屈芳芳

（遼寧師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116081）

鹽脅迫涉及各種生理變化和代謝過(guò)程，由于植物對(duì)鹽分的敏感度和耐受程度不同最終會(huì)減少農(nóng)作物產(chǎn)量。鹽脅迫主要是鹽離子導(dǎo)致的，由于濃度較高，除了產(chǎn)生離子的直接傷害外，還會(huì)產(chǎn)生次生傷害，即由滲透脅迫產(chǎn)生的傷害。本文主要對(duì)植物耐鹽相關(guān)的主要生理生化機(jī)制進(jìn)行闡述。

1 離子穩(wěn)態(tài)與耐鹽性

離子的吸收和區(qū)域化作用對(duì)維持植物在鹽脅迫環(huán)境下的正常生長(zhǎng)十分重要。一旦鈉離子從外界進(jìn)入細(xì)胞中，為了適應(yīng)鹽分的兩種脅迫——離子脅迫和滲透脅迫，避免鈉離子在細(xì)胞中積累，植物采取以下措施：1、通過(guò)液泡膜上的V-H+-ATPase和H+-PPase將Na+區(qū)域到液泡中；2、通過(guò)質(zhì)膜的H+-ATPase及SOS1等把Na+排除到細(xì)胞外。1994年，DE MELO等觀察鹽脅迫下豇豆（Vigna unguiculata）幼苗下胚軸的發(fā)育，發(fā)現(xiàn)液泡膜上的V-H+-ATPase與H+-PPase表達(dá)活性不同，在V-H+-ATPase活性增加的同時(shí)H+-PPase的活性卻受到抑制，然而，相同情況下在鹽生植物堿蓬（Suaeda glauca Bunge）中的V-H+-ATPase上調(diào)過(guò)程中H+-PPase卻起輔助作用，這就證明液泡膜上的兩種質(zhì)子泵存在相互的作用，并且受鹽脅迫誘導(dǎo)。Dietz等總結(jié)了在脅迫壓力下V-H+-ATPase的作用，認(rèn)為正常情況下的植物中V-H+-ATPase必不可少，在脅迫作用下植物細(xì)胞的存活很大程度上依賴V-H+-ATPase的活性。Anjaneyulu等將液泡H+-PPase cDNA克隆，并導(dǎo)入到高粱（Sorghum bicolor）的基因組中，在100 mM和 200 mM NaCl處理下，轉(zhuǎn)基因高粱的相對(duì)含水量、株高、葉面積以及果實(shí)粒數(shù)均明顯優(yōu)于野生型高粱[1]。細(xì)胞質(zhì)膜上存在的H+-ATPase，與鹽脅迫下的Na+外排有關(guān)。Hodges等人1972年在燕麥（Avena sativa L）根中純化響應(yīng)離子刺激的ATP酶時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)在質(zhì)膜上存在H+-ATPase的活性，并且與根對(duì)無(wú)機(jī)離子的運(yùn)輸有關(guān)。2009年，Pitann將質(zhì)膜上H+-ATPase對(duì)pH敏感的玉米與正常玉米進(jìn)行鹽處理，發(fā)現(xiàn)H+-ATPase存在導(dǎo)致植物耐鹽性的增加。1976年Ratner等在大麥質(zhì)膜上首先發(fā)現(xiàn)H+/Na+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，隨后Blumwald等人又證明 H+-ATP酶和H+-焦磷酸酶產(chǎn)生的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)H+/Na+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸Na+。目前研究的最多的植物質(zhì)膜上H+/Na+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是擬南芥（Arabidopsis thaliana）中的SOS1。越來(lái)越多的事實(shí)表明SOS1是通過(guò)SOS信號(hào)途徑起作用的，在這條途徑中涉及三個(gè)蛋白：SOS1、SOS2和SOS3。Qian等人對(duì)擬南芥細(xì)胞質(zhì)膜上的載體蛋白HKT1和SOS1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的突變體ATHKT1;1和AtSOS1進(jìn)行鹽脅迫下的功能研究，認(rèn)為SOS1逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在Na+離子的長(zhǎng)途運(yùn)輸中起到重要作用，它可以由根向芽轉(zhuǎn)運(yùn)多余的Na+離子。在擬南芥中過(guò)量表達(dá)在大葉補(bǔ)血草中克隆的LgSOS1基因，鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因擬南芥地上部分的Na+積累顯著低于野生型，而K+的含量顯著高于野生型，這表明過(guò)表達(dá)LgSOS1基因提高了擬南芥的耐鹽性。

