全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第4期
收稿日期:2008-01-21
基金项目:教育部科技基础平台项目(505016)和教育部科学技术研究重点项目(205178)
作者简介:高海波(1983-),女,硕士研究生,主要从事植物基因工程研究
通讯作者:张富春,Tel:0991-8583259,E-mail:zfcxju@xju.edu.cn
土壤盐渍化极大地限制了农作物的生长和产
量[1]。新疆地处欧亚大陆,是中国最大的荒漠盐土
区。通过生物技术手段来提高植物尤其是农作物对
盐碱地的适应性一直是人们关注的焦点。藜科植物
由于长期处于干旱和高盐的环境中,在形态和生理
上形成了与之相适应的机制,并成为开展耐盐研究
的首选植物。近年来,关于藜科植物的耐盐性研究
主要集中于从其形态解剖学(轴器官中异常结构的
存在及特殊环境下少数耐盐植物进化出特殊器官
进行泌盐和稀盐)、盐胁迫下的生理响应(包括离子
区隔化、渗透调节、激素调节、抗氧化酶的诱导、光
和途径的改变、盐胁迫信号的转导等))及分子生物
学角度 (如部分盐相关基因的克隆和转基因研究)
探讨其耐盐机制,就这方面的研究进展介绍如下。
1 藜科植物耐盐的形态解剖学研究
藜科植物大多分布在沙漠干旱环境和盐碱地
带,在长期的发展和进化过程中逐渐形成了与环境
相适应的形态结构。
1.1 藜科植物的轴器官
藜科植物显著的解剖学特点在于其轴器官中
普遍存在异常结构(由初生分生组织异常活动以及
由异常形成层(额外形成层)活动所产生的结构的
统称,具有遗传特性),这也是藜科植物的轴器官区
别于一般双子叶植物根、茎的主要结构特征[2]。Fahn
和 Shchori研究藜科 4种荒漠植物异常次生结构
时,采用放射自显影方法证明异常结构中的韧皮部
藜科盐生植物的形态特征与耐盐分子机理研究进展
高海波 张富春
(新疆大学生命科学与技术学院 新疆生物资源基因工程重点实验室,乌鲁木齐 830046)
摘 要: 在非生物环境胁迫因子中,盐胁迫是造成农作物减产的主要因素之一。从藜科植物耐盐的形态生理学机
制和分子生物学角度入手,讨论了藜科植物耐盐基因工程的新进展,探讨藜科盐生植物的盐胁迫机理,为利用基因工程
手段培育耐盐植物奠定基础。
关键词: 藜科植物 形态特征 盐胁迫 耐盐机理 基因工程
AdvancesinResearchontheMolecularMechanism ofPlant
SalinityToleranceandMorphologicalCharactersof
Chenopodiaceae
GaoHaibo ZhangFuchun
(KeyLaboratoryofMolecularBiology,ColegeofLifeScienceandTechnology,XinjiangUniversity,XinjiangKeyLaboratory
ofBiologicalResourcesandGeneticEngineering,Urumqi830046)
Abstract: Soilsalinity,oneofthemajorabioticstresesthatcanbeabletoreduceagriculturalproductivity,afects
largeterestrialareasoftheworld.Inthispaper,themechanismsofsalttolerancewerediscusedinsomedetail,focusing
ontherecentexperimentationofChenopodiaceae,andthetheoreticalbaseforthemorerescarchofplantsaltwere
establishedtoleranceaswelasbreedingofsalttolerancecrops.
