大豆耐鹽機制的研究進展

李亮

摘 要：中國乃至整個世界土地的鹽漬化越來越嚴重，給農業生產帶來了越來越大的影響。大豆作為重要的經濟作物，同樣受到鹽害帶來的影響。高鹽會對大豆的許多方面產生負面的影響，包括大豆的生長、節間伸長、各種農藝性狀、種子質量和產量等。本文將在描素鹽害對大豆產生各種負面影響的同時，總結介紹大豆在鹽壓力下的分子反應、耐鹽機制和基因調控途徑。

關鍵詞：大豆； 耐鹽性；NaCl

中圖分類號：S565.1 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170832015

大豆是一種高油、高蛋白含量的經濟作物。不但可以用大豆生產食用油滿足人們的生活所需，還可以用來生產飼料甚至是工業產品。大豆的需求量與日俱增，但是鹽害作為一種重要的非生物壓力嚴重抑制大豆的產量。全世界有近1/3的土地是鹽堿地，我國鹽漬土地面積巨大，并且有7%左右耕地土壤嚴重鹽漬化[1]。土壤的鹽漬化是造成作物減產的重要脅迫之一。大豆雖然是中度耐鹽作物但在鹽漬化土地上生長仍會減產50%以上，甚至絕產。近些年大豆的種植面積不斷縮小，國產大豆總產量不斷降低。所以向鹽漬化土地要糧，提高鹽漬化耕地的利用效率是提高大豆等農作物總產量的有效方法之一。因此，在生產上對耐鹽大豆品種的需求顯得十分迫切。

利用現代生物技術培育耐鹽品種相對傳統耐鹽品種的選育手段省時、省力，已逐漸成為當前的研究熱點。在耐鹽分子標記輔助育種領域，近年來取得了一些可喜的進展，一些與耐鹽基因相關分子標記的獲得和QTL位點的定位可能為耐鹽品種的選育提供了更為有效的方法。但是目前還沒有成功實踐的范例，在大豆研究領域更是處于起步階段。隨著生物技術的飛速發展，利用轉基因技術進行作物耐鹽性改良已經成了新的研究熱點。研究人員已經克隆得到了大量與大豆耐鹽性相關的基因，并且把這些基因導入不同的植物，以期提高植物的耐鹽性。目前用于該領域的基因大體有以下這幾類：逆境誘導的植物蛋白酶基因，如受體激酶基因、核糖體蛋白激酶基因、轉錄調控蛋白激酶基因等；細胞滲透壓調節物質基因，如大豆磷酸酯酶基因、1-磷酸甘露醇脫氫酶基因、6-磷酸山梨醇脫氫酶基因等；超氧化物歧化酶；轉錄因子基因，如JERF轉錄因子、DREB轉錄因子等[2-5]。但目前還沒有培育出優良的轉基因大豆耐鹽品種。所以，對大豆的耐鹽性改良，必須依賴對大豆耐鹽性分子機理的深入理解。

