松嫩平原耐鹽堿植物蒙古柳研究進展

崔皓鈞 何 青 劉 琳 馬書榮

（東北林業大學生命科學學院/東北鹽堿植被恢復與重建教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040）

土地鹽堿化是世界范圍內備受關注的環境問題。松嫩平原是世界三大片蘇打鹽堿地集中分布區域之一，鹽堿化土地面積不斷增長[1-2]，鹽堿化程度也不斷加劇，造成了良田減產、草地退化、生態環境破壞，嚴重制約了經濟發展。因此，利用地表植物來恢復鹽堿化區域的生產能力成為人們關注的熱點。植物為了在不利條件下生存已經進化出復雜的耐逆機制，在高鹽堿土壤中生長的植物更為突出。研究植物的耐鹽機制有助于更好地篩選耐鹽植物，為鹽堿地改良和利用提供重要資源。

蒙古柳（Salix linearisttpularis（Franch.） K.S.Hao）又名筐柳，是楊柳科（Salicaceae）柳屬的落葉叢生灌木或小喬木，多生于河邊、半干旱地區及鹽堿地上，以種子或柳條扦插繁殖。蒙古柳主要分布于我國東北、內蒙古、陜西，以及俄羅斯遠東地區、蒙古等地[2-3]，是一種自然分布于中國東北松嫩平原鹽堿地中的少見木本植物。蒙古柳對鹽堿性土壤具有較強的適應性，是防風、固沙和園林綠化的良好樹種[4]，也可作為改良鹽堿地的綠化造林樹種，具有較高的生態經濟價值。

本研究就蒙古柳的最新研究成果進行總結，從蒙古柳的生物學特征、耐鹽堿機理、改良鹽堿土壤機理等方面進行梳理歸納，旨在闡述蒙古柳耐鹽的分子機制，從而為耐鹽堿植物分子育種、鹽堿地的生態利用及修復提供參考。

1 蒙古柳的生物學特征

1.1 雌雄株形態結構特征

蒙古柳為典型的雌雄異株植物，屬于異花傳粉類型，可以根據花序和雌雄花來判斷植株的雌雄性別，雌雄株在葉片形態和花芽分化上的差異較大[5]。在葉片形態上，雄株的葉片面積和質量均大于雌株；雌株葉片表皮毛更長，氣孔開度更大；雌株葉片的脯氨酸、丙二醛和葉綠素含量均較高，而相對電導率和可溶性糖含量則低于雄株。在花芽分化上，雌雄株的花芽初期、花芽發育期、花芽成熟期和花序期均不同，這些指標可以作為區分蒙古柳雌雄株的重要因素之一。蒙古柳雄花由花藥和細長的花絲組成，雌花由二裂的柱頭、較短的花柱以及子房等3個部分組成，雌花有蜜腺且花序較雄花序長[6]。與許多雌雄異株植物相似，蒙古柳雌雄株在形態、生理、遺傳以及環境適應性等方面存在差異，如樹冠形狀、花芽形態、葉片結構和鹽堿適應策略等。

1.2 種子萌發特征

蒙古柳種子極小，有冠毛，長圓柱形，種子由種皮和胚組成，糖類、脂類和蛋白類等物質含量較高[7]。種子無休眠現象，萌發速度快，當天散出的種子遇到水分后24 h內萌發；種子吸水速率快，30 min內吸水量達到200%[8]。蒙古柳種子萌發率高但壽命短，成熟種子常溫45 d后發芽率為3%，低溫儲存可延長種子壽命，冷藏一年后種子發芽率為50%左右[6]。

環境因子影響蒙古柳種子萌發，其中水分是影響種子萌發的重要因素。此外，溫度、光照強度和種子貯藏條件也能影響種子萌發。鹽堿地土壤條件限制了蒙古柳種子的自然萌發。為了獲得更高質量的蒙古柳植株，研究人員通過組織培養與快速繁殖的方式獲得優質苗木[9]。Guan等[10]初步建立了蒙古柳遺傳轉化體系，以蒙古柳葉片作為外植體，經過不定芽分化和不定根誘導，獲得蒙古柳再生植株，再經過轉染質粒獲得轉基因植株，為后期蒙古柳耐逆分子機理研究奠定了基礎。

2 蒙古柳的耐鹽堿機制

2.1 耐鹽堿生理反應機制

蒙古柳具有耐鹽堿特性。在同一生長條件下，適當的鹽堿處理后蒙古柳能維持此前的生命狀態，甚至在某些指標上表現出促生作用，植物葉片的光合效率、實生苗的生長發育指標、氣孔形態和葉片內部結構狀態均表明蒙古柳植株具有耐鹽堿特性[11]。對蒙古柳扦插苗進行相同的處理，發現蒙古柳扦插苗對鹽堿的反應特性與實生苗一致，一定的鹽堿濃度促進了蒙古柳植株的生長，且雌株對鹽堿的耐受程度高于雄株[12]。在鹽堿混合脅迫下，處理組蒙古柳植物的種子發芽率、Na+外排率、葉片光合指標以及葉片內部結構較對照植株更好，植株對鹽堿的耐受性更強[7]。鹽堿脅迫與干旱脅迫同時危害植物生長，蒙古柳能夠通過提高植株葉片中的脯氨酸含量來調節高鹽帶來的滲透脅迫[13]。此外，蒙古柳還能通過改變抗氧化酶活性、增大氣孔導度、改變葉片中的葉綠素含量來促進鹽堿脅迫下的植株生長，提高植物抗性。除鹽堿脅迫外，其他逆境脅迫也會使蒙古柳的生理指標發生變化。人為施加干旱、氧化和鹽漬3種脅迫，蒙古柳葉片的電導率和丙二醛含量在低脅迫下幾乎不發生變化，在高脅迫下顯著降低[14]，說明蒙古柳能夠通過改變機體的丙二醛含量和電導率來提高抗逆性。尿素代謝也是蒙古柳適應高鹽堿環境的重要因素之一，通過阻斷尿素生成途徑，能夠有效緩解蒙古柳在鹽堿環境中的萎蔫情況，改善植株生長狀況[15]。

