水楊酸增強(qiáng)植物抗鹽性機(jī)制研究進(jìn)展

王寶增 周棟梅 尚俊梅 朱樹華 王路路

(河北省廊坊師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 065000)

土壤鹽漬化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的嚴(yán)重問題，全世界有將近7%的陸地面積受鹽漬化影響[1]。不合理的耕作及灌溉會(huì)導(dǎo)致土壤的次生性鹽漬化，據(jù)估計(jì)，全球干旱及半干旱地區(qū)的可耕地正以每天2000～4000 hm2的速度退化成不適宜耕作的鹽漬土壤，鹽漬化趨勢十分嚴(yán)峻[2]。修復(fù)鹽漬化土壤耗時(shí)耗力，且難于大規(guī)模實(shí)施。滿足人類日益增長的糧食需求，提高植物或作物的抗鹽能力便成了緊迫的課題，而解決這一課題的前提之一就是洞悉植物抗鹽信號(hào)機(jī)制。

水楊酸(salicylic acid)即鄰羥基苯甲酸，是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的小分子酚類物質(zhì)。同時(shí)，又是一種內(nèi)源性激素，它參與調(diào)節(jié)植物的許多生理過程[3]。作為信號(hào)分子，水楊酸可通過復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)植物對(duì)各種逆境的反應(yīng)[4]。研究表明，施用一定濃度的水楊酸可降低多種植物的鹽害[5]。最近，對(duì)模式植物擬南芥突變體的研究揭示了水楊酸在增強(qiáng)植物抗鹽性方面的作用[6]。

1 水楊酸與鹽脅迫下植物的Na+的吸收及區(qū)域化

土壤中的鹽分多以離子形式存在，雖然植物對(duì)土壤中離子的吸收具有選擇性，但在吸水的同時(shí)，必定會(huì)吸收大量鹽離子，例如Na+等。鹽脅迫下Na+的吸收涉及多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其中高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(HKT)參與了植物對(duì)Na+的吸收以及Na+在植物體內(nèi)的再分配[7]。在鹽脅迫下，水楊酸預(yù)處理可降低野生型擬南芥[8]以及高內(nèi)源水楊酸含量擬南芥突變體nudt7[9]植株地上部分的Na+含量；然而，另一種高內(nèi)源水楊酸含量突變體npr1植株地上部分的Na+含量卻比野生型高，同時(shí)還表現(xiàn)出對(duì)鹽脅迫的高度敏感[10]，說明非表達(dá)發(fā)病機(jī)制相關(guān)蛋白1(NPR1)依賴的水楊酸信號(hào)通路在限制Na+向植株地上部運(yùn)輸和提高抗鹽性方面起關(guān)鍵作用。NPR1是一種水楊酸基因轉(zhuǎn)錄共激活蛋白，NPR1缺失會(huì)導(dǎo)致Na+內(nèi)流加劇和植物對(duì)鹽的超敏感。在高內(nèi)源水楊酸擬南芥突變體的研究中還發(fā)現(xiàn)，nudt7的Na+內(nèi)流量最低，NPR1信號(hào)阻斷突變體npr1 Na+內(nèi)流量最高，二者Na+內(nèi)流量差異在鹽處理1h以上才表現(xiàn)出來，說明外源水楊酸需要長于1h的時(shí)間才能作用于Na+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，提示水楊酸在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮作用[10]。

鹽處理下，植物胞質(zhì)低Na+水平主要由質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SOS1)來維持，該蛋白可將胞質(zhì)內(nèi)過多的Na+運(yùn)出細(xì)胞[11]。SOS1 主要起三方面作用：介導(dǎo)胞質(zhì)Na+流向根際；通過減緩胞質(zhì)Na+的累積為Na+向液泡儲(chǔ)存贏得時(shí)間；通過Na+的回流機(jī)制控制Na+在植株的根與地上部分的長距離運(yùn)輸。SOS1 mRNA的穩(wěn)定性很低，半衰期僅10 min[12]，而在擬南芥的SOS1過表達(dá)品系中，其穩(wěn)定性可被一定濃度的H2O2加強(qiáng)，而水楊酸可通過“自我放大反饋環(huán)”調(diào)控H2O2含量。因此，水楊酸極可能通過該機(jī)制調(diào)節(jié)植物SOS1的表達(dá)。

另有研究表明，一種定位于質(zhì)膜的脅迫誘導(dǎo)蛋白(PMP3)參與Na+的外流，該過程依賴SOS1[13]。在擬南芥及一些單子葉鹽生植物中鑒定出了PMP3的同源蛋白[13,14]。Inada等通過鹽生植物羊草(Aneurolepidiumchinense)的原位雜交實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了AcPMP3定位于根冠和根表皮[14]。非常巧合的是，AcPMP3的表達(dá)可被水楊酸上調(diào)，提示水楊酸可以調(diào)控鹽脅迫下AcPMP3的活性。

