任麗麗，任春明,趙自國(guó)

（1.濱州學(xué)院生命科學(xué)系，山東濱州256603；2.山東省鄒平縣高新小學(xué)，山東濱州256605）

鹽堿地約占地球陸地面積的25%，全世界有0.2億～0.3億hm2的海岸濕地和紅樹(shù)林鹽灘，另外還存在人為原因造成的次生鹽堿化土地約40億hm2[1]。我國(guó)的鹽堿地主要由3種陽(yáng)離子Na+，Ca2+，Mg2+與4種陰離子，H，Cl-組成，也有小面積的硝酸鹽鹽土。土地的鹽堿化嚴(yán)重制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為培育具有耐鹽特性的農(nóng)作物新品種，科學(xué)家們進(jìn)行了大量的相關(guān)研究[2]。本文就鹽脅迫對(duì)植物的傷害、植物耐鹽機(jī)制、鹽脅迫下植物的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、植物耐鹽基因工程的現(xiàn)狀及展望進(jìn)行了介紹。

1 鹽脅迫對(duì)植物的傷害

鹽脅迫主要包括滲透脅迫、離子毒害以及高鹽引起的營(yíng)養(yǎng)虧缺、氧化脅迫等一系列的次生脅迫[3]。這些脅迫使得植物生長(zhǎng)受到抑制、光合作用下降，能耗增加，最終加速衰老而死亡[4-6]。

1.1 滲透脅迫與離子毒害效應(yīng)

當(dāng)外界鹽分的濃度超過(guò)植物生長(zhǎng)最適鹽度時(shí)，鹽分大大降低了土壤溶液中的水勢(shì)，使得根系吸水困難，或者不吸水甚至失水，從而造成滲透脅迫，葉片失水，膨壓降低，引起細(xì)胞和組織的死亡[7]。

離子毒害主要是由于植物攝取了過(guò)量的Na+，Cl-等離子，使植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)離子濃度增高，對(duì)植物產(chǎn)生了毒害作用[8]。細(xì)胞內(nèi)的高濃度離子可使細(xì)胞原生質(zhì)發(fā)生凝聚，破壞膠體的性質(zhì)。而細(xì)胞內(nèi)大部分酶只能在很狹窄的離子濃度內(nèi)才具有活性，對(duì)于Na+和Cl-一般要求低于50 mmol/L。高濃度的鹽會(huì)破壞酶的結(jié)構(gòu)和活性，破壞光合系統(tǒng)，造成代謝紊亂、蛋白質(zhì)的降解。鹽脅迫還會(huì)使質(zhì)膜的組分、透性、運(yùn)輸、離子流發(fā)生一系列變化，導(dǎo)致細(xì)胞膜的正常功能受損，進(jìn)而使細(xì)胞的代謝及生理功能受到不同程度的破壞。

1.2 其他次生脅迫效應(yīng)

鹽脅迫對(duì)植物的傷害還表現(xiàn)為其帶來(lái)的各種次生脅迫會(huì)嚴(yán)重影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育。植物在高鹽的環(huán)境中生長(zhǎng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)虧缺的現(xiàn)象，這是植物在吸收礦物質(zhì)元素的過(guò)程中鹽離子與多重營(yíng)養(yǎng)離子相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。例如，高濃度的Na+會(huì)抑制K+，Ca2+和Mn2+的吸收，從而造成植物缺乏這些必需的元素；另一方面，由于嚴(yán)重的鹽脅迫導(dǎo)致細(xì)胞膜完整性的破壞，使細(xì)胞內(nèi)一些營(yíng)養(yǎng)離子如鉀和磷大量外滲，造成植物細(xì)胞缺鉀、缺磷[9]。

氧化脅迫也是鹽脅迫導(dǎo)致的主要次生脅迫之一。在正常生理?xiàng)l件下，植物體內(nèi)活性氧處于不斷產(chǎn)生和清除的動(dòng)態(tài)平衡之中，而在鹽脅迫下，植物葉綠體和線(xiàn)粒體電子傳遞鏈中泄漏的電子，與 O2反應(yīng)生成，H2O2，OH-。盡管，H2O2本身對(duì)植物毒害很小，但可以通過(guò)Haber-Weiss反應(yīng)轉(zhuǎn)化為毒性很高的OH-[10]，進(jìn)而引發(fā)膜脂的過(guò)氧化和脫酰化，造成植物細(xì)胞膜系統(tǒng)和代謝過(guò)程的傷害，并進(jìn)一步對(duì)蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子造成損傷，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[11]。

