植物的耐盐生物学机制研究进展

刘 欣

(哈尔滨师范大学)

0 引言

随着人类工业现代化进程的加速，耕地面积不断减少，盐渍化土地逐渐增多，资源短缺和环境恶化已成为世界急需解决的问题.植物耐盐机理的研究对改良盐碱地，开发盐碱资源、维持生态平衡有着重要的意义.

1 盐胁迫对植物的危害

水溶性盐的种类有多种，在研究植物耐盐机理时，主要研究NaCl对植物的影响.虽然Na+和Cl－是植物生长发育中必要的营养物质，但是只要超过50 mmol/L对植物就会造成毒害.Na+和Cl－对植物危害主要体现在以下三个方面:第一，Na+和Cl－本身对植物有毒害作用，当过量Na+和Cl－进入植物体后，会抑制细胞中多种酶的活性;影响其他植物所必需的离子的吸收;破坏细胞内的离子平衡;第二，当土壤中的Na+和Cl－的浓度增加时，水势下降，当小于根部细胞的水势时，导致植物根部细胞不但不能正常吸收水分，甚至脱水，严重时会导致植株死亡;第三，在正常生长的情况下，植物体内的自由基的产生和清除处于动态平衡的状态，但在受到胁迫时，自由基大量产生并抑制抗氧化酶的活性，当自由基的浓度超过一定的阈值时，就会导致植物体内重要的有机物质被氧化，特别是膜质中不饱和脂肪酸很容易受到氧化作用，导致膜的完整性遭到破坏，组织内的成分大量外漏，严重时会导致植物体死亡［1－2］.

2 植物耐盐的形态学基础

盐生植物主要通过拒盐、泌盐和稀盐3种形式来减小盐对机体的损害［1，3］:(1)稀盐，某些盐生植物通过两种方式将进入体内的盐分进行稀释:一是通过细胞大量吸水或者增加细胞的肉质化程度以增加组织的含水量，将植物体内的盐分进行稀释，降低到盐生植物生理所适应的盐浓度，从而避免盐害;二是细胞具有将盐离子区隔化到液泡的作用，在避免盐害的同时降低细胞的水势，使植物在盐渍的土壤中吸收水分正常生长.稀盐盐生植物的叶片及幼茎中通常积累了大量的盐分，因此也称为积盐盐生植物.(2)泌盐，在植物的叶片或者茎上有盐腺或盐囊泡，可以把盐主动分泌到体外，泌盐结构是泌盐盐生植物最显著的形态结构，是泌盐盐生植物与非盐生植物进行区别的唯一典型结构.大部分泌盐盐生植物的耐盐性小于稀盐盐生植物.(3)拒盐，有些植物的根及茎结合的位置对盐的透性很小，采用不让环境中的盐离子进入细胞的策略或者将进入机体的盐离子储存于安全位置，阻止盐离子向植物的要害部分运输.拒盐植物的根部细胞膜及其他部位对盐离子吸收具有很强的选择性，并可以将其积累在植物体的安全部位，拒盐植物的耐盐性一般小于稀盐和泌盐盐生植物.总之，植物在长期适应高盐的环境中形成了一些耐盐的形态学结构，如叶片的肉质化、盐腺、盐腺泡及不明显的根部拒盐的结构，通过稀盐、泌盐、拒盐三种机制达到避免盐害的目的.

3 渗透调节与抗逆性

在盐胁迫下，植物可以通过渗透调节维持由膨压控制的细胞膜的运输、细胞膜的电性质、维持气孔开放等.参与渗透调节的物质主要分为两大类，一类是由外界进入细胞的各种离子，如Na+、K+、Cl－;一类是植物细胞自身合成的各种有机物，如甜菜碱、脯氨酸、可溶性糖等.

3.1 离子的渗透调节作用

无机离子通过主动运输主要积累在液泡中，成为液泡的重要调节物质，细胞中积累的无机离子的种类和数量与植物的种类、器官及环境中的离子种类和浓度有关.K+通常是非盐生植物的渗透调节物质，而盐生植物的渗透调节物质通常是Na+和Cl－.

