植物耐鹽堿性研究進(jìn)展及外源褪黑素應(yīng)用研究

賈文飛，馬靖恒，裴彤，魏曉瓊，王穎，李金英，吳林※

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，吉林 長春 130118；2.吉林省藍(lán)莓研究中心，吉林 長春 130021）

全球鹽堿地面積約9.5 108hm2，占世界陸地總面積的7.23%[1,2]。由于生態(tài)氣候等諸多因素影響，鹽堿地面積不斷增加，現(xiàn)如今已成為全球共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題[3-5]。我國鹽堿地主要散布在東北平原、西北干旱、半干旱地區(qū)、黃淮海平原及東部沿海地區(qū)，鹽堿化土壤面積達(dá)3.6 107hm2，其中耕地鹽堿化面積7.6 106hm2[6,7]，占比21%。植物是否能正常生長與其所在的環(huán)境密不可分，而土壤鹽堿化是植物生長的潛在威脅[8,9]。在逆境條件下，植物通過形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化變化等生理響應(yīng)來適應(yīng)逆境環(huán)境。在植物受到鹽堿脅迫時(shí)會(huì)相應(yīng)地通過自身的滲透調(diào)節(jié)和一系列抗氧化酶活性等生理生化變化來適應(yīng)，耐鹽性較強(qiáng)的植物對根系和葉片等易受脅迫的器官調(diào)整微域環(huán)境來提高自身的抗性。鹽堿地制約很多地方農(nóng)業(yè)發(fā)展，本文對國內(nèi)外在植物的耐鹽堿性方面的研究進(jìn)行了概述，對鹽堿脅迫下植物的生長發(fā)育、光合生理、解剖結(jié)構(gòu)及生理生化的變化等方面進(jìn)行了總結(jié)，概述了外源褪黑素對植物耐鹽性的影響，并對外源褪黑素對植物的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期為植物的抗性研究提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 鹽堿脅迫對植物生長發(fā)育的影響

水分是種子發(fā)芽的必要條件，而鹽脅迫對植物造成滲透脅迫，從而引起植株體內(nèi)水分外滲，對脂膜造成傷害，造成水分脅迫。黃秋葵、飯豆等種子在500 mmol/L鹽濃度下萌發(fā)率會(huì)顯著降低[10]。因植物的生長特性存在差異，藜麥和一些煙草等在較低濃度的鹽處理卻有利于其生長發(fā)育[11,12]。多數(shù)植物隨著土壤鹽堿程度的加深，植株外觀會(huì)表現(xiàn)出葉片顏色變淡、萎蔫等，這些形態(tài)表現(xiàn)往往滯后于生理反應(yīng)，一旦表現(xiàn)出就難以恢復(fù)[13,14]。細(xì)胞膜是植物感受外界脅迫最敏感的部位。脂膜的離子和溶質(zhì)滲透是這種敏感初始反應(yīng)最普遍的共同現(xiàn)象。脂膜在受到鹽分脅迫后發(fā)生膜質(zhì)變相，從液晶態(tài)變成凝膠態(tài)，進(jìn)而可使膜脂雙分子層變成單層，這類變相會(huì)破壞膜的功能，進(jìn)而影響細(xì)胞代謝。高濃度鹽會(huì)對玉米葉肉細(xì)胞的部分膜造成傷害，進(jìn)而影響細(xì)胞的正常代謝活動(dòng)[15]。生物膜的破壞主要是由膜質(zhì)的過氧化造成的，脂膜的破壞程度可以用細(xì)胞脂膜透性的變化和丙二醛的含量來反映[16]。

