全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第1期
收稿日期:2007-10-15
基金项目:黑龙江省科技攻关计划重大项目(GA06B103-7)
作者简介:周琦(1982-),女,研究生,从事植物分子生物学方面的研究
通讯作者:崔继哲,女,教授;shiccc1@yahoo.com.cn
盐分是限制植物生长和产量的主要环境因素
之一[1]。发展盐土农业或海水农业(在陆地上种植
耐盐作物,利用海水进行灌溉)已成为当今世界研
究的热门领域。通过传统方法,如对种子进行预处
理[2]、嫁接[3]等都不同程度提高了植物的耐盐性,但
与人们的要求还相距甚远。近年,通过基因工程方
法将耐盐性基因转入植物,使植物的耐盐性得到了
明显改善[4]。
番茄(LycopersiconesculentumMil)是茄科番茄
属的一年生草本植物,属中度盐敏感型鲜食和加工
型蔬菜作物,其在高盐土壤上生育状况差。国内外
对番茄的耐盐性进行了广泛的研究。
随着蔬菜生产的发展,大棚蔬菜的栽培面积迅
速扩大,从而带来的大棚蔬菜土壤次生盐渍化成为
目前番茄种植遇到的主要问题。因此,为了丰富我
国番茄品种的遗传资源,改良番茄的耐盐性,选育
耐盐性强、品味好的品种一直是番茄育种的重要目
标。对番茄进行耐盐性研究和耐盐基因的转化研
究,也可为进一步研究其它双子叶植物的耐盐机制
和耐盐基因的转化奠定基础。现从盐害对番茄的影
响、番茄的耐盐机制、转耐盐基因番茄的研究现状
和耐盐性评价体系几个方面进行了阐述。
1 盐对番茄的伤害反应
盐胁迫会使细胞水势降低、离子失衡,并产生
离子毒性。对植物生理和生化各个方面都存在影
响。盐害影响番茄的整个生长发育进程,包括种子
萌发、根、芽的发育,严重时导致减产甚至植株的死
亡。
1.1 盐对番茄种子萌发和幼苗生长的影响
测定不同盐浓度胁迫下植物种子的发芽情况
番茄的耐盐性与耐盐转基因番茄
周琦 崔继哲 付畅
(哈尔滨师范大学生命与环境科学学院生物学系,哈尔滨 150025)
摘 要: 由于土壤盐渍化的日益加剧导致作物大量减产,通过基因工程的方法将耐盐基因转入作物,培育耐盐作
物新品种是开发利用盐碱地的一种经济、有效的手段。番茄是一种栽培广泛,具有重要经济价值的蔬菜,又是基因工程的
模式生物之一,开展番茄耐盐性研究具有重要意义。分析了番茄的耐盐性和转耐盐基因番茄的研究现状。
关键词: 番茄 耐盐性 耐盐基因 转基因 基因工程
Salt-toleranceofTomatoesandTransgenicTomatoesof
Salt-tolerantGenes
ZhouQiCuiJizhe FuChang
(ColegeofLifeandEnvironment,HarbinNormalUniversity,Harbin150025)
Abstract: Cropyieldisseverelyreducedasaresultofsoilsalination.Tocultivatesalt-tolerantcropsofnew
varietybygeneengineeringisaneconomicalandefectivemethodofdevelopingandusingthesesalineandalkaline
lands.Tomatoisakindofvegetablewhichiswidelygrownandhasimportanteconomicalvalue.Itisalsousedasa
modelcrop.Thestudiesonsalt-toleranceoftomatoesareofgreatmeaning.Thisarticleanalyzedtheresearchadvances
aboutsalt-toleranceoftomatoesandtransgenictomatoesofsalt-tolerantgenes.
