植物耐鹽機(jī)理研究進(jìn)展

王瀚祥 李廣存 徐建飛 王萬(wàn)興 金黎平

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部薯類作物生物學(xué)和遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100081，北京）

土壤鹽漬化導(dǎo)致的耕地土壤退化是全球農(nóng)業(yè)最具破壞性的非生物脅迫之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有9.54億hm2土地受鹽漬化影響[1]。鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響體現(xiàn)在植株生長(zhǎng)勢(shì)下降、衰老甚至死亡[2]。生理上，高鹽引起滲透脅迫，表現(xiàn)為植物根系攝水困難、葉面水分流失加速[3]，隨后引發(fā)植物體內(nèi)多種生理變化，如離子紊亂、質(zhì)膜損傷和光合速率下降等[4]。鹽脅迫還會(huì)導(dǎo)致植株體內(nèi)過(guò)量活性氧（reactive oxygen species，ROS）積累，即氧化脅迫。ROS化學(xué)性質(zhì)活潑，對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物功能產(chǎn)生破壞，包括引起膜質(zhì)過(guò)氧化和膜質(zhì)脫氧化，破壞蛋白質(zhì)、葉綠素和核酸分子[5]。

植物為適應(yīng)高鹽環(huán)境，進(jìn)化出了一套復(fù)雜的響應(yīng)機(jī)制（圖1）。幾十年來(lái)，關(guān)于植物耐鹽脅迫的研究主要集中在以下方面：（1）鹽脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；（2）滲透保護(hù)劑及溶質(zhì)的生物合成；（3）離子穩(wěn)態(tài)及區(qū)域化；（4）抗氧化系統(tǒng)；（5）植物激素；（6）其他方式。本文將從這6個(gè)方面綜述前人研究。

圖1 植物對(duì)脅迫信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)Fig.1 Stress signal transduction in plants

1 鹽信號(hào)的早期感知

鹽脅迫發(fā)生后，植物最先感知鹽信號(hào)的分子機(jī)制還沒(méi)有明確的結(jié)論，通常存在3種猜測(cè)。一是植物最先感知鹽引起的滲透變化，二是根系中存在Na+感受器，三是鹽誘導(dǎo)的細(xì)胞壁變化可以通過(guò)受體型激酶（FER）感知。

1.1 滲透感知

高鹽引起的滲透脅迫造成細(xì)胞膜或細(xì)胞壁上的機(jī)械張力，激活了某些鈣離子通道蛋白，使胞質(zhì)Ca2+濃度迅速增加。OSCA1（reduced hyperosmolalityinduced[Ca2+]iincrease 1）被鑒定為導(dǎo)致這種Ca2+信號(hào)的關(guān)鍵蛋白[6]，是滲透感受器候選蛋白?；谶@種蛋白的結(jié)構(gòu)推測(cè)，滲透壓力在脂質(zhì)雙分子層產(chǎn)生張力，導(dǎo)致其構(gòu)象改變并激活Ca2+通道，允許Ca2+進(jìn)入[7]。雖然這種信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑還不清楚，但是OSCA1的鑒定為了解植物細(xì)胞感知滲透脅迫的途徑開(kāi)啟了一扇新的大門(mén)。

1.2 Na+感受器

MOCA1（monocation-induced[Ca2+]iincrease 1）的鑒定是植物細(xì)胞外鹽信號(hào)感知的突破性進(jìn)展。moca1突變體缺乏對(duì)Na+、K+和Li+的早期Ca2+信號(hào)反應(yīng)[8]。MOCA1作為葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶，在質(zhì)膜上產(chǎn)生糖基肌醇磷酸化神經(jīng)酰胺（GIPC）鞘脂。這些GIPCs可以結(jié)合單價(jià)陽(yáng)離子（如Na+）打開(kāi)Ca2+通道，隨即形成Ca2+波動(dòng)誘導(dǎo)下游脅迫應(yīng)答通路的響應(yīng)[8]。

1.3 細(xì)胞壁信號(hào)感受器

膜內(nèi)固有蛋白（如離子通道）可在雙層膜內(nèi)進(jìn)行一定程度的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)主要受到細(xì)胞壁的影響[9]。鹽脅迫和滲透脅迫會(huì)引起細(xì)胞壁的機(jī)械張力產(chǎn)生應(yīng)激信號(hào)，F(xiàn)ER通路感知該信號(hào)防止細(xì)胞破裂[10]。該通路還引發(fā)短暫的Ca2+增加，但下游調(diào)控模式仍然未知。

1.4 脅迫信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)

