王任

摘 要：鹽藻是一種生存于極端環(huán)境下的無(wú)細(xì)胞壁的單細(xì)胞真核綠藻，開(kāi)發(fā)和利用鹽藻的耐鹽基因資源對(duì)于提高農(nóng)作物的抗鹽能力也具有重要意義。本文概述了植物細(xì)胞耐受鹽脅迫機(jī)制，耐鹽相關(guān)基因應(yīng)用于作物品種改良和鹽堿地利用的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鹽藻 耐鹽機(jī)制 基因工程

鹽藻是一種生存于極端環(huán)境下的無(wú)細(xì)胞壁的單細(xì)胞真核綠藻，可以在從0.05mol/L到飽和 NaCl的培養(yǎng)液中生存，是迄今發(fā)現(xiàn)已知的最耐鹽的真核生物之一；鹽藻還具有非常強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力，它一次最大可以耐受3～4倍的滲透壓的變化；如果通過(guò)梯度改變滲透壓，鹽藻可以耐受7倍以上的滲透壓的變化。此外鹽藻對(duì)極端溫度、pH、重金屬等環(huán)境脅迫也都具有很高的耐受性。極強(qiáng)的耐鹽能力及簡(jiǎn)單的細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及便利的培養(yǎng)條件使鹽藻成為研究植物適應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制的重要模式生物。同時(shí)，開(kāi)發(fā)和利用鹽藻的耐鹽基因資源對(duì)于提高農(nóng)作物的抗鹽能力也具有重要意義。

在自然環(huán)境中，植物常常會(huì)遭遇不利環(huán)境如鹽漬、干旱、澇、冷、凍、高溫和強(qiáng)光照等，這些統(tǒng)稱為非生物脅迫。非生物脅迫是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育、影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要環(huán)境因素。鹽脅迫是自然界中主要的非生物脅迫之一。在全世界范圍內(nèi)，存在著嚴(yán)重的土壤鹽堿化現(xiàn)象，當(dāng)今全球大約有8億公頃土地存在不同程度的鹽漬化。我國(guó)有3億多畝鹽漬化土地，其面積相當(dāng)于全國(guó)可耕地面積的25%。土壤鹽堿化和次生鹽堿化嚴(yán)重阻礙了農(nóng)作物的生長(zhǎng)，降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量，已經(jīng)成為制約世界灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和影響生態(tài)環(huán)境的重要因素。[1]

隨著人口增加、耕地減少以及水資源的匱乏，提高水資源利用效率、充分開(kāi)發(fā)和利用鹽堿地有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。鹽堿地改良是世界性的難題，由于傳統(tǒng)措施投資大、效益低，迫使人們考慮采用其它措施來(lái)改良利用鹽堿土壤。經(jīng)過(guò)數(shù)十年實(shí)踐，人們?cè)絹?lái)越重視采用生物學(xué)措施和工程措施相結(jié)合的途徑改良鹽堿地。提高植物耐鹽堿的能力以及選擇和培育適宜在鹽堿地上生長(zhǎng)并具有較高經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值的植物種或品系，是開(kāi)發(fā)利用鹽堿地資源最根本、最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑。隨著植物基因工程的發(fā)展以及大量耐鹽基因的鑒定和克隆，利用基因工程方法培育耐鹽作物新品種已成為開(kāi)發(fā)利用鹽堿地的重要手段。

作物逆境耐性相關(guān)基因的克隆及其耐逆機(jī)制，是目前全球作物遺傳育種和分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)，是取得具有自主性知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能基因并進(jìn)而領(lǐng)先應(yīng)用于遺傳育種、成功地進(jìn)行作物品種改良的關(guān)鍵所在。而現(xiàn)在可以有效應(yīng)用于植物耐鹽基因工程育種的基因資源大多受到專(zhuān)利保護(hù)和限制，因此，發(fā)掘新的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因資源成為我國(guó)植物基因工程研究的當(dāng)務(wù)之急。

鹽脅迫對(duì)植物造成的傷害主要有兩方面的原因：一是由鹽脅迫引起的生理干旱，在鹽脅迫條件下，細(xì)胞內(nèi)的滲透勢(shì)小于土壤溶液的滲透壓，植物根系不能吸水，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)緩慢，甚至缺水干死；二是鹽脅迫造成的離子毒害，外界鹽離子的大量進(jìn)入，破壞了細(xì)胞中原有的離子平衡，進(jìn)而影響細(xì)胞的正常代謝。此外，在鹽脅迫條件下，細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氧自由基、過(guò)氧化氫和羥基自由基等多種形式的活性氧，導(dǎo)致氧化脅迫的產(chǎn)生。