Keywords: Tomato Salt-tolerance Salt-tolerantgene Transgene Geneengineering
2008年第1期
是评价抗盐能力的重要依据之一。盐分对番茄种子
萌发的影响主要是阻止从土壤中吸收水分。随着盐
浓度的提高,种子萌发的整齐度下降,萌发率降低,
发芽受损加强,出苗率下降。在一些品种中,萌发所
需要的时间延长[5,6]。盐胁迫直接影响番茄根的生
长以及根中营养元素和离子的吸收。盐浓度提高
时,根重下降。在相对低盐浓度下,根中氮的吸收不
受影响,但是,当 NaCl浓度达到 140和 200mmol·L-1
时,氮吸收量降低到正常生长条件下的 1/3。盐胁迫
下,番茄根对 Na+的吸收增加而对 K+,Ca2+,Mg2+的
吸收降低[7]。盐胁迫会减少番茄叶片面积,降低叶
片气孔密度[8]。番茄在生长发育过程中对盐胁迫的
耐受程度有所提高,开花和结实期较种子萌发期更
耐盐,年老植株较年幼植株更耐盐。
1.2 盐对番茄果实产量和品质的影响
番茄可鲜食、烹饪或加工,制成罐头、果汁、软
糖和各种酱类。番茄中富含的番茄红素具有防癌抗
癌、延缓衰老的作用。因此,番茄制品是世界公认的
健康食品。而盐害会影响番茄果实的生长、产量和
品质。盐胁迫使番茄果实变小,果实产量与单果重
下降,但番茄果实中的维生素 C、可溶性糖、可溶性
固性物及有机酸的含量提高[9],在盐碱地上生长的
番茄口感更好。
番茄产量的降低主要是指平均果重的降低或
所产生的果实数量的减少。在土壤饱和提取液中电
导率(ElectricalConductivity,EC)相对较低时,番茄
平均果重下降,果实数量不变。而在高 EC时,产量
降低主要是由果实数量的减少引起的。有趣的是,
果实越小,盐害对其产量的影响越小[10]。所以,在适
度或高盐浓度下,种植小果型番茄甚至樱桃番茄可
能是利用盐碱地的可行措施。
2 番茄的耐盐机制
盐分抑制植物生长的原因主要是缺水导致的渗
透胁迫和盐离子过量导致的毒害,并由此对细胞产
生一系列的次级胁迫,如过氧化物胁迫。尽管不同
植物的耐盐程度不同,它们具有共同的耐盐机制[4]。
番茄的耐盐性属于生理耐盐,是多种生理性状的综
合表现。这也决定了番茄耐盐机制的复杂性。番茄
的耐盐性体现在多个方面。
2.2.1 渗透保护剂及其耐盐机制 在盐胁迫下,细
胞外的水势低于胞内,细胞不仅不能吸收水分,而
且内部水分会向外倒流,引起细胞失水。为保持细
胞内的水分,维持细胞的正常生理代谢,细胞通过
渗透调节,使水分的运输朝着有利于细胞生长的方
向流动。起渗透调节作用的渗调剂根据其成分不同
可分为氨基酸、糖类及其衍生物,无机渗透调节物
质 Na+,K+,Cl-,Mg2+等。野生型番茄由于其具有吸盐
机制,盐逆境下,新叶中具有较高的 Na+浓度以及
较低 K+/Na+比,可通过 Na+来进行渗透调解,因此,
表现出盐土植物的特征。而栽培型番茄,则以合成
小分子有机物质为主。盐胁迫下,番茄叶片中脯氨
酸和可溶性糖含量有所增加[11],番茄中胞壁转化酶
和酸性可溶性转化酶含量显著增加[12,13]。转化酶作
为碳水化合物代谢的关键酶,经一段时间的胁迫后
出现高表达,将蔗糖水解为葡萄糖和果糖,从而保
持细胞的渗透压,提供合成其他有机溶质的碳架和
能量来源,保护酶类(如抗氧化酶系统),使植物抵
御伤害,维持正常代谢。在短期盐胁迫处理的条件
下,早期腐胺的积聚与耐盐性有关[14],这是因为在
胁迫处理的后期,腐胺会转变为脯氨酸,从而发挥
