植物耐盐生理生化指标研究进展

2014-06-28王智明张峰举许兴

湖北农业科学 2014年7期

关键词：生理生化指标

王智明+张峰举+许兴

摘要：综述了盐胁迫对植物体内叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白质、可溶性糖、甜菜碱、光合作用、质膜通透性、抗氧化酶等生理生化指标影响的研究进展，旨在为进一步揭示植物耐盐性生理、分子机制及筛选和培育耐盐性植物新品种提供参考依据。

关键词：植物盐胁迫；生理生化指标；耐盐机理

中图分类号：Q945.78 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）07-1493-04

Advances on Physiological and Biochemical Indexes of Salt Tolerance in Plant

WANG Zhi-minga， ZHANG Feng-jub， XU Xinga

（a.Agricultural College；b.R & D Center for Application of New Technology， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Advances on physiological and biochemical indexes of plant salt tolerance such as chlorophyll， proline， soluble protein， soluble sugar， betaine， photosynthesis， cell membrane permeability， antioxidant enzymes， were reviewed to further unveil the physiological and molecular mechanism of plant salt tolerance， and to provide a reference for screening and breeding new varieties with salt tolerance.

Key words： plant salt stress； physiological and biochemical index； salt tolerance mechanism

盐渍土是对各种盐渍化土壤的俗称，包括不同程度的盐土、碱土以及次生盐渍化土壤[1]。盐土是指土壤溶液中可溶性盐（NaCl、Na2SO4等）的含量（一般在0.30%以上）超过了作物正常生长发育的耐受极限的土壤；而碱土则是指土壤溶液中含有大量的可交换性Na+，显著改变了土壤和植物理化性状的土类，通常其碱化度在15%以上，pH大于9，又称钠质土。

土壤盐渍化严重影响我国的农业生产和生态环境，是制约现代农业增产、增效和实现农业良性发展的两大土壤因素之一[2]。土壤中的盐碱是影响植物生长发育的重要限制因子，主要胁迫因子包括pH、Na+及Cl-[3]。研究表明，在盐碱混合胁迫下，作物生长发育迟缓，代谢功能紊乱甚至丧失，严重时植株发生永久性萎蔫，尤其是西部干旱荒漠地带[4]。

植物的耐盐性是一个受多基因控制的综合数量性状，涉及诸多抗盐基因选择性差异表达和多种耐盐生理生化的协调作用[5]。每种盐生植物甚至非盐生植物均有一套独特的耐盐方式和耐盐机制，使得它们的基因和生理生化指标变化差异明显，所以综合考虑其多项指标，才能科学评价植物的耐盐性。本文就植物耐盐性对诸多学者近年来关于耐盐生理生化指标的研究进行了综述，以期为进一步揭示不同植物的耐盐机制，完善植物耐盐性的综合衡量指标体系以及选育适盐性植物新品种提供参考依据。

1 生理生化指标

1.1 对光合系统影响的研究

1.1.1 光合作用光合作用是地球上最基础的生化反应，是绿色植物正常生长发育所需的物质与能量来源[6]，其主要涉及到光能捕获、转化和碳同化过程。盐胁迫可能通过渗透胁迫、盐离子毒害及光合产物积累的反馈抑制等途径抑制光合作用[7]。研究表明，盐胁迫能够抑制植物光合作用的碳同化过程[8]，降低其净光合速率（Pn）[9]。但对植物Pn降低的原因有分歧，一些学者认为气孔限制是引起Pn下降的主要原因。张川红等[10]研究表明，在200 mmol/L NaCl胁迫下，国槐与核桃在11：00—15：00的气孔导度（Gs）明显低于对照，并且核桃Gs的降低程度较大。即盐胁迫使植物部分气孔孔径减小甚至关闭，限制气孔的CO2进入量，最终导致Pn下降。