1.2 鹽堿脅迫對植物光合生理的影響

植物的光合作用是植物體內(nèi)重要的代謝過程，植物體內(nèi)有95%以上的有機(jī)物由光合作用產(chǎn)生，為植物生長提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，高鹽環(huán)境會(huì)造成非鹽生環(huán)境植株光合能力降低，降低光合產(chǎn)量。葉片是高等植物進(jìn)行光合作用的器官，而葉綠體是植物光合作用的細(xì)胞器，其中葉綠素a、葉綠素b 是主要的光合色素，直接參與光合作用，鹽脅迫會(huì)造成葉綠素合成受阻，同時(shí)破壞已存在的光合色素。杜梨在NaCl 脅迫下，葉綠素a、葉綠素b 的含量不斷下降[17]。鹽堿脅迫也會(huì)不同程度地降低植物光合同化能力，影響植物對過剩光能的耗散，通常使用葉綠素?zé)晒鈪?shù)來衡量熱耗散的程度，葉綠素?zé)晒鈪?shù)也是反映植株對光能的吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞及分配等多個(gè)環(huán)節(jié)，能夠反映植物氣體交換參數(shù)的內(nèi)在變化。不同葡萄砧木在NaCl 脅迫下，葉片中光合色素含量均下降，但影響程度不同，而Fo 均顯著升高，F(xiàn)m、Fv/Fm和Fv/Fo均降低[18]。

1.3 鹽堿脅迫對植物內(nèi)源激素的影響

植物內(nèi)源激素是植物體內(nèi)產(chǎn)生的能夠調(diào)節(jié)自身生理過程、調(diào)控植物生長發(fā)育的微量有機(jī)化合物。植物體內(nèi)的脫落酸（ABA）、乙烯（ET）、生長素（IAA）、肌酸激酶（CK）、水楊酸（SA）、茉莉酸（JA）和油菜素內(nèi)酯（BR）等內(nèi)源激素是應(yīng)激反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的重要組成，不同激素之間相互協(xié)調(diào)，在植物適應(yīng)逆境脅迫的過程中起到重要調(diào)節(jié)作用[19-21]。ABA是植物體內(nèi)關(guān)鍵的應(yīng)激激素之一，當(dāng)受到鹽堿脅迫時(shí)會(huì)迫使植株內(nèi)源ABA的合成，NaCl、堿性鹽及混合鹽堿3 種鹽堿脅迫條件下，平歐雜種榛葉片的ABA 含量顯著升高，且在堿性鹽Na2CO3脅迫下ABA 積累更快[22]。

1.4 鹽堿脅迫對植物葉片結(jié)構(gòu)的影響

葉片是植物在生長過程中應(yīng)對環(huán)境變化最敏感且可塑性較強(qiáng)的器官，在不同的生長環(huán)境下會(huì)形成不同的適應(yīng)類型，鹽堿脅迫下植物葉片內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的變化，能反映植株對鹽堿的耐受性。石蠟切片技術(shù)是組織學(xué)制片技術(shù)中最廣泛應(yīng)用的方法，是觀察判斷細(xì)胞組織、研究植物器官的有效手段之一[23-25]。王帥[26]通過顯微攝影技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，沙棗的莖、葉和葉柄的角質(zhì)層會(huì)隨著鹽堿土的含量增加而增加，而葉片的厚度和莖、葉、葉柄中木質(zhì)部導(dǎo)管孔徑隨著鹽濃度增加都不斷增加，沙棗的木射線也隨著鹽堿土含量的增加不斷加寬。鹽脅迫后的銀杏莖薄壁細(xì)胞中可見大量鹽簇晶體，而根和葉柄中則很少見，說明銀杏幼樹的莖部具有一定耐鹽和儲(chǔ)鹽能力[27]。石頭扁桃在150 mmol/L NaCl 處理10 d 后，葉肉顯著加厚，柵欄組織細(xì)胞和海綿組織細(xì)胞顯著變長，柵欄組織細(xì)胞數(shù)目增多排列比較緊密，隨著鹽濃度的增加和脅迫時(shí)間的延長也會(huì)出現(xiàn)類似的變化，而較耐鹽的桃扁桃在300 mmol/L NaCl處理10 d 后才表現(xiàn)出明顯反應(yīng)[28]。