渗透保护的功能。
2.2.2 离子的选择性吸收与区域化分布 番茄植
株地上部 Na+的积累量越低,K+/Na+、Ca2+/Na+比值
越高,耐盐性越强[15]。在番茄耐盐性较强的品种
中,Na+和 Cl-的吸收量以及在叶片中的积累量都
有所降低。而对 K+的吸收有所增强,K+/Na+比值
提高[16]。不同番茄品种根中 Ca2+和 K+含量不同,根
中较高的 Ca2+浓度对于维持细胞中适宜的 K+浓度
是必需的。
除此之外,番茄质膜和液泡膜中都存在 Na+/H+
逆向运输。用等渗硝酸钙和氯化钠处理番茄幼苗后
发现,根系质膜和液泡膜中 H+-ATPase、焦磷酸 H+-
PPase的活性上升[17]。已从番茄中克隆到液泡膜 Na+
/H+逆 向 转 运 蛋 白 基 因 LeNHX1(AJ306630)和
LeNHX2(AJ306631)[18],说明该类基因在番茄的耐
盐性中起到了重要的作用。
2.2.3 抗氧化防御系统及其它 盐胁迫下,番茄体
内抗氧化防御系统激活,随着盐浓度的提高,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)和谷胱甘肽
周琦等:番茄的耐盐性与耐盐转基因番茄 35
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第1期
还原酶(GR)等含量均有所增加[11,19]。这些酶含量
的增加有利于降低膜脂过氧化程度,减轻膜伤害。
而盐胁迫下维持膜系统结构和功能的完整性是控
制离子吸收、运输和分配,表现抗盐性的必要条
件。Mitova等[20]发现,在 NaCl胁迫下,栽培番茄
(Lycopersiconesculentum)和野生番茄(L.penneli)
叶绿体抗氧化系统的反应不同。栽培番茄经 NaCl
胁迫后,H2O2含量和脂膜过氧化程度有所提高,而
在野生番茄中这种氧化胁迫作用却并不显著。它们
对盐胁迫的差异反应与叶绿体中抗氧化防御系统
的活性有关。在野生型番茄中,总 SOD、APX、单脱
氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、谷胱甘肽硫转移酶
(GST)等含量都有所增加,从而有效减轻了盐的伤
害反应。
另外,盐胁迫下所诱导的植物激素也对耐盐起
促进作用,如 ABA可诱导植物耐盐信号传导途径
中重要基因的表达,耐盐番茄较盐敏感番茄积累更
多的茉莉酸[21],茉莉酸主要介导一些信号传导过程,
如防卫反应、开花和衰老等。
3 与耐盐有关的基因及对番茄的遗传转化
目前已克隆的耐盐基因根据其作用机制可分
为几类:(1)具有渗透保护功能的基因,(2)与离子
吸收和区域化有关的基因,(3)具有抗氧化胁迫作
用的过氧化酶基因,(4)参与胁迫信号传导的基因,
(5)编码转录因子的基因。许多研究表明,通过将涉
及耐盐机制的基因转入植物,可使植物耐盐性显著
提高[22]。
将具有渗透保护功能的基因 (主要为编码甘氨
酸甜菜碱合成途径的关键酶基因,如大肠杆菌 betA
基因、山菠菜 BADH基因)转入番茄后赋予其合成甘
氨酸甜菜碱的能力[23~26]。转入该类基因的番茄与野生
型相比,K+和 Ca2+含量有所提高。在用 200mmol·L-1
的 NaCl短期处理后,无明显受害现象,转基因番茄
耐盐性较野生型显著提高。
除合成渗透调节剂外,控制离子的吸收和运输
在耐盐机制的研究中倍受关注。具有离子稳态功能
的基因(主要为 HAL类基因)和将 Na+区域化至液
