鹽脅迫對植物葉綠素熒光影響的研究進展

方怡然,薛立

華南農業大學林學與風景園林學院,廣州 510642

0 前言

土壤鹽漬化是世界上最為嚴重的環境問題之一[1]。目前全球10%以上的陸地面積受鹽漬化的影響[2],其中,我國的鹽堿土面積約9.99 × 107 hm2,分布范圍廣[3],主要分布于我國的干旱、半干旱及濱海地區[4]。由于鹽漬化的土壤具有鹽分含量高、礦物質成分過量的特點[5],促使土壤溶液的濃度過高、導致植物吸收水分和養分的能力下降,進而影響植物正常的生理和生化活動[3]。因此土壤鹽漬化是限制樹木生長的關鍵因子[1]。

光合作用作為植物生長發育的生理基礎[6],對鹽脅迫十分敏感,因此,研究光合作用對鹽脅迫的響應是了解植物脅迫機理及增強其抗鹽性的重要途徑[7]。當植物光合作用受到抑制時,最初受影響的便是葉綠體光系統II,即PSII[8]。由于PSII 的變化可清楚顯示光合能力受脅迫的程度,因此了解PSII 對逆境的適應機制在一定程度上可反映植物在逆境下的生存策略[9]。其中,葉綠素熒光能準確反映光能吸收和傳遞的過程,并在電子傳遞的測定、質子梯度的建立及ATP 的合成等過程中發揮獨特的作用,是研究植物光合生理狀況及植物與逆境脅迫關系的理想探針[10]。

目前,葉綠素熒光動力學技術被廣泛運用于光合作用機理[11]、作物增產潛力預測[12]和植物抗逆生理[13]等方面,亦有關于植物及其光合作用對鹽脅迫響應機制的研究報道,比如束勝[14]等分別從氣孔導度、光合色素、PSII 光化學反應、光合電子傳遞、葉綠體超微結構、類囊體膜蛋白復合體以及光合磷酸化和CO2固定等方面綜述了鹽脅迫對植物光合作用的影響;劉倩等[15]則從生物量、光合作用、離子平衡和膜透性等方面分析植物對鹽堿脅迫的響應機制等等,這些研究均有效的揭示了植物對鹽脅迫的適應機制及緩解機制。但由于鹽脅迫對植物的光合作用及其葉綠素熒光的影響是一個復雜的過程,鹽分類型、植物種類和水熱條件的差異可在較大程度上影響植物的主要受迫機理及受迫程度,從而導致研究結果的不一致。因此,必須了解這些因子對受脅迫植物的影響,才能更準確的了解植物抗鹽脅迫機理,從而采取有效的改良措施。目前,關于植物葉綠素熒光在不同鹽分類型、植物種類和水熱條件下對鹽脅迫的響應機制、受影響程度及緩解機制的綜述研究鮮有報道,因此,本文通過綜述鹽脅迫下,鹽分類型、植物品種、光照強度和干旱等因素對植物葉綠素熒光影響,并結合最新的研究成果,提出增強植物耐鹽性的方法,以期通過更全面的揭示植物對鹽脅迫的適應機制,為全球耐鹽品種的選育和鹽堿地的有效開發利用提供理論依據。

1 鹽脅迫的發生機理

各種鹽類都是由陰陽離子組成,鹽土中所含的鹽類主要是由Cl-、SO42-、NO3-等陰離子及Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子組合而成。一般情況下,鹽脅迫是指植物由于生長在高鹽度的生境而受到的高滲透勢的影響。其中,鹽脅迫的發生機理主要有以下三點:

1.1 滲透脅迫

滲透脅迫是鹽脅迫對植物造成的主要危害之一[16],通常情況下,鹽脅迫能使植物吸水困難,原因是土壤鹽分的過量積累使土壤溶液的滲透勢下降,進而使植物根部細胞無法利用水勢差吸取水分而造成的[17];當植物細胞滲透勢隨著鹽分濃度的升高而增加時,植物細胞容易失水而造成生理干旱,形成滲透脅迫[18]。

