐鹽能力[20-21]。這些研究表明, NHX蛋白在鹽脅迫響應中具有較高的利用價值。

3 植物應答高鹽脅迫的分子機制

迄今為止, 植物進化出多種精確的調控機制來應答鹽脅迫, 如鈣信號及激素信號傳導途徑[23-35]。植物遭受鹽脅迫時, 大量的Na+進入細胞, 導致胞內Ca2+濃度瞬時上升。Ca2+是鹽早期的響應信號, 在細胞內轉運, 并參與調控鈣調蛋白CaM、鈣依賴蛋白激酶CDPK/CPK等蛋白, 促使細胞中Na+外排。植物Ca2+依賴信號SOS途徑, 是在植物中第一個被鑒定出的參與非生物脅迫的信號途徑, 介導Na+從植物胞質外排。植物面臨鹽脅迫時, 鈣結合蛋白OsSOS3/CBL4感知胞質鈣信號后, 隨即磷酸化OsSOS2/OsCIPK24, 激活質膜上Na+/H+反向轉運蛋白OsSOS1, 促使過多的Na+排出細胞, 維持鹽脅迫下細胞中離子穩(wěn)態(tài)[23-29]。

在響應鈣信號之后, 植物激素在鹽信號級聯(lián)反應中扮演重要角色。脫落酸（abscisic acid, ABA）是植物應答非生物逆境最主要的激素。在鹽脅迫下, ABA激活下游逆境響應基因的表達, 調節(jié)氣孔關閉和離子平衡, 避免植物受到傷害。此外, 鹽脅迫下, ABA與受體PYR/PYL/RCAR結合, 并與蛋白磷酸酶PP2C互作, 形成PYL-ABA-PP2C復合體, 解除PP2C對SNF-1相關蛋白激酶SnRK2的抑制。SnRK2磷酸化含ABA響應元件ABRE（ABA-responsive elements）或ABRE結合因子AREB/ABF類的相關轉錄因子, 進而維持離子穩(wěn)態(tài)平衡及植物正常生長發(fā)育[30-35]。

乙烯（ethylene）是植物應答鹽脅迫的另一類重要激素。有研究表明, 外源噴施乙烯導致水稻對鹽脅迫敏感, 而外施乙烯抑制劑1-甲基環(huán)丙烯（1-MCP）則會提高水稻對鹽脅迫的耐受能力, 因此, 乙烯負調控植物的耐鹽能力[36-40]。乙烯受體植物凝集素受體蛋白激酶OsSIT1通過激活原促蛋白激酶MPK3/6, 促進乙烯合成, 導致活性氧（reactive oxygen species, ROS）積累, 引起植物對鹽脅迫敏感。另外, 有研究表明, 乙烯含量的升高導致乙烯信號響應基因MHZ6/OsEIL1和OsEIL2表達的升高, 進而抑制K+轉運相關基因的表達, 從而破壞細胞內離子穩(wěn)態(tài)平衡, 導致水稻對鹽脅迫的敏感性增強[36-44]。

總之, 在植物遭受鹽脅迫逆境時, 鈣信號及激素等各種級聯(lián)信號反應協(xié)同工作, 避免細胞受到氧化損傷及胞內離子動態(tài)不平衡, 以維持細胞內離子穩(wěn)態(tài)平衡及細胞膨壓, 協(xié)調植物生長發(fā)育與適應鹽脅迫逆境之間的平衡。

4 總結與展望

土壤鹽漬化是威脅糧食安全的全球性問題。由于全球氣候變化的影響, 各地區(qū)遭受鹽脅迫的危害越來越嚴重, 作物產量及品質受到嚴重影響。人口增長、耕地面積縮減及土壤鹽漬化已成為限制我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此, 將鹽脅迫響應機制的研究引入作物體系迫在眉睫。為了最大程度地減少經濟損失, 了解作物對高鹽環(huán)境的響應機制極其重要。

植物已經進化出許多不同的機制來響應和適應鹽脅迫以維持其生存。目前, 對植物響應鹽脅迫的研究多集中在Na+轉運體的功能、高鹽毒害生理等方面。然而, 對植物Na+與其他離子的相互作用機制、植物中Na+轉運的規(guī)律及體內穩(wěn)態(tài)、對高鹽脅迫信號的傳導和調控等研究還知之甚少。作物在適應鹽脅迫逆境的同時, 還要維持自身的正常生長發(fā)育, 因此, 作物平衡生長及鹽脅迫耐受性的機制研究對于農業(yè)可持續(xù)性發(fā)展極其重要。但迄今為止, 協(xié)調鹽脅迫耐受性和植物生長的調控機制仍未被完全解析。這些都是今后闡明鹽脅迫響應機制應解決的問題。

由于作物育種年限長, 目前育種效率較低, 未來還需綜合利用基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學及表觀組學等手段, 進一步挖掘植物應答鹽脅迫響應的關鍵基因, 并解析其響應鹽脅迫的信號機制, 為培育耐鹽農作物提供理論依據和關鍵靶點。同時,引入基因編輯等新技術, 提高遺傳位點選擇的準確性, 加快耐鹽種質資源的培育效率。