植物对盐碱胁迫的适应机理研究进展

许盼云，吴玉霞，何天明

(新疆农业大学 林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

土壤盐碱化是阻碍全球作物生长和生产力的主要非生物限制因素，对生物圈及生态结构造成的有害影响很大[1]。据不完全统计，全球约10亿ha的土壤受到盐类的严重影响，这些盐类严重阻碍了作物的生长，特别是在干旱和半干旱地区，并且这种情况正在恶化[2-3]。目前中国盐碱地面积位居世界第三，盐碱化土壤约有9.87×108hm2，占世界盐碱地面积的10%左右[4]。一直以来，国内外有关盐碱地的改良及治理的研究有很多，在工程措施、农艺措施、生物措施和化学措施等盐碱化土壤改良利用理论与技术方面取得很多成果。生物改良措施中通过培育和种植耐盐碱植物，提高植物的耐盐碱能力，从而缓解盐碱地对植物产生的影响，具有一定的生态和经济效益[5]。然而，清楚阐释植物的耐盐碱机制是培育耐盐碱植物品种的关键。因此，了解植物对盐碱胁迫的适应机理，研究盐碱胁迫下植物的生理生化机制，对于众多科研工作者今后探讨盐碱胁迫作用机理及提高植物的耐盐碱性具有重要意义。

1 盐碱胁迫对植物的危害

高盐不仅限制植物的生长、生物量、产量、光合作用和水分利用效率，而且还造成植物生理干旱和离子毒害，从而降低了农业生产力和产量[6]。盐碱胁迫对植物造成的危害既包括盐胁迫引起的渗透效应、离子失衡、水分缺乏、营养缺乏，最终导致植物氧化胁迫，除此之外，还包括由于碱性盐的存在引起的高pH胁迫[7]。在盐碱胁迫下，植物细胞内伴随着以自由基或非自由基形式存在的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)产生，过量的ROS产生会导致细胞蛋白质、脂类、核酸和质膜的氧化损伤；除了高ROS产生外，还显著降低植物对磷、钾的吸收，增加对Na+、Cl-等有毒离子的吸收，对植物的生长和生产力产生负面影响[8]。Sairam等[9]研究表明盐胁迫会降低谷物的相对含水量、叶绿素含量、类胡萝卜素、生物量和产量。

2 盐碱胁迫对植物的影响

2.1 对植物种子萌发的影响

植物种子在萌发阶段对盐分比较敏感，受盐分多方面的影响。在高浓度盐环境下，种子萌发主要受到渗透胁迫和离子毒害的作用，碱胁迫下还受到高pH的影响[10]。由于种子在萌发期间需要吸收大量的水分，环境中高浓度盐分会使种子吸水缓慢或抑制其对水分的吸收，从而减弱种子的发芽潜力；并且大量有害盐离子随水进入植物细胞内积累，引发离子毒害，从而毒害胚的发育、改变核酸代谢酶的活性、干扰种子内部各种生理生化过程[11]。研究表明，根据盐浓度的不同，种子的萌发情况呈低促高抑现象[12-13]。Kaveh等[14]研究表明盐度和发芽率之间存在显著的负相关，导致发芽延迟和发芽率降低。当盐浓度过高时，种子萌发完全受阻[15]。

2.2 对植物生长的影响

混合盐碱胁迫下，植物体整个生长过程都受到影响，导致植物发育缓慢，组织与器官的生长和分化受到抑制，营养期与开花期缩短，发育进程提前[16]。盐碱胁迫对植物的抑制作用与盐分的组成及其浓度以及植物暴露在盐分环境中的时间长短密切相关。植物的叶面积在盐胁迫初期，叶片增大速率降低，随着胁迫时间延长，植物体中的含盐量增加，叶面积停止增大，此外，根、茎和叶的干鲜重降低[17-18]。盐度能通过抑制小孢子发生、延长雄蕊花丝、加速细胞程序性死亡、促进受精胚胎衰老和胚珠败育来影响生殖发育[19]。李玉明[20]研究表明植株地上部分受到盐碱胁迫的影响大于地下部分，地上部分对盐碱胁迫的敏感性大于根系，使得受混合盐碱胁迫的高粱幼苗地上部分相对生长率和含水量下降幅度显著大于地下部分。对于某些植物而言，低浓度的盐碱胁迫可以促进其生长，耐盐指数呈正态分布，表现出低促高抑的效应[21]。红柳(Salicorniarubra)的鲜重和干重随盐浓度的增加而增加，在200 mM NaCl下生长最佳，之后随着盐浓度增加植株的生长量呈下降趋势[22]。

