燕麥對鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制及緩解措施研究進(jìn)展

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 呼和浩特 010019)

土壤鹽堿化導(dǎo)致全球可利用耕地日益縮減，并制約著作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[1]，一直是世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。目前，全球至少有20%的耕地存在不同程度的鹽堿化，我國鹽堿化土地面積近1億hm2[2]。灌概、施肥等不當(dāng)?shù)母鞴芾矸绞竭€在不斷導(dǎo)致次生鹽堿地的形成。隨著人口不斷增長，耕地逐漸減少，糧食安全問題日益嚴(yán)重。因此，了解鹽堿脅迫下作物的響應(yīng)機(jī)制，培育耐鹽堿新品種，掌握提高作物抗鹽堿措施，對鹽堿地進(jìn)行生物治理及合理開發(fā)利用，將是農(nóng)牧業(yè)進(jìn)一步增產(chǎn)增收的重要舉措。

燕麥(AvenasativaL.)為禾本科早熟禾亞科燕麥屬植物，是重要的糧飼兼用作物。燕麥具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐適度鹽堿的特性，是治理土壤鹽堿化和荒漠化的優(yōu)良飼草[3]。我國是裸燕麥種植面積最大的國家，年種植面積約55萬hm2[4]?？梢?，深入研究燕麥耐鹽堿特性，提高其鹽堿地產(chǎn)質(zhì)量，逐步推進(jìn)鹽堿地燕麥種植，對改良和合理利用鹽堿地等工作具有重要意義。迄今，燕麥對鹽堿脅迫響應(yīng)的相關(guān)報(bào)道較多，主要集中在鹽堿脅迫下種子萌發(fā)特性、生長發(fā)育、生理生化響應(yīng)、耐鹽機(jī)理及分子機(jī)制等方面，但缺乏這方面的綜述性報(bào)道。本文就燕麥對鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制及緩解的主要措施進(jìn)行綜述，以期為今后的相關(guān)研究提供重要參考依據(jù)。

1 鹽堿脅迫對燕麥種子萌發(fā)及生長特性的影響

大量研究表明，鹽堿脅迫總體上抑制了燕麥種子萌發(fā)及幼苗的生長。隨著鹽脅迫的加劇，燕麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及活力指數(shù)逐漸下降[5]，胚根與胚芽的生長減緩[6]，葉面積、植物干重[7]，莖長，莖生物量顯著下降[8]，單株粒數(shù)和平均粒重減少，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。雖然鹽脅迫在整體上抑制了燕麥種子萌發(fā)及幼苗的生長，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，低鹽(50～100 mmol·L-1)脅迫對燕麥種子萌發(fā)[9]、芽長、根長[10]及根數(shù)[11]具有一定的促進(jìn)作用。這種“低促高抑”現(xiàn)象在其它作物及牧草上也有報(bào)道，可能與植物在弱脅迫的刺激下增強(qiáng)了呼吸、活化了代謝水平有關(guān)。有關(guān)燕麥種子萌發(fā)及幼苗生長特性對不同鹽堿類型的響應(yīng)研究結(jié)果顯示，無論單鹽或復(fù)鹽脅迫[12]，還是中性鹽或堿性鹽脅迫[13]，其對燕麥種子萌發(fā)及幼苗生長特性的影響趨勢基本一致，但程度有所不同；總體表現(xiàn)為單鹽脅迫的抑制程度大于復(fù)鹽脅迫，堿脅迫的抑制程度大于鹽脅迫。

2 燕麥對鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制

2.1 光合特性的響應(yīng)

