全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015233 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
张金林,李惠茹,郭姝媛,王锁民,施华中,韩庆庆,包爱科,马清.高等植物适应盐逆境研究进展.草业学报,2015,24(12):220236.
ZHANGJinLin,LIHuiRu,GUOShuYuan,WANGSuoMin,SHIHuaZhong,HANQingQing,BAOAiKe,MAQing.Researchadvancesin
higherplantadaptationtosaltstress.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(12):220236.
高等植物适应盐逆境研究进展
张金林1,李惠茹1,郭姝媛1,王锁民1,施华中2,韩庆庆1,包爱科1,马清1
(1.草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020;
2.美国德克萨斯理工大学化学与生物化学系,德克萨斯 拉伯克 TX79409,美国)
摘要:土壤盐碱化已经成为制约农作物生长及产量的重要因子之一,寻求将盐碱化对植物的危害降低到最小程度
的策略势在必行。关于植物对盐逆境适应能力的研究已成为全球关注的热点,如何提高植物的耐盐能力也已成为
研究的重中之重。深入探究高等植物适应盐逆境的机制,有助于提高植物耐盐性,增加作物产量和保护生态环境。
本文就高等植物适应盐逆境的重点研究进展,综述了盐胁迫对植物的危害;植物耐盐的生理机制,包括渗透调节、
营养元素平衡和增强抗氧化胁迫等;植物耐盐相关基因研究进展,包括离子转运蛋白基因、渗透调节相关基因、信
号传导相关基因和细胞抗氧化相关基因等;提高植物耐盐性的途径。最后针对今后植物适应盐逆境方面的研究方
向进行了展望。
关键词:高等植物;盐胁迫;耐盐性;耐盐基因
犚犲狊犲犪狉犮犺犪犱狏犪狀犮犲狊犻狀犺犻犵犺犲狉狆犾犪狀狋犪犱犪狆狋犪狋犻狅狀狋狅狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊
ZHANGJinLin1,LIHuiRu1,GUOShuYuan1,WANGSuoMin1,SHIHuaZhong2,HANQingQing1,
BAOAiKe1,MAQing1
1.犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犌狉犪狊狊犾犪狀犱犃犵狉狅犲犮狅狊狔狊狋犲犿狊,犆狅犾犾犲犵犲狅犳犘犪狊狋狅狉犪犾犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔,犔犪狀狕犺狅狌犝狀犻
狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730020,犆犺犻狀犪;2.犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犆犺犲犿犻狊狋狉狔犪狀犱犅犻狅犮犺犲犿犻狊狋狉狔,犜犲狓犪狊犜犲犮犺犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔狌犫犫狅犮犽犜犡79409,
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犃犫狊狋狉犪犮狋:Soilsalinityisaseriousworldwideproblemcausingreductionincropgrowthandagriculturaloutput
potential.Consequently,findingnewwaystominimizetheadverseeffectsofsoilsalinizationonagricultureis
globalyimportant.Understandingtheadaptationmechanismsofhigherplantstosaltstressiscriticalforen
hancingsalttoleranceandyieldsofcropplantsaswelasprotectingecologicalenvironments.Inthispaper,we
reviewedthekeyprogressesinsaltstressadaptationofhigherplants,includingtheeffectsofsaltstressin
plants;physiologicalmechanismofplantsalttolerance(osmoticadjustment,nutrientbalanceandtheantioxi
dantsystem);thediversityofgenesrelevanttosalttolerance(iontransportingproteingenes,osmoticregula
tionrelatedgenes,signaltransductionrelatedgenesandcelularantioxidantrelatedgenesandsoon);andthe
approachesforcropimprovementinsalttolerance.Prospectsfordevelopingcropplantstoleranttosalinityare
alsodiscussed.
犓犲狔狑狅狉犱狊:higherplants;saltstress;salttolerance;salttolerantgenes
第24卷 第12期
Vol.24,No.12
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年12月
Dec,2015
收稿日期:20150507;改回日期:20150714
基金项目:国家自然科学基金项目(31222053,31170431和31172256),教育部“长江学者和创新团队发展计划”(IRT13019)和中央高校基本科研
业务费项目(lzujbky2014m01和lzujbky2015194)资助。
作者简介:张金林(1975),男,甘肃泾川人,教授,博士生导师,博士。
通信作者Correspondingauthor.Email:jlzhang@lzu.edu.cn
地球表面70%的面积被海洋覆盖,海水中Na+浓度大约在500mmol/L以上,而K+浓度仅为9mmol/L[1];
地壳当中钠元素含量为2.8%,而钾元素为2.6%[2]。因此,地球被称为“咸行星”[1]。在中世纪,盐(氯化钠,
NaCl)被称为“白色金子”,因为它是和黄金一样昂贵的商品[3]。盐碱土在陆地生态系统上分布广泛,全世界盐渍
土面积约l0亿hm2[4]。在全球的干旱和半干旱地区,约有50%的灌溉土地受到盐碱化的影响,区域内的非灌溉
土地同样会发生盐碱化[4]。中国土地盐渍化大约占到全球盐渍土面积的1/10[5],从滨海到内陆,从低地到高原
都分布着不同类型的盐渍化土地[6]。在长期的自然进化过程中,海洋植物保留了对高浓度盐分的耐受性,然而,
大多数陆生高等植物在进化过程中丧失了这种耐受性而采取了一种甜土植物的生活方式[7]。土壤中可溶性盐分
过多,会对植物造成伤害[4,8]。因此,土壤盐碱化已经成为影响农作物生长及产量的重要因子之一,关于植物对
盐逆境适应能力的研究已成为全球关注的热点。如何提高植物的耐盐能力已成为研究的重中之重。高等植物对
盐逆境的适应是一个综合的生物调节过程,需要各种生理生化过程的协同作用,而非某种单一的过程就能够使植
物成功地抵御盐逆境。本文综述了盐胁迫对植物的危害,植物适应盐逆境的方式,提高植物耐盐性的途径和植物
耐盐的相关基因研究进展,最后针对植物适应盐逆境方面的研究进行了展望。
1 盐逆境对植物的危害
盐逆境对植物造成的直接危害首先表现为渗透胁迫,并且持续存在;紧接着表现为离子失调引起的毒害和营
养元素的亏缺;最后引起的氧化胁迫导致膜透性的改变、生理生化代谢的紊乱和有毒物质的积累,进而引起植物
生长发育和形态建成的改变(图1)[1,710]。
图1 盐胁迫对植物的危害以及植物耐盐的主要生理机制[9]
犉犻犵.1 犜犺犲犺犪狉犿狀犲狊狊狅犳狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊犪狀犱狆犺狔狊犻狅犾狅犵犻犮犪犾犿犲犮犺犪狀犻狊犿狊狅犳狊犪犾狋狋狅犾犲狉犪狀犮犲狅犳狆犾犪狀狋狊[9]
CBF:C重复结合因子Crepeatbindingfactor;DREB:脱水应答元件结合蛋白Dehydrationresponsiveelementbindingprotein;MAPK:丝裂原活
化蛋白激酶 Mitogenactivatedproteinkinase;RD29A:响应干旱胁迫基因29AResponsivetodehydration29A;SOS1:盐过度敏感蛋白1Saltoverly
sensitive1(质膜Na+/H+逆向转运蛋白PlasmamembraneNa+/H+antiporter);SOS2:盐过度敏感蛋白2Saltoverlysensitive2;SOS3:盐过度
敏感蛋白3Saltoverlysensitive3.
