植物根系应答盐碱胁迫机理研究进展

毛 爽，周万里，杨 帆，狄小琳，蔺吉祥，杨青杰，*

(东北林业大学 a.生命科学学院/东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室； b.园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

全球范围内盐碱地面积约为9.54亿hm2，中国盐碱地面积达到了9 913万hm2[1]。近年来，温室效应不断诱发气候变暖，由此引发的土壤干旱也加剧了盐碱化程度。盐碱土壤是制约植物生长发育的主要非生物胁迫因子，会对植物产生诸多不利影响，包括渗透胁迫、离子毒害、氧化胁迫等，碱性盐独具的高pH还会对植物细胞造成更严重的伤害[2]。植物在受到盐碱胁迫毒害初期，由于土壤溶液渗透势大于根系细胞液渗透势，从而造成细胞失水、渗透势降低，使植物根系吸水困难，而植物也可以通过改变自身的代谢活动，积累渗透调节物质来维持细胞膨压，或者平衡叶片蒸腾失水与根系吸收水分来适应盐碱胁迫。随着胁迫程度的加剧，植物会受到离子毒害作用，营养物质吸收利用受阻，进而生长发育进程减缓，而此时植物会一定程度上通过调节体内离子与营养平衡等积极响应胁迫伤害[3]。

根是植物主要的营养器官，根系具有从土壤中吸收并运输水分、无机盐和矿物质，以及合成多种有机化合物等多种功能[4]；根系能感知周围环境变化，并与植物的地上部分相互作用、共同协调，使其能够在逆境中正常生长发育。面对盐碱胁迫时，根系是最先感知并作出适应性调整的器官[5]。盐碱胁迫会使植物根系构型发生改变，根系生物量降低，细胞结构发生变化，此时根系也会通过调节体内离子、渗透物质、抗氧化酶、内源激素等，并在分子层面做出改变，尽可能维持植物的正常生长。因此，在挖掘植物应答逆境机理过程中，根系的功能与适应策略一直是广大学者关注的热点。目前，关于植物根系如何响应干旱胁迫、养分胁迫和重金属胁迫的报道较多[6-8]，而对其响应盐碱胁迫机理的报道还并不全面、深入。基于此，本文从根系构型、细胞结构、生理生化和分子响应几个方面对植物根系应答盐碱胁迫机理的国内外研究进行归纳与总结，以期为深入挖掘植物耐盐碱机理、新品种的选育与改良等问题提供理论依据。

1 植物根系构型与超微结构应答盐碱胁迫机理

1.1 根系构型

根系是植物在土壤中受到盐碱胁迫的最直接部位，因此根系构型的改变极具代表性。根系构型即植物根系在其生长介质中的生长与分布状态，它可以一定程度上改变植物对土壤中养分和水分的吸收，并对其生长发育、生理形态稳定性，以及应答逆境胁迫具有重要影响。

当植物受到不同程度盐碱胁迫时，根系构型也会随之改变。盐碱胁迫会使植物根长、根表面积、根体积、根平均直径等诸多参数降低。陈方圆等[9]研究表明，随着盐浓度的增加，菰(Zizanialatifolia)的根茎长、根长等形态参数均受到抑制，盐分对菰根系的抑制也影响了养分和气体的吸收与运输，限制了叶片光合作用，进而阻碍了生物量的积累。盐胁迫使水稻根长、根表面积、根体积均显著下降，且随盐浓度增加下降幅度不断增大[10]。碱胁迫也会使大豆[Glycinemax(Linn.) Merr.]幼苗总根长、根表面积、根体积、根平均直径均显著降低[11]。也有研究表明，水稻(OryzasativaL.)幼苗的根数量和根长在盐、碱胁迫下均受到显著影响，相对于盐胁迫，水稻对碱胁迫更为敏感[12]。在盐处理下，羊草[Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.]根系直径与体积减小，根系长度与面积却显著增大，在碱处理下，羊草根系直径、长度、面积与体积均显著减少，根部生长受到严重抑制[13]。随着土壤pH值升高或NaCl浓度增加，花生的总根长、根表面积均逐渐降低[14]。杨慧[15]以菊芋(HelianthustuberosusL.)为试验材料，发现土壤含盐量在0.10%～0.18%时，根系生长几乎没有受到抑制；而当土壤含盐量超过0.20%时，根系生长受到明显抑制作用。另外，对于耐盐植物往往会出现低浓度促进、高浓度抑制的现象。Zhao等[16]和Zolla等[17]研究发现，盐胁迫抑制拟南芥侧根的形成，而轻度盐胁迫则刺激侧根和不定根的形成。低浓度盐胁迫(50、100 mmol·L-1NaCl)可以促进线辣椒幼苗根系的生长，150 mmol·L-1和更高浓度盐胁迫则对根系的生长具有明显抑制作用，且随着盐浓度的升高，根系颜色会从乳白色逐步变为褐色[18]。