植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程當(dāng)中，針對(duì)鹽脅迫產(chǎn)生了一整套的應(yīng)答機(jī)制。揭示植物鹽脅迫應(yīng)答分子機(jī)理是人們長(zhǎng)期以來(lái)探索的重大課題。為了生存，植物在遇到鹽脅迫時(shí)激活脅迫應(yīng)答機(jī)制，在形態(tài)和代謝上進(jìn)行調(diào)整，建立新的平衡，保護(hù)和修復(fù)受損的蛋白質(zhì)和膜結(jié)構(gòu)以適應(yīng)或忍耐環(huán)境脅迫。鹽脅迫激活植物脅迫應(yīng)答的細(xì)胞信號(hào)通路，引起細(xì)胞應(yīng)答如積累大量的滲透保護(hù)物質(zhì)、維持細(xì)胞內(nèi)離子動(dòng)態(tài)平衡、修復(fù)被破壞的蛋白和膜系統(tǒng)、清除活性氧自由基等。許多植物耐鹽相關(guān)基因已相繼被克隆，其中部分基因與植物耐鹽性狀的關(guān)系也得到確認(rèn)。這些基因有：（1）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因，如磷脂酶基因和一些轉(zhuǎn)錄因子基因；（2）直接參與保護(hù)和修復(fù)膜和蛋白的基因，如熱休克蛋白（Hsps）和分子伴侶基因、胚胎發(fā)育后期豐富蛋白、滲透保護(hù)物質(zhì)合成酶基因和細(xì)胞抗氧化及活性氧清除相關(guān)基因等；（3）水分與離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)基因，如水通道蛋白基因和離子轉(zhuǎn)運(yùn)體基因等。在上述基因中，后兩類(lèi)基因編碼的蛋白直接參與植物對(duì)逆境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)，其中滲透物質(zhì)（相容性溶質(zhì)）合成酶基因、細(xì)胞抗氧化及活性氧清除相關(guān)基因以及水分與離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)基因具有非常重要的作用，它們是植物對(duì)鹽脅迫耐受性的主要分子基礎(chǔ)。

根據(jù)植物耐鹽能力的不同，可將植物分成非鹽生和鹽生植物兩類(lèi)。鹽生植物是在鹽漬環(huán)境下自然生長(zhǎng)的植物區(qū)系，其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能及生態(tài)特征表現(xiàn)出對(duì)鹽漬生境的高度適應(yīng)。目前人們通過(guò)對(duì)擬南芥等模式植物的研究，在植物耐鹽方面取得了巨大的研究成果，但是，以非鹽生植物作為研究的模式植物，不可能完全揭示植物的耐鹽機(jī)制。鹽生模式植物（如鹽藻、鹽芥等）正受到世界范圍內(nèi)學(xué)者們的的關(guān)注。

鹽藻響應(yīng)鹽脅迫機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，它也具有信號(hào)傳導(dǎo)、滲透調(diào)節(jié)和離子平衡等多種耐鹽機(jī)制，但是鹽藻的這些耐鹽機(jī)制與高等植物相比具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。例如鹽藻在遭受滲透脅迫時(shí)，鹽藻細(xì)胞通過(guò)甘油合成與轉(zhuǎn)化來(lái)調(diào)節(jié)滲透壓，但鹽藻的甘油合成是如何啟動(dòng)的還不清楚；在經(jīng)受高鹽震蕩后，Na+會(huì)大量涌入鹽藻細(xì)胞，但是使鹽藻細(xì)胞內(nèi)Na+濃度保持不變的Na+外排的機(jī)制還不是很清楚，與鹽藻Na+外排相關(guān)的基因還沒(méi)有被分離到；此外，鹽藻細(xì)胞在質(zhì)膜內(nèi)外存在如此高的Na+電化學(xué)勢(shì)的情況下，如何從外界吸收營(yíng)養(yǎng)離子也尚待進(jìn)一步研究。[2]

目前鹽藻抗鹽機(jī)制的研究存在的主要問(wèn)題是：鹽藻中究竟存在多少特異鹽脅迫耐性基因？這些耐鹽基因的表達(dá)與作用機(jī)理如何？鹽藻耐鹽基因在作物耐鹽性狀的遺傳改良上的可利用性及應(yīng)用價(jià)值如何？要弄清楚鹽藻的抗鹽機(jī)制，需要我們進(jìn)一步開(kāi)展功能基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因芯片技術(shù)及生物信息學(xué)等手段對(duì)鹽藻從整體上進(jìn)行系統(tǒng)生物學(xué)的研究。利用現(xiàn)代生物技術(shù)系統(tǒng)地對(duì)鹽藻鹽脅迫耐性相關(guān)基因進(jìn)行鑒定，篩選出鹽脅迫耐性基因，進(jìn)行相關(guān)基因的克隆和功能研究，研究鹽藻耐鹽機(jī)制，無(wú)論對(duì)于鹽藻基礎(chǔ)科學(xué)研究，還是對(duì)于作物基因工程育種均具有重要的意義。這些研究成果對(duì)于深入了解鹽藻耐鹽機(jī)制、利用價(jià)值與應(yīng)用途徑，對(duì)提升我國(guó)鹽藻研究水平及其在國(guó)際鹽藻學(xué)術(shù)界的地位也具有重要作用。我們相信，隨著參與鹽脅迫響應(yīng)的所有基因的功能得到鑒定，人們就可以綜合地理解植物細(xì)胞響應(yīng)鹽脅迫的生理和生化的機(jī)制，并可以進(jìn)一步通過(guò)轉(zhuǎn)基因手段驗(yàn)證可用于高等植物尤其是作物耐鹽的基因，應(yīng)用于作物品種改良和鹽堿地利用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙可夫，馮立田.中國(guó)鹽生植物資源[M]. 北京： 科學(xué)出版社，2001

[2]牛向麗，杜氏鹽藻生物學(xué)特征及其表達(dá)載體的構(gòu)建，鄭州大學(xué)碩士論文，2003endprint