豐宇凱 李飛飛 王華森

摘要：冰葉日中花（Mesembryanthemum crystallinum L.）是一種耐鹽性極強的鹽生植物。該研究從冰葉日中花的滲透調節(jié)、水通道蛋白調控以及活性氧清除等方面綜述了其耐鹽機制，旨在為冰葉日中花的種植推廣、鹽堿地的改良提供理論依據(jù)。

關鍵詞：冰葉日中花（Mesembryanthemum crystallinum L.）;耐鹽機制;鹽生植物

中圖分類號：S636.9? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）23-0015-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.23.003? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

鹽脅迫是影響作物產(chǎn)量主要的非生物脅迫之一。鹽脅迫會影響作物對水分的吸收，影響作物體內離子的平衡，還會導致膜透性的改變以及生理生化代謝的紊亂，進而影響作物的生長甚至導致死亡[1]。為解決鹽脅迫對作物產(chǎn)量的影響，在鹽堿地上種植耐鹽作物是其中一種解決方法。

冰葉日中花（Mesembryanthemum crystallinum L.）原產(chǎn)于非洲南部的納米比沙漠，簡稱冰菜，是一種耐鹽性極強的鹽生植物[2]。據(jù)文獻報道，冰葉日中花可以在濃度為0.5 mol/L NaCl的鹽溶液中生長[3]。近兩年冰葉日中花作為一種新型蔬菜傳入中國，不僅因其耐受逆境，還因其口感清脆，風味獨特，具有一定的經(jīng)濟價值。此外，冰葉日中花含有大量的多元醇，能降低血糖，改善肝臟功能;還含有豐富的氨基酸和抗氧化物，是一種極具營養(yǎng)價值的保健蔬菜[4]。結合其優(yōu)質的抗逆特性，種植冰葉日中花具有非常重要的現(xiàn)實意義。本研究將結合目前已報道的冰葉日中花相關耐鹽基因，綜述其耐鹽機制，旨在為冰葉日中花的種植推廣、鹽堿地的改良提供理論依據(jù)。

1? 鹽脅迫對冰葉日中花的影響

鹽脅迫會抑制植物的生長發(fā)育。當土壤含鹽量過高時，會嚴重影響冰葉日中花的生理生化反應，造成其減產(chǎn)，甚至導致植株死亡。

在正常生長條件下，外界環(huán)境的滲透勢大于植物根系細胞的滲透勢，因而植物根系可以從外界環(huán)境中吸取水分，以維持正常生命活動的水分供應;但外界高濃度的鹽分會導致水勢下降，使得外界環(huán)境的滲透勢小于植物根系的滲透勢，這時植物根系無法吸收水分，從而引起水分的虧缺，長時間的滲透缺水會導致植物枯萎甚至死亡[5]。研究表明，當冰葉日中花處于0.8 mol/L的NaCl溶液時，植株出現(xiàn)嚴重萎焉，最終死亡;而在0.2 mol/L NaCl處理下的植株生長速度明顯加快，單棵植株質量顯著高于未經(jīng)NaCl處理的幼苗[6]。因此，低鹽環(huán)境在一定程度上可以促進冰葉日中花的生長。

鹽囊細胞（Epidermal bladder cells，EBC）是冰葉日中花的特異細胞，存在于除了根以外的所有組織表面，但在不同組織其形態(tài)也各不一樣。鹽囊細胞是儲存NaCl的場所，在受到鹽脅迫時，冰葉日中花的地上部分就開始將NaCl儲存在各個部位的鹽囊細胞中。鹽脅迫下的鹽囊細胞呈現(xiàn)隆狀的凸起[2]。研究顯示，EBC可累積多達1.2 mol/L的Na+，在離子和水穩(wěn)態(tài)方面起著非常重要的作用[7]。因此，EBC對冰葉日中花的耐鹽性起關鍵作用。

2? 冰葉日中花的耐鹽機制

研究表明，冰葉日中花可能具有獨特的耐鹽機制，使其能在高鹽的土壤中生長繁殖。因此，冰葉日中花被作為研究耐鹽的模式植物。

2.1? 滲透調節(jié)機制

鹽脅迫下，植物可通過累積各種滲透調節(jié)物質來維持一定的滲透勢，使植物的生長、呼吸作用和光合作用等生理過程能正常進行[8]。滲透調節(jié)物質主要有兩大類，一類是有機溶質，主要包括游離的氨基酸、可溶性糖、甜菜堿類物質、多元醇和可溶性蛋白質等物質;另一類是無機離子，如Ca2+、K+、Na+等[9]。滲透調節(jié)物質能夠降低細胞內的水勢，維持細胞內外的水勢差，使細胞能在更低的外界水勢條件下吸水。除此之外，這些物質還能對酶、蛋白質和生物膜起保護作用，維持光合作用等生理過程的正常進行。