不同盐碱类型对植物根系构型的影响也有所差异。岳小红等[19]通过不同类型盐分胁迫处理啤酒大麦幼苗时发现，在混合钠盐胁迫下啤酒大麦根长降低显著，但根表面积和体积有所增加，尤其在混合氯盐胁迫下，根表面积和体积分别增加了41.76%和84.38%。低浓度中性盐(NaCl∶Na2SO4，1∶1)和碱性盐(NaCl∶NaHCO3，1∶1)胁迫使不同耐盐品种海岛棉(GossypiumbarbadenseL)细根(0～0.5 mm)根长、表面积和体积均有不同程度的增加，而对中根(0.5～2.0 mm)和粗根(>2.0 mm)则无显著抑制效应；中性盐和碱性盐胁迫均显著降低海岛棉根系总长度、总表面积和总体积，但碱性盐对根系总长度的影响更大，碱性盐主要通过抑制细根的伸长来降低根系总长度[20]。一般来说，土壤中水分和盐分的分布会与细根的分布相互影响[21]，细根主要功能是吸收营养，而粗根主要功能是运输；植物为了降低盐分积累会将更多的资源分配至中、细根以此减轻盐胁迫对根系生长的抑制作用，一定程度增强根系的觅养能力，提高其对逆境胁迫的生理适应性[22]。可见，在盐胁迫下植物可以通过调节不同径级根系生长来适应盐胁迫伤害。Rahnama等[23]探究盐碱胁迫对不同品种面包小麦根系影响时发现，盐浓度降低了小麦根系的相对生长速率、种子根长和总根长、根尖到第一侧根的距离，但增加了总分枝数，与耐盐品种相比，盐敏感品种因盐分导致的生长受抑制程度更高。

1.2 细胞结构

通常来说，植物所生活的环境会一定程度决定其形态结构，反之，植物同样能利用不同的结构去适应生态环境，这也是植物对特殊生境的演化适应。盐碱胁迫不仅会使根系外部构型发生改变，根内细胞的显微结构也会发生变化，如根冠、伸长区、成熟区，以及最活跃的分生区都会受到不同程度的影响，与内皮细胞相关的凯氏带也会发生变化，阻碍水分吸收并抑制溶质进入根尖中的内皮层。

现有研究已发掘多种植物通过改变根系微观结构来适应盐碱胁迫的途径。如植物通过内皮层变厚来抵御盐碱胁迫的离子毒害，根部变为双层或3层皮层结构拒绝吸收有害离子[24]，根外皮层细胞壁加厚和内皮层木栓化等，这些变化都可一定程度抵御盐胁迫离子毒害[25]。在盐碱胁迫下，内皮层外围细胞壁木栓化可以增强根对离子的选择性运输，根系有阻止盐分进入输导组织的功能。万长贵等[26]推测行使这一功能的部位可能在内皮层附近。此外，植物根系还可以通过增厚表皮细胞的细胞壁来抵御盐胁迫，增厚表皮细胞壁有利于减少细胞内水分的散失，同时降低盐胁迫对根内组织的伤害[27]。高盐碱胁迫下细胞壁变厚，半纤维素和纤维素含量增加，或减少细胞分裂和伸长，会不利于根细胞的伸长[28]；但低盐胁迫能够增加根可溶性糖和果胶含量，促进根细胞生长。姜伟等[29]发现，盐胁迫加速了根尖初生结构和次生结构的分化，使木质部导管数和直径增加，以此提高根系对养分和水分的吸收与运输能力。苜蓿(MedicagosativaLinn)在盐碱胁迫下周皮细胞组织排列更紧密，会进一步阻止盐碱离子进入输导组织[30]。

