植物耐盐碱性研究进展及外源褪黑素应用研究

贾文飞，马靖恒，裴彤，魏晓琼，王颖，李金英，吴林※

（1.吉林农业大学园艺学院，吉林 长春 130118；2.吉林省蓝莓研究中心，吉林 长春 130021）

全球盐碱地面积约9.5 108hm2，占世界陆地总面积的7.23%[1,2]。由于生态气候等诸多因素影响，盐碱地面积不断增加，现如今已成为全球共同关注的热点问题[3-5]。我国盐碱地主要散布在东北平原、西北干旱、半干旱地区、黄淮海平原及东部沿海地区，盐碱化土壤面积达3.6 107hm2，其中耕地盐碱化面积7.6 106hm2[6,7]，占比21%。植物是否能正常生长与其所在的环境密不可分，而土壤盐碱化是植物生长的潜在威胁[8,9]。在逆境条件下，植物通过形态结构、生理生化变化等生理响应来适应逆境环境。在植物受到盐碱胁迫时会相应地通过自身的渗透调节和一系列抗氧化酶活性等生理生化变化来适应，耐盐性较强的植物对根系和叶片等易受胁迫的器官调整微域环境来提高自身的抗性。盐碱地制约很多地方农业发展，本文对国内外在植物的耐盐碱性方面的研究进行了概述，对盐碱胁迫下植物的生长发育、光合生理、解剖结构及生理生化的变化等方面进行了总结，概述了外源褪黑素对植物耐盐性的影响，并对外源褪黑素对植物的应用前景进行了展望，以期为植物的抗性研究提供参考。

1 研究现状

1.1 盐碱胁迫对植物生长发育的影响

水分是种子发芽的必要条件，而盐胁迫对植物造成渗透胁迫，从而引起植株体内水分外渗，对脂膜造成伤害，造成水分胁迫。黄秋葵、饭豆等种子在500 mmol/L盐浓度下萌发率会显著降低[10]。因植物的生长特性存在差异，藜麦和一些烟草等在较低浓度的盐处理却有利于其生长发育[11,12]。多数植物随着土壤盐碱程度的加深，植株外观会表现出叶片颜色变淡、萎蔫等，这些形态表现往往滞后于生理反应，一旦表现出就难以恢复[13,14]。细胞膜是植物感受外界胁迫最敏感的部位。脂膜的离子和溶质渗透是这种敏感初始反应最普遍的共同现象。脂膜在受到盐分胁迫后发生膜质变相，从液晶态变成凝胶态，进而可使膜脂双分子层变成单层，这类变相会破坏膜的功能，进而影响细胞代谢。高浓度盐会对玉米叶肉细胞的部分膜造成伤害，进而影响细胞的正常代谢活动[15]。生物膜的破坏主要是由膜质的过氧化造成的，脂膜的破坏程度可以用细胞脂膜透性的变化和丙二醛的含量来反映[16]。

1.2 盐碱胁迫对植物光合生理的影响

植物的光合作用是植物体内重要的代谢过程，植物体内有95%以上的有机物由光合作用产生，为植物生长提供重要的物质基础，高盐环境会造成非盐生环境植株光合能力降低，降低光合产量。叶片是高等植物进行光合作用的器官，而叶绿体是植物光合作用的细胞器，其中叶绿素a、叶绿素b 是主要的光合色素，直接参与光合作用，盐胁迫会造成叶绿素合成受阻，同时破坏已存在的光合色素。杜梨在NaCl 胁迫下，叶绿素a、叶绿素b 的含量不断下降[17]。盐碱胁迫也会不同程度地降低植物光合同化能力，影响植物对过剩光能的耗散，通常使用叶绿素荧光参数来衡量热耗散的程度，叶绿素荧光参数也是反映植株对光能的吸收、转化、传递及分配等多个环节，能够反映植物气体交换参数的内在变化。不同葡萄砧木在NaCl 胁迫下，叶片中光合色素含量均下降，但影响程度不同，而Fo 均显著升高，Fm、Fv/Fm和Fv/Fo均降低[18]。

