植物耐鹽堿機理研究進展

楊志強　周偉　張詩琪　周亞星

關鍵詞：植物；耐鹽堿；轉基因；生理生化；根系

土壤鹽堿化是制約植物生長、發育和生產力的主要非生物因素之一。土壤鹽漬化是全球性問題，根據聯合國教科文組織和糧農組織不完全統計，全世界鹽堿地的面積為9.5438億hm2，在我國就有9913萬hm2[1]，導致土壤鹽堿化的因素包括不合理地開墾荒地和發展灌溉農業、雨水沖擊以及人為活動[2]。土壤鹽漬化是一個較為嚴重的全球性環境問題，邊際土地的合理高效利用已成為全球關注的問題[3]。在鹽堿地上種植耐鹽作物是最大限度利用和恢復鹽堿地的可行途徑之一[4]。

不同植物對鹽堿脅迫表現出不同的生理反應，對鹽分的抗性也不同。目前植物耐鹽堿生理研究主要集中在滲透調節、膜過氧化和保護酶活性以及光合作用；基因的表達調控也是作物對于鹽堿脅迫響應最重要的機理之一，在鹽堿脅迫下，植物會產生相應的上調基因、下調基因，通過基因層面的表達，增強或者減弱對于鹽堿脅迫的耐受性。本文從生理生化和分子響應兩個方面對植物鹽堿脅迫響應機理的國內外研究進行歸納與總結，為解析植物鹽堿響應機制提供參考。

一、植物耐鹽堿性的生理生化研究

（一） 滲透脅迫

植物細胞的水分主要來源于滲透壓吸水，在未受到外源因素影響下，植物細胞的滲透壓高于土壤溶液，植物細胞可以通過滲透壓之差正常吸取土壤中的水分以及礦物元素。土壤中鹽堿濃度過高會使植物細胞中的滲透壓低于土壤溶液，導致植物細胞無法從土壤中獲取正常生長所需水分以及礦物元素，故鹽堿脅迫亦稱為生理干旱，會導致植物蒸騰作用降低，氣孔關閉，抑制葉片的光合作用[5－7]。

植物中有兩類滲透調節物質：一是無機離子，如Na^＋、Cl^－、K^＋，它們從外部環境進入細胞；二是合成有機溶質，主要由多元醇和氮化合物組成。滲透調節物質是植物在抗逆過程中重要的調節物質，起著關鍵性的作用；但不同的滲透調節物質的參與程度在不同的植物中并不相同。滲透調節物質也影響著活性氧的產生和清除，如，脯氨酸和甘露醇具有清除活性氧的能力，而鈣離子可以增強抗氧化酶的活性[8－12]。

（二） 活性氧脅迫

活性氧是植物細胞有氧代謝的副產物[13]，對植物細胞膜的完整性、多種蛋白酶的活性、植物養分吸收以及光合反應具有破壞性影響[14]，可導致細胞內酶失活、降解以及細胞膜系統遭到破壞[15－16]。活性氧的產生和清除之間通常存在動態平衡，當植物受到鹽脅迫時，活性氧的平衡狀態會受到影響，導致植物細胞受到破壞。因此，植物細胞中活性氧的產生與活性氧的清除之間的動態平衡恢復越快，抗氧化能力越強，鹽堿的耐受力也就越強。孫璐等[17]通過對高粱的耐鹽性實驗，發現了雖然耐鹽品種與鹽敏感品種活性氧水平都在增加，但是耐鹽品種增加的較少并且清除活性氧更加迅速，從而避免了活性氧過度積累對高粱細胞進行破壞。

植物中主要有兩種系統維持著活性氧的動態平衡：一類是由超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX） 組成的酶類清除系統；另一類是由谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（AsA）、類胡蘿卜素（Car）、維生素E等抗氧化還原物質組成的非酶類清除系統[18]。

（三） pH調節

鹽堿脅迫下，除了打破離子間的動態平衡，還有高pH傷害，pH值的升高對植物的傷害更加嚴重。首先，pH值升高會使土壤中的金屬離子以及含磷化合物增加，造成土壤板結，使植物出苗艱難以及根系對礦質元素的吸收受到抑制，影響植物的生長；其次，pH 過高會破壞到植物的根系細胞，降低根系活力[19]。