植物感受到脅迫信號(hào)后，體內(nèi)出現(xiàn)了3種調(diào)控信號(hào)因子：3′,5′環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cGMP）、ROS 和 Ca2+。cGMP抑制Na+內(nèi)流和K+外流，并促進(jìn)胞質(zhì)中Ca2+的增加[11]；鹽脅迫會(huì)迅速導(dǎo)致質(zhì)外體ROS分子水平升高，ROS最初與多胺相互作用增加胞內(nèi)游離Ca2+，并在后續(xù)Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[12-13]。上述調(diào)控信號(hào)因子主要引起體內(nèi)Ca2+波動(dòng)，隨后鈣調(diào)磷酸酶B型蛋白（CBLs）結(jié)合Ca2+，通過(guò)CBLs-蛋白激酶（CIPKs）互作引起蛋白磷酸化，激活耐鹽調(diào)控通路。

2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成

植物為應(yīng)對(duì)高鹽引起的滲透脅迫，體內(nèi)合成脯氨酸（proline，Pro）、可溶性糖、甜菜堿（betaines）和多元醇（polyhydric alcohols）等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在細(xì)胞水平促進(jìn)滲透平衡，保持細(xì)胞膨壓和正常的新陳代謝活動(dòng)[14]。

Pro作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以自由狀態(tài)存在于植物細(xì)胞中，在生理pH范圍內(nèi)具有分子量小、水溶性高、無(wú)凈電荷等特點(diǎn)。Pro作為滲透保護(hù)劑維持鹽脅迫下植物的生長(zhǎng)，保護(hù)光合系統(tǒng)，維持離子穩(wěn)態(tài)，增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)[15-16]。Pro在植物體內(nèi)主要由谷氨酸（Glu）通路合成，Glu在吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）催化下生成谷氨酸-1-半醛（GSA），GSA自發(fā)環(huán)化為吡咯琳-5-羧酸（P5C），在吡咯琳-5-羧酸還原酶（P5CR）的作用下還原為Pro。Pro在植物體內(nèi)的降解基本上是合成過(guò)程的逆反應(yīng)，首先發(fā)生在線粒體中，Pro在線粒體中由脯氨酸脫氫酶（ProDH）催化生成P5C，P5C在吡咯琳-5-羧酸脫氫酶（P5CDH）作用下生成Glu。鹽脅迫下植株體內(nèi)Pro積累的分子機(jī)制已被闡明，在非脅迫環(huán)境下，磷酸酶D（PLD）是Pro積累的反向調(diào)控因子；鹽脅迫下，鈣信號(hào)和磷脂酶C（PLC）觸發(fā)P5CS轉(zhuǎn)錄和Pro積累[17]，Pro的積累反饋抑制P5CS的活性[18]。脅迫結(jié)束后，Pro的分解代謝被激活，主要控制基因?yàn)镻DH與P5CDH[17]。

可溶性糖主要包括葡萄糖、蔗糖和海藻糖，主要功能是穩(wěn)固質(zhì)膜和原生質(zhì)體，保護(hù)可溶性酶[19-20]，為有機(jī)物的合成提供能量。鹽脅迫環(huán)境下，土壤滲透勢(shì)的增大導(dǎo)致植物吸水困難，此時(shí)植物通過(guò)積累一些小分子可溶性糖來(lái)緩解這種滲透壓力[21]。

甜菜堿主要包括甘氨酸甜菜酯（glycine betaine）、β-丙氨酸甜菜堿（β-alanine betaine）和脯氨酸甜菜堿（proline betaine）。甘氨酸甜菜酯的研究最廣泛，它在植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫方面起到提高細(xì)胞的滲透壓、保護(hù)細(xì)胞、穩(wěn)固蛋白質(zhì)、保護(hù)光合系統(tǒng)和提高抗氧化酶活性等作用[22-23]。甘氨酸甜菜堿在調(diào)控基因表達(dá)方面也有重要作用，它可以誘導(dǎo)特定基因（尤其是抗氧化酶）和轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[24-25]。甘氨酸甜菜堿主要由膽堿合成，膽堿經(jīng)膽堿單加氧酶（CMO）和甜菜堿醛脫氫酶（BADH）的先后酶促作用轉(zhuǎn)化為甘氨酸甜菜堿，這2個(gè)基因可以通過(guò)其順式調(diào)控元件（CREs）參與不同生物過(guò)程的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，如脅迫和激素反應(yīng)[26]。研究[27-28]發(fā)現(xiàn)，敲除CMO基因的甜菜植株比野生型甜菜植株更容易受到鹽脅迫，BADH也在諸多轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)中被證明對(duì)植物耐鹽性有促進(jìn)作用。