盐碱胁迫不仅会使植物根的解剖结构发生改变，根细胞内部的细胞器也会发生相应变化。盐碱胁迫使根尖细胞结构异常，如个别大液泡消失、细胞质紊乱、内质网结构松散膨胀并最终解体、内含物减少等[31]。在盐碱胁迫下，线粒体的变化与植物自身抗逆性紧密相关。线粒体是细胞中较不敏感的细胞器，甚至有许多研究表明，在盐胁迫下线粒体数量会增加，形成一个庞大的能量供应体系，以抵抗胁迫对植物的伤害。另外，盐碱胁迫还会使根内线粒体H2O2和丙二醛(MDA)含量增加，线粒体膜通透性明显变大，流动性降低，膜电位、膜H+-ATPase活性显著下降，从而抑制根系的生长[32]。

另外，有研究发现利用同一浓度中性盐和碱性盐处理烟草根尖表皮细胞，中性盐胁迫下液泡膜、内质网膜清晰可见，线粒体完整，细胞核浓密；而碱性盐胁迫下液泡膜、内质网膜、细胞核膜都难以分清，线粒体增多且线粒体脊消失，细胞质多处裂解。上述结果说明碱性盐胁迫对植物根尖细胞损害更大，细胞内膜系统破坏严重，结构混乱，存在明显的裂解区域[33]。一般来说，盐生植物为适应高盐环境，会形成离子区室化，即将过量有害离子拦截在根、茎基部等薄壁细胞的液泡中央，阻止Na+向叶片运输。NaHCO3胁迫下星星草(Puccinelliatenuiflora)根中Ca2+亚细胞定位和Ca2+-ATPase活性变化在其响应胁迫的信号传递过程中具有重要作用[34]。

2 植物根系生长应答盐碱胁迫机理

生物量配置模式的自我调节是植物适应盐胁迫的重要可塑性机制[35]。植物在幼苗期叶面积较小，光合产物少，根系负责大部分的营养物质吸收与传递，而根系生物量对这一运输过程起着至关重要的作用。盐碱胁迫会使植物根系生物量降低，且胁迫浓度越大，根系生物量降低幅度越大；但也有植物根系生物量存在低浓度胁迫促进、高浓度抑制的情况。低浓度盐胁迫(50 mmol·L-1NaCl)可以促进线辣椒幼苗根系干重的增加，当盐胁迫浓度升高(100 mmol·L-1NaCl)，线辣椒幼苗根系干重则降低[18]。不同盐处理对水稻根系影响程度不同，水稻根系生物量随着土层深度的增加逐渐减少，每个区段的根系生物量均表现为Na2CO3胁迫处理低于NaCl胁迫处理[36]，这主要是由于碱胁迫的高pH会造成根围矿质营养和氧气供应能力严重破坏，细胞壁损伤，并导致植物细胞内离子平衡，正常的代谢被破坏，而此时根系往往会积累大量有机酸(苹果酸、柠檬酸、琥珀酸和草酸等)，以维持体内正常的离子与渗透平衡[37]。

盐碱胁迫不仅影响根系生长与形态，还会改变植株各个器官的生长进程，尤其是根冠比。盐胁迫使水稻、小麦、海岛棉幼苗根干重、根冠比均不同程度下降[10，38-39]。根冠结构比例协调与否直接关系到植物对土壤资源的利用效率[40]。盐胁迫下根冠比降低，植物会通过增加地上生物量并降低地下生物量在一定程度上减少根系与盐碱土壤接触，从而规避盐碱胁迫伤害。另一方面，根系生物量减少从而将节约的能量供给地上部分，也一定程度增加了光合产物，提高植物自身的抗性。刘良全[41]研究表明，低浓度盐胁迫可以使小麦幼苗的根冠比升高，并通过提高自身物质含量或活性来增强抗盐性。因此，盐胁迫导致的地上生物量减少未必会引起地下生物量的降低，植物会通过某些途径增加地下生物量，从而降低盐碱胁迫对自身的伤害。另外，植物根系的生长发育状况和活力对植物的耐盐能力也至关重要。根系活力是指植物根系生理机能的活动能力。盐碱胁迫会使植物根系活力降低[42]，但低盐胁迫会增加小麦(TriticumaestivumL.)根系活力[41]。刘少华等[43]也在水稻幼苗上得出相似结果，说明低盐胁迫可促进活性物质活性从而提高抗盐性。邵长安[44]发现，燕麦在盐胁迫下根系活力显著提高，碱胁迫下根系活力显著下降，也再次论证了碱胁迫的危害大于盐胁迫。

