植物耐盐碱机理研究进展

杨志强　周伟　张诗琪　周亚星

关键词：植物；耐盐碱；转基因；生理生化；根系

土壤盐碱化是制约植物生长、发育和生产力的主要非生物因素之一。土壤盐渍化是全球性问题，根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱地的面积为9.5438亿hm2，在我国就有9913万hm2[1]，导致土壤盐碱化的因素包括不合理地开垦荒地和发展灌溉农业、雨水冲击以及人为活动[2]。土壤盐渍化是一个较为严重的全球性环境问题，边际土地的合理高效利用已成为全球关注的问题[3]。在盐碱地上种植耐盐作物是最大限度利用和恢复盐碱地的可行途径之一[4]。

不同植物对盐碱胁迫表现出不同的生理反应，对盐分的抗性也不同。目前植物耐盐碱生理研究主要集中在渗透调节、膜过氧化和保护酶活性以及光合作用；基因的表达调控也是作物对于盐碱胁迫响应最重要的机理之一，在盐碱胁迫下，植物会产生相应的上调基因、下调基因，通过基因层面的表达，增强或者减弱对于盐碱胁迫的耐受性。本文从生理生化和分子响应两个方面对植物盐碱胁迫响应机理的国内外研究进行归纳与总结，为解析植物盐碱响应机制提供参考。

一、植物耐盐碱性的生理生化研究

（一） 渗透胁迫

植物细胞的水分主要来源于渗透压吸水，在未受到外源因素影响下，植物细胞的渗透压高于土壤溶液，植物细胞可以通过渗透压之差正常吸取土壤中的水分以及矿物元素。土壤中盐碱浓度过高会使植物细胞中的渗透压低于土壤溶液，导致植物细胞无法从土壤中获取正常生长所需水分以及矿物元素，故盐碱胁迫亦称为生理干旱，会导致植物蒸腾作用降低，气孔关闭，抑制叶片的光合作用[5－7]。

植物中有两类渗透调节物质：一是无机离子，如Na^＋、Cl^－、K^＋，它们从外部环境进入细胞；二是合成有机溶质，主要由多元醇和氮化合物组成。渗透调节物质是植物在抗逆过程中重要的调节物质，起着关键性的作用；但不同的渗透调节物质的参与程度在不同的植物中并不相同。渗透调节物质也影响着活性氧的产生和清除，如，脯氨酸和甘露醇具有清除活性氧的能力，而钙离子可以增强抗氧化酶的活性[8－12]。

（二） 活性氧胁迫

活性氧是植物细胞有氧代谢的副产物[13]，对植物细胞膜的完整性、多种蛋白酶的活性、植物养分吸收以及光合反应具有破坏性影响[14]，可导致细胞内酶失活、降解以及细胞膜系统遭到破坏[15－16]。活性氧的产生和清除之间通常存在动态平衡，当植物受到盐胁迫时，活性氧的平衡状态会受到影响，导致植物细胞受到破坏。因此，植物细胞中活性氧的产生与活性氧的清除之间的动态平衡恢复越快，抗氧化能力越强，盐碱的耐受力也就越强。孙璐等[17]通过对高粱的耐盐性实验，发现了虽然耐盐品种与盐敏感品种活性氧水平都在增加，但是耐盐品种增加的较少并且清除活性氧更加迅速，从而避免了活性氧过度积累对高粱细胞进行破坏。

植物中主要有两种系统维持着活性氧的动态平衡：一类是由超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX） 组成的酶类清除系统；另一类是由谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸（AsA）、类胡萝卜素（Car）、维生素E等抗氧化还原物质组成的非酶类清除系统[18]。

（三） pH调节

盐碱胁迫下，除了打破离子间的动态平衡，还有高pH伤害，pH值的升高对植物的伤害更加严重。首先，pH值升高会使土壤中的金属离子以及含磷化合物增加，造成土壤板结，使植物出苗艰难以及根系对矿质元素的吸收受到抑制，影响植物的生长；其次，pH 过高会破坏到植物的根系细胞，降低根系活力[19]。