多元醇是具有多個(gè)羥基的化合物，可作為有機(jī)反應(yīng)原料。多元醇的積累，無(wú)論是甘露醇和山梨醇等直鏈代謝物，還是肌醇及其甲基化衍生物等環(huán)狀多元醇，都與耐旱或耐鹽有關(guān)，這是基于多元醇在許多物種中的分布情況而得出的結(jié)論[29]。植物遭受脅迫時(shí)，會(huì)激活依賴NADPH的甘露糖-6-磷酸還原酶，生成甘露醇，這類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)揮著保護(hù)質(zhì)膜及酶活性的功能[30]。

3 離子穩(wěn)態(tài)

植物暴露在高鹽環(huán)境中時(shí)，除了面臨上述滲透脅迫導(dǎo)致的攝水困難外，還面臨著如Na+積累造成的離子毒害。植物通過(guò)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將體內(nèi)多余的Na+轉(zhuǎn)出或區(qū)域化，模式植物中關(guān)于這類蛋白的研究較多。

3.1 NHX型Na+/H+反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與Na+區(qū)域化

NHX蛋白（NHX Na+/H+antiporters）是離子區(qū)域化的重要轉(zhuǎn)運(yùn)器，所有已測(cè)序的植物基因組都含有NHX轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。擬南芥中有8種NHX亞型（AtNHX1-AtNHX8），其中4種亞型（AtNHX1-AtNHX4）定位于液泡膜，2種亞型（AtNHX5和AtNHX6）定位于核內(nèi)體，其余2種亞型（AtNHX7/SOS1和AtNHX8）定位于質(zhì)膜[31-32]。其中一些液泡NHX的過(guò)表達(dá)和異種表達(dá)導(dǎo)致植物的耐鹽性增強(qiáng)[33]。AtNHX1蛋白C端以Ca2+依賴的方式與液泡內(nèi)的鈣調(diào)蛋白（CaM）相互作用，這種相互作用抑制AtNHX1的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，說(shuō)明離子區(qū)域化受Ca2+信號(hào)調(diào)控[34]。另外，NHX還參與維持植物體內(nèi)K+穩(wěn)態(tài)[31]。該通路調(diào)控模式如圖2。

圖2 離子區(qū)域化示意圖Fig.2 Schematic diagram of ionic separation

3.2 SOS通路與Na+轉(zhuǎn)運(yùn)

高等植物體內(nèi)存在一個(gè)高度保守的鹽過(guò)敏感（salt overly sensitive，SOS）通路，SOS通路主要由SOS1、SOS2、SOS3和類SOS3蛋白（SCaBP8）組成。SOS1是植物質(zhì)膜上的Na+/H+反轉(zhuǎn)運(yùn)器，主要負(fù)責(zé)將細(xì)胞內(nèi)的Na+外排[35]。SOS2是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，該酶會(huì)被鹽脅迫引起的Ca2+信號(hào)激活[36]。SOS3/SCaBP8 是 Ca2+接收器[37-38]。SOS1在正常情況下處于自抑制狀態(tài)[39]，ABI2、14-3-3、GI和SOS2類似蛋白PKS5，作用于SOS2并抑制其活性[40]。鹽脅迫下，胞外鹽離子結(jié)合到植物細(xì)胞質(zhì)膜外側(cè)GIPC，引起細(xì)胞表面電勢(shì)變化，打開(kāi)質(zhì)膜的Ca2+通道，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加形成Ca2+信號(hào)[8]，14-3-3蛋白解碼鹽誘導(dǎo)的Ca2+信號(hào)后與PKS5相互作用抑制其活性[41]，SOS2蛋白被釋放，SOS3及SCaBP8結(jié)合Ca2+并與SOS2相互作用，增強(qiáng)SOS2活性并將其帶到質(zhì)膜，激活SOS1，促進(jìn)Na+外排[37-38]。

Li等[40]發(fā)現(xiàn)糖原合成酶激酶類似物（BIN2）在鹽脅迫結(jié)束后恢復(fù)期對(duì)于SOS通路的關(guān)閉起到關(guān)鍵作用，BIN2在鹽脅迫過(guò)程中抑制BZR1/BES1等轉(zhuǎn)錄因子，從而抑制植物生長(zhǎng)，在脅迫后恢復(fù)階段BIN2與SOS3/SCaBP8形成復(fù)合物共同抑制SOS2活性并釋放BZR1/BES1，使植物恢復(fù)生長(zhǎng)。

3.3 HKT型轉(zhuǎn)運(yùn)器

HKT型轉(zhuǎn)運(yùn)器在植物Na+轉(zhuǎn)導(dǎo)中的重要性最早在擬南芥上報(bào)道，研究[42]表明，擬南芥AtHKT1參與根系中Na+內(nèi)流，AtHKT1通過(guò)韌皮部將莖、葉、花中大量Na+轉(zhuǎn)運(yùn)到根部以減少Na+在地上部的積累。其他作物如水稻有2類7種HKT轉(zhuǎn)運(yùn)器，第1類為Na+轉(zhuǎn)運(yùn)器，第2類則為Na+/K+通用離子轉(zhuǎn)運(yùn)器，在鹽脅迫下離子穩(wěn)態(tài)中都有重要作用[42]。

