葡萄砧木耐盐碱性研究进展

2022-07-26鲁倩君刘迎赵宝龙孙军利

中外葡萄与葡萄酒 2022年4期

鲁倩君，刘迎，赵宝龙，孙军利

（石河子大学农学院/特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，新疆石河子 832000）

土壤盐渍化是世界范围内农作物生产的主要非生物胁迫之一[1]。全球约20%的农业用地遭受盐碱胁迫[2]，其中，我国约有9900万 hm2的盐碱地，主要分布在西北、华北、长江中下游等地区[3-4]。在盐碱胁迫下，植株外部形态发生改变[5]。在受到高pH胁迫、渗透胁迫后，随着盐分的积累，离子毒害随之发生[6-8]。当植株体内的离子平衡被打破，植株受到活性氧胁迫[9-10]，其光合作用、生长发育被抑制，甚至死亡[11-12]。

葡萄是世界上广受欢迎的水果。截至2019年，我国葡萄总产量为1419.5万 t，居世界首位[13]。但我国葡萄主要栽培区土壤大多为盐碱土[14]，对葡萄生长发育及果品品质产生巨大影响，制约着葡萄产业的发展[12]。优良砧木品种的选用是葡萄耐盐碱栽培中获得优质丰产的基础[15]。良好的砧木可改变接穗内源物质，影响植株内部生理，从而提高品种的抗逆性，增产增质[16]。开展葡萄砧木耐盐碱性研究，可了解其耐盐碱机理、开发葡萄砧木耐盐碱资源、提高盐碱土利用率等，并能扩大葡萄优良品种的栽培区域。本文就盐碱胁迫对葡萄砧木生长的影响、不同葡萄砧木的耐盐碱性、葡萄砧木对盐碱胁迫的生理响应及分子应答等研究进展进行综述，以期为葡萄耐盐碱砧木的研究与发展提供理论依据。

1 盐碱胁迫对葡萄砧木生长的影响

葡萄是盐敏感的非盐生植物，生长最适pH在5.8～7.5之间[17]。盐碱胁迫下，植株生长受到抑制，以叶片最为明显，不同品种的葡萄砧木会出现叶片失绿、干枯、脱落等不同症状[18]。为明确各品种遭受盐碱胁迫程度，王业遴等[19]根据叶片状态在国内最早提出盐害等级分类，后又经修改得出碱害等级分类标准[20]。随着胁迫浓度增大，葡萄叶片表皮细胞、海绵组织以及栅栏组织变厚，且细胞间隙变大，叶绿体、类囊体肿胀，内含淀粉粒和嗜锇颗粒变大、增多[21-22]。新梢生长量、株高、根长、根系表面积、根系体积等也会随着盐浓度的升高而降低[23-24]；生物量积累、组织含水量、根系活力等随着胁迫时间的延长而下降[25-26]。

2 不同葡萄砧木的耐盐碱性

目前，关于葡萄砧木的耐盐碱性鉴定的研究，主要从外观形态、生物量、生理生化、分子生物学、遗传学等方面开展。袁军伟等[27]以盐害指数为指标，通过聚类分析发现，在耐盐砧木育种中，选择耐盐性强的香槟尼（V. champini）、沙地葡萄（V. rupetris）和河岸葡萄（V. riparia）作为母本进行杂交育种可得到耐盐碱性较好的品种。樊秀彩等[28]对30份葡萄砧木进行了耐受性鉴定认为，野生葡萄中的香槟尼的耐盐性好；沙地葡萄和山美杂种（V. amurensis×V. labrusca）的耐盐性较差；河岸葡萄各品种间的耐盐性差异较大，其中多数品种的耐盐力居中；河岸葡萄与沙地葡萄、冬葡萄（V. berlandieri）的杂种后代的耐盐性也有不同程度的差异性；我国广泛使用的砧木‘贝达’是美洲葡萄与河岸葡萄的后代，其耐盐性居中。Stafne等[29]研究指出，冬葡萄品种具有较高的耐碱性，沙地葡萄中等耐碱，而野生河岸葡萄耐碱性较差。所以沙地葡萄×冬葡萄后代的耐碱性中等偏上，河岸葡萄×沙地葡萄的后代不具有显著的耐碱性。韩真等[30]控制土壤pH为8，测定砧木各部位钾素以及叶片中丙二醛（MDA）含量后发现，‘3309C’‘贝达’耐盐碱性强，‘5BB’‘140R’耐盐碱性中等，‘110R’耐盐碱性较弱。通过对生理生化指标及生长表现型的测定，利用隶属函数对5个葡萄品种进行耐盐性评价，耐盐性由强到弱依次为：峰光＞188-08＞101-14＞玫瑰香＞1103P[26]。牛锐敏等[31]研究发现，‘110R’‘SO4’耐盐性较强，‘5BB’‘1103P’耐盐性中等，‘140R’‘贝达’耐盐性弱。曹建东[32]通过对‘SO4’‘5A2’‘225’‘通化-3’‘420’‘5BB’‘山河系’等7个葡萄砧木的耐盐性研究发现，‘5BB’表现最优，具有较强的耐盐性；山河系、‘SO4’的耐盐性居中。吴梦晓等[24]发现，‘玫瑰香’属于耐盐类型，‘188-08’‘101-14’‘SO4’属于盐较敏感类型，‘1103P’属于盐敏感类型。郭延清等[33]探究了7种葡萄砧木抗盐碱的生理生化机制，结果表明，‘520A’‘LDP-191’‘LDP-294’较‘贝达’‘LN33’‘101-14’和‘SO4’的耐盐性好。孙茜[7]通过测定不同盐浓度下葡萄砧木叶片的生理生化指标得出各品种的耐盐性强弱顺序为：1103P＞5BB＞SO4＞3309C，耐碱性强弱顺序为：1103P＞3309C＞5BB＞SO4。

