基于转录组学的植物响应盐胁迫调控机制研究进展

刘 晨，徐浩博，斯钰阳，李亚鹏，郭玉婷，杜长霞

(浙江农林大学 园艺科学学院，浙江省山区农业高效绿色生产协同创新中心，浙江 杭州 311300)

由于不合理灌溉、环境污染等因素，土壤盐渍化日渐严重，盐胁迫已经成为限制植物生长、制约农业产业发展的重要原因之一。植物生长发育过程中，高浓度的盐迫使植物发生渗透胁迫、离子毒害和次级氧化胁迫等，导致植物最终因营养失衡、缺水、能量耗尽而死亡。在长期的自然选择过程中，植物应对盐胁迫时产生了很多复杂的生理和分子机制。当受到盐胁迫时，植物首先在基因水平和转录水平上进行调控，然后通过控制代谢合成进行调节，以应对逆境带来的损伤。前人从代谢组、转录组、蛋白质组等系统研究了植物对盐胁迫的响应机制，转录组学是其中应用最广泛的组学技术。转录组学可以从植物整体转录水平研究基因的转录图谱，揭示植物体中复杂的生物学通路和调控网络分子。从转录组水平上分析植物对盐胁迫响应的研究结果，对研究植物响应盐胁迫的复杂机制具有重要意义。本文介绍了利用转录组学研究植物响应盐胁迫的分子机制，并介绍了植物响应盐胁迫时基因表达的变化，从转录水平上揭示植物的耐盐机制。

1 Ca2+通道信号传导

Ca通道是植物响应盐胁迫的重要信号传导途径之一。在盐胁迫下，Ca可以维持植物的正常生长，也可以作为一种信号分子参与盐胁迫的信号传导。植物受到盐胁迫时，首先通过Ca感受器来调节Ca浓度，然后刺激其他蛋白激酶和自身蛋白激酶的活性，以应对盐胁迫带来的损害。菊花()叶片在盐胁迫12 h和24 h时，编码钙调蛋白样蛋白(calmodulin like protein， CML)和钙依赖性蛋白(calcium dependent protein kinase， CDPK)的基因都显著上调。盐胁迫12 h和24 h后，香蕉()叶片中的编码钙调蛋白(calmodulin，CaM)的基因几乎全部上调，调控CDPK的基因几乎全部下调，调控CML的基因在盐胁迫12 h上调的数量多于盐胁迫24 h，上述这些基因在根系中全部下调。

Ca通过多个通路对盐胁迫进行响应，可以激活其他基因发生作用，进而抵抗盐胁迫带来的损伤。叶片和根系对盐胁迫的响应机制明显不同，同一种植物的不同器官或者不同植物在响应盐胁迫时具有明显差异。植物受到盐胁迫后，其根系的Ca在依靠CDPK中还原型辅酶Ⅱ的作用下产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，启动下游的丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)级联信号通路，从而达到将胁迫信号转化为相应的转录调控反应的目的。MAPK级联可以影响植物气孔闭合与水分控制，通过调节质子泵的活性和Na的转运响应盐胁迫，同时与各种植物激素，特别是脱落酸(abscisic acid，ABA)信号途径共同调节。盐胁迫显著激活了拟南芥()中3、4、6基因和玉米()中3、5基因的表达。菊花叶片21基因在盐胁迫下表达上调，与Ca通路相关基因的表达量相似，可以推测MAPK级联反应受钙信号传导的影响。Ca浓度增加可以被钙调神经磷酸酶B样蛋白(calcineurin，CN)感知并激活MAPK级联分子调节质膜上的Na/H值。