Keywords: Chenopodiaceae Morphologicalcharacter Saltstres MechanismofsalttolerantGeneengineering
2008年第4期
具有多年活力,有良好的耐久性,认为这种结构是
适应干旱盐生环境的结果,在生态解剖学方面具有
重要的生态学意义[3]。Baird和 Blackwel认为,异常
结构尤其是大量的薄壁结合组织细胞具有对盐生
环境的生态适应性[4]。藜科植物根、茎基和茎轴器
官的比较解剖表明,该科多数植物具有 4种附加维
管柱结构式样和一些过渡类型。这显示出藜科植物
轴器官在解剖学上的结构多样性特征[5]。藜科植物
在轴器官中呈现的多样性的结构特征与其生存环
境密切相关。轴器官中异常结构的存在使得藜科植
物相比一般双子叶植物更能有效地避免高温、高盐
和干旱对韧皮部的损伤。轴器官结构的多样性是藜
科植物长期适应干旱高盐环境所形成的进化形状
和形态特征。
此外,藜科植物茎多表现为肉质化,这是真盐
生植物(Stemsucculenteuhalophytes)所具有的重要的
形态特征。如藜科中的盐穗木属(Halostachys)植物,
如盐穗木(H.belonggeriana)、盐节木属(Halocnemum)
植物,如盐节木(H.strobilaceum)、盐爪爪属(Kalidium)
植物,如圆叶盐爪爪(K.schrenkianum)、尖叶盐爪爪
(K.cuspidatum)等。茎的肉质化能够使盐离子积累
在绿色组织的液泡中及肉质化中柱中,从而在最大
程度上减轻盐胁迫对植物的危害。
1.2 藜科植物的叶和同化枝
在长期的发展和进化过程中,藜科植物为适应
盐碱、干旱等恶劣环境在形态结构上逐渐发生了许
多变异,如:表皮具毛,气孔器下陷,叶片肉质化且
其角质膜增厚;多为等面叶且栅栏组织发达;部分
植物叶片退化成鳞片状,而由同化枝执行光合功
能;多数植物叶片和同化枝内部具有粘液细胞和含
晶细胞,具有发达的贮水组织、盐腺或囊泡。邓彦斌
等对生长在典型荒漠和盐碱地的藜科 8属 10种植
物的叶和同化枝的解剖学研究表明,这些植物的叶
片及其角质膜都较厚,多数植物叶片密被表皮毛,
气孔器均有不同程度下陷。梭梭(Haloxylonammo-
dendron)、盐穗木等植物的叶片退化由茎行使其同
化功能,叶和同化枝中普遍存在含晶细胞。驼绒藜
(Ceratoideslatens)、梭梭等植物内部有发达的贮水
组织,费尔干猪毛菜(Salsolaferganica)的叶表面具
盐腺[6]。这些结构的存在对于减少蒸腾、提高光合
作用效率、增大细胞的渗透势、保水贮水等方面具
有重要的生理作用。
叶片肉质化是藜科真盐生植物所具有的一类
共 同 特 征 。 叶 肉 质 化 真 盐 生 植 物 有 碱 蓬 属
(Suaeda),如盐地碱蓬(S.salsa)、碱蓬(S.glauca)等,
猪毛菜属(Salsola)植物如猪毛菜(S.scopparia)、天
山猪毛菜(S.junatoxxi)。这些植物通过将盐离子积
累在叶片肉质化组织及绿色组织的液泡中来减轻
高盐的危害。特殊环境下少数耐盐植物可进化出特
殊器官如盐腺或盐囊泡等进行泌盐和稀盐,藜科泌
盐盐生植物普遍具有盐腺或盐囊泡。如滨藜属
(Atriplex)、藜属(Chenopodium)、猪毛菜属(Salsola)
植物。它们通过盐腺或叶表面的盐囊泡将吸收到体
内的盐分分泌到体外或分泌到囊泡中,暂时贮存起
来,藜科植物叶和同化枝形态结构上的变异对于其
适应盐碱干旱环境具有积极作用。
2 藜科植物耐盐的分子机理
藜科植物在盐胁迫下的生理响应可概括为以
下几个方面:离子区隔化、渗透调节、抗氧化酶的诱
导、光和途径的改变及盐胁迫信号的转导等。
2.1 离子区隔化
无论甜土植物还是盐土植物均不能忍受细胞
质中含有大量盐分,它们通过将盐分限制在液泡或
区隔在其它组织器官以使代谢正常进行[7]。将钠离
子区隔化于液泡中是由 Na+/H+反向运输体完成的,
液泡膜上两种产 H+泵 (H+-ATPase和 H+-PPase)为
其提供能量[8]。H+-ATPase是大多数植物主要的 H+
泵,它为次级运输提供能量并且能够维持离子的动