泡中的基因(主要为 AtNHX1基因)转入番茄后,其
耐盐性显著提高[27~32]。将啤酒酵母 HAL1基因转入
番茄,用 175mmol·L-1的 NaCl处理 10d后,叶片仍
深绿,生长良好,而对照的叶片变黄,基部脱落且伴
有坏死现象[31]。这是因为 HAL1基因转入番茄后,
在盐胁迫时,内部 K+浓度提高而 Na+浓度降低的结
果[28]。将拟南芥 AtNHX1基因转入番茄后,转基因
番茄在 200mmol·L-1的 NaCl溶液中生长、开花、结
实,并将吸收的 Na+积累在叶片中,果实不受影响[30]。
近来,张桂和等[32]将海蓬子 Na+/H+逆向转运蛋白基
因(Nhap)转入番茄中,转基因植株的相对含水量、
质膜透性、K+/Na+比和叶绿素含量明显高于对照,
这说明 Nhap基因起到了调节作用,与 Zhang等[30]
的研究结果一致。另外,将参与胁迫信号传导的拟
南芥 CBF1基因转入番茄后发现,转基因番茄在低
温、干旱和盐胁迫处理的情况下,生长均优于对照[33]。
陈火英等[34]将大麦 HVA1基因转入番茄中,转基因
植株表现出一定的耐盐性。大麦 HVA1基因可编码
晚期胚胎富集蛋白,它的作用机制目前研究得还不
是很清楚,有人认为它在维持细胞结构的完整性方
面起作用。
番茄遗传转化较为成熟的方法是农杆菌浸染
法。转耐盐基因的研究也主要集中在单基因转化。
由于植物的耐盐性是多种生理性状的综合表现,由
位于不同染色体上的多个基因控制,因此,培育转基
因耐盐作物可能需要同时转移多个基因。刘晶等[35]
运用农杆菌浸染法向转 AtNHX1的番茄 Moneymaker
株系 X1OEA1自交二代植株(T2)中转入山菠菜甜
菜碱醛脱氢酶基因 (BADH)。在 200mmol·L-1的
NaCl胁迫下,双转化的番茄植株各项生理指标均
优于单转化 AtNHX1的番茄。初步证明双基因转化
有助于增强番茄的耐盐性。花粉管通道法由于适用
于各种开花植物,也被广泛应用于番茄转基因育种
中。采用花粉管通道技术将耐盐植物总 DNA转入
番茄,是比较理想的多基因转化途径[36~38],但多基
因转化存在副作用。
4 番茄的耐盐性评价
4.1 番茄耐盐性评价的指标
耐盐性评价是番茄耐盐性研究中的重要环节。
如前所述,番茄受到盐害的影响,并通过不同的机
制来抵御这种伤害反应。由于对番茄耐盐性研究的
最终目的是获得高产的、品质优良的新品种,产量
是评价番茄耐盐性的重要指标。同时,可从外观、生
36
2008年第1期
理、生化等多方面综合考虑番茄的耐盐性。对于转
耐盐基因的情况,还应特别关注与转入基因的特性
密切相关的生理和生化变化。
对番茄进行耐盐性评价所用的形态指标主要
为株高、叶片数、生根率等。需要注意在比较不同基
因型之间的差异时,应测定其相对生长率。由于番
茄在盐胁迫处理时生物量有所降低,可依据干重、
鲜重的变化衡量其对盐胁迫的耐受程度。盐胁迫使
番茄细胞膜受到破坏,光合作用受到影响,通过对
相对电导率(Rc/Rc’),光合速率(Pn),叶绿素含量
(Chla+b,Chla/b),叶绿素荧光(Fv/Fm)等的测定,
都可反映出它的耐盐性。番茄和许多其它作物一
样,其耐盐性是受发育阶段调控的[39],但目前对番
茄耐盐性的研究多集中在发育早期[40,41]。这是因为
番茄对盐害最敏感的时期是种子萌发期和幼苗生
长期。
脯氨酸在植物对盐胁迫的适应中具有重要作
用,是耐盐性评价中被广泛认可的生理指标。
