松嫩平原耐盐碱植物蒙古柳研究进展

崔皓钧 何 青 刘 琳 马书荣

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

土地盐碱化是世界范围内备受关注的环境问题。松嫩平原是世界三大片苏打盐碱地集中分布区域之一，盐碱化土地面积不断增长[1-2]，盐碱化程度也不断加剧，造成了良田减产、草地退化、生态环境破坏，严重制约了经济发展。因此，利用地表植物来恢复盐碱化区域的生产能力成为人们关注的热点。植物为了在不利条件下生存已经进化出复杂的耐逆机制，在高盐碱土壤中生长的植物更为突出。研究植物的耐盐机制有助于更好地筛选耐盐植物，为盐碱地改良和利用提供重要资源。

蒙古柳（Salix linearisttpularis（Franch.） K.S.Hao）又名筐柳，是杨柳科（Salicaceae）柳属的落叶丛生灌木或小乔木，多生于河边、半干旱地区及盐碱地上，以种子或柳条扦插繁殖。蒙古柳主要分布于我国东北、内蒙古、陕西，以及俄罗斯远东地区、蒙古等地[2-3]，是一种自然分布于中国东北松嫩平原盐碱地中的少见木本植物。蒙古柳对盐碱性土壤具有较强的适应性，是防风、固沙和园林绿化的良好树种[4]，也可作为改良盐碱地的绿化造林树种，具有较高的生态经济价值。

本研究就蒙古柳的最新研究成果进行总结，从蒙古柳的生物学特征、耐盐碱机理、改良盐碱土壤机理等方面进行梳理归纳，旨在阐述蒙古柳耐盐的分子机制，从而为耐盐碱植物分子育种、盐碱地的生态利用及修复提供参考。

1 蒙古柳的生物学特征

1.1 雌雄株形态结构特征

蒙古柳为典型的雌雄异株植物，属于异花传粉类型，可以根据花序和雌雄花来判断植株的雌雄性别，雌雄株在叶片形态和花芽分化上的差异较大[5]。在叶片形态上，雄株的叶片面积和质量均大于雌株；雌株叶片表皮毛更长，气孔开度更大；雌株叶片的脯氨酸、丙二醛和叶绿素含量均较高，而相对电导率和可溶性糖含量则低于雄株。在花芽分化上，雌雄株的花芽初期、花芽发育期、花芽成熟期和花序期均不同，这些指标可以作为区分蒙古柳雌雄株的重要因素之一。蒙古柳雄花由花药和细长的花丝组成，雌花由二裂的柱头、较短的花柱以及子房等3个部分组成，雌花有蜜腺且花序较雄花序长[6]。与许多雌雄异株植物相似，蒙古柳雌雄株在形态、生理、遗传以及环境适应性等方面存在差异，如树冠形状、花芽形态、叶片结构和盐碱适应策略等。

1.2 种子萌发特征

蒙古柳种子极小，有冠毛，长圆柱形，种子由种皮和胚组成，糖类、脂类和蛋白类等物质含量较高[7]。种子无休眠现象，萌发速度快，当天散出的种子遇到水分后24 h内萌发；种子吸水速率快，30 min内吸水量达到200%[8]。蒙古柳种子萌发率高但寿命短，成熟种子常温45 d后发芽率为3%，低温储存可延长种子寿命，冷藏一年后种子发芽率为50%左右[6]。

环境因子影响蒙古柳种子萌发，其中水分是影响种子萌发的重要因素。此外，温度、光照强度和种子贮藏条件也能影响种子萌发。盐碱地土壤条件限制了蒙古柳种子的自然萌发。为了获得更高质量的蒙古柳植株，研究人员通过组织培养与快速繁殖的方式获得优质苗木[9]。Guan等[10]初步建立了蒙古柳遗传转化体系，以蒙古柳叶片作为外植体，经过不定芽分化和不定根诱导，获得蒙古柳再生植株，再经过转染质粒获得转基因植株，为后期蒙古柳耐逆分子机理研究奠定了基础。

2 蒙古柳的耐盐碱机制

2.1 耐盐碱生理反应机制

蒙古柳具有耐盐碱特性。在同一生长条件下，适当的盐碱处理后蒙古柳能维持此前的生命状态，甚至在某些指标上表现出促生作用，植物叶片的光合效率、实生苗的生长发育指标、气孔形态和叶片内部结构状态均表明蒙古柳植株具有耐盐碱特性[11]。对蒙古柳扦插苗进行相同的处理，发现蒙古柳扦插苗对盐碱的反应特性与实生苗一致，一定的盐碱浓度促进了蒙古柳植株的生长，且雌株对盐碱的耐受程度高于雄株[12]。在盐碱混合胁迫下，处理组蒙古柳植物的种子发芽率、Na+外排率、叶片光合指标以及叶片内部结构较对照植株更好，植株对盐碱的耐受性更强[7]。盐碱胁迫与干旱胁迫同时危害植物生长，蒙古柳能够通过提高植株叶片中的脯氨酸含量来调节高盐带来的渗透胁迫[13]。此外，蒙古柳还能通过改变抗氧化酶活性、增大气孔导度、改变叶片中的叶绿素含量来促进盐碱胁迫下的植株生长，提高植物抗性。除盐碱胁迫外，其他逆境胁迫也会使蒙古柳的生理指标发生变化。人为施加干旱、氧化和盐渍3种胁迫，蒙古柳叶片的电导率和丙二醛含量在低胁迫下几乎不发生变化，在高胁迫下显著降低[14]，说明蒙古柳能够通过改变机体的丙二醛含量和电导率来提高抗逆性。尿素代谢也是蒙古柳适应高盐碱环境的重要因素之一，通过阻断尿素生成途径，能够有效缓解蒙古柳在盐碱环境中的萎蔫情况，改善植株生长状况[15]。