1.2 離子脅迫

土壤含鹽量高時,過量的鹽離子被植物吸收并積累在體內,能通過破壞膜的完整性及增加電解質的滲出率來引發細胞代謝紊亂[19]。此外,植物對鹽離子和各營養元素的吸收存在競爭關系,這種競爭關系能打破植物體內離子吸收的平衡,造成植物營養不均并使其遭受單鹽毒害(在鹽脅迫中該毒害主要由Na+引起),從而抑制植物的正常生長[20]。

1.3 氧化脅迫

高濃度的鹽分會導致活性氧物質在體內的穩態失衡,產生大量單線態氧、超氧化物自由基和過氧化氫等有害的細胞毒性氧[21],導致脂肪、蛋白質和核酸等生物分子遭受氧化脅迫,并使參與代謝的酶失活或變性,阻礙蛋白質的合成,進而影響植物的光合作用并造成植物細胞代謝紊亂[22]。

2 葉綠素熒光動力學

葉綠素熒光信號是由綠色植物(或含有葉綠素的部分組織)PSII 的天線色素蛋白復合體的葉綠素a分子所發出的一種微弱且強度隨時間不斷變化的暗紅色熒光信號[23]。其中,該熒光信號的獲取需對植物事先進行暗適應處理后,在可見光激發的狀態下用熒光計測得。獲取該熒光信號的過程被稱為葉綠素熒光誘導動力學[24]。實際上,熒光現象是葉綠素分子吸收光量子的能量后,處于激發態的葉綠素分子通過能量躍遷又恢復到穩定態的現象[24]。光被植物色素系統吸收后的消耗途徑主要有3 種,分別是光合電子傳遞、葉綠素熒光和熱耗散;各消耗途徑的能量分配間存在此消彼長的關系[11],因此通過植物發射熒光量的變化情況可反映鹽脅迫下植物的光合作用[11]及生理變化的情況,進而對植物的抗鹽性進行判斷。

常見的葉綠素熒光參數有初始熒光(Fo),主要用于度量色素吸收的能量中以熱和熒光形式散失的部分;最大熒光(Fm),代表PSII 反應中心處于完全關閉時的熒光產量;PSII 原初光能轉化效率(Fv/Fm),代表PSII 反應中心光能轉換效率;PSII 有效光化學量子產量(Fv′/Fm′),代表開放的PSII 反應中心原初光能捕獲效率;光化學猝滅系數(qP),反映PSII 反應中心開放部分的比例;非光化學猝滅系數(qN,即NPQ),代表PSII 天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的部分;表觀電子傳遞速率(ETR),表示實際光強條件下的表觀電子傳遞效率。此外,還有代表PSII 潛在活性的Fv/Fo以及代表PSII反應中心部分關閉情況下實際PSII光能捕獲效率的ΦPSII等。

目前,葉綠素熒光的測量方法主要有兩種,即使用調制式和非調制式熒光計測量[13]。其中,調制式熒光計的使用至少需要調制的弱測量光和連續強化光這兩束光,該方法可直接測定相關的葉綠素a 熒光動力學參數[25],并可據此計算出相關的Fv/Fm和ETR等參數,而非調制式熒光計的使用僅需一個強連續光源,結構更簡單,信號檢測采用光電直流放大系統[25]。非調制式熒光計通常用于測定葉綠素a 熒光動力學信號的快速響應,只獲得Fo、Fm和Fv/Fm。