研究发现，盐碱胁迫影响植物光合作用的因素包括气孔因素和非气孔因素[11]。刘霞[12]的研究发现，在低浓度Na2CO3胁迫下，蚕豆Pn受到抑制，此时Gs、胞间CO2浓度（Ci）下降，气孔限制值（Ls）升高，说明Pn下降的主要因素是气孔限制；随着Na2CO3处理浓度继续增大，虽然Gs下降程度更大，但Ci升高，Ls下降，说明高浓度Na2CO3处理时影响光合作用的气孔限制作用减小，非气孔限制因素增大。而惠红霞等[13]利用不同浓度的NaCl处理枸杞的结果表明，短期NaCl胁迫下，枸杞主要通过调节Gs影响CO2交换速率，降低其光合作用，但长期胁迫时，非气孔限制因素又占据主导地位。郑国琦等[14]的试验结果表明，NaCl胁迫强度低于0.60%（占干土重量的百分数）时，枸杞根系产生大量脱落酸（ABA），以ABA或化学电位的形式向地上部分传递化学信号，导致其Ls增加、光合作用强度和Gs降低，即低盐胁迫下，以气孔限制因素为主；NaCl胁迫强度高于0.60%时，枸杞叶片中含有大量的Na+、Cl-，盐离子降低1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBPCase）等多种酶的催化活性，最终降低枸杞的光合速率，此时，非气孔限制又成为主要因素。

1.1.2 叶绿素含量的变化盐胁迫对植物Pn的影响很大一部分归因于叶绿素含量的降低。叶绿素是光合作用中完成光吸收的主要色素，如叶绿素a、叶绿素b等；盐胁迫强度与叶绿素含量呈现很好的相关关系。一些学者认为，低盐浓度下，盐离子促进叶绿素的合成；而高盐浓度下，植物体内Na+、Cl-含量增加，使叶绿素与叶绿素蛋白质之间的亲和性降低，最终叶绿素游离，同时高盐胁迫强度必然会抑制叶绿素合成关键酶的活性，激活叶绿素酶，加速其降解。杜军华等[15]的试验表明，低浓度NaCl处理蚕豆，蚕豆叶片的叶绿素含量呈先增加后降低的趋势，随着NaCl胁迫值增大，叶绿素含量降低。翁锦周等[16]也得出了相似的结论。

目前，针对植株叶绿素含量与盐胁迫之间的相关关系基本达成统一，但对盐胁迫与叶绿素a/b之间的相关性还存在争议。合适的叶绿素a/b可抑制叶片内冗余的光能诱导产生O2-，防止膜系统脂质过氧化。可见，叶绿素a/b是反映植物耐盐性的一个重要指标。崔兴国[17]认为，盐胁迫增强了植物体内叶绿素酶的活性，并分解叶绿素，叶绿素酶对叶绿素b的降解作用要高于叶绿素a，从而使植株体内的叶绿素a/b增大。但多数学者认为，叶绿素a/b与盐胁迫强度之间未呈现单一变化走向[16-18]。武德等[19]通过试验得出，Na2Cl胁迫下，刺槐的叶绿素a/b无明显变化；但在Na2CO3处理下，叶绿素a/b增加；对绒毛白蜡的研究也是如此。这可能与不同学者所选的试验材料和盐浓度设定有关。

1.2 有机物渗透调节的研究

盐碱胁迫环境下，土壤溶液中Na+、Cl-含量较高，渗透压升高，水势远低于根系细胞，造成植物吸水困难甚至脱水；植物为了减轻渗透胁迫对自身的损伤，往往在细胞内积累一定数量的有机调节剂（如可溶性糖等）和无机渗透调节离子，以维持根毛细胞较大的“渗透力”、较低的水势，保证植物能够从高盐逆境中渗透吸水。

