鹽脅迫的生理危害與植物的適應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展

焦明翠,蔡立格,魏 健,王光野

(1.長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,吉林 長春 130032;2.吉林省實驗中學(xué),吉林 長春 130021)

鹽漬土一般分布在水源較少的土壤環(huán)境,鹽分的積累會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,從而使牧草等植物生長發(fā)育受到影響。目前,全球鹽漬土占地面積約為1.1×109hm2,在我國鹽漬土占地面積約為3.69×107hm2,遍布在熱帶氣候、溫帶氣候,海灣、內(nèi)陸地區(qū)[1]。近年來,由于不合理耕種、過度放牧及工業(yè)生產(chǎn),使土壤鹽漬化更加嚴(yán)重[2]。鹽脅迫對植物的危害因植物種類及不同生長發(fā)育階段而異,鹽脅迫能抑制種子萌發(fā)、抑制植物生長發(fā)育、降低植物光合作用等[3-7]。

1 鹽脅迫對植物的生理危害

1.1 滲透脅迫

滲透脅迫是因為土壤中鹽的含量過高進(jìn)而使土壤的滲透壓過高,高濃度的Na+引起土壤水勢下降,對根吸水作用產(chǎn)生阻力,導(dǎo)致植物體內(nèi)出現(xiàn)缺水現(xiàn)象,甚至造成植物死亡[8]。同時,根系吸收的Na+隨蒸騰作用到莖葉,積累在葉片中,使葉片壽命縮短,植物產(chǎn)量下降[9]。滲透脅迫抑制植物生長發(fā)育[10]。在對小麥的研究中發(fā)現(xiàn),滲透脅迫減少了小麥幼苗的相對水分含量,抑制了幼苗的生長發(fā)育[11]。在菜豆的研究中,滲透脅迫抑制了干物質(zhì)的累積,造成葉綠素破壞,葉面發(fā)黃,光合作用效率降低,滲透脅迫對莖的抑制效果比根更強(qiáng)烈[12]。

1.2 離子脅迫

當(dāng)較多的鹽離子進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi),會破壞細(xì)胞膜系統(tǒng),嚴(yán)重危害植物的生長發(fā)育[13-14]。鄭青松等[15]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫造成植株體內(nèi)Na+和Cl-含量上升,Na+和Cl-在地面上部累積最大,植株體內(nèi)K+和Ca2+含量明顯降低。牟詠花等[16]研究表明,因為鹽脅迫,番茄株高的增長幅度和植物營養(yǎng)成分降低。LIU等[17]發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)的Ca2+含量減少,在鹽脅迫的情況下,Na+會替代Ca2+的結(jié)合位點,破壞正常生理代謝功能。

1.3 氧化脅迫

植物細(xì)胞的重要保護(hù)結(jié)構(gòu)是細(xì)胞膜,它在化學(xué)物質(zhì)運(yùn)送和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著至關(guān)重要的作用[18]。它具有選擇透過性,能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子平衡、滿足植物生理活動的需求。然而,ROS(活性氧)累積會導(dǎo)致脂質(zhì)自由基形成、細(xì)胞膜破壞及其他嚴(yán)重?fù)p害[19]。鹽脅迫造成的氧化應(yīng)激可以改變膜的通透性,一方面會影響離子流動速度、運(yùn)輸速度和可選擇性等;另一方面,有機(jī)物質(zhì)和磷也會外滲,進(jìn)而危害組織細(xì)胞的生命活動[20]。HERNNDEZ 等[21]研究發(fā)現(xiàn),鹽誘導(dǎo)會導(dǎo)致豌豆葉片上出現(xiàn)壞死斑。

2 鹽脅迫響應(yīng)的生理機(jī)制

2.1 滲透調(diào)節(jié)

在滲透脅迫下,植物通過自身的抵御網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)代謝途徑,即產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可以降低滲透脅迫造成的損害[22]。常用的調(diào)節(jié)方式為有機(jī)滲透調(diào)節(jié)和無機(jī)滲透調(diào)節(jié)[23]。

2.1.1 植物體內(nèi)合成有機(jī)調(diào)節(jié)物質(zhì)

植物體內(nèi)的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),主要包括脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖、多胺等,這些物質(zhì)的累積在一定水平上,可以使植物細(xì)胞在鹽脅迫下保持正常的膨壓和新陳代謝,對體細(xì)胞沒有毒性,對新陳代謝無抑制效果[24-25]。