3 葡萄砧木对盐碱胁迫的生理响应

3.1 细胞膜透性

细胞膜在细胞防御盐离子进入中起着重要作用，是植物抵抗盐碱胁迫的第一道屏障[34]。遭受盐碱胁迫时，植物细胞膜的完整性被破坏，其功能受到抑制，选择性吸收不受控制。与此同时，细胞内积累大量的活性氧，加剧膜脂过氧化，影响细胞的代谢及生理功能[35-36]。MDA是膜脂过氧化作用的最终产物，其含量可反映细胞膜的损伤程度。随盐胁迫浓度的增大与时间的延长，砧木叶片MDA含量和细胞膜透性表现出增高趋势[37]。除此以外，不同葡萄砧木的相对电导率在碱胁迫后也都有所上升，但耐盐碱性越强的砧木品种，其细胞膜受到的损害越小，MDA含量以及相对电导率增加的越少[7,38]。

3.2 保护酶系统

盐碱胁迫下，植株体内产生并积累大量超氧阴离子自由基（O2·-）、过氧化氢（H2O2）等活性氧，它们具有很强的氧化能力，可对植物造成不可逆的伤害[39]。植物为减轻或避免活性氧对细胞造成的伤害，进化形成了酶促和非酶促两大类活性氧清除系统。参与酶促机制的酶主要有超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等；参与非酶促抗氧化系统主要包括抗坏血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH）等[40-41]。而在葡萄耐盐碱鉴定中，一般是测定酶促机制中的相关酶[42]。在盐碱胁迫后，植物活性氧的产生与积累量和其本身抗性呈反比，抗氧化酶的活性与其本身抗性呈正比。付晴晴等[43]对3个葡萄砧木进行盐胁迫处理，发现‘1103P’叶片中O2·-产生速率和H2O2含量高于耐盐性较强的‘A15’‘A17’，且‘1103P’叶片中SOD、CAT和POD活性低于耐盐性较强的‘A15’‘A17’。而李会云等[44]对4个葡萄砧木进行盐胁迫处理后发现，低浓度的盐胁迫可提高叶片中SOD、CAT和POD活性，随着含盐量的增加超过一定值后，酶活性下降。

3.3 渗透调节

植物响应渗透胁迫的方式是进行渗透调节[45]。渗透调节有两种模式，一种是无机渗透调节，通过选择性吸收Na+、K+、Ca2+、Cl-等无机离子，使植株细胞内K+/Na+比值保持在≥1的状态；第二种是有机渗透调节，合成脯氨酸（Pro）、可溶性糖、甜菜碱等渗透物质保持细胞渗透平衡[1]。葡萄砧木主要以K+和有机渗透调节物质为主要渗透调节剂[46]，在盐碱胁迫下，葡萄植株体内合成与积累一些有机物质，以降低细胞渗透势。周万海[47]在盐处理‘3309C’‘520A’‘5BB’‘圣乔治’‘贝达’‘SO4’等葡萄砧木后发现，葡萄叶片游离脯氨酸随盐浓度的升高均有所增加。樊秀彩等[48]研究发现，‘抗砧5号’依靠合成大量的游离脯氨酸和可溶性糖来适应盐胁迫，且在一定范围内葡萄砧木耐盐性越好，Pro、可溶性糖等有机渗透物质含量越高[33]。

3.4 光合作用

盐碱等生态胁迫极易影响植物光合作用，主要通过水分胁迫、离子毒害、渗透胁迫以及光合产物积累等途径反馈抑制植物的光合作用[49]。盐碱胁迫导致光合作用下降是由气孔限制变成非气孔限制：轻度盐碱胁迫于胁迫初期主要为气孔性限制，中高度盐碱胁迫于胁迫后期主要为非气孔性限制，同时PSⅡ反应中心受到严重损伤[50-51]。尹勇刚等[52]研究盐胁迫对葡萄砧木光合特性与叶绿素荧光参数的影响发现，随着盐浓度升高，葡萄砧木叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2（Ci）和蒸腾速率（Tr）等显著下降，同时最大荧光产量（Fm）、最大光化学效率（PSⅡ）、PSⅡ实际光化学效率（Yield）和光化学淬灭系数（qP）也呈下降趋势，初始荧光产量（Fo）、非光化学淬灭系数（NPQ）和叶绿素（Chl）含量表现为先升高后降低。王振兴等[53]也发现，长时间高浓度盐碱胁迫可抑制葡萄砧木气孔导度（Gs）、光合电子传递、碳同化关键酶活性，以此降低葡萄植株净光合速率。