2.3 对植物生理代谢的影响

植物在盐碱环境中，由于土壤中含有较多的盐离子，使得土壤渗透势下降，而植物细胞的渗透势相对较高，造成细胞内渗透势高于胞外，引起植物根系吸水困难，水分利用不足，从而对植物产生渗透胁迫，造成生理干旱，植物萎蔫，严重时死亡[23]。随着Na+、Cl-等盐离子进入植物细胞，打破了植物体内的离子动态平衡，直接对植物造成离子胁迫[24]。大量无机离子进入植物体后，当超过植物自身调节能力时，这些离子会干扰植物正常的生理代谢，对植物造成伤害，与此同时，还会抑制根系对矿物质营养的吸收，从而造成植物营养缺乏[23]。外界高浓度的Na+会抑制根系对K+的吸收，造成K+匮缺，从而导致依赖于K+的生理生化反应不能正常进行[25]；而且Na+与Ca2+会竞争质膜及细胞内膜上的离子位点，破坏膜结构的完整性和膜功能[26]。植物体的生理代谢伴随着ROS的产生，正常情况下，ROS的产生与清除处于一种动态平衡，植物体会通过自身抗氧化系统中的抗氧化剂和还原性物质来清除ROS[23]。盐胁迫下植物细胞内Na+和Cl-积累过量，平衡被打破，ROS的浓度增加，由于ROS具有强氧化性，会伤害膜蛋白和膜脂，破坏植物细胞的结构和功能，还破坏蛋白质、生物大分子、酶系统，以及引起脱脂作用、蛋白降解和膜脂过氧化等反应[16]，反应过程中伴随膜脂过氧化产物丙二醛(Malondialdehyde,MDA)的产生，其含量可以反应出植物细胞膜受伤害的程度[27]。

2.4 对细胞膜的影响

植物受到盐碱胁迫后，首先细胞膜受到伤害。一方面，由于土壤中盐离子含量较多，导致土壤渗透势下降，而植物细胞的渗透势相对较高，从而对植物的膜系统产生渗透胁迫；另一方面，植物吸收大量盐离子后对细胞造成离子毒害[28]。高盐会使细胞质膜的组分、透性、运输等发生改变，膜的完整性受到破坏，膜的正常功能受损，不能选择性的控制物质进出，导致细胞内大量离子和有机物质外渗，进而使细胞的代谢及其生理功能受到不同程度的破坏[26]。与此同时，细胞内大量积累的ROS，加剧了膜脂过氧化，严重影响细胞膜正常进行生理生化反应[29]。

2.5 对光合作用的影响

光合作用为植物的生长发育等过程提供能量，涉及一系列的酶、中间产物、生理生化机制，并受多种内外因素的调控。光合作用受盐胁迫的影响程度，随盐浓度的增加而增加。盐碱胁迫下，造成光合作用降低的原因很多，主要有以下几个方面：一是气孔的关闭，气孔导度降低，减少了植物体内CO2含量；二是叶绿体基粒的片层结构被破坏，叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量降低[16,30]；三是与光合作用相关的膜结构受到ROS伤害，影响光合色素的合成[26]。盐分不仅会改变类囊体膜的剁叠状态，还会通过细胞内积累的大量Na+和Cl-来降低类囊体膜的组成成分，破坏类囊体膜的光合结构，从而降低植物的光合能力[29]；四是干扰植物正常进行光合碳同化，盐胁迫会降低一些酶的含量和活性，影响碳同化中各种酶促反应，进而降低了植物的光合速率[30]；五是抑制光合产物糖的运输及利用，造成反馈抑制[31]。此外，盐碱胁迫产生的离子毒害和高pH会对植物的光系统II反应中心造成损伤，使光合作用的能量及电子传递和光系统II的光合作用活力被抑制[32]。