不同植物根系受到碱胁迫时，会产生不同的有机酸，通过大量的有机酸积累，使细胞内趋于酸性，以此来调节体内的pH与根外的pH二者之间在一个低害程度，保护根系不受到高pH环境的伤害。细胞内pH调控系统是植物在漫长的进化过程中获得抗逆机制。

二、植物根系响应盐碱胁迫的机制

植物的根是植物细胞开始感受到盐碱胁迫的组织，植物的根系在漫长时间对盐碱胁迫进化出了复杂的响应机制。

在受到不同程度的盐胁胁迫时，植物根系的构型会发生不同的改变。植物根系的重要功能之一是从环境中吸收水分和养分，而根系吸收功能的发挥又与根系的分布等相关[20-21]。杨志新[22]对干旱区盐碱地的不同时期的食叶草根系进行测量，结果表明，食叶草根系在盐碱地中形成了针对盐碱胁迫并增强自身抗逆境生长的一系列的响应机制，表现为根系快速向深层拓展，在植株水平距离0 ～15cm 内密集且快速增加。

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[23]。盐胁迫使幼苗根干重、根冠比均不同程度下降[24]。于玉梅[25]等对4个海岛棉品种进行根系耐盐碱比较，结果表明，4个海岛棉品种随着盐碱程度的增加，各品种根系总长度虽然都在减少，但是新海35号较其他品种减少幅度小，根系干重亦如此，新海35号较其他3个品種下降幅度最为缓慢。综合其结果来看，海岛棉4个品种在盐碱条件下，虽然都受到盐碱的影响，但是耐盐碱品种能及时响应胁迫，减少其受到胁迫的伤害。

三、植物耐盐碱性的遗传学研究

植物在盐碱胁迫下，自身会做出一系列的响应，这些响应都受到相关基因的调控，会产生一些上调、下调基因，并通过这些上调、下调基因增强自身对外界胁迫的耐受性。近些年来，随着分子生物学技术愈来愈成熟，基因表达调控已经成为当下的研究热点，通过对基因层面的深入研究，科研工作者能更加直观地了解一个植物的盐碱响应机制，并对植物耐盐碱机理进行解析。

目前，国内外对植物耐盐碱的基因表达调控主要集中在渗透调节物质的合成、离子转运、细胞解毒、生长调节、转录因子以及抗逆蛋白。

（一） 渗透调节基因

P5CS（吡咯啉－5－羧酸合成酶） 是脯氨酸合成途径中的关键酶。在植物受到非生物胁迫时，会诱导植物体内脯氨酸积累。Su等[26]对甜高粱幼苗进行干旱胁迫和盐胁迫处理10d后发现，SbP5CS1和SbP5CS2基因表达上调，在盐胁迫处理中，SbP5CS1 和SbP5CS2 的表达在4h 和8h 时达到峰值，并且脯氨酸浓度在胁迫后增加，并且与两个基因的表达相关。王翠平等[27]将P5CS1基因对拟南芥进行转基因处理，结果表明，P5CS1过表达植株对于盐胁迫有着更好的耐受性，植株体内的脯氨酸含量明显升高，在耐盐性试验中，过表达植株耐盐性较之普通植株更强。这些研究表明，P5CS可用于提高植物的耐盐性。

BADH （甜菜碱脱氢酶） 是甜菜碱合成通路中的关键酶。甜菜碱作为一种有效的小分子渗透调节物质，在植物体内大量积累可以有效提高植物的抗逆性[28]。李春枝等[29]对羽衣甘蓝进行BADH基因农杆菌转化后，测定转基因羽衣甘蓝在盐胁迫下的萌发率、BADH酶活性、叶绿素含量以及生长状况，结果表明，转基因植株在萌发率、存活率、叶绿素以及BADH酶活性上均高于正常植株，且与BADH基因表达相关。郑成忠等[30]对玉米植株进行转BADH基因处理，并对其进行抗盐性鉴定，结果表明，转BADH基因玉米对比非转基因玉米POD活性提高了16.2％～29.4％，SOD活性、脯氨酸含量与非转基因相比分别提高了9.7％～61.6％和22.8％～59.2％。这些研究表明，BADH基因的表达调控在植物的非生物胁迫中较为关键。