态平衡,对于植物正常的生长发育是必不可少的。
在盐、干旱、冷等胁迫下,细胞的存活主要取决于
H+-ATPase活性的维持和调节,如盐地碱蓬在遭受
盐胁迫时,其策略主要是上调 H+-ATPase活性,而
H+-PPase则起次要作用[9]。Wang等的研究表明,在
对盐地碱蓬耐盐性的贡献上,液泡膜 H+-ATPase的
作用要大于 H+-PPase的作用[10]。
目前已经克隆的藜科植物液泡膜 Na+/H+逆向
转运蛋白、H+-ATPase和 H+-PPase基因有北滨藜
(Atriplexgmelini)的 AgNHX1、碱蓬的 SsNHX1和
SsVP、盐角草(Salicorneuropaea)的 SeNHX1、盐爪爪
的 KfNHX,盐穗木的 HcNHX、灰绿藜(Chenopodium
高海波等:藜科盐生植物的形态特征与耐盐分子机理研究进展 23
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第4期
glaucum)的CgNHX和CgVP1等。Hamada等在mRNA
和蛋白水平上观测到盐生植物滨藜的 AgNHX1是
受盐胁迫诱导的,在缺失液泡膜 NHX1的酵母突变
体中表达 AgNHX1提高了对盐的耐受性,表明
AgNHX1在耐盐方面起重要作用[11]。盐胁迫可以增
强碱蓬 SsNHX1的表达,且该基因的表达具有组织
特异性。NaCl胁迫条件下,碱蓬 SsNHX1在茎中的
表达明显高于根中[12]。最近的研究更显示了 NHX在
培育耐盐作物方面巨大的应用价值:如 Ohta等研
究发现,在水稻中过量表达来自滨藜液泡膜的 Na+
/H+逆向转运蛋白基因 AgNHX1可提高水稻的耐盐
能力,转基因液泡膜 Na+/H+逆向转运蛋白活性是
非转基因的 8倍,转基因水稻能够在 300mmol/L
NaCl条件下存活 3d[13]。Zhao等[14]将盐地碱蓬液泡
膜 SsNHX1转入水稻,转基因水稻中 Na+/H+逆向转
运蛋白基因上调并显著提高其耐盐性,可溶性糖的
含量及光和作用能力也得到了相应的提高。H+-
PPase基因用于转基因研究也可增强植物的耐盐
性,将盐地碱蓬 H+-PPase基因 SsVP转入拟南芥,
400mmo1/LNaC1处理能够诱导转化植株叶中 SsVP
的表达,转基因拟南芥的耐盐性和耐旱性均得到显
著的提高[15]。
2.2 渗透调节
植物在受到盐分胁迫时,由于外界渗透压较
低,难于吸收水分,容易造成细胞内的水分亏缺。为
了避免这种伤害,植物会主动积累一些可溶性物
质,通过渗透调节来降低细胞的渗透势,从而使水
分顺利地进入植物体内,保证植物生理活动的正常
进行。渗透调节分为无机渗透调节和有机渗透调
节。参与无机渗透调节的离子主要是 Na+、K+、Ca2+
和 Cl-,参与有机渗透调节的主要是一些小分子化
合物类。小分子化合物不干涉细胞正常的代谢过
程,主要包括氨基酸类、有机酸类、可溶性碳水化合
物类和糖醇类[16]。早在 1975年,Story和 Wyn-Jones
等[17]就观察到盐或水分胁迫会引起包括禾本科、藜
科在内的许多植物细胞内甜菜碱的累积。Martínez
JP等对滨藜的研究表明可溶性糖是主要的渗透调
节物质,用 PEG和 NaCl同时处理的可溶性糖的含
量要比 PEG单独处理高得多,这说明 Na+可能影响
到糖的合成和转运[18]。将盐地碱蓬用不同浓度的NaCl
处理 10d后,蛋白组学分析表明包括与甘氨酸甜菜
碱合成相关酶在内的许多蛋白都在碱蓬耐盐过程
中发挥重大作用[19]。
目前,对于这方面的研究主要集中于少数渗透
调节物质如:脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、肌醇等在植物
体内合成过程中的关键酶基因的克隆与转化。从盐
地碱蓬中已经克隆出了△1-二氢吡咯-5-羧酸合成
酶 基 因 (SsP5CS) 和 肌 醇-1-磷 酸 合 成 酶 基 因
(SslNPS),两者分别是脯氨酸合成及肌醇合成的关
键酶基因。对其表达特性分析表明,在盐胁迫下,两
者转录水平均有上调,提示两者可能与抗盐特性有
关[20,21]。在某些植物中甘氨酸甜菜碱可作为渗透调
节物质而累积,在保护植物抵制盐胁迫的过程中发