1.1 渗透胁迫
首先,在盐胁迫下,植物种子的萌发会受到影响,一般分为渗透效应和离子效应。渗透效应引起溶液渗透势
降低而使种子吸水受阻,从而影响种子萌发;离子效应通过盐离子(Na+、Cl-、SO42-等)直接毒害而抑制种子萌
发[11]。在对一年生植物种子耐盐机制进行研究时,发现高盐浓度会对种子产生渗透抑制,只有胁迫减轻时才能
122第12期 张金林 等:高等植物适应盐逆境研究进展
消除这种抑制作用[12]。李昀等[13]通过对碱茅(犘狌犮犮犻狀犲犾犾犻犪犱犻狊狋犪狀狊)、黑麦草(犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲)、野大麦(犎狅狉
犱犲狌犿犫狉犲狏犻狊狌犫狌犾犪狋狌犿)、盐爪爪(犓犪犾犻犱犻狌犿犮犪狆狊犻犮狌犿)、碱蓬(犛狌犪犲犱犪犵犾犪狌犮犪)五种牧草研究发现,盐浓度升高,种
子的发芽率会降低。其次,对于整株植物而言,若土壤中的盐分过多,则会导致土壤中的水势下降,植物细胞的水
势相对过高,导致植物吸水困难,严重的还会引起植物失水,引起生理干旱[7]。
1.2 离子失调
土壤中的盐分多以离子形式存在,虽然高等植物对土壤中的离子具有选择吸收作用,但是在吸水的同时,也
必定会吸收大量的盐离子[1,710]。K+在细胞内可作为60多种酶的活化剂,能促进蛋白质的合成,促进糖类的合
成与运输;K+也是构成细胞渗透势的重要成分[14]。而在根内K+可以从薄壁细胞转运至导管,从而降低导管中
的水势,使水分能从根系表面转运到木质部中去[15]。K+对气孔开放有直接作用,有研究表明,K+可以维持细胞
的渗透平衡,在气孔的关闭中起作用,还可以作为许多酶的辅助因子行使生理功效[16]。土壤中K+的浓度范围在
0.2~10.0mmol/L之间,而K+和Na+的水合半径相似,因此高浓度的Na+会阻碍植物对K+的吸收,造成K+
匮缺,从而抑制了以上提到的依赖于K+的生理生化反应的正常进行[4,7]。同时,大量Na+、Cl-进入细胞可以破
坏Ca2+平衡,细胞质中游离Ca2+急剧增加,使Ca2+介导的钙调蛋白(calmodulin,CaM)调节系统和磷酸肌醇调
节系统失调,细胞代谢紊乱甚至伤害死亡[17]。此外,土壤中高浓度的盐分还会抑制植物对NO3-和NH4+的吸
收,而对NO3-吸收的抑制作用更大[18]。
1.3 氧化胁迫
细胞膜是植物细胞重要的保护屏障,对物质运输、能量传递、信号转导有重要作用。细胞膜本身具有选择透
过性,因而可以调节细胞内的离子平衡,同时满足植物生理活动的需要。然而,盐胁迫导致的氧化胁迫会使膜的
透性发生改变,一方面对离子的选择性、流速、运输等产生影响;另一方面,也造成了磷和有机物质的外渗,从而使
得细胞的生命活动受到影响[7]。丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量的高低和细胞质膜的透性变化是反映膜脂
过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标,其含量可说明植物遭受逆境伤害的程度[19]。活性氧的增加还会破
坏细胞中具有膜结构细胞器的结构,如引起线粒体DNA的突变,造成细胞衰老,导致内质网部分膨胀、线粒体数
目减少而体积膨胀、液泡膜破碎、胞质降解等。
1.4 光合作用受挫
盐逆境会使得植物的光合速率下降,叶绿素是表征光合利用率的最重要的指标之一。随着盐浓度升高,叶绿
素a、b和类胡萝卜素含量均显著降低,表明高盐胁迫抑制或破坏了光系统Ⅱ的部分功能,光合作用的能量及电子
传递受到抑制[20]。同时,盐分过多可使磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvatecarboxylase,PEPC)与
1,5二磷酸核酮糖羧化酶(ribulose1,5bisphosphate,Rubisco)活性降低,引起胁迫初期光合作用明显下降[21]。
1.5 有毒物质的积累
盐胁迫下,由于植物细胞结构的损伤、活性氧的积累、生理代谢的破坏,植株体内蛋白质的合成速率降低,水
解加速,造成植株体内氨基酸积累,会产生许多的有毒物质,如大量氮代谢的中间产物,包括NH3 和某些游离氨
基酸(异亮氨酸、鸟氨酸和精氨酸)转化成有一定毒性的腐胺(如丁二胺、戊二胺等),而腐胺又可被氧化成NH3 和
H2O2,当它们达到一定浓度时,细胞会中毒死亡[22]。这些物质的积累,会抑制植物内相关物质的合成,使得植物
生长受抑。
2 植物耐盐的生理机制
植物受到盐害胁迫时,会采取两种方式来减轻盐胁迫造成的危害:躲避盐离子的伤害和增强对盐胁迫的耐受
性[6]。植物避盐的方式主要分为4种:泌盐、稀盐、积盐和拒盐。泌盐(saltexcretion)是指植物在吸收盐分后,不
在体内存储,而是通过体内的盐腺等器官或机制排出体外,再通过雨水冲刷等方式脱盐,从而维持植物体内的离
子稳态。泌盐被认为是一个有助于盐生植物抗盐的重要机制[5,2324]。稀盐(saltdilution)是指植物通过吸收大量
的水分、使细胞加速生长(增加薄壁细胞组织,使细胞质膨胀,增大细胞壁伸展度等)、改变形态等方法,稀释体内
盐分,降低盐浓度[7,23]。积盐(saltaccumulation)是指植物体内的原生质特化后,将根部吸收的盐分区隔化至液
222 草 业 学 报 第24卷
泡,同时,抑制盐分从液泡内溢出,即将盐分储存在液泡内,作为廉价的渗透调节剂[7,23]。拒盐(saltexclusion)是
指植物本身排斥盐离子进入细胞,依靠其对盐的不透性,阻止盐分进入植物体;另一方面,植物根部通过阻止
Na+向木质部的装载和加大对Na+外排来减少植株对Na+积累。绝大多数栽培植物都属于拒盐能力弱的甜土
植物,拒盐能力强的盐生植物有芦苇、碱茅[7,23,25]。除了通过以上4种方式来躲避盐离子的伤害,所有高等植物
都可以通过以下几个方面的生理调节过程来增强对盐胁迫的耐受性,即渗透调节、营养元素平衡和增强抗氧化胁
迫(图1)。
2.1 渗透调节
在盐逆境胁迫下,高等植物通常会采用两种渗透调节方式,一是在植物体内合成有机调节物质;二是积累更
多的无机离子。
通常有机溶质大体可分为3类:1)游离氨基酸(如脯氨酸),具有很大的水溶性,其疏水端可和蛋白质结合,