1.3 盐碱胁迫对植物内源激素的影响

植物内源激素是植物体内产生的能够调节自身生理过程、调控植物生长发育的微量有机化合物。植物体内的脱落酸（ABA）、乙烯（ET）、生长素（IAA）、肌酸激酶（CK）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和油菜素内酯（BR）等内源激素是应激反应信号转导过程中的重要组成，不同激素之间相互协调，在植物适应逆境胁迫的过程中起到重要调节作用[19-21]。ABA是植物体内关键的应激激素之一，当受到盐碱胁迫时会迫使植株内源ABA的合成，NaCl、碱性盐及混合盐碱3 种盐碱胁迫条件下，平欧杂种榛叶片的ABA 含量显著升高，且在碱性盐Na2CO3胁迫下ABA 积累更快[22]。

1.4 盐碱胁迫对植物叶片结构的影响

叶片是植物在生长过程中应对环境变化最敏感且可塑性较强的器官，在不同的生长环境下会形成不同的适应类型，盐碱胁迫下植物叶片内部解剖结构会发生显著的变化，能反映植株对盐碱的耐受性。石蜡切片技术是组织学制片技术中最广泛应用的方法，是观察判断细胞组织、研究植物器官的有效手段之一[23-25]。王帅[26]通过显微摄影技术研究发现，沙枣的茎、叶和叶柄的角质层会随着盐碱土的含量增加而增加，而叶片的厚度和茎、叶、叶柄中木质部导管孔径随着盐浓度增加都不断增加，沙枣的木射线也随着盐碱土含量的增加不断加宽。盐胁迫后的银杏茎薄壁细胞中可见大量盐簇晶体，而根和叶柄中则很少见，说明银杏幼树的茎部具有一定耐盐和储盐能力[27]。石头扁桃在150 mmol/L NaCl 处理10 d 后，叶肉显著加厚，栅栏组织细胞和海绵组织细胞显著变长，栅栏组织细胞数目增多排列比较紧密，随着盐浓度的增加和胁迫时间的延长也会出现类似的变化，而较耐盐的桃扁桃在300 mmol/L NaCl处理10 d 后才表现出明显反应[28]。

1.5 盐碱胁迫对植物生理生化特性的影响

土壤中过多的盐离子积累会提高土壤的渗透压，而当土壤渗透压高于植物细胞渗透压，会导致植株水分外渗产生渗透胁迫。渗透调节是植物应对逆境的重要生理机制，植物在盐碱胁迫下自身会合成脯氨酸、甜菜碱、糖类和多元醇等有机物质应对渗透胁迫。脯氨酸作为植物重要的渗透调节物质，在多种非生物胁迫下对保持植物生长具有重要作用[29-32]。酸枣、盐柳和银杏幼苗适应高浓度盐碱环境会使游离脯氨酸大量积累[33-35]。通过增加脯氨酸、甜菜碱等有机物质可以使罗布麻幼苗抵御盐胁迫[36]。甜菜碱是可以调节细胞的渗透势，稳定蛋白质和细胞膜高级结构的一种渗透保护剂，可以保护植物光合呼吸系统免受盐碱胁迫[37]。糖类中，如可溶性糖和蔗糖的积累，可以为其他有机物的合成提供能量。芍药中可溶性糖随着盐碱胁迫的加深表现出先增加后降低的趋势[38]，这可能与高浓度盐碱胁迫下可溶性糖的合成受阻和降解有关。海藻糖能促进植物生长，减少重度盐碱胁迫对叶绿素的损害。有机酸是碱胁迫下的渗透调节物质之一，pH的调节主要依赖于植物体内有机酸的分泌[39,40]。

盐碱胁迫下植物体内会产生大量活性氧的积累，对植物细胞质膜造成极大的伤害。植物体内存在一套完整的活性氧清除体系，植株因逆境产生活性氧，增强植物对逆境的抵抗能力，保证正常的生命活动。酶类保护体系包括SOD、CAT、POD 以及花青素不饱和脂肪酸等。逆境胁迫及衰老进程中，植物体内活性氧的产生能力大于清除能力，SOD等活性氧清除剂具有维持活性氧代谢平衡、保护膜结构的功能[41-43]。在盐胁迫下，大果沙枣中SOD 活性显著下降[44]。常被作为ASA 氧化还原缓冲剂的有维生素（E）、不饱和脂肪酸、GSH、-生育酚、花青素和类胡萝卜素等，对维持细胞中活性氧的平衡具有重要作用。