隨著鹽堿脅迫的加劇，燕麥葉片光合色素含量、光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)等光合特性指標(biāo)總體表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢，鹽敏品種較耐鹽品種下降更為明顯[14]。低鹽堿(25 mmol·L-1)脅迫下，燕麥幼苗葉片Pn、Gs、Ci、Tr和氣孔限制值(Ls)變化較小；中高鹽堿(75 mmol·L-1)脅迫下，燕麥幼苗葉片Pn、Gs、Tr、Ls下降明顯[15]。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，輕度鹽堿脅迫對燕麥葉片葉綠素含量、Pn等有促進(jìn)作用，耐鹽堿品種(Vao-9)較鹽敏品種(白燕5號)促進(jìn)作用更加明顯[16]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，輕度鹽堿脅迫下Pn降低是由氣孔因素導(dǎo)致，中、重度鹽堿脅迫下Pn降低則與氣孔因素?zé)o關(guān)，而與PSⅡ反應(yīng)中心受損有直接關(guān)系[15]。鹽堿脅迫下，燕麥光合色素組分響應(yīng)機(jī)制存在差異，輕度脅迫葉綠素a/b比和類胡蘿卜素含量提高，中度脅迫類胡蘿卜素含量明顯下降，而葉綠素a/b比無明顯差異[15]。

2.2 抗氧化酶系統(tǒng)的響應(yīng)

鹽堿脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)活性氧積累，活性氧清除系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡可能被打破。此時(shí)，植物通過調(diào)節(jié)體內(nèi)抗氧化酶活性，清除過剩的活性氧，以減少其對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的傷害。大量研究表明，鹽堿脅迫下，燕麥體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)及抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性增加，提升了活性氧的清除能力，進(jìn)而抵抗鹽堿傷害[17]。不同的燕麥品種抗氧化酶活性對鹽堿脅迫的響應(yīng)存在差異。一般情況下，耐鹽品種較鹽敏品種響應(yīng)明顯；也有的品種隨著脅迫的加劇，抗氧化酶活性表現(xiàn)為先升后降的趨勢[18]。事實(shí)上，不同品種、生育期和器官在不同脅迫程度下，其抗氧化酶的作用機(jī)制各不相同，變化趨勢差異較大。白健慧研究發(fā)現(xiàn)，2個(gè)燕麥品種葉片灌漿期SOD、CAT活性高于分蘗期、拔節(jié)期及抽穗期，POD活性在拔節(jié)期達(dá)到峰值[16]。但在莖、根等不同器官中抗氧化酶活性變化情況又有所不同。燕麥品種定莜6號隨脅迫處理濃度增大，CAT活性呈升高趨勢，POD活性先降后升，抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)含量呈下降趨勢，SOD和APX活性均為先升后降[19]。上述研究表明，在不同脅迫強(qiáng)度下，燕麥可以不斷重構(gòu)抗氧化酶系統(tǒng)及其活性來清除活性氧，以提高燕麥耐鹽性。

2.3 有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的響應(yīng)

在鹽堿脅迫下，植物會(huì)產(chǎn)生和積累一些有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以降低胞內(nèi)滲透勢，保障脅迫條件下水分的正常吸收，緩解脅迫對植物造成的傷害。大量研究表明，鹽堿脅迫下，燕麥通過積累較多的脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖及有機(jī)酸來抵抗?jié)B透脅迫，維持細(xì)胞正常的生理狀態(tài)。但不同的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對鹽堿脅迫強(qiáng)度的響應(yīng)機(jī)制可能不同。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，燕麥游離脯氨酸含量總體上隨著鹽脅迫的增大而增加，可溶性蛋白含量隨著鹽脅迫增加先升后降[18]，可溶性糖含量則呈現(xiàn)降—升—降的變化趨勢。也有研究結(jié)果顯示，鹽脅迫下，燕麥游離氨基酸含量先降后升[19]。迄今，有關(guān)研究結(jié)果仍存在一定的差異，這可能因品種、生育期、脅迫強(qiáng)度等因素的差異，導(dǎo)致燕麥各有機(jī)滲透物質(zhì)合成能力不同有關(guān)。另外，劉建新等發(fā)現(xiàn)，在50～150 mmol·L-1Na+濃度下，堿脅迫的燕麥可溶性糖含量比鹽脅迫更高；但Na+濃度升高到200 mmol·L-1時(shí)，燕麥可溶性糖含量的表現(xiàn)則相反[20]。堿脅迫的燕麥游離氨基酸總含量明顯高于鹽脅迫，脯氨酸含量表現(xiàn)則相反。說明燕麥應(yīng)對鹽脅迫和堿脅迫時(shí)，采用的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)機(jī)制不同。

