向日葵對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制及緩解措施研究進(jìn)展

張紅，王文浩，劉文俊，何麗芬，閆玉星，鄭洪元

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西太原030031）

長(zhǎng)期以來(lái)，因?yàn)楦黝愖匀画h(huán)境的影響和人類不合理的開發(fā)利用，土地面臨的鹽堿化問題越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上有近1/3的土地是鹽堿地，我國(guó)的鹽堿地面積也數(shù)量驚人[1]，鹽堿脅迫已成為僅次于干旱脅迫的第二大阻礙作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的影響因素。鹽堿土含鹽分多，堿性大，土體結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受阻，中毒和爛根死亡[2]，這對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全構(gòu)成極大威脅，并隨著社會(huì)的高速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，鹽堿地面積還有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，人類面臨的土地問題將會(huì)日益嚴(yán)峻。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展急需解決的問題之一就是合理地開發(fā)和利用鹽堿地，了解鹽堿脅迫下作物的響應(yīng)機(jī)制，培育篩選耐鹽堿新品種，提高作物的抗鹽堿能力[3]，能有效利用鹽堿地。

向日葵是世界上重要的油料作物之一[4]，也是我國(guó)北方部分省區(qū)的主要油料作物[5]，其本身具有較強(qiáng)的耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿等特性，種植向日葵對(duì)有效利用鹽堿地具有重要意義[6]。目前，對(duì)向日葵的耐鹽堿研究主要集中在種子萌發(fā)、生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化特性及耐鹽堿機(jī)制和分子機(jī)制等方面，但缺乏這些方面的綜述性報(bào)道。

本研究探討了向日葵對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制及緩解措施，旨在為向日葵適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境及開發(fā)利用提供一定參考。

1 鹽堿脅迫對(duì)向日葵種子萌發(fā)及生長(zhǎng)特性的影響

有研究表明，當(dāng)脅迫達(dá)到一定濃度后，向日葵種子的出苗率、苗高、葉片數(shù)、干物質(zhì)質(zhì)量、葉面積、株高等指標(biāo)都明顯降低[7]。但在低濃度的脅迫條件下，由于土壤滲透勢(shì)加大，種子吸水緩慢，種子萌發(fā)中的活化和修復(fù)充分進(jìn)行，對(duì)向日葵種子的萌發(fā)抑制作用不明顯，甚至表現(xiàn)出了更強(qiáng)的萌發(fā)力，尤其在出苗后期，適當(dāng)?shù)柠}分處理能夠促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)[8]。國(guó)外已有文獻(xiàn)報(bào)道，用鹽溶液浸種的方法可以提高植物的抗鹽性[9]。有研究指出，鹽堿脅迫對(duì)向日葵的種子萌發(fā)、幼苗形成及不同生長(zhǎng)階段的影響明顯不同，幼苗生長(zhǎng)各項(xiàng)指標(biāo)均表明堿脅迫的抑制作用明顯大于鹽脅迫[10]，而且鹽、堿2種脅迫是具有相互增強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)[11]。

2 在鹽堿脅迫下的響應(yīng)機(jī)制

2.1 葉面積的響應(yīng)

向日葵的葉面積大小與光合作用面積的大小有直接的關(guān)系，光合作用的強(qiáng)弱影響作物的生長(zhǎng)和代謝，最終影響到作物的產(chǎn)量。岳云等[12]研究認(rèn)為，株高和葉面積是油葵植株受鹽脅迫時(shí)的表型指標(biāo)。向日葵是較耐鹽堿的作物，有研究發(fā)現(xiàn)，在土壤含鹽量0.35%環(huán)境下，株高、葉面積和生物產(chǎn)量下降均不顯著，說明向日葵耐輕度鹽脅迫，在該環(huán)境下生長(zhǎng)良好[7]，其葉面積非但沒有下降反而稍高于對(duì)照組；隨著鹽濃度的增加，葉面積受到脅迫影響出現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)[11-13]，在鹽濃度較低時(shí)，堿脅迫的增強(qiáng)對(duì)葉面積影響較小，隨著鹽濃度增高，堿脅迫的影響作用增大；當(dāng)鹽濃度保持不變時(shí)，pH值上升后會(huì)導(dǎo)致葉面積的下降，因此，鹽濃度和pH這2種因素變化都會(huì)對(duì)葉面積產(chǎn)生影響[11]。張俊蓮等[14]研究認(rèn)為，逆境脅迫對(duì)向日葵葉面積的影響較大，原因是逆境脅迫使得質(zhì)膜特有的選擇性功能喪失。

2.2 抗氧化酶系統(tǒng)的響應(yīng)