1.6 盐碱胁迫对植物离子含量的影响

植物生长发育需要丰富稳定的矿质元素，但盐碱地破坏了土壤中各离子间的动态平衡，致使植物对离子吸收不平衡，发生离子毒害。植物对矿质元素的吸收存在竞争关系，某些离子过多积累，会阻碍植株对其他离子的吸收，造成离子亏缺，破坏细胞中离子稳态，K+、Na+就存在着竞争作用，高浓度的Na+会抑制植株独一K+的吸收，使K+/Na+升高[45]。盐生植物通常有两种形式来维持细胞质中的Na+平衡：一是Na+外排，另一个是Na+区隔化。Na+外排是指ATP 经过细胞膜上的质子泵水解，产生能量，它驱动质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白将多余的Na+从质体中排出，而多余的盐被分泌盐的盐生植物通过盐腺和盐囊从体内清除，从而抵抗高盐水平的影响。Na+区隔化是指在盐碱胁迫下，通过提高质膜和液泡膜离子泵活性，促进Na+转移到植物液泡中，以降低胞内盐浓度，保护质膜结构，维持膜系统的稳定。在大多数耐盐植物中，用Na+取代Ca2+，会破坏细胞结构，增加细胞通透性[46]。叶片中的主要渗透溶质之一就是K+，K+的外渗，导致细胞膜产生渗透胁迫，使其正常功能受损，进而破坏细胞的正常代谢及生理功能。植物对NaCl 的盐害非常敏感，酸枣在NaCl 胁迫条件下，抗氧化酶系统受到严重破坏，抑制其光合作用[47]。高丛越橘在高浓度NaCl 胁迫下，Na+和Cl-在叶中大量积聚，降低了根对K+、Ca2+和Mg2+以及茎和叶对K+的吸收能力，降低了植株从根到叶K+、Ca2+和Mg2+的整体运输能力，从而破坏了叶的离子平衡，导致离子毒害和生长受阻[48]。紫花苜蓿幼苗在受到混合苏打盐碱胁迫时根、茎和叶中会积累大量Na+[49]。黑麦草在盐碱胁迫下，通过根系中加强对K+和Ca2+的吸收来减少对Na+的吸收，叶片抵御胁迫则主要通过将Na+区隔在液泡和细胞壁中，说明黑麦草的不同器官应对胁迫的方式不同[50]。

2 褪黑素的生理功能及外源褪黑素在植物耐盐碱方面的应用

植物褪黑素（N-乙酰基-5-甲氧基色胺）于1993 年在日本牵牛花中首次被发现，1995 年公开发表[51]。随后多项研究陆续证明褪黑素在不同植物中的存在，甚至在单个植物的不同部位也存在褪黑素[52-54]。

褪黑素是迄今发现的最强的内源性自由基清除剂，其基本功能就是参与抗氧化，防止细胞产生氧化损伤[55]。褪黑素是一种多效性分子与植物生长素具有相同生物合成前体色氨酸，故与激素一样起吲哚-3-乙酸的作用，被认为是影响各种生物和非生物胁迫反应的候选植物激素。此外，褪黑素参与调节植物的生长和发育，参与许多生物过程并影响植物对环境胁迫的反应，可调节植物生长并缓解植物的环境压力，保护植物免受生物和非生物胁迫。褪黑素可通过提高抗氧化酶活性、光合效率和代谢产物的含量来改善植物的胁迫耐受性，同时植物在受到非生物胁迫也会增加植物褪黑素含量[56-58]。褪黑素是一种多功能信号分子，普遍分布在植物的不同部位，负责刺激对不利环境条件的多种生理反应，作为一种强大的生长调节剂、生物刺激剂和抗氧化剂，通过直接清除活性氧（ROS）延迟叶片衰老、减轻光合作用抑制并改善氧化还原稳态和抗氧化系统以及活性氮物种（RNS）。此外，外源褪黑素也提高对干旱、不利温度、盐度、重金属、酸雨和病原体的耐受性[59]。