3 植物根系应答盐碱胁迫的生理学机制

3.1 渗透调节与抗氧化酶调节机制

当植物体内盐分积累过多时，细胞液渗透压增加，细胞质黏滞性提高，从而影响细胞扩张，限制根系的生长[33]。根系应答盐碱胁迫时通过自身的渗透调节形成第一道屏障，渗透调节可以使植物生长在逆境下的细胞活性溶质增大、细胞浓度升高，进而使渗透势降低，植株吸水能力提高。其中，渗透调节物质主要有两大类，一类是无机离子，如K+、Cl-和无机酸盐等；第二类是脯氨酸、可溶性糖和有机酸等有机溶质。

已有报道指出，3种不同类型胁迫使辣椒(CapsicumannuumL.)根中的Na+含量有所增加，在盐胁迫下，辣椒根中K+、Ca2+和Mg2+含量均随胁迫次数(共处理3次)增加而下降；在碱处理下，辣椒根中K+、Ca2+、Mg2+含量则逐渐下降；而在盐碱混合胁迫下，辣椒根中K+、Ca2+离子含量也呈逐渐下降趋势，Mg2+在辣椒根部显著积累[45]。另外，复合盐碱胁迫由于高盐度和pH累积效应可以显著抑制棉花(Gossypiumspp)生长和离子吸收，制约K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+向地上部分转运，并使棉花K+、Na+调控能力下降，导致离子失衡[46]。植物在面对盐碱胁迫时，大量的离子通道蛋白也参与离子的选择性吸收、外排和区室化中，尽可能阻止有害离子的进入以保证植物对于营养的需求，如Na+/H+反向转运体会提高Na+的区室化和增加Na+的外排功能。另外，Yang等[47]研究发现，碱地肤在低浓度盐胁迫下草酸并不积累，而在低浓度碱胁迫下草酸和有机酸均显著积累。在浓度相同的情况下，碱胁迫下有机酸和草酸的浓度比盐胁迫下高。沙棘根部苹果酸和柠檬酸在碱胁迫下的积累较少，乙酸的积累显著增多[48]。碱蓬在200 mmol·L-1盐处理时可溶性糖浓度没有显著变化，盐浓度超过200 mmol·L-1后略有增加。番茄根在盐胁迫时脯氨酸含量会降低[49]。脯氨酸和甜菜碱含量在低浓度胁迫时，盐和碱胁迫对它们的影响相似，而高浓度时碱胁迫下的含量增幅远大于盐胁迫[50]。

盐碱胁迫造成细胞膜的膜脂过氧化，不仅会导致膜透性增加，还是植物体产生活性氧的重要来源[51]。活性氧(reactive oxygen species ， ROS)是植物有氧代谢的副产物，环境胁迫会使植物细胞积累大量的活性氧从而导致细胞内的大分子物质与其他组分受阻，植物的生长和代谢异常。植物体要维持自身的正常代谢就必须清除体内多余的ROS[52]，植物自身存在着活性氧清除系统，如酶清除系统超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase， APX)、过氧化氢酶(catalase， CAT)等。盐碱胁迫会使植物根系中抗氧化酶活性发生变化，CAT对于盐胁迫更加敏感，而SOD、APX和过氧化物酶(Peroxidase， POD)对于高pH更加敏感[33]。盐胁迫下小麦根中H2O2含量先增加后降低，最后与对照持平，SOD和APX活性均在盐胁迫初期快速上升而后显著下降，SOD活性在耐盐性强的小麦品种中显著升高，而APX活性在耐盐性弱的品种中显著升高。冯时等[53]研究表明，NaCl胁迫使草莓质膜透性增高，MDA含量增加，SOD、POD和CAT活性均呈现先增加后降低的趋势。Zhang等[54]研究表明，在盐碱胁迫下小麦对氮的吸收能力更高，从而改善了生理代谢进程，究其原因主要是盐碱胁迫使根中谷氨酰胺合成酶活性增加，从而促进了根中的氮代谢。