3.5 内源激素

植物常见的内源激素有细胞分裂素（CTK）、生长素（IAA）、乙烯（Eth）、赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、玉米素（ZT）等[54]。在盐碱胁迫下，植物内源激素含量会发生改变，其中Eth含量增加，CTK、IAA、GA等含量降低[55]。除此之外，盐碱胁迫可以降低葡萄叶片中ZT含量，增加ABA含量，且随着盐胁迫程度越大，ZT含量越低，ABA含量越高[56]。

4 葡萄砧木对盐碱胁迫的分子应答

植物对于盐碱胁迫的感知与反应是通过细胞受体与信号转导反映出来的。近年来，大量学者应用分子生物学、遗传学等手法研究植物耐盐碱机制，相关耐盐碱基因的分离、克隆等都有一定报道[32]。

当植物感受到盐碱胁迫时，植株会合成一些小分子有机物质，例如脯氨酸、甜菜碱等渗透调节物质，以及一些与调节蛋白相关的酶类，从而适应或者躲避外界环境刺激[57]。如VvP5CS基因，可促进脯氨酸的合成，在盐胁迫条件下，耐盐葡萄VvP5CS基因转录水平显著高于盐敏感葡萄[58]。

盐分离子吸收和转运过程与离子通道密切相关，离子转运相关基因在此过程中发挥重要作用，其中Na+/K+逆向转运蛋白基因（NHX）、高亲和K+转运载体蛋白基因（HKT）具有关键地位[59]。Ayadi[60]等对葡萄NHX家族进行了全基因组鉴定，并对其分子表征和基因表达进行分析发现它们参与葡萄受胁迫后的应激反应。研究发现，在盐碱胁迫下，抗性较高的葡萄砧木‘SN15’‘SN17’中VvNHXP基因，‘110R’中VvNHXl基因表达量较高[61-62]。冀小敏[63]也发现，TwMAPK9通过超表达提高了盐胁迫下葡萄愈伤组织中清除活性氧相关基因（VvSOD，VvPOD）和离子转运蛋白基因（VvNHXP，VvHKTl，VvHKT2）的转录表达，以此来提高葡萄愈伤组织的耐盐性。质膜中也有H+-ATPase（PM H+-ATPase）基因VvPMAl和VvPMA3高表达来响应盐胁迫[64]。刘闯[65]研究发现，盐胁迫显著诱导了葡萄HKT1在植株中的表达，其中VviHKT1和VviHKT1的相对表达量随胁迫时间的延长持续上升。

MYB类转录因子是转录因子中数量最多、功能最多样化的转录因子家族之一，在植物胁迫应答过程中起着重要的调控作用，现已有多个MYB转录因子在葡萄盐胁迫下得到的筛选[66]。在葡萄基因组中鉴定出7个VvDREB基因在盐胁迫下表达量均显著增加[67]；王春荣等[68]在‘1103P’中筛选4个受盐强烈诱导的R2R3-MYB基因，并发现VvMYB112能响应高盐胁迫。WRKY转录因子参与植物对生物及非生物胁迫的应答，调控植物生长发育、形态建成及多种代谢途径[69]。侯丽霞等[70]盐处理‘左优红’后发现，VvWRKY45和VvWRKY71应对盐胁迫反应较快且表达量高。

由于耐盐性为数量性状，与耐盐性状相关的基因较多，还有很多的功能基因和转录因子还未发掘并进行机制研究。在其它果树中有相关的功能基因已得到克隆或转化，可以为葡萄砧木耐盐性基因的研究提供参考。

5 盐碱胁迫对葡萄砧木嫁接后接穗的影响

葡萄嫁接技术在生产上广泛应用，但嫁接除了受温度、水分、嫁接技术和后期管理等因素影响外，砧木和接穗间还具有一定的相互作用力。

袁军伟[27]分别用耐盐性由强到弱的砧木‘101-14’‘贝达’‘188-08’‘5C’嫁接‘赤霞珠’葡萄，结果发现：嫁接后的‘赤霞珠’耐盐性与砧木耐盐性相同；且耐盐性较强的砧木受到胁迫后，根系的拒Na+能力越强，嫁接后接穗的耐盐性越强。郭延清[33]将‘美乐’‘贵人香’‘赤霞珠’‘黑比诺’等葡萄与‘520A’嫁接，进行盐胁迫后发现，所有品种的耐盐性都有所提升。但Priyanka发现，在高盐条件下生长的自根苗‘汤普森无核’葡萄，其光合作用速率明显高于以‘1103P’‘110R’‘41B’为砧木的嫁接苗[71]。所以，由于砧穗互作，嫁接后的葡萄不一定比自根苗更耐盐。因此，选择合适的砧木才可以提高葡萄的抗性[72]，需要根据葡萄品种、土壤和气候等特点因地制宜地进行砧木品种区域化研究。