2 兼容性滲透劑與耐鹽性

在鹽生植物和耐鹽的植物中都存在可以保護(hù)植物的分子，這些分子極性但帶有不高的電荷，高度溶解，具有較大的水和外層，可以在細(xì)胞中與其它大分子相互作用，主要包括脯氨酸、甜菜堿。通過(guò)BenAhmedetal等觀察研究得到發(fā)現(xiàn)，在高鹽環(huán)境下，脯氨酸通過(guò)提高橄欖（Canarium album）中抗氧化酶的活性，提高了光合作用，改善了植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)了其抵抗鹽脅迫的能力。Reddy等人利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將合成脯氨酸的吡咯啉-5-羧酸合成酶基因?qū)敫吡坏挠鷤M織中，通過(guò)測(cè)量色素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度和脯氨酸含量等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)與野生型的高粱相比轉(zhuǎn)基因株系能夠在鹽脅迫下保護(hù)光合作用途徑和提高抗氧化酶的活性。甜菜堿是一種無(wú)毒的細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以應(yīng)激的提高細(xì)胞滲透壓，因此在滲透脅迫方面起到重要的調(diào)節(jié)作用。甜菜堿主要在葉綠體中進(jìn)行生物合成從而提高細(xì)胞質(zhì)的滲透壓，這樣可以使在鹽脅迫下的葉綠體和線粒體保持充足的水分，以便保證光合作用和呼吸作用的正常運(yùn)行。在鹽生植物和耐鹽性植物中，脯氨酸和甜菜堿的積累可以讓細(xì)胞質(zhì)中的Na+向液泡內(nèi)轉(zhuǎn)移。甜菜堿與脯氨酸的積累與Na+的區(qū)域化之間有重要聯(lián)系，甜菜堿還可以通過(guò)滲透調(diào)節(jié)保護(hù)細(xì)胞和減少活性氧的產(chǎn)生。

3 抗氧化調(diào)節(jié)與耐鹽性

細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生主要由膜系統(tǒng)上的氧化酶催化完成的，凡涉及電子傳遞鏈的蛋白質(zhì)或酶系都能導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生。在植物體內(nèi)，ROS主要在葉綠體和線粒體中產(chǎn)生，超氧陰離子、羥自由基、過(guò)氧化氫和單線氧都是強(qiáng)氧化的化合物，它們都會(huì)破壞細(xì)胞的完整性。在生物體內(nèi)，無(wú)論是植物還是動(dòng)物都會(huì)通過(guò)一系列適應(yīng)性的調(diào)控措施，將細(xì)胞內(nèi)的活性氧水平維持在一定的范圍內(nèi)。消除ROS的途徑主要有抗氧化酶系統(tǒng)和抗氧化劑兩種。

植物中的抗氧化酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化氫酶（CAT)、氧化物酶系（POD）、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）以及抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）等。其中CAT和APX在清除細(xì)胞內(nèi)積累的H2O2中起重要作用。CAT在作用過(guò)程中不需要還原能，而且有著較高的反應(yīng)速率，但對(duì)H2O2的親和力較低,因此只能去除高濃度的H2O2；而APX對(duì)H2O2的親和性較高，可以清除低濃度的H2O2?？寡趸瘎┲饕箟难岷凸入赘孰?。鹽脅迫下，葉綠體和線粒體的活動(dòng)都會(huì)減弱，導(dǎo)致更多的電子去還原分子氧，并提高細(xì)胞中氧化酶和過(guò)氧化物體的活性，產(chǎn)生更多的活性氧，而此時(shí)脅迫作用又使抗氧化酶活性和抗氧化物的活性降低，導(dǎo)致活性氧大量積累。因此，在鹽脅迫下葉綠體和線粒體內(nèi)的ROS增加，對(duì)活性氧起消除作用的抗氧化酶和抗氧化物也增加，結(jié)果制約并調(diào)節(jié)了ROS的增長(zhǎng)水平。對(duì)ROS調(diào)控作用的目的不僅在于減輕活性氧對(duì)細(xì)胞的毒害作用，也使其成為了信號(hào)分子，誘導(dǎo)植物細(xì)胞對(duì)高鹽環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)性的應(yīng)答反應(yīng)。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，我們對(duì)植物的耐鹽機(jī)制已經(jīng)有了初步的了解，但許多挑戰(zhàn)仍擺在眼前。例如，我們理解了在應(yīng)答反應(yīng)過(guò)程中植物主要的應(yīng)答機(jī)制，但仍然缺乏對(duì)以下機(jī)制的了解，如基因表達(dá)與信號(hào)通路的調(diào)控、跨膜離子轉(zhuǎn)運(yùn)、長(zhǎng)信號(hào)傳遞與能量供應(yīng)中代謝的問(wèn)題等。未來(lái)我們的研究應(yīng)該放在鹽脅迫下植物體內(nèi)分子互作的問(wèn)題上，致力于研究植物耐鹽的機(jī)制，從而解決農(nóng)作物耐鹽問(wèn)題，提高作物產(chǎn)量。

[1] Anjaneyulu E, Reddy P S, Sunita M S, et al.Salt tolerance and activity of antioxidative enzymes of transgenic finger millet overexpressing a vacuolar H(+)-pyrophosphatase gene (SbVPPase) from Sorghum bicolor.[J]. Journal of Plant Physiology, 2014,171(10):789-798.

[2] Bose J, Rodrigo-Moreno A, Shabala S. ROS homeostasis in halophytes in the context of salinity stress tolerance[J]. Journal of Experimental Botany,2014, 65(5):1241-1257.