一年生盐生植物耐盐碱机理研究进展

李辛，赵文智

(1.甘肃农业大学学报编辑部，甘肃 兰州 730070；2.中国科学院西北生态环境资源研究院，中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站，甘肃 兰州 730000)

目前，全世界已知的盐生植物已超过1 560种[1]，中国的盐生植物大约有509种，归于71科、218属，植物种类最多的科有藜科(Chenopodiaceae)禾本科(Gramineae)菊科(Asteraceae)豆科(Leguminosae sp.)，占中国盐生植物种类总数的46.8%，上述4个科中一年生植物占有很高的比重[2].一年生盐生植物是盐生植物区系的重要组成部分，丰富度很高[3-8]，具有重要的生态价值和生态功能[9].一年生盐生植物作为先锋植物或建群种植物，在长期进化和自然选择的过程中很好地适应了盐碱地的生物和非生物环境因素，形成了一整套完善的生存策略来应对盐碱生境的随机性和不确定性[10].

由于一年生植物的生活史短暂，一般在每年中相对有利的5～9月间完成整个生命周期，并可以观察到植物所有的物候现象，因此，一年生植物已经成为许多盐碱地生态环境关键问题研究的理想材料.本文回顾了国内外有关盐碱胁迫对一年生盐生植物影响的研究，分别综述了盐碱胁迫对一年生盐生植物种子萌发、外部形态及生理特征的影响，探讨了一年生盐生植物对盐碱胁迫可能的适应机理，以期能够加深一年生盐生植物对盐碱地生境适应性生态学问题的认识，为盐碱地科学治理及生态恢复等提供科学依据.

1 种子萌发对盐碱胁迫的响应

保证种子的正常萌发是种子植物成功建植的前提[11]，由于种子萌发阶段对外界生态环境因素十分敏感[12]，因此更容易受到胁迫环境的影响甚至伤害[13]，对于盐碱地生境下的一年生植物也是如此.李云海等[14]研究发现，滨藜、碱蓬、海篷子等3种一年生盐生植物种子的萌发率均随NaCl浓度的升高而降低.代莉慧等[15]利用NaCl和Na2CO3处理盐地碱蓬和碱蓬的种子后发现，随着2种盐浓度的升高，种子萌发率下降，萌发率与盐浓度间呈现显著的负相关关系，Na2CO3对种子萌发的抑制作用强于NaCl.Wei等[16]研究发现，高盐度能够抑制紫翅猪毛菜的种子萌发.申忠宝等[17]研究5种禾本科植物种子在混合盐碱胁迫下的萌发指标时发现[17]，无芒雀麦的发芽率、发芽指数、活力指数均低于对照，且与胁迫浓度呈显著负相关.李辛等[18]利用不同溶度的盐碱胁迫溶液处理雾冰藜种子时发现，雾冰藜的各项萌发指标均随盐浓度及pH的升高而下降，盐度、pH及二者之间的交互作用对萌发指标均有显著抑制作用，不同盐碱组分种子萌发的抑制作用表现为：Na2CO3>NaHCO3>NaCl>Na2SO4.赵颖等[19]在盐碱处理下的藜麦种子上得出了相同的结论.也有研究表明，一年生盐生植物种子的萌发情况并非都随着盐碱浓度的升高而持续降低，例如藜和灰绿藜的种子在低浓度NaCl (50、100 mmol/L)下表现为促进萌发，而在较高浓度NaCl(>200 mmol/L)才表现出抑制效应，且对藜的抑制影响大于灰绿藜[20].

2 植物生理及外形特征对盐碱胁迫的响应

2.1 细胞内水分及膜脂透性

一年生植物受到盐碱胁迫后，其细胞正常功能受损，生物膜系统遭到破坏，膜的组分、透性、作用等均会发生一系列变化，植物正常的生理活动受到不同程度的抑制和破坏[21].Donovan等[22]研究发现，盐碱环境中植物内环境的细胞水势和渗透压与植物所受盐分胁迫的增加呈负相关，而细胞膨胀压则与植物所受盐分胁迫的增加呈正相关.肖雯等[23]的研究结果表明，一年生盐生植物猪毛菜、地肤和灰绿藜的细胞膜透性较非盐生植物低，说明在相同盐碱生境下其抗逆性更强.孙藜等[24]研究了10种一年生藜科盐生植物后发现，其在保持较高丙二醛(MDA)含量的同时，细胞膜透性却处在较低水平，说明盐分胁迫对盐生植物质膜的伤害程度较小.长期盐胁迫下，灰绿藜和藜均受到严重的氧化损伤，其中藜中氧自由基(O2-·)、过氧化氢(H2O2)及MDA含量极显著高于灰绿藜，说明灰绿藜对盐胁迫的抗性大于藜[20].