加拿大學(xué)者研究結(jié)果顯示，耐鹽化轉(zhuǎn)基因燕麥(CBF 3燕麥)與野生型燕麥相比，轉(zhuǎn)基因燕麥生物堿含量隨著鹽脅迫加劇而逐漸增加，說明燕麥生物堿在提高燕麥非生物脅迫耐性方面具有關(guān)鍵的作用[21]。

2.4 離子吸收及分布響應(yīng)

鹽堿脅迫下，植物體內(nèi)積累大量的Na+。高濃度的Na+嚴(yán)重阻礙作物對K+和Ca2+等的吸收和運(yùn)輸，導(dǎo)致K+、Ca2+大量流失。Na+/K+(Ca2+)值增大，打破植物體內(nèi)原有的離子平衡；同時(shí)大量的Na+競爭抑制K+、Ca2+等離子結(jié)合位點(diǎn)，破壞質(zhì)膜透性及多種酶促作用。多數(shù)植物應(yīng)對鹽堿脅迫的策略是避免過量Na+進(jìn)入細(xì)胞和增加細(xì)胞中Na+排出，同時(shí)維持細(xì)胞對K+的吸收和減少K+流失，繼而提高K+/Na+比率[22]。燕麥?zhǔn)艿禁}堿傷害后，體內(nèi)Na+含量增加，K+含量降低，Na+/K+明顯上升；堿脅迫引起的變化幅度較鹽脅迫更加明顯[23]。耐鹽燕麥幼苗根系具有貯Na+的作用，可改變Na+的分布，減少對幼苗的傷害[24]；但隨著鹽脅迫的增加，燕麥根系吸收的Na+逐漸向莖、葉中轉(zhuǎn)移[25]。耐鹽品種的葉片中保持較低的Na+濃度，并有較強(qiáng)的持K+能力[26]；能降低葉片質(zhì)外體K+濃度，同時(shí)增加共質(zhì)體K+濃度[27]。另外，燕麥也可能有利用氣孔外排Na+的功能[28]。隨著鹽堿脅迫加劇，燕麥根系選擇性吸收K+、Ca2+、Mg2+及向地上部運(yùn)輸K+、Ca2+的能力明顯增強(qiáng)，但向地上部運(yùn)輸Mg2+的能力下降[27]，這可能是導(dǎo)致鹽堿脅迫下燕麥葉綠素含量下降的重要原因。鹽堿脅迫也抑制了燕麥對Fe2+、Cu2+、Zn2+的吸收及其向地上部的運(yùn)輸[26]。

在不同生長階段，燕麥各器官中離子分布也有較大的差異。鹽脅迫加劇時(shí)，苗期葉中K+濃度最高，根中最低；成熟期根中Na+、K+均低于地上部位；其它生育期則無明顯差異[25]。燕麥葉片對Na+、Cl-的吸收高峰在抽穗期，莖的吸收高峰在成熟期。離子向莖、根和穗的分配從抽穗期到成熟期逐漸增加，從成熟期到采收期逐漸下降，但葉片中離子濃度從抽穗期到采收期持續(xù)下降[29]。

2.5 分子水平響應(yīng)

植物耐鹽性是由多基因控制、多種生理生化及分子機(jī)制調(diào)控下的綜合表現(xiàn)性狀[30]。鹽脅迫下，燕麥中蛋白積累和基因表達(dá)的變化對其提高耐鹽性是非常重要的。研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下，燕麥種子、根、葉等不同器官蛋白表達(dá)量均發(fā)生變化。王霞霞等[31]從燕麥種子中得到燕麥蛋白、燕麥蛋白N 9和蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶等3個(gè)表達(dá)量上調(diào)蛋白，這些蛋白的差異表達(dá)可能與鹽脅迫下燕麥種子萌發(fā)的生理活動(dòng)有關(guān)。Bai等[32]從燕麥根部鑒定出與對照差異顯著的13個(gè)蛋白點(diǎn)，從葉片中鑒定出29個(gè)蛋白點(diǎn)，二者功能鑒定差異較大，這可能是燕麥不同器官對鹽堿脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制不同導(dǎo)致。不同學(xué)者對鹽堿脅迫下燕麥蛋白質(zhì)組響應(yīng)的研究結(jié)果存在一定差異，但基本都涉及了與逆境脅迫相關(guān)的植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白途徑、碳水化合物與能量代謝相關(guān)蛋白途徑等4條途徑[33-35]。另外，張勝博等[36]從燕麥中克隆了NAC轉(zhuǎn)錄因子家族基因AsNAC1，并將其轉(zhuǎn)化擬南芥進(jìn)行功能鑒定，結(jié)果顯示AsNAC1的表達(dá)提高了擬南芥植株的耐鹽性。