逆境脅迫對(duì)植物造成傷害的最初部位就是細(xì)胞膜系統(tǒng)，而造成細(xì)胞膜傷害的主要原因之一是活性氧積累引發(fā)的膜脂過氧化，本身具有耐鹽堿能力的植物可以通過增強(qiáng)活性氧清除能力來(lái)減輕傷害，而清除活性氧的途徑主要是通過維持較高的保護(hù)酶活性[15]，所以，植物的耐鹽堿性與抗氧化酶活性呈正相關(guān)[16]。有研究表明，用NaCl處理向日葵后，其葉片的MDA含量及葉片保護(hù)酶APX、SOD、CAT活性升高[17]，當(dāng)土壤含鹽量高于對(duì)照后，保護(hù)酶系統(tǒng)被激發(fā)，保護(hù)酶SOD、POD和CAT活性明顯升高，表明供試的向日葵材料具有較強(qiáng)的活性氧清除能力[7]，進(jìn)而抵抗鹽堿傷害。還有結(jié)果顯示，雜交油葵比食用葵具有較強(qiáng)的耐鹽堿性，雜交油葵的耐鹽堿性與其根部外皮層栓質(zhì)化和莖葉中的通氣組織密切相關(guān)[18]。事實(shí)上，由于向日葵的品種、器官、生育時(shí)期及脅迫程度各不相同，其作用機(jī)制明顯不同。有研究表明，鹽脅迫能夠有效促進(jìn)向日葵有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸和游離氨基酸的積累[19]。岳云等[12]研究認(rèn)為，油葵受鹽脅迫的生理狀況可以通過丙二醛、膜透性來(lái)反映，油葵植株受鹽脅迫時(shí)的表型指標(biāo)可以用株高、葉面積表示。陳炳東[13]研究表明，油葵在2對(duì)真葉期根系POD酶活性略大于葉片，而脯氨酸含量在不同生育階段表現(xiàn)不同，為現(xiàn)蕾期＞苗期＞開花期，丙二醛含量則表現(xiàn)為現(xiàn)蕾期顯著高于苗期和花期。綜上，向日葵不同種質(zhì)資源耐鹽堿性的形成是多樣的且存在差異。

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

逆境脅迫下的植物為保證其細(xì)胞能夠正常的生理代謝，減少由于細(xì)胞外的水勢(shì)低于胞內(nèi)而導(dǎo)致細(xì)胞的脫水，會(huì)通過滲透調(diào)方式，促使水分朝著有利于細(xì)胞生長(zhǎng)的方向進(jìn)行。許多研究證明，當(dāng)向日葵幼苗處于逆境脅迫時(shí)，其體內(nèi)的脯氨酸含量顯著升高[20]。顏宏等[21]研究表明，是否浸種處理，向日葵在逆境脅迫下葉片中脯氨酸含量都明顯增加，脯氨酸除了有滲透調(diào)節(jié)的作用外，對(duì)清除氧自由基和穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)都起作用，也是細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白的主要成分，所以，植物體內(nèi)脯氨酸含量不僅是植物抗逆性的重要指標(biāo)，也是反映環(huán)境脅迫的一個(gè)重要指標(biāo)。但劉杰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸對(duì)于調(diào)節(jié)向日葵子葉滲透勢(shì)作用并不明顯，在鹽堿脅迫下，向日葵子葉中所積累的大量脯氨酸可能并不是因?yàn)橐獞?yīng)對(duì)滲透脅迫的響應(yīng)，反而有機(jī)酸含量明顯積累，尤其是在堿脅迫下，有機(jī)酸成為向日葵子葉中有機(jī)滲透調(diào)節(jié)劑的主要成分。這可能是由于不同的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對(duì)鹽堿脅迫強(qiáng)度的響應(yīng)機(jī)制不同所致[12]。

2.4 離子吸收及分布的響應(yīng)