4 活性氧及抗氧化系統(tǒng)

4.1 活性氧

ROS是一種信號(hào)分子，參與代謝、抗病、細(xì)胞凋亡和消耗過(guò)剩光能等過(guò)程。遭遇非生物脅迫時(shí)，植物光能利用和碳同化受抑制，光合鏈中電子傳遞給O2的幾率變大，在線粒體、葉綠體和過(guò)氧化酶體中產(chǎn)生大量的ROS，包括超氧陰離子（O2-）、羥基自由基（-OH），單線態(tài)氧（1O2）和過(guò)氧化氫（H2O2）。O2-造成脂質(zhì)過(guò)氧化，危害細(xì)胞膜，還能氧化組氨酸、甲硫氨酸和色氨酸等特定氨基酸，在細(xì)胞中富集的O2-還會(huì)通過(guò)梅勒反應(yīng)生成更多有害的ROS[43]；H2O2在植物細(xì)胞中大量積累會(huì)氧化一些酶的硫醇基，使酶失活[44]；-OH是ROS中最活躍、危害最大的物質(zhì)，它對(duì)其生成點(diǎn)上的生物分子有很高的親和力，氧化反應(yīng)幾乎與擴(kuò)散同步。

ROS不僅損害質(zhì)膜和光系統(tǒng)，甚至參與植物某些基因的表達(dá)，引起DNA剪切、損傷和修飾，致使蛋白質(zhì)合成減緩或降解，在細(xì)胞水平和分子水平產(chǎn)生不可逆的損傷，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[45-46]。植物為了抵抗ROS的毒害作用，進(jìn)化出一套包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過(guò)氧化氫酶（catalases，CAT）、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX）和谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）等抗氧化酶系統(tǒng)，以及依賴谷胱甘肽（glutatbione，GSH）、脫落酸（abscisic acid，ABA）、生育酚等非酶抗氧化劑的非酶抗氧化系統(tǒng)[47]，共同參與植物體內(nèi)多余ROS的清除。

4.2 抗氧化系統(tǒng)

SOD是細(xì)胞內(nèi)最有效的透明質(zhì)酸抗氧化劑，廣泛存在于所有易受ROS侵害的細(xì)胞中。SOD在植物抗逆中的主要功能是降低體內(nèi)O2-含量，它為植物抵抗高水平ROS的毒害提供了第1道防線，SOD因其輔酶因子的不同分為3類：銅/鋅-超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD）、錳-超氧化物歧化酶（Mn-SOD）和鐵-超氧化物歧化酶（Fe-SOD）[48]。

CAT將H2O2還原為水和O2，CAT是所有酶中轉(zhuǎn)化效率最高的酶類，每分鐘大約可以將600萬(wàn)個(gè)H2O2分子轉(zhuǎn)化成水和O2。CAT可以抵消鹽脅迫的不利影響，提高葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光合色素含量，避免葉綠體聚集[49]。

APX被認(rèn)為是高等植物中清除活性氧并保護(hù)細(xì)胞最重要的酶。APX家族至少由4種不同的亞型組成，包括類囊體形式（tAPX）、乙醛酸循環(huán)體膜形式（gmAPX）、葉綠體基質(zhì)可溶性形式（sAPX）和胞質(zhì)形式（cAPX）[50]。鹽脅迫下APX調(diào)節(jié)是一種后發(fā)性反應(yīng)，鹽處理下蘿卜葉片和根中APX活性均增強(qiáng)，并且這種增強(qiáng)是在鹽脅迫幾天后才變得明顯[51]。

GPX是機(jī)體內(nèi)廣泛存在的一種重要的過(guò)氧化物分解酶。GPX的活性中心是硒半胱氨酸，其活力大小反映機(jī)體硒水平。硒是GPX酶系的組成成分，它能催化GSH變?yōu)檠趸凸入赘孰模℅SSG），使有毒的過(guò)氧化物還原成無(wú)毒的羥基化合物，從而保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能。

GR是一種黃素蛋白氧化還原酶，存在于原核生物和真核生物中。GR是抗壞血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循環(huán)的潛在酶，通過(guò)維持GSH低含量，在ROS防御系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。GR主要分布于葉綠體，少量分布于線粒體和細(xì)胞質(zhì)[52-53]。

單脫氫抗壞血酸還原酶（monodehydroascorbate reductase，MDHAR）和脫氫抗壞血酸還原酶（dehydroascorbate reductase，DHAR）也是植物體內(nèi)重要的活性氧清除酶體。