3 緩解鹽堿脅迫的主要措施

3.1 耐鹽堿品種篩選及培育

對現(xiàn)有植物進(jìn)行耐鹽堿篩選是培育耐鹽堿品種的有效途徑。國際生物多樣性中心(Bioversity International)對來自國際不同生態(tài)區(qū)的278份裸燕麥種質(zhì)進(jìn)行耐鹽性綜合評價(jià)，篩選出SHX 75等17份高耐鹽性裸燕麥材料[37]；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者對青永久系列的24個(gè)燕麥品種進(jìn)行了耐鹽性評價(jià)，篩選出了相應(yīng)的耐鹽品種(青永久110)及鹽敏品種(青永久233)[10]。黑龍江省學(xué)者對白燕系列的4個(gè)燕麥品種也進(jìn)行了耐鹽性評價(jià)，篩選出了白燕6號、白燕2號2個(gè)具有高鹽耐受性的品種[18]。上述篩選出的這些燕麥品種可以為耐鹽基因挖掘及耐鹽品種的選育提供重要材料。另外，與生物技術(shù)手段相結(jié)合，對植物基因進(jìn)行修飾改造并實(shí)現(xiàn)抗鹽堿基因的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而獲得耐鹽堿新品種的方法，目前在育種學(xué)術(shù)領(lǐng)域已是熱點(diǎn)。但是，在國內(nèi)關(guān)于耐鹽堿燕麥轉(zhuǎn)基因方面的研究還未見報(bào)道。在國外，有加拿大學(xué)者在燕麥中引入擬南芥CBF3基因rd29A啟動(dòng)子的報(bào)道，轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出明顯的耐鹽生理特性并能降低產(chǎn)量損失[38]。

3.2 外源物質(zhì)施加

施加外源物質(zhì)是緩解鹽堿脅迫的一種有效抗鹽方式。目前在緩解鹽堿脅迫對燕麥生長的影響上，施用的外源物質(zhì)主要有NO、H2O2、腐殖酸及營養(yǎng)因子等。外源施加NO供體硝普鈉，能夠緩解NaHCO3(75 mmol·L-1)、NaCl(150 mmol)脅迫對燕麥幼苗生長的抑制作用，NO的作用可能依賴于胞漿中Ca2+的濃度[39-40]。在鹽脅迫下，燕麥葉面噴施腐植酸水溶肥料，可降低燕麥葉片中Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+比，提高單株穗粒數(shù)，使燕麥保持較高產(chǎn)量。營養(yǎng)因子氮、磷、鈣劑不同調(diào)控處理，能夠減弱鹽脅迫對細(xì)胞質(zhì)膜的損傷，不同程度增加燕麥植株體內(nèi)K含量，減少Na含量，可促進(jìn)燕麥植株的生長發(fā)育，提高燕麥產(chǎn)量。另外，外源H2O2可調(diào)控燕麥幼苗活性氧代謝和滲透溶質(zhì)積累，維持K+、Na+平衡，從而增強(qiáng)燕麥耐鹽性[41-42]。