不同植物根系受到堿脅迫時，會產生不同的有機酸，通過大量的有機酸積累，使細胞內趨于酸性，以此來調節體內的pH與根外的pH二者之間在一個低害程度，保護根系不受到高pH環境的傷害。細胞內pH調控系統是植物在漫長的進化過程中獲得抗逆機制。

二、植物根系響應鹽堿脅迫的機制

植物的根是植物細胞開始感受到鹽堿脅迫的組織，植物的根系在漫長時間對鹽堿脅迫進化出了復雜的響應機制。

在受到不同程度的鹽脅脅迫時，植物根系的構型會發生不同的改變。植物根系的重要功能之一是從環境中吸收水分和養分，而根系吸收功能的發揮又與根系的分布等相關[20-21]。楊志新[22]對干旱區鹽堿地的不同時期的食葉草根系進行測量，結果表明，食葉草根系在鹽堿地中形成了針對鹽堿脅迫并增強自身抗逆境生長的一系列的響應機制，表現為根系快速向深層拓展，在植株水平距離0 ～15cm 內密集且快速增加。

鹽堿脅迫不僅影響根系生長與形態，還會改變植株各個器官的生長進程，尤其是根冠比[23]。鹽脅迫使幼苗根干重、根冠比均不同程度下降[24]。于玉梅[25]等對4個海島棉品種進行根系耐鹽堿比較，結果表明，4個海島棉品種隨著鹽堿程度的增加，各品種根系總長度雖然都在減少，但是新海35號較其他品種減少幅度小，根系干重亦如此，新海35號較其他3個品種下降幅度最為緩慢。綜合其結果來看，海島棉4個品種在鹽堿條件下，雖然都受到鹽堿的影響，但是耐鹽堿品種能及時響應脅迫，減少其受到脅迫的傷害。

三、植物耐鹽堿性的遺傳學研究

植物在鹽堿脅迫下，自身會做出一系列的響應，這些響應都受到相關基因的調控，會產生一些上調、下調基因，并通過這些上調、下調基因增強自身對外界脅迫的耐受性。近些年來，隨著分子生物學技術愈來愈成熟，基因表達調控已經成為當下的研究熱點，通過對基因層面的深入研究，科研工作者能更加直觀地了解一個植物的鹽堿響應機制，并對植物耐鹽堿機理進行解析。

目前，國內外對植物耐鹽堿的基因表達調控主要集中在滲透調節物質的合成、離子轉運、細胞解毒、生長調節、轉錄因子以及抗逆蛋白。

（一） 滲透調節基因

P5CS（吡咯啉－5－羧酸合成酶） 是脯氨酸合成途徑中的關鍵酶。在植物受到非生物脅迫時，會誘導植物體內脯氨酸積累。Su等[26]對甜高粱幼苗進行干旱脅迫和鹽脅迫處理10d后發現，SbP5CS1和SbP5CS2基因表達上調，在鹽脅迫處理中，SbP5CS1 和SbP5CS2 的表達在4h 和8h 時達到峰值，并且脯氨酸濃度在脅迫后增加，并且與兩個基因的表達相關。王翠平等[27]將P5CS1基因對擬南芥進行轉基因處理，結果表明，P5CS1過表達植株對于鹽脅迫有著更好的耐受性，植株體內的脯氨酸含量明顯升高，在耐鹽性試驗中，過表達植株耐鹽性較之普通植株更強。這些研究表明，P5CS可用于提高植物的耐鹽性。

BADH （甜菜堿脫氫酶） 是甜菜堿合成通路中的關鍵酶。甜菜堿作為一種有效的小分子滲透調節物質，在植物體內大量積累可以有效提高植物的抗逆性[28]。李春枝等[29]對羽衣甘藍進行BADH基因農桿菌轉化后，測定轉基因羽衣甘藍在鹽脅迫下的萌發率、BADH酶活性、葉綠素含量以及生長狀況，結果表明，轉基因植株在萌發率、存活率、葉綠素以及BADH酶活性上均高于正常植株，且與BADH基因表達相關。鄭成忠等[30]對玉米植株進行轉BADH基因處理，并對其進行抗鹽性鑒定，結果表明，轉BADH基因玉米對比非轉基因玉米POD活性提高了16.2％～29.4％，SOD活性、脯氨酸含量與非轉基因相比分別提高了9.7％～61.6％和22.8％～59.2％。這些研究表明，BADH基因的表達調控在植物的非生物脅迫中較為關鍵。

