水稻对盐胁迫的生理和分子反应研究进展

孙伟　郑崇珂　解丽霞　和亚男　谢先芝　吴修

摘要：土壤盐渍化是威胁粮食安全的重要因素之一。盐对植物组织的伤害主要表现在两个方面，一是渗透胁迫造成的伤害，另一个是离子毒害。水稻是全球最主要的粮食作物，全球有50%的人口以稻米为主食，因此水稻生产对保障全球粮食安全发挥着重要作用。鉴于其栽培特点和生态作用，水稻是改良盐碱地的重要粮食作物。本文主要综述了水稻在盐胁迫后的生理反应、信号传导途径以及相关基因，为通过遗传改良提高水稻耐盐性提供研究成果信息。

关键词：水稻；盐胁迫；信号途径；转运蛋白

中图分类号：S511.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）04-0148-06

到2050年，世界人口将增加23亿，届时粮食需增产70%才能满足人口增长的需要，因此世界农业生产面临着巨大挑战（FAO，2009）。目前，非生物胁迫如盐碱、干旱和低温严重地影响作物的高产和稳产，是威胁世界粮食安全的主要因素。土壤盐碱是一个主要限制因子，目前全世界有超过8×10。hm。土地受盐影响（http：//www.fao.org/ag/agl/agll/spush/，2010年10月8日确认），其中大约0.45×10⁸hm²灌溉区有不同程度的盐渍化。随着气候变化、海平面的提升、排灌系统的不合理和富含有害盐分的底层岩石等因素影响，盐渍化土地面积不断增多。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，解决了世界一半人口的吃饭问题。水稻是盐敏感作物，其在不同发育阶段对盐敏感性不同，种子萌发阶段对盐胁迫的耐性较强，苗期对盐非常敏感，随后的营养生长阶段对盐耐性逐步提高，但在生殖生长阶段对盐高度敏感。

盐对植物组织的伤害主要表现在两个方面：一是渗透胁迫造成的伤害，另一个是离子特异性的毒害，如K⁺/Na⁺的比例改变和Na⁺、Cl^-浓度的改变。当水稻受到盐胁迫后，渗透胁迫导致叶片卷曲、蒸腾下降。同时，转运蛋白一方面降低水稻NaNa⁺进入根，另一方面也从根中排出Na⁺。还有一些转运蛋白能够从蒸腾流中排出NaNa⁺。当水稻受盐胁迫一段时间后，叶片中的NaNa⁺慢慢积累，最终导致叶片衰老死亡。这个过程会因为NaNa⁺从细胞质中排出或在液泡中区隔化而有不同程度的延迟，但最终导致水稻光合下降、植株生长停止甚至死亡。离子毒害的分子基础是NaNa⁺取代KNa⁺，胁迫后NaNa⁺和Cl^-渗透水合外层、干扰氨基酸之间非共价键之间的相互作用，从而破坏蛋白质的构象和蛋白质功能。

本文拟通过综述水稻在盐胁迫后的生理反应、信号传导途径以及相关基因的研究成果，以期为通过遗传改良提高水稻耐盐性提供技术信息。

1 水稻盐胁迫反应的生理特征

1.1 短期盐胁迫生理反应

当水稻生长在高盐度下（NaCl50mmol/L）时，土壤和植物之间的水势变化导致水稻气孔导度和生长速率快速下降。不同基因型水稻的反应速度不同，盐处理后盐敏感型水稻气孔导度降低速度低于耐盐型水稻。除了暂时的生长停止，渗透胁迫能够诱导ABA含量升高。研究表明，ABA可能作为一个长距离信号调控整个植株对盐胁迫的反应。

盐胁迫一定时间后，NaNa⁺通过共质体途径和质外体途径进入根，其中质外体是主要途径，因为水稻根的解剖结构特征限制了细胞间的移动。进入水稻根的盐能够激活盐感受和信号传导机制，最终导致以下反应：（1）抑制更多的NaNa⁺进入根；（2）减少NaNa⁺从根到茎的长距离运输；（3）恢复叶片中的离子动态平衡。此外，盐处理早期诱导产生的ABA会启动一系列适应性反应，在整个植株和细胞水平进一步调控NaNa⁺吸收和转运。