2.1 外源褪黑素对盐碱胁迫下植物生长发育及生理生化代谢方面的影响

褪黑素已被广泛报道有利于植物生长和发育[60,61]。用10mol/L 褪黑素浸种，能提高盐胁迫下棉苗株高及生物量，同时对地下部根系的生长具有显著的调控作用[62]。低浓度褪黑素处理后的棉花种子发芽势和发芽率有明显增高，提升种子活力，增加了种子萌发后的生物量[63]。外源褪黑素也能改善植物的养分吸收。水稻幼苗喷施MT 后，其氮、磷、钾含量和转运系数明显要高于经过胁迫的水稻幼苗[64]。根施褪黑素减少叶片电解外渗、H2O2和MDA 含量等有毒物质的积累[65]。改善盐环境下甜瓜幼苗的质膜过氧化程度，从而增强其对盐胁迫的适应性[66]。外源褪黑素可通过修复线粒体来减轻非生物和生物胁迫引起的活性氧和细胞损伤[67]。褪黑素预处理后可减轻茶树在低温、盐分和干旱胁迫下产生的大量ROS，增加叶片中谷胱甘肽和抗坏血酸含量以及超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性，说明褪黑激素通过抑制ROS 的产生和调节抗氧化系统来保护茶树免受盐胁迫引起的损害[68]，在多种植物中也得到了验证[69,70]。褪黑素通过激活羊草芽和根中的抗氧化酶而减轻ROS积累量、降低丙二醛含量[71]。另一方面，盐环境下植物叶片会增加抗氧化酶活性和脱落酸、褪黑激素含量来应对盐环境，而外源褪黑素的施用促进了这些物质的增加。在盐环境下，应用褪黑激素能增加草莓的产量，同时叶片抗氧化酶和脱落酸含量也明显增加[72]。

2.2 外源褪黑素对盐碱胁迫下植物光合特性的影响

褪黑素能改善盐碱环境下植物的光合性能。偶春等[73]利用100mol/L 褪黑素处理低盐胁迫下的香椿幼苗叶片，结果发现，在该浓度的褪黑素处理下提高了叶片光合作用效率。盐胁迫下气孔限制是番茄幼苗叶片Pn 降低的主要原因，当外施褪黑素后Pn 增加，Gs和Ci 也随之增加，这是由于褪黑素对维持较高PSII潜在活性有一定的促进作用，通过维持较高的Rubisco活性、光能利用效率及克服气孔限制，从而减轻盐胁迫下番茄幼苗叶片光合作用的影响[74]。外源褪黑激素预处理部分减轻了过高的盐浓度对小麦生长的抑制[75]。用50mol/L褪黑激素处理种子的甜瓜叶绿素含量也要显著高于未处理的[76]。

2.3 外源褪黑素对盐碱胁迫下植物信号和转导基因调控的影响

褪黑素是一种无毒的生物分子，它是重要的次要信使分子，在应对各种非生物和生物胁迫中起着至关重要的作用[77-79]。褪黑素通过上调盐胁迫抑制的基因表达，能显著改善大豆对盐的耐受性，通过进一步研究表明，褪黑素可能通过增强参与细胞分裂、光合作用、碳水化合物代谢、脂肪酸生物合成和抗坏血酸代谢的基因来实现其在大豆中的促进作用[80]。一个与褪黑素生物合成相关的SlCOMT1 基因在胁迫下，番茄叶片中SlCOMT1 的转录水平与褪黑激素含量呈正相关，此外，与野生型相比，SlCOMT1 转基因番茄的超氧化物和过氧化氢含量较低，脯氨酸含量较高，因此，SlCOMT1 与褪黑激素的生物合成密切相关[81]。外源褪黑素可诱导双色柠檬草幼苗上调编码离子转运蛋白和囊泡转运蛋白基因的表达，以增强盐腺的盐分泌[82]。外源褪黑素预处理能够诱导SlRR 基因的表达以提高抗氧化酶的活性，从而减少自由基的产生，从而提高番茄对盐碱的耐受性[83]。

3 展望

植物应对盐碱环境是个复杂的过程，会通过形态结构、生理生化变化以及基因型来适应。目前植物的耐盐性在生理代谢等研究中取得了诸多成果，使用外源物质来提高植物的耐盐能力是近年研究的关注点之一。近年，褪黑素在植物的抗逆性研究中取得了许多成果，但在外源褪黑素的应用是否具有普遍性，对植物的作用机理方面尚未处于初始阶段，对外源褪黑素作用的深层机理还需继续研究，以期为植物抗逆研究提供理论依据和参考价值。