冰葉日中花中主要的有機溶質為多元醇，主要包括松醇、芒柄醇和肌醇等[10]。多元醇含有多個羥基，親水能力強，能有效維持細胞內水活力。McInps1和McImt1是肌醇從頭合成的關鍵基因。McInps1基因編碼肌醇-1-磷酸合成酶，該酶催化D-葡萄糖-6-磷酸合成肌醇[11]。McImt1基因編碼肌醇甲基轉移酶，該酶以肌醇為底物，合成一種多羥基糖醇化合物——芒柄醇[12]，而芒柄醇在表異構酶的作用下形成松醇[13]。Inps1和Imt1受鹽脅迫誘導表達，在非脅迫條件下，這2個基因都不表達;在鹽脅迫下，這2個基因表達量均顯著上調[11]。McImt1基因在酵母、大豆和煙草的異源表達使細胞中芒柄醇含量增加，提高了耐鹽性[14，15]。值得注意的是，甜土植物擬南芥中未檢測到Inps和Imt基因的活性，肌醇合成的誘導是鹽生植物和甜土植物之間的區(qū)別因素，甜土植物在脅迫應答下不能合成肌醇，導致耐鹽性的降低。

2.2? 離子吸收和離子區(qū)隔化機制

鹽脅迫下，植物體內離子失衡，鹽離子在細胞內的大量積累會對生物膜造成損害，進一步影響細胞的正常代謝，進而嚴重影響植物的生長發(fā)育。Na+是鹽脅迫的主要毒害離子，高鹽濃度下，Na+與K+競爭從而引起植物體內K+的虧缺[16]。因此，提高植物體內的K+/Na+比，對提高植物耐鹽性至關重要。植物主要通過鉀離子運輸系統(tǒng)和離子區(qū)隔化來調節(jié)K+/Na+比。

2.2.1? 鉀離子運輸系統(tǒng)? 植物通過鉀離子運輸系統(tǒng)從外界吸收K+來提高K+的含量，鉀離子運輸系統(tǒng)包括高親和鉀離子轉運載體和鉀離子通道。

離子通道的運輸方式屬于被動轉運，只能從高濃度向低濃度運輸。因此，當外界K+濃度很高時，植物可通過鉀離子通道來吸收K+[16]。冰葉日中花Mkt1、Mkt2和Kmt1基因屬于Shaker K+通道[17]，是內流型鉀離子通道。其中Mkt1和Mkt2屬于AKT亞族，而Kmt1屬于KAT亞族[18]。Mkt1基因是根特異表達基因，在高鹽脅迫下，該基因的轉錄和表達均有所下調，可能的原因是高鹽脅迫會抑制離子通道的活性，植物通過高親和K+轉運載體吸收K+。

目前在冰葉日中花中已報道的高親和K+轉運載體有兩種，HAK/KT/KUP家族和HKT/Trk家族。高親和K+轉運載體的轉運過程是逆著K+的電化學梯度進行的，需要ATP提供能量，是一個主動運輸?shù)倪^程[19]。KUP/HAK/KT家族是一種H+/K+同向轉運載體，通過增加H+泵的活性以驅動對的K+轉運，主要負責植物根部細胞對K+的高親和吸收[20]。冰葉日中花McHAK1和McHAK4基因在高鹽脅迫下表達上調，提高對K+的吸收。HKT/Trk家族是一類Na+特異轉運體或Na+-K+協(xié)同轉運體，對減輕鹽離子的毒害起著重要作用。冰葉日中花McHKT1基因是一個兼Na+轉運蛋白，將其轉入爪蟾卵母細胞后用以鹽處理，其轉錄水平迅速上調[21]。

2.2.2? 離子區(qū)隔化? 離子區(qū)隔化主要通過質膜上的Na+/H+反向運輸體排出Na+，或者通過液泡膜上的Na+/H+反向運輸體將Na+轉運至液泡[16]，降低細胞質中的K+/Na+比，進而提高植株的耐鹽性。冰葉日中花McSOS1基因與擬南芥AtSOS1同屬于SOS1亞家族，是一類質膜Na+/H+反向運輸體，SOS1排鈉離子的過程需要質膜H+-ATPase提供能量。而McNHX1和McNHX2基因則屬于NHX亞家族，定位于液泡膜，NHX區(qū)隔鈉的過程由液泡上的H+-ATPase來提供能量[22，23]。研究顯示，在鹽脅迫下，McSOS1、McNHX1和McNHX2的表達均上調，而且，為其供能的H+-ATPase活性也有顯著提升。McNHX1在酵母中的異源表達也證實了其轉運鈉離子的功能。