3.2 有机物质的渗透调节作用

为维持整个细胞中水势的平衡，当无机离子在液泡中积累时，植物细胞也会合成一些有机溶质积累于细胞质中.

脯氨酸是最大的水溶性氨基酸，在植物受到盐胁迫时，植物体内的蛋白质合成受到抑制，分解增加，使氨基酸的含量上升，其中最明显的就是脯氨酸含量的增加，脯氨酸是有效的调节物质之一，在调节渗透平衡的同时，能与蛋白质结合，增加蛋白质的可溶性并减少可溶性蛋白质的沉淀，对生物大分子结构和功能的稳定起到维持作用［3］.一种观点认为脯氨酸有参与渗透调节、保护酶和细胞结构以及作为活性氧清除剂的作用.是植物耐盐性的指标［4］.但另一种观点却认为脯氨酸的积累与盐胁迫的伤害程度密切相关，脯氨酸的积累可能是胁迫对植物伤害的结果［5］.

甜菜碱也是一种很好的渗透调节物质，有一些植物在盐胁迫下不合成脯氨酸，而是合成甜菜碱，甜菜碱是一种季胺类化合物，在大多的生理pH范围内呈电中性，含有一个非极性的由三个甲基组成的集团，整体分子既具有非极性的特点也具有极性的特点，即可以与生物大分子的疏水区结合也能与其亲水区结合，使其在细胞质中起到极强的渗透调节和稳定生物大分子，维持正常生理功能的作用.植物中的甜菜碱主要包括多种类型，如甘氨酸甜菜碱、丙氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱、羟基脯氨酸甜菜碱、组氨酸甜菜碱、色氨酸甜菜碱等，其中甘氨酸甜菜碱是发现最早、研究最多的一种.目前关于甜菜碱的合成场所有不同的观点，有研究者认为甜菜碱定位在叶绿体中，液泡中的是其同工酶［6］;也有研究者用差速离心的方法分离细胞各个组分，发现叶绿体和线粒体中并不存在甜菜碱［7］.甘氨酸甜菜碱是在胆碱单氧酶(CMO)和甜菜碱醛脱氢酶(BADH)两种酶的作用下经过两步合成的.有一些非盐生植物，尤其是对盐很敏感的植物一般是不合成甜菜碱的，通过基因工程的方法将BADH基因转入其他植物体内，很多植物的耐盐性都得到了不同程度的提高［8］，改善植物的耐盐性方面取得了较大的进展.甜菜碱除了具有渗透调节和稳定生物大分子的作用外，对植物在逆境条件下气孔运动、呼吸作用和相关基因表达也起到一定的调控作用［3］.

除此之外，可溶性糖也是一类重要的渗透调节物质.比如棉籽糖族寡糖是近年来发现的非结构类糖类，在高等植物中广泛参与渗透调节作用.另外，海藻糖可作为细菌和真菌在逆境条件下参与生物结构保护作用的一种可溶性物质，拟南芥在NaCl胁迫后，很大部分的海藻糖合成途径中的基因被诱导表达［9］，但是海藻糖在细胞中的浓度太低，不足以作为渗透保护剂，所以可视为一种参与逆境胁迫响应的信号分子［10］.不同植物对逆境的反应不同，所以不同的物种在逆境下其细胞内积累的有机渗透调节物质也是不同的.

4 氧化还原平衡的调节

盐胁迫能够诱导活性氧的产生，ROS可以作为信号分子，但是在逆境条件下，活性氧的产生往往大于清除，过高的浓度破坏了细胞正常的新陈代谢.许多研究表明，抗氧化剂的活性与植物的耐盐性密切相关［11－12］.在盐胁迫下，植物体内含有有效清除活性氧的保护机制，能使植物免受氧化胁迫，这也是盐生植物抗盐性的一种生理适应性［13］.