抗氧化酶功能和轉(zhuǎn)基因工作一直在不斷深化，表1列出了抗氧化酶還原活性氧的反應(yīng)式，表2為抗氧化酶及其在轉(zhuǎn)基因植物抗鹽脅迫中的作用。

表1 抗氧化酶及抗氧化反應(yīng)式Table 1 Antioxidant enzymes and antioxidant reaction equation

表2 活性氧清除酶及其在轉(zhuǎn)基因植物抗鹽脅迫中的作用Table 2 Reactive oxygen scavenging enzymes and their roles in salt resistance of transgenic plants

續(xù)表2 Table 2(continued)

4.3 非酶抗氧化劑

抗壞血酸（ascorbic acid，ASA）被認(rèn)為是最有效的活性氧清除物質(zhì)，它能夠通過(guò)將酚氧（tocopheroxyl）還原為α-生育酚（α-tocopherol）的方式直接清除-OH和O2-，保護(hù)細(xì)胞膜[47]。ASA的功能在許多作物中都有報(bào)道，如小麥[73]和葫蘆巴[74]的研究發(fā)現(xiàn)，外源ASA增加鹽脅迫下植株的發(fā)芽率和幼苗長(zhǎng)度，促進(jìn)抗氧化系統(tǒng)，提升光合作用能力。最近一項(xiàng)研究[75]表明，ASA促進(jìn)鹽脅迫早期Ca2+積累并參與激活SOS通路。

Pro不僅是一種滲透保護(hù)劑，也是重要的非酶抗氧化劑，微生物、動(dòng)物和植物都需要在體內(nèi)合成Pro以減輕ROS的不利影響。Pro可以作為一個(gè)能量庫(kù)來(lái)調(diào)節(jié)氧化還原電位[76]，或作為一種溶質(zhì)保護(hù)大分子不變性[77]。

GSH在植物受到鹽脅迫時(shí)維持細(xì)胞正常還原狀態(tài)，抵消ROS誘導(dǎo)的氧化脅迫[47]。關(guān)于大麥的研究[78]表明，外源GSH處理可明顯提高大麥抗氧化酶活性以及抗氧化劑含量，降低細(xì)胞膜脂過(guò)氧化水平。

α-生育酚（α-tocopherols，vitamin E）是一種低分子量親脂性抗氧化劑，它使細(xì)胞膜免受氧化和脂質(zhì)過(guò)氧化損傷，提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和透性，還有助于為光合作用器官提供最佳環(huán)境[79]。鹽脅迫下，外源生育酚保護(hù)光合作用器，恢復(fù)植株體內(nèi)重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡，最大限度保障蠶豆的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[80]。

黃酮類（flavinoids）化合物最突出的功能是賦予水果顏色，吸引種子傳播者。花青素（anthocyanins）是植物體內(nèi)常見(jiàn)的黃酮類天然色素，在植物的抗氧化脅迫中有重要作用[81]，其主要功能為：（1）攔截和吸收光能，避免非生物脅迫下光能過(guò)剩對(duì)植物葉片造成光損傷；（2）保護(hù)抗氧化酶；（3）清除自由基；（4）與其他信號(hào)通路中的分子相互作用，間接清除ROS[82]。Oosten等[83]在salt overly sensitive3-1（sos3-1）突變體的第2位點(diǎn)抑制子的篩選中，分離出了anthocyaninimpaired-response-1（air1）突變體。在鹽脅迫下，air1無(wú)法積累花青素，這是sos3-1在高NaCl水平（120mmol/L）下的關(guān)鍵表型。air1突變體在鹽脅迫下花青素產(chǎn)生缺陷，而在其他脅迫如強(qiáng)光、低磷、高溫或干旱脅迫下則沒(méi)有。這一特異性表明，air1突變并不影響花青素的生物合成，而是影響其對(duì)鹽脅迫的調(diào)控。該研究說(shuō)明，鹽脅迫下花青素的積累可能受SOS通路調(diào)控，此研究為非生物脅迫與黃酮類花青素形式的抗氧化劑積累之間的關(guān)系開(kāi)辟了新的道路。

