趙懷玉，林鴻宣

(植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所，上海 200032)

0 引 言

在一系列的非生物脅迫中，土壤的鹽堿脅迫對于作物影響巨大。鹽堿脅迫在作物整個(gè)生活史過程中都會(huì)產(chǎn)生一系列的影響，土壤的鹽堿化會(huì)影響作物正常生長，并且會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的減產(chǎn)，特別是水稻、番茄等需要在中性或者弱酸性的土壤中生長的作物。土壤發(fā)生鹽堿化會(huì)影響水稻的苗期發(fā)育、分蘗及抽穗期等生理及發(fā)育過程[1]。番茄在鹽堿化的培養(yǎng)條件下，種子的發(fā)芽率顯著下降[2]。目前，我國約有20%的稻田遭受鹽堿脅迫，并且遭受鹽堿脅迫的區(qū)域仍在逐年擴(kuò)大[3]，每年約有1 000萬hm2的土地由于人為原因造成的次生鹽堿化而變得不適宜作物生長。

研究人員根據(jù)土壤中鹽的性質(zhì)將植物的鹽堿脅迫分為兩種：鹽脅迫和堿脅迫。土壤中的NaHCO3和Na2CO3對植物的毒害較NaCl、Na2SO4等中性鹽的毒害更大[4-5]。過去的研究表明，鹽堿毒害主要要是可溶性的Na+和Cl-引起的高滲狀態(tài)，從而阻礙植物對水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[6]。與鹽脅迫相比，植物在堿脅迫條件下，對微量元素的吸收效率更低。堿性土壤的高pH值不利于根的生長，因此會(huì)降低根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，使有機(jī)酸的分布不平衡，打破植物細(xì)胞內(nèi)pH的穩(wěn)定性[7]，特別是高pH會(huì)降低可溶性鐵離子的溶解性，導(dǎo)致植物產(chǎn)生缺鐵癥，具體表現(xiàn)出葉片缺綠黃化[8]。

鹽脅迫主要包括滲透脅迫和離子脅迫等初級脅迫以及高鹽引起的營養(yǎng)虧缺、氧化脅迫等一系列的次生脅迫。多種脅迫的積累會(huì)導(dǎo)致植物的生長發(fā)育及能量代謝受到抑制，從而使植物早衰甚至死亡。當(dāng)土壤環(huán)境的鹽濃度高于植物體生長所需的鹽濃度，會(huì)使土壤中的水勢力降低，因此植物對水分的吸收能力減弱，從而使植物產(chǎn)生滲透脅迫。滲透脅迫不僅存在于鹽脅迫中，干旱脅迫也會(huì)通過環(huán)境與植物的水勢差形成滲透脅迫。水勢的改變引起的滲透脅迫會(huì)通過植物葉片的保衛(wèi)細(xì)胞降低氣孔開度[9]，使植物的光合作用降低，最終影響植物能量的積累。滲透脅迫主要是通過氧化脅迫等次級脅迫對植物產(chǎn)生傷害，影響植物細(xì)胞的正常生理功能。

植物細(xì)胞內(nèi)的葉綠體光合電子傳遞鏈與線粒體呼吸電子傳遞鏈所泄漏的電子與O2反應(yīng)生成氧化性強(qiáng)的O2-、H2O2、·OH，過氧化氫酶體也可以產(chǎn)生H2O2,這些強(qiáng)氧化劑會(huì)損傷植物細(xì)胞的蛋白質(zhì)、核酸及脂質(zhì)等大分子物質(zhì)，從而使細(xì)胞受到氧化脅迫的損傷，最終影響到植株的生長發(fā)育。外界環(huán)境的Na+、Cl-等離子濃度過高后會(huì)使植物通過電化學(xué)勢梯度攝取過量的Na+、Cl-，從而使胞質(zhì)內(nèi)的離子濃度增加，產(chǎn)生毒害。

因此，如何解決土壤的鹽堿化已經(jīng)成為重要科學(xué)問題。而探究植物對鹽脅迫與堿脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制，闡明植物耐鹽堿的信號通路，對植物特別是作物的鹽堿響應(yīng)及耐受的分子機(jī)制研究以及挖掘作物中耐鹽堿的QTL位點(diǎn)，將為培育耐鹽堿的作物新品種提供理論基礎(chǔ)。