挥重要作用。Tabuchi等从滨藜中克隆到与甘氨酸
甜菜碱生物合成有关的主要酶胆碱单加氧酶
(CMO)、磷酸乙醇胺 N-甲基转移酶(PEAMT)和 S-
腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)的基因,研究发现叶
和茎中 CMO在转录和蛋白水平的表达量要高于根
中,表明甘氨酸甜菜碱主要在芽中合成。叶片中
SAMS与 PEAMT和 CMO在转录本底水平共同调节
以提供充足的甲基供体-S-腺苷甲硫氨酸用于合成
甜菜碱[22]。从盐地碱蓬中克隆到甜菜碱合成酶基因
SsBADH和 SsCMO,通过农杆菌介导将融合基因转
入烟草中,转基因烟草表现出较强的耐盐性[23]。
2.3 抗氧化与膜保护
植物在正常代谢及胁迫条件下,细胞内的各种
反应能产生超氧自由基、过氧化氢和单线态氧等。
在保护细胞膜、抵抗盐分胁迫所造成的氧化逆境过
程中,对活性氧的清除是植物体重要的保护机制[24]。
抗氧化酶如过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物
酶(APX)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽还原酶
(GR),超氧化物岐化酶(SOD)的活性在盐胁迫时
上升,抗氧化酶的活性高低与耐受程度存在某种关
联[25]。Wang等[26]在检测 C3盐土植物盐地碱蓬叶片
中 SOD的特异性调节时发现,盐胁迫和渗透压能
引起 SOD同工酶明显的微调,且这种微调在碱蓬
抗逆过程中发挥主要作用。盐胁迫下用 0.60和
1.80mmol/LALA(5-氨基乙酰丙酸)处理藜科植物
菠菜(Spinaciaoleracea)的叶片 3d后,抗坏血酸过
氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还
24
2008年第4期
原酶(GR)的活性显著增强,说明高水平的抗氧化
剂和酶活性可保护植物抵制抗氧化损伤,提高其耐
盐性[27]。从 400mmol/LNaCl处理的盐地碱蓬地上部
分的 cDNA文库中克隆了两个编码过氧化氢酶的
cDNA(Sscat1和 Sscat2),研究发现 Sscat1和 Sscat2
在盐地碱蓬中是差异调控的,生理分析表明过氧化
氢酶的活性在盐胁迫条件下显著提高[28]。
2.4 光合途径的改变
盐胁迫能够降低植物细胞中的水势从而对光
合作用产生了抑制,所以对于植物来说耐盐的主要
策略便是提高水分的利用效率。为了达到这个目
的,某些藜科植物可转换光合作用方式,如由 C3途
径转换成 CAM途径[29]。CAM植物在夜间气孔开放
进行 CO2的吸收和固定,白天气孔关闭从而减少蒸
腾量,故 CAM植物较 C3植物具有更强的抗逆能
力。例如,研究发现大滨藜(Atriplexlentiformis)在盐
胁迫条件下代谢途径可由 C3转为 C4[30]。
2.5 激素调节与盐胁迫信号的转导
非生物胁迫能引起植物体内激素水平的升高,
如脱落酸(ABA)和细胞分裂素等[31]。ABA不仅能诱
导盐胁迫相关基因的转变还能缓解 NaC1对植物光
合作用、同化作用和正常生长所造成的抑制[32~33]。
盐胁迫下,Ca+吸收的增量同 ABA的升高量相关,
这对维持细胞隔膜的完整性非常有利。细胞隔膜完
整性能使植物在外界高盐浓度下长期的控制吸收
和传输功能[34]。除上述几种机制外,目前研究的另
一个关键问题是植物体是如何接收环境中盐胁迫
信号以及这些信号是如何从分子水平上发生作用
到最后产生应答,即植物盐胁迫的信号转导过程。
现已发现的信号转导通路主要有 SOS途径、MAP
激酶信号转导途径、钙神经元(CAN)途径、ABA依
赖途径等。目前已经有充足的实验证据显示,可逆
性蛋白质磷酸化,胞液中钙离子浓度的改变以及作
为 ABA信号转换媒介的环境的酸碱度对植物的生
理变化具有非常重要的作用[35]。
2.6 盐胁迫相关的转录因子和调控元件
在环境胁迫下,藜科植物会特异性表达一些与
胁迫相关的基因,通过对各种功能基因进行精确的
调控使其在不同的时间、空间协调表达,以达到抵
抗逆境的目的。研究发现,启动子附近的顺式作用