1 鹽對大豆的影響

大豆是一種中度耐鹽的作物。當土壤中鹽的含量達到5dS/m時，就會降低大豆的產量[6]。高濃度的鹽影響大豆的整個生育期，從而影響大豆的最終產量。低鹽濃度會延遲大豆種子的發芽時間。在高濃度的鹽壓力下，大豆的發芽率將大幅度的降低甚至不發芽。但是耐鹽大豆品種的發芽率和發病率要明顯低于鹽敏感品種。在大豆種子萌發過程中，不同發育階段對鹽的耐性不同，種子吸脹期、出芽期、芽伸長期、側根生長期耐鹽性逐漸降低。大豆萌發階段和成熟階段的耐鹽性也不同，‘Lee、‘Coiquitt和‘Clark363個栽培品種在鹽脅迫下發芽率下降幅度相似，但是高鹽對‘Coiquitt和‘Clark36株高和地上部分干重的影響比Lee嚴重得多[7]。相對于大豆種子的萌發階段，苗期對鹽壓力更加敏感。220mM的氯化鈉對苗期大豆的生長影響不大，300mM的氯化鈉會嚴重抑制大豆的生長。高鹽嚴重影響大豆各種農藝性狀，包括株高、葉面積、節數、分枝數、結莢數、生物產量和百粒重等。種子的質量也受到高鹽的影響，現在已經明確的是鹽壓力會降低大豆種子中蛋白質的含量，但是對脂肪含量的影響到底有多大現在還沒有一個明確的結論[8]。一般情況下，大豆耐鹽品種要比敏鹽品種在高鹽的環境下各種農藝性狀表現得更好。根瘤是豆科植物的重要特征。鹽脅迫影響大豆根瘤的發育，減少大豆根瘤的數量、降低大豆根瘤重量，從而降低大豆的固氮效率。吸氧受阻、根瘤中豆血紅蛋白含量下降、固氮所需要的能量源消耗殆盡是鹽脅迫抑制根瘤菌固氮的重要原因。另外，鹽壓力可以嚴重抑制根毛結瘤從而阻止與根瘤菌的共生過程的開始。鹽脅迫可以嚴重損傷根瘤，但是大豆根瘤的數量和固氮效率與大豆品種和共生根瘤菌的耐鹽性正相關。大豆品種本身的耐鹽能力對根瘤的形成至關重要。

2 大豆耐鹽機制

2.1 離子的吸收和轉運

在沿海和內陸地區，鹽主要以NaCl 和 Na2CO3/NaHCO3的形式存在。大量的研究顯示Na+的過量積累是造成植物鹽脅迫致死的關鍵離子，也有研究證明Cl-離子與大豆Nacl脅迫傷害高度相關。大豆葉片和根系中Na+和Cl-吸收、外排能力與大豆耐鹽性相關。一般，大豆耐鹽品種‘Dare和鹽敏感品種‘Tachiyutaka在中度鹽脅迫下Na+聚集在根系中，把Cl-離子轉運到地上部分[9]。不同大豆品種耐鹽性的差異取決于大豆根中Na+和Cl-的吸收和外排能力，栽培大豆對Cl-更敏感，而野生大豆對Na+更敏感[10]。以上的研究并沒有明確Na+還是Cl-是大豆鹽脅迫致死的關鍵因子。所以，Na+和Cl-的動態平衡可能與大豆耐鹽性高度相關。Na+的外排和液泡區室化是植物抵抗鹽脅迫重要的方式之一。人們發現高等植物液泡膜上的Na+/H+反向轉運蛋白可以將細胞質中的Na+區室化進入液泡， 以避免高濃度Na+累積對細胞質產生毒害，并影響正常的代謝活動[11]。Cl-的動態平衡可能是決定大豆耐鹽性的關鍵因素。GmCLC1定位于大豆的液泡膜上， NaCl， KCl， NaNO3， KNO3 和 PEG 可以誘導其在根系和葉片中表達。在轉基因煙草BY-2細胞中，GmCLC1的異常表達可以通過增強液泡對Cl-的承載能力來避免NaCl產生的不良影響[12]。

2.2 滲透調節

高鹽引起作物生長環境相對水分不足，從而對植物產生滲透壓。滲透調節是植物適應鹽脅迫的最基本特征之一。鹽處理將引發大豆相關的生理反應。在水培鹽處理大豆幼苗時，短時間內就會發現葉片出現萎蔫狀態，并且葉片氣孔的電導率明顯的降低。在鹽脅迫下，植物會主動積累一些無機離子、小分子有機化合物和蛋白類保護劑，如： Na+、K+、有機物、脯氨酸、有機酸等，來維持細胞內的滲透平衡，以避免鹽脅迫造成傷害。在鹽脅迫下，耐鹽大豆品種‘Clark和‘Forest體內可溶性蛋白、脯氨酸、K+和Ca2+ 等含量增加，而在鹽敏感品種‘Kint體內這些物質大量減少[13]。亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸的積累有利于提高植物的抗逆性。相關研究顯示在低濃度鹽脅迫下，大豆種子中蛋白質含量顯著下降，脂肪酸組成中的亞油酸和亞麻酸含量卻顯著增加[14]。endprint