1.5 鹽堿脅迫對植物生理生化特性的影響

土壤中過多的鹽離子積累會(huì)提高土壤的滲透壓，而當(dāng)土壤滲透壓高于植物細(xì)胞滲透壓，會(huì)導(dǎo)致植株水分外滲產(chǎn)生滲透脅迫。滲透調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對逆境的重要生理機(jī)制，植物在鹽堿脅迫下自身會(huì)合成脯氨酸、甜菜堿、糖類和多元醇等有機(jī)物質(zhì)應(yīng)對滲透脅迫。脯氨酸作為植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在多種非生物脅迫下對保持植物生長具有重要作用[29-32]。酸棗、鹽柳和銀杏幼苗適應(yīng)高濃度鹽堿環(huán)境會(huì)使游離脯氨酸大量積累[33-35]。通過增加脯氨酸、甜菜堿等有機(jī)物質(zhì)可以使羅布麻幼苗抵御鹽脅迫[36]。甜菜堿是可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢，穩(wěn)定蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜高級結(jié)構(gòu)的一種滲透保護(hù)劑，可以保護(hù)植物光合呼吸系統(tǒng)免受鹽堿脅迫[37]。糖類中，如可溶性糖和蔗糖的積累，可以為其他有機(jī)物的合成提供能量。芍藥中可溶性糖隨著鹽堿脅迫的加深表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢[38]，這可能與高濃度鹽堿脅迫下可溶性糖的合成受阻和降解有關(guān)。海藻糖能促進(jìn)植物生長，減少重度鹽堿脅迫對葉綠素的損害。有機(jī)酸是堿脅迫下的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，pH的調(diào)節(jié)主要依賴于植物體內(nèi)有機(jī)酸的分泌[39,40]。

鹽堿脅迫下植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量活性氧的積累，對植物細(xì)胞質(zhì)膜造成極大的傷害。植物體內(nèi)存在一套完整的活性氧清除體系，植株因逆境產(chǎn)生活性氧，增強(qiáng)植物對逆境的抵抗能力，保證正常的生命活動(dòng)。酶類保護(hù)體系包括SOD、CAT、POD 以及花青素不飽和脂肪酸等。逆境脅迫及衰老進(jìn)程中，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生能力大于清除能力，SOD等活性氧清除劑具有維持活性氧代謝平衡、保護(hù)膜結(jié)構(gòu)的功能[41-43]。在鹽脅迫下，大果沙棗中SOD 活性顯著下降[44]。常被作為ASA 氧化還原緩沖劑的有維生素（E）、不飽和脂肪酸、GSH、-生育酚、花青素和類胡蘿卜素等，對維持細(xì)胞中活性氧的平衡具有重要作用。

1.6 鹽堿脅迫對植物離子含量的影響

植物生長發(fā)育需要豐富穩(wěn)定的礦質(zhì)元素，但鹽堿地破壞了土壤中各離子間的動(dòng)態(tài)平衡，致使植物對離子吸收不平衡，發(fā)生離子毒害。植物對礦質(zhì)元素的吸收存在競爭關(guān)系，某些離子過多積累，會(huì)阻礙植株對其他離子的吸收，造成離子虧缺，破壞細(xì)胞中離子穩(wěn)態(tài)，K+、Na+就存在著競爭作用，高濃度的Na+會(huì)抑制植株獨(dú)一K+的吸收，使K+/Na+升高[45]。鹽生植物通常有兩種形式來維持細(xì)胞質(zhì)中的Na+平衡：一是Na+外排，另一個(gè)是Na+區(qū)隔化。Na+外排是指ATP 經(jīng)過細(xì)胞膜上的質(zhì)子泵水解，產(chǎn)生能量，它驅(qū)動(dòng)質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將多余的Na+從質(zhì)體中排出，而多余的鹽被分泌鹽的鹽生植物通過鹽腺和鹽囊從體內(nèi)清除，從而抵抗高鹽水平的影響。Na+區(qū)隔化是指在鹽堿脅迫下，通過提高質(zhì)膜和液泡膜離子泵活性，促進(jìn)Na+轉(zhuǎn)移到植物液泡中，以降低胞內(nèi)鹽濃度，保護(hù)質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，維持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定。在大多數(shù)耐鹽植物中，用Na+取代Ca2+，會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增加細(xì)胞通透性[46]。葉片中的主要滲透溶質(zhì)之一就是K+，K+的外滲，導(dǎo)致細(xì)胞膜產(chǎn)生滲透脅迫，使其正常功能受損，進(jìn)而破壞細(xì)胞的正常代謝及生理功能。植物對NaCl 的鹽害非常敏感，酸棗在NaCl 脅迫條件下，抗氧化酶系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞，抑制其光合作用[47]。高叢越橘在高濃度NaCl 脅迫下，Na+和Cl-在葉中大量積聚，降低了根對K+、Ca2+和Mg2+以及莖和葉對K+的吸收能力，降低了植株從根到葉K+、Ca2+和Mg2+的整體運(yùn)輸能力，從而破壞了葉的離子平衡，導(dǎo)致離子毒害和生長受阻[48]。紫花苜蓿幼苗在受到混合蘇打鹽堿脅迫時(shí)根、莖和葉中會(huì)積累大量Na+[49]。黑麥草在鹽堿脅迫下，通過根系中加強(qiáng)對K+和Ca2+的吸收來減少對Na+的吸收，葉片抵御脅迫則主要通過將Na+區(qū)隔在液泡和細(xì)胞壁中，說明黑麥草的不同器官應(yīng)對脅迫的方式不同[50]。