元件(cis-actingelements)以及与之相结合的反式作
用因子(trans-actingproteinfactor)可以调控这类基
因的表达。ABA应答元件(ABAresponsiveelement,
ABRE)及其偶联元件(couplingelement,CE);干旱
应答元件(droughtre-sponsiveelement,DRE);乙烯
应答元件(ethylenere-sponsiveelement,ERE)等是目
前研究得比较清楚的顺式作用元件。通过分析这些
元件的核心序列有助于进一步了解在参与干旱、高
盐或低温胁迫应答基因的启动子中,它们是如何与
转录因子相互作用在逆境下调节这些应答基因的
表达的。反式作用因子也称为转录因子,它通过与
顺式作用元件相互作用调控下游基因的表达。如与
ABRE顺式作用元件结合的 bZIP(basicdomain/
leucinezipper)类转录因子、与拟南芥的 DREB转录
相关的 AP2类转录因子等。
在藜科植物中,其它一些调控序列如转录起始
因子、表达序列标签等备受关注。RauselA等[36]从
藜科耐盐植物糖用甜菜的 cDNA文库中筛选到编码
真核转录起始因子(eIF1A)的 cDNA克隆(BveIF1A),
研究发现过量表达糖用甜菜 eIF1A的酵母其耐盐
性得到了显著提高。此外,转 BveIF1A的拟南芥对
NaCl的耐受性也得到了提高,这些结果表明转录
起始因子 eIF1A对于酵母和植物的抗盐方面起重
要作用。从 NaCl胁迫下盐地碱蓬的 cDNA文库可
以筛选到大量的表达序列标签(EST),为进一步的
耐盐研究提供了丰富的材料[37]。近年来的研究还发
现一些小的非编码 RNA是 mRNA降解、转译抑制
和染色质修饰的重要调控分子,如 MicroRNAs
(miRNA)和 siRNAs。代谢途径中的酶类基因、转录
因子、泛蛋白化途径中的酶基、信号转导组分和涉
及 RNA加工、蛋白质合成方面的基因是这些
miRNA作用的靶基因。Sunkar等[38]研究发现,在鉴
定的 43个 miRNA中有 4个在不同的非生物胁迫
(低温、干旱、盐渍和 ABA处理)下表达上调或下
调。由此可见,miRNA可能在植物对环境胁迫的应
答中起重要的调控作用。同时还发现一些内源小
RNAs也可能在植物对环境胁迫的应答方面起重要
作用。
3 结论与展望
藜科植物耐盐特性表现在两个方面:形态特征
高海波等:藜科盐生植物的形态特征与耐盐分子机理研究进展 25
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第4期
主要表现为轴器官具异常结构和特殊环境下少数
耐盐植物进化出特殊器官进行泌盐和稀盐;盐胁迫
下的生理响应主要包括离子区隔化、渗透调节、抗
氧化酶的诱导、光合途径的改变、激素调节、盐胁迫
信号的转导以及转录因子和调控元件等。
利用野生藜科植物耐盐碱基因来改良作物农
艺性状,培育耐盐碱的作物品种有重要意义。目前,
对藜科植物耐盐的分子生物学研究主要集中于质
膜和液泡膜 Na+、K+转运蛋白、Na+(K+)/H+逆向转运
蛋白及 H+-ATPase、H+-PPase基因,与渗透调节有关
的基因、保护酶基因等进行克隆和功能分析,同时
转基因工作也证实耐盐相关基因在培育转基因耐
盐植物方面具有巨大的应用前景。但由于植物耐盐
性是一个受多基因控制的复杂的数量性状,受植物
种类、基因型和内部生理生化反应等诸多方面的影
响。虽然了解到一些藜科植物在盐胁迫条件下的反
应变化,但却不能确定哪一种反应是主要的,有多
大的利用可能性,可以产生多大的耐盐效应。在转
基因植物方面,如何协调好外源基因与内源基因的
关系,控制好基因的表达时间和表达量,避免对作
物的消极影响等问题还有待进一步研究。但是随着
分子生物学技术和基因工程的发展,随着对藜科植
物生理生化和分子水平上的深入研究,在不久的将
来藜科植物的耐盐性研究会取得重大突破,必然会
在植物抗逆研究方面发挥其难以比拟的优势,必可
通过它来培育出更多具有实际应用价值的植物新
品种。
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