1.2.1 脯氨酸的变化脯氨酸是植物胞质内重要的可溶性有机渗透调节剂之一[6]，其具有减缓液泡内区域隔离化盐分的渗透胁迫，防止胞质失水，维持细胞正常膨胀状态等生理功能，因此，脯氨酸的积累是植物抗盐、耐盐的一项应激性保护措施。研究表明，随着盐碱胁迫强度的增大，植物体内脯氨酸的含量逐渐增加，呈明显的正相关。王宁等[20]研究发现，136 mmol/L NaCl胁迫中、后期，光蜡树叶片中的脯氨酸含量与对照组相比分别增加65.39%和96.72%。杨帆等[21]研究发现，1.50 g/kg NaCl处理下，构树叶片的脯氨酸含量比对照增加56.30%；而高浓度盐胁迫下脯氨酸含量约为对照组的3～6倍，之后随着盐胁迫时间的推移，脯氨酸的含量缓慢降低，但最终高浓度处理组略高于对照组。因此，叶片中脯氨酸的积累是绿色植物的一种保护性措施，而不是受到盐害的结果。

1.2.2 可溶性蛋白质的变化一般认为盐胁迫打破了植物体内蛋白质代谢的动态平衡，即蛋白质降解速率远大于其合成速率，最终使胞质可溶性蛋白质含量随盐胁迫强度的增加而降低[22]，可溶性蛋白质的积累是植物响应盐害的一种生理现象。杨帆等[21]研究发现，不同等级盐胁迫下，构树叶片中可溶性蛋白质含量下降幅度不同，总体表现为高盐>中盐>轻盐。但也有学者不同意这种说法，阎艳霞等[23]认为，不同浓度NaCl处理下，4种枣树叶片中可溶性蛋白质含量比对照均有不同程度的增加，并与盐胁迫强度呈显著正相关。肖强等[24]通过试验也得出了相同的结论。可溶性蛋白质究竟如何响应盐胁迫有待进一步研究。

1.2.3 可溶性糖的变化可溶性糖也是植物响应盐碱胁迫的一种有机渗透调节剂，如葡萄糖和蔗糖等，在细胞内起类似于保护酶的作用，同时其作为碳水化合物为有机物的合成提供充足的物质和能量供应。在对燕麦的研究中发现，胞质内可溶性糖含量与盐浓度之间存在正相关性[25]。王志春等[26]与其持相同观点。可见，胞质内可溶性糖含量的变化是反映植株耐盐性强弱的一个典范生理指标。但也有人持不同观点，陈洁[27]的研究发现，在高浓度盐胁迫下，水稻海香1号中可溶性糖含量呈下降趋势。这可能是因为盐胁迫降低了水稻的光合作用，ATP产生不足，植株为满足其能量需求，增强呼吸作用，以消耗可溶性糖来提供足够的能量，最终导致胞质内的糖含量下降明显。

1.2.4 甜菜碱的变化甜菜碱即甘氨酸甜菜碱，为一类季铵化合物，是高等植物细胞内广泛存在的一类亲和性有机渗透调节剂和酶蛋白保护剂，并且对维持细胞膜的完整性具有重要的生理作用。胞质内甜菜碱的浓度与土壤盐胁迫强度之间存在正相关性，并且高浓度甜菜碱对胞内多种活性酶及其他结构蛋白质均无影响。李长有等[28]通过试验得出，NaCl胁迫下，虎尾草幼苗的甜菜碱含量较对照约增加7.50倍。羊草的甜菜碱含量和甜菜碱醛脱氢酶活性均随盐迫值的提高而增加[29]。当植株受到盐害时，根系细胞内迅速合成大量甜菜碱，以平衡液泡内区域隔离化的盐离子，避免胞质中高浓度Na+、Cl-等的生理毒害作用。因此，盐胁迫下，植物胞内甜菜碱的大量合成是植物响应盐害的重要生理措施，其含量与物种的耐盐性和盐胁迫强度呈正相关。

