耐鹽堿能源植物研究進展

林 聰，屠乃美，易鎮邪，易自力

(1湖南農業大學農學院，長沙410128;2湖南農業大學生物科學技術學院，長沙410128)

眾所周知，人類正面臨著能源短缺和環境破壞的雙重危機，化石燃料的日趨短缺以及石油基產品過度使用給生態環境帶來的一系列問題，已嚴重影響了人類社會的可持續發展。改變能源生產與消費方式，積極探索包括生物質能源在內的可再生清潔能源的開發和利用，已引起了世界各國的高度關注［1］。由于能源植物的種植需要使用大量土地，如果占用現有耕地，顯然會給糧食生產帶來巨大沖擊。因此，利用邊際土地種植能源植物無疑是發展生物質能源的必由之路。

鹽堿地是邊際型土地中的重要類型。據聯合國科教文組織(UNESCO)和糧農組織(FAO)不完全統計，全球現有鹽堿地約9.54億公頃，中國有9 913.3萬公頃。因鹽堿土中含有過多的可溶性鹽不利于糧食作物的生長，因此被大量閑置拋荒。選育能夠在鹽堿地上種植的能源植物，既不占用耕地，又能大量生產生物質能源，且對生態修復具有重要意義。因而，近年來，科技工作者對耐鹽堿能源植物開展了一系列的研究。本文針對目前耐鹽堿能源植物資源調查、耐鹽堿優良種質的篩選、能源植物對鹽堿脅迫的生理響應、耐鹽堿機理以及耐鹽堿性遺傳改良等方面的研究成果進行總結，旨在為耐鹽堿能源植物資源的進一步開發與利用提供參考。

1 耐鹽堿能源植物資源的調查與篩選

鹽生植物(Halophyte)是一類能夠在高含鹽環境中正常生長并完成其生活史的特殊植物種類［2］。鹽生植物中有很多富含淀粉、油脂、纖維素，可以作為能源植物加以利用。這類能夠在鹽堿地上生長的能源植物，或者說能夠作為能源植物加以利用的鹽生植物，統稱為耐鹽堿能源植物(Saline tolerance energy plant)。

1.1 耐鹽堿能源植物資源的調查

種質資源是植物遺傳育種與品種培育的重要物質基礎。通過對鹽生能源植物資源進行調查與搜集，可以篩選出適于鹽堿地種植的能源植物資源。任翠梅等［3］對大慶地區的能源植物進行調查，發現了7科10屬20種鹽生能源植物，又以形態特征、分布狀況、經濟價值等為指標統計篩選出菊芋、甜高粱、蓖麻、蒼耳子為大慶地區主要鹽生能源植物。侯新村等［4］針對生物柴油植物黃連木資源在我國的地理分布進行了調查，發現在沿海地區海灘鹽堿性潮土中也有黃連木資源的分布。王海洋等［5］調查了黃河三角洲濱海鹽堿地中的綠化植物資源，確定92科497種綠化植物。這些植物中有些種類不僅可以作為綠化植物還可作為能源植物加以利用，例如檉柳科的檉柳是一種優良的灌木能源林樹種［6］，禾本科芒屬植物中的荻是一種多年生、生物量大、纖維素含量高的優良能源植物［7］，藜科的鹽角草(海篷子)不僅生物量高可以作為生物燃料［8］，而且種子含油量高［9］，具有生產生物柴油的潛力，還有堿蓬、錦葵科的鹽地錦葵等。李意德等［10］根據近30年的調查研究資料，匯總了海南省80多種能源植物資源的基本情況，指出可用來生產烴類燃料的綠玉樹、牛角瓜等廣泛分布在沿海荒灘荒地上。丘麗娜等［11］在天津地區輕度鹽堿地中搜集了16種植物，并對它們的含油量和其中8種植物的抗性進行了鑒定，結果表明野生蓖麻和麻風樹都具有種子含油量高、抗逆性強的特點，是具有很大潛力的能源植物資源。雖然已有不少科研人員在耐鹽堿能源植物調查方面做出了很多工作，但仍然存在一些不足，例如調查范圍不夠廣泛，調查植物種類不夠全面等。今后應加大對鹽堿地鹽生植物的調查力度，根據不同鹽堿類型，不同用途植物，合理取舍，找出適合目標地區應用的能源植物類型。