2 渗透调节

植物对盐胁迫响应最主要特性是渗透调节。高盐水平会给植物施加2种胁迫：土壤高渗透压引起的渗透胁迫和溶质不平衡引起的离子失衡。在盐胁迫下，细胞通过对细胞外的离子分隔和选择性吸收来保持细胞内离子的稳定性，具有离子区域化的作用，维持Na/K的相对平衡是其中最为重要的手段之一。其中，主要途径有盐过度敏感途径(salt overly sensitive，SOS)，主要基因有Na/H逆向转运蛋白(Na/Hantiporter，NHX)基因、高亲和性钾转运蛋白(high-affinity K transporter，HKT1)基因、质膜Na/H逆向转运蛋白(membrane Na/Hantiporter，SOS1)基因、K转运蛋白(K transporter，AKT1)基因。盐胁迫1 d，盐生植物滨麦()叶片和根系的2表达均上调表达，根系中表达上调更为明显；盐胁迫5 d，根系中2表达上调幅度较小，叶片中2基因表达持续上调；植物通过根系吸收的Na最终积累在叶片胞质中，随着叶片中Na积累量持续增加，导致基因大量表达。盐胁迫处理后，棉花(spp)中2和1基因在根系和叶片中的表达显著上调，SOS3钙调样蛋白8基因被显著激活，与2有相似作用的类钙调神经磷酸酶B亚基蛋白(calcineurin B-like proteins，CBL)基因的表达上调，棉花2和3的表达量变化说明SOS途径参与植物对盐胁迫的响应机制，2通过CBL有关机制激活NHX并促进Na排出，调节液泡膜Na/H的变化。茄子()在盐胁迫12 h时，耐盐型茄子的SOS1相关基因在叶片中上调，盐敏感型茄子的SOS1相关基因在叶片中下调，有7个与K转运蛋白和K通道(HKT)有关的基因在耐盐型茄子中上调；耐盐型茄子拥有更高的K(叶)/K(根)，耐盐型茄子叶片中的Na/K高于根系，推测K优先被运输到叶片中，叶片中K的积累限制了Na的积累，说明AKT1对维持K/Na的重要性。盐生植物碱地肤()中有12个与K相关的转运蛋白DEGs，在低盐胁迫下有5个，高盐胁迫下有7个，高盐胁迫和低盐胁迫的DEGs不同，其中，NHX和HKT相关基因的表达量在高盐和低盐胁迫下表达量无变化，SOS1相关基因在低盐胁迫下上调，在高盐胁迫下无变化。可以看出，参与低盐胁迫和高盐胁迫的K转运蛋白不同，K转运蛋白根据盐浓度来抵抗盐胁迫，NHX和HKT在地肤抵抗盐胁迫时没有发挥作用，这与甜土植物不同。形态生理研究结合转录组分析表明，野大麦()的高K吸收和Na外排导致其具有较高的耐盐性，且野大麦在长期盐胁迫下可以通过与CBL互作的蛋白(CBL-interacting protein kinase，CIPK)家族成员HbCIPK2协同调控Na/K平衡。

除了离子区隔化外，植物还通过一些小分子物质调节渗透压、保护细胞和组织的渗透平衡，如脯氨酸、可溶性糖和甜菜碱等。在盐胁迫处理下，菊花中合成脯氨酸和甜菜碱的编码基因1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(5)和甜菜碱醛脱氢酶基因()显著上调，合成海藻糖酶的编码基因海藻糖-6-磷酸合成酶基因()表达全都受到抑制。盐胁迫下拟南芥叶片中果糖转运体的编码基因17和16表达上调，说明植物可以通过调节叶片内果糖的含量稳定渗透压。综上，植物中许多DEGs可能直接或间接地影响其抗盐能力，也体现了植物离子转运、渗透调节的复杂性。

3 内源激素合成

植物体内有许多激素参与对盐胁迫的反应，如ABA、乙烯(ethylene，ET)、生长素(auxin，IAA)、赤霉素(gibberellins，GAs)、茉莉酸(jasmonic acid，JA)等。