2.6 对叶片解剖结构的影响

植物组织和细胞生长在不同的环境下，形态和结构都会发生改变，演化出不同的形态结构来增强对特殊生长环境的适应能力。叶片组织结构对生长环境反应较为敏感，在植物亚显微结构研究中，研究多为叶片表层结构、叶肉细胞中的叶绿体和线粒体等细胞器[33]。随着盐浓度增加，叶片栅栏组织增厚，海绵组织减少，主脉维管束面积逐渐增大[34]。研究表明，辣椒幼苗经盐胁迫14 d后，与对照相比，叶片变薄，栅栏细胞和上表皮细胞显著变小，栅栏组织和海绵组织细胞的间隙变大，排列疏松且不规则；叶肉细胞叶绿体长度变小，宽度变大[35]。盐胁迫还会造成甘薯(IpomoeabatatasLam.)叶片的内质网空泡化，局部膨大；线粒体嵴减少，线粒体变大，高尔基体释放的小泡增多；液泡形成，液泡膜破坏；细胞质和液泡基质的混合物使细胞质变性[36]。

2.7 对内源激素的影响

植物激素如赤霉素(Gibberellins,GA)、脱落酸(Abscisic acid,ABA)、茉莉酸(Jasmonic acid,JA)、水杨酸(Salicylic acid,SA)、油菜素类固醇(Brassinosteroids,BR)、吲哚乙酸(Indole acetic acid,IAA)等通过局部作用或转移到植物内的一个地点，以协调的方式调节植物生长和发育，是调节植物萌发、生长、代谢或其它生理活动的内源性生长调节剂[37-38]。非生物胁迫会影响植物激素的生产和分布，这些激素可能会促进植物特定的保护机制[39]。在逆境环境下，ABA会在植物体内大量积累，尤其是在渗透胁迫和盐胁迫条件下[40]。盐处理过的拟南芥中JA生物合成的激活，表明在盐胁迫下JA诱导的信号转导有所增加[41]。NaCl处理后，小麦根系中IAA水平显著下降[42]。

2.8 对脂质的影响

脂质作为植物体最有效的能量储存来源，它们充当幼嫩的内部器官和激素的绝缘体，并且是大多数细胞膜的结构成分[43]。包括原核生物在内的多种生物在应对各种生理应激反应过程中，脂质发挥重要作用。Wu等[44]分析了盐沼草(Spartinapatens)根质膜上因NaCl胁迫引起的脂质组成变化，发现随着盐度的增加，固醇(包括游离固醇)和磷脂的摩尔百分比降低，但固醇/磷酸脂比值不受NaCl的影响。耐100 mM NaCl的番茄愈伤组织的质膜小泡具有较高的磷脂和固醇含量，较低的磷脂/游离固醇比值和磷脂脂肪酸双键指数[45]。

2.9 对氮代谢的影响

氮代谢是植物体重要的生理过程之一。植物主要以硝酸盐和氨的形式从土壤中吸收氮元素，硝酸盐是高等植物中氮的主要来源，却不能被植物直接吸收利用，需要将其还原。硝酸盐还原成铵后直接参与氨基酸的合成和转化，氨基酸在细胞中合成蛋白质，蛋白质经过加工、修饰等过程，合成植物有机体不可分割的组成部分[46]。而硝酸还原酶(Nitrate reductase，NR)是硝酸盐还原途径中的限速因子。许多植物在盐胁迫下叶片NR活性降低，影响到一系列含氮化合物的代谢，降低了叶片中总氮及DNA和RNA的含量[16,47-48]。植物短时间暴露在盐度下，普通大豆乙炔还原测定的固氮酶活性降低[49]，小花龙舌兰(B.parviflora)叶片NR活性降低、全氮和硝酸盐吸收降低[50]。

3 植物对盐碱胁迫的适应机制

3.1 植物适应盐碱胁迫的生理生化机制

3.1.1 渗透调节

渗透调节是植物适应盐碱胁迫的主要生理机制。高等植物通常采用两种渗透调节方式，一是从外界选择性的吸收和积累大量无机离子来降低胞内的渗透势；二是在细胞内合成许多有机小分子溶质，两种渗透调节方式共同作用，降低细胞质的渗透势，保证植物从外界吸水，缓解渗透胁迫对植物造成的伤害。