亲水端可与水分子结合,蛋白质可借助脯氨酸束缚更多的水,从而防止渗透胁迫条件下蛋白质的脱水变性;它可
以维持细胞内外渗透平衡,防止水分散失[26]。2)甜菜碱,作为一种无毒的渗透调节剂和酶的保护剂,它的积累使
植物细胞在盐胁迫下保持膜的完整性,在渗透胁迫下仍能保持正常的功能。许多高等植物,尤其是藜科和禾本科
植物,在受到水/盐胁迫时积累大量甜菜碱[27]。甜菜碱对类囊体膜也有稳定作用,并显著提高光系统Ⅱ光合放氧
的稳定性;甜菜碱能保护抗氧化酶系统[超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(a
scorbateperoxidase,APX)、过氧化氢酶(catalase,CAT)等]的活性[28];甜菜碱还可以稳定生物大分子的结构与
功能,解除高浓度盐对酶的毒害作用,防止脱水诱导的蛋白质热动力学干扰[29]。3)可溶性糖和多元醇,也可以作
为渗透调节物质,调节植物细胞的渗透势,从而增强植物的耐盐机制[30]。
无机离子(K+,Na+和Cl-)作为渗透调节剂具有很多优点,也日益受到重视。首先,由于离子的大量存在,
无需消耗物质和能量来大量合成,所以较为廉价;第二,无机离子的调节作用可以在短时间内迅速完成;第三,它
们的作用也显著高效[31]。无机离子在整株植物渗透调节中的作用可以很简易地通过直接测量茎或根的渗透压
而容易的验证,并且可以与它们在组织液中的浓度进行比较。无机离子主要是 K+、Na+、Cl-,无论是在盐生植
物还是在非盐生双子叶植物中,这3种离子提供了80%至95%的细胞液渗透压[31]。K+是循环丰富的离子,同
时K+是植物生长的必需元素,在维持细胞的基本功能中扮演了重要角色,并且在保持低水平的蛋白酶和核酸内
切酶活性以及防止植物在盐胁迫下细胞损伤和死亡中的作用也是不言而喻的[32]。有研究表明,碱茅与更敏感的
长穗偃麦草(犈犾狔狋狉犻犵犻犪犲犾狅狀犵犪狋犪)相比,在严重的高盐或缺氧条件下,长穗偃麦草将更严重地丢失K+,从而证明
了K+保留在根中对高盐缺氧土地耐受性的作用[33]。而对积盐型盐生植物而言,对Na+的吸收远远大于K+的
吸收[34]。绝大部分被植物细胞吸收的Na+并非存在于细胞质中,而是区隔化在液泡中作为廉价的渗透调节物质
来维持正常细胞膨压,从而增强植物抵御盐逆境的能力[3537]。研究表明,在介质当中添加适量的NaCl可以增强
荒漠植物霸王(犣狔犵狅狆犺狔犾犾狌犿狓犪狀狋犺狅狓狔犾狌犿)的抗旱性,从而促进其生长[3839];进一步分析表明,干旱胁迫下霸王
叶中Na+浓度显著增加了64%,Na+对叶渗透势的贡献由8%增至13%;50mmol/LNaCl处理使干旱胁迫下霸
王叶中Na+显著增加了2.3倍,Na+对叶渗透势的贡献增至28%,从而提高了植株的渗透调节能力[38]。
2.2 营养元素平衡
在正常生理状态下,植物细胞内的离子保持均衡状态,而在盐胁迫下,细胞质中过多的离子尤其是Na+对植
物细胞的代谢活动会有伤害。大多数植物在盐胁迫下,组织内的 K+ 含量会降低[4]。王锁民等[40]在对植物
Na+、K+的选择性吸收及运输的研究基础上,首次提出植物根系对土壤中Na+、K+的选择性吸收(selectiveab
sorption,SA)能力以及植株不同部位对Na+、K+选择性运输(selectivetransport,ST)能力的计算公式。研究表
明,小花碱茅(犘狌犮犮犻狀犲犾犾犻犪狋犲狀狌犻犳犾狅狉犪)可以在高Na+环境下生存,且其体内维持很低的Na+浓度,主要依靠其对
K+/Na+强大的选择性吸收能力和限制Na+的吸收[25]。这一结果在对盐敏感和耐盐品种的长穗偃麦草的比较
研究中得到了进一步证实,即耐盐品种的SA和ST值均显著大于盐敏感品种[41]。海滨碱蓬(犛狌犪犲犱犪犿犪狉犻狋犻犿犪)
体内的K+含量变化是随NaCl浓度的升高而呈升高趋势,这样既可以保持一定的K+营养,还可以保持相对稳定
的K+/Na+,这对植物本身生长有利[42]。在盐胁迫的条件下,提供某些微量元素,可有效地提高植物的含水量,
322第12期 张金林 等:高等植物适应盐逆境研究进展
促进植物的光合作用,有利于植物生长。研究表明,在含有Na+的土壤中添加硅时,植株的含水量提高了7.3%,
同时,植物的光合效率、CO2 同化效率等也得到了显著地提高;在黄瓜(犆狌犮狌犿犻狊狊犪狋犻狏狌狊)[43]、大麦(犎狅狉犱犲狌犿
狏狌犾犵犪狉犲)[44]、水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)[4546]、紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)[47]、小麦[48]和草地早熟禾(犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊)[49]
等植物研究中也得到了同样的结果。
2.3 增强抗氧化胁迫
在正常的生理条件下,植物体内的活性氧自由基和自身的抗氧化系统对活性氧的清除是动态平衡的,可以保
持体内正常的代谢过程。在干旱、盐渍等胁迫下,膜脂过氧化作用加剧,植物体内活性氧含量上升,随之超氧化物
歧化酶、过氧化物酶(peroxidase,POD)、过氧化氢酶和抗坏血酸(ascorbicacid,ASA)等保护酶的活性也相应增
加,从而防止膜脂的过氧化作用,以此来增强植物对逆境的耐受性[50]。管博等[51]在盐地碱蓬(犛狌犪犲犱犪狊犪犾狊犪)的
研究发现,随着盐胁迫的增强,SOD作为防御活性氧自由基(reactiveoxygenspecies,ROS)的第一道防线,其活
性显著增加,CAT活性变化趋势与SOD相似。此发现在对梭梭(犎犪犾狅狓狔犾狅狀犪犿犿狅犱犲狀犱狉狅狀)[52]和沟叶结缕草
(犣狅狔狊犻犪犿犪狋狉犲犾犾犪)[53]的研究中也得到证实。有研究表明,高盐和干旱处理下,西藏野生大麦(犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲
var.狋狉犻犳狌狉犮犪狋狌犿)体内的ROS水平会显著升高来抵御伤害[54]。然而在重度盐胁迫下,植物体内的这些活性氧去