1.2 耐鹽堿能源植物資源的篩選

目前很多研究人員對現有的一些能源植物種類、品種或引進的外來品種在鹽堿環境中進行篩選，主要以表型性狀作為選擇標準，評價確定了一些能源植物的耐鹽堿程度和表型性狀耐鹽堿指標，并選育出了一些適應性較強的耐鹽堿品種。

1.2.1 鹽堿地大田篩選

在鹽堿地大田自然環境中篩選，可以直觀準確地篩選出適宜目標地種植的能源植物。徐國萬等［12］早在上世紀90年代初期就進行了海濱錦葵的引種生態學研究，證明了海濱錦葵是一種高抗逆性植物，具有推廣價值。何禎祥等［13］針對江蘇省沿海鹽土灘涂資源的特點，按照種子產量為目標性狀從種植近10年的6萬株美國耐鹽油料植物海濱錦葵自然群體中篩選出40個優良單系，通過對這些單系進行子代測定，初步選擇優質海濱錦葵新品系6個。阮成江等［14］對我國自然生長的灘涂海濱錦葵群體進行篩選，通過單株選擇、株行比較和建立無性系－多元雜交圃、品系比較、灘涂區域種植試驗，確定了6個種子產量和含油量均有所提高的優質海濱錦葵品系。謝逸萍等［15］將從全國各地引進的8個菊芋品種在濱海鹽堿地種植，考察了各品系的生物學特性和產量，結果表明大興1號和徐州2號兩個品種適宜作為沿海灘涂能源植物加以開發利用。劉兆普等［16］篩選培育出的南芋1號、南芋2號菊芋品系具有生物產量高、能量密度大、高耐海水的特點，綜合利用前景廣闊。該課題組還研究了不同比例海淡水混合的灌溉模式，發現利用25% ～50%的海水灌溉比耕地種植的木薯含糖量提高了1倍。這一結果為鹽堿地能源植物灌溉模式的探索帶來新的思路。除了在濱海鹽堿地選育菊芋新品種外，還有研究人員針對內陸鹽堿地的特點篩選出一些適宜栽種的菊芋品種。潘紅利等［17］通過對國內菊芋品種的物候期及植物學性狀進行鑒定分析，獲得了適宜在黑龍江西部內陸鹽堿地中種植的青芋2號和慶芋2006－1兩個菊芋品種。除此之外，Akiko Ogura等［18］采用噴施鹽霧的方法將Miscanthus sinensis由內陸向海濱引種栽培取得了一定的成功。筆者也正對芒屬植物種質資源進行耐鹽堿篩選，并初步篩選出了一批抗性優良的材料。

1.2.2 人工模擬鹽堿環境篩選

除了在鹽堿地大田環境中篩選具有優良抗性的能源植物外，很多研究人員也通過實驗室模擬鹽堿環境的手段對一些有價值的能源植物進行耐鹽堿篩選。王秀玲等［19］研究了不同NaCl濃度脅迫下10個甜高粱材料的發芽特性，并揭示了不同發芽指標與鹽濃度的關系，最后綜合評價了這10個材料的耐鹽性能。于曉丹等［20］使用NaCl混合鹽和NaSO4混合鹽2類鹽溶液對柳枝稷的種子進行處理，研究鹽脅迫對柳枝稷種子萌發和幼苗生長的影響，結果表明柳枝稷也具有一定的耐鹽能力，并且0.4%的NaCl混合鹽和NaSO4混合鹽處理有促進柳枝稷種子萌發的作用，此外NaCl混合鹽對柳枝稷種子萌發的脅迫要高于NaSO4混合鹽。左海濤等［21］用盆栽土培法以生物量為衡量指標，研究了營養生長期柳枝稷對不同土壤鹽分類型、不同鹽分濃度和不同土壤含水量的敏感性，結果表明，在北京潮褐土上，柳枝稷對重碳酸鹽的適應能力較強，對氯鹽的適應能力較差;在蘭州灰鈣土上，柳枝稷對硫酸鹽的適應能力較強，對氯鹽的適應能力較差。此外研究還確定了柳枝稷在各鹽分類型下的適應范圍。賈秀平等［22］對油葵進行不同土壤鹽含量處理盆栽試驗，分析鹽脅迫對油葵生育時期和農藝性狀的影響，結果表明油葵苗期受土壤鹽含量的影響最大，在鹽脅迫環境下營養生長對產量的貢獻最大，在選育耐鹽油葵品種時應選擇苗期抗性好、營養生長能力強的材料。Sumin Kim等［23］以種子萌發能力、植物體營養生長為比較指標，對比了草原網茅 (Prairie cordgrass)與柳枝稷在不同鹽分濃度脅迫下的生長情況，結果發現草原網茅在鹽分脅迫下種子萌發潛力以及營養體生長能力強于柳枝稷，草原網茅比柳枝稷更適合作為耐鹽堿能源植物在鹽堿地種植。此外，一些研究人員還對部分能源植物的愈傷組織進行了篩選。豐峰等［24］用甘蔗心葉作為外植體對甘蔗愈傷組織進行耐鹽篩選確定出甘蔗愈傷組織半致死和致死鹽濃度分別為0.5%、1.5%NaCl，該研究為甘蔗耐鹽育種提供了大量材料。