3.3 與根際微生物的協(xié)同作用

植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)是非致病有益的土壤根際細(xì)菌，能產(chǎn)生促進(jìn)植物生長的代謝物，抑制有害微生物的侵染[43]。應(yīng)用PGPR有助于減輕鹽分對植物的不良影響，已經(jīng)成為一種環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)有效的促進(jìn)植物在鹽漬化土壤中生長的發(fā)展策略[44]。目前研究結(jié)果顯示，含1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylate，ACC)脫氨酶的PGPR，能夠有效地緩解燕麥種子在鹽堿脅迫下萌發(fā)及其在幼苗生長階段受到的危害[45-47]。聯(lián)合使用PGPR和叢枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi，AMF)可使燕麥對鹽堿地有害烴類污染物具有更強(qiáng)的耐受性，緩解鹽堿及石油對燕麥的脅迫[48]。鹽堿地施用菌肥也有利于燕麥的抗鹽生長，對其株高、根長、光合特性、鮮干草產(chǎn)量等指標(biāo)均有所提高[49]。這些根際微生物基本都是通過改善土壤酶活性，促進(jìn)燕麥對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和利用，間接緩解了鹽堿脅迫對燕麥造成的傷害。

4 展 望

環(huán)境變化導(dǎo)致土壤鹽漬化程度日益增加已經(jīng)成為全球性的生態(tài)問題。鹽堿地面積的不斷增加必然影響農(nóng)牧業(yè)的健康發(fā)展，在鹽堿地大力種植耐鹽堿作物及飼草將成為今后農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的重要策略。燕麥作為糧飼兼用植物在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，深入研究燕麥對鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制和緩解措施，對土壤鹽堿化改良及糧飼產(chǎn)品的豐產(chǎn)具有十分重要的意義。

幾十年來，科研工作者在鹽堿脅迫下對燕麥種子萌發(fā)、幼苗生長、生理特性及其響應(yīng)機(jī)制等方面開展了大量研究工作，為揭示燕麥耐鹽堿機(jī)制作出了較大貢獻(xiàn)。但燕麥耐鹽堿機(jī)制研究與玉米、小麥、大豆、楊樹及苜蓿等植物相比還有較大差距。目前，燕麥耐鹽堿機(jī)制研究主要以生理響應(yīng)機(jī)制研究為主，其耐鹽機(jī)理研究僅限于種子萌發(fā)、光合特性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶系統(tǒng)、離子吸收分布等方面的獨(dú)立分析，缺乏從彼此關(guān)聯(lián)的角度進(jìn)行闡述，尤其在不同的品種、生育期、器官及不同脅迫程度下，其響應(yīng)的差異性缺乏合理解釋。另外，在鹽脅迫下離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、激素變化情況等重要的應(yīng)答環(huán)節(jié)還未見報(bào)道。植物的耐鹽性是多途徑、多代謝和多基因控制的數(shù)量性狀，僅從以上方面分析燕麥的耐鹽機(jī)制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，今后應(yīng)在調(diào)節(jié)離子平衡的分子機(jī)制、耐鹽相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子應(yīng)答及耐鹽基因的克隆、功能鑒定等方面加大研究力度，進(jìn)一步揭示燕麥耐鹽相關(guān)代謝途徑以及耐鹽相關(guān)基因表達(dá)模式。

外源物質(zhì)施加雖然能提高燕麥的耐鹽堿性，但存在對環(huán)境污染的潛在危險(xiǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中大量應(yīng)用需格外謹(jǐn)慎。根際微生物與植物的相互作用可以間接提高植物的抗逆性，較多報(bào)道顯示，真菌的協(xié)同效應(yīng)確實(shí)提高了植物的耐鹽堿性[50]，近年來，在燕麥鹽堿地種植上也開始重視根際微生物的作用，在生產(chǎn)上也起到了一定的抗鹽效果[51-52]。但通過基因工程手段培育燕麥耐鹽堿新品種依然是學(xué)術(shù)界今后研究的熱點(diǎn)及趨勢，隨著新的生理學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)在燕麥耐鹽性上的應(yīng)用，逐漸闡明燕麥耐鹽分子機(jī)制，建立完善的耐鹽應(yīng)答通路，優(yōu)化基因轉(zhuǎn)化效率，相信在此基礎(chǔ)上，必可培育出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的耐鹽燕麥新品種，其必將成為鹽堿地生物治理及合理開發(fā)利用的重要保障，為農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。