小鹽芥耐鹽機制的研究進展

邵琳　王火旭　夏然

摘 要：鹽脅迫是世界上大多數國家和地區在農業生產上一直存在的問題，極大地威脅著植物的生長發育和世界各國的農業生產。在鹽脅迫條件下，植物產生了一系列的生理生化變化，包括：細胞質膜解體，活性氧增多，光合作用受到抑制以及代謝有毒物質的積累等，甚至是植株的死亡。理解鹽脅迫對植物生理生化代謝的影響，有利于改善植物生長條件，提高農作物的產量和品質，也為遺傳工程提供有力證據。小鹽芥是與模式植物擬南芥親緣關系較近的極端耐鹽植物，是研究植物耐受非生物脅迫逆境機理的理想材料。該文根據近年來該領域已有的研究成果闡述了小鹽芥耐鹽機制方面的研究進展。

關鍵詞：小鹽芥；耐鹽機制；研究進展

中圖分類號 Q945 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）08-34-04

Abstract：Salt stress is a problem of the most countries and regions，it has been existing and greatly affects plant growth and development and agricultural production. Plants produce a series of physiological and biochemical changes under salt stress，and it includes that cytoplasm membranes disintegrate，reactive oxygen species increase，photosynthesis is restrained，toxic substances of metabolism accumulate and so on，and it even lead to the death of the plant. To understand the influence of salt stress on plant physiological and biochemical metabolism，is conducive to improve plant growth，increase crop yield and quality and provide strong evidence for genetic engineering. Thellungiella salsuginea is a salt-tolerant plant，it is closed with the model plant Arabidopsis and is plant material to study adversity ideal of abiotic stress. On the basis of the existing research results in this field in recent years，salt tolerance mechanisms of Thellungiella salsuginea is reviewed.

Key Words：Thellungiella salsuginea；Salt tolerence mechanism；Progress

鹽脅迫是世界上大多數國家和地區在農業生產上一直存在的問題，它嚴重影響著植物的生長和發育，大大降低了農作物的產量和品質。隨著人口膨脹、社會經濟發展及環境惡化等原因，土壤鹽漬化的形勢愈演愈烈。現今，世界上約有20%的可耕地和40%的灌溉地不同程度的受到鹽漬化影響[1]。

植物適應鹽脅迫的機制非常復雜，提高農作物的耐鹽性仍然面臨著極大的挑戰。因此，選擇一種遺傳模式植物研究植物耐鹽機制顯得至關重要。小鹽芥是十字花科鹽芥屬1a生草本植物，與雙子葉植物研究中所常用的模式植物擬南芥親緣關系較近。小鹽芥也具有作為模式植物的一系列良好特征：個體較小、生活周期短、自花授粉、種子量大、基因組較小，易于遺傳轉化。更重要的是，小鹽芥能耐受500mM高鹽，同時對干旱和-15℃低溫等非生物脅迫有極高的耐受能力，因而成為研究植物耐受非生物脅迫逆境機理的理想材料[2，4-5]。本文根據近年來該領域已有的研究成果闡述小鹽芥耐鹽機制方面的研究進展。

1 鹽脅迫及其應答

在高鹽環境中，植物容易受到離子脅迫、滲透脅迫以及由此導致的次級脅迫如氧化脅迫、營養失衡等[2]。鹽脅迫會嚴重影響植物特別是甜土植物從種子萌發到生長發育等多個生理過程，同時也很大程度上干擾植物體內細胞及整株水平上的水分及離子的穩態，并導致細胞分子損傷，植物生長減緩甚至死亡[2]。

植物對抗鹽脅迫的應答反應主要是重建植物體的穩態（homeostasis），包括重建離子穩態（ionic homeostasis）和滲透穩態（osmotic homeostasis），另外還有氧化清除以及生長抑制等方式。植物中包括高親和性鉀轉運蛋白（high-affinity K+ transporter，HKT）、低親和性陽離子轉運蛋白（low-affinity cation transporter，LCT）和Na+/H+逆向轉運蛋白等維持著離子平衡，脯氨酸、果聚糖及甘露糖等滲調物質參與調節滲透平衡，而多種脅迫蛋白如胚胎發育晚期豐富蛋白LEAs、應答脫水蛋白RDs、冷調節蛋白CORs、蛋白酶和分子伴侶等也在應對脅迫的過程中發揮著重要的作用[3]。研究植物對鹽脅迫的應答，不僅對揭示植物耐鹽機制有重要的理論意義，而且對培育耐鹽作物具有重要的實踐意義。