拟南芥的SOS（Salt-overly-sensitivity）途径的发现回答了植物细胞是如何感受NaNa⁺的问题。盐胁迫激活了细胞质内的第二信使信号分子——钙，SOS3与钙结合形成二聚体，增强了SOS2的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性。SOS3/SOS2复合物定位于质膜，可磷酸化并激活膜结合的Na⁺/H⁺逆向转运蛋白SOS1。SOS1蛋白质包含10～12个跨膜结构域，细胞质内有一个700个氨基酸的长尾巴，跨膜结构域是Na⁺/H⁺逆向转运蛋白，而胞内长尾巴是细胞内Na⁺感受器。SOS途径上的另一个组分SOS4编码吡哆醛激酶，参与5-磷酸-吡哆醛的生物合成，定位于细胞质，可能参与调控Na⁺和K⁺的动态平衡。SOS5定位于质膜外表面，可能是细胞外的Na⁺感受器。在拟南芥中，SOS1主要在根尖表皮细胞、根茎叶的木质部与共质体交界处的薄壁细胞中表达，这表明SOS1在控制Na⁺长距离运输中具有重要作用。Martinez-Atienza等鉴定了水稻的SOS途径基因SOS1、SOS2和SOS3，发现水稻和拟南芥的SOS途径是高度保守的，可能具有相同作用机制。而且有报道表明，水稻SOS！缺失突变体表现出盐敏感。

进入根和叶中的Na⁺能够竞争K⁺的吸收，激活高亲和的K⁺转运系统和低亲和的Na⁺转运系统，包括内向整流K⁺通道（Inward rectifying K⁺channels，KIRCs）、外向整流Na⁺通道（Outward rec-tifying K⁺channels，KORCs）和K⁺/H⁺共转运KUP HAK蛋白家族。如OsHKT1控制Na⁺进入根部，负责维持低Na⁺/K⁺比例，OsSKC1（OsH-KT8）主要在水稻根木质部周围薄壁细胞中表达，参与维持盐胁迫下的低Na⁺/K⁺比例。

1.2 长期盐胁迫生理反应

质外体中高浓度的Na⁺通过激活一系列的反应，阻止细胞脱水、蛋白质变性和细胞结构的不稳定。细胞内通过产生各种渗透调节物质控制细胞和质外体之间的渗透势。相同盐浓度对不同基因型水稻品种的危害不同，这种不同可能是因为细胞拒盐和液泡的区隔化程度不同所致。植株叶片拒盐的机制有3种：（1）根选择性地吸收盐并将其滞留在根的表皮、外皮层和内皮层中；（2）优先将更多的K⁺而不是Na⁺转移至木质部；（3）将Na⁺保留在根的上部或者茎的下部。Na⁺进入液泡的区隔化受Na⁺/H⁺逆向转运蛋白调节。过表达水稻液泡Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因OsNHX1能够提高水稻的盐胁迫耐性。水稻OsNHX1、OsNHX2、OsNHX3和OsNHX5在不同组织中的表达水平不同，但在盐胁迫、渗透胁迫和ABA处理时均上调表达，由此推测该家族成员在区隔化Na⁺中具有重要作用。

在盐胁迫条件下，光合速率的降低能够激活梅勒反应，产生大量的氧自由基。细胞毒性活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的过量产生会氧化并破坏膜脂、蛋白质和核苷酸等细胞组分。为了消除ROS的毒害，植物会上调表达多种抗氧化分子，如抗坏血酸、还原型谷氨酰胺和超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）及谷氨酰胺过氧化物酶等酶类。这些酶类协同作用使ROS保持动态平衡，维持过氧化氢在细胞信号传导中所需要的水平。在耐盐水稻中，ROS清除的酶类，如抗坏血酸过氧化物酶和过氧化物歧化酶表达水平明显较高，并且受盐胁迫诱导表达。