2.2 植物光合系统

光合作用是所有植物、藻类等生产者和某些细菌同化作用的基础，也是全球生物圈碳循环及其他物质循环的最重要环节[25]，在有机物生产过程中的能量吸收、固定、分配与转化中发挥关键作用[26].光合系统对逆境胁迫伤害最为敏感[27]，其中盐碱胁迫是影响光合作用的一个重要外在因素.光合色素是光合作用的物质基础，在光合作用中占有重要地位[28].彭益全等[29]比较了碱蓬和三角叶滨藜光合色素含量对盐胁迫的响应，发现低盐胁迫对两种植物的叶绿素(Chl)含量没有显著影响；随着盐浓度的增加，2种植物的Chl含量均显著下降，碱蓬Chl含量的降幅显著大于三角叶滨藜；低盐明显提高碱蓬叶片的类胡罗卜素(Caro)含量，但是不影响三角叶滨藜叶片的Caro含量，随着盐度的增加，2种植物的Caro含量均显著下降，碱蓬Caro含量的降幅显著大于三角叶滨藜的降幅.在不同盐碱胁迫条件下，雾冰藜的叶绿素a(Chla)含量、叶绿素b(Chlb)含量、Caro含量均随处理溶液盐浓度及pH的升高而下降[30].

盐碱胁迫可以导致植物叶绿体结构受损，危害类囊体膜的垛叠，使得光合色素蛋白复合体不稳定，影响了光能在两个光系统之间的合理分配，进而降低了光合速率[31].100 mmol/L NaCl处理显著提高了碱蓬的Pn、Tr和气孔导度(stomatal conductance，Gs)，但是显著降低了三角叶滨藜的Pn、Gs和Tr，随着盐度的进一步增加，2种植物的Pn、Gs和Tr均显著下降，其中碱蓬Pn和Tr的降幅要显著低于三角叶滨藜的；随着盐胁迫浓度的增加，碱蓬的Ci逐渐下降，三角叶滨藜的Ci先降低、再升高，800 mmol/L NaCl处理的三角叶滨藜Ci显著高于对照[29].李辛等[30]研究发现，雾冰藜的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2摩尔分数(Ci)、蒸腾速率(Tr)均随处理溶液盐浓度及pH的升高而下降，而水分利用效率(WUE)的变化未呈现明显的规律性，且盐分组成其气体交换参数的抑制作用表现为：Na2CO3>NaHCO3>NaCl>Na2SO4.在 NaCl和Na2SO4处理下，四翅滨藜幼苗净光合速率(Pn)随盐浓度增大而升高，而蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)随盐浓度升高呈先增大后减小的趋势，且Na2SO4对上述指标的促进效果大于NaCl[32].

叶绿素荧光参数也可以反映胁迫因素对植物光合作用的影响[33]，有助于探究光合系统受损伤的具体部位[34].PSⅡ 最大光化学量子产量(maximal photochemical efficiency，Fv/Fm)是植物受到环境胁迫程度的重要指标[35]，反映了植物光抑制的程度[36].光化学淬灭(photochemical quenching，qN)是植物的一种自我保护机制，反映了PSⅡ系统吸收的光能中不能用于光合电子传递而以热耗散的形式流失的部分[37].刘家尧等[38]研究发现，碱蓬在盐胁迫下使PSⅡ受到了损伤，导致PSⅡ的潜在活性(PSⅡ potential efficiency，Fv/F0)、Fv/Fm明显下降；随着盐碱胁迫浓度的增大，角果碱蓬幼苗的初始荧光(F0)逐渐升高；Fv/Fm、qP和PSⅡ 非循环光合电子传递速率(electron-transfer rate，ETR)均呈下降趋势.虎尾草在盐胁迫处理下叶绿素荧光参数没有受到明显的影响；但是在碱胁迫下，随着胁迫强度的增加，其Fv/Fm、qP、ETR及ΦPSⅡ呈上升趋势，NPQ则急剧上升[39].雾冰藜的PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、PSⅡ原初反应的最大量子效率(Fv/Fm)、PSⅡ电子传递量子效率(ΦPSⅡ)、表观光合电子传递效率(ETR)、光化学猝灭系数(qP)均随处理溶液盐浓度及pH的升高而下降，而稳态荧光(Fs) 则先升高后降低，再升高再降低，呈“M”型变化趋势，非光化学猝灭系数(NPQ)未呈现规律性变化趋势；盐分组成对叶绿素荧光参数的影响也较为复杂[30].