植物体内多余的活性氧主要通过有关的非酶抗氧化剂和酶促抗氧化剂来清除.植物非酶抗氧化剂主要包括类胡萝卜素、抗坏血酸、谷胱甘肽、维生素E、类黄酮、不饱和脂肪酸、花青素、多元醇和甜菜碱等.植物体内清除活性氧的酶促抗氧化剂主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)，谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)和脱氢抗坏血酸还原酶(DHR)等.这些物质有的是水溶性的，有的是脂溶性的，分布在细胞的不同部位，清除氧的功能也存在差异.在逆境胁迫下，这些酶类相互协调、共同作用，使生物体内的活性氧维持在一定范围，是植物抗逆性的重要方面.

5 植物内源激素与抗逆性

在逆境条件下，植物可通过调节植物激素的含量和活性来影响植物的生理生化变化.近年来，对植物激素尤其是脱落酸(abscisic acid，ABA)对植物基因表达的调控作用进行了深入研究，脱落酸是植物对逆境作出反应的重要调节物质，可以增强植物对各种胁迫的适应性，很多植物在逆境下增加的ABA含量与其抗逆能力表现出正相关.ABA可以使膜的不饱和度增加，降低SOD等酶活性下降的速度，促进渗透调节物质的合成等，研究表明，外施ABA溶液可以提高植物的抗盐、抗寒和抗旱的能力［3］.

植物激素是植物抗逆基因启动的重要因素，高等植物的抗逆性是受多基因控制的非常复杂的适应过程，有些基因的表达是受ABA依赖的，有一些则是非ABA依赖的，除了脱落酸外，其他激素对抗性基因的表达调控也具有一定的作用.

6 离子平衡的调节

盐胁迫是影响植物生长发育的主要非生物胁迫之一，土壤中过多的Na+是限制盐碱地上植物生长的主要因子之一，为了防止有毒量Na+在细胞质中的积累，植物可通过Na+外排和Na+区隔化来降低 Na+的浓度［14］.Na+/H+逆向转运蛋白也已经从植物中分离出来，主要分为两类，分别是存在于质膜上的Na+/H+转运蛋白以及液泡膜上的 Na+/H+转运蛋白［15］，它们对 Na+的跨膜转运的动力来自于质子泵产生的跨膜电化学势梯度.在植物体内，H+－ATPase利用水解ATP的能量把H+从细胞质中泵出，产生跨膜的H+电化学势梯度［16－18］，质膜或液泡膜上的Na+/H+反向转运蛋白利用此能量将Na+排出细胞或区隔化于液泡中，减少Na+对植物细胞的毒害作用［19］.将Na+区隔化于液泡中，不仅可以降低细胞质中的Na+浓度，还可以维持细胞的渗透平衡［20］.

液泡膜上的Na+/H+反向运输是稀盐盐生植物细胞离子区域化作用极为重要的过程.一般情况下，耐盐甜土植物中的NaCl似乎是活化原先存在于液泡膜上反向传递分子，而盐生植物液泡的反向传递都是不断被活化的，甚至植物生长在没有NaCl的条件下也是如此［21］.这种观测与已经指出的盐生植物快速从外界培养基清除Na+并在低的Na+外界水平上将Na+扣留在叶中的生理特性是一致的.从公布的数据可以看出，非盐生植物只在盐胁迫诱导后Na+/H+逆向转运蛋白的活性作为适应机制的一部分才能被观察到［22－23］，例如，黄瓜根系液泡膜的 Na+/H+反向转运蛋白组成型表达但没有活性，在盐处理条件下合成大大增加［21］，其中不耐盐植物中生车前草［24］，经过 NaCl胁迫处理后也不显示Na+/H+反向运输活性.然而在一些盐生植物中，无论在盐胁迫和非盐胁迫的条件下都能组成型表达且存在活性.例如如糖用甜菜［25］，在无盐条件下Na+/H+反向运输活性较低，NaCl处理后则活性明显增大.