当植物受盐胁迫几周后，细胞渗透和离子状态改变，有机渗透调节物质和ABA含量提高，膜通透性、气孔导度和光合效率降低，整个植物生长都受到影响。叶片不断积累Na⁺并开始衰老。研究表明，尽管顶端分生组织中没有Na⁺大量积累，但细胞分裂和分化都受到影响，如叶片变小、新叶起始延迟等。水稻在较为严重的盐胁迫下（NaCl>100 mmol/L），植株会在成熟前死亡；在盐胁迫程度较轻的情况下（NaCl<50 mmol/L），会延迟穗发育和开花期，花粉育性和结实率降低，产量相关要素也受到影响，如每株上的分蘖数降低、每穗小花数减少、育性降低、粒重减小和产量降低。

2 水稻盐胁迫反应的分子基础

盐胁迫能够诱发渗透胁迫和离子胁迫从而抑制植物正常的生长发育。为了应对不利的环境因素，植物通过信号传导途径调控渗透和离子动态平衡。研究表明，盐胁迫耐性是一个数量性状，受多个基因调控。植物盐胁迫耐性相关基因包括参与信号传导和转录调控基因、渗透调节物质代谢相关的基因和转运蛋白基因等。有关渗透调节物质代谢基因在水稻盐胁迫中的作用已有综述报告，本文不再叙述。参与信号传导和转录调控的基因可以划分为ABA依赖性和ABA非依赖性两种途径，下面我们对水稻中这两种途径中的信号传导和转录调控相关基因以及转运蛋白基因的研究现状进行简单介绍。

2.1 ABA-依赖途径调控的盐胁迫反应

水稻ABA合成途径上的番茄红素合成酶基因（Phytoene synthase gene，OsPSY3）和9-顺式双加氧酶基因（9-cis-epoxycarotenoid dioxygen-ases genes，如OsNCED3、OsNCED4和OsNCED5）受盐胁迫处理1 h后均上调表达，而且其表达水平与ABA含量相一致。随后ABA作为一种调节因子启动第二轮盐胁迫响应，涉及到多种基因，如编码蛋白激酶、转录因子、microRNAs和活性氧清除系统的基因等。

植物类受体蛋白激酶（Receptor-like kina-ses，RLKs）在植物生长发育和胁迫反应中具有重要作用。盐、干旱、过氧化氢和ABA处理诱导了一种RLK基因OsSIK1的表达，该基因过表达水稻植株的盐和干旱胁迫耐性显著高于对照植株和RNAi植株。MAP级联放大反应在水稻盐胁迫反应中也具有重要作用，目前水稻中至少报道了2个MEKKs基因，其中一个是OsEDR1基因，该基因的表达受高盐和过氧化氢诱导上调表达；另一个是OsDSM1基因，该基因功能缺失突变体对盐非常敏感，但是目前仍没有MEKKs与其下游MKK之间调控关系的直接证据。在水稻中已经报道多个盐诱导的MAPKs基因，如OsMAPK4的转录受盐、低温调控。Os-MAPK5基因的表达受生物和非生物胁迫诱导，该基因在水稻中过量表达提高了水稻对盐、干旱和低温的胁迫耐性。OsMSRMK2和OsMSRMK3的表达受环境胁迫诱导。OsMAPK44的表达受盐和ABA诱导，其过表达水稻植株具有较高的Na⁺/K⁺比例。OsMAPK33基因的过表达水稻植株也表现较高的Na⁺/K⁺比例，这表明盐胁迫条件下OsMAPK44和OsMAPK33参与维持水稻细胞内的离子平衡。但是MAPKs如何与其上游的MKK或者下游的靶基因之间联系目前仍不清楚。