K+、Na+、Cl-、Ca2+等无机离子作为渗透调节剂有很多优势。土壤环境中离子数量多，不需要消耗大量物质能量去获取，并且无机离子的渗透调节作用显著，可以在短时间内迅速完成[51]。K+通过维持细胞的渗透平衡，在气孔的关闭中直接发挥作用，还作为许多酶的辅助因子发挥生理功效[52]。不同植物选择性的吸收无机离子，对于盐生植物多选择吸收Na+，对于某些耐盐植物多选择吸收K+[16]。Na+和K+的吸收和转运是植物耐盐性的关键，而Na+/K+是评价植物耐盐性和维持细胞内离子平衡的重要指标[26]。

为了形成液泡中的离子平衡，盐分胁迫会促进细胞质中相容性溶质或渗透液的积累，这是一组低分子量有机化合物，它们在自然界中是极性的或不带电荷的，不干扰正常的生化反应[53-54]。主要包括以下三类：一是含氮化合物；二是多元醇；三是糖和淀粉等碳水化合物。相容性溶质通过促进水的持续流入、稳定蛋白质和细胞结构以及在盐胁迫下清除ROS来提供渗透调节，在细胞中的积累速率由外部的渗透压决定[55]。

3.1.2 离子区域化

离子区域化是指在盐胁迫下，植物通过液泡膜上的两种H+泵即液泡型H+-ATPase(V-ATPase)和液泡型焦磷酸酶(V-PPase)将胞质中的Na+区隔化于液泡内，不仅可以促进细胞吸水、避免盐离子对胞质中的酶和膜等产生毒害作用，而且有助于维持细胞的离子平衡，确保植物内部环境的稳定性以便进行正常的生理生化过程[56-57]。在胁迫期间，植物的存活取决于V-ATPase泵的作用[58]。盐胁迫下，豆角(Vignaunguiculata)幼苗下胚轴的V-ATPase泵活性增加，而V-PPase泵活性在类似条件下受到抑制[59]。在盐生植物碱蓬(Suaedasalsa)中，V-ATPase泵的活性被上调，而V-PPase泵的活性被下调[60]。

3.1.3 提高抗氧化能力

植物受到盐碱胁迫时，组织中的ROS平衡被打破，导致大量超氧阴离子自由基、过氧化氢、单线态氧、羟基自由基等ROS积累。ROS是能破坏质膜和内膜系统的强氧化化合物[61-62]。然而，ROS也作为应激信号来激活超氧化物歧化酶(Superoxide dismutasem,SOD)、过氧化物酶(Peroxidase,POD)、过氧化氢酶(Catalase,CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate peroxidase，APX)等抗氧化酶类，以及抗坏血酸(Ascorbate，AsA)、谷胱甘肽(Glutathione，r-glutamnyl cysteingl+glycine，GSH)、酚类化合物等非酶化合物的产生，以维持正常和应激条件下细胞中ROS的平衡水平[63-64]。SOD、POD、CAT是抗氧化酶系统中最重要的三种酶，当植物受到盐碱胁迫时，首先SOD的活性增强用来消除O2-，其次是POD和CAT发挥作用。研究表明植物体内的抗氧化酶在一定程度上发挥作用，当胁迫强度超过植物的承受能力时，这些酶的活性下降，呈先升后降的趋势[65-66]。

3.1.4 改变光合途径

高等植物的三种碳同化途径分别是C3途径、C4途径和景天酸代谢(Crassulacean acid metabolism,CAM)途径。C4和CAM植物较C3植物能更好地适应干旱、盐渍等不良环境，具有高效的光合速率和水分利用效率，以及更大的抗逆能力[67-68]。同时，C4或CAM代谢是可以诱导的，高浓度Cl-可以活化C3光合途径中的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)，引起PEPCase活性增加，使得C3盐生植物转变为CAM光合途径[68]。在高盐度土壤环境下，C3-CAM兼性植物如冰叶日中花(Mesembryanthemumcrystallinum)为了减少白天呼吸损耗水分，将其光合作用的C3模式转变为CAM模式[69]。耐盐植物中如长滨藜(Atriplexlentiformis)的盐度响应也从C3途径转变为C4途径[70]。