2 能源植物對鹽堿脅迫的生理響應和耐鹽堿機理研究

在受到逆境脅迫時，植物體內會發生一些變化。土壤中鹽分過多時，植物主要表現出滲透脅迫、離子毒害、營養虧缺和代謝受阻等。

2.1 離子變化

鹽脅迫改變了植物細胞中水和離子的熱力學平衡，導致高滲透脅迫、離子不平衡和離子毒害。楊曉翠等［25］采用不同濃度NaCl溶液脅迫幼苗期油葵，結果表明，油葵幼苗根、莖中含有較高的Na+，葉片中含有較高的K+，根、莖中Ca2+和Mg2+含量有所下降，在NaCl脅迫下油葵仍具有較高的礦質元素吸收和運輸以及相對穩定的離子平衡，可能是油葵具有較高耐鹽性的原因。寧建鳳等［26］研究了高鹽脅迫下羅布麻對離子的吸收與運輸情況，結果表明羅布麻選擇和運輸K+、Ca2+的能力在鹽脅迫下顯著提高，這種能力幫助羅布麻在高鹽環境中生存。隆小華等［27］使用不同濃度的海水澆灌菊芋，探討了合適的海水灌溉濃度，研究發現低濃度海水脅迫會因吸收32P而減少對Cl－的吸收，而高濃度海水脅迫下會因32P吸收不足造成養分供應不足導致幼苗發育受限。

2.2 細胞質溶質的變化

鹽脅迫下，植物細胞質中會積累一些可溶性溶質以降低滲透勢，防止細胞大量失水對植物體造成傷害，這類溶質主要是脯氨酸、甜菜堿、蔗糖等［28］。鹽堿耐性較強的植物會通過滲透調節等方式來減輕鹽堿對細胞膜的損害［29］。高波［30］研究了不同濃度NaCl溶液脅迫下油葵幼苗葉片中脯氨酸含量的積累情況，發現在當鹽濃度為240 mmol/L時油葵葉片中脯氨酸含量達到最大，鹽濃度繼續加大，脯氨酸含量會迅速降低，這主要是由于鹽濃度過大造成細胞死亡，不能再合成脯氨酸。張俊蓮等［31］研究了向日葵在不同濃度鹽溶液脅迫下脯氨酸含量變化發現，脯氨酸含量在低鹽條件下隨鹽濃度的增大呈增加趨勢，高鹽下變化無規律，因此認為脯氨酸含量變化更適宜評價向日葵對鹽分的敏感性而不能作為耐鹽篩選指標。