3.2 内源激素与代谢调节

植物激素是一种具有信息传递功能的信号物质，在盐碱胁迫下对调节植物生长具有重要的作用。Wen等[55]研究发现，在碱胁迫下苹果幼苗根系脱落酸(abscisic Acid， ABA)、玉米素核苷(trans-Zeatin-riboside， ZR)和赤霉素(gibberellin， GA3)的含量提高，且碱敏感型品种比碱耐受型品种激素含量变化更大，不同品种幼苗在胁迫下吲哚乙酸(3-indoleacetic acid， IAA)含量和构型都与对照有显著差异，故推测根系构型变化可能与激素活性有一定关联，尤其是IAA活性。盐胁迫引起拟南芥根弯曲可能是因为抑制生长素在植物中的运输或减少生长素在植物中的积累[56-57]。刘轩等[58]发现，2种砧木幼苗根尖ABA含量均在碱胁迫下显著增加。另外，萘乙酸(naphthylacetic acid， NAA)处理能够缓解盐胁迫对水稻根系生长的抑制作用，主要是通过抑制盐胁迫下水稻根尖活性氧积累和降低根尖细胞质膜透性来保护根系正常的生理功能[59]。

植物在碱胁迫下会发生由质膜H+-ATP酶主导的H+外排现象。朱丽芳[60]研究表明，在碱胁迫下，富平楸子根系质膜H+-ATP酶为保持细胞内外pH平衡，向细胞外排出H+，导致根际酸化，促进根系对矿物质养分的吸收，从而减缓碱胁迫对植株造成的伤害。植物在盐碱环境中受到离子胁迫、高pH胁迫导致根内电荷pH平衡被破坏，根内代谢也随之改变。郭瑞等[61]研究表明，小麦根系在碱胁迫下糖酵解、细胞膜脂代谢和氨基酸合成受到明显抑制，但三羧酸循环显著增强，表明碱胁迫对碳素合成和储存有明显负效应，降低代谢合成碳骨架和能量，使得清除活性氧能力明显下降；碱胁迫下根外部质子缺乏影响氮素吸收利用，导致氨基酸合成受阻；三羧酸循环增强为生成有机酸类化合物和调控pH平衡提供能量，这可能是植物适应碱胁迫的一种特殊应对策略。

4 植物根系应答盐碱胁迫的分子调节机制

植物根系在盐碱胁迫下会产生相应的上调基因、下调基因，以及相关的调控转运蛋白，使根系在微观层面上同样具有一定的盐碱适应策略。如在分子水平上，一些基因可以参与根系响应盐碱胁迫过程Na+、K+或Ca2+的转运，Fan等[62]利用转录组学技术研究大豆(Glycinemax)根系在盐、碱和干旱胁迫下的基因表达情况，发现有1 822个基因可以上调表达，并且这些基因在核酸信号通路和Ca2+信号通路的表达均为上调。另外，植物根系在盐碱胁迫下会产生氨基酸和糖类等诸多渗透调节物质来保持细胞内渗透压的平衡，维持细胞内环境的稳定，这一过程也会使一些渗透表达基因上调，如P5CS基因、甜菜碱醛脱氢酶基因等[63]。Kobayashi等[64]发现，小麦在响应非生物胁迫中产生的HvABI5同源基因和bZIP转录因子可在糖信号和渗透胁迫下上调表达。植物在盐碱胁迫中表达的差异基因会随着时间的延长而增加，并且上调基因和下调基因各占约50%。洪茵恬等[18]以耐盐品种和盐敏感品种的线辣椒为材料，用不同浓度的NaCl溶液进行处理，在胁迫3 h、6 h和12 h后，2个品种均有11个基因差异表达，其中，9个基因上调表达，2个基因下调表达，并且参与了谷胱甘肽代谢、脂肪酸代谢等途径，使其有较高的抗氧化系统外，还有一定的修复作用[15]。

