馬鈴薯耐鹽堿研究進展

楊新月，閆 夢，張劍峰，趙 朋，董道峰，李旭剛*

（1.山東農業大學生命科學學院作物生物學國家重點實驗室，山東 泰安 271018；2.山東省鹽堿地植物-微生物聯合修復工程技術研究中心，山東 泰安 271018；3.青島農業大學，山東 青島 266109；4.山東省農業科學院蔬菜研究所，山東 濟南 250100）

土壤鹽堿化是一個全球性問題，已成為影響全球作物產量的制約因素之一，鹽堿土中有機質含量很少、土壤肥力較低、理化性質差，制約植物正常的生長發育，嚴重降低糧食作物的產量。馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）含有較高的營養價值，具有高產、適應性強的特點，是中國除小麥、玉米、水稻之外的第四大主糧作物。馬鈴薯是對鹽中度敏感的作物[1]，現階段推廣的馬鈴薯品種耐鹽性較差[2]。鹽堿脅迫會影響馬鈴薯葉片、莖、根和塊莖的生長發育，造成馬鈴薯減產，影響農業經濟發展，因此探究馬鈴薯抗鹽堿機制及提高馬鈴薯的耐鹽堿性具有重要的理論和實踐意義。

1 鹽堿脅迫對馬鈴薯發育及生理的影響

1.1 鹽堿脅迫對馬鈴薯生長發育的影響

根系的生長與作物產量息息相關，鹽堿脅迫抑制植物根的生長，從而限制植物的生長發育，進而影響作物的產量[3]。當馬鈴薯受到鹽堿脅迫時，其根長、株高、葉長葉寬等形態特征受到抑制，而且隨著土壤的鹽堿化程度升高，其抑制程度越明顯[4,5]。此外，鹽堿脅迫影響馬鈴薯的產量及品質，馬鈴薯的品質指標主要包括干物質含量、淀粉含量、蛋白質含量、還原糖含量、維生素C含量等[6]。姚彥紅等[7]針對馬鈴薯設置5個NaCl濃度脅迫處理，結果表明，隨著NaCl 濃度的逐漸增加，馬鈴薯產量逐漸下降，干物質、淀粉、蛋白質等含量均下降，導致馬鈴薯品質下降。

現階段對于馬鈴薯耐鹽機制研究較多，但是對于堿脅迫的耐堿機制研究較少。當用NaHCO3處理馬鈴薯組培苗之后，馬鈴薯葉片在堿脅迫下發生萎蔫、植株枯萎，不能正常生長[8,9]。對于不同的馬鈴薯品種，其耐鹽堿性也有一定的差異[10-12]。

1.2 鹽堿脅迫對馬鈴薯生理生化的影響

鹽堿土壤中含有大量的中性鹽離子，在馬鈴薯植株生長過程中，這類離子會在莖組織中積累[13]。鹽類的過度積累會嚴重影響馬鈴薯植株在生長發育過程中的各項生命活動[14]。

1.2.1 影響內源激素

內源激素又稱為植物激素，已知的內源激素包括生長素、赤霉素、脫落酸、乙烯、細胞分裂素以及油菜素內酯等。植物激素的含量是否正常直接決定植物能否正常生長，當植物遭受鹽堿脅迫時，植物體內的內源激素會發生一系列響應[15]。馬鈴薯組培苗在鹽脅迫條件下，葉片中生長素的含量會下降，而在根系中生長素以及脫落酸的含量隨著脅迫時間的延長而增加[16]。而當馬鈴薯在堿性脅迫條件下，其體內的脫落酸以及油菜素內酯含量隨著堿濃度的增加而增加，但是赤霉素的含量卻逐漸下降[17]。

1.2.2 干擾離子穩態，產生離子毒害

鹽堿脅迫會使植物體內Na+的含量增加，而較高濃度的Na+會影響植物對K+的吸收，從而導致植物體內Na+/K+比率增大。李亞平等[18]研究表明，不同濃度的混合鹽脅迫條件下，馬鈴薯脫毒苗植株體內的K+/Na+比率均下降。康益晨[17]研究表明，在不同濃度NaHCO3堿脅迫條件下，不同馬鈴薯品種之間Na+含量均隨著堿濃度的增大而增加，K+含量均隨著堿濃度的增大而降低，根莖葉中鈉鉀離子含量比隨著堿脅迫濃度的增大而降低。

1.2.3 造成滲透脅迫

在鹽脅迫下，滲透物質對維持植物耐鹽性至關重要[19]。其中脯氨酸作為滲透保護劑，可以調節細胞內的滲透平衡。孫曉光等[20]研究顯示，經過混合鹽脅迫處理之后，馬鈴薯葉片脯氨酸含量隨著鹽濃度的升高而升高，可溶性糖的含量也逐漸增加。在經過不同濃度的NaHCO3堿脅迫處理之后，也得到了同樣的結果[17]。