（二） 離子區隔基因

在鹽脅迫下，植物可以通過Na＋／H＋在液泡膜上的反向傳遞進入并儲存大量的Na＋，恢復體內平衡，并將Na＋／H＋在液泡膜上反向傳遞的基因整合到對鹽堿脅迫耐受性差的植物中，從而提高植物的耐鹽性。銀芳柳等[31]將Kf NHX1基因轉入到擬南芥中，對轉基因擬南芥測定脅迫下的萌發率和抗性，轉基因種子萌發率超過80％，而野生型萌發率僅為40％；在ABA處理10d后，與野生型菌株相比，轉基因植株生長良好，葉子較大，野生型植株則黃化且生長受到抑制；鹽脅迫15d后，轉基因植株生命力更強，野生型生命力較弱，與轉基因植株對比，脅迫結果相差甚遠。劉闖等[32]將葡萄中Vvi HKT1；7轉入擬南芥中，結果表明，轉Vvi HKT1；7基因種子的發芽率和耐鹽性均高于野生型。

（三） 生長調節基因

Amira Dabbous等[33]將鹽生植物Lobularia maritima中分離出的LmVHA－E1在擬南芥中過表達，并對其進行PEG脅迫和鹽脅迫處理，研究結果表明，LmVHA－E1在擬南芥中的過度表達增強了植物對于干旱以及鹽堿脅迫的耐受性，在PEG脅迫和鹽脅迫下表現出更高的幼苗存活率和更好的抗氧化活性，與野生型相比，離子區隔化更多，葉片滲透調節能力增強。Bruno Ruggiero等[34]對擬南芥突變體耐鹽品種sto1進行深入研究，研究表明，雖然突變體缺少STO1基因（STO1編碼一種9－順式－環氧二十碳烯類固醇雙加氧酶），在高滲脅迫后，無法積累ABA，但降低的ABA可以在脅迫期間通過介導非離子滲透反應的信號途徑導致其更快的生長，這可能與在NaCl 誘導的ICK1 基因表達和乙烯積累的減少有關。

（四） 轉錄因子

張梅娟等[35] 對砂蘚bZIP 轉錄因子基因RcbZIP3 和RcbZIP4 進行非生物脅迫下的表達分析， 結果表明，RcbZIP3和RcbZIP4基因植物在非生物脅迫下基因表達量均升高，提高植物的耐受性。楊圣等[36]分析了43個MYB基因在鹽脅迫和ABA處理下的表達譜，結果表明，MYB基因表達的變化可能是由于ABA在鹽處理條件下的作用，進而影響水稻的耐鹽性。

四、總結與展望

綜上所述，國內外對于非生物脅迫，尤其是耐鹽堿方面進行了大量的研究，并取得許多相關研究結果。因為轉基因安全性問題，植物的轉基因研究一直受到制約。通過國內外學者的研究，部分對植物耐鹽堿的調控基因已被大眾了解，但植物的耐鹽堿性是由多個基因共同表達或拮抗所展示的結果，且植物的部分基因表達產物也參與著植物的耐鹽堿調控，植物的耐鹽堿機理尚未完全明了。例如，在成熟胚胎中常見的LEA蛋白是一種具有高親水和可溶性的脫水保護劑。LEA蛋白誘導干旱、寒冷、水、鹽度、滲透等脅迫中的基因表達，結果表明，轉基因植物中LEA蛋白的過度表達與缺水和耐鹽脅迫有關[37]。而將耐鹽堿調控基因導入目的植物，也是一種高效的解決方法。付光明[38]、王小麗[39]等將BADH基因轉入到玉米中，玉米的耐鹽性增強。李大紅[40]對轉P5CS基因水稻種子與普通水稻種子進行鹽脅迫，發現轉P5CS基因水稻明顯優于普通水稻種子，說明P5CS 能提高植物耐鹽性。

通過利用生物技術的新成果，科研工作者將會對耐鹽堿響應機理進行更深入的了解，并對鹽堿基因表達機制進行解析，利用轉基因技術對基因水平進行調控，不僅能大幅度縮短育種年限，還可以使農作物獲得本身不具備的優良性狀，最終獲得更加高產、優質、耐鹽堿的植物。

作者簡介：楊志強（1998-），男，蒙古族，內蒙古通遼人，碩士在讀，研究方向：作物遺傳育種；周亞星（1981-），河北石家莊人，通信作者，博士，副教授，研究方向：作物遺傳育種。

（責任編輯 曹雯梅）