ABA依赖途径调控的盐胁迫反应中有多种转录因子参与。如bZIP型转录因子编码基因Os-ABF2的T-DNA插入缺失突变体对盐胁迫较为敏感，表明OsABF2是盐胁迫的正调控因子。OsbZIP23过量表达可增强水稻的盐和干旱胁迫耐性。OsABI5过表达水稻植株对盐胁迫较敏感，但反义OsABI5转基因水稻植株对盐胁迫耐性增强，这表明OsABI5是水稻盐胁迫耐性的负调控因子。但是不同OsbZIP转录因子在盐胁迫反应中的作用机制并不清楚。MYB转录因子包含一个保守的DNA结合结构域（52个氨基酸的MYB结构域），参与ABA依赖的盐胁迫反应。OsMYB3R-2过表达可增强拟南芥的盐、低温和干旱胁迫耐性。过表达OsMYB2基因水稻植株中其下游基因OsLEA3、OsRab16A和OsDREB2A表达上调，转基因水稻植株对盐、干旱和低温的耐性增强。这表明，OsMYB2可能是调控水稻胁迫反应的主要开关。NAC型转录因子也是通过ABA依赖途径调控水稻盐胁迫反应。高盐胁迫诱导多个水稻NAC基因的表达。SNAC1和OsNAC6过表达水稻植株的盐胁迫耐性提高。OsNAC5结合OsLEA3启动区的NAC识别核心序列（CACG），OsNAC5过表达水稻植株耐盐性提高，渗透调节物质如脯氨酸和可溶性糖含量也升高。锌指转录因子也参与水稻的盐胁迫耐性，如ZFP252基因过表达水稻植株盐胁迫耐性和干旱胁迫耐性显著提高。DST基因（drought andsalt tolerance）负调控气孔关闭，直接调控与过氧化氢动态平衡相关基因表达。ZFP179过量表达增强水稻的盐胁迫耐性，使自由脯氨酸和可溶性糖水平提高，同时胁迫相关基因OsDREB2A、OsP5CS、OsProT和OsLEA3的表达水平提高。OsTZF1编码CCCH型锌指蛋白，过表达OsTZF1水稻植株的盐胁迫耐性增强。WRKY转录因子也参与胁迫反应。如OsWRKY13通过抑制SNAC1的表达负调控水稻的盐胁迫耐性。

最近有报道表明，microRNAs（miRNAs）在水稻盐胁迫反应中也具有重要作用。在盐胁迫条件下，两个miRNAs（osa-MIR396c和osa-MIR393）的表达水平下降，而且这种降低依赖于ABA，同时过量表达这两个miRNAs的转基因水稻植株盐胁迫耐性降低。水稻osa-miR1848通过直接调控靶基因OsCYP51G3的表达影响植物甾醇和油菜素内酯的生物合成，参与调解水稻生长发育及盐胁迫响应。

2.2 ABA-非依赖途径调控的盐胁迫反应

有些盐胁迫诱导的基因是ABA-非依赖途径的基因，包括DREB1和DREB2转录因子、某些激酶、鞘脂合成酶和ROS产生/消除酶类。CBF/DREB-型基因编码AP2/ERF结构域的转录因子，能够结合DRE/CRT（A/GCCGAC）元件。水稻基因组至少包括14个DREB-型基因，其中OsDREB1A、OsDREB1F和OsDREB2A的表达受盐胁迫诱导，它们过量表达可提高植株非生物胁迫耐性。ABA-非依赖性蛋白激酶也参与了盐胁迫耐性。在高盐条件下，OsCPK12通过调控OsAPX2和OsAPX8的表达而正调控ROS去毒化。在OsCPK12过表达植株中，过氧化氢积累量明显低于野生型，然而oscpk12突变体和OsCPK12-RNAi转基因植株中过氧化氢积累更多。这些结果表明，OsCPK12通过抑制ROS积累而调控盐胁迫耐性。

