小盐芥耐盐机制的研究进展

邵琳　王火旭　夏然

摘 要：盐胁迫是世界上大多数国家和地区在农业生产上一直存在的问题，极大地威胁着植物的生长发育和世界各国的农业生产。在盐胁迫条件下，植物产生了一系列的生理生化变化，包括：细胞质膜解体，活性氧增多，光合作用受到抑制以及代谢有毒物质的积累等，甚至是植株的死亡。理解盐胁迫对植物生理生化代谢的影响，有利于改善植物生长条件，提高农作物的产量和品质，也为遗传工程提供有力证据。小盐芥是与模式植物拟南芥亲缘关系较近的极端耐盐植物，是研究植物耐受非生物胁迫逆境机理的理想材料。该文根据近年来该领域已有的研究成果阐述了小盐芥耐盐机制方面的研究进展。

关键词：小盐芥；耐盐机制；研究进展

中图分类号 Q945 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）08-34-04

Abstract：Salt stress is a problem of the most countries and regions，it has been existing and greatly affects plant growth and development and agricultural production. Plants produce a series of physiological and biochemical changes under salt stress，and it includes that cytoplasm membranes disintegrate，reactive oxygen species increase，photosynthesis is restrained，toxic substances of metabolism accumulate and so on，and it even lead to the death of the plant. To understand the influence of salt stress on plant physiological and biochemical metabolism，is conducive to improve plant growth，increase crop yield and quality and provide strong evidence for genetic engineering. Thellungiella salsuginea is a salt-tolerant plant，it is closed with the model plant Arabidopsis and is plant material to study adversity ideal of abiotic stress. On the basis of the existing research results in this field in recent years，salt tolerance mechanisms of Thellungiella salsuginea is reviewed.

Key Words：Thellungiella salsuginea；Salt tolerence mechanism；Progress

盐胁迫是世界上大多数国家和地区在农业生产上一直存在的问题，它严重影响着植物的生长和发育，大大降低了农作物的产量和品质。随着人口膨胀、社会经济发展及环境恶化等原因，土壤盐渍化的形势愈演愈烈。现今，世界上约有20%的可耕地和40%的灌溉地不同程度的受到盐渍化影响[1]。

植物适应盐胁迫的机制非常复杂，提高农作物的耐盐性仍然面临着极大的挑战。因此，选择一种遗传模式植物研究植物耐盐机制显得至关重要。小盐芥是十字花科盐芥属1a生草本植物，与双子叶植物研究中所常用的模式植物拟南芥亲缘关系较近。小盐芥也具有作为模式植物的一系列良好特征：个体较小、生活周期短、自花授粉、种子量大、基因组较小，易于遗传转化。更重要的是，小盐芥能耐受500mM高盐，同时对干旱和-15℃低温等非生物胁迫有极高的耐受能力，因而成为研究植物耐受非生物胁迫逆境机理的理想材料[2，4-5]。本文根据近年来该领域已有的研究成果阐述小盐芥耐盐机制方面的研究进展。

1 盐胁迫及其应答

在高盐环境中，植物容易受到离子胁迫、渗透胁迫以及由此导致的次级胁迫如氧化胁迫、营养失衡等[2]。盐胁迫会严重影响植物特别是甜土植物从种子萌发到生长发育等多个生理过程，同时也很大程度上干扰植物体内细胞及整株水平上的水分及离子的稳态，并导致细胞分子损伤，植物生长减缓甚至死亡[2]。

植物对抗盐胁迫的应答反应主要是重建植物体的稳态（homeostasis），包括重建离子稳态（ionic homeostasis）和渗透稳态（osmotic homeostasis），另外还有氧化清除以及生长抑制等方式。植物中包括高亲和性钾转运蛋白（high-affinity K+ transporter，HKT）、低亲和性阳离子转运蛋白（low-affinity cation transporter，LCT）和Na+/H+逆向转运蛋白等维持着离子平衡，脯氨酸、果聚糖及甘露糖等渗调物质参与调节渗透平衡，而多种胁迫蛋白如胚胎发育晚期丰富蛋白LEAs、应答脱水蛋白RDs、冷调节蛋白CORs、蛋白酶和分子伴侣等也在应对胁迫的过程中发挥着重要的作用[3]。研究植物对盐胁迫的应答，不仅对揭示植物耐盐机制有重要的理论意义，而且对培育耐盐作物具有重要的实践意义。