脯氨酸是非常重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),具備相對分子量小、水溶性高、在生理pH范圍內(nèi)無凈電荷等特點,在植物細(xì)胞中大多數(shù)脯氨酸都以游離態(tài)存在[26]。脯氨酸可以起到保護(hù)膜系統(tǒng)和細(xì)胞內(nèi)酶結(jié)構(gòu)的功能,進(jìn)而減弱體細(xì)胞內(nèi)蛋白的溶解。LIANG等[27]研究發(fā)現(xiàn),在鹽脅迫下,轉(zhuǎn)基因擬南芥適應(yīng)滲透脅迫的方式是提高脯氨酸含量,降低細(xì)胞的滲透勢,這與滲透脅迫條件下向日葵[28]、海濱雀稗[29]、沙灘黃芩[30]、甘草[31]中脯氨酸含量的變化相似,提升了植物對鹽逆境造成的滲透脅迫的適應(yīng)能力。

甜菜堿是普遍存在于動物、綠色植物和微生物中的季銨化合物,是一種可以參與有機(jī)滲透調(diào)節(jié)、清除活性氧、維持生物膜的穩(wěn)定性的化學(xué)物質(zhì)[32-33]。YANG等[34]從高甜菜堿含量和生成缺點的自交系中構(gòu)建了帶有甜菜堿(Bet1/Bet1)和甜菜堿缺少(bet1/bet1)的近等基因系(NILs),并測量了鹽脅迫下兩種基因型植物的干重、葉面積擴(kuò)展、葉片水分含量和碳同化作用率等生理學(xué)指標(biāo)值,發(fā)現(xiàn)Bet1/Bet1耐鹽程度高,說明甜菜堿能改善鹽脅迫。HOQUE等[35]在鹽脅迫下以煙草為實驗材料進(jìn)行甜菜堿外施實驗,結(jié)果表明甜菜堿可以通過提高煙草的抗氧化性,進(jìn)而應(yīng)對鹽脅迫。大量研究表明,甜菜堿在鹽脅迫下還可作為輔因子參加Ca2+-CaM信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通道,進(jìn)而調(diào)整熱激轉(zhuǎn)錄因子和熱激蛋白的表達(dá),從而提升綠色植物抗逆性[36]。

可溶性糖在植物體內(nèi)既是植物光合作用的產(chǎn)物,也是植株生長發(fā)育的能量和物質(zhì)基礎(chǔ)[37]。LI等[38]研究發(fā)現(xiàn),在鹽脅迫處理下,抗鹽相關(guān)的TaSST轉(zhuǎn)基因擬南芥植株中的可溶性糖含量明顯高于野生型,認(rèn)為累積可溶性糖是TaSST抵抗鹽脅迫的方式。徐靖宇等[39]研究發(fā)現(xiàn)大豆在鹽脅迫下可溶性糖作為信號調(diào)控物質(zhì),通過增加可溶性糖的含量調(diào)節(jié)滲透作用,提高植物對環(huán)境的適應(yīng)力。李瑞利[40]研究表明,隨著鹽濃度增加,互花米草和鹽地堿蓬植株內(nèi)可溶性糖的含量變化是相反的,表明可溶性糖含量的變化在不同植物中是不同的,劉愛榮等[41]研究認(rèn)為隨著處理的鹽濃度增加,根與葉中可溶性糖含量變化不完全相同,這表明同株植物不同器官可溶性糖含量變化會有所不同,其機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

多胺是脂肪族堿性化合物,多胺主要分布在植物的器官、植物RNA 病毒和植物腫瘤中[42]。游離態(tài)的多胺可以通過穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)來緩解鹽脅迫[43]。LIU等[44]研究發(fā)現(xiàn),在鹽脅迫條件下,植物累積大量腐胺,這與 KUTHANOVA等[45]報道的煙草細(xì)胞內(nèi)多胺含量的變化趨勢相同。但也有研究發(fā)現(xiàn),有的植物在經(jīng)受逆境脅迫后,體內(nèi)腐胺含量降低,因此植物種類不同、經(jīng)受脅迫種類差異、脅迫時間不同都會直接影響植物體內(nèi)多胺累積[46-48]。張潤花[42]在對兩種不同耐鹽性黃瓜品種的研究中發(fā)現(xiàn),根際施用外源亞精胺對鹽脅迫下植株的長勢、幼苗生長量、葉片光合能力等都有明顯促進(jìn),與此同時削弱了鹽脅迫對植株氣孔的限制。

膠東地區(qū)金礦資源位列全國之首，礦山開采歷史悠久。據(jù)記載，自春秋時期即有開采活動，其后歷代不斷，目前年產(chǎn)量已高達(dá)100t以上[1]。由于20世紀(jì)70—90年代礦山管理粗放，開采混亂，產(chǎn)生了大量穩(wěn)定性差的采空區(qū)，留下嚴(yán)重的地面塌陷隱患[2]。