2 褪黑素的生理功能及外源褪黑素在植物耐鹽堿方面的應(yīng)用

植物褪黑素（N-乙?；?5-甲氧基色胺）于1993 年在日本牽?；ㄖ惺状伪话l(fā)現(xiàn)，1995 年公開發(fā)表[51]。隨后多項(xiàng)研究陸續(xù)證明褪黑素在不同植物中的存在，甚至在單個(gè)植物的不同部位也存在褪黑素[52-54]。

褪黑素是迄今發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的內(nèi)源性自由基清除劑，其基本功能就是參與抗氧化，防止細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷[55]。褪黑素是一種多效性分子與植物生長素具有相同生物合成前體色氨酸，故與激素一樣起吲哚-3-乙酸的作用，被認(rèn)為是影響各種生物和非生物脅迫反應(yīng)的候選植物激素。此外，褪黑素參與調(diào)節(jié)植物的生長和發(fā)育，參與許多生物過程并影響植物對環(huán)境脅迫的反應(yīng)，可調(diào)節(jié)植物生長并緩解植物的環(huán)境壓力，保護(hù)植物免受生物和非生物脅迫。褪黑素可通過提高抗氧化酶活性、光合效率和代謝產(chǎn)物的含量來改善植物的脅迫耐受性，同時(shí)植物在受到非生物脅迫也會(huì)增加植物褪黑素含量[56-58]。褪黑素是一種多功能信號分子，普遍分布在植物的不同部位，負(fù)責(zé)刺激對不利環(huán)境條件的多種生理反應(yīng)，作為一種強(qiáng)大的生長調(diào)節(jié)劑、生物刺激劑和抗氧化劑，通過直接清除活性氧（ROS）延遲葉片衰老、減輕光合作用抑制并改善氧化還原穩(wěn)態(tài)和抗氧化系統(tǒng)以及活性氮物種（RNS）。此外，外源褪黑素也提高對干旱、不利溫度、鹽度、重金屬、酸雨和病原體的耐受性[59]。

2.1 外源褪黑素對鹽堿脅迫下植物生長發(fā)育及生理生化代謝方面的影響

褪黑素已被廣泛報(bào)道有利于植物生長和發(fā)育[60,61]。用10mol/L 褪黑素浸種，能提高鹽脅迫下棉苗株高及生物量，同時(shí)對地下部根系的生長具有顯著的調(diào)控作用[62]。低濃度褪黑素處理后的棉花種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率有明顯增高，提升種子活力，增加了種子萌發(fā)后的生物量[63]。外源褪黑素也能改善植物的養(yǎng)分吸收。水稻幼苗噴施MT 后，其氮、磷、鉀含量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)明顯要高于經(jīng)過脅迫的水稻幼苗[64]。根施褪黑素減少葉片電解外滲、H2O2和MDA 含量等有毒物質(zhì)的積累[65]。改善鹽環(huán)境下甜瓜幼苗的質(zhì)膜過氧化程度，從而增強(qiáng)其對鹽脅迫的適應(yīng)性[66]。外源褪黑素可通過修復(fù)線粒體來減輕非生物和生物脅迫引起的活性氧和細(xì)胞損傷[67]。褪黑素預(yù)處理后可減輕茶樹在低溫、鹽分和干旱脅迫下產(chǎn)生的大量ROS，增加葉片中谷胱甘肽和抗壞血酸含量以及超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶的活性，說明褪黑激素通過抑制ROS 的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)來保護(hù)茶樹免受鹽脅迫引起的損害[68]，在多種植物中也得到了驗(yàn)證[69,70]。褪黑素通過激活羊草芽和根中的抗氧化酶而減輕ROS積累量、降低丙二醛含量[71]。另一方面，鹽環(huán)境下植物葉片會(huì)增加抗氧化酶活性和脫落酸、褪黑激素含量來應(yīng)對鹽環(huán)境，而外源褪黑素的施用促進(jìn)了這些物質(zhì)的增加。在鹽環(huán)境下，應(yīng)用褪黑激素能增加草莓的產(chǎn)量，同時(shí)葉片抗氧化酶和脫落酸含量也明顯增加[72]。