3.1.5 调节植物激素

植物激素通过调节一些生理过程和生化机制来影响植物的耐盐性[71]。ABA在细胞信号调节中的作用已被明确证明，调控许多重要的水盐亏缺反应基因的表达和ABA醛氧化酶的钙依赖性磷酸化途径[8]。ABA通过快速改变保护细胞的离子通量来促进气孔关闭，从而减轻NaCl对光合作用、生长和同化物迁移的抑制作用[50,72]。SA在盐胁迫下可保护植物生长并诱导抗氧化防御系统[73]。耐盐番茄品种的JA含量高于盐敏感品种[74]。

3.2 植物适应盐碱胁迫的分子机制

3.2.1 诱导相关基因的表达

在盐碱胁迫下，高等植物中某些基因的表达虽然被抑制了，但是同时也促进植物中某些应激反应基因的表达，这些基因通过参与代谢反应以及合成不同蛋白质，从而提高植物的耐盐碱性。这些基因主要分为以下四个功能组：一是离子转运蛋白基因；二是渗透调节基因；三是抗氧化基因；四是信号传导基因。调控功能组基因的表达，可以赋予植物耐盐性。细胞质膜Na+/H+逆向转运子编码SOS1，在细胞水平上对Na+流出的调节起重要作用，过度表达SOS1会增加植物的耐盐水平[75-76]。超表达编码合成甘露醇的mtlD和山梨醇的gutD，可增强毛白杨和水稻的耐盐性[77-78]。过表达烟草中RrANR，不仅使原花青素和ABA的积累增加，而且还会通过增加对ROS的清除和ABA信号通路的调节，使烟草对氧化胁迫的耐受性增加[79]。盐碱胁迫下，通过对植物基因表达变化的研究，建立转基因植物，明确基因是如何调控植物应对盐碱胁迫，有助于提高植物耐盐碱性，从而培育耐盐碱品种。

3.2.2 转录因子的调控

转录因子是一种与特定DNA结合的蛋白质序列，控制序列从DNA到信使RNA遗传信息的转录，并负责与植物耐受性和适应性相关的胁迫激活基因的表达。目前许多耐盐转录因子家族MYB、WRKY、bZIP、bHLH等已被证实[80]。Kumari等[81]在盐敏感水稻系IR64和耐盐水稻Pokkali上，鉴定了一组盐敏感基因，包括GST、LEA、V-ATPase、OSAP1锌指蛋白和转录因子HB1B，它们在Pokkali中的表达高于IR64，可能有助于提高Pokkali的耐盐性。编码bHLH中基本的OrbHLH2基因作为转录因子，对盐胁迫信号有积极的调节作用，OrbHLH2在拟南芥中的过表达增强了植物对盐胁迫和渗透胁迫的耐受性[82]。bZIP蛋白调控植物多种生命活动，是植物转录因子家族中最大、最保守的一类，控制应激相关基因以及转录因子MYB44的表达[83-84]。

3.2.3 逆境蛋白质的合成

与易感植物相比，耐性植物中参与胁迫反应的蛋白质的结构和活性发生了变化。因此，蛋白质组分析为基因组和转录组分析提供一个强有力的分子工具。受盐胁迫影响的蛋白质的功能组包括信号传导、能量代谢、碳水化合物以及蛋白质和脂质代谢、渗透调节物和植物激素的代谢、应激相关蛋白、参与次级代谢的酶等[85]。研究表明，植物在盐胁迫下，通过控制水通道蛋白的活性[23]、加强抗氧化酶的上调表达[86]、促进具有保护功能的蛋白质的生物合成[87]等途径来应对胁迫反应。在盐胁迫下，盐芥属(Thellungiella)植物体内参与脯氨酸生物合成相关的酶水平升高，而催化脯氨酸水解的酶水平降低[88]。在中国盐生植物星星草(Puccinelliatenuiflora)中发现了大量的生育酚环化酶，该酶是植物非酶活性氧清除机制中重要化合物α-生育酚生物合成过程中的关键酶[89]。

