植物耐鹽堿機(jī)理研究進(jìn)展

楊志強(qiáng)　周偉　張詩琪　周亞星

關(guān)鍵詞：植物；耐鹽堿；轉(zhuǎn)基因；生理生化；根系

土壤鹽堿化是制約植物生長、發(fā)育和生產(chǎn)力的主要非生物因素之一。土壤鹽漬化是全球性問題，根據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地的面積為9.5438億hm2，在我國就有9913萬hm2[1]，導(dǎo)致土壤鹽堿化的因素包括不合理地開墾荒地和發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)、雨水沖擊以及人為活動[2]。土壤鹽漬化是一個較為嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題，邊際土地的合理高效利用已成為全球關(guān)注的問題[3]。在鹽堿地上種植耐鹽作物是最大限度利用和恢復(fù)鹽堿地的可行途徑之一[4]。

不同植物對鹽堿脅迫表現(xiàn)出不同的生理反應(yīng)，對鹽分的抗性也不同。目前植物耐鹽堿生理研究主要集中在滲透調(diào)節(jié)、膜過氧化和保護(hù)酶活性以及光合作用；基因的表達(dá)調(diào)控也是作物對于鹽堿脅迫響應(yīng)最重要的機(jī)理之一，在鹽堿脅迫下，植物會產(chǎn)生相應(yīng)的上調(diào)基因、下調(diào)基因，通過基因?qū)用娴谋磉_(dá)，增強(qiáng)或者減弱對于鹽堿脅迫的耐受性。本文從生理生化和分子響應(yīng)兩個方面對植物鹽堿脅迫響應(yīng)機(jī)理的國內(nèi)外研究進(jìn)行歸納與總結(jié)，為解析植物鹽堿響應(yīng)機(jī)制提供參考。

一、植物耐鹽堿性的生理生化研究

（一） 滲透脅迫

植物細(xì)胞的水分主要來源于滲透壓吸水，在未受到外源因素影響下，植物細(xì)胞的滲透壓高于土壤溶液，植物細(xì)胞可以通過滲透壓之差正常吸取土壤中的水分以及礦物元素。土壤中鹽堿濃度過高會使植物細(xì)胞中的滲透壓低于土壤溶液，導(dǎo)致植物細(xì)胞無法從土壤中獲取正常生長所需水分以及礦物元素，故鹽堿脅迫亦稱為生理干旱，會導(dǎo)致植物蒸騰作用降低，氣孔關(guān)閉，抑制葉片的光合作用[5－7]。

植物中有兩類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)：一是無機(jī)離子，如Na^＋、Cl^－、K^＋，它們從外部環(huán)境進(jìn)入細(xì)胞；二是合成有機(jī)溶質(zhì)，主要由多元醇和氮化合物組成。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是植物在抗逆過程中重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)，起著關(guān)鍵性的作用；但不同的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的參與程度在不同的植物中并不相同。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)也影響著活性氧的產(chǎn)生和清除，如，脯氨酸和甘露醇具有清除活性氧的能力，而鈣離子可以增強(qiáng)抗氧化酶的活性[8－12]。

（二） 活性氧脅迫

活性氧是植物細(xì)胞有氧代謝的副產(chǎn)物[13]，對植物細(xì)胞膜的完整性、多種蛋白酶的活性、植物養(yǎng)分吸收以及光合反應(yīng)具有破壞性影響[14]，可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)酶失活、降解以及細(xì)胞膜系統(tǒng)遭到破壞[15－16]。活性氧的產(chǎn)生和清除之間通常存在動態(tài)平衡，當(dāng)植物受到鹽脅迫時，活性氧的平衡狀態(tài)會受到影響，導(dǎo)致植物細(xì)胞受到破壞。因此，植物細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生與活性氧的清除之間的動態(tài)平衡恢復(fù)越快，抗氧化能力越強(qiáng)，鹽堿的耐受力也就越強(qiáng)。孫璐等[17]通過對高粱的耐鹽性實驗，發(fā)現(xiàn)了雖然耐鹽品種與鹽敏感品種活性氧水平都在增加，但是耐鹽品種增加的較少并且清除活性氧更加迅速，從而避免了活性氧過度積累對高粱細(xì)胞進(jìn)行破壞。