2.3 水稻盐胁迫反应中的转运蛋白编码基因

各种离子通道、转运蛋白和泵通道在维持离子动态平衡中起作用。水稻基因组中有1 200个转运蛋白，其中84%具有活性，下面我们简单介绍参与水稻盐胁迫耐性的转运蛋白。

2.3.1 Na⁺/H⁺逆向转运蛋白 Na⁺/H⁺逆向转运蛋白的活性和功能在水稻和拟南芥中均有研究。在拟南芥中，质膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白SOS1调节根中Na⁺流以及Na⁺从根到茎的长距离转运。水稻OsSOS1缺失突变体表现出盐敏感，水稻基因组中有13个逆向转运蛋白，9个Na⁺/H⁺逆向转运蛋白、4个K⁺/H⁺逆向转运蛋白。水稻有4个液泡膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白（OsNHX1-4）和一个内体膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白（OsNHX5）。OsNHX1在水稻中过量表达增强了Na⁺在液泡中的区隔化，从而提高了盐胁迫耐性。Ca²⁺/H⁺逆向转运蛋白是一个泵，有助于保持细胞内Ca²⁺动态平衡，水稻基因组中有4个CAX（Ca²⁺/H⁺exchanger）基因（OsCAX1a、Os-CAX1b、OsCAX2和OsCAX3）。有报道表明，与盐敏感水稻品种RI相比，耐盐性水稻品种中CAX基因的表达下调，推测CAX可能与水稻盐胁迫耐性相关。

2.3.2 Na⁺/K⁺转运蛋白 HKT是Na⁺/K⁺转运蛋白，存在于植物细胞膜上。水稻基因组有7个HKT转运蛋白基因和2个假基因。OsHKT2；1在根的皮层和内皮层细胞以及维管束鞘区域表达，定位在细胞膜上。OsHKT2；1表达受K⁺饥饿诱导上调表达，而高浓度的Na⁺能导致其表达迅速下调，因此，在K⁺缺乏的条件下OsHKT2；1特异介导根吸收Na⁺作为营养元素供植物生长所需。Ren等从耐盐水稻品种Nona Bokra中克隆了SKCl基因，该基因编码HKT家族的钠离子转运蛋白（OsHKT8）。SKC1在盐胁迫下调节水稻地上部的Na⁺/K⁺平衡，即维持高钾、低钠的状态，从而提高水稻的耐盐性。

2.3.3 H⁺-ATPase转运蛋白 该转运蛋白产生的电化学梯度有助于Na⁺从细胞质中排出。水稻基因中包含11个H⁺-ATPases，它们分布在液泡膜、质膜和反式高尔基体网络。在耐盐水稻品种中，H⁺-ATPase基因OSA3的表达受盐胁迫诱导，但在盐敏感品种中却不能，这表明OSA3的作用与盐胁迫耐性相关。

2.3.4 通道蛋白 水稻中有几种通道蛋白参与了盐胁迫反应。非选择性阳离子通道（Nonselec-tive cation channels，NCCs）是Na⁺进入植物细胞的通道，在根细胞吸收Na⁺过程中具有重要作用。氯通道（Chloride channels，CLCs）参与氯离子转运。水稻基因组中有9个CLC基因，这些基因编码的蛋白质存在于液泡、高尔基体和叶绿体中。目前还没有直接证据表明OsCLC基因参与盐胁迫耐性，但是在盐敏感品种IR29中OsCLC1基因的表达水平较低，但在耐盐性品种Pokkali中，Os-CLC1表达水平较高，这表明OsCLC1表达水平与盐胁迫耐性具有相关性。内向整流K⁺通道（KIRC）在质膜上调节K⁺内流，选择性地积累K⁺。水稻基因组包含15个KIRC基因。盐胁迫能够抑制钾离子通道蛋白基因OsAKT1的表达，显著降低了根原生质体中K⁺内流，表明OsAKT1是重要的K⁺吸收通道。

3 展望

虽然水稻耐盐机制研究已经取得较大进展，但是仍然存在许多问题。第一，需要深入揭示盐胁迫反应中不同组分的作用，以及不同组分之间的相互作用，从而阐明盐胁迫信号途径的复杂网络模式。第二，如前面所述，植物对盐胁迫的耐受能力与渗透胁迫调节和离子调节密切相关，但是目前水稻转运蛋白在盐胁迫应激响应和离子跨膜运输过程中的作用还有待于深入研究。第三，目前虽已鉴定了一些盐胁迫相关的分子标记和基因（或QTL）位点，但是利用这些基因或标记培育耐盐水稻品种还没有报道。这可能是因为水稻耐盐性状是多种生理性状的一种综合表现，是由多基因控制的。因此还需要加大水稻耐盐种质资源的发掘和利用，加强水稻耐盐分子标记的定位研究，克隆耐盐基因，并研究其作用机制。