2.2 耐鹽堿分子作用機理

蒙古柳植株含有WRKY28基因，該基因與植物的抗逆性呈正相關性。研究人員通過對蒙古柳中的WRKY28基因表達進行分析，發現蒙古柳雌性植株中WRKY28基因的表達量隨鹽堿脅迫的增加而增加，蒙古柳能夠通過調節耐鹽堿相關基因的表達量影響植株的耐鹽堿特性[16-17]。Nan等[18]對蒙古柳轉錄組進行分析，發現蒙古柳中第22條途徑N-DEGs與擬南芥的DEGs途徑重合度較高，研究人員能夠通過挖掘這些重合基因，獲得可能與蒙古柳耐鹽堿相關的一些基因。韓雪[19]通過建立山新楊的再生體系，獲得了218株蒙古柳FOX山新楊的抗性植株，從這些植株中篩選獲得了2個抗NaCl和2個抗NaHCO3的山新楊抗性品種，為后續蒙古柳抗性相關基因的篩選提供了研究材料。有學者研究了蒙古柳耐鹽堿功能基因，利用擬南芥獨立體系的建立和蒙古柳金屬硫蛋白（SlMT2）功能的驗證，發現SlMT2轉基因擬南芥在鹽堿脅迫中抗性明顯高于對照組[20-21]。蒙古柳金屬硫蛋白基因的過表達能顯著增強擬南芥植株對逆境的抗性。蒙古柳雌雄株的基因表達存在差異，在鹽堿脅迫下，其基因表達差異更加明顯。孫亞軍[22]分析了蒙古柳雄花芽和雌花芽的特異表達基因，獲得雌雄花芽的特異表達基因和共表達基因，其中雌雄花芽中耐鹽相關基因表達差異明顯。由此可知，雌雄株對鹽堿的耐受性不同。從蒙古柳根部和葉片中克隆到SaRUB基因[23]，轉擬南芥后，在鹽堿脅迫條件下，轉基因擬南芥根長和鮮重明顯高于野生型和突變體，氧化脅迫后，轉基因擬南芥體內ROS及H2O2含量明顯低于野生型和突變體。可見，SaRUB參與離子平衡、滲透調節及ROS清除等過程，在鹽堿適應過程中發揮著重要作用。在Na2CO3脅迫下，在蒙古柳幼苗葉片中發現154種差異蛋白質[24]，這些蛋白質主要參與了信號轉導、膜轉運、ROS穩態、脅迫防御、碳與能量代謝以及光合作用等過程。

2.3 根部微生物作用機理

蒙古柳根系有許多菌根真菌，這些真菌可能與蒙古柳耐鹽堿性有關。Ishida等[25]調查了安達鹽堿地蒙古柳的外生菌根真菌群落，鑒定出11種菌根真菌，這些真菌不僅提高了蒙古柳耐鹽堿性，而且改善了土壤鹽堿性。石美玉[26]對蒙古柳外生菌根真菌資源進行調查，通過對蒙古柳菌根形態、直徑、長度、顏色和菌根顯微結構的觀察分析，篩選出17種類型的外生菌根，分別歸類于5目7科7屬。其中，優勢菌種Tomentella fuscocinerea能夠提高宿主植物的抗逆性，增強植物根系的營養吸收作用。有研究者分別對安達鹽堿地堿茅、蒙古柳、山新楊等3種植被分布區土壤真菌的群落結構和多樣性進行分析，在屬的分類水平上，3個植被分布區的優勢菌屬有附球霉屬、地孔菌屬和內囊菌屬；在種的分類水平上，山新楊區的優勢菌種是白錦絲蓋傘菌，蒙古柳區和朝鮮堿茅區的共同優勢菌種是枝孢霉[27]；與其他2個植被分布區相比，蒙古柳分布區土壤真菌的均勻度較高、豐富度小，說明蒙古柳分布區的微生物豐富度最高，多種微生物可能參與了蒙古柳鹽堿適應過程。

3 展望

蒙古柳是松嫩平原鹽堿地上自然生長的木本植物，也是非常重要的鹽堿地野生植物資源，具有較強的鹽堿適應性，在改良鹽堿土壤、恢復生態環境中具有巨大的潛力和應用價值。蒙古柳的耐鹽堿機制是一個非常復雜的過程，目前有關人員已經從種子萌發、生長發育、生理生化及分子生物學等多個方面對蒙古柳耐鹽堿特性進行了解析。但是，還有很多機理尚不清楚，關于蒙古柳的耐鹽堿機理更深層的基礎研究還不多。今后應加強以下2個方面的研究：一方面，利用代謝組學等多組學手段深入研究蒙古柳的耐鹽堿機理，進一步挖掘蒙古柳的抗逆功能基因，加強蒙古柳的分子育種研究；另一方面，利用土壤微生物與植物根部形成的促生關系，深入研究土壤微生物對宿主植物耐鹽性的促進機制，充分利用鹽堿地微生物資源，篩選優良促生菌種，深入研究植物—菌種共生體響應鹽脅迫的特異信號傳導和代謝途徑，為發展蒙古柳在鹽堿地上規模化造林提供依據。蒙古柳能改良鹽堿土壤、改善生態環境、促進農林發展，具有重大的經濟價值和生態效應。