1 植物對鹽脅迫的感知

植物對于外界的刺激或者脅迫往往是通過細(xì)胞受體感知，并通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引起細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)，從而適應(yīng)或者躲避外界環(huán)境刺激。例如，OSCA1編碼一個(gè)未知的質(zhì)膜蛋白，當(dāng)擬南芥受到山梨醇模擬的滲透脅迫時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號加強(qiáng)，起到滲透脅迫的感受器[10]。水稻中的COLD1作為一個(gè)耐冷脅迫的QTL位點(diǎn)，COLD1編碼一個(gè)G蛋白信號調(diào)節(jié)因子，起到冷脅迫感受器的作用[11]。植物在受到鹽脅迫后，Na+會(huì)快速通過植物根部表皮細(xì)胞和中柱細(xì)胞質(zhì)膜上Na+非選擇離子通道(NSCCs)進(jìn)入細(xì)胞，Na+內(nèi)流引起細(xì)胞去極化，造成細(xì)胞內(nèi)cGMP的積累，cGMP能夠通過激活環(huán)核苷酸門控通道(CNGC)起始早期Ca2+信號[12]。G蛋白在植物鹽脅迫的感知過程中起到重要的傳導(dǎo)作用，在胞內(nèi)Na+與K+穩(wěn)態(tài)失衡時(shí)，鹽離子受體感知鹽脅迫使胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度增加，Ca2+會(huì)誘導(dǎo)非典型的大型Gα蛋白XLG與Gβγ蛋白調(diào)節(jié)下游的脅迫響應(yīng)基因如HKT1、NHX1、SZF1/2的表達(dá)，從而引起細(xì)胞死亡以及抵抗脅迫的表型[13]。最近，研究人員在擬南芥中鑒定到一個(gè)對NaCl處理超敏感的突變體moca1，該突變體還表現(xiàn)出鹽處理后胞內(nèi)Ca2+信號明顯弱于野生型，MOC1編碼一個(gè)葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶，能將葡萄糖醛酸(GlcA)轉(zhuǎn)移至肌醇磷脂酰神經(jīng)酰胺(IPC)生成葡萄糖醛酸肌醇磷脂酰神經(jīng)酰胺(GIPC)，其中，GIPC大量存在于細(xì)胞質(zhì)膜上，并且?guī)в?個(gè)負(fù)電荷，一價(jià)陽離子如Na+、Li+及K+等可以結(jié)合到GIPC上，使Ca2+通道打開，通過Ca2+信號引起下游鹽脅迫信號響應(yīng)，因此磷脂分子GIPC可以作為鹽離子的感受器感知鹽脅迫[14]。由此可見，植物對鹽脅迫的感知方式與滲透脅迫、冷脅迫等通過離子通道或者其它蛋白的方式并不相同，而是通過一種全新的模式，即磷脂分子葡萄糖醛酸肌醇磷脂酰神經(jīng)酰胺感知鹽脅迫。

2 SOS信號途徑響應(yīng)植物鹽脅迫

鹽脅迫會(huì)引起植物細(xì)胞內(nèi)的一系列的生理生化反應(yīng)。植物主要通過Ca2+依賴的SOS(Salt overly sensitive)通路來響應(yīng)鹽脅迫，SOS途徑對于植物Na+/K+穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)是至關(guān)重要的[15]。EF手型鈣結(jié)合蛋白SOS3是植物體內(nèi)鈣離子初級感受器，鈣信號會(huì)響應(yīng)外界的鹽濃度，因此，SOS3可以通過感知胞質(zhì)內(nèi)的鈣信號從而響應(yīng)鹽脅迫，SOS3基因?qū)儆贑BL家族，被稱為CBL4，CBL家族蛋白也被稱為SCaBP(SOS3 like calcium binding protein)。相比與擬南芥中只有一個(gè)拷貝的CBL10，山崳菜具有兩個(gè)拷貝EsCBL10a和EsCBL10b，將這兩個(gè)基因轉(zhuǎn)入擬南芥中能顯著增加擬南芥的耐鹽能力[16]。SOS2是屬于SnRK3家族的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[17]，SOS3可以直接與SOS2結(jié)合并且激活SOS2，在擬南芥中，SOS2激酶特異性也被NaCl激活，KCl或甘露醇并不能使其激活[18]，在植物未受到鹽脅迫的情況下，PKS5通過磷酸化SOS2的194位的Ser，從而促進(jìn)14-3-3與SOS2蛋白結(jié)合，確保SOS2處于非激活狀態(tài)[19-20]。在鹽脅迫情況下，14-3-3蛋白會(huì)被26S蛋白酶體途徑降解[21],從而使SOS2的抑制作用被解除。類SOS3鈣結(jié)合蛋白SCaBP8主要在擬南芥中莖部行使功能[22]，SOS2還可以磷酸化SCaBP8進(jìn)而穩(wěn)定兩者之間的結(jié)合，并且通過AtANN4形成SCaBP8-AtANN4-SOS2復(fù)合體，從而提高質(zhì)膜Na+/H+的轉(zhuǎn)運(yùn)活性[23]。SOS1是植物中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的在鹽脅迫條件下可以特異地向胞外轉(zhuǎn)運(yùn)Na+的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體[24]。SOS1主要在根部表皮細(xì)胞和木質(zhì)部薄壁組織細(xì)胞表達(dá)，位于SOS2的下游，SOS2可以磷酸化SOS1，活化的SOS1能將Na+排除植物細(xì)胞[25]。SCaBP8可以激活SOS1和AKT1，維持胞質(zhì)內(nèi)的Na+/K+的穩(wěn)態(tài)[26]。植物受到鹽脅迫時(shí)SCaBP8與AKT1的互作程度降低，AKT1的抑制作用被解除，從而使胞內(nèi)的K+濃度增加。因此，植物對外界環(huán)境的鹽脅迫主要是通過GIPC-Ca2+信號-SOS3/SCaBP8-SOS2-SOS1信號進(jìn)行響應(yīng)的，從而調(diào)節(jié)Na+的外排以及胞內(nèi)Na+的穩(wěn)態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)SOS1不止受SOS3-SOS2的調(diào)節(jié)，還受到磷脂酶D(PLD)的調(diào)控，在擬南芥中，鹽脅迫會(huì)使植物體內(nèi)PLDα1的酶活性增加，從而導(dǎo)致第二信使磷脂酸PA的積累，PA反過來可以激活MPK6，MPK6可以直接磷酸化SOS1[27]，這一信號通路可能平行于SOS3-SOS2-SOS1。