除剂的结构发生破坏,植物清除活性氧的防御能力下降,使膜脂的过氧化作用加剧,破坏细胞膜的透性[4,7,55]。
3 高等植物耐盐相关基因研究进展
随着分子生物学的发展,人们能够在基因组成、表达调控及信号转导等分子水平上认识植物的耐盐机理;并
且已经通过对植物耐盐相关基因的研究,来进一步提高植物的耐盐性。目前,高等植物耐盐相关基因的研究主要
集中在离子转运蛋白基因、渗透调节相关基因、信号传导相关基因、细胞抗氧化相关基因等。
3.1 离子转运蛋白基因
3.1.1 质膜上离子转运蛋白基因 有研究表明,环核苷酸调控通道(cyclicnucleotidegatedchannel,CNGCs)
和非选择性阳离子通道/电压非依赖型通道(nonselectivecationchannel/voltageindependentchannel,NSCCs/
VICs)是不同类型的通道蛋白,在一些植物中CNGCs涉及Ca2+的信号转导,而 NSCCs/VICs涉及 Na+的摄
入[56]。而NSCCs/VICs[57]是根部Na+进入细胞膜的通道蛋白,当NSCCs通道被抑制时,就可缓解细胞的盐胁
迫(图2)。Tyerman和Skerrett[58]在研究小麦根部的NSCCs通道时发现,涌入的Na+主要分布于根部的各个区
室及表皮的原生质内。低亲和性阳离子转运体(lowaffinitycationtransporter,LCT1)是从小麦中发现的一类能
够介导低亲和性阳离子吸收的蛋白[59]。研究表明,小麦中的LCT1不仅可以维持Rb+与Na+的浓度的平衡,吸
收少量的Ca2+,也可维持Na+/K+的浓度[60];但由于受到土壤中Ca2+浓度的影响,LCT1并不是Na+流入的主
要通道[4,61]。
高亲和K+转运载体(highaffinityK+transporter,HKT)是一种与植物耐盐性密切相关的 Na+或 Na+-
K+转运蛋白,能将植物木质部中过多的Na+卸载到其周围薄壁细胞中,降低地上部Na+含量,并维持体内K+稳
态平衡[4,62](图2)。根据在异源表达系统中对Na+和K+运输的不同,HKT蛋白可被分成两种[63]:HKT1作用
于外部K+缺乏时,主要用于特异性Na+的运输和介导Na+的吸收[64];HKT2则是有K+-Na+协同转运蛋白及
其同系物的功能[4]。Ren等[65]绘制了一个水稻犛犓犆1基因的QTL图谱,并发现犛犓犆1基因编码一种 HKT型
K+/Na+通道蛋白,在植物盐胁迫下调节K+/Na+离子平衡,维持细胞内外的渗透压,从而提高植物耐盐能力,后
来证明犛犓犆1为水稻犎犓犜1;5基因。Laurie等[66]研究表明犎犓犜2基因的低表达可以抑制Na+的进入,从而降
低组织内Na+的浓度。作为高亲和性Na+转运的转运体,HKT转运蛋白在草类以及其他植物中可能都在控制
整体植株中Na+的转运起重要作用[2]。Kader等[67]在研究水稻时发现,转运蛋白基因犗狊犎犓犜1、犗狊犎犓犜2和
犗狊犞犎犃在盐胁迫下诱导表达,可以通过调节Na+与K+的比例而降低Na+的浓度。研究表明,犛狊犎犓犜1在盐地
碱蓬的离子平衡和耐盐方面有重要作用[68]。
众多研究表明,高亲和 K+转运载体(highaffinityK+transporter,HAK)基因对 Na+的吸收也有重要作
用[69]。盐对犎狏犎犃犓1积累影响的分析结果表明,在转录水平上,一个强而短暂NaCl胁迫触发犎狏犎犃犓1的上
422 草 业 学 报 第24卷
调,说明犎狏犎犃犓1是一个高盐应答的快速反应基因。还有研究表明,在盐逆境胁迫下,犎狏犎犃犓1mRNA的积
累和对K+摄取的控制是高度相关的[70],对 Na+吸收的控制则对维持细胞内的pH 重要[71]。研究表明,犘犺犪
犎犃犓5、犘犺犪犎犃犓2狀、犘犺犪犎犃犓2犲、犘犺犪犎犃犓2狌等基因均可调节盐生植物中Na+的浓度[72]。
图2 植物细胞犖犪+运输机制及响应盐逆境的重要调控网络(在犇犲犻狀犾犲犻狀等[62]基础上修订)
犉犻犵.2 犖犪+狋狉犪狀狊狆狅狉狋犿犲犮犺犪狀犻狊犿犪狀犱犻犿狆狅狉狋犪狀狋狉犲犵狌犾犪狋犻狅狀狀犲狋狑狅狉犽狅犳狉犲狊狆狅狀狊犲狋狅狊犪犾狋
狊狋狉犲狊狊犻狀狆犾犪狀狋犮犲犾(犕狅犱犻犳犻犲犱犳狉狅犿犇犲犻狀犾犲犻狀犲狋犪犾.[62])
ABA:脱落酸 Abscisicacid;ATP:三磷酸腺苷 Adenosinetriphosphate;CBLs:钙调磷酸酶B类蛋白CalcineurinBlikeproteins;CDPKs:钙依赖
蛋白激酶Calciumdependentproteinkinases;CIPKs:CBL互作蛋白激酶Cblinteractingproteinkinases;HKT:高亲和性K+转运蛋白 Highaffini
tyK+transporter;KORC:K+外向整流电导 K+outwardrectifyingconductance;NHX:液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白VacuolarmembraneNa+/
H+antiporter;NORC:非选择性外向整流电导 Nonselectiveoutwardrectifyingconductance;NSCC:非选择性阳离子通道 Nonselectivecation
channels;PM:质膜Plasmamembrane;ROS:活性氧Reactiveoxygenspecies;SOS1:盐过度敏感蛋白1Saltoverlysensitive1(质膜Na+/H+逆向
转运蛋白PlasmamembraneNa+/H+antiporter);SOS2:盐过度敏感蛋白2Saltoverlysensitive2;SOS3:盐过度敏感蛋白3Saltoverlysensitive
3;VP:液泡膜 H+磷酸化酶 VacuolarmembraneH+pyrophosphatase;NAC,WRKY,bHLH,MYB,AP2/ERFandBzip:位于细胞核的转录因子,
其中AP2/ERF和bZIP负调控HKT基因的表达Transcriptionfactorslocatedinnucleus,AP2/ERFandbZIPnegativelyregulateHKTgeneexpres
sion.