1.3 质膜通透性

质膜通透性直接反映细胞质膜的完整度和稳定性，是衡量植物耐盐性的重要指标之一。盐胁迫下，质膜最先遭受破坏，Na+置换出质膜中的Ca2+，使质膜的稳定性显著下降，通透性增加，选择透性降低甚至丧失。当盐浓度增大时，由于Na+、Cl-的胁迫作用使构树细胞质膜的结构发生改变，稳定性降低，导致质膜出现渗漏，胞内电解质漏渗[21]。同时，盐胁迫还会使植物体内产生过量活性氧（AOS），过氧化质膜中的膜脂、MDA含量增加，相对电导率增大[4]。齐曼·尤努斯等[30]在对新疆大果沙枣的研究中发现，NaCl、Na2SO4胁迫下，质膜的通透性、相对电导率和膜脂过氧化程度与土壤盐碱胁迫值呈显著正相关。相对电导率的大小可以反映植物在盐碱胁迫下质膜的通透性变化和受损伤程度。由此可见，膜透性是评价植物耐盐性的重要生理测定指标。

1.4 抗氧化酶

盐碱胁迫下，植物体内会产生大量的氧自由基，即AOS，包括O2-、OH-、·OH和H2O2等，为了避免体内过多的氧自由基造成生物膜系统损伤以及细胞内氧化磷酸化障碍，植物主要借助于抗氧化酶清除氧自由基，抗氧化酶主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）3种。SOD作为植物抗氧化系统的第一道防线，首先发生歧化反应将O2- 转化为O2和H2O2，催化反应式为：2O2-+2H+→H2O2+O2↑，其次，H2O2再在POD、CAT的催化作用下进一步分解为H2O和O2，其催化反应式为：2H2O2→2H2O+O2↑。鉴于上述生理功能，可见抗氧化酶活性增强能显著提高植物的抗逆性，因而备受研究者的关注。多数学者认为，随着盐碱或其他胁迫强度的增加，不同抗氧化酶的活性增速不同；张永峰等[31]通过盐碱胁迫对苗期紫花苜蓿影响的研究得出，不同浓度盐碱（NaCl和Na2CO3）混合胁迫下，紫花苜蓿幼苗中SOD活性最强出现在处理后第一天，POD活性最强出现在处理后第三天，比SOD晚2 d，之后逐渐下降，但最终其活性均高于对照；而CAT活性随盐碱胁迫强度的变化无规律性可言。陈海燕等[32]研究认为，盐处理下，武运粳8号（盐敏感）和韭菜青（强耐盐）两个粳稻品种根中SOD的活性无显著差异，但韭菜青的POD、CAT活性明显高于武运粳8号。张恩平等[33]、夏更寿等[34]也得出了相同的结论。其差异可能与不同学者所选取的植物材料（抗盐机制不同）、盐碱梯度和处理时间差异有关。但他们均认为，植物主要通过这3种抗氧化酶的相互作用来修复胁迫损伤，其活性的增强和含量的增加可显著提高植物的耐盐性，是植物响应盐胁迫免遭盐害的应急防护措施。

2 展望

土壤盐渍化是制约我国未来生态农业可持续性发展的主要环境因子之一，严重影响我国农业的粮食生产安全和生态建设。我国东西部水资源严重失衡，西部水量不足，所以利用洗盐的方式解决土壤盐渍化的可能性很小，同时考虑到我国是以燃煤为主要能源的国家，大量的烟气脱硫废弃物带来了严重的土地污染和空间占用问题，但研究者通过试验发现其对盐渍土的改良效果显著。因此，在烟气脱硫废弃物改良盐碱土的条件下，筛选和培育耐盐性植物新品种有望成为未来开展生态农业建设的主要途径。

植物的耐盐性并非是仅由单个基因所决定的，而是多个抗逆基因适时诱导联合表达的结果。目前，其耐盐碱机制涉及到器官、组织、细胞乃至蛋白质、基因等多个层次，尽管不同的学者已经从不同水平上对植物的耐盐碱机制有所研究，但研究仍不够深入，如不同植株耐盐性主导因子的确定、分子层次上的植物耐盐机理（如耐盐基因的调控机理等）尚不是很明确及植物耐盐性的评价体系不完善等，有待进一步研究。

进入21世纪，随着基因组学研究的深入，可以利用cDNA微阵列、cDNA芯片、基因敲除、外源基因插入失活等方法，对耐盐植物的耐盐基因进行寻找和生物学功能鉴定；也可借助农杆菌介导法、DNA重组技术和细胞融合等方法将特定抗盐功能基因转化敏感作物，使利用基因工程的方法培育耐盐新品种成为可能。

参考文献：

[1] 赵可夫，冯立田.中国盐生植物资源[M].北京：科学出版社，2001.