3 鹽脅迫對植物葉綠素熒光影響

3.1 不同鹽分脅迫對植物葉綠素熒光的影響

大量研究表明,鹽脅迫能引起植物產生復雜的生理生化反應,其造成的滲透脅迫、離子毒害和氧化應激等能對植物葉綠體的光合器官造成傷害,使PSII 反應中心受損[4,11],最終導致植物光合能力的下降。其中,鹽脅迫對植物葉綠素熒光的影響通常表現為Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ΦPSII等熒光指標的下降和NPQ的上升。其中,Fv/Fm和Fv/Fo的下降在一定程度上能表明PSII 受損,植株受到光抑制[26];qP的降低說明從PSII氧化側向PSII反應中心的電子傳遞受到抑制[26];ΦPSII的急劇下降則表明ATP、NADPH 等同化力的形成受阻,植物凈光合速率下降[26],而NPQ的增加表明植物能通過非光化學猝滅來提高熱耗散,以此來消耗過多的激發能,減輕脅迫環境的傷害并進行自我保護[27-28]。但由于不同鹽分對植物的主導脅迫機理和程度不同,因此在不同鹽分類型下,植物的葉綠素熒光指標的變化情況存在差異。目前,在土壤眾多致害鹽類中,以鈉鹽和鈣鹽為主,并以鈉鹽的危害最為普遍。有研究表明,鈉鹽對植物的傷害程度大于鈣鹽[29]。這是由于鈉鹽與鈣鹽相比,對植物的保護膜具有一定的破壞作用,鈣鹽在一定程度上能減緩滲透脅迫下的質膜過氧化程度,對生物膜具有一定的保護作用,但鈣鹽濃度過高也會對植物產生離子毒害[30]。史慶華等[26]在研究番茄(Lycopersicon esculentumMill.)的光合作用對等滲Ca(NO3)2和NaCl 處理的響應時發現,等滲的NaCl 和Ca(NO3)2溶液均能引起番茄葉片Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ΦPSII的下降,但NaCl 處理下各相關的葉綠素熒光參數的下降幅度均大于Ca(NO3)2處理,即NaCl 處理對葉片的傷害程度遠大于Ca(NO3)2處理。這與劉志媛等[29]對等滲Ca(NO3)2和NaCl 對番茄幼苗生長的影響的研究結果一致。這是由于Ca(NO3)2和 NaCl 對番茄的主導脅迫機理不同,Ca(NO3)2主要通過滲透脅迫使番茄葉片發生生理干旱來影響植物的光合作用[29];而NaCl 除有相同的滲透脅迫外,還存在離子脅迫。過量的Na+通過破壞質膜結構、抑制K+、Ca2+和Mg2+等離子的吸收,降低與光合作用相關酶的活性等來抑制植株的生長[31]。但由于不同植物對Na+和Cl-的敏感程度不同[32],因此起主導脅迫作用的離子不一定都是Na+。例如,在Srivastava 等[33]的研究中,Cl-是引起柑橘(Citrus reticulataBlanco)等果樹受脅迫影響的主要因素,而番茄等作物的脅迫作用主要是由Na+引起的[32]。但也有研究表明,鈣鹽對植物的傷害程度大于鈉鹽,李青云等[34]等在研究鈉鹽和鈣鹽脅迫對草莓(Fragaria ananassaDuch.)光合作用的影響時發現,鈉鹽對草莓光合能力的傷害程度小于鈣鹽。這表明鹽脅迫對植物光合作用的影響機理和程度因鹽分種類和植物類型的不同而存在差異[35]。

對于鈉鹽而言,不同鈉鹽對植物的傷害作用的差異主要受陰離子類型和濃度的影響[36]。胡楚琦等[37]用等Na+濃度的Na2SO4和Na2S 處理蘆葦(Phragmites australis(Cav.) Trin.ex Steud.)后發現,經Na2SO4處理的ΦPSII和qP下降幅度和NPQ的增加幅度均明顯低于Na2S 處理的。SO42-和S2-在植物細胞中的排出速率不同,相對S2-來說,SO42-比較容易從蘆葦細胞中分泌出來,因此SO42-對植物的迫害程度較低[38],即SO42-對蘆葦的傷害小于S2-。張桂玲等[39]在研究轉Bt基因棉幼苗(Gossypium hirsutum)時發現,在相同Na+濃度下,Cl-的毒害作用大于SO42-,表明植物光合作用的受脅迫程度會因組成陰離子的不同而存在差異,王斌等[40]研究Na2SO4和NaCl 對沼澤小葉樺(Betula microphyllaBunge)的生理響應及張楚涵等[41]研究不同鈉鹽對狼尾草(Pennisetum alopecuroides(L.) Spreng.)的生理影響時也得出類似的結果。