2 植物耐鹽機(jī)制

生存在鹽漬環(huán)境中的作物在長(zhǎng)期自然選擇中形成了一系列保護(hù)自身免受或減弱鹽脅迫傷害的措施，總的來(lái)說(shuō)包括以下幾個(gè)方面。

2.1 滲透調(diào)節(jié)作用

滲透調(diào)節(jié)能力是植物耐鹽的基本特征之一。所謂滲透調(diào)節(jié)，是指植物處在滲透脅迫條件下，細(xì)胞中有活性和無(wú)毒害作用溶質(zhì)的主動(dòng)凈增長(zhǎng)過(guò)程，其結(jié)果是細(xì)胞水勢(shì)降低，能夠從周?chē)h(huán)境中吸收水分。植物細(xì)胞在鹽脅迫下積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[12]不僅包括無(wú)機(jī)離子如K+等，還包括有機(jī)小分子物質(zhì)如海藻糖、脯氨酸、甜菜堿、蘋(píng)果酸等。后者不僅有滲透調(diào)節(jié)功能，還能穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)大分子與生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，有的還可以起一定的解毒作用。

2.2 離子轉(zhuǎn)運(yùn)與均衡

鹽分過(guò)多會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)離子紊亂，不僅破壞Na+和Cl-的均衡，而且也影響了K+，Ca2+等在細(xì)胞內(nèi)的分布。過(guò)多的Na+和Cl-還會(huì)產(chǎn)生諸多毒害作用。因此，鹽脅迫環(huán)境中，植物獲得耐鹽能力的一個(gè)重要方式就是建立新的離子均衡[13]。從耐鹽機(jī)制上看，植物可通過(guò)拒鹽、排鹽以及鹽分的區(qū)域化等方式緩解離子脅迫。

所謂拒鹽，就是不讓外界的鹽分進(jìn)入植物體內(nèi)，具體又分為根系拒鹽和地上部拒鹽2種方式。有的植物根細(xì)胞質(zhì)膜有很強(qiáng)大的選擇性吸收能力，它能夠高效吸收K+而不吸收Na+，這類(lèi)植物根細(xì)胞質(zhì)膜組成十分特殊，具有較多的飽和脂肪酸，對(duì)Na+和Cl-的透性降低。有的植物根系允許土壤中的鹽分進(jìn)入根系，但進(jìn)入后大部分貯存在外皮層與表皮細(xì)胞，不再向地上部分運(yùn)輸，從而使地上部分的鹽濃度仍保持在較低水平，例如耐鹽植物蘆葦就是如此。地上部分拒鹽的植物可通過(guò)體內(nèi)的再循環(huán)將離子回流到根部。

排鹽就是植物將鹽分排到細(xì)胞外。在植物中，將Na+直接排到細(xì)胞外是最直接避免Na+在胞質(zhì)中積累的策略。海藻的質(zhì)膜上存在Na+-ATP酶，可以水解ATP驅(qū)動(dòng)Na+向胞外運(yùn)輸[14]，然而在高等植物中目前尚未發(fā)現(xiàn)Na+-ATP酶的存在。高等植物排Na+主要由質(zhì)膜上SOS1基因編碼的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)完成[15]。質(zhì)膜上H+-ATP酶水解ATP產(chǎn)生的能量將H+泵出細(xì)胞外，產(chǎn)生跨膜的質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)階度，驅(qū)動(dòng)質(zhì)膜上的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，使H+順其電化學(xué)勢(shì)進(jìn)入細(xì)胞，同時(shí)Na+逆其電化學(xué)勢(shì)排出細(xì)胞。另外，有的鹽生植物具有特殊的鹽腺可將鹽分直接分泌到體外。鹽腺細(xì)胞通常富含小液泡，在這些液泡中積累各種離子，然后通過(guò)液泡膜和質(zhì)膜的融合即胞吐作用排出體外，也有人認(rèn)為是離子通過(guò)跨液泡膜和質(zhì)膜的運(yùn)輸分泌到細(xì)胞外。