已有研究表明植物體可通過合成起保護(hù)作用的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),來降低鹽脅迫對植物的損害,但有的抵御機(jī)制尚不清楚,研究有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),不但是揭示植物耐鹽機(jī)制的內(nèi)容之一,也是提高植物耐鹽能力的一種手段。外源施加有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以提高牧草、農(nóng)作物等經(jīng)濟(jì)植物的耐鹽能力,對大面積鹽堿地的有效利用具有重要意義。

2.1.2 無機(jī)離子

在植物細(xì)胞中,無機(jī)滲透調(diào)節(jié)離子主要有K+、Na+、Cl-,這3種無機(jī)鹽離子提供了80%以上的細(xì)胞液滲透壓[49]。K 是植物生長的必需元素,K+對防止鹽脅迫下植物細(xì)胞損傷起到重要作用[50]?？祼燮降萚51]研究結(jié)果表明,在鹽脅迫作用下,增加K+的含量,可以增強(qiáng)狼尾草的光合作用,以此來緩解鹽脅迫對其造成的影響。維持正常細(xì)胞膨壓的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Na+,可以加強(qiáng)植物細(xì)胞抵御鹽害的能力[52-54]。CUARTERO等[55]研究發(fā)現(xiàn),在栽培番茄中,由于老葉的儲鈉作用,將鹽離子區(qū)域化到老葉,使新葉累積很少的Na+,而野生番茄的新葉中Na+含量比較高,可通過累積Na+等無機(jī)離子抵抗由鹽脅迫導(dǎo)致的滲透脅迫。Cl-在滲透脅迫調(diào)節(jié)維持離子平衡方面起作用,但文獻(xiàn)報道較少,與其他主要無機(jī)滲透調(diào)節(jié)離子的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

2.2 抗氧化酶的響應(yīng)

鹽害可造成植株體內(nèi)的超氧陰離子、羥基自由基、過氧化氫的累積,大量累積的活性氧可引起脂質(zhì)等氧化,造成細(xì)胞損傷[56]。植物體則可以通過增加抗氧化系統(tǒng)酶的活性,來減輕鹽脅迫造成的傷害[57]。生物體中普遍存在抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)清除活性氧的過氧化物酶系[58]。

2.2.1 抗壞血酸過氧化物酶(APX)

APX是一種有效的H2O2清除劑,在H2O2代謝酶中,與H2O2的親和力最高[59]。郭慧娜等[60]實驗證明,轉(zhuǎn)ZjAPX株系植株有較強(qiáng)的抗?jié)B透脅迫作用。張麗君等[61]實驗證明APX基因能加強(qiáng)普那菊苣抗鹽能力;SUN等[62]將StAPX基因轉(zhuǎn)入煙草細(xì)胞中,使得轉(zhuǎn)基因煙草幼苗具有較強(qiáng)的抗鹽能力。魏清江等[63]在耐鹽和對鹽敏感的柑橘抗氧化性酶的活性上進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)耐鹽柑橘的APX活力顯著高于對鹽敏感的柑橘。由此可見,在鹽脅迫下APX對提高植物的耐鹽適應(yīng)能力有重要作用。

CAT屬于四聚體血紅素酶的一種[64-65]。在植物細(xì)胞中,CAT通過減少活性氧自由基來減緩活性氧對植物造成的損害[66]。研究表明,CAT可以提高植物對鹽脅迫的耐受能力,外施 H2O2能改變鹽脅迫對玉米幼苗的生長抑制,其原因在于提高了CAT的活性[67]。外用血色素可以維持小麥幼苗的細(xì)胞膜完整性,其原因在于CAT等抑制脂類過氧化[68],且可減輕鹽脅迫對葉綠體的破壞[69-70]。

2.2.3 谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)

GPX通過清除過氧化物保護(hù)細(xì)胞免受ROS損傷[71]。研究表明,GPX過表達(dá)[72-73]對加強(qiáng)植物適應(yīng)鹽脅迫有利,環(huán)境脅迫通常會導(dǎo)致GPX表達(dá)上調(diào)[71]。WANG等[74]發(fā)現(xiàn),在鹽生植物鹽爪爪中,經(jīng)不同濃度NaCl處理后,KfPHGPX基因表達(dá)水平增加,在胡楊中,PeGPX基因過表達(dá)后,在鹽脅迫培養(yǎng)基上培養(yǎng)的根長更長,且GPX酶活性更高[75],在煙草中,NtPHGPX 可能通過去除活性氧累積造成的過氧化物、維持植株細(xì)胞體內(nèi)膜的氧化平衡來增強(qiáng)煙草的耐鹽性[76]。