鹽分濃度是影響鹽脅迫對植物傷害程度的重要因素之一。大量研究表明,各種鹽分在不同濃度時對植物生理功能的影響不同,且鹽分濃度越高、脅迫時間越長,影響就越明顯[42]。薛延豐等[43]的研究發現,在低濃度NaCl 處理下,菊芋幼苗的熒光參數與對照相比均無明顯變化;除NPQ增加外，其余的熒光參數均隨NaCl 濃度的增加呈下降趨勢,這說明低濃度NaCl處理下,植物PSII氧化側的電子流動沒有被阻斷,光合機構和原初電子受體不受影響,亦無發生光抑制和光破壞;但隨著鹽處理濃度的增加,PSII 氧化側的放氧復合物的功能受損,向PSII反應中心提供的電子數量減少,PSII還原側從QA向QB 的電子傳遞受阻,從而導致PSII 電子傳遞速度下降,光合機構逐漸受到光抑制。此外,有研究報道,低濃度的鹽分處理有利于部分植物的生長[44];但也有研究表明,不管鹽分種類及其濃度如何,均對植物葉片葉綠素的合成起抑制作用[40],這可能與植物本身的耐鹽性及生長環境有關。總體來說,高濃度鹽分會破壞植物的細胞膜結構,降低酶活性,抑制光合作用,從而打亂植物的生理功能,但由于鹽分種類的不同,植物各葉綠素熒光參數的變化曲線、峰值及下降程度均存在差異。

3.2 鹽脅迫對不同植物種類葉綠素熒光的影響

鹽脅迫對不同植物葉片光合作用的影響不同,例如在一定濃度鹽處理下,柳枝稷(Panicum virgatum)[45]、桑樹(Morus alba)[46]、楊樹(PopulusL.)[47]等植物品種的光合作用效率明顯下降,而絨毛梣(Fraxinus velutina)等無明顯變化,國槐(Sophora japonicaL.)則有所增強[48]。由于光合作用強弱與葉綠素熒光參數的變化密切相關[33],因此通過研究鹽脅迫下不同植物的葉綠素熒光特性來深入了解鹽脅迫對不同植物葉片光合作用的影響程度是十分有必要的。一般情況下,抗鹽性較高的植物種類受鹽脅迫的迫害程度較小,其表現出熒光參數的變化幅度亦較小,且當鹽分濃度較低時,部分植物能通過提高葉片光合色素含量和光能的吸收,來進一步增加自身的耐鹽能力[49],而鹽敏感植物即使在較低鹽濃度下,也能使熒光參數發生較大幅度的變化,并引起其光合能力的下降。因此,研究鹽脅迫下不同植物熒光參數的變化不僅能了解植物受脅迫的機理和程度,也可以判斷不同植物品種的抗鹽性,為篩選高抗鹽性植物及培育新耐鹽植物的研究提供參考[50]。據馮蕾等[7]報道,經0.15% NaCl 濃度處理的枳椇(Hovenia acerba)比對照的Fv/Fm和qP值均有明顯下降;而皂莢(Gleditsia sinensis)的相應指標在NaCl 濃度高于0.30% 時才略有下降,且相同鹽濃度處理下,枳椇的Fv/Fm和qP值的下降幅度大于皂莢,而NPQ的增加幅度則剛好相反,這表明枳椇對NaCl 脅迫較皂莢敏感,亦表明皂莢的抗鹽性強于枳椇。Sixto 等[51]在利用葉綠素熒光參數篩選耐鹽性較高的銀白楊(Populus alba)品種時發現,抗鹽性較強的品種與對照組的Fo和Fv/Fm并無顯著差異,而幾種鹽敏感品種的Fo高于對照,Fv/Fm則相反。由于Fo的增加是由PSII 反應中心受損或可逆失活引起的,因此,根據Fo的變化情況在一定程度上能衡量PSII的穩定性[52]。