2 耐盐生理生化机制的研究

植物在盐胁迫条件下，其生长发育会受到严重的影响，从而产生了一系列的生理生化变化，包括：细胞质膜解体、活性氧增多、光合作用受到抑制以及代谢有毒物质的积累等，甚至是植株的死亡。endprint

2.1 离子的稳态 土壤含盐量高时，不仅会破坏植物细胞内的离子平衡状态，如已经形成的Na+、Cl-、K+、Ca2+等离子的平衡，而且也影响了细胞内K+和Ca2+的分布，会破坏细胞壁和质膜的稳定性。因此，为了减轻盐胁迫对植物的伤害而获得耐盐性，最重要的方式就是重建离子稳态。重建离子稳态包括离子的外排、内流以及离子的区域化等过程。

目前许多研究证明，在高盐条件下，植物细胞中的离子转运过程很重要。通过对所获得拟南芥突变体的研究，朱健康实验室定义了5个耐盐基因：SOS1，SOS2，SOS3，SOS4，SOS5，其中SOS1编码一个质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白，包含12个跨膜结构域，盐胁迫正调控SOS1的表达[6]。Shi等人研究表明，拟南芥中SOS1的过量表达大大提高了其耐盐性[7]。Blumwal实验室研究证明，在植物中Na+/H+逆向转运体（NHX1）的过表达均可以增加植物的耐盐性[8]。

2.2 渗透压的稳态 高盐条件下，因为植物细胞内水势高于细胞外，所以会导致细胞失水。调节渗透胁迫的方式有两类：一是从外界环境中吸收无机离子如Na+、Cl-和K+等至液泡中，这种方式不仅减少了无机离子对胞质的毒害，而且还使胞质内水势降低，从而促进植物细胞从外界环境中吸水；二是细胞质内合成可溶性的有机小分子量物质，作为渗透调节物质，可以降低细胞的渗透势，提高细胞的保水能力，这是植物细胞重建渗透稳态的主要方式。

参与盐胁迫的调节物质包括氨基酸及其衍生物（如脯氨酸、脯氨酸甜菜碱、甘氨酸甜菜碱等）、糖类（果糖和蔗糖等）、含硫化合物（硫酸胆碱等）、多元醇类（甘油、甲基肌醇、山梨糖醇等）[9]。此外，植物在高盐条件下，细胞内会产生一类具有渗透调节作用的蛋白。这类蛋白质主要为胚胎晚期丰富蛋白（late embryogenesis abundant protein，LEA），其主要存在于细胞质中，是一种具很高亲水性的脱水保护剂。Xu等人研究表明，LEA基因的过表达可提高植物的耐盐性[10]。

2.3 氧化清除 植物受到盐胁迫时，体内的平衡体系就会受到破坏，导致氧化胁迫，细胞内会产生多种形式的活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）包括氧自由基（O2-），羟基（OH-）和过氧化氢（H2O2）等。植物体内活性氧的过多积累会损害磷脂膜，导致膜的通透性增大、代谢紊乱，从而抑制植物的生长，加速植物的衰老和死亡[2]。

在长期进化中，植物体内活性氧的清除机制可分为两类：一是酶促保护机制，包括：超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）；二是非酶促保护机制，包括：抗坏血酸（Vc）、硫氧还蛋白（TPX）、谷胱甘肽、黄酮和类胡萝卜素等[11]。

3 小盐芥耐盐的分子机制研究

3.1 小盐芥相关基因的研究 近年来，随着对小盐芥耐盐机制研究的逐步加深，与之相关的基因和功能正相继得到分析和阐述。除了上面已经介绍的一些关键基因之外，还有许多其他的基因也参与到耐盐机制中。

小盐芥ThCBL9编码钙调磷酸酶B亚基。研究发现，ThCBL9和拟南芥中的AtCBL9的同源性较高[14]。将ThCBL9转入拟南芥中过表达的植株与野生型植株相比，其对盐胁迫的耐受力提高。ThCBL9的功能可能是通过活化AKT1基因的表达或促进SOS1的激活过程来维持细胞内离子的平衡状态[12]。

小盐芥TsVP，编码液泡焦磷酸酶。Lv等人[13]将TsVP转入棉花中，通过Northern和Southern方法验证该基因已转入到棉花的基因组中，结果显示，转基因植株的液泡中H+-PPase（H+-pyrophosphatase）的活性比野生型植株高很多。说明了TsVP提高了棉花转基因植株对盐胁迫的耐受性。研究发现，在烟草中TsVP的过表达可导致叶片的液泡中Na+的积累，从而增加了烟草的耐盐性[14]。