拟南芥K+转运体(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊K+transporter,AKT1)类的通道蛋白是在植物中广泛表达的一类内整流
K+通道。作为一条对NH4+不敏感的K+吸收途径,AKT1的主要功能是与对NH4+敏感的K+吸收途径并行
存在,使植物能够适应多样的外界环境。研究表明,小麦中K+缺乏时,TaAKT1通道会增强对Na+的吸收。众
多研究显示,犗狊犃犓犜1的表达并不影响植物中K+的浓度,但是Na+的积累却依靠此基因的表达[73]。犓犝犘基因
家族对细胞内K+浓度的调节有多种类型[74],它们的表达可以表现出对K+的高吸收性,但是在拟南芥(犃狉犪犫犻
犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)中,NaCl的加入会抑制K+的吸收[75]。Wang等[34]研究表明,积盐型盐生植物海滨碱蓬存在两
条低亲和性Na+吸收途径,即在低浓度NaCl(25mmol/L)条件下主要由HKT介导Na+的吸收,在高浓度NaCl
522第12期 张金林 等:高等植物适应盐逆境研究进展
(150mmol/L)条件下主要由AKT1介导Na+的吸收。Zhang等[76]进一步研究发现两条途径的外界Na+浓度介
于95~100mmol/LNaCl之间。
盐敏感(saltoverlysensitive,犛犗犛)基因是从一类超盐敏感突变体中发现的,遗传分析表明,这些突变体可分
为5种,即狊狅狊1、狊狅狊2、狊狅狊3、狊狅狊4和狊狅狊5[7778]。目前筛选出的一些犛犗犛基因家族编码重要的植物离子载体蛋白、信
号转导蛋白等,它们的存在对提高植物的耐盐性有重要作用。质膜Na+/H+逆向转运蛋白就是由SOS1编码的,
该蛋白的主要功能就是将Na+排到细胞外部,从而减少细胞内Na+的积累[62,7980](图2)。Guo等[81]研究表明,
SOS1在小花碱茅拒Na+当中发挥着重要作用。Ma等[82]对霸王犣狓犛犗犛1的研究表明,犣狓犛犗犛1参与调控霸王
体内Na+、K+转运和空间分配,进而影响植株生长。Feki等[83]将硬质小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犱狌狉狌犿)犜犱犛犗犛1转入拟南
芥显著提高了转基因植物的耐盐性。Nie等[84]通过将大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)犌犿狊犛犗犛1基因转到缺失犛犗犛1的拟南
芥中,证明了其互补性,即验证了犛犗犛1的功能。SOS2和SOS3都是编码信号转导途径中的蛋白,在信号转导过
程中,彼此有着千丝万缕的联系。同时,有研究表明二者功能的行使与Ca2+有密切的关系[85]。目前研究的SOS
信号通路就是:高浓度的Na+引起细胞内Ca2+浓度上升,Ca2+与SOS3结合,结合Ca2+后的SOS3与SOS2直接
互作而激活了SOS2,之后通过SOS3氨基末端的酰化(aminoterminusmyristoylation)使SOS3-SOS2复合体
会铆钉到细胞质薄膜上,该复合体中被激活的SOS2磷酸化质膜上的SOS1,从而提高SOS1对Na+的转运活性
而促进高浓度Na+的外排[7]。但在拟南芥和水稻之间SOS信号通路似乎具有保守型,在水稻中,功能性同系物
SOS1,SOS2,SOS3也构成一个重要的耐盐的信号通路[86]。SOS5则在细胞壁形成、细胞伸展、植物繁殖等过程
中起重要作用[77]。这一系列研究表明,在盐胁迫下犛犗犛基因家族对植物的耐盐性有重要作用。
3.1.2 液泡膜上离子转运蛋白基因 成熟植物细胞的液泡为Na+储存提供弄了一个很大的空间。将Na+区
域化在液泡中是减少细胞溶质之中Na+的有效方式,从而减少胞液中Na+的毒害作用。钠和氯离子在细胞溶质
中的浓度是由穿过质膜和液泡膜的净通量决定的。液泡膜蛋白中,Na+/H+逆向转运蛋白(Na+/H+transport
ers,NHX)参与运输Na+,该转运蛋白是由液泡膜H+ATP酶和 H+焦磷酸酶的作用所形成的质子梯度来驱动
的(图2)[34,62]。犖犎犡基因被证明可以将细胞质中的Na+区域化在液泡中。第一个从拟南芥克隆出的NHX型
转运体基因被命名为犃狋犖犎犡1[87],它属于 AtNHX16亚科六成员之一。这组转运体运用质子驱动力来运输
Na+和K+ [8889]。除了在耐盐性中的作用,NHX转运体还涉及许多其他细胞过程,包括细胞内pH值调节[90],囊
泡运输和蛋白定位[91]。从发现拟南芥中NHX转运体后,已在许多其他植物中发现了此类型的转运体,包括水
稻犗狊犖犎犡1[92]、细叶海滨藜(犃狋狉犻狆犾犲狓犵犿犲犾犻狀犻)犃犵犖犎犡1[93]、大麦 犎狏犖犎犡1[94]、棉花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿spp.)
犌犺犖犎犡1[95]、玉米犣犿犖犎犡[96]、小麦犜犪犖犎犡1[97]和犜犪犖犎犡2[98]、苜蓿 犕狊犖犎犡1[99]、大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)
犌犿犖犎犡1[100]、长穗偃麦草(犈犾狔狋狉犻犵犻犪犲犾狅狀犵犪狋犪)犃犲犖犎犡1[101]、珍珠狼尾草(犘犲狀狀犻狊犲狋狌犿犵犾犪狌犮狌犿)犘犵犖
犎犡1[102]、灰绿藜(犆犺犲狀狅狆狅犱犻狌犿犵犾犪狌犮狌犿)犆犵犖犎犡1[103]、胡杨(犘狅狆狌犾狌狊犲狌狆犺狉犪狋犻犮犪)犘犲犖犎犡16[104]、盐穗木
(犎犪犾狅狊狋犪犮犺狔狊犮犪狊狆犻犮犪)犎犮犖犎犡1[105]、霸王犣狓犖犎犡1[37]、海蓬子(犛犪犾犻犮狅狉狀犻犪犫犻犵犲犾狅狏犻犻)犛犫犖犎犡1[106]和花花柴
(犓犪狉犲犾犻狀犻犪犮犪狊狆犻犪)犓犮犖犎犡1和犓犮犖犎犡2[107]等。Wu等[37]发现在盐或干旱条件下,霸王犣狓犖犎犡 的上调与
Na+的积累呈正相关关系。进一步研究表明,霸王犣狓犖犎犡 在控制Na+、K+的吸收,长距离运输和整株内离子
稳态方面具有重要作用[108]。自从报道犃狋犖犎犡 基因超表达可以使拟南芥具有耐盐性后[87],犃狋犖犎犡 或其他
犖犎犡 基因在植物中超表达以使之具有抗逆性的成功例子也越来越多。例如将拟南芥犃狋犖犎犡1分别导入玉
米[109]、小麦[110]、棉花[111]和花生(犃狉犪犮犺犻狊犺狔狆狅犵犪犲犪)[112],将细叶海滨藜 犃犵犖犎犡1导入水稻[93],将棉花
犌犺犖犎犡1导入烟草[95],将短芒大麦草(犎狅狉犱犲狌犿犫狉犲狏犻狊狌犫狌犾犪狋狌犿)犎犫犖犎犡1导入烟草[98],将狼尾草(犘犲狀狀犻狊犲
狋狌犿犪犾狅狆犲犮狌狉狅犻犱犲狊)犘犵犖犎犡1导入芥菜(犅狉犪狊狊犻犮犪犼狌狀犮犲犪)[113]和水稻[102],将长穗冰草(犃犵狉狅狆狔狉狅狀犲犾狅狀犵犪狋狌犿)
犃犲犖犎犡1导入拟南芥和高羊茅(犉犲狊狋狌犮犪犲犾犪狋犪)[101],将拟南芥犃狋犖犎犡5导入兰猪耳(犜狅狉犲狀犻犪犳狅狌狉狀犻犲狉犻)[114],将
獐茅(犃犲犾狌狉狅狆狌狊狊犻狀犲狀狊犻狊)犃犾犖犎犡导入烟草[115],将小麦犜犪犖犎犡1导入紫花苜蓿[116],将北美海蓬子(犛犪犾犻犮狅狉狀犻犪
犅犻犵犲犾狅狏犻犻)犛犫犖犎犡1导入麻疯树(犑犪狋狉狅狆犺犪犮狌狉犮犪狊)[117],将绿豆(犞犻犵狀犪狉犪犱犻犪狋犪)犞狉犖犎犡1导入拟南芥[118],均显
著提高了转基因植物的耐盐性。
NHX转运体通过跨液泡膜H+梯度驱动来转运Na+至液泡,因此通过 H+ATP酶和 H+焦磷酸酶的超表
622 草 业 学 报 第24卷
达增加H+驱动力,从而有可能提高抗盐性。然而,由于其多亚基的特征,液泡HATP酶并不是超表达的理想候
选者,因为不大可能将所有的亚基在相似的水平过量表达而去创建一个功能性的超表达转基因植物。液泡膜
H+焦磷酸酶(vacuolarpyrophosphatase,VP)是用于此目的的一个更好的选择,因为它是一个单一的多肽蛋
白[119120],并且,它产生H+梯度的能力可与HATP酶相媲美(图2)[62,121]。H焦磷酸酶基因也首先在拟南芥中
被克隆出来,命名为犃犞犘1[119]。犞犘 基因也已从其他许多高等植物中克隆得到,如盐芥犜狊犞犘[121]和盐地碱蓬犛狊
犞犘等[122]。拟南芥犃犞犘1的过量表达赋予转基因植物耐旱和耐盐性,在许多植物中得到了证实,如拟南
芥[120,123]、番茄[124]、紫花苜蓿[125]、匍匐翦股颖(犃犵狉狅狊狋犻狊狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉犪)[126]、大麦[127]、甘蔗(犛犪犮犮犺犪狉狌犿狅犳犳犻犮犻狀犪
狉狌犿)[128]。同时,其他犞犘 基因导入植物后,植物抗逆性也得到了提高,例如将盐地碱蓬犛狊犞犘1转入拟南芥[122],
将盐芥(犜犺犲犾犾狌狀犵犻犲犾犾犪犺犪犾狅狆犺犻犾犪)犜狊犞犘转入烟草[129]、棉花[130]和玉米[130],将盐爪爪犓犳犞犘1转入拟南芥[131],将
小麦犜犪犞犘1转入烟草[132],将小麦犜犪犞犘基因转入烟草[133]。
近年来,一些学者将犖犎犡和犞犘 两种转运蛋白基因构建双价表达载体同时超表达进行了转基因研究,如在
水稻中超表达盐地碱蓬犛狊犖犎犡1和拟南芥犃犞犘1[134],水稻犗狊犖犎犡1和犗狊犞犘1[135];在拟南芥中超表达小麦
犜犪犖犎犡1和犜犪犜犞犘1[136];在西红柿中超表达狼尾草犘犵犖犎犡1和拟南芥犃犞犘1[137];在烟草中超表达小麦
犜犪犖犎犡1和犜犪犜犞犘1[138]以及在百脉根(犔狅狋狌狊犮狅狉狀犻犮狌犾犪狋狌狊)中超表达霸王犣狓犖犎犡和犣狓犞犘11[139]。
3.2 渗透调节相关基因
渗透胁迫是植物盐胁迫的主要方面,渗透调节相关基因在植物耐盐性中的作用也进行了较多研究。多元醇、
脯氨酸、海藻糖、甜菜碱等均是植物耐盐的重要渗透调节物质,因而合成这些渗透调节物质的一些关键基因在耐
盐中起到重要作用。如犿狋犾犇基因和犵狌狋犇 基因,它们分别编码合成甘露醇和山梨醇的酶。超表达犿狋犾犇基因增
加了甘露醇在毛白杨(犘狅狆狌犾狌狊狋狅犿犲狀狋狅狊犪)体内的积累从而增强了其耐盐性[140];转犵狌狋犇基因可使转基因植株产
生山梨醇,转基因玉米可耐受1.17%NaCl的浓度[141];在水稻中超表达犿狋犾犇和犵狌狋犇 基因提高了其耐盐性[142]。