植物生長(zhǎng)在鹽堿化土地上，體內(nèi)攝入大量的Na+，過量的Na+可能和Ca+競(jìng)爭(zhēng)，破壞細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu)、影響其生理功能。植物體內(nèi)過多的Na+和Cl-也會(huì)造成細(xì)胞內(nèi)電荷和離子失衡，影響植物正常的代謝，因此，高鹽脅迫導(dǎo)致其他營(yíng)養(yǎng)離子的缺失，特別是K+[23]，所以，植物需要保持細(xì)胞質(zhì)的低Na+濃度、增加外排或者區(qū)域化將其封存在液泡或者特定的組織器官中[24]。因此，在正常情況下，植物細(xì)胞質(zhì)中K+濃度較Na+濃度要高，Na+/K+較低。鄭青松[25]研究發(fā)現(xiàn)，油用向日葵處于鹽脅迫時(shí)，莖稈和根部中的Na+比葉片多；K+在葉片和葉柄中的含量顯著增加，表明油用向日葵在離子吸收過程中，對(duì)K+具有較強(qiáng)的選擇性[26]。在鹽脅迫下，耐鹽品種和鹽敏感品種在鹽脅迫前后的內(nèi)流主要是Na+流和H+流，外排為K+流；短期鹽脅迫處理，耐鹽品種的Na+內(nèi)流和H+內(nèi)流較鹽敏感品種大，K+外流較鹽敏感品種小，耐鹽品種有較強(qiáng)的對(duì)Na+截留、對(duì)K+的保留和對(duì)H+的調(diào)控能力[16]。劉杰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿脅迫下，向日葵子葉中K+含量不但沒有減少反而明顯增加，這與其他植物堿地膚、堿蓬有所不同，說明K+是向日葵子葉最主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，進(jìn)一步反映了向日葵在鹽堿脅迫條件下表現(xiàn)出其特殊適應(yīng)性。在鹽堿脅迫下，向日葵要實(shí)現(xiàn)滲透調(diào)節(jié)，避免Na+大量涌入體內(nèi)造成離子毒害，就要通過大量吸收K+來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡。在不同生長(zhǎng)階段，各器官中離子分布也有較大差異。植株中K+濃度最高值出現(xiàn)在成熟期，其含量高于根部K+濃度，更是根系的4倍，即隨鹽脅迫濃度的增大，根系對(duì)K+的吸收減弱，因?yàn)榇藭r(shí)細(xì)胞質(zhì)中高Na+含量抑制了植物對(duì)K+的吸收，是Na+對(duì)K+的拮抗作用造成的，而植株中Na+隨鹽濃度的變化在現(xiàn)蕾期、開花期、苗期明顯大于灌漿期和成熟期。說明油葵對(duì)土壤鹽分的攜出主要是通過植株帶走的[27]。

2.5 分子水平響應(yīng)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，植物耐鹽性研究取得了很大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)植物鹽誘導(dǎo)過程中具有重要作用基因的分離、克隆、鑒定和利用進(jìn)行了大量的研究，主要涉及鹽脅迫條件下，植物在滲透調(diào)節(jié)、抗氧化、水分脅迫蛋白合成及轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)等方面的研究。在鹽脅迫下，向日葵提高耐鹽性的方式是蛋白積累和基因表達(dá)的變化。迄今為止，已克隆獲得上百種LEA基因，可被鹽脅迫、干旱、低溫及ABA處理等誘導(dǎo)表達(dá)[28]。

3 緩解鹽堿脅迫的主要措施

3.1 耐鹽堿品種篩選及培育

培育和篩選耐鹽堿向日葵品種是保證鹽堿地向日葵高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要方法。安玉麟等[29]采用群體逐級(jí)分類法對(duì)25個(gè)向日葵雜交種進(jìn)行耐鹽堿性鑒定和評(píng)價(jià)，篩選出2個(gè)極強(qiáng)耐鹽堿雜交種內(nèi)葵雜4號(hào)、P65和4個(gè)強(qiáng)耐鹽堿雜交種。張慶昕等[30]采用Na-Cl∶NaHCO3∶Na2CO3∶Na2SO4質(zhì)量比為1∶9∶9∶1的混合鹽堿溶液，對(duì)33個(gè)油用向日葵品種進(jìn)行抗鹽堿性評(píng)價(jià)，得出耐鹽堿能力最強(qiáng)的是YK9和YK31，耐鹽堿性最差的是YK14、YK28和YK30。張捷等[31]以國(guó)內(nèi)的優(yōu)良向日葵品種資源與自選育的不育系為材料，選育出3個(gè)汾恢系列恢復(fù)系品種進(jìn)行耐鹽堿性評(píng)價(jià)，得出汾恢1號(hào)在抗旱、耐鹽堿等方面更為突出。研究者們也正在積極探索運(yùn)用分子生物學(xué)的手段來(lái)探究向日葵抗鹽堿分子機(jī)制，并嘗試用基因工程方法改善向日葵的抗逆性狀。梁春波等[32]克隆了向日葵DREB類轉(zhuǎn)錄因子基因，根、莖和葉中的DREB基因均受干旱、鹽害和低溫誘導(dǎo)而上調(diào)表達(dá)，葉中DREB基因的上調(diào)幅度最高，干旱和鹽脅迫的表達(dá)上調(diào)量明顯高于低溫脅迫的表達(dá)上調(diào)量。孫瑞芬等[33]克隆了向日葵鹽誘導(dǎo)HD-Zip類轉(zhuǎn)錄因子HB-12，認(rèn)為該基因在向日葵根、下胚軸和葉中的表達(dá)存在器官特異性，且受鹽、ABA及PEG誘導(dǎo)表達(dá)。