更多的研究表明，ThHSC70，编码热激蛋白，是与冷、热胁迫相关的小盐芥基因[15]；ThCYP1，编码环孢素，参与调节胁迫相关蛋白的折叠方式[16]。其他已被研究的小盐芥基因还有：与植物细胞离子转运过程相关的ThNHX1[17]；与细胞内转录因子有关的ThZF1[18]与TsCBF1[19]等。

综上所述，小盐芥的耐盐机制是一个非常复杂的调控过程，有许多基因都在盐胁迫应答过程中发挥了作用。

3.2 小盐芥基因表达的研究 小盐芥基因组文库的构建在分子水平上为小盐芥耐盐分子机制的研究做出了很大的贡献。在NCBI上，已经注册了6 578个Yukon生态型小盐芥的ESTs序列和约1 700个山东型小盐芥的ESTs序列。目前已构建的小盐芥文库有：Barbara Moffatt实验室构建的在冷、盐和干旱分别处理下Yukon生态型小盐芥的3个cDNA文库和4个应用PCR技术建立的减法文库；Teruaki Taji实验室构建的用盐、冷及脱落酸分别处理后的小盐芥全长cDNA文库；中国科学院的QiXie等构建的BIBAC2表达文库；Chengbin Xiang利用GATEWAY载体构建的用于对小盐芥基因在拟南芥中的过量表达与标记绿色荧光蛋白的表达模式进行研究的一个文库；Jian-kang zhu和Ray Bressan构建的小盐芥的EMS和T-DNA插入突变体库。通过相应的基因组学技术，Hans Bohnert收集了一部分小盐芥的胁迫诱导基因启动子序列，Hans Bohnert和Jian-KangZhu获得了一些在拟南芥基因组中缺少对应区域的小盐芥BAC序列[20]。

目前研究结果显示，在相同的胁迫条件处理下，小盐芥在转录水平上的变化比拟南芥小。Taji等[21]和Gong等[22]显示了相似的研究结果，拟南芥盐胁迫下高表达的一些基因是小盐芥在低盐胁迫条件下高表达的基因。Amtmann等[23]研究发现，盐胁迫下，小盐芥地上部的编码膜转运蛋白的基因表达量明显比拟南芥少，但在根组织中其表达量很接近。endprint

3.3 小盐芥全基因组测序完成 为了对小盐芥耐盐分子机制进行深入研究与分析，构建小盐芥的全基因组文库显得极为重要。谢旗等研究员[24]利用层级拼接的方法对双末端测序方法（Illumina GA II系统）所得到的短序列进行了成功的拼装，获得了233.7Mb的框架序列，将其中80%的序列整合到盐芥的7条染色体上。

通过结合基因结构、序列同源性及表达信息等特征，研究人员预测，小盐芥基因组中共有28 457个编码蛋白的基因，其中93%基因与拟南芥具有一定的同源性。

进化结果分析显示，小盐芥和拟南芥大约分化于700万到1 200万a之前。分化后的小盐芥基因组获得了大量的转座子序列，约占其全基因组序列的52%，这一比例是拟南芥的4倍。

进一步分析发现，与拟南芥相比，小盐芥基因组重复序列极高，小盐芥存在更多的“应激响应”基因，这些基因通过大片段基因加倍和基因串联加倍2种基因加倍事件而得到加倍。

小盐芥全基因组序列的完成，使得小盐芥模式系统更具潜力和吸引力，比如，利用小盐芥全基因组文库不仅可以筛选待测基因、基因顺式调控元件和多基因家族等，而且可以通过内含子中的调控元件与基序来研究基因表达的调控。同时为设计改良农作物、提高植物对非生物胁迫的耐受力等方面具有重要的现实意义。

参考文献

[1]Rhoades，J.D.and J.Loveday.Salinity in irrigated agriculture[J].Irrigation of agricultural crops，1990，30：1089-1042.

[2]Zhu，JK.Plant salt tolerance Trends[J].Trends Plant Sci，2001，6（2）：66-71.

[3]Hans J.and Elena Sheveleva.Plant stress adaptations-making metabolism move[J].Plant Biology，1998，1：267–274.

[4]Inan G，Zhang Q，Li P，et al.Salt cress. A halophyte and cryophyte Arabidopsis relative model system and its applicability to molecular genetic analyses of growth and development of extremophiles.[J] Plant Physiol，2004，135（3）：1 718-1 737.