5 植物激素與耐鹽調(diào)控

ABA是重要的抗逆激素。經(jīng)典的ABA信號(hào)通路認(rèn)為，正常生長(zhǎng)條件下，Ca2+和ABI1/PP2C（abscisic acid insensitive 1/protein phosphatase 2C）抑制SnRK2/3/6/7/8/CDPK（蔗糖非酵解型蛋白激酶/鈣依賴型蛋白激酶，sucrose non-fermenting 1-related protein kinases/calcium dependent protein kinase）活性，繼而抑制下游信號(hào)[84-85]。非生物脅迫導(dǎo)致ABA水平升高，此時(shí)ABA信號(hào)被ABA受體PYR/PYL（pyrabactin resistance/pyrabactin resistancelike）感知并抑制ABI1/PP2C活性，誘導(dǎo)RCARs和H2O2水平升高，進(jìn)而通過(guò)SnRKs2/3/6/7/8/CDPK將下游靶標(biāo)磷酸化實(shí)現(xiàn)滲透調(diào)節(jié)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種SnRK2底物，包括AREB/ABF家族轉(zhuǎn)錄因子、RAV1（與ABI3/VP1相關(guān)）和離子通道（如SLAC1），這些基因是啟動(dòng)ABA下游響應(yīng)基因和氣孔運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵組分[86]。此外，在啟動(dòng)子中含有其他脅迫響應(yīng)順式調(diào)控元件的轉(zhuǎn)錄因子家族可能參與介導(dǎo)ABA響應(yīng)基因的表達(dá)，已經(jīng)鑒定的轉(zhuǎn)錄因子包括 NAC-、MYB-、HD-Zip、AP2/ERF-和 WRKY-型轉(zhuǎn)錄因子，它們?cè)诓煌参镏斜徽T導(dǎo)響應(yīng)鹽脅迫[87]。

研究[88-89]表明，ABA通路可能與Ca2+信號(hào)通路整合，觸發(fā)細(xì)胞ABA水平的應(yīng)激信號(hào)也可以在植物中調(diào)用顯著的細(xì)胞Ca2+信號(hào)，鈣調(diào)磷酸酶b樣蛋白（CBLs）/CBL-相互作用蛋白激酶（CIPKs）可感知這些信號(hào)，引發(fā)下游靶基因響應(yīng)。ABA通路模型如圖3。

圖3 ABA通路示意圖Fig.3 Schematic diagram ofABApathway

油菜素內(nèi)酯（brassinosteroid，BR）是植物中廣泛存在的激素，在細(xì)胞分化、植物生長(zhǎng)和非生物脅迫應(yīng)答中有關(guān)鍵作用[90]。棉花葉片和根系上施用BR降低了鹽脅迫下棉花幼苗根、莖、葉中Na+、Cl-和丙二醛含量，提高Pro、葉綠素含量，提高棉花根系活力和總生物量[91]。BR對(duì)ROS代謝的調(diào)節(jié)作用也是明顯的，它們可以誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)某些抗氧化基因的表達(dá)，增加關(guān)鍵抗氧化酶的活性[92]。最近的一項(xiàng)研究[93]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫早期有限度的BR信號(hào)激活或OsGSR1（BR合成調(diào)控基因）的正常表達(dá)，在低濃度ABA介導(dǎo)的鹽脅迫耐受性中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這項(xiàng)研究揭示了BR與ABA共同調(diào)控植物耐鹽的分子機(jī)制。

乙烯是最常見(jiàn)的植物逆境調(diào)節(jié)激素之一，主要作用包括解除植物種子休眠，刺激植物莖、根的生長(zhǎng)和分布，促進(jìn)植物葉片和果實(shí)的脫落，影響雌雄異花植物雌性花的分化，抑制植物花的開(kāi)放，促進(jìn)花和葉片的衰老及果實(shí)成熟。鹽脅迫下，乙烯信號(hào)元件EIN3/EIL1激活ROS清除基因表達(dá)，抑制過(guò)量ROS積累，增強(qiáng)擬南芥的耐鹽性，也有研究[94-95]表明，乙烯信號(hào)的阻斷會(huì)降低擬南芥的耐鹽性。鹽脅迫下乙烯維持芽和根中K+促進(jìn)離子穩(wěn)態(tài)，增加擬南芥鹽脅迫能力[96]。該激素在鹽脅迫中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模式已經(jīng)被很好地總結(jié)[97]。

葉面噴施茉莉酸（jasmonic acid，JA）和水楊酸（salicylic acid，SA）的大豆細(xì)胞中Na+含量降低，K+和Ca2+含量上升，植株中甜菜堿、可溶性蛋白和葉綠素含量升高，抗氧化酶活性上調(diào)，細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和葉片含水量上升，并最終提高大豆產(chǎn)量[98]。