3 ROS信號參與植物鹽脅迫的響應(yīng)

ROS信號和抗氧化劑也涉及鹽脅迫的響應(yīng)。鹽誘導(dǎo)的脅迫可以通過Ca2+信號使植物體內(nèi)產(chǎn)生ROS。ROS濃度較低的時(shí)候可以作為一種信號激活鹽脅迫的響應(yīng)，ROS引起的細(xì)胞內(nèi)高氧化狀態(tài)可以改變一些轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)活性，從而調(diào)控相應(yīng)脅迫基因的表達(dá)；但是，高濃度的ROS會(huì)損壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)[28]。鹽脅迫會(huì)通過誘導(dǎo)酶清除劑或者無酶清除劑來降低ROS[29]。酶清除劑主要包括超氧化歧化酶(SOD)，抗壞血酸過氧化物酶(APX)，過氧化氫酶(CAT)，愈創(chuàng)木酚過氧化酶(GPOX)，脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)，谷胱甘肽過氧化物酶(GR)和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)等。

ROS主要包括超氧自由基，羥自由基，單線態(tài)氧以及過氧化氫。SOD是活性氧最有效的清除方式，是抵抗在環(huán)境壓力下形成的ROS造成損失的第一道防線[30]。某些酶會(huì)產(chǎn)生無酶清除劑，如DHAR,MDHAR以及GR參與抗壞血酸從包括脫氫抗壞血酸(DHA)、單脫氫抗壞血酸(MDHA)和氧化谷胱甘肽(GSSG)等氧化產(chǎn)物的再生。非酶清除劑包括抗壞血酸(ASH)、生物堿、類胡蘿卜素、類黃酮、GSH、酚類化合物以及生育酚。ROS在鹽脅迫下可以通過自噬基因ATG誘導(dǎo)植物細(xì)胞的自噬[31]。DST編碼一個(gè)未知的鋅指轉(zhuǎn)錄因子，具有轉(zhuǎn)錄激活活性，DST與活性氧相關(guān)基因啟動(dòng)子中的DBS元件直接結(jié)合，調(diào)節(jié)這些基因的表達(dá)，影響活性氧的積累，從而調(diào)節(jié)氣孔的開度，最終影響水稻的耐旱及耐鹽性[32]。DST能夠與自身發(fā)生直接的互作，同時(shí)與DCA1形成異源四聚體，這個(gè)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物能夠調(diào)控編碼H2O2清除因子Prx24的表達(dá)，從而正向調(diào)控氣孔孔徑大小和氣孔中H2O2含量，最終影響植株對鹽旱脅迫的耐受性[33]。轉(zhuǎn)錄因子OsMADS25可以與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶OsGST4基因的啟動(dòng)子區(qū)直接結(jié)合，過表達(dá)OsMADS25能顯著提高GST4對ROS的清除能力，使植物表現(xiàn)出耐鹽的表型[34]。在擬南芥中過表達(dá)馬鈴薯硫氧還蛋白基因StTrxF能夠增加轉(zhuǎn)基因植株脯氨酸含量，提高SOD活性，激活ROS清除系統(tǒng)，具有提高轉(zhuǎn)基因擬南芥植株耐鹽性的顯著效果[35]。植物在鹽脅迫過程中ROS的產(chǎn)生與清除之間存在平衡，即植物產(chǎn)生ROS改變細(xì)胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)發(fā)揮抵抗鹽脅迫的作用以及過量的ROS對植物會(huì)造成損傷，植物需要維持兩者的平衡從而降低鹽脅迫對植物造成的危害。