Kishor等[143]对犘5犆犛基因进行研究,获得犘5犆犛转基因烟草,其中脯氨酸的含量明显提高,与对照相比,耐盐性
有提高。晚期胚胎发生富集蛋白(lateembriogenesisabundantprotein,LEA)是Dure等[144]首次在棉花种子发
育晚期胚胎中发现的一类蛋白。Xu等[145]将犔犈犃基因转入水稻悬浮细胞中,得到的转基因植株经过繁殖,在第
二代中表现出耐盐的能力。张宁等[146]从菠菜(犛狆犻狀犪犮犻犪狅犾犲狉犪犮犲犪)叶片中分离了甜菜碱醛脱氢酶(betainealde
hydedehydrogenase,犅犃犇犎)基因,并将该基因与其他植物的犅犃犇犎 序列作了同源性分析,同时,证实了菠菜
犅犃犇犎 基因的转录与表达受干旱和盐胁迫的诱导。Jia等[147]将山菠菜(犃狋狉犻狆犾犲狓犺狅狉狋犲狀狊犻狊)的犅犃犇犎 基因转入
烟草,提高了烟草的耐盐性。在水稻中过量表达缺失D结构域的组成型活性突变形式犗狊犫犣犐犘46犆犃1可以显著
增强耐旱性和抵抗渗透胁迫的能力,并可显著上调已知的逆境应答基因(包括 ABF或 AREB类成员的下游基
因)的表达[148]。
3.3 信号传导相关基因
在盐胁迫下,植物可以关闭或开启某些基因的表达,从而维持自身的营养平衡。与植物耐盐性相关的信号转
导途径包括:SOS途径(见3.1.1)、脱落酸(abscisicacid,ABA)信号和蛋白激酶途径。
ABA应答基因可分为ABA依赖型和ABA非依赖型。目前,已发现多种转录因子与盐胁迫有关,这些基因
的表达分为4条途径:两条依赖ABA途径,两条不依赖ABA途径[149]。十字花科植物盐芥是拟南芥的近亲,它
耐盐,耐低温和氧化胁迫,盐芥基因组相对较小,因此成为研究植物耐受逆境分子机理的理想材料[150]。在盐芥
中研究发现,所有涉及ABA生物合成途径的基因家族在盐胁迫下基因数目增加,这种增加会调节复杂的ABA
生物合成过程[45,151]。
蛋白激酶在调节植物对非生物胁迫的响应中发挥了重要作用。蛋白激酶是信号转导的重要元件,信号转导
中丝裂原活化蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinase,MAPK)途径是重要途径之一。目前已分离到多种能
被逆境诱导的犕犃犘犓 基因:拟南芥犃狋犕犈犓犓1、犃狋犕犈犓1/犃狋犕犈犓2、犃犜犕犘犓3、犃狋犕犘犓4、犃犖犘1、犃狋犕犓犓2以
及烟草犖犘犓1、犃狋犕犘犓3和犃狋犕犘犓6等[152153]。III型亚家族SnRK2蛋白(SnRK2.6/2.3/2.2)是拟南芥脱落酸
信号转导过程中关键的正调控因子。这些激酶受脱落酸或渗透胁迫激活后,可磷酸化与胁迫相关的转录因子和
722第12期 张金林 等:高等植物适应盐逆境研究进展
离子通道,最终使植物免受高盐的危害[154]。有研究表明,野大麦的CIPK蛋白(CBLinteractingproteinkinase,
CIPK)HbCIPK2对盐和渗透胁迫耐受性起正调节作用,HbCIPK2有助于阻止根中K+的丢失和Na+的积累,以
便维持K+/Na+的动态平衡和细胞免于死亡[155]。有研究结果表明,PLDα1(磷脂酶)D衍生的磷脂酸(phospha
tidicacid,PA)与微管结合蛋白(microtubuleassociatedprotein,MAP)MAP651结合后,可调控微管的稳定及对
盐胁迫的耐受性。MAP651是PA的一个靶蛋白,该研究揭示了在环境胁迫引起的信号转导过程中膜脂与细胞
骨架之间的功能性联系[156]。这一研究结果提出了植物中磷脂酸通过调控微管结合蛋白活性参与盐胁迫反应的
新机制。
3.4 细胞抗氧化相关基因
膜脂的过氧化导致细胞膜透性的增加是盐胁迫的主要危害之一。细胞膜本身具有选择透过性,表面具有多
种离子运输与传递的蛋白,内部有多种抗氧化机制,因而可以抵制膜内不饱和脂肪酸的过氧化作用。目前发现,
SOD、POD、GSH等是细胞内主要的抗氧化物质。它们本身可抑制氧自由基的产生,清除体内的活性氧。众多研
究表明,植物体内某些基因的存在,对植物的抗氧化有重要作用。如:犖狋犌犛犜/犌犘犡基因编码的酶既有谷胱苷肽
S转移酶活性,又有谷光苷肽过氧化物酶活性,将该基因在烟草中过量表达,可以增强植物的耐盐性和耐寒
性[157]。Kovtun等[158]将一种犕犃犘犓犓犓 基因———犃犖犘1基因转入烟草中发现,它可通过 MAPK级联反应激活
谷胱苷肽S转移酶基因(GST6)的表达,从而使植株表现出耐盐性。S腺苷甲硫氨酸脱羧酶(Sadenosylmethi
oninedecarboxylase,SAMDC)是多胺合成中的一个关键酶,犛犃犕犇犆基因在烟草中过量表达可以增强植物对盐
和其他非生物胁迫的抗性。维生素C是植物体必需的维生素之一,在光合电子传递、活性氧清除、氧化还原平衡
调控、细胞分裂与生长、衰老与凋亡等生理过程中具有重要作用。在对拟南芥的研究中表明,拟南芥 AtERF98
是维生素C合成的关键转录调控因子,盐可以诱导AtERF98表达,而AtERF98突变显著抑制盐诱导的维生素
C合成,并降低清除活性氧的能力,表现为盐敏感。这些结果表明,ERF类转录因子可通过调控抗氧化物质的合
成来调节植物对盐胁迫的应答反应[159]。
4 提高植物耐盐性的途径