Na+在液泡的區(qū)域化對(duì)于維持胞質(zhì)低Na+濃度以及提高植物抗鹽性也很重要，區(qū)域化由液泡膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NHX)介導(dǎo)[15]。NHX在鹽生植物中組成型表達(dá)，即不需要鹽離子誘導(dǎo)也可表達(dá)，而在耐鹽甜土植物中，其表達(dá)受鹽脅迫誘導(dǎo)。NHX過表達(dá)可提高擬南芥[15]和番茄[16]的抗鹽性。有研究證實(shí)，水楊酸和脫落酸均可上調(diào)NHX的表達(dá)[17]。在逆境下，水楊酸可與脫落酸相互作用，提示水楊酸還可能通過NHX介導(dǎo)Na+在液泡中的區(qū)域化。

2 水楊酸與鹽脅迫下植物的K+穩(wěn)態(tài)

鹽脅迫既可阻止植物對(duì)某些必需礦質(zhì)元素的吸收，造成營養(yǎng)離子虧缺，又可破壞細(xì)胞中的離子穩(wěn)態(tài)(ion homeostasis)，從而引發(fā)營養(yǎng)脅迫。Shabala的研究表明，鹽處理時(shí)，Na+的進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致K+泄漏，從而耗盡細(xì)胞K+庫，并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[18]。K+穩(wěn)態(tài)的維持可以作為抗鹽機(jī)制的基本要素，許多研究也證實(shí)植物根部K+的存留能力與抗鹽性之間的正相關(guān)[19]。在一些植物中，水楊酸可減輕鹽漬的影響并能夠增加根中K+濃度。在減輕鹽害方面，尚不清楚在促進(jìn)K+的吸收與抑制K+的泄漏之間哪一個(gè)更重要。最近的研究顯示，水楊酸能夠阻止K+通過外向整合通道泄漏，這在植物抗鹽機(jī)制中起一定的作用[8]。

在葉肉細(xì)胞中，鹽處理引起的K+外流主要是通過去極化激活的外向整合K+通道完成的。例如，擬南芥中的保衛(wèi)細(xì)胞去極化激活的外向整合K+通道(GORK)[20]。用低于0.5 mmol /L 的水楊酸處理擬南芥根部，可降低K+通過GORK的泄漏[8]，表明阻止K+通過GORK的外流是水楊酸降低鹽害的主要模式[18]。而擬南芥突變體npr1則不能阻止K+通過去極化激活的外向通道泄漏[10]，說明降低K+通過GORK的泄漏也是由NPR1介導(dǎo)的[18]。

GORK屬電壓依賴性通道，其作用受到質(zhì)膜質(zhì)子泵(H+-ATPase)的強(qiáng)烈影響。鹽脅迫下質(zhì)子泵的激活與植物的抗鹽能力呈正相關(guān)，且抗鹽植物比鹽敏感植物的激活效果更為明顯。H+-ATPase的激活首先可以抑制去極化激活的外向整合K+通道活性，進(jìn)一步阻止K+泄漏。而水楊酸增強(qiáng)H+-ATPase活性的效應(yīng)在npr1突變體中觀測不到，也提示了水楊酸對(duì)H+-ATPase活性的上調(diào)依賴于NPR1[8]。其次，H+-ATPase為SOS1從胞質(zhì)向胞外運(yùn)輸Na+提供驅(qū)動(dòng)力，因此可降低胞質(zhì)Na+/K+比值，進(jìn)而提高抗鹽性。

3 展望

外源水楊酸在減輕植物鹽害方面的研究報(bào)道很多，為植物抗鹽性的研究提供了許多新的思路。能否在非鹽生植物中過表達(dá)水楊酸的合成以提高其抗鹽性，或者借助NPR1介導(dǎo)的信號(hào)途徑增強(qiáng)植物抗鹽能力，都值得深入探討。

其次，NPR1介導(dǎo)的水楊酸信號(hào)途徑，涉及植物降低根部Na+的吸收、增強(qiáng)根部細(xì)胞H+-ATPase活性以及阻止K+泄漏等過程。植物抗鹽性的提高包括多個(gè)層面，而且各層面也并非完全協(xié)調(diào)統(tǒng)一。所以，在今后的研究中，探尋水楊酸合成途徑中是否存在受鹽脅迫專一誘導(dǎo)的啟動(dòng)子，將會(huì)成為解決問題的關(guān)鍵。

需要注意的是，水楊酸信號(hào)是動(dòng)態(tài)的，組成型過表達(dá)水楊酸合成可能會(huì)干擾其他信號(hào)途徑，影響抗鹽性的獲得。能否區(qū)分“脅迫特異性”水楊酸信號(hào)標(biāo)志，還有待于進(jìn)一步研究。