在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了植物響應(yīng)鹽脅迫的新通路，該通路整合了JA、SA和ABA在植物響應(yīng)鹽脅迫的作用[99]。該通路由細(xì)胞壁富含亮氨酸重復(fù)伸展蛋白（LRX3/4/5）、快速堿化因子RALF22/23和受體激酶（FER）組成。正常情況下，LRX3/4/5蛋白與細(xì)胞壁中的RALF22/23結(jié)合，阻止RALF22/23與質(zhì)膜定位的FER結(jié)合，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，抑制脅迫反應(yīng)。在鹽脅迫下，LRX3/4/5和RALF22/23通過(guò)一種尚未明確的機(jī)制被分離。釋放的RALF22/23肽結(jié)合FER并誘導(dǎo)其內(nèi)化，暫停植物生長(zhǎng)，F(xiàn)ER的內(nèi)化也會(huì)激活脅迫應(yīng)激反應(yīng)。另外，細(xì)胞外LRX3/4/5-RALF22/23-FER負(fù)調(diào)控JA、SA和ABA的水平[100]，且這些基因的突變體植株表現(xiàn)出對(duì)鹽脅迫的超敏感性與ROS的積累，在突變體中阻斷這些通路或ROS的積累可以一定程度緩解鹽的超敏感反應(yīng)，說(shuō)明LRX3/4/5-RALF22/23-FER通過(guò)調(diào)節(jié)激素穩(wěn)態(tài)和ROS積累來(lái)控制植物的鹽脅迫反應(yīng)。該通路調(diào)控模式如圖4。

圖4 LRX3/4/5-RALF22/23-FER調(diào)控通路Fig.4 LRX3/4/5-RALF22/23-FER regulatory pathway

6 其他方式

Zhu等[101]研究表明，添加硅（Si）顯著降低了鹽脅迫下2個(gè)黃瓜品種葉片中電解質(zhì)泄漏比例、H2O2和巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)的含量，顯著提高了抗氧化酶的活性，并且這種效應(yīng)隨試驗(yàn)的進(jìn)行而增強(qiáng)。Zhang等[102]研究了外源Si對(duì)盆栽甘草鹽脅迫的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)外源Si一定程度上恢復(fù)了甘草的生長(zhǎng)，植株體內(nèi)可溶性糖和蛋白含量顯著增加，攝水困難癥狀得到緩解，并且體內(nèi)抗氧化酶活性顯著提高，細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化程度減弱，膜透性增強(qiáng)。

硒（Se）在植物應(yīng)對(duì)鹽脅迫時(shí)也有重要作用。鹽脅迫下，外源施加Se顯著增加玉米生物量、根表面積和體積，提高植株內(nèi)可溶性糖含量，降低葉片中 K+、Na+和 O2-含量[103]。

多胺類（polyamines，PA）是一種低分子量、普遍存在于植物界的脂族分子。在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，多胺起著調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、體細(xì)胞胚胎發(fā)生、分化和形態(tài)發(fā)生，打破塊莖和種子休眠，促進(jìn)花果發(fā)育和衰老的作用。多胺在植物鹽脅迫中的積極作用體現(xiàn)在維持膜的完整性、調(diào)控抗氧化酶系統(tǒng)、減少葉綠素?fù)p失、降低ROS含量、維持植物組織和細(xì)胞中的Na+/K+、保護(hù)植物組織的完整和功能、減少地上部分Na+和Cl-含量等[104]。

一氧化氮（NO）是一種氣體小分子，參與調(diào)控植物的各種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，如根系生長(zhǎng)、呼吸、氣孔關(guān)閉、開(kāi)花、細(xì)胞死亡、種子萌發(fā)等，同時(shí)也是一種脅迫信號(hào)分子。NO直接或間接觸發(fā)許多氧化還原調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。NO可以與脂質(zhì)自由基反應(yīng)以減輕脂質(zhì)過(guò)氧化，清除超氧化物自由基和其他細(xì)胞過(guò)程生成的過(guò)氧亞硝基來(lái)保護(hù)細(xì)胞。它還有助于激活SOD、CAT和GPX等抗氧化酶[105]。NO會(huì)激活H+-ATPase，建立H+梯度，進(jìn)而為Na+/H+離子反轉(zhuǎn)運(yùn)器提供動(dòng)力，維護(hù)植物體內(nèi)Na+/K+[106]。200mmol/L NaCl會(huì)抑制羽扇豆發(fā)芽，但是經(jīng)過(guò)NO供體（sodium nitroprusside，SNP）預(yù)處理后，這種抑制作用會(huì)被抵消[107]。

微生物對(duì)植物耐鹽脅迫也有促進(jìn)作用，如耐鹽性強(qiáng)的緩生根瘤菌可以促進(jìn)柱花草在鹽脅迫下的生長(zhǎng)[108]。某些植物生長(zhǎng)促進(jìn)菌（plant growth promoting bacteria，PGPB）對(duì)促進(jìn)植物耐鹽性和生長(zhǎng)具有特殊機(jī)制。這些細(xì)菌誘導(dǎo)植物合成植物生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和赤霉素以及揮發(fā)性有機(jī)化合物。這些細(xì)菌也產(chǎn)生生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，如具有固定氮、溶解有機(jī)和無(wú)機(jī)磷酸鹽的載體鐵[109]。