2.3 植物体内离子水平

正常生境下植物细胞中的各种离子均处于均衡状态，当植物处于盐碱胁迫条件下时，由于产生了离子间的竞争作用，抑制了植物对某些矿质元素的吸收，进而影响到植物的正常生长[40].如果外界环境中的Na+过多会抑制植物对K+的吸收，同时也会抑制对Ca2+和Mg2+的吸收；Cl-和SO42-过多则会抑制HPO42-的吸收[41].有研究表明，植物抗盐生理的实质是矿质元素的选择性吸收[42].生长在野外条件下碱地肤，随着植株高度的增加其同一组织中Na+含量降低，Ca2+、K+、Mg2+含量升高；在同一表型的植株中，Na+含量最高的部位是叶片，K+、Ca2+、Mg2+含量最高的部位是种子[43].随盐碱胁迫强度增加，碱蒿苗中Cl-浓度在碱胁迫下的变化很小而在盐胁迫下大幅度增加；SO42-浓度增加，且碱胁迫下增幅大于盐胁迫；NO3-浓度均降低而H2PO4-的浓度均无明显变化[44].赵昕等[45]研究表明，随盐浓度增加，珍珠猪毛菜幼苗的Na+含量降低而K+含量增加，就部位而言叶片Na+含量低于根茎且叶片 K+/Na+比值增大，并发现其根与茎对K+产生选择性运输，可以抑制Na+进入叶片.研究表明，小盐芥体内Na+含量随着NaCl处理浓度的升高而升高；K+含量在地上部分呈持续下降的趋势，地下部分则表现出先升高后下降再升高的趋势；Ca2+含量变化趋势与K+的变化趋势相似；K+/Na+比值逐渐升高，说明高浓度的 Na+抑制了小盐芥对 K+的吸收[46].

2.4 植物体内有机酸代谢

有机酸作为植物细胞内的螯合剂[47]，是植物体内代谢调节和根系分泌的主要成分，在植物从外界环境中吸收可溶性的铁、磷以及其他金属离子方面有重要作用[48].面对外界环境中的多种非生物胁迫时，植物通过调节有机酸代谢来增强根系有机酸的分泌[49]，这是植物对环境胁迫的适应性反应[50].对于一年生盐生植物碱地肤而言，不同性质的盐分(中性盐、碱性盐)在不同程度上诱导了碱地肤幼苗中有机酸的积累；在低盐浓度的处理中，碱地肤幼苗体内有机酸的积累以草酸为主；随着胁迫盐分浓度的增加，苹果酸在有机酸含量中所占比例增大，依次是琥珀酸和酒石酸，而柠檬酸的含量最低[43].但另一种一年生盐生植物虎尾草的有机酸代谢在响应碱胁迫时则以积累柠檬酸(citric acid)和苹果酸(malic acid)为主[39].

2.5 活性氧及抗氧化系统

植物在受到外界环境的胁迫时(如盐碱胁迫)会导致体内产生大量的活性氧物质，如H2O2、O2-·、OH·等.活性氧的过度积累会破坏植物的生物膜、蛋白质及核酸的结构，进而改变植物正常的代谢过程[51].为了缓解活性氧过度积累导致的细胞损伤，植物体内存在一套以抗氧化酶类为主的抗氧化系统，主要包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物歧化酶(peroxidase dismutase，POD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)等[52].已有研究表明SOD在作物抵御过氧化胁迫中发挥重要作用[53-55].POD存在于很多植物代谢过程中，参与木质化、酚类氧化、细胞伸长调控等，并且与活性氧清除作用极显著相关[56].CAT对H2O2的清除效率高于抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)和谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase，GR)[57].蒋永超等[58]研究表明，随着NaCl浓度的不断增加，盐角草SOD活性总体呈先升后降的趋势，POD 活性和CAT 活性则呈现先降后升再降的趋势，三者相互协调发挥作用.孙藜等[59]对藜科10个属的12种盐生植物的超氧化物歧化酶(SOD)进行了活性测定，表明12种供试盐生植物的SOD活性均较高.但也有研究表明，盐碱胁迫对一年生盐生植物抗氧化酶活性的影响不大.杨发荣等[60]用不同浓度的NaCl溶液处理藜麦幼苗时发现，其超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物抗坏血酸酶(APX)活性随盐浓度的增大而表现为先升高后降低的趋势，且在300 mmol /L盐浓度下达到最大值.