Na+/H+逆向转运蛋白与植物的耐盐性有着重要关系，尤其是通过Na+/H+逆向转运蛋白将Na+区隔化于液泡中是耐盐植物的重要过程［1，26］.Na+/H+逆向转运蛋白转运 Na+进入液泡是由液泡膜上的V－ATPase和V－PPiase产生的质子动力势驱动的［27－29］.H+–ATPase是植物耐盐能力的决定因素之一，NaCl能促进植物叶片 V 型质子泵活性［27，30］，从而酶的活性和泵运质子能力增强［31－32］.液泡膜 Na+区隔化对植物耐盐的重要性已经在过量表达NHX1基因的转基因植物中被证实，它能使非盐生植物包括番茄、油菜、水稻、玉米和小麦在高盐水平下生存和繁殖［33］.并且有研究显示，Na+与液泡的 Na+/H+逆向转运蛋白比定位在质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白更有亲和力，因此可以设想在盐胁迫下，植物可能首先选择将Na+区隔化到液泡来减少 Na+对自身的毒害［21］.

此外，Na+/H+逆向转运蛋白也参与植物的其他生命活动，有研究表明敲除拟南芥的At-NHX1基因和AtNHX2基因严重影响植物的生长，生殖器官的发育和叶片细胞的膨大［34－35］.同样的敲除AtNHX5基因和AtNHX6基因的拟南芥细胞变小，花器官和根的生长变慢［36］.

7 miRNA的调节

miRNA在动植物的基因表达中发挥着重要的调控作用，近年来研究发现，miRNA可能在植物抗逆境过程中也发挥重要作用.Sunkar等［37］构建了一个拟南芥逆境(包括脱水、盐碱、冷处理等)胁迫下的小的非编码RNA库，在外界环境胁迫时，其中一些miRNA在某些组织中，相应的表达量会表现出上调或下调.

8 信号转导途径的调节

植物在盐胁迫下作出反应是通过一系列复杂的信号识别与转导机制完成的，SOS信号途径中涉及三个蛋白:SOS3、SOS2和 SOS1，其中SOS3是一个Ca2+结合蛋白;SOS2是一个Ser/Thr蛋白激酶;SOS1是质膜上的Na+/H+反向转运蛋白.在受到盐胁迫时，通过细胞膜上的Na+传感器将信号传入细胞，使细胞内的Ca2+浓度快速增加，升高Ca2+结合并激活SOS3，被活化的SOS3激活SOS2并且二者形成复合体，催化部位暴露出来发挥激酶的功能，从而激活下游蛋白行使功能，SOS1是其底物之一.SOS2/SOS3复合物激活SOS1，防止了Na+在细胞内过多的积累，提高了质膜Na+/H+反向转运的能力，加速Na+排出细胞，从而降低盐害［38］.并且研究发现，SOS1调节细胞外ROS的产生可能是非生物胁迫下产生的信号通路的一个非常早期的信号步骤［39］.SOS2不仅可以激活 SOS1，还可以激活液泡膜上的Na+/H+反向转运蛋白和Ca2+/H+转运蛋白［40］.

9 小结及展望

盐生植物资源的开发利用是解决资源短缺和盐碱地修复的有效办法［41－42］，一些盐生植物具备甜土植物和其他盐生植物所不具备的抗逆生理特性［43］，植物最初的许多耐盐机制都是从研究盐生植物获得［44］，而且盐生植物资源的利用潜力非常大，但是目前却尚未被充分利用［1］，因此研究盐生植物的抗逆特性和机理具有着重要的意义，对农作物的改良、盐碱地的利用，生态建设具有举足轻重的地位.

随着分子生物学的发展，人们已经在分子水平上对植物的耐盐机制取得了很大的进展.利用基因工程技术将外源基因导入植物细胞或组织是现代遗传育种的重要途径，盐生植物是挖掘耐盐基因的宝贵资源［45－47］.用分子克隆的方法分离得到了一些盐诱导相关基因，并通过基因工程手段导入耐盐性较差的植物中，实现了从常规育种到分子育种的改良种质的新途径.通过进一步对植物耐盐机制的深入研究，应用先进的分子生物技术，将理论与技术结合，将促进农作物品质的改良及产业化生产的进程，并推动世界各地盐碱地的开发和利用.

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