植物中主要有兩種系統(tǒng)維持著活性氧的動態(tài)平衡：一類是由超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX） 組成的酶類清除系統(tǒng)；另一類是由谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（AsA）、類胡蘿卜素（Car）、維生素E等抗氧化還原物質(zhì)組成的非酶類清除系統(tǒng)[18]。

（三） pH調(diào)節(jié)

鹽堿脅迫下，除了打破離子間的動態(tài)平衡，還有高pH傷害，pH值的升高對植物的傷害更加嚴(yán)重。首先，pH值升高會使土壤中的金屬離子以及含磷化合物增加，造成土壤板結(jié)，使植物出苗艱難以及根系對礦質(zhì)元素的吸收受到抑制，影響植物的生長；其次，pH 過高會破壞到植物的根系細(xì)胞，降低根系活力[19]。

不同植物根系受到堿脅迫時，會產(chǎn)生不同的有機(jī)酸，通過大量的有機(jī)酸積累，使細(xì)胞內(nèi)趨于酸性，以此來調(diào)節(jié)體內(nèi)的pH與根外的pH二者之間在一個低害程度，保護(hù)根系不受到高pH環(huán)境的傷害。細(xì)胞內(nèi)pH調(diào)控系統(tǒng)是植物在漫長的進(jìn)化過程中獲得抗逆機(jī)制。

二、植物根系響應(yīng)鹽堿脅迫的機(jī)制

植物的根是植物細(xì)胞開始感受到鹽堿脅迫的組織，植物的根系在漫長時間對鹽堿脅迫進(jìn)化出了復(fù)雜的響應(yīng)機(jī)制。

在受到不同程度的鹽脅脅迫時，植物根系的構(gòu)型會發(fā)生不同的改變。植物根系的重要功能之一是從環(huán)境中吸收水分和養(yǎng)分，而根系吸收功能的發(fā)揮又與根系的分布等相關(guān)[20-21]。楊志新[22]對干旱區(qū)鹽堿地的不同時期的食葉草根系進(jìn)行測量，結(jié)果表明，食葉草根系在鹽堿地中形成了針對鹽堿脅迫并增強(qiáng)自身抗逆境生長的一系列的響應(yīng)機(jī)制，表現(xiàn)為根系快速向深層拓展，在植株水平距離0 ～15cm 內(nèi)密集且快速增加。

鹽堿脅迫不僅影響根系生長與形態(tài)，還會改變植株各個器官的生長進(jìn)程，尤其是根冠比[23]。鹽脅迫使幼苗根干重、根冠比均不同程度下降[24]。于玉梅[25]等對4個海島棉品種進(jìn)行根系耐鹽堿比較，結(jié)果表明，4個海島棉品種隨著鹽堿程度的增加，各品種根系總長度雖然都在減少，但是新海35號較其他品種減少幅度小，根系干重亦如此，新海35號較其他3個品種下降幅度最為緩慢。綜合其結(jié)果來看，海島棉4個品種在鹽堿條件下，雖然都受到鹽堿的影響，但是耐鹽堿品種能及時響應(yīng)脅迫，減少其受到脅迫的傷害。

三、植物耐鹽堿性的遺傳學(xué)研究

植物在鹽堿脅迫下，自身會做出一系列的響應(yīng)，這些響應(yīng)都受到相關(guān)基因的調(diào)控，會產(chǎn)生一些上調(diào)、下調(diào)基因，并通過這些上調(diào)、下調(diào)基因增強(qiáng)自身對外界脅迫的耐受性。近些年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)愈來愈成熟，基因表達(dá)調(diào)控已經(jīng)成為當(dāng)下的研究熱點，通過對基因?qū)用娴纳钊胙芯?，科研工作者能更加直觀地了解一個植物的鹽堿響應(yīng)機(jī)制，并對植物耐鹽堿機(jī)理進(jìn)行解析。