鹽分大量進(jìn)入液泡從而被區(qū)域化也是植物對(duì)鹽漬環(huán)境適應(yīng)的最佳方式之一[16]。大量鹽分進(jìn)入液泡后，一方面降低了細(xì)胞質(zhì)中的鹽濃度，使其正常的代謝活動(dòng)順利進(jìn)行，另一方面增加了液泡內(nèi)離子濃度，降低了細(xì)胞的水勢(shì)，從而保證了水分的正常吸收，避免了生理性干旱。鹽脅迫下植物液泡膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)量增多，從而增強(qiáng)了Na+的液泡區(qū)域化，提高了植物的耐鹽能力[17]。最近Song等[18]從擬南芥中克隆了一個(gè)定位于葉綠體膜上的基因AtCHX23，該基因可編碼1個(gè)Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，該蛋白調(diào)節(jié)了葉綠體內(nèi)的pH并影響葉綠體的發(fā)育，進(jìn)一步研究表明，葉綠體也可能是潛在的Na+區(qū)域化場(chǎng)所。

2.3 抗氧化保護(hù)

活性氧是單線(xiàn)態(tài)氧（1O2）、羥自由基（OH-）、超氧陰離子（）和過(guò)氧化氫（H2O2）等氧化能力很強(qiáng)的幾種含氧物質(zhì)的總稱(chēng)。植物抗氧化系統(tǒng)主要包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)兩大類(lèi)。前者包括超氧化物岐化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）和抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）等。后者主要包括植物體內(nèi)的一些還原性物質(zhì)，如抗壞血酸、類(lèi)胡蘿卜素、谷胱甘肽及維生素E等。另外，小分子糖類(lèi)、多元醇、甜菜堿、脯氨酸等也有一定的清除細(xì)胞內(nèi)自由基傷害的作用。突變體和轉(zhuǎn)基因植物的試驗(yàn)表明，提高植物的這2種抗氧化系統(tǒng)的活性，均能夠抵抗鹽脅迫，而鹽脅迫下抗氧化基因的表達(dá)可能會(huì)受到MAPK信號(hào)級(jí)聯(lián)途徑的調(diào)控[19]。

3 植物鹽脅迫下的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

甜土植物擬南芥與鹽生植物鹽芥親緣性很近，基因組同源性高達(dá)95%左右，具有很多高度同源的與抗逆有關(guān)的基因，但是二者對(duì)鹽脅迫的耐受能力相差很大，這暗示著二者在基因的表達(dá)水平與調(diào)節(jié)方式上不同。也就是說(shuō)，鹽生植物與甜土植物可能在基因結(jié)構(gòu)上并沒(méi)有顯著的差異，而在相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控及作用模式上有很大區(qū)別，這也可能是植物耐鹽性的關(guān)鍵因素之一。而植物感受鹽脅迫并作出反應(yīng)的過(guò)程是通過(guò)一系列復(fù)雜的信號(hào)識(shí)別與轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制來(lái)完成的[20]。

原美國(guó)Arizona大學(xué)Zhu教授的研究小組在鹽脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方面做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作。他們通過(guò)各種方法得到40多個(gè)SOS突變體，并將其歸為5組，定義了5個(gè)耐鹽基因座，并從分子遺傳、生化細(xì)胞各個(gè)方面進(jìn)行了功能分析，最終揭示出一條與鹽脅迫應(yīng)答直接相關(guān)的調(diào)控途徑。該調(diào)控途徑的基本過(guò)程如下：在鹽脅迫下，通過(guò)細(xì)胞膜上的Na+傳感器，信號(hào)傳入使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加，激活了SOS3，于是SOS3和SOS2結(jié)合，使其轉(zhuǎn)化為活性狀態(tài)，催化部位暴露出來(lái)發(fā)揮激酶的功能，從而激活下游蛋白行使功能，SOS1是其底物之一。SOS2/SOS3復(fù)合物激活SOS1，提高了質(zhì)膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，防止了Na+在細(xì)胞內(nèi)的積累[20]。

最近研究表明，SOS2在細(xì)胞內(nèi)可以與多種蛋白相互作用，從而發(fā)揮多種功能。SOS2不僅正調(diào)控SOS1，還可以激活液泡膜上的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和Ca2+/H+轉(zhuǎn)運(yùn)器[21]，與ABA信號(hào)途徑存在復(fù)雜的相互作用，可共同提高植物耐鹽性。