植物根系并不依靠某一个基因来应答盐碱胁迫，而是由多个基因(如抗逆基因、离子转运蛋白基因和渗透保护物质的相关基因等)共同表达来抵御盐碱胁迫，这些基因会通过不同的代谢途径一定程度上提高植物的耐盐碱性，所以当植物根系内耐盐碱基因表达上调时，为了达到平衡，会使正常基因下调表达，导致植物根系耐盐碱能力提高，但是在吸收营养、抗病等方面就会有所下降。Duanmu等[65]通过RNA测序对碱胁迫下野大豆(Glycinegracilis)根进行了转录组分析，选择MYB、WRKY、NAC、bZIP、C2H2、HB、TIFY家族的t12转录因子和12个氧化还原相关基因进行分析，结果显示，除了转录调节和氧化还原，这些基因还参与了多种生理过程，如结合反应和应激反应，并且野大豆的根系可以依赖特定的转录因子和氧化还原相关基因来抵御盐碱胁迫；除了这些转录因子外，越来越多的转运蛋白(如SGF14c蛋白、GmbZIP110蛋白和GsSKP21蛋白等)也在大豆中具有耐盐碱功能，如半胱氨酸蛋白酶抑制剂GsCPI14与钙/钙调素结合的受体样蛋白激酶GsCBRLK相互作用也可以帮助大豆抵御盐碱胁迫。由此可见，植物根系会通过对耐盐碱基因选择性表达，来产生一些抗盐碱的相关蛋白进而保护根系的正常生理功能。李慧卿等[66]从突变体和超量表达角度探究大豆中GmSnRK1.1和GmSnRK1.2对碱胁迫的响应，发现在含 50 mmol·L-1NaHCO3的培养基中基因敲除型毛状根长势受到明显抑制，而超表达型毛状根则能够提高植物其对碱胁迫的耐性，由此初步确定GmSnRK1.1和GmSnRK1.2在大豆耐碱机制中发挥着重要作用。小麦渐渗系新品系SR4具有较强的耐碱能力，利用第二代转录组测序技术分析SR4根系碱胁迫应答基因，发现在SR4根中受碱胁迫诱导上调表达的基因TaNTL5、TaCCD1、TaStpk-B和TaOMT4均能提高植物对碱胁迫的抗性。将TaNTL5转化拟南芥得到TaNTL5OE，发现碱处理过后，TaNTL5OE体内超氧阴离子含量较Col-0和未处理时高[67]。在碱胁迫处理条件下，TaCCD1可诱导根伸长[68]。TaStpk-B可以通过调控ROS的积累来应对植物所遭受到的碱胁迫；TaOMT4可能使得抗氧化产物活性提升，导致植物体内H2O2含量下降，从而提高碱胁迫耐受性[69]。

5 展望

随着全球气候变化与土壤盐碱化问题日益严峻，根系应答盐碱胁迫机理可以在以下几个方面深入探索：

(1)深入挖掘植物抗碱过程根系的调节机理。目前国内外已有大量的研究表明，碱性盐由于独具高pH，对植物的伤害更强，但一直以来关于植物、特别是盐生植物根系适应碱胁迫伤害的深层次机理还不明确，今后的研究应寻找耐碱模式植物，利用生理学、现代分子生物学技术与当前热点的“组学”思想，从整体水平深入挖掘植物的耐碱机理。

(2)植物根系表型研究技术不成熟，少有采用先进技术对盐碱胁迫根系响应情况综合的研究。应完善植物根系构型研究手段，使根系生长可视化，便于观察、操作、分析。利用多维度构型研究思想，综合分析根系胁迫应答的机制。

(3)加强根系与地上互作的研究，通过解析根系应答胁迫的深层次机理，通过关联分析等进一步探讨根系与地上叶片互作的信号传递与分子机理，进而更好地阐明植株抗逆机理。

(4)重视根系分泌物与根际重要土壤微生物的功能研究。以根际为研究核心，分析盐碱胁迫特别是碱胁迫下根系分泌物的成分、功能，并从代谢的角度分析植物胁迫应答机制，挖掘土壤有益微生物，以及与根系关系密切的如丛枝菌根真菌的生理功能，不局限于单纯的研究根系，进而多角度协同分析植物根系的盐碱胁迫应答机理。