[2] LIANG Y C， YANG C G， SHI H H. Effects of silicon on growth and mineral composition of barley grown under toxic levels of aluminium[J]. Journal of Plant Nutrition，2001，24（2）：229-243.

[3] 郭伟.盐碱胁迫对小麦生长的影响及腐植酸调控效应[D].沈阳：沈阳农业大学，2011.

[4] 徐鲜钧，沈宝川，祁建民.植物耐盐性及其生理生化指标的研究进展[J].亚热带农业研究，2007，3（4）：275-280.

[5] 罗秋香，管清杰，金淑梅，等.植物耐盐性分子生物学研究进展[J].分子植物育种，2006，4（6）：57-64.

[6] 杨升，张华新，张丽.植物耐盐生理生化指标及耐盐植物筛选综述[J].西北林学院学报，2010，25（3）：59-65.

[7] 朱新广，张其德.NaCl对光合作用影响的研究进展[J].植物学通报，1999，16（4）：332-338.

[8] CENTRITTO M， LORETO F， CHARTZOULAKIS K. The use of low [CO2] to estimate diffusional and non-diffusional limitations of photosynthetic capacity of salt-stressed olive saplings[J]. Plant， Cell and Environment，2003，26（4）：585-594.

[9] QIU N W， LU Q T， LU C M. Photosynthesis， photosystem II efficiency and the xanthophyll cycle in the salt-adapted halophyte Atriplex centralasiatica [J]. New Phytologist，2003，159（2）：479-486.

[10] 张川红，尹伟伦，沈应柏.盐胁迫对国槐与核桃气孔的影响[J].北京林业大学学报，2002，24（2）：1-5.

[11] 王仁雷，华春，罗庆云，等.盐胁迫下水稻叶绿体中Na+、Cl-积累导致叶片净光合速率下降[J].植物生理与分子生物学学报，2002，28（5）：385-390.

[12] 刘霞. Na2CO3胁迫下蚕豆光合作用的气孔和非气孔限制[J].安徽农业科学，2010，38（6）：2861-2862，2913.

[13] 惠红霞，许兴，李守明.盐胁迫抑制枸杞光合作用的可能机理[J].生态学杂志，2004，23（1）：5-9.

[14] 郑国琦，许兴，徐兆桢，等.盐胁迫对枸杞光合作用的气孔与非气孔限制[J].西北植物学报，2002，22（6）：1355-1359.

[15] 杜军华，冯桂莲，高榕.盐胁迫对蚕豆（Vicia faba L.）叶绿素a和b含量的影响[J].青海师范大学学报（自然科学版），2000（4）：36-38.

[16] 翁锦周，林江波，林加耕，等.盐胁迫对桉树幼苗的生长及叶绿素含量的影响[J].热带作物学报，2007，28（4）：15-20.

[17] 崔兴国.盐胁迫对车轴草叶绿素含量及光合特性的影响[J].黑龙江农业科学，2011（4）：78-79，86.

[18] 夏阳，孙明高，李国雷，等.盐胁迫对四园林绿化树种叶片中叶绿素含量动态变化的影响[J].山东农业大学学报（自然科学版），2005，36（1）：30-34.

[19] 武德，曹帮华，刘欣玲，等.盐碱胁迫对刺槐和绒毛白蜡叶片叶绿素含量的影响[J].西北林学院学报，2007，22（3）：51-54.

[20] 王宁，张桂菊，吴军，等.NaCl胁迫对光蜡树部分生理指标的影响[J].沈阳农业大学学报，2010，41（3）：294-298.

[21] 杨帆，丁菲，杜天真.土壤盐胁迫对构树幼苗生理特性的影响[J].江西农业大学学报，2008，30（4）：684-688.