4 植物耐鹽基因工程

大多數(shù)植物只能在NaCl含量低于0.4%的土壤中正常生長(zhǎng)。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)的飛速發(fā)展，克隆鑒定目標(biāo)基因，并將目標(biāo)基因轉(zhuǎn)化到目標(biāo)植物中以獲得轉(zhuǎn)基因工程植株，使植物育種工作取得了突破性進(jìn)展。至今植物抗鹽基因工程的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已有較多研究將各種抗鹽基因克隆后整合入各種目標(biāo)植物中，從而開(kāi)辟可選育耐鹽植物品種的新途徑。

植物耐鹽基因工程最初的策略是增加植物細(xì)胞質(zhì)中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。Tarczynski等[22]將大腸桿菌的磷酸甘露醇脫氫酶（mtlD）的基因轉(zhuǎn)入煙草，使轉(zhuǎn)基因煙草能夠有效積累甘露醇，并且表現(xiàn)出較高的抗鹽能力。轉(zhuǎn)基因植株葉片中甘露醇的含量達(dá)到可溶性糖含量的25%，其植株高度和鮮質(zhì)量明顯高于對(duì)照，而且新根和新葉的發(fā)生率提高了1倍多。另外，甜菜堿、右旋肌醇甲醚、海藻糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的基因工程植株都已經(jīng)成功獲得，它們從不同方面不同程度地提高了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽能力。

在鹽脅迫下，植物維持體內(nèi)的離子均衡是保持其耐受能力的重要方面，因此對(duì)于離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在耐鹽基因工程中的應(yīng)用，近年來(lái)得到了人們的普遍重視。轉(zhuǎn)基因擬南芥中過(guò)量表達(dá)編碼液泡H+轉(zhuǎn)位酶的AVP1基因，則植物對(duì)高鹽濃度有很強(qiáng)的抗性[23]，對(duì)液泡膜的分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植物的液泡膜對(duì)陽(yáng)離子的吸收能力更強(qiáng)，陽(yáng)離子區(qū)域化到液泡中，增加了植物的滲透壓，同時(shí)減少了它們對(duì)細(xì)胞的毒害。將編碼擬南芥液泡膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的AtNHX1基因?qū)敕眩墒罐D(zhuǎn)基因番茄在200 mmol/L的NaCl澆灌下正常生長(zhǎng)[24]。

此外，通過(guò)過(guò)量表達(dá)氧化保護(hù)物質(zhì)，去除過(guò)氧化自由基毒害，可以使轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽能力得到明顯改善。過(guò)量表達(dá)谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽超氧化物酶的煙草導(dǎo)致氧化性谷胱甘肽的含量大幅度提高，在鹽脅迫下可迅速生長(zhǎng)，明顯高于野生型植株[25]。

5 問(wèn)題與展望

近年來(lái)，通過(guò)基因工程導(dǎo)入單個(gè)基因，以提高植物耐鹽性的工作取得了一定的進(jìn)展，但是也存在一些局限和問(wèn)題。（1）植物品種的局限性?，F(xiàn)在的研究多限于一些模式植物，在培育實(shí)用的耐鹽農(nóng)作物和木本植物上進(jìn)展十分緩慢，因此有必要加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)作物耐鹽遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立和研究。（2）轉(zhuǎn)化效果的局限性。轉(zhuǎn)基因植物在一定程度上提高了耐鹽性，但往往不夠高，沒(méi)有達(dá)到真正的實(shí)用水平。（3）產(chǎn)業(yè)推廣的局限性。人為控制的測(cè)試與真正的自然鹽堿環(huán)境不同，實(shí)驗(yàn)室里的結(jié)果很多難以經(jīng)得起實(shí)踐考驗(yàn)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢。

植物耐鹽基因工程在探索中不斷前進(jìn)著。隨著對(duì)耐鹽機(jī)制的深入了解，各種技術(shù)手段的不斷更新發(fā)展，理論與技術(shù)緊密聯(lián)系相互融合，人們將在不久的未來(lái)培育出耐鹽性很高的轉(zhuǎn)基因植物新品種，實(shí)用性的提高與產(chǎn)業(yè)化的推廣也會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)。

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