3.2 外源物質(zhì)施加

緩解鹽堿脅迫的另一有效手段是外源物質(zhì)的施加，外源NO可以降低重金屬和鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制，在實(shí)際生產(chǎn)中可利用NO來(lái)促進(jìn)農(nóng)作物種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)。在生產(chǎn)中，采用濃度為0.10～0.50 mmol/L SNP外源NO浸種來(lái)促進(jìn)向日葵種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)[34]。將外源基因?qū)胫参矬w中的另一重要途徑是應(yīng)用基因工程手段，通過增強(qiáng)植物自身滲透物質(zhì)的合成累積能力，來(lái)達(dá)到提高植物對(duì)逆境脅迫的抵抗能力。EVERETT等[35]利用根瘤農(nóng)桿菌侵染向日葵下胚軸，通過愈傷組織獲得第1例轉(zhuǎn)基因向日葵植株以來(lái)，向日葵遺傳轉(zhuǎn)化工作正式拉開序幕，但是進(jìn)展緩慢。內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院向日葵課題組利用自己選育出的保持系75-33B和恢復(fù)系HT80-97這2個(gè)品種作為轉(zhuǎn)化受體材料，用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將抗旱、耐鹽堿基因P5CS導(dǎo)入到向日葵中，轉(zhuǎn)化出具有較強(qiáng)抗旱、耐鹽堿的向日葵新品系，為在干旱、鹽堿地區(qū)種植向日葵提供了有力的品系保障[36]。

3.3 與根際微生物的協(xié)同作用

植物根際促生菌（PGPR）是一類能誘導(dǎo)植物建立抵抗或忍耐機(jī)制、增強(qiáng)植物在逆境中的生存能力、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的微生物。植物根際促生菌能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)、防治病害、增加作物產(chǎn)量等[37]。PGPR已成為當(dāng)今土壤微生物學(xué)、微生態(tài)學(xué)和植物抗逆性的研究熱點(diǎn)之一[38]，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PGPR介導(dǎo)植物鹽堿抗性的分子機(jī)制逐漸被關(guān)注。通過調(diào)節(jié)抗性相關(guān)基因及蛋白的表達(dá)，PGPR能顯著增強(qiáng)植物鹽堿抗性。劉軍等[39]研究表明，加入根際促生菌對(duì)提高植物抗逆性有顯著作用，可以有效緩解向日葵幼苗的脅迫效果，減少了脅迫對(duì)向日葵幼苗的毒害作用。種植向日葵時(shí)施入微生物菌肥可以起到生物防治、改良鹽堿土壤的作用。隨著我國(guó)耕地土壤鹽漬化和次級(jí)鹽化的情況日益嚴(yán)峻，植物根際促生菌的開發(fā)與應(yīng)用對(duì)提高作物產(chǎn)量、改善土壤理化性質(zhì)和供肥能力、有效利用環(huán)境資源及減少農(nóng)藥污染等具有重要作用，對(duì)鹽漬化土壤PGPR的研究與開發(fā)勢(shì)在必行[40]。

4 展望

迄今為止，學(xué)者們對(duì)向日葵耐鹽堿方面的研究主要集中在表型和生理生化的脅迫響應(yīng)，缺乏從彼此關(guān)聯(lián)的角度進(jìn)行闡述，尤其在不同品種、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。育種家們已經(jīng)在向日葵抗旱方面作了大量工作，但局限于向日葵本身所具有的抗旱、耐鹽堿機(jī)理的研究，只有在子代中進(jìn)行大量篩選才能選育出其抗性。眾所周知，植物的抗性是由多基因控制的數(shù)量性狀，靠傳統(tǒng)的育種模式難以將相關(guān)的抗性基因整合出來(lái)，將現(xiàn)代分子生物學(xué)及基因工程技術(shù)應(yīng)用到育種中，由原來(lái)的傳統(tǒng)育種模式轉(zhuǎn)化為以傳統(tǒng)育種為主，結(jié)合現(xiàn)代基因工程技術(shù)、細(xì)胞工程技術(shù)、酶工程技術(shù)和組織培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行分子育種勢(shì)在必行[36]。通過基因技術(shù)手段培育向日葵新品種必將成為鹽堿地生物治理和合理開發(fā)利用的重要保障。