提高植物耐盐性的途径有很多,其中包括抗盐锻炼,加入生长调节剂和培育耐盐新品种等。
4.1 抗盐锻炼
植物耐盐能力常随生长发育时期的不同而异,且对盐分的抵抗力有一个适应锻炼过程。种子在一定浓度的
盐溶液中吸水膨胀,然后再播种萌发,可提高作物生育期的耐盐能力。因此,在对植物进行抗盐锻炼时,可逐渐升
高Na+浓度,从而提高植物的耐盐能力。用CaCl2 浸种的玉米在盐胁迫下的叶绿素含量、细胞膜透性和根系活
力的变化程度均小于水浸种,脯氨酸含量、干物质重高于水浸种,水势低于水浸种,提高了三叶期玉米的耐盐能
力[160]。在低浓度钠盐处理下,夏枯草(犘狉狌狀犲犾犾犪狏狌犾犵犪狉犻狊)种子的发芽率、发芽势、活力指数、根长、苗高以及鲜重
都得到了显著提高[161]。
4.2 加入生长调节剂
在很多情况下,植物对逆境胁迫的响应是通过改变内源激素的水平来实现的。如植物处于非生物逆境胁迫
条件下会产生大量的ABA和乙烯(ethylene,Eth)等。生长素不仅调控植物的生长发育,也广泛参与逆境胁迫反
应[162]。植物使用不同的策略来应对高盐土壤,植物可以调整自身的根系结构和根生长的方向来避免局部盐浓
度过高的情况[163]。有一种模式就是通过盐度影响了植物激素在根系的分布,从而影响根生长。除了植物生长
素(indole3aceticacid,IAA),细胞分裂素(cytokinin,CTK),乙烯和脱落酸也有相应的作用。植物生长素的运
用可以通过促进侧根形成从而缓解渗透胁迫并不受ABA的影响,这表明这两种激素的行为独立地确定侧根原
基的命运[164]。用植物激素处理植株,是常用的提高植物耐盐性的途径之一。例如,在含0.15% Na2SO4土壤中
的小麦生长不良,但在播前用IAA浸种,可以抵消 Na2SO4 抑制小麦根系生长的作用,使小麦生长良好[165]。
ABA是一种逆境激素,能诱导气孔关闭,减少蒸腾作用、减少盐的吸收,提高作物的耐盐能力,它普遍存在于高等
植物中,在植物对逆境的适应中有着重要的作用[166]。此外,NO在植物耐受逆境中的作用尤其引人注意。如
822 草 业 学 报 第24卷
NO能显著缓解盐对盐地碱蓬种子萌发的抑制,外源NO供体硝普钠(sodiumnitroprusside,SNP)能通过促进种
子吸水以缓解盐的渗透胁迫来缓解盐胁迫下盐地碱蓬种子萌发[167]。并且SNP还可以缓解盐胁迫对蒺藜苜蓿
(犕犲犱犻犮犪犵狅狋狉狌狀犮犪狋狌犾犪)种子萌发的抑制作用[168]。
4.3 培育耐盐品种
随着植物分子生物学研究的深入、植物基因工程的发展、育种学的进步,培育耐盐的植物品种已经从普通的
生理生化等表面的研究深入到了分子领域。现今,人们可以通过改造植物内部的基因、构建耐盐基因的载体和遗
传转化等方法进一步改良植株。如上文所述,利用高等植物耐盐相关基因培育耐盐作物品种将会成为未来研究
的主要方向。此外有研究表明,植物的多倍体化同样可以使植物具有耐盐性,同时增强植物钾的积累[169]。
5 展望
近年来对于作物的耐盐性研究发展迅速,但在很大程度上仍然停留在通过鉴定和利用拟南芥中已知的相应
基因来进行耐盐性调控的水平。对水稻[64,170]和小麦[171172]的研究已经指出了一条阐明作物特别是禾谷类作物耐
盐机制的研究方向,但对作物的系统性研究仍然需要使用正向和反向遗传工具以及植物生理学、生物化学和分子
生物学等手段。用正向遗传筛选作物盐敏感突变体从而确定作物中重要的耐盐基因仍然没有广泛开展,这种方
法将有助于找到新基因或特定的作物耐盐机制。可以相信,拟南芥中未确定的某些机制,可能存在于作物中,特
别是具有不同体系结构和组织构架的单子叶植物组织中。
由3种类型的Na+转运体调控的3种细胞水平耐盐机制(控制Na+吸收,增强Na+外排,提高Na+区域化)
可以共同协调来提高植物的抗盐能力。然而,虽然在细胞水平上这3种Na+转运机制易于理解,但在整体植物
中这些转运体在特定位置上的协调作用机制仍然没有完全搞清楚。因此,还需要在生理和分子水平上进一步研
究来确定这些转运体的组织和细胞定位以阐明其在抗盐中的相互协调功能。除此之外,这些转运体在其他生物
过程中的作用也有待于进一步研究。显而易见的是,这些转运体不仅仅对植物耐盐性很重要,而且还涉及其他的
细胞生理学过程,这在拟南芥中已经得到证实;然而,除了耐盐性以外,这些转运体在作物中的其他作用还不是很
清楚。对这些方面研究将会有助于我们估计过量表达这些转运体来增强植物耐盐性后所产生的潜在副作用。
盐生植物为阐明高等植物耐盐机制的研究提供了天然资源。利用亲缘关系密切的盐生植物和甜土植物以及
比较基因组学研究方法将有助于阐明盐生植物耐盐性的遗传基础。Wu等[150]的研究证明了这一结论,即利用比
较基因组学方法来确定盐芥基因组和拟南芥基因组之间的差异以及其与盐胁迫反应和抗盐的关系,最终鉴定其
耐盐的分子机制。虽然比较基因组学的研究需要完整的基因组序列,但可以预见的是,随着测序技术的迅速发展
和相关成本的减少,可供利用的基因组序列将会更加丰富。这种方法也可以用于鉴定自然变异种群中耐盐变种
中的耐盐基因的变化,这会在分子育种方面为作物的耐盐性遗传改良提供有价值的信息。此外,转录组学、蛋白
质组学和表观遗传学等手段将加速盐生植物耐盐机制的研究和耐盐基因的大量挖掘。
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632 草 业 学 报 第24卷