2.3 鹽脅迫下細胞壁和膜脂的變化

細胞壁是一種非常復雜的結構，決定細胞的大小和形狀，從而影響植物的生長發育和各個器官的功能。不同類型的細胞根據它們特定的功能細胞壁的組成成分不同，細胞壁通常會為了適應各種環境壓力而發生改變。Proline-rich細胞壁蛋白是一種組成細胞壁的重要成分，它對外界的刺激十分敏感。大豆中SbPRP3編碼了一種Proline-rich細胞壁蛋白。水楊酸、各種病毒感染、干旱和鹽壓力都能誘導它的表達[15]。

鹽脅迫下，質膜的穩定性與大豆的耐鹽性相關。植物細胞質膜是由磷脂，糖脂，和類固醇構成的。高鹽可以改變質膜成分，導致細胞中的電解質和有機化合物滲漏。Surjus 和 Durand[16]的研究顯示鹽脅迫可以使質膜和微粒體中不飽和脂肪酸的含量分別降低55%和26%。鹽壓力可以降低棕櫚酸和油酸的合成量，但是低鹽馴化可以保持大豆幼苗中棕櫚酸和油酸的含量，從而提高大豆的耐鹽性[17]。

2.4 酶的變化

超氧化物歧化酶（SOD）分布于不同亞細胞，在大豆耐鹽過程中扮演重要的角色。在大豆幼苗子葉中，細胞質、線粒體和葉綠體中超氧化物歧化酶活性分別占總活性的80%，11%， 9%[18]。鹽脅迫首先抑制葉綠體中SOD的活性，然后是線粒體，最后是細胞質中SOD的活性。鹽脅迫不但改變了SOD的活性，同時也改變了SOD的組成成分。除了SOD，人們分離得到了一些新的活性氧清除劑。例如，植物替代氧化酶可以在氧化狀態下維持上游的電子傳輸組件的穩定，從而降低活性氧的產生。據報道，植物替代氧化酶可能通過這種方式來參與活性氧的清除 [19] 。大豆中GmPAP3編碼一種紫色酸性磷酸酶。鹽壓力可以誘導其表達。GmPAP3的異常表達可以減輕植物由于鹽、滲透壓力和特異氧化帶來的負面影響。在鹽處理下，轉GmPAP3基因的擬南芥比野生型生長的更好，并且減少了脂肪過氧化反應的發生[20]。

3 基因調控途徑

據推測，高等植物中特定的受體會感知外界的鹽壓力信號，并把信號傳導到細胞內，激活或生成特定轉錄因子，從而調控一系列特定鹽誘導基因的表達。目前，人們已經在大豆中分離得到了模式植物鹽脅迫信號傳導網絡中一些重要的假定元件。這暗示大豆鹽脅迫信號傳導途徑可能與模式植物的相似。

3.1 Ca2+調控途徑

胞外的刺激信號經過轉換后進入細胞，通過細胞內的第二信使進一步傳遞和放大，最終引起細胞反應。第二信使的種類很多，Ca2+是其中研究比較深入的一種。一旦感受器感知外界的刺激信號，Ca2+就會引發一系列的反應。Ca2+感受器可以識別特定的鹽壓力Ca2+信號并與之結合，然后轉移到激酶/磷酸酯酶從而激活相應基因的表達，相應功能基因的表達使植物表現出耐鹽性，這些反應是不受ABA調控的[21]。

Ca2+調控途徑是一種重要的壓力反應信號傳導途徑。Ca2+-ATPase是一種主要的Ca2+轉運蛋白。研究人員在大豆中分離出來一種定位在質膜上的Ca2+-ATPase基因GmSCA1。對它的功能分析顯示，它屬于一種新的IIB Ca2+泵蛋白家族，并且壓力可以誘導它的表達[22]。CaMs是一種無酶活的蛋白，可以調節其它的無酶活或有酶活的蛋白。CaMs是真核細胞中Ca2+信號傳到途徑的主要組成成分。人們在大豆中已經克隆得到了5個CaMs拷貝序列（SCaM-1 to -5） 。SCaM-4表達水平比較低，但是鹽壓力可以誘導其短時間的表達[23]，說明它可能參與了生物壓力和非生物壓力的早期反應過程。人們已經分離得到了許多大豆蛋白激酶基因。GmAAPK編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，非生命壓力可以調控它的表達。PEG，ABA，Ca2+和Na+可以誘導GmAAPK基因在大豆葉片中表達，表明它可能參與大豆的耐鹽性調控[24]。GmSTY1是一種編碼大豆假定雙重-特異蛋白激酶基因。它與絲氨酸/蘇氨酸激酶和酪氨酸蛋白激酶的羧肽相似。干旱和鹽脅迫可以誘導它的表達，但脫落酸不能[25]。