ABA可以通过多种信号传导网络调节各种生理反应，具有调节水分平衡和抵抗渗透胁迫的作用。在盐胁迫下，内源ABA水平迅速升高，ABA信号激活了蔗糖相关蛋白激酶蔗糖非酵素型蛋白激酶2(sucrose non-fermenting 1-related protein kinase，SnRK)，SnRK2磷酸化各种ABRE结合蛋白转录因子调节气孔闭合。植物蛋白磷酸酶(protein phosphortase 2C， PP2C)作为ABA的负调控因子可以通过抑制SnRK2磷酸化来阻断ABA的反应，当PP2C-PYLL-ABA形成复合物时，磷酸酶的活性受到抑制。盐胁迫下，甜瓜()2基因表达上调；作为ABA受体，PYR/PYL家族基因的表达量降低。白菜()在盐胁迫下基因表达下调，2基因表达上调，推测盐胁迫后，下游SnRK家族激酶的活性被激活，由此引起ABA效应，促进气孔关闭，从而减少盐胁迫对自身的损伤。

ET参与植物对各种逆境胁迫的适应过程，在双子叶植物中ET有三重反应，ET前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)处理的黄化幼苗表现出抑制根和下胚轴伸长生长、促进下胚轴膨胀加粗和胚轴的偏上生长。高浓度盐胁迫下，拟南芥中合成ET的5基因和6基因表达上调，具有应对各种胁迫作用的4基因表达也上调，推测通过ET的积累减少Na从根向茎输送，从而提高耐盐性。在单子叶植物中有双重反应，在水稻()中，乙烯不仅抑制根的生长，而且促进黄化水稻幼苗胚芽鞘的生长。乙烯不敏感突变体在小麦()中表现出更强的耐盐性，盐胁迫下ET不敏感突变体耐盐相关基因的表达水平比野生型高。在拟南芥中，7突变体积累了更多的ABA，这使植物具有更强的抗盐能力。合成ET的基因1和2也可以调节ABA的合成，证明ABA可以与ET相互作用来调节植物的耐盐性。

植物在盐胁迫条件下，组织和器官生长受抑制，营养生长和生殖生长期缩短，自身发育进程加快，这些都需要IAA的参与。根据对拟南芥的研究，转运抑制响应蛋白(transport inhibitor response，TIR1)是合成生长素的重要蛋白质之一，转录抑制子(auxin/indole acetic acid，Aux/IAA)和生长素响应因子(auxin response factor，ARF)两个蛋白家族可以通过相互作用来诱导IAA的产生。高浓度盐胁迫条件下，水稻()24基因和20基因表达上调。盐胁迫下，基因在高粱()根系中表达量下调，在叶片中表达量上调，拟南芥中的基因在盐胁迫下表达下调，说明植物在响应盐胁迫时通过Aux/IAAARF调控下游靶基因的机制非常复杂。盐胁迫下，在旱柳()不定根中的1基因表达量下调，1的同源基因3表达量上调，表明AFB3可能参与生长素的信号传导，同时也揭示出编码不同生长素受体的同源基因参与不同的信号传导途径。在高浓度盐胁迫下，玉米中ABA过度积累，从而改变IAA的分布。由此可以看出，IAA可以与ABA相互作用共同调节。

JA通过调节植物生长发育来参与逆境胁迫。作为关键的抑制子，JA与MYC2等转录因子结合参与茉莉酸酯反应。水稻种子在盐胁迫下经过JA处理后一些与细胞壁代谢相关的基因表达量发生改变，说明盐胁迫下JA对种子根伸长生长的抑制作用主要是通过抑制细胞分裂与伸长来实现的。GA主要调节植物生长、种子萌发与非生物胁迫的耐受性。盐胁迫下燕麦()中合成ABA的相关基因表达上调，合成GA的基因表达下调；栽培蓖麻()和野生蓖麻合成JA同源物的基因和合成ABA的基因显著上调，说明JA和GA可以缓解盐胁迫对细胞造成的伤害，JA可能作为正调控因子提高植物的耐盐性，GA可能作为负调控因子提高植物对盐胁迫的抵抗力，ABA通过抑制GA的信号传导抵抗盐胁迫带来的伤害。