2.6 植物形态及生物量

植物对盐、碱胁迫最直接的表观响应为株高、茎粗等外部形态变小，叶片出现盐斑或黄化，叶面积变小，严重时甚至导致植物枯萎、死亡[61].麻莹等[62]的研究结果显示，当受到盐碱胁迫时地肤的干鲜质量和日相对生长率均显著下降.王雷等[63]研究了异子蓬在高、中、低3种盐分胁迫下的生物量表现，随着盐分含量的增加，异子蓬生物量先升高后降低，在中盐处理下的生物量最高.

3 一年生植物的耐盐碱机制

3.1 形态学特征

一年生植物为了适应盐碱环境长期的自然选择，其形态学结构发生了可遗传的改变，主要表现在轴器官中普遍存在异常结构，通气道或通气组织发达，外皮层栓质化或凯氏带加厚等[64-66]；叶片多为等面叶，表面具毛，气孔下陷，叶片肉质化且角质膜增厚，栅栏组织发达；部分植物的叶片退化成鳞片状，而由同化枝执行光合功能；叶片和同化枝内部具有粘液细胞和含晶细胞；贮水组织、盐腺或囊泡发达；髓部细胞所占比例较大，髓腔较小[67-72].还有研究发现，严重的盐碱胁迫会导致植物超微结构的改变，主要变现在基粒片层结构损坏，被膜破损或消失，叶绿体解体，类囊体膨大且排列紊乱等[73-74].

3.2 生理机理

3.2.1 渗透调节 盐碱胁迫条件下，由于植物细胞外水势明显低于细胞内水势，造成植物细胞内水分失衡.植物细胞不仅通过从外界环境中吸收大量的无机离子，而且通过自身合成有机小分子物质来进行渗透调节，从而降低细胞水势，保证自身正常的生理活动[75]，其主要方式有无机渗透调节和有机渗透调节[76].无机渗透调节主要依靠Na+、K+、Ca2+、Cl-、SO42-、NO3-来进行.植物质膜和液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白负责转运上述无机离子,在一年生植物抗盐碱方面发挥了关键作用[77]；细胞膜和液泡膜上的H+-ATPases给Na+/H+逆向转运蛋白运输无机离子提供能量，从而保证细胞质中低Na+和高K+/Na+水平，维持细胞内环境的稳态[78].有机渗透调节物质主要有脯氨酸(proline)、甜菜碱(betaine)、可溶性糖(soluble sugar)和可溶性蛋白(soluble protein).脯氨酸是一种极易溶于水的氨基酸，在植物渗透调节中发挥着重要作用，当植物遭受逆境胁迫时，其含量会急剧升高[79-80].脯氨酸的积累究竟是盐胁迫引起植物伤害的征兆还是植物耐盐的原因，在学术界仍存在很大争议[81-82].甜菜碱是一类季铵化合物，是对植物细胞起到无毒渗透保护作用的主要次生代谢物之一，对三羧酸循环、光呼吸和末端氧化酶有很好的保护效应[83].

研究表明，盐碱胁迫会导致禾本科和藜科一年生植物体内甜菜碱的积累[84].除了直接保护作用外，甜菜碱还能诱导特定基因的表达，从而起到间接的保护作用，已有的研究从滨藜中克隆到了与甘氨酸甜碱生物合成有关的胆碱单加氧酶(CMO)、磷酸乙醇胺N-甲基转移酶(PEAMT)和S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)基因[85].可溶性糖的大量积累可以抵抗渗透胁迫，此外，作为合成其他有机溶质的碳架和能量来源，可溶性糖对维持细胞膜结构起到重要作用[86].盐、碱胁迫处理下，碱地肤、碱蓬的可溶性糖含量均显著上升，且碱胁迫下可溶性糖含量积累明显高于盐胁迫[87-88].另有研究表明，植物体在胁迫条件下大量积累可溶性糖会产生一种反馈抑制，即有可能会通过减少二氧化碳的同化速率而影响植物的光合作用[89].周婵等[90]研究表明，在不同浓度的NaCl和Na2CO3胁迫条件下，两种羊草的可溶性蛋白含量均表现为先升高后降低的趋势，但两种羊草可溶性蛋白含量最大值对应的盐胁迫浓度有差异.杨发荣等[60]研究表明，藜麦可溶性蛋白含量随胁迫盐溶液浓度的增大先升高后降低，而可溶性糖、脯氨酸含量显著升高.韩占江等[91]在硬枝碱蓬幼苗上的研究表明，随着NaCl浓度升高，其脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量呈增加的趋势.在盐碱胁迫条件下，碱菀可溶性蛋白含量随着胁迫时间延长和盐碱浓度的增大呈现先上升后下降的变化，而脯氨酸含量则持续增加[92].