一般情況下,抗鹽性較強的植物品種能較好的利用PSII 反應中心非輻射熱能量的耗散來減輕鹽脅迫對光合機構的傷害,但這種利用非光化學猝滅來減輕植物受脅迫傷害的能力是有限的,它不僅與植物品種有關,還與鹽分濃度密切相關[28]。唐玲等[28]的研究發現,雞爪槭(Acer palmatum)作為一種耐鹽性較強的植物[53],在一定鹽濃度下,可以通過提高NPQ來保護光合機構,使其不受損害;而當鹽濃度高達一定程度并超過它自身的調節范圍后,PSII 反應中心的光合機構則會受到嚴重損害。當NPQ出現大幅度下降時,表明植物利用非輻射能量途徑散失過剩激發能的功能受到抑制[27],這與周丹丹等[54]研究樸樹(Celtis sinensis)和速生白榆(Ulmus pumilaL.)幼苗以及秦紅艷等[27]研究山葡萄(Vitis amurensisRupr.)對鹽脅迫的響應時得出的結果相似。

3.3 不同光照強度下鹽脅迫對植物葉綠素熒光的影響

鹽脅迫下,植物的葉綠素熒光特性易受光照強度的影響[55],因此,探明不同光照強度對鹽脅迫下植物葉綠素熒光的影響有助于了解植物在鹽脅迫下對光強的適應能力,進而為鹽脅迫地區植物的合理生產及管理提供參考。一般情況下,單純的鹽脅迫或弱光鹽脅迫并不會引起植物發生光抑制[56],因為鹽脅迫雖能誘導活性氧(ROS)的過量生產,對植物葉片造成氧化傷害[57],但植物細胞能通過抗氧化系統的防御來降低鹽脅迫對葉片的氧化傷害。例如,過量的H2O2能利用金屬催化的Haber-Weiss 反應產生高度活潑和破壞極強的羥基自由基(·OH)[58],進而破壞放氧復合體(OEC)的構成亞基并妨礙其周轉而降低PSII 的功能[59],但細胞能通過提高抗壞血酸過氧化物酶(APX)的活性[57]來清除過量的H2O2,而光作為植物光合作用的唯一能量來源,是植物進行光合作用的基礎。在一定范圍內,增加光強能提高植物的光合速率[46],一般情況下,強光只引起 PSII 反應中心的可逆性失活而不會對其形成不可逆的破壞[60]。但當鹽脅迫與強光脅迫交互作用時,過剩的光能會引起植物光合速率降低和APX 失活[61],使活性氧代謝紊亂和膜質過氧化[62],進而損傷光合機構,造成光抑制,甚至光氧化或光漂白死亡。其中,強光是造成鹽脅迫下植物光抑制的直接原因[61]。據逄好勝等[61]報道,200 μmol·m-2·s-1和500 μmol·m-2·s-1光強下的桑樹幼苗的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII和ETR均隨著鹽濃度的增加而呈下降趨勢,但整體下降幅度較小,而在1 000 μmol·m-2·s-1光強下,各對應熒光參數下降明顯,這表明在弱光下,桑樹幼苗能通過增強抗氧化系統功能有效減輕鹽脅迫誘導的PSII 光抑制[51];在強光下,對PSII 的抑制程度隨著鹽濃度的上升而加劇,進而使植物葉片發生光抑制。Allakhverdiev 等[63]在研究集胞藻 (Synechocystissp.)的試驗中亦報道,導致植物發生光抑制的直接效應并非鹽脅迫,而是通過阻礙PSII 的修復,即影響光誘導相關基因的轉錄和翻譯,尤其是抑制D1 蛋白的重新合成而造成的[64]。束勝等[14]的報道也表明,在鹽脅迫下,鈍頂螺旋藻細胞(Spirulina platensis)的Fv/Fm的下降程度隨光強的增加而加劇。但也有研究發現,當鹽處理濃度高于0.5%時,桑樹的光合速率隨光強的增加而提升[46],這可能與植物的光合機構在高鹽脅迫下被破壞,而強光在一定程度上能促進光電子的傳遞并提高光能的轉化效率有關[46]。