目前，國內(nèi)外對植物耐鹽堿的基因表達(dá)調(diào)控主要集中在滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成、離子轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞解毒、生長調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)錄因子以及抗逆蛋白。

（一） 滲透調(diào)節(jié)基因

P5CS（吡咯啉－5－羧酸合成酶） 是脯氨酸合成途徑中的關(guān)鍵酶。在植物受到非生物脅迫時，會誘導(dǎo)植物體內(nèi)脯氨酸積累。Su等[26]對甜高粱幼苗進(jìn)行干旱脅迫和鹽脅迫處理10d后發(fā)現(xiàn)，SbP5CS1和SbP5CS2基因表達(dá)上調(diào)，在鹽脅迫處理中，SbP5CS1 和SbP5CS2 的表達(dá)在4h 和8h 時達(dá)到峰值，并且脯氨酸濃度在脅迫后增加，并且與兩個基因的表達(dá)相關(guān)。王翠平等[27]將P5CS1基因?qū)M南芥進(jìn)行轉(zhuǎn)基因處理，結(jié)果表明，P5CS1過表達(dá)植株對于鹽脅迫有著更好的耐受性，植株體內(nèi)的脯氨酸含量明顯升高，在耐鹽性試驗中，過表達(dá)植株耐鹽性較之普通植株更強(qiáng)。這些研究表明，P5CS可用于提高植物的耐鹽性。

BADH （甜菜堿脫氫酶） 是甜菜堿合成通路中的關(guān)鍵酶。甜菜堿作為一種有效的小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物體內(nèi)大量積累可以有效提高植物的抗逆性[28]。李春枝等[29]對羽衣甘藍(lán)進(jìn)行BADH基因農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化后，測定轉(zhuǎn)基因羽衣甘藍(lán)在鹽脅迫下的萌發(fā)率、BADH酶活性、葉綠素含量以及生長狀況，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植株在萌發(fā)率、存活率、葉綠素以及BADH酶活性上均高于正常植株，且與BADH基因表達(dá)相關(guān)。鄭成忠等[30]對玉米植株進(jìn)行轉(zhuǎn)BADH基因處理，并對其進(jìn)行抗鹽性鑒定，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)BADH基因玉米對比非轉(zhuǎn)基因玉米POD活性提高了16.2％～29.4％，SOD活性、脯氨酸含量與非轉(zhuǎn)基因相比分別提高了9.7％～61.6％和22.8％～59.2％。這些研究表明，BADH基因的表達(dá)調(diào)控在植物的非生物脅迫中較為關(guān)鍵。

（二） 離子區(qū)隔基因

在鹽脅迫下，植物可以通過Na＋／H＋在液泡膜上的反向傳遞進(jìn)入并儲存大量的Na＋，恢復(fù)體內(nèi)平衡，并將Na＋／H＋在液泡膜上反向傳遞的基因整合到對鹽堿脅迫耐受性差的植物中，從而提高植物的耐鹽性。銀芳柳等[31]將Kf NHX1基因轉(zhuǎn)入到擬南芥中，對轉(zhuǎn)基因擬南芥測定脅迫下的萌發(fā)率和抗性，轉(zhuǎn)基因種子萌發(fā)率超過80％，而野生型萌發(fā)率僅為40％；在ABA處理10d后，與野生型菌株相比，轉(zhuǎn)基因植株生長良好，葉子較大，野生型植株則黃化且生長受到抑制；鹽脅迫15d后，轉(zhuǎn)基因植株生命力更強(qiáng)，野生型生命力較弱，與轉(zhuǎn)基因植株對比，脅迫結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。劉闖等[32]將葡萄中Vvi HKT1；7轉(zhuǎn)入擬南芥中，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)Vvi HKT1；7基因種子的發(fā)芽率和耐鹽性均高于野生型。