（二） 离子区隔基因

在盐胁迫下，植物可以通过Na＋／H＋在液泡膜上的反向传递进入并储存大量的Na＋，恢复体内平衡，并将Na＋／H＋在液泡膜上反向传递的基因整合到对盐碱胁迫耐受性差的植物中，从而提高植物的耐盐性。银芳柳等[31]将Kf NHX1基因转入到拟南芥中，对转基因拟南芥测定胁迫下的萌发率和抗性，转基因种子萌发率超过80％，而野生型萌发率仅为40％；在ABA处理10d后，与野生型菌株相比，转基因植株生长良好，叶子较大，野生型植株则黄化且生长受到抑制；盐胁迫15d后，转基因植株生命力更强，野生型生命力较弱，与转基因植株对比，胁迫结果相差甚远。刘闯等[32]将葡萄中Vvi HKT1；7转入拟南芥中，结果表明，转Vvi HKT1；7基因种子的发芽率和耐盐性均高于野生型。

（三） 生长调节基因

Amira Dabbous等[33]将盐生植物Lobularia maritima中分离出的LmVHA－E1在拟南芥中过表达，并对其进行PEG胁迫和盐胁迫处理，研究结果表明，LmVHA－E1在拟南芥中的过度表达增强了植物对于干旱以及盐碱胁迫的耐受性，在PEG胁迫和盐胁迫下表现出更高的幼苗存活率和更好的抗氧化活性，与野生型相比，离子区隔化更多，叶片渗透调节能力增强。Bruno Ruggiero等[34]对拟南芥突变体耐盐品种sto1进行深入研究，研究表明，虽然突变体缺少STO1基因（STO1编码一种9－顺式－环氧二十碳烯类固醇双加氧酶），在高渗胁迫后，无法积累ABA，但降低的ABA可以在胁迫期间通过介导非离子渗透反应的信号途径导致其更快的生长，这可能与在NaCl 诱导的ICK1 基因表达和乙烯积累的减少有关。

（四） 转录因子

张梅娟等[35] 对砂藓bZIP 转录因子基因RcbZIP3 和RcbZIP4 进行非生物胁迫下的表达分析， 结果表明，RcbZIP3和RcbZIP4基因植物在非生物胁迫下基因表达量均升高，提高植物的耐受性。杨圣等[36]分析了43个MYB基因在盐胁迫和ABA处理下的表达谱，结果表明，MYB基因表达的变化可能是由于ABA在盐处理条件下的作用，进而影響水稻的耐盐性。

四、总结与展望

综上所述，国内外对于非生物胁迫，尤其是耐盐碱方面进行了大量的研究，并取得许多相关研究结果。因为转基因安全性问题，植物的转基因研究一直受到制约。通过国内外学者的研究，部分对植物耐盐碱的调控基因已被大众了解，但植物的耐盐碱性是由多个基因共同表达或拮抗所展示的结果，且植物的部分基因表达产物也参与着植物的耐盐碱调控，植物的耐盐碱机理尚未完全明了。例如，在成熟胚胎中常见的LEA蛋白是一种具有高亲水和可溶性的脱水保护剂。LEA蛋白诱导干旱、寒冷、水、盐度、渗透等胁迫中的基因表达，结果表明，转基因植物中LEA蛋白的过度表达与缺水和耐盐胁迫有关[37]。而将耐盐碱调控基因导入目的植物，也是一种高效的解决方法。付光明[38]、王小丽[39]等将BADH基因转入到玉米中，玉米的耐盐性增强。李大红[40]对转P5CS基因水稻种子与普通水稻种子进行盐胁迫，发现转P5CS基因水稻明显优于普通水稻种子，说明P5CS 能提高植物耐盐性。

通过利用生物技术的新成果，科研工作者将会对耐盐碱响应机理进行更深入的了解，并对盐碱基因表达机制进行解析，利用转基因技术对基因水平进行调控，不仅能大幅度缩短育种年限，还可以使农作物获得本身不具备的优良性状，最终获得更加高产、优质、耐盐碱的植物。

作者简介：杨志强（1998-），男，蒙古族，内蒙古通辽人，硕士在读，研究方向：作物遗传育种；周亚星（1981-），河北石家庄人，通信作者，博士，副教授，研究方向：作物遗传育种。

（责任编辑 曹雯梅）