[5]TeruakiTaji，Motoaki Seki，MasakazuS，et al.Comparativegenomicsinsalt tolerance betweenArabidopsis andArabidop-sis-related halophyte salt cress using Arabidopsis microarray[J].Plant Physiol，2004，135（3）：1 697-1 709.

[6]Shi H，Ishitani M，Kim C，et al.The Arabidopsis thaliana salt tolerance gene SOS1 encodes a putative Na+/H+ antiporter[J].Proc Natl Acad Sci USA，2000，97（12）：6 896-6 901.

[7]Zhu，JK.Salt and drought stress signal transduction in plants[J].Plant Biol，2002，53：247–273.

[8]Apse MP，Aharon GS，Snedden WA et a1.Salt Tolerance Conferred by Overexpression of a Vacuolar Na+/H+ antiporter in Arabidopsis[J].Science，1999，285（5431）：1 256-1 258.

[9]徐云刚，詹亚光.植物抗旱机理及相关基因研究进展[J].生物技术通报，2009（2）：11-17.

[10]XuD，DuanX，WangB，et al.Expression of a Late Embryogenesis Abundant Protein Gene，HVA1，from Barley Confers Tolerance to Water Deficit and Salt Stress in Transgenic Rice[J].Plant Physiol，1996，110（1）：249-257.

[11]Grene R.Oxidative Stress and Acclimation Mechanisms in Plants

[J].American Society of Plant Biologists，2002：2-20.

[12]Sun ZB，Qi XY，Li PH，et al.Overexpression of a Thellungiella halophila CBl9 homolog，ThCBL9，confers salt and osmotic tolerances in transgenic Arabidopsis thaliana[J].Journal of Plant Biology，2008，51（1）：25-34.

[13]Gao F，Gao Q，Duan X，et al.Cloning of an H+-PPase gene from Thellungiella halophila and its heterologous expression to improve tobacco salt tolerance[J].J Exp Bot，2006，57（12）：3 259-3 270.endprint

[14]Lv SL，Lian LJ，Tao PL，et al.Overexpression of Thellungiella halophila H（+）-PPase（TsVP）in cotton enhances drought stress resistance of plants[J].Planta，2009，229（4）：899-910.

[15]张侠，郭善利，尹海波.盐芥热激同源蛋白70基因（Thhsc7o）的分子克隆及鉴定[J].植物学报，2004，46（10）：1 212-1 219.

[16] Chen AP，Wang GL，Qu ZL，et al.Ectopic expression of ThCYP1，a stress-responsive cyclophilin gene from Thellungiella halophila，confers salt tolerance in fission yeast and tobacco cells[J]. Plant Cell Rep，2007，26（2）：237-245.

[17]Chunxia Wu，Xiuhua Gao，Xiangqiang Kong，et al.Molecular cloning and functional analysis of a Na+/H+ antiporter gene ThNHX1 from a halophytic plant Thellungiella halophila[J]. Plant Molecular Biology Reporter，2009，27（1）：1-12.

[18] Xu S，Wang X，Chen J.Zinc finger protein 1 （ThZF1） from salt cress （Thellungiella halophila） is a Cys-2/His-2-type transcription factor involved in drought and salt stress[J].Plant Cell Rep，2007，26（4）：497-506.

[19]KasugaM，LiuQ，Miura S，et al. Improving plant drought，salt and freezing tolerance by gene transfer of a single stress-inducible transcription factor[J].Nat Biotechnol，1999，17（3）：287-291.

[20]Hasegawa PM.，Zhu JK，Bohnert HJ，Bressan RA.Plant cellular and molecular responses to high salinity[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，2000，51（0）：463-499.

[21]Duan XG，Yang AF，Gao F，et al.Overexpression of vacuolar H+-PPase enhances the electrochemical gradient across the vacular membrane and improves tobacco cell salt tolerance[J]. Protoplasma，2007，232（1-2）：87-95.

[22]LIU Ai-Rong，ZHAO Ke-Fu.Osmotica accumulation and its role in osmotic adjustment in Thellungiella halophila under salt stress[J].Journal of Plant Physiology and Molecular Biology，2005，31（4）：389-395.

[23]Volkov V，Amtmann A. Thellungiella halophila，a salt-tolerant relative of Arabidopsis thaliana，has specific root ion-channel features supporting K+/Na+ homeostasis under salin-ity stress[J].Plant J，2006，48（3）：342-353.

[24]Wu HJ，Zhang Z，Wang JY，et al.Insights into salt tolerance from the genome of Thellungiella salsuginea[J].Proc Natl Acad Sci USA，2012，109（30）：12 219-12 224.

（责编：施婷婷）endprint