4 光合效率

光合作用是植物产生自身生长发育所需能量的重要过程。高浓度盐胁迫下，野生大麦中编码光系统Ⅱ(photosystemⅡ，PSⅡ)和光系统Ⅰ(photosystemⅠ，PSⅠ)的F型H转运ATP酶亚基和4个铁氧还原蛋白-NADP还原酶基因下调，表明高浓度盐胁迫抑制光合作用。盐胁迫下，沙枣()中8个定位于光捕集蛋白的基因表达显著下调，表明盐胁迫下光能的吸收、转移和分布可能被抑制；8个定位于光合途径的基因表达显著下调，可能会影响电子传递，导致盐胁迫下植物的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)和还原性辅酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)降低。在856 mmol·L盐处理下，活跃于翅碱蓬()PSⅡP680反应中心的D1蛋白和CP43叶绿素载脂蛋白的基因表达量上调，在PSⅡ和PSⅠ中起转移电子作用的质体蓝素的基因表达下调，说明高盐环境增强了PSⅡ的捕光能力，提高了光合速率，大量电子从PSⅡ转移到PSⅠ中，使PSⅠ易受ROS损伤，质体蓝素含量的下调减缓电子传递速度，缓解PSⅠ受到的伤害。高粱在盐胁迫下捕光蛋白复合体LHC相关基因大多下调，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PPC)作为C4植物碳固定过程中的关键酶，其两个同源基因一个上调一个下调；磷酸核糖激酶(osphoribo kinase，PRK)基因表达下调，说明在盐胁迫下高粱以降低光合速率来适应盐胁迫，高盐环境使Rubisco受到抑制，碳固定也受到了影响。在盐胁迫下，C4植物甜菜()叶片中Rubisco激活酶基因表达下调，卡尔文循环酶如转酮醇酶、果糖1，6双磷酸酶和景天庚酮糖1，7-二磷酸酯基因的表达下调，这与前人的研究结果一致，即盐生植物的卡尔文循环水平在盐胁迫下降低。高盐胁迫会降低气孔导度和叶片中CO浓度，细胞间CO浓度过低会导致卡尔文循环活性下降，导致光合作用下降，进而影响生长速率。

5 活性氧清除酶系统

6 次生代谢与细胞壁合成

次生代谢在植物生长发育中起着辅助作用。类黄酮通过苯丙烷代谢途径合成，是具有很强抗氧化性的一类次生代谢产物。在盐胁迫下，野生大麦中参与类黄酮生物合成的相关基因的表达量变化较显著，异黄酮类还原酶基因表达上调，由此可见，类黄酮在植物抵抗盐胁迫时发生重要作用。在盐胁迫下，参与次生代谢合成的苯丙烷代谢途径中，丹参()中的苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase，PAL)基因的表达呈显著下降趋势，通过降低关键酶的活性，降低活性成分前体物质的合成效率，导致苯丙氨酸代谢下降。相比而言，酪氨酸代谢途径中的络氨酸氨基转移酶(tyrosin amino transferase，TAT)基因在参与次生代谢合成中表达量呈平缓的下降趋势。表明在植物响应盐胁迫的过程中，酪氨酸代谢途径没有明显作用，当高浓度盐对植物酪氨酸代谢途径造成损害时，其可以通过自身的保护机制进行调控。

细胞壁作为抵抗外界胁迫的第一个屏障，在植物生长发育和抗逆过程起重要作用。100 mmol·LNaCl胁迫下，玉米中有关细胞壁扩张蛋白(expansin，EXPB)基因(2、6、8基因在盐敏感型玉米品种茎中表达下调，在抗性玉米品种表达上调，可以认为玉米在响应盐胁迫时，叶片中表达量的降低与生物量的降低相互关联。盐胁迫下，甜菜纤维素合成酶和调控细胞壁聚合的FERONIA样蛋白基因表达上调，推测盐胁迫增强了叶片中细胞壁的合成，提高对盐胁迫的抗性。