3.4 鹽旱交互脅迫對植物葉綠素熒光的影響

鹽脅迫多發生于干旱、半干旱地區。由于該類地區氣候干旱、土壤水分蒸發量大,植物多受干旱與鹽分的雙重脅迫的影響[65]。因此,研究植物在多種逆境交叉下葉綠素熒光的變化情況,有助于了解植物在多種逆境下的生存對策和適應性。干旱對植物的影響主要是由氣孔的關閉和CO2的減少引起的,進而抑制葉片的蒸騰和光合作用并直接影響PSII 的葉綠素熒光參數。據常紅軍等[65]報道,干旱脅迫與鹽脅迫均能引起早熟禾 (Poa pratensisL.)的Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSII和qP的下降,其中植物體內活性氧的大量積累是造成PSII 反應中心的受損的主要原因[66],其迫害程度由鹽旱復合脅迫、干旱脅迫及鹽脅迫依次遞減,其中干旱是鹽旱交互脅迫對早熟禾生理影響的主導因子,這與Su[67]等的結果一致。但也有研究表明,鹽旱復合脅迫下,適度的干旱條件能增強銀沙槐(Ammodendron argenteum(Pall.) Kuntze)植株的滲透調節能力,增加可溶性物質含量并促使細胞代謝正常化,從而提高銀沙槐的耐鹽能力[68]。翁亞偉等[69]的研究也表明在鹽旱交互脅迫下,小麥(Triticum aestivumL.)能通過增強根系水分吸收及降低根葉中脫落酸(ABA) (一種能誘導氣孔關閉的生長激素)的含量來維持較高的光合能力[14]。這表明不同植物對鹽旱交互脅迫的防御機制和適應能力存在差異。此外有研究表明,在輕、中度鹽脅迫下,玉米(Zea maysL.)幼苗的葉綠素含量隨干旱程度的加劇呈上升趨勢,而在重度鹽脅迫下則相反[70],因此,鹽處理濃度亦是影響植物受脅迫程度的重要因素。

4 提高植物抗鹽性的途徑

4.1 施加外源物質

施加外源物質作為一種成本低且緩解鹽脅迫傷害效果佳的抗鹽方法,已成為眾多學者的重點研究對象[15]。外源物質主要通過調節細胞滲透勢、降低細胞膜透性、增強植物抗氧化能力和調整內源激素水平來發揮作用[20],現今已有越來越多的外源物質被發現。植物可以通過增強對Ca2+的吸收來緩解鹽脅迫。Wang 等[71]的研究表明,外源性Ca2+能通過促進光合作用的電子傳遞、提升幼苗對C、N 元素的吸收、降低細胞內K+外滲、緩解基因表達水平的變化等途徑來有效提高鹽脅迫下高羊茅(Festuca elataKeng ex E.Alexeev)幼苗PSII 的光化學反應能力和抗鹽性,Ca2+也增強了鹽脅迫下小麥[72]、番茄[73]的抗鹽性。此外,外源性硒、硅[74]、γ-氨基丁酸、水楊酸、阿司匹林和茉莉酸等物質均在相關研究中被證實具有提高植物的抗鹽作用。胡凡波等[75]研究了不同濃度外源NO 供體硝普鈉(sodium nitroprusside,SNP)對 NaCl 脅迫下長春花(Catharanthus roseus(L.) G.Don)幼苗葉綠素熒光的影響,發現添加0.1c/(mmol·L-1) SNP 能有效緩解葉綠素的降解和PSII 反應中心的破壞。外源物質的添加量對緩解植物受脅迫的效果存在差異,過量的添加外源物甚至對植物的生長產生抑制作用,因此掌握外源物質最適度的添加量,才能最大化其緩解脅迫傷害的功效。