2 耐鹽生理生化機制的研究

植物在鹽脅迫條件下，其生長發育會受到嚴重的影響，從而產生了一系列的生理生化變化，包括：細胞質膜解體、活性氧增多、光合作用受到抑制以及代謝有毒物質的積累等，甚至是植株的死亡。endprint

2.1 離子的穩態 土壤含鹽量高時，不僅會破壞植物細胞內的離子平衡狀態，如已經形成的Na+、Cl-、K+、Ca2+等離子的平衡，而且也影響了細胞內K+和Ca2+的分布，會破壞細胞壁和質膜的穩定性。因此，為了減輕鹽脅迫對植物的傷害而獲得耐鹽性，最重要的方式就是重建離子穩態。重建離子穩態包括離子的外排、內流以及離子的區域化等過程。

目前許多研究證明，在高鹽條件下，植物細胞中的離子轉運過程很重要。通過對所獲得擬南芥突變體的研究，朱健康實驗室定義了5個耐鹽基因：SOS1，SOS2，SOS3，SOS4，SOS5，其中SOS1編碼一個質膜上的Na+/H+逆向轉運蛋白，包含12個跨膜結構域，鹽脅迫正調控SOS1的表達[6]。Shi等人研究表明，擬南芥中SOS1的過量表達大大提高了其耐鹽性[7]。Blumwal實驗室研究證明，在植物中Na+/H+逆向轉運體（NHX1）的過表達均可以增加植物的耐鹽性[8]。

2.2 滲透壓的穩態 高鹽條件下，因為植物細胞內水勢高于細胞外，所以會導致細胞失水。調節滲透脅迫的方式有兩類：一是從外界環境中吸收無機離子如Na+、Cl-和K+等至液泡中，這種方式不僅減少了無機離子對胞質的毒害，而且還使胞質內水勢降低，從而促進植物細胞從外界環境中吸水；二是細胞質內合成可溶性的有機小分子量物質，作為滲透調節物質，可以降低細胞的滲透勢，提高細胞的保水能力，這是植物細胞重建滲透穩態的主要方式。

參與鹽脅迫的調節物質包括氨基酸及其衍生物（如脯氨酸、脯氨酸甜菜堿、甘氨酸甜菜堿等）、糖類（果糖和蔗糖等）、含硫化合物（硫酸膽堿等）、多元醇類（甘油、甲基肌醇、山梨糖醇等）[9]。此外，植物在高鹽條件下，細胞內會產生一類具有滲透調節作用的蛋白。這類蛋白質主要為胚胎晚期豐富蛋白（late embryogenesis abundant protein，LEA），其主要存在于細胞質中，是一種具很高親水性的脫水保護劑。Xu等人研究表明，LEA基因的過表達可提高植物的耐鹽性[10]。

2.3 氧化清除 植物受到鹽脅迫時，體內的平衡體系就會受到破壞，導致氧化脅迫，細胞內會產生多種形式的活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）包括氧自由基（O2-），羥基（OH-）和過氧化氫（H2O2）等。植物體內活性氧的過多積累會損害磷脂膜，導致膜的通透性增大、代謝紊亂，從而抑制植物的生長，加速植物的衰老和死亡[2]。

在長期進化中，植物體內活性氧的清除機制可分為兩類：一是酶促保護機制，包括：超氧化物歧化酶（SOD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）；二是非酶促保護機制，包括：抗壞血酸（Vc）、硫氧還蛋白（TPX）、谷胱甘肽、黃酮和類胡蘿卜素等[11]。

3 小鹽芥耐鹽的分子機制研究

3.1 小鹽芥相關基因的研究 近年來，隨著對小鹽芥耐鹽機制研究的逐步加深，與之相關的基因和功能正相繼得到分析和闡述。除了上面已經介紹的一些關鍵基因之外，還有許多其他的基因也參與到耐鹽機制中。

小鹽芥ThCBL9編碼鈣調磷酸酶B亞基。研究發現，ThCBL9和擬南芥中的AtCBL9的同源性較高[14]。將ThCBL9轉入擬南芥中過表達的植株與野生型植株相比，其對鹽脅迫的耐受力提高。ThCBL9的功能可能是通過活化AKT1基因的表達或促進SOS1的激活過程來維持細胞內離子的平衡狀態[12]。