1.2.4 削弱光合作用

葉綠素是植物進行光合作用的重要物質，鹽堿脅迫會導致葉綠素含量降低，從而影響作物產量[21]。馬子竣[22]研究表明，耐鹽株系與鹽敏感株系隨著鹽濃度的逐漸升高，葉綠素含量均下降，進而影響植物的光合作用。當馬鈴薯植株受到鹽堿脅迫之后，不同品種之間的葉綠素A 和葉綠素B 的含量均下降[23]。

1.2.5 導致氧化脅迫

丙二醛（Malondialdehyde，MDA）是植物在逆境條件下，發生膜脂過氧化作用產生的，其含量變化可以反映植物受到脅迫強弱的程度[24]。當馬鈴薯植株受到鹽堿脅迫時，其含量隨著鹽堿濃度的增加而增加[25]。植物對鹽堿脅迫的主要反應是產 生 活 性 氧（Reactive oxygen species， ROS）[26]。ROS 的積累會導致氧化脅迫，為了避免氧化損傷，植物體會合成過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等一系列酶以清除這些活性氧并防止氧化損傷[27-29]。Charfeddine等[30]將StERF94 基因導入到馬鈴薯植株中，獲得過表達轉基因株系，研究顯示其植株中SOD 的活性較高，可以減輕由于鹽脅迫引起的ROS 介導的膜系統損傷。張景云[31]、李青等[32]研究了幾種對鹽敏感程度不同的馬鈴薯品種（系），當脅迫時間逐漸增加時，POD、SOD 的活性均呈現逐漸下降的趨勢，而隨著鹽脅迫時間的增加，CAT 活性呈現先降后升的趨勢。趙明輝等[33]通過比較耐鹽性不同的二倍體馬鈴薯在堿脅迫下的形態和生理性狀，結果顯示無論是在5 mmol/L NaHCO3濃度、還是10 mmol/L NaHCO3濃度條件下，SOD 活性相對值由高到低順序為耐鹽組＞中耐鹽組＞感鹽組，POD 活性相對值由高到低順序為耐鹽組＞中耐鹽組＞感鹽組。

綜上所述，鹽堿脅迫對馬鈴薯植株生理生化的影響是多方面的，但是不同品種之間是否具有差異性是值得研究的熱點問題[34-36]。

2 提高馬鈴薯耐鹽堿性的方法

2.1 利用植物根際促生菌

植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）是指生活在土壤中或附生于植物根系的一類能幫助植物吸收和利用礦質營養，促進其生長發育的菌類。PGPR 可以緩解鹽堿脅迫給植物帶來的負面影響，改善植物生長，并提高各種作物的耐鹽性，在農業發展領域具有重要的應用價值[37,38]。

研究發現，植物根際促生菌與馬鈴薯共生時，可以提高馬鈴薯植株的生長能力，并且改善馬鈴薯的品質[39,40]。芽孢桿菌是常見的植物根際促生菌，當芽孢桿菌與馬鈴薯在鹽堿脅迫條件下共生時，芽孢桿菌通過促進馬鈴薯根際生長素的生成，維持離子穩態，調控抗氧化酶的活性，從而增強馬鈴薯的耐鹽堿能力，進而提高馬鈴薯植株的生物量、單株塊莖數和塊莖產量[41]。

2.2 施加外源物質

提高植物抗鹽堿能力的方法有多種，已有研究結果證明，通過施加外源調節物質，可以提高植物抗鹽堿能力，從而提高植物耐鹽性[42-44]。

植物激素在植物的生長發育過程中發揮重要作用，參與了植物生長的全部過程，當植物受到脅迫時，植物激素可以提高植物的抗逆性[45]。水楊酸是一種重要的生長調節劑，已有研究表明，施加外源水楊酸可以提高植物的抗逆性[46,47]。Faried 等[48]研究結果表明，水楊酸可以顯著提高超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等抗氧化酶的活性和調節脯氨酸和酚含量，清除活性氧，提高鉀的利用率，降低馬鈴薯葉片中的鈉含量， 從而賦予馬鈴薯耐鹽性。 茉莉酸（Jasmonate，JA）是重要的分子，參與植物各種生命活動[49]。茉莉酸在鹽堿脅迫下，可以減小NaCl對光合色素的影響，并維持細胞的滲透物質，增強其耐鹽性[50]。

磷脂酰絲氨酸（Phosphatidylserine，PS）是細胞膜上的一種重要活性物質，施加外源PS 可以降低由于鹽脅迫而導致的K+外流并上調質膜上H+-ATP 酶活性來延緩葉片衰老，誘導馬鈴薯耐鹽性的提高[51]。Ca2+不但是重要的營養元素，而且也是重要的第二信使。當植物受到脅迫時，Ca2+能夠提高植物的抗逆性[52]。施加外源鈣離子可以提高葉綠素含量，增強馬鈴薯的光合作用，其次還可以提高抗氧化酶的活性，維持膜的穩定性，從而提高馬鈴薯的耐鹽性[53]。

2.3 應用基因工程技術

眾所周知，馬鈴薯對鹽分的敏感性中等，在塊莖芽萌生階段易受鹽分影響。為了培育耐鹽馬鈴薯品種，世界各國都在通過導入耐鹽基因，在馬鈴薯中表達功能蛋白進行轉基因抗鹽堿脅迫研究。