4.2 轉基因技術

隨著分子生物學的快速發展,人們已從分子水平來研究植物的耐鹽機理,其中誘導植物耐鹽相關基因的高效表達是增強植物耐鹽性的有效方法[20]。目前,對植物耐鹽相關基因的研究主要集中在高等植物離子轉運蛋白基因、滲透調節相關基因、信號傳導相關基因和細胞抗氧化相關基因等方面[20]。例如,HKT 轉運蛋白在植株中 Na+的轉運上起著整體調控的重要作用[76]。其中,在Kader 等[77]在研究水稻(Oryza sativaL.)的過程中發現,鹽脅迫能誘導轉運蛋白基因OsHKT1、OsHKT2 和OsVHA的表達，并通過調節Na+與K+的比例來降低Na+的濃度,從而緩解由于高Na+濃度而引起的葉片氣孔關閉和氣孔導度降低等問題,且利于CO2向葉綠體的輸送和葉綠體內 CO2的同化等過程,進而減輕鹽脅迫對光合電子傳遞的影響,維護植物光合功能的作用[78]。相關研究表明,PhaHAK5、Pha HAK2-n、PhaHAK2-e和PhaHAK2-u 等基因均能調節鹽生植物中的Na+的濃度[79]。此外,在野生大豆(Glycine sojaSieb.et Zucc.)中分離出的基因GsJAZ2[80]和新型混合富含脯氨酸型基因GsEARL17[81];甜高粱(Sorghum dochna(Forssk.) Snowden)中的SbCIPKs基因[82];蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)中的MtWRKY76[83]以及紫花苜蓿(Medicago sativaL.)中的GsGSTU13[84]等均能有效緩解鹽脅迫對植物的傷害。雖然轉基因技術能有效增強植物的耐鹽性,但由于植物耐鹽性受到多基因網絡體系的調控且不同信號與代謝途徑間的關聯錯綜復雜,而且在技術方法存在諸多限制,因而研究成果相對較少,仍存在許多技術難題需要攻克,其安全性也是備受爭議的話題[15]。

4.3 與真菌的協同效應

有大量研究表明,真菌普遍存在于土壤中且能與眾多高等植物根系形成互惠的共生體系[85],在專業術語上稱為“菌根”,菌根有外生菌根和內生菌根之分。據王佺珍等[15]報道,內生菌可通過參與滲透調節、提高光合作用、提高植物營養、增強抗氧化系統等方面來發揮其增強植物抗鹽性的作用。其中,叢枝菌根(Arbuscular mycorrhizal,AM)作為內生菌的一種,能通過增加葉綠素含量及提高葉綠素熒光效率來有效減輕植物的受迫程度[86],從而提高凈光合速率。張美月等[87]研究表明,接種AM 真菌的草莓能通過提高草莓對礦質元素,特別是磷元素的吸收來提高葉片的葉綠素含量,使植株保持較高的光合速率,在一定程度上減弱因鹽脅迫引起的葉綠素分解,從而提高植株的抗鹽性。這與祝文婷等[88]報道的叢枝菌根真菌具有提高植物抗鹽堿脅迫能力的結論一致。但AM 真菌對緩解植物受鹽脅迫傷害的程度是有限的,它受鹽脅迫強度的影響。賈婷婷等[88]在研究AM 真菌對沙棗(Elaeagnus angustifolia)苗木光合與葉綠素熒光特性的影響時發現,隨著鹽處理濃度的升高,AM真菌與沙棗幼苗共生對沙棗葉片的保護作用會逐漸減弱。此外,Porcel 等[89]研究表明,AM 真菌在非鹽脅迫下對PSII 不起作用,但在鹽脅迫條件下能保護水稻葉的PSII 系統。總而言之,菌根真菌作為增強植物抗鹽脅迫性的一種方法,在一定程度上既能提高植物的抗鹽性又能減少化學制劑的使用,因而可以減輕環境壓力[15]。