3.2 ABA-independent調控途徑

DREB蛋白在鹽壓力信號ABA-independent調控途徑中起重要的作用，它們是一組轉錄因子，參與植物的生物壓力和非生物壓力抗性調控[26]。現在已經在大豆中克隆得到了十多個DREB蛋白基因。在經脫水處理的耐鹽野生大豆品種中，GmDREB1表達量迅速增加并且表達量要比在野生型敏鹽大豆品種中高得多。鹽、干旱和冷壓力可以誘導大豆葉片中GmDREBa 和GmDREBb的表達，在葉片中并沒有發現GmDREBc被誘導表達。但鹽、干旱、和脫落酸可以誘導GmDREBc在根系中表達。對DREB蛋白不同成員基因功能的研究顯示，鹽、冷和脫落酸同樣可以誘導GmDREB2的表達，GmDREB2可以與DRE元件特異的結合，在轉該基因擬南芥中的過表達可以激活下游壓力反應基因。轉GmDREB2基因的煙草比野生型植株積累了更多的脯氨酸[26]。

3.3 ABA-dependent調控途徑

bZIP-like蛋白是調控ABA-dependent調控途徑的重要轉錄因子。研究人員已經在大豆中鑒別出了2個同源的bZIP-like蛋白。GmTDF-5編碼一個帶有2個亮氨酸拉鏈的細胞溶質蛋白質。進一步的研究表明鹽、甘露醇和脫水處理可以誘導GmTDF-5的表達。GmbZIP132是另一個在大豆中克隆出來的bZIP-like蛋白基因，可以被干旱和高鹽誘導[27]。GmbZIP132在轉基因擬南芥的表達降低了植物對脫落酸的敏感性、提高了對失水的耐性。進一步的研究顯示GmbZIP132還可以提高種子萌發階段的耐鹽性，但是不能改善苗期的耐鹽能力。

另一類ABA-dependent轉錄因子蛋白是NAC蛋白。根據序列相似性和可能的DNA結合區域功能，把NAC蛋白的N端分成5個亞區域，C端是轉錄活性區域。在相關的研究中已經說明NAC蛋白的轉錄功能。在大豆中雖然已經克隆到了6個NAC相關基因 （GmNAC1–GmNAC6） [28]，但是還沒有明確它們與大豆耐鹽性的關系。endprint

4 展望

大豆耐鹽機制涉及從植株到器官、組織、生理生化直至分子的各個水平。盡管已經開展了大量研究，但由于其機制十分復雜，大豆耐鹽中的許多重要問題仍有待探索。例如，大豆耐鹽的關鍵因子仍未找到；植物耐鹽的分子機制并不十分清楚；雖然已經進行了大量耐鹽基因的轉化，但轉化植株耐鹽性提高有限，離生產應用還有一定距離。突變體篩選、分子生物學研究手段及基因工程技術在植物耐鹽研究中的廣泛應用，為解決這些大豆耐鹽研究中的瓶頸問題提供了很大的幫助。大豆基因組測序工作已經完成，人們對大豆這一古老的作物有了更深層次的了解，基因發掘顯得更加容易，大量的基因不斷被研究人員們找到。隨著相關研究的不斷進行所有大豆耐鹽相關的基因特別是那些主效基因也一定會逐漸的浮出水面，耐鹽基因位點的遺傳圖譜也會逐步的建立起來。在生產實際中，大豆耐鹽“分子育種、分子設計育種”的應用也必將會實現。

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