7 转录因子

转录因子可以在逆境条件下被诱导，其信号传导可以从多个方面减少胁迫对植物的伤害，它们在植物的生长发育中起着极其重要的作用。响应盐胁迫的转录因子家族主要有WRKY、MYB、NAC、AP2/ERF、ERF、Bhlh/HD-ZIP、bZIP和C2H2等。对盐胁迫下棉花进行转录组分析发现，WRKY基因表达上调，bHLH和C2C2基因有的上调和有的下调，许多识别AP2的转录因子参与胁迫反应，MYB和NAC基因也高度富集。可以看出转录因子不是单一的一个家族应对盐胁迫带来的损害，而是多个家族共同作用抵抗。

WRKY转录因子只存在于有植物中，在盐胁迫下常表现出不同的表达模式，并且可以影响脯氨酸、糖类和一些抗氧化物的表达。在200 mmol·LNaCl和400 mmol·LNaCl处理下，甜菜13基因表达上调，在200 mmol·LNaCl处理下53基因表达下调，盐胁迫下，遏蓝菜()中的53基因表达下调。表明转录因子家族中WRKY13和WRK53响应盐胁迫的机制有所不同，WRKY13作为正向调控因子，而WRKY53作为反向调控因子参与盐胁迫的调节，同时也表明不同的WRKY转录因子的调节机制不同。

植物最大的转录因子家族之一MYB参与苯丙烷代谢途径的调控。在拟南芥中发现，20可通过抑制2的表达来增强抗盐性。说明MYB转录因子可以参与ABA信号传导通路。盐胁迫下，向日葵()的16基因在叶片和根系表达下调，而15和58基因在根系中表达上调。玉米胚芽在盐胁迫下35、24、16表达上调。表明MYB作为正向调控因子和负向调控因子共同作用来积极参与植物对盐胁迫的响应。

NAC转录因子家族只存在于植物中，参与植物的生长发育、果实成熟和激素调控，同时也参与植物逆境胁迫的一系列反应过程。在盐胁迫下，胡杨叶片和木质部中42转录因子基因的表达量显著上调，可以减少非选择性的质外体运输，从而在盐胁迫条件下减少有毒物质进入中柱鞘，提高植物耐盐碱性，而90基因在胡杨韧皮部和根系的表达量显著上调，表明NAC家族转录因子以不同的方式参与胡杨适应盐胁迫。

bZIP主要参与ABA通路，它可以与ABRE顺式作用元件结合调控下游基因以应对植物发生的各种胁迫。拟南芥中bZIP家族成员2基因在高盐胁迫下下调，它参与SnRK样激酶的调控，11基因表达在叶片中上调，在根系中没有变化。说明bZIP家族不仅在蔗糖诱导下响应盐胁迫，也参与其他信号传导途径，且不同的bZIP家族成员调控机制不同。

8 展望

近年来，随着测序技术的发展，转录组已成为经济有效、应用广泛的研究工具。植物通过一系列复杂的代谢网络对盐胁迫进行响应，快速预测植物对盐胁迫响应的相关因子，可以揭示植物对盐胁迫响应的信号传导、能量代谢等防御机制，对植物响应盐胁迫的防御机制研究和耐盐品种的选育具有重要作用。虽然植物对盐胁迫响应的机制被逐渐揭示，一些关键基因已被克隆，但研究植物对盐胁迫响应的防御调控机制还有很长的路要走。单一的转录组学研究不能完全解释植物的耐盐机制，它需要与植物的蛋白组学、代谢组学、基因组学和遗传学相结合，才能系统地研究植物对盐胁迫响应时的防御机制。