當植物受到脅迫時，植物體內的脫落酸（Abscisic acid，ABA）被誘導合成[54]。ABA 在植物抗非生物脅迫過程中發揮關鍵作用，在ABA 信號途 徑 中 ， ABF（ABA-responsive element binding factors）轉錄因子扮演著重要角色。研究表明，ABF4 可以 提 高 擬 南芥 的 耐 鹽 性[55]。 Noelia 等[56]在馬鈴薯中過量表達擬南芥中ABF4 基因，結果表明在正常條件下，轉基因馬鈴薯與野生型相比，各項生理指標無明顯差異，但是轉基因馬鈴薯的塊莖產量和塊莖品質均高于野生型。經過鹽脅迫處理后，轉基因馬鈴薯相對含水量、脯氨酸含量和葉綠素含量均顯著高于野生型，說明ABF4 過量表達植株對鹽耐受性增強。研究還發現，ABF4基因在馬鈴薯中異源過表達，不但增強耐鹽能力，還增強其耐旱能力。目前已經鑒定出的脫水反應元件結合蛋白（DREB）具有較強抗逆性，研究發現在馬鈴薯植株中過量表達StDREB2[57]基因，可以通過參與ABA 激素信號和脯氨酸合成途徑提高馬鈴薯的耐鹽性。此外，研究者還發現StDREB1[58]過表達也可以顯著提高轉基因馬鈴薯的耐鹽性。

油菜素內酯（Brassinolide，BRS）廣泛存在于植物體內[59]，在抗非生物脅迫中發揮著重要作用[60]。有研究表明，施加外源BRS可以提高植物耐鹽性[61]，通過適量的外源油菜素內酯提高馬鈴薯抗氧化酶的活性，增加脯氨酸含量，降低丙二醛含量來提高馬鈴薯的耐鹽堿能力[62]。DWARF4（DWF4）基因是編碼油菜素內酯的關鍵基因[63]。Zhou 等[64]將DWF4 基因在馬鈴薯中過表達，獲得轉基因馬鈴薯植株，經過脅迫處理之后，StDWF4 轉基因馬鈴薯株系的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性等生理指標均高于正常植株，表明過量表達StDWF4 可提高馬鈴薯的耐鹽能力。

吳英英等[65]關于馬鈴薯轉HaBADH（甜菜堿醛脫氫酶）無性一代植株研究表明，隨著鹽濃度的逐漸升高，與正常植株相比，轉HaBADH 基因植株的生長情況、單株結薯重量、單株結薯數以及脯氨酸和MDA 含量均顯著高于未轉基因材料。研究結果初步說明鹽脅迫下HaBADH 基因的表達提高了馬鈴薯轉基因株系的耐鹽能力。

陳秀華等[66]首次將硫腺苷甲硫氨酸基因轉入到馬鈴薯。對比轉GsSAMS 基因的7 個馬鈴薯株系（SM13、 SM33、 SM4、 SM22、 SM30、 SM40 和SM27）與未轉基因‘大西洋’品種，無論是正常培養還是經NaHCO3脅迫處理，SM22、SM4、SM33和SM13 四個轉基因株系產量均比未轉基因植株有所增加，說明GsSAMS 轉入到馬鈴薯中可以提高其耐堿性。

3 展 望

由于人類活動、環境污染、工業廢水等加劇了土壤鹽堿化，極大地影響了馬鈴薯的生產，而現階段種植戶種植的大部分馬鈴薯品種耐鹽性較差，因此對種植戶造成了一定的經濟損失。馬鈴薯耐鹽堿性是一個極其復雜的生理過程，現階段已有大量的研究闡明馬鈴薯的耐鹽機制，并篩選出一些耐鹽品種。然而，現在的研究大多以NaCl為脅迫條件，而以NaHCO3為脅迫條件的研究較少。當然，也有研究表明，馬鈴薯耐鹽與耐堿的機制是類似的，不同的品種之間，其耐鹽堿機制也有所不同。目前沒有統一的標準可以確定耐鹽堿品種，馬鈴薯植株在實驗室培養和在大田種植時，其耐鹽能力有一定差異，這也使得耐鹽品種的確定成為問題，因此制定統一的標準確定耐鹽品種是非常重要的。

目前，植物根際促生菌主要應用于治療馬鈴薯瘡痂病等一系列疾病，而將植物根際促生菌應用于提高馬鈴薯耐鹽堿能力的研究較少。植物根際促生菌可以改善馬鈴薯在鹽堿條件下的生長環境，卻不改變馬鈴薯植株的基因，其安全性有一定的保障，可應用于市場。因此，尋找能夠提高馬鈴薯耐鹽堿能力的植物根際促生菌是有必要的。

近幾年，研究者通過基因工程技術獲得了一些馬鈴薯耐鹽堿轉基因株系，相比于未轉基因植株，轉基因株系的耐鹽堿能力有所提高。但是，這些轉基因株系的安全性及其應用性暫時未知，需要從各個方面進行詳盡研究之后才可用于育種。