4.4 培育耐鹽品種

通過與生物技術手段相結合、抗鹽堿基因的轉移、品種間雜交和對現有植物進行耐鹽堿篩選等都是培育耐鹽堿品種的有效途徑。大部分研究表明,植物的多倍體化可使植物具有較高的耐鹽性,這是由于四倍體在鹽脅迫下能維持正常的離子平衡、較高的抗氧化活性和較低的甲基化和去甲基化比率[90],還能增強植物鉀的積累。例如,重度鹽脅迫下的四倍體金銀花(Lonicera Japonica)與二倍體金銀花相比,仍有較高的 Rubisco 酶活化狀態,PSI 和PSII 均不受光抑制且光合速率受影響的程度小,因此四倍體金銀花更適合栽種于鹽堿地[91]。也有研究報道[92]鹽脅迫下四倍體柑橘葉片的Na+和Cl-的積累量較多,PSII 受損嚴重,耐鹽性不如二倍體。因此,鹽脅迫下,不同倍性植物的Na+和Cl-運移機制是否是導致耐鹽能力的差異還需更深入的研究。此外,擬南芥(Arabidopsis thaliana(L.) Heynh.)中多胺氧化酶5 的功能缺失突變[93]、將山菠菜(Prunella asiaticaNakai)的BADH基因轉入煙草(Nicotiana tabacumL.)[94]以及二倍體野生西方白三葉(Trifolium occidentaleCoombe)和普通白三葉(Trifolium repensL.)雜交[95]均能選育出耐鹽堿品種。孫衛紅等[96]在研究轉番茄正義抗壞血酸過氧化物酶基因(Let APX)對煙草耐鹽能力的影響時發現,在鹽脅迫下,將番茄的Let APX轉化到煙草中能使煙草保持相對較高的光合能力,并有效減少Fv/Fm的下降,從而提高煙草的耐鹽能力。

5 結論與展望

鹽脅迫是一個復雜的環境問題,而植物對鹽脅迫響應是一個復雜的機制。人們已從不同方向對不同植物的抗鹽機理進行研究并提出各種增強植物抗鹽性的方法,其中葉綠素熒光動力技術由于其對植物無損傷、測定簡單快速且能夠揭示熒光變化的每個過程和解釋光合作用的機理等優點而被廣泛應用于植物抗鹽機理研究及抗鹽能力評價。未來葉綠素熒光動力技術在抗鹽脅迫方面的研究熱點如下:

1)目前,葉綠素熒光動力技術雖在研究植物的抗鹽性上有其獨特的優勢,但該技術本身也存在著不容忽視的缺點,例如Fv/Fm的獲得必須經過暗適應,在林冠層難以實施;測定區域有限,如調制式葉綠素熒光儀PAM—2100 暗適應夾的有效測定面積為38.5 mm2;代表性不強;多用于室內研究,室外極易受到外界條件變化的干擾等等,且該技術尚未能較全面反映PSII 中水氧化分解的過程、電子傳遞及合成 ATP 和NADPH 所需的能量等。因此,需要不斷改進測量儀器來實現技術上的突破。

2)對于鹽脅迫對植物葉綠素熒光影響的研究主要集中在單一鹽分類型脅迫,特別是NaCl 脅迫,而對混合鹽脅迫方面的研究的相對較少。由于鹽脅迫通常不是由單一的鹽分種類引起,不同鹽分離子常常存在交互作用,因此,對混合鹽脅迫對葉綠素熒光影響的研究對于提高作物產量和改善生態環境具有重要意義。

3)鹽脅迫雖會降低植物產量,但也會提高一些植物果實,如小麥、燕麥(Avena sativaL.)和番茄等的質量。因此在鹽脅迫下,運用葉綠素熒光動力技術來反映植物光合作用的變化,并建立與產量和質量的關系,揭示其高產的形成機理,確定達到植物最高產量和最佳質量的鹽濃度平衡閾值,是今后研究的一個新方向。

4)目前,大多數的鹽脅迫研究多集中在植物種子萌發和幼苗時期,對植物整個生命過程的系統研究較少。因此,研究鹽脅迫下植物不同生長時期內的熒光參數動態與生長發育規律的關系,有利于明確植物在不同生長期的鹽適應機制。

5)目前,針對鹽脅迫下植物分子機制的研究尚處于初級階段,對于耐鹽堿相關基因的篩選、基因家族轉錄組的測序以亞細胞的定位等是當前研究的熱門方向。另外,鹽脅迫信號元件的分子特性,液泡膜轉運蛋白及質子泵的功能和突變體篩選有待深入研究。因此,將葉綠素熒光動力技術與植物生理學、基因組學、分子生物學和蛋白組學等不同學科相結合,通過環境友好型的生物手段全方位闡釋植物的抗鹽機制,篩選和改造耐鹽植物是未來研究的熱門課題。