7 問(wèn)題與展望

鹽脅迫是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的最主要的不利環(huán)境因素之一，它通過(guò)水分脅迫、氧化脅迫、營(yíng)養(yǎng)失衡、離子毒害、膜紊亂、細(xì)胞分裂伸長(zhǎng)的抑制、關(guān)鍵代謝過(guò)程的中斷以及遺傳毒性影響植物發(fā)芽、生長(zhǎng)、生活力和產(chǎn)量。幾十年來(lái)，許多關(guān)于植物耐鹽機(jī)理的關(guān)鍵基因和信號(hào)通路被提出，涉及鹽脅迫信號(hào)的感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及體內(nèi)離子和ROS穩(wěn)態(tài)的維持。但對(duì)植物脅迫應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知仍然十分有限。

第一，植物細(xì)胞最開(kāi)始如何感知鹽（Na+輸入）的機(jī)制一直沒(méi)有明確，前文提到2種可能的感知方式，一是尋找Na+感受器，通過(guò)篩選Ca2+瞬態(tài)，已經(jīng)有少數(shù)候選的應(yīng)激感受器，今后研究的重點(diǎn)應(yīng)放在這些感受器的下游基因和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。二是關(guān)于質(zhì)膜和細(xì)胞壁界面的壓力信號(hào)，LRX-FALF-FER通路已經(jīng)被確定，但是LRX如何感知來(lái)自細(xì)胞壁的脅迫信號(hào)還不清楚。該通路除了通過(guò)3種植物激素調(diào)節(jié)耐鹽性外還有沒(méi)有其他的作用，是后續(xù)研究中應(yīng)著重解決的問(wèn)題。

第二，植物不同細(xì)胞和組織如何響應(yīng)脅迫，不同細(xì)胞和組織的響應(yīng)如何通過(guò)細(xì)胞間通訊和遠(yuǎn)距離信號(hào)協(xié)調(diào)和整合，目前尚不清楚[110]。具體表現(xiàn)如前文提到的Na+會(huì)在植物不同部位積累或者外排，什么因素致使植物各器官對(duì)鹽的不同敏感性，敏感性是否依賴于不同的鹽積累或組織特異性的信號(hào)傳導(dǎo)，這些問(wèn)題的答案會(huì)為提高植物耐鹽性起到關(guān)鍵作用。今后的研究中，將離子轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控建立在特定組織或特定細(xì)胞水平上或許可以回答這些問(wèn)題。

第三，植物耐鹽脅迫應(yīng)答機(jī)制在擬南芥的研究中已日漸清晰，但作物抗逆性分子機(jī)制的系統(tǒng)研究仍然滯后。與擬南芥相比，其他作物往往更復(fù)雜，可能有額外的機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)鹽脅迫，不同的物種可能具有不同的應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制。隨著基因組測(cè)序、組裝和注釋技術(shù)的發(fā)展，種質(zhì)資源的收集和分析，大量作物中耐鹽脅迫基因甚至新的調(diào)控機(jī)制會(huì)在不久的將來(lái)被發(fā)現(xiàn)。此外，鹽生植物的研究略顯不足，過(guò)表達(dá)蘇打豬毛菜NHX基因的紫花苜?？梢栽诟哌_(dá)400mmol/L NaCl的環(huán)境中生活50d[111]，鹽生植物特殊的耐鹽基因和分子機(jī)制可能對(duì)未來(lái)耐鹽作物育種提供基因資源和理論基礎(chǔ)。

第四，現(xiàn)有的研究多集中在植物本身對(duì)鹽脅迫的感知與應(yīng)答，但植物所處的環(huán)境空間中的其他因素如光照、溫度、濕度和微生物等，這些因素之間對(duì)于植物耐鹽性是否有影響，需要更多深入的研究。

第五，盡管有很好的研究前景和大量的信息積累，通過(guò)轉(zhuǎn)基因手段開(kāi)發(fā)既耐鹽又具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀（如產(chǎn)量）的作物依然困難，沒(méi)有增加耐鹽性的轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化[112]。因?yàn)橹参锬望}性往往與體內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)直接相關(guān)，離子穩(wěn)態(tài)的改變往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量的降低[110]。一些基于田間的研究如轉(zhuǎn)HAL1基因番茄T-6在鹽脅迫下的產(chǎn)量比原品系提高了27%[113]，在250mmol/L NaCl下，轉(zhuǎn)P5CS基因的鷹嘴豆在種子質(zhì)量和數(shù)量上均沒(méi)有明顯下降[114]，這種在商業(yè)水平開(kāi)發(fā)耐鹽作物值得嘗試。除傳統(tǒng)育種和基因工程育種外，一些研究有望在未來(lái)生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用，低鹽馴化或在基質(zhì)中混入生物炭均能有效地提高作物耐鹽性[115-116]。