植物是一個有機(jī)的整體,在應(yīng)對鹽脅迫時,各種酶需要共同起作用,可以通過去除細(xì)胞的活性氧或者減少活性氧自由基來緩解鹽脅迫對植物造成的傷害,各種酶的反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜,不同酶之間的相互作用關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

2.3 外源物質(zhì)的效用

2.3.1 細(xì)胞分裂素(CTK)

CTK是可以調(diào)整植物成長發(fā)育全過程的化學(xué)物質(zhì)[77]。研究表明,CTK可以通過清除自由基、降低脂質(zhì)過氧化作用、提高CAT的活性來保護(hù)細(xì)胞膜[78]。在鹽脅迫下,添加CTK可促進(jìn)根系生長、子葉增重,減少鹽漬傷害[79]。吳雪霞等[80]研究發(fā)現(xiàn),在鹽脅迫下,施加CTK會導(dǎo)致4種抗氧化酶(SOD,POD,CAT,APX)的活性以及茄子葉片葉綠素的含量升高,從而降低MDA和O2-的含量,緩解鹽脅迫對茄子造成的傷害。

2.3.2 脫落酸(ABA)

ABA是一種植物激素,ABA通過調(diào)整植物體內(nèi)酶活性來提高植物的耐受性[77]。鹽脅迫下植物可通過合成ABA適應(yīng)環(huán)境鹽脅迫[81]。HU等[82]采用ABA處理鹽脅迫條件下的番茄幼苗,發(fā)現(xiàn)有效促進(jìn)了番茄抗氧化能力的提高,對番茄幼苗生長有促進(jìn)作用。張浩等[83]對高鹽脅迫條件下的玉米幼苗進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)ABA能夠通過提高植物光合效率以減輕濃度較高的鹽對玉米苗的生理脅迫。

2.3.3 水楊酸(SA)

SA是一種酚類植物激素[77]。外源水楊酸可通過提高植物的抗氧化性來提高植物耐鹽脅迫的能力[84]。相關(guān)研究表明,用SA浸泡過的水稻種子能提高鹽脅迫下幼苗的光合速率、降低丙二醛含量、增加過氧化氫酶的活性[85]。這與葉梅榮[86]的研究結(jié)論相同。

2.3.4 褪黑素(MT)

MT是一種兼顧親脂和親水性的調(diào)節(jié)因子[87]。通過施加外源MT可減輕鹽脅迫下小麥、玉米的水分損失[88]。陳莉等[89]研究表明,低濃度的MT能促進(jìn)棉花種子的萌發(fā)和抗氧化酶活力的增強(qiáng);高濃度褪黑素則會抑制種子萌發(fā)。尹賾鵬等[90]研究了鹽脅迫對番茄葉綠素含量和光合碳同化過程的影響,結(jié)果表明,外施褪黑素能夠有效緩解鹽脅迫對葉綠素含量的影響,且促進(jìn)凈光合速率和羧化速率增加。這表明褪黑素可以緩解鹽脅迫導(dǎo)致的葉綠素降解[91]。

施用外源物質(zhì)也是實踐中應(yīng)對鹽脅迫的方法,外源物質(zhì)的種類、濃度都會影響植物的生長發(fā)育,雖然目前已了解一些調(diào)控鹽脅迫的外源激素,但外源物質(zhì)的作用機(jī)理及外源物質(zhì)之間的相互關(guān)系需要進(jìn)一步明確,以期為培育抗鹽植物提供更多可行的方法。

3 植物應(yīng)對鹽脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制

3.1 NAC基因

NAC家族是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子,在N端具有保守的AC結(jié)構(gòu)域,大約有150個氨基酸,C端則為高度變異的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)[92]。NAC家族可以通過植物激素信號通路來參與植物的生長發(fā)育、生物脅迫及非生物脅迫等[93-94],大部分植物含有NAC,如苦蕎[95]、西瓜[96]等。鹽脅迫下,種子發(fā)芽勢在ANAC092基因的過表達(dá)中降低[97],但PvNAC1等轉(zhuǎn)錄因子可以提升植物的耐鹽性[98]。日本結(jié)縷草ZjNAC3可通過降低轉(zhuǎn)基因株系滲透調(diào)節(jié)的能力、增加細(xì)胞的受損程度、降低將Na+隔離到液泡的功能等途徑,來參與鹽脅迫調(diào)控[99]。