2.3? 水通道蛋白

植物水通道蛋白在調節(jié)細胞內水穩(wěn)態(tài)方面起著重要作用。水通道蛋白屬于一個跨膜通道蛋白MIP超家族，主要起著促進水分雙向跨膜運動的作用。干旱和鹽脅迫等逆境脅迫都會誘導或下調水通道蛋白的轉錄和表達[24]。許多研究證明水通道蛋白參與植物體內水分的運輸。擬南芥的水通道蛋白γ-TIP在非洲爪蟾卵母細胞中的異源表達增加了水分的滲透率[25]。擬南芥AthH2基因的反義表達載體明顯降低了原生質體水分的滲透率[26]。

冰葉日中花作為一種鹽生植物，在鹽適應性方面十分適合作為研究水通道蛋白的模式植物。冰葉日中花基因組中存在大量編碼水通道蛋白的序列。數(shù)據(jù)顯示，在冰葉日中花已發(fā)現(xiàn)14個不同的水通道蛋白轉錄本，其中已報道的有9個類水通道蛋白基因，分別屬于PIP（plasma membrance intrinsic protein，質膜內在蛋白）和TIP（tonoplast intrinsic protein，液泡膜內在蛋白）亞家族[24，27]。水通道蛋白McPIP1;4（McMipA）和McPIP1;5（McMipB）在爪蟾卵母細胞中的異源表達，明顯增強了水分的滲透率，在一定程度上促進了水分的運動。水通道蛋白受鹽脅迫的調控，在鹽脅迫下MipA的表達上調[27]。在細胞內，水通道蛋白是可移動的，McMipA和McMipB為質膜內在蛋白，但在液泡膜上也檢測到其存在。這可能是由于逆境脅迫引起其功能改變。

2.4? 活性氧清除機制

植物在鹽脅迫下體內會產(chǎn)生大量的活性氧，包括過氧化氫（H2O2）、氫氧根離子、超氧陰離子等?；钚匝踉隗w內的大量累積會對植物產(chǎn)生毒害作用，主要體現(xiàn)在對生物膜系統(tǒng)的破壞和生物大分子的降解。抗氧化酶是植物清除活性氧的主要機制，其中最主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）等。研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下冰葉日中花葉片中的SOD和CAT的活性均表現(xiàn)出上升的趨勢，因此推測抗氧化酶降低了細胞的過氧化作用，提高了冰葉日中花的耐鹽性[28，29]。

2.5? 其他耐鹽機制

冰葉日中花是目前研究最為全面的兼性CAM（Crassulacean Acid Metabolism，景天酸代謝）植物，CAM是一種光合作用的替代途徑，能有效地提高水分的利用率。在鹽脅迫或干旱脅迫下，冰葉日中花從C3光合作用途徑轉變?yōu)镃AM，從而最大限度減少水分的流失，并保證在缺水、土壤鹽漬的情況下成功繁殖[30]。對比C3和C4光合途徑，CAM將水的利用率提高了5倍[31]，并增強了CAM植物在炎熱干燥環(huán)境中的生存能力。當CO2濃度升高時，一些CAM植物的生物量可增加35%，而許多C3植物的生物量都是下降的[32]。

通過對CAM相關酶活性的測定證實，在鹽脅迫下，隨著光合作用的轉變，一系列CAM必須酶的活性顯著增強。McPpc1基因編碼一個PEP羧化酶，該酶是CAM區(qū)別于C3光合作用的關鍵酶[33，34]。在鹽脅迫下，McPpc1基因在葉片中的表達量明顯增加，而PEP羧化酶的活性增強了40～50倍[35，36]。NADP-蘋果酸酶（NADP-ME）、NADP-蘋果酸脫氫酶（NADP-MDH）和丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）也是CAM途徑中CO2固定的關鍵酶，這3個酶同樣也受鹽脅迫的誘導表達。在受到鹽脅迫時，這3個酶的cDNA轉錄增強，酶活性也提高了4～10倍[37-39]。

整個光合作用途徑的轉變是一個十分復雜的過程，涉及到很多基因。而光合作用途徑的轉變是可逆的，在去除鹽脅迫后，PEP羧化酶的轉錄和酶活均大幅度下降[40]。

3? 展望

冰葉日中花作為植物生理學研究的模式植物興起，對碳代謝的研究做出了顯著的貢獻，尤其是CAM途徑。冰葉日中花的基因組大小大約為393 Mb，共9條染色體（2N=18），大約是擬南芥（大約145 Mb）的2.5倍[41]，小基因組有助于對冰葉日中花分子遺傳學的研究。鹽脅迫的基礎應答機制存在于所有植物中，對冰葉日中花和擬南芥根部位的RNA測序結果進行分析，發(fā)現(xiàn)有20%的序列能在擬南芥中發(fā)現(xiàn)其同源序列[42]，說明冰葉日中花還有一部分特異應激途徑的基因值得去挖掘。通過對冰葉日中花這類鹽生植物的研究，可以學習到在其他甜土植物中觀察不到的應激反應，這有助于我們對植物耐鹽機理的進一步了解。

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