3.2.2 光合作用途径 植物的光合作用途径会受环境条件的影响而发生特定的变化[93]，某些一年生盐生植物在盐胁迫条件下,可以通过改变光合途径来适应盐碱胁迫环境.一年生盐生植物獐毛和滨藜在盐碱胁迫条件下，其代谢途径可由C3途径改变为C4途径，从而增强了光合作用[94]；一年生盐生植物冰叶日中花在低盐胁迫下进行C3途径,如果外界盐度持续增大，其光合途径会转向景天酸代谢(CAM)途径[95].一年生盐生植物滨藜，在盐胁迫下其光合途径可以从C3转变成C4光合途径[96].这种转变的机理主要是通过Cl-活化了细胞中的PEP羧化酶，进而抑制RuBP羧化酶来实现的[97].

3.2.3 离子区域化 离子区域化是植物重要的耐盐碱机理之一.任何植物都不能忍受由于盐碱胁迫而导致大量无机离子存在于细胞质中的离子失衡状态，植物要想继续正常的生长发育就必须恢复细胞内环境的稳态.盐碱生境里的植物通过将多余的盐分限定在液泡里，或将盐分离子分散区隔到不同的组织里，借此维持细胞正常的代谢功能[98-99].植物为了使胞质内的Na+保持在非毒性水平，会将Na+区隔化入液泡中，这一过程是由Na+/H+反向运输体完成的，液泡膜上的两种H+泵( H+-ATPase 和H+-PPase) 为其提供能量[100].H+-ATPase 是大多数植物主要的H+泵，它为次级运输提供能量并且能够维持离子的动态平衡，H+-PPase则起次要作用[101].近年来，研究人员已经克隆到的一年生盐生植物液泡Na+/H+逆向转运蛋白、H+-ATPase 和H+-PPase基因有AgNHX1、SsNHX1、SsVP、SeNHX1、KfNHX、HcNHX、CgNHX和CgVP1等[102-104].

3.2.4 信号转导机制 植物受到盐碱胁迫时已发现的信号转导通路主要有SOS途径、MAP激酶信号转导途径、钙神经元(CAN)途径、ABA依赖途径等.渗透胁迫产生时，植物的根系细胞最先感应并开始大量合成ABA，ABA激活编码Na+/H+逆向转运子(AtNHX1)和其他离子转运基因的转录[105].盐碱胁迫下，高Na+首先引起细胞内第二信使Ca2+浓度增加，Ca2+的吸收增量同样与ABA 的升高相关[106].到目前为止，人们在植物中只鉴定出3类Ca2+受体，它们是钙调素、CDPKs和CBLs，这3类Ca2+感受体都参与了盐胁迫信号转导[107-108].

4 展望

一年生盐生植物作为一类植物生态学研究的模式植物或潜在模式植物，已有的研究虽然在其对盐碱胁迫的响应及耐盐碱机理上取得了一定的成果，但是所得出的结论有所差异并在科学认识上还存在局限性.为进一步研究一年生盐生植物的生境适应机理，需加强以下方面的工作.

1) 加强一年生盐生植物功能性状的系统研究.植物功能性状是植物的核心属性，其变化幅度和数量特征能够反映植物对环境变化的适应程度.目前，关于一年生盐生植物功能性状在干旱区盐碱地生态系统功能中的作用、变化规律及相应机理的研究非常有限.在未来的研究中，应加强个体-群落-生态系统层面上对一年生盐生植物功能性状的系统研究，进一步明确植物功能性状对一年生盐生植物生境适应性的生态价值.

2) 在细胞和亚细胞水平上开展一年生盐生植物耐盐碱机理的研究.当前，在细胞和亚细胞水平上对一年生盐生植物耐盐碱机理的研究非常有限，所得出的结论也不尽相同.细胞是生命体最小的结构单元，细胞和亚细胞水平上的生命机理可以真实地反映个体水平上的生命表现.在今后对一年生盐生植物耐盐碱机理的研究，应综合运用细胞生物学、生物化学与分子生物学及基因工程的理论与方法，着力在细胞和亚细胞水平上开展离子转运、信号传导、代谢方式、功能基因等方面的系统研究并寻求突破.

3) 寻求一年生盐生植物的抗性表现在作物改良中运用的方法和途径.一年生盐生植物在和生存环境长期选择与被选择的进化过程中，形成了许多基于遗传因素，但表现在形态结构和生理特征上的适应策略.人类目前种植的粮食作物和经济作物绝大多数为一年生植物，并和众多一年生盐生植物同属一个科或亲缘相近(如禾本科植物).因此，探索将一年生盐生植物优良抗性表现运用于作物改良中，将为作物种质创新提供新的思路与可能.