2.2 耐盐碱分子作用机理

蒙古柳植株含有WRKY28基因，该基因与植物的抗逆性呈正相关性。研究人员通过对蒙古柳中的WRKY28基因表达进行分析，发现蒙古柳雌性植株中WRKY28基因的表达量随盐碱胁迫的增加而增加，蒙古柳能够通过调节耐盐碱相关基因的表达量影响植株的耐盐碱特性[16-17]。Nan等[18]对蒙古柳转录组进行分析，发现蒙古柳中第22条途径N-DEGs与拟南芥的DEGs途径重合度较高，研究人员能够通过挖掘这些重合基因，获得可能与蒙古柳耐盐碱相关的一些基因。韩雪[19]通过建立山新杨的再生体系，获得了218株蒙古柳FOX山新杨的抗性植株，从这些植株中筛选获得了2个抗NaCl和2个抗NaHCO3的山新杨抗性品种，为后续蒙古柳抗性相关基因的筛选提供了研究材料。有学者研究了蒙古柳耐盐碱功能基因，利用拟南芥独立体系的建立和蒙古柳金属硫蛋白（SlMT2）功能的验证，发现SlMT2转基因拟南芥在盐碱胁迫中抗性明显高于对照组[20-21]。蒙古柳金属硫蛋白基因的过表达能显著增强拟南芥植株对逆境的抗性。蒙古柳雌雄株的基因表达存在差异，在盐碱胁迫下，其基因表达差异更加明显。孙亚军[22]分析了蒙古柳雄花芽和雌花芽的特异表达基因，获得雌雄花芽的特异表达基因和共表达基因，其中雌雄花芽中耐盐相关基因表达差异明显。由此可知，雌雄株对盐碱的耐受性不同。从蒙古柳根部和叶片中克隆到SaRUB基因[23]，转拟南芥后，在盐碱胁迫条件下，转基因拟南芥根长和鲜重明显高于野生型和突变体，氧化胁迫后，转基因拟南芥体内ROS及H2O2含量明显低于野生型和突变体。可见，SaRUB参与离子平衡、渗透调节及ROS清除等过程，在盐碱适应过程中发挥着重要作用。在Na2CO3胁迫下，在蒙古柳幼苗叶片中发现154种差异蛋白质[24]，这些蛋白质主要参与了信号转导、膜转运、ROS稳态、胁迫防御、碳与能量代谢以及光合作用等过程。

2.3 根部微生物作用机理

蒙古柳根系有许多菌根真菌，这些真菌可能与蒙古柳耐盐碱性有关。Ishida等[25]调查了安达盐碱地蒙古柳的外生菌根真菌群落，鉴定出11种菌根真菌，这些真菌不仅提高了蒙古柳耐盐碱性，而且改善了土壤盐碱性。石美玉[26]对蒙古柳外生菌根真菌资源进行调查，通过对蒙古柳菌根形态、直径、长度、颜色和菌根显微结构的观察分析，筛选出17种类型的外生菌根，分别归类于5目7科7属。其中，优势菌种Tomentella fuscocinerea能够提高宿主植物的抗逆性，增强植物根系的营养吸收作用。有研究者分别对安达盐碱地碱茅、蒙古柳、山新杨等3种植被分布区土壤真菌的群落结构和多样性进行分析，在属的分类水平上，3个植被分布区的优势菌属有附球霉属、地孔菌属和内囊菌属；在种的分类水平上，山新杨区的优势菌种是白锦丝盖伞菌，蒙古柳区和朝鲜碱茅区的共同优势菌种是枝孢霉[27]；与其他2个植被分布区相比，蒙古柳分布区土壤真菌的均匀度较高、丰富度小，说明蒙古柳分布区的微生物丰富度最高，多种微生物可能参与了蒙古柳盐碱适应过程。

3 展望

蒙古柳是松嫩平原盐碱地上自然生长的木本植物，也是非常重要的盐碱地野生植物资源，具有较强的盐碱适应性，在改良盐碱土壤、恢复生态环境中具有巨大的潜力和应用价值。蒙古柳的耐盐碱机制是一个非常复杂的过程，目前有关人员已经从种子萌发、生长发育、生理生化及分子生物学等多个方面对蒙古柳耐盐碱特性进行了解析。但是，还有很多机理尚不清楚，关于蒙古柳的耐盐碱机理更深层的基础研究还不多。今后应加强以下2个方面的研究：一方面，利用代谢组学等多组学手段深入研究蒙古柳的耐盐碱机理，进一步挖掘蒙古柳的抗逆功能基因，加强蒙古柳的分子育种研究；另一方面，利用土壤微生物与植物根部形成的促生关系，深入研究土壤微生物对宿主植物耐盐性的促进机制，充分利用盐碱地微生物资源，筛选优良促生菌种，深入研究植物—菌种共生体响应盐胁迫的特异信号传导和代谢途径，为发展蒙古柳在盐碱地上规模化造林提供依据。蒙古柳能改良盐碱土壤、改善生态环境、促进农林发展，具有重大的经济价值和生态效应。