小鹽芥TsVP，編碼液泡焦磷酸酶。Lv等人[13]將TsVP轉入棉花中，通過Northern和Southern方法驗證該基因已轉入到棉花的基因組中，結果顯示，轉基因植株的液泡中H+-PPase（H+-pyrophosphatase）的活性比野生型植株高很多。說明了TsVP提高了棉花轉基因植株對鹽脅迫的耐受性。研究發現，在煙草中TsVP的過表達可導致葉片的液泡中Na+的積累，從而增加了煙草的耐鹽性[14]。

更多的研究表明，ThHSC70，編碼熱激蛋白，是與冷、熱脅迫相關的小鹽芥基因[15]；ThCYP1，編碼環孢素，參與調節脅迫相關蛋白的折疊方式[16]。其他已被研究的小鹽芥基因還有：與植物細胞離子轉運過程相關的ThNHX1[17]；與細胞內轉錄因子有關的ThZF1[18]與TsCBF1[19]等。

綜上所述，小鹽芥的耐鹽機制是一個非常復雜的調控過程，有許多基因都在鹽脅迫應答過程中發揮了作用。

3.2 小鹽芥基因表達的研究 小鹽芥基因組文庫的構建在分子水平上為小鹽芥耐鹽分子機制的研究做出了很大的貢獻。在NCBI上，已經注冊了6 578個Yukon生態型小鹽芥的ESTs序列和約1 700個山東型小鹽芥的ESTs序列。目前已構建的小鹽芥文庫有：Barbara Moffatt實驗室構建的在冷、鹽和干旱分別處理下Yukon生態型小鹽芥的3個cDNA文庫和4個應用PCR技術建立的減法文庫；Teruaki Taji實驗室構建的用鹽、冷及脫落酸分別處理后的小鹽芥全長cDNA文庫；中國科學院的QiXie等構建的BIBAC2表達文庫；Chengbin Xiang利用GATEWAY載體構建的用于對小鹽芥基因在擬南芥中的過量表達與標記綠色熒光蛋白的表達模式進行研究的一個文庫；Jian-kang zhu和Ray Bressan構建的小鹽芥的EMS和T-DNA插入突變體庫。通過相應的基因組學技術，Hans Bohnert收集了一部分小鹽芥的脅迫誘導基因啟動子序列，Hans Bohnert和Jian-KangZhu獲得了一些在擬南芥基因組中缺少對應區域的小鹽芥BAC序列[20]。

目前研究結果顯示，在相同的脅迫條件處理下，小鹽芥在轉錄水平上的變化比擬南芥小。Taji等[21]和Gong等[22]顯示了相似的研究結果，擬南芥鹽脅迫下高表達的一些基因是小鹽芥在低鹽脅迫條件下高表達的基因。Amtmann等[23]研究發現，鹽脅迫下，小鹽芥地上部的編碼膜轉運蛋白的基因表達量明顯比擬南芥少，但在根組織中其表達量很接近。endprint

3.3 小鹽芥全基因組測序完成 為了對小鹽芥耐鹽分子機制進行深入研究與分析，構建小鹽芥的全基因組文庫顯得極為重要。謝旗等研究員[24]利用層級拼接的方法對雙末端測序方法（Illumina GA II系統）所得到的短序列進行了成功的拼裝，獲得了233.7Mb的框架序列，將其中80%的序列整合到鹽芥的7條染色體上。

通過結合基因結構、序列同源性及表達信息等特征，研究人員預測，小鹽芥基因組中共有28 457個編碼蛋白的基因，其中93%基因與擬南芥具有一定的同源性。

進化結果分析顯示，小鹽芥和擬南芥大約分化于700萬到1 200萬a之前。分化后的小鹽芥基因組獲得了大量的轉座子序列，約占其全基因組序列的52%，這一比例是擬南芥的4倍。

進一步分析發現，與擬南芥相比，小鹽芥基因組重復序列極高，小鹽芥存在更多的“應激響應”基因，這些基因通過大片段基因加倍和基因串聯加倍2種基因加倍事件而得到加倍。

小鹽芥全基因組序列的完成，使得小鹽芥模式系統更具潛力和吸引力，比如，利用小鹽芥全基因組文庫不僅可以篩選待測基因、基因順式調控元件和多基因家族等，而且可以通過內含子中的調控元件與基序來研究基因表達的調控。同時為設計改良農作物、提高植物對非生物脅迫的耐受力等方面具有重要的現實意義。

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（責編：施婷婷）endprint