2.2 外源褪黑素對鹽堿脅迫下植物光合特性的影響

褪黑素能改善鹽堿環(huán)境下植物的光合性能。偶春等[73]利用100mol/L 褪黑素處理低鹽脅迫下的香椿幼苗葉片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在該濃度的褪黑素處理下提高了葉片光合作用效率。鹽脅迫下氣孔限制是番茄幼苗葉片Pn 降低的主要原因，當(dāng)外施褪黑素后Pn 增加，Gs和Ci 也隨之增加，這是由于褪黑素對維持較高PSII潛在活性有一定的促進(jìn)作用，通過維持較高的Rubisco活性、光能利用效率及克服氣孔限制，從而減輕鹽脅迫下番茄幼苗葉片光合作用的影響[74]。外源褪黑激素預(yù)處理部分減輕了過高的鹽濃度對小麥生長的抑制[75]。用50mol/L褪黑激素處理種子的甜瓜葉綠素含量也要顯著高于未處理的[76]。

2.3 外源褪黑素對鹽堿脅迫下植物信號和轉(zhuǎn)導(dǎo)基因調(diào)控的影響

褪黑素是一種無毒的生物分子，它是重要的次要信使分子，在應(yīng)對各種非生物和生物脅迫中起著至關(guān)重要的作用[77-79]。褪黑素通過上調(diào)鹽脅迫抑制的基因表達(dá)，能顯著改善大豆對鹽的耐受性，通過進(jìn)一步研究表明，褪黑素可能通過增強(qiáng)參與細(xì)胞分裂、光合作用、碳水化合物代謝、脂肪酸生物合成和抗壞血酸代謝的基因來實(shí)現(xiàn)其在大豆中的促進(jìn)作用[80]。一個(gè)與褪黑素生物合成相關(guān)的SlCOMT1 基因在脅迫下，番茄葉片中SlCOMT1 的轉(zhuǎn)錄水平與褪黑激素含量呈正相關(guān)，此外，與野生型相比，SlCOMT1 轉(zhuǎn)基因番茄的超氧化物和過氧化氫含量較低，脯氨酸含量較高，因此，SlCOMT1 與褪黑激素的生物合成密切相關(guān)[81]。外源褪黑素可誘導(dǎo)雙色檸檬草幼苗上調(diào)編碼離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，以增強(qiáng)鹽腺的鹽分泌[82]。外源褪黑素預(yù)處理能夠誘導(dǎo)SlRR 基因的表達(dá)以提高抗氧化酶的活性，從而減少自由基的產(chǎn)生，從而提高番茄對鹽堿的耐受性[83]。

3 展望

植物應(yīng)對鹽堿環(huán)境是個(gè)復(fù)雜的過程，會(huì)通過形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化變化以及基因型來適應(yīng)。目前植物的耐鹽性在生理代謝等研究中取得了諸多成果，使用外源物質(zhì)來提高植物的耐鹽能力是近年研究的關(guān)注點(diǎn)之一。近年，褪黑素在植物的抗逆性研究中取得了許多成果，但在外源褪黑素的應(yīng)用是否具有普遍性，對植物的作用機(jī)理方面尚未處于初始階段，對外源褪黑素作用的深層機(jī)理還需繼續(xù)研究，以期為植物抗逆研究提供理論依據(jù)和參考價(jià)值。