3.2 WRKY基因

WRKY蛋白N-末端具有高度保守的結(jié)構(gòu)特征[100]。WRKY基因在鹽脅迫下對植物體耐鹽適應(yīng)能力表現(xiàn)出重要的作用,但作用機(jī)制尚不夠明確。研究人員發(fā)現(xiàn)66個大豆WRKY家族基因受鹽脅迫影響而被轉(zhuǎn)錄調(diào)控,GmWRKY71下調(diào)[101],其他表現(xiàn)上調(diào),說明WRKY在大豆耐鹽脅迫方面起著重要作用[102]。丁忠杰[103]認(rèn)為WRKY46可以減輕鹽或滲透脅迫對植物側(cè)根的抑制、調(diào)控ABA信號途徑和生長素內(nèi)穩(wěn)態(tài)。石文艷[104]在擬南芥中過表達(dá) GmWRKY12之后發(fā)現(xiàn),OE 植株的生長指標(biāo)(根長和葉面積)在鹽處理下要優(yōu)于WT。在鹽脅迫下,煙草 GbWRKY32 過表達(dá)株系和 WT 株系相比,株高、根長和生物量積累等明顯高于后者[105]。

3.3 ERF基因

AP2/ERF 家族是植物細(xì)胞特有的,包含由60～70個保守氨基酸殘基組成的AP2結(jié)構(gòu)域[106]。楊樹ERF76 基因在小黑楊中轉(zhuǎn)化,促進(jìn)了轉(zhuǎn)基因植株的株高和根系等生長,并增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株對鹽脅迫的耐受性[107]。也有研究表明,ABA受ERF調(diào)控提高表達(dá)量利于加強(qiáng)煙草對鹽脅迫等環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力,如煙草中JERF1直接上調(diào) ABA 合成相關(guān)基因 NtSDR增強(qiáng)煙草對鹽脅迫和低溫脅迫的抗性[108]。小麥?zhǔn)茺}脅迫后TaERF1、TaERF3表達(dá)水平上調(diào)[109]。

3.4 MYB 轉(zhuǎn)錄因子

在植物中,MYB轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的N末端由不完整的高度保守的重復(fù)序列組成[110]。有研究報道,MYB轉(zhuǎn)錄因子可以通過調(diào)節(jié)ABA信號途徑來抵御不利環(huán)境。趙艷艷[111]研究推測,GhMYB73可能通過ABA依賴脅迫應(yīng)答的途徑增強(qiáng)植物耐鹽的能力。在鹽脅迫環(huán)境下,一些蛋白作為感應(yīng)器識別脅迫信號,促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)ABA積累和鹽脅迫響應(yīng)基因GhMYB73的表達(dá)。

現(xiàn)階段對鹽脅迫的分子機(jī)制研究逐漸深入,對轉(zhuǎn)錄組的研究明顯增多,但在已知基因的結(jié)構(gòu)域外有許多未知的基序,需要進(jìn)一步探索?；蚺c基因之間的相互作用以及許多未知的相關(guān)分子有待進(jìn)一步被發(fā)現(xiàn)。植物響應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制逐漸被揭開,轉(zhuǎn)基因技術(shù)使原本不耐鹽的植物體內(nèi)增加了抗鹽基因并表達(dá),越來越多的技術(shù)及試驗方法被發(fā)掘并逐漸推廣應(yīng)用,這對選育抗鹽牧草及農(nóng)作物等經(jīng)濟(jì)植物將起到重大推動作用。

4 結(jié)語

植物耐鹽機(jī)制是多基因參與、多途徑誘導(dǎo)過程,抗性機(jī)制是非常復(fù)雜的問題[112],相同基因在不同植物中的表達(dá)不同,在相同植物的不同部位表達(dá)也不完全相同,不同基因之間的相互作用機(jī)理等需要進(jìn)一步研究。應(yīng)答鹽脅迫反應(yīng)的酶的作用機(jī)理及作用條件也需要進(jìn)一步探索。近年來研究表明,克隆耐鹽基因并且表達(dá)可以提高轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽能力。目前,植物的耐鹽研究已經(jīng)有一定的成果,利用響應(yīng)鹽脅迫的基因進(jìn)行轉(zhuǎn)基因到經(jīng)濟(jì)植物體內(nèi),培育抗鹽經(jīng)濟(jì)植物新品種已成為現(xiàn)實。隨著分子生物學(xué)、表觀遺傳學(xué)、蛋白組學(xué)等學(xué)科快速發(fā)展,植物耐鹽的相關(guān)研究有望取得重大突破。