（三） 生長調(diào)節(jié)基因

Amira Dabbous等[33]將鹽生植物L(fēng)obularia maritima中分離出的LmVHA－E1在擬南芥中過表達(dá)，并對其進(jìn)行PEG脅迫和鹽脅迫處理，研究結(jié)果表明，LmVHA－E1在擬南芥中的過度表達(dá)增強(qiáng)了植物對于干旱以及鹽堿脅迫的耐受性，在PEG脅迫和鹽脅迫下表現(xiàn)出更高的幼苗存活率和更好的抗氧化活性，與野生型相比，離子區(qū)隔化更多，葉片滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)。Bruno Ruggiero等[34]對擬南芥突變體耐鹽品種sto1進(jìn)行深入研究，研究表明，雖然突變體缺少STO1基因（STO1編碼一種9－順式－環(huán)氧二十碳烯類固醇雙加氧酶），在高滲脅迫后，無法積累ABA，但降低的ABA可以在脅迫期間通過介導(dǎo)非離子滲透反應(yīng)的信號途徑導(dǎo)致其更快的生長，這可能與在NaCl 誘導(dǎo)的ICK1 基因表達(dá)和乙烯積累的減少有關(guān)。

（四） 轉(zhuǎn)錄因子

張梅娟等[35] 對砂蘚bZIP 轉(zhuǎn)錄因子基因RcbZIP3 和RcbZIP4 進(jìn)行非生物脅迫下的表達(dá)分析， 結(jié)果表明，RcbZIP3和RcbZIP4基因植物在非生物脅迫下基因表達(dá)量均升高，提高植物的耐受性。楊圣等[36]分析了43個MYB基因在鹽脅迫和ABA處理下的表達(dá)譜，結(jié)果表明，MYB基因表達(dá)的變化可能是由于ABA在鹽處理條件下的作用，進(jìn)而影響水稻的耐鹽性。

四、總結(jié)與展望

綜上所述，國內(nèi)外對于非生物脅迫，尤其是耐鹽堿方面進(jìn)行了大量的研究，并取得許多相關(guān)研究結(jié)果。因為轉(zhuǎn)基因安全性問題，植物的轉(zhuǎn)基因研究一直受到制約。通過國內(nèi)外學(xué)者的研究，部分對植物耐鹽堿的調(diào)控基因已被大眾了解，但植物的耐鹽堿性是由多個基因共同表達(dá)或拮抗所展示的結(jié)果，且植物的部分基因表達(dá)產(chǎn)物也參與著植物的耐鹽堿調(diào)控，植物的耐鹽堿機(jī)理尚未完全明了。例如，在成熟胚胎中常見的LEA蛋白是一種具有高親水和可溶性的脫水保護(hù)劑。LEA蛋白誘導(dǎo)干旱、寒冷、水、鹽度、滲透等脅迫中的基因表達(dá)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植物中LEA蛋白的過度表達(dá)與缺水和耐鹽脅迫有關(guān)[37]。而將耐鹽堿調(diào)控基因?qū)肽康闹参?，也是一種高效的解決方法。付光明[38]、王小麗[39]等將BADH基因轉(zhuǎn)入到玉米中，玉米的耐鹽性增強(qiáng)。李大紅[40]對轉(zhuǎn)P5CS基因水稻種子與普通水稻種子進(jìn)行鹽脅迫，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)P5CS基因水稻明顯優(yōu)于普通水稻種子，說明P5CS 能提高植物耐鹽性。

通過利用生物技術(shù)的新成果，科研工作者將會對耐鹽堿響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行更深入的了解，并對鹽堿基因表達(dá)機(jī)制進(jìn)行解析，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)對基因水平進(jìn)行調(diào)控，不僅能大幅度縮短育種年限，還可以使農(nóng)作物獲得本身不具備的優(yōu)良性狀，最終獲得更加高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、耐鹽堿的植物。

作者簡介：楊志強(qiáng)（1998-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古通遼人，碩士在讀，研究方向：作物遺傳育種；周亞星（1981-），河北石家莊人，通信作者，博士，副教授，研究方向：作物遺傳育種。

（責(zé)任編輯 曹雯梅）