4 提高植物耐盐碱性的途径

4.1 施用外源物质

施用外源物质后，导致植物体内某些基因表达水平或者酶活性发生变化，影响植物生理代谢过程，从而缓解盐碱胁迫对植物造成的伤害[90-91]。常用的外源物质有ABA、BR、钙、硅等。ABA作为一种细胞信号或应激激素，外源施用可以提高植物耐盐性[40]。BR的应用可增强抗氧化酶的活性和非酶抗氧化化合物的积累[38,92]。外部供应Ca2+能够促进植物细胞体内合成可溶性糖和脯氨酸来缓解盐胁迫带来的渗透胁迫[93]。Soleimannejad等[94]报道硅可能通过增加H+-ATPase活性来降低电解质的渗漏，从而改善质膜活性，这可能有助于Na+的分泌和从敏感组织中排除。此外，外源一氧化氮(NO)可以减轻海滨锦葵(Kosteletzkyavirginica)的盐害，NO不仅影响盐胁迫下海滨锦葵的抗氧化代谢、降低Na+/K+比值作为适应措施，而且影响脯氨酸等渗透调节细胞的积累[95]。

4.2 培育耐盐碱品种

随着生物技术的发展，培育耐盐碱植物品种已经从杂交育种、诱变育种、突变体离体筛选等常规育种方法上升到分子水平[96]。通过改造植物内部基因、利用分子克隆技术克隆耐盐碱基因、利用转基因技术将耐盐碱基因导入到植物体内、调控耐盐碱基因转录因子的表达量等手段，以提高植物的耐盐碱性。拟南芥液泡的焦磷酸酶基因(AVP1)转入到棉花后，不仅使棉花抗旱耐盐碱，还提高了棉花纤维的含量[97]。过度表达SOS途径的基因，拟南芥转基因植物表现出较低的Na+和较高的K+积累，从而具有较高的盐胁迫耐受性[98]。类似地，Martinez-Atienza等[99]报道了水稻(Oryzasativa)的耐盐性与SOS1、SOS2和SOS3的高表达有关，这与它从芽中排除Na+并保持较低的细胞Na+/K+比值有关。此外，将抗性弱的植株嫁接在强的植株上面[100]，在植物上接种真菌菌根也可以提高植物的耐盐碱性[101]。

4.3 抗盐锻炼

利用抗盐锻炼方式来提高植物幼苗的耐盐性，操作简单、可行有效且成本低。播种前用一定浓度的无机、有机外源物溶液浸泡种子，可促进种子萌发和幼苗生长，增强植物耐盐碱性[102]。在盐胁迫下，用氯化钙浸种后的玉米其叶绿素含量、细胞膜透性和根系活力受盐胁迫的影响均小于用水浸种下的[103]；0.004 mmol/L 亚硒酸钠浸种12 h可提高番茄种子的发芽率、发芽指数、活力指数和抗氧化酶系统的活性，降低MDA含量[104]；施加0.025 μmol/L JA可提高棉花种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，提高幼苗的蛋白质含量，降低MDA含量[105]。

5 结论与展望

土壤盐碱化是对农业和环境最严重的威胁之一。盐碱胁迫直接影响植物的光合作用、呼吸、养分同化以及激素失衡等；间接影响植物合成活性氧物质，导致脂质、蛋白质和核酸等大分子被破坏，从而限制农作物的产量。关于植物盐碱胁迫的研究是国内外学者的研究热点。近年来，利用基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学在植物盐胁迫上已取得许多成果[96]，但有关植物在碱胁迫和混合盐碱胁迫方面的研究相对较少，需要科研人员进一步深入探索。而植物耐盐碱性是由多个基因共同调控的结果，转入单个基因只能获得部分抗性。因此，深入挖掘植物的耐盐碱基因，综合分析耐盐碱基因对植物的影响，并对其进行生物学鉴定，明确植物耐盐碱机制，对于提高植物对盐碱环境的适应性具有重大意义。