2.3 氧化酶系統變化

鹽脅迫下，細胞內的水匱乏會導致活性氧的形成，活性氧可以破壞細胞內正常的新陳代謝。當植物受到脅迫時，細胞內過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等抗氧化酶含量增高，并且這些酶的濃度與所受的脅迫程度有很好的相關性［32］。呂金印等［33］研究了不同濃度NaCl脅迫對甜高粱保護酶活性的影響，結果表明保護酶系統中葉片超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性均升高，且在100 mmol/L濃度處理下達到最大，而過氧化物酶(POD)活性呈先升高再降低趨勢。陳健妙等［34］研究了兩種不同基因型麻風樹苗在不同NaCl濃度下的生理響應特征，實驗結果表明在25和50 mmol/L NaCl處理下，南油2、3號麻瘋樹苗主要通過顯著增加CAT活性，有效清除活性氧，使植株整體生長正常。100 mmol/LNaCl處理，2號苗葉片SOD、CAT活性穩定增加，POD活性顯著增加，有效清除活性氧，而3號苗SOD、POD和CAT活性皆比對照顯著降低，清除活性氧的能力較弱，植株生長明顯受抑制。

2.4 光合系統的變化

鹽分脅迫會使植物的光合作用受到抑制。鹽脅迫可以導致氣孔關閉，也可以通過破壞光合機構和光合作用有關酶的活性，來抑制光合作用［35］。劉斌等［36］研究發現在低濃度鹽脅迫下(土壤鹽含量小于0.4%)氣孔因素導致了能源柳無性系光合速率的降低，在高鹽脅迫下(土壤鹽含量大于0.4%)光合速率的下降是因光合系統遭到鹽離子破壞造成的。黃明月等［37］研究了菊芋在鹽脅迫下葉片的葉綠素熒光參數、光化學猝滅系數和非光化學猝滅系數，結果表明在高鹽脅迫下植株PSⅡ電子傳遞效率下降，PSⅡ途徑受到抑制。

3 開發耐鹽堿能源植物亟待解決的問題

耐鹽堿能源植物的開發利用對生物能源產業的發展以及鹽堿地修復具有重要的意義。雖然目前已做了很多工作，但是這一研究領域依舊面臨一些迫在眉睫的問題需要突破。給予能源植物自然或者人工模擬的鹽漬環境，篩選抗性優良的能源植物是一種快速、普遍的方法。科研人員已廣泛采用，今后還應加強對目前已經確定的具有巨大利用價值的能源植物(例如芒屬植物等)在鹽堿地的篩選工作，使這些能源植物能夠早日得到推廣應用。

研究能源植物在鹽堿脅迫條件下體內的生理響應，可以更加深刻的理解能源植物在鹽漬條件下的內部變化，為改良選育能源植物新品種提供理論上的指導。眾多科研人員都在這方面做出了許多努力與探索，取得了很多成果，但還存在一些不足之處。今后應繼續深入的探索能源植物的耐鹽堿生理響應與耐鹽堿機理，根據不同能源植物在鹽堿脅迫下生理響應的不同，鑒別各種生理指標與鹽堿脅迫的相關性，為建立能源植物耐鹽堿快速篩選體系打下基礎。

對能源植物的耐鹽堿性能進行遺傳改良，培育抗鹽堿能源植物，可以使有巨大開發潛力的能源植物在鹽堿地中得到充分利用。遺傳改良的方法有很多，如:大田選育、雜交育種、誘變育種、細胞工程和基因工程等。目前的研究報道主要集中在大田選育這方面。基因工程的方法也引起了很多研究人員關注，主要是耐鹽相關基因的克隆、表達。吳英杰等［38］研究了檉柳bZIP基因對抗逆基因表達的調控，結果表明在鹽脅迫條件下，bZIP轉錄因子能夠直接或間接調控一些抗逆基因的表達從而增強其抗逆能力。除了傳統的遺傳改良方式外，還有一些利用植物內生菌群提高抗鹽能力的報道也值得關注。Ye等［39］從草本植物體內分離出具有固氮能力的菌群ANFICO，將該菌群接種到Miscanthus sinensis中后，提高了其抗鹽能力。今后根據不同的需要應著力選育適應性強、耐鹽堿性能優異、產量表現好的能源植物。

能源植物增產不僅需要優良的品種，還需要與之配套的栽培方法。農作物在鹽堿地上的栽培方法我國古已有之，例如引水洗鹽、開溝排鹽等措施。但是在能源植物鹽堿地栽培方面的研究存在嚴重的不足，需要今后著力解決。

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