Wilfried[42]经研究证实,脯氨酸可作为水培番茄最终
果实产量和品质的鉴定指标。费伟等[11]发现,在相
同胁迫条件下,耐盐番茄品种较盐敏感品种积累更
多的脯氨酸,但当盐浓度达到 2/3人工海水浓度处
理时,脯氨酸含量有略微下降趋势。这说明盐胁迫
浓度超过了植物的调节范围,脯氨酸的积累可能是
细胞结构和功能受到破坏的结果,是一种伤害反
应。另外,可溶性糖、丙二醛(MDA)含量以及 SOD、
POD活性等都可作为番茄耐盐性评价的指标。
4.2 番茄耐盐性评价中存在的问题
目前番茄的耐盐性评价过程中有一些问题值
得探讨:(1)由于盐土和海水中的主要离子含量为
Na+和 Cl-,在目前的耐盐性评价过程中以 NaCl进
行胁迫的情况居多。但以 Na2CO3和 NaHCO3为主要
成分的碱土往往与盐土并存,其水解后产生的
NaOH对植物根系有较强的腐蚀作用。另外,随着
土壤次生盐渍化的日益加重,Ca2+和 NO3-的含量也
有增加的趋势。因此,应根据具体情况选择适宜的
盐水进行胁迫处理。(2)许多研究表明,Ca2+在植物
的耐盐过程中起作用,外施 Ca2+会减轻 NaCl的毒
害作用,这可能是由于提高了 K+/Na+的选择性[43]。
因此,在进行盐胁迫处理时,可添加适量的 Ca2+。
(3)由于耐盐性是一个长期效应,应避免过高盐浓
度导致的渗透胁迫,逐步提高胁迫处理所用盐水的
浓度。同时,应建立以产量性状为主要评价标准的
评价体系,以考查耐盐性的长期效应。(4)番茄的不
同生长阶段具有不同的耐盐机制,故耐盐性评价不
应只局限在某个时期。(5)在对转基因耐盐番茄进
行评价时,应尽可能多地比较亲代和转基因世代在
对照和盐胁迫处理情况下的差异。并且尽量选择遗
传稳定的高世代,如 Cuartero等[3]建议使用转基因
第 3代中纯合的株系。
5 展望
番茄耐盐种质资源的收集与评价已经取得了
很大进展,通过传统育种的方法来获得耐盐性番茄
具有其自身的优势,但进展缓慢。已有的研究表明,
转单个耐盐基因可以显著提高番茄的耐盐性,这说
明可以通过关键限制因素调控植物的总体耐盐性。
目前,已克隆鉴定了许多耐盐相关基因(超过 700
个专利)[44],但由于对这些基因在细胞、组织、以及
整株植物的功能方面缺乏了解,成功应用这些基因
获得耐盐栽培作物的实例还不是很多。深入研究这
些基因,并揭示其功能,采用基因工程手段培育耐
盐番茄将具有广阔的前景。通过加强对番茄耐盐性
遗传规律的研究,加强番茄耐盐生理、生化研究,不
断完善番茄耐盐性评价体系,耐盐番茄新品种将在
生产和生活中发挥日益重要的作用。
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的多样性会被不断揭示出来。但在方法学上,基因
突变结合其在引起植物反应的形态表型上变化的
比较分析还是最主要的手段。更深入的研究将在细
胞水平开展,即发现青枯菌的效应蛋白对植物细胞
的作用,并鉴定出宿主细胞中能与青枯菌效应物相
互作用的靶标。
对青枯菌 hrp基因的深入研究还发现这是一
个十分精细的感应调节系统。它的表达受到环境及
植物宿主等各种外界信号的调控,目前的研究发现
仅是揭示出冰山一角。接下去的工作从植物细胞、
根际及土壤环境中寻找促使 hrp基因表达的信号
及其传递途径。通过这方面的研究,找到阻断信号
传递的有效方法将会在青枯菌病害的防治上显现
出实用价值。
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