4 植物激素在植物鹽脅迫中的作用

植物激素作為植物體內(nèi)重要的小分子化學(xué)物質(zhì)，參與植物的生長發(fā)育及其對環(huán)境的脅迫響應(yīng)過程，多種植物激素如茉莉酸、乙烯及脫落酸等在鹽脅迫的響應(yīng)以及耐鹽過程中起到重要的作用。茉莉酸(JA)作為一種脂肪酸的衍生物，在植物抵抗病蟲害過程中起作用。最近的研究結(jié)果表明JA在植物抵抗鹽脅迫過程中起到正向調(diào)控的作用,小麥TaAOC1編碼一個(gè)丙二烯氧化物環(huán)氧化酶，將其轉(zhuǎn)入擬南芥中可以提高JA水平，提高擬南芥的耐鹽能力[36]。棉花在鹽脅迫情況下外源施JA和Me JA能顯著提高種子萌發(fā)能力[37]。擬南芥共激活子亞基PFT1/MED25通過與ERF1以及MYC2互作來調(diào)節(jié)JA信號[38]。PFT1/MED25也可以與不依賴于ABA調(diào)節(jié)非生物脅迫的DREB2A互作，pft1/med25雙突對鹽的敏感性增加，表明PFT1/MED25在擬南芥JA信號和耐鹽的過程中起到一個(gè)正向調(diào)控子的作用[39]。在水稻中，水稻鹽敏感蛋白RSS3是一個(gè)在根尖表達(dá)的核蛋白，能夠促進(jìn)細(xì)胞的伸長，在鹽脅迫條件下能夠通過抑制根部JA來保證根的正常生長。RSS3可以與JA信號中的OsbHLH089和OsbHLH094以及OsJAZ9和OsJAZ11互作，與OsJAZ9和OsbHLH089形成一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合體，保證抑制OsbHLH094的轉(zhuǎn)錄活性[40]。耐鹽脅迫負(fù)向調(diào)控因子OsJAZ9可以與抑制子OsbHLH062互作，從而調(diào)控OsbHLH062下游的SKC1,OsHAK21以及OsHAK27參與離子穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵基因的表達(dá)[41]。番茄突變體res在無鹽脅迫的狀態(tài)下根部的JA會(huì)發(fā)生積累并引起植株形態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部的紊亂，當(dāng)遭受鹽脅迫以后這些改變將會(huì)消失[42]。番茄中一種促進(jìn)JA產(chǎn)生的植物激素-系統(tǒng)素可以通過一種依賴于ABA途徑提高植株的耐鹽能力。與野生型相比，番茄原系統(tǒng)素轉(zhuǎn)基因植株在鹽脅迫條件下有更高的氣孔導(dǎo)度以及積累更多的生物量[43]。這些證據(jù)表明JA在植物耐鹽脅迫過程中主要起到正向調(diào)控的作用。

在植物的耐鹽脅迫過程中，乙烯(ET)途徑既有正向也有負(fù)向調(diào)控的作用。在植物鹽脅迫過程中，大量的ET響應(yīng)基因表達(dá)發(fā)生了改變[44]。擬南芥中，ET可以通過負(fù)向影響植物的鹽脅迫過程，氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)的水平增加使植株耐鹽能力降低[45]。acs7突變體在發(fā)芽期間ET水平顯著降低，但是耐鹽能力增加，表明ACS7在耐鹽過程中起到負(fù)向調(diào)控的作用。同時(shí)，acs7突變體還具有ABA超敏感的表型。因此，ACS介導(dǎo)的鹽敏感性很可能是由于ABA信號減弱引起的[46]。轉(zhuǎn)錄因子OsDOF15可以與OsACS1啟動(dòng)子直接互作，使乙烯合成受到抑制進(jìn)而抑制初生根的伸長[47]。在擬南芥sst1突變體中鹽處理會(huì)引起ET水平增加，sst1是eto1-1的等位突變，其耐鹽能力主要是通過提高Na+/K+穩(wěn)態(tài)，使進(jìn)入根部以及莖的Na+降低。sst1/eto1介導(dǎo)的耐鹽過程是受ETR1-CTR1信號通路的影響[48]。與ET不同，ET信號對鹽脅迫是正調(diào)控，ET受體突變體etr1和ein4等對鹽的敏感性增加[49-50]。然而，ETR1和ETR2在種子萌發(fā)過程具有相反的表型。在鹽脅迫的情況下，ETR1和EIN4突變會(huì)加速種子萌發(fā)，而ETR2突變會(huì)延遲種子萌發(fā)[51]。在鹽脅迫下，植物細(xì)胞微管會(huì)發(fā)生解聚，而乙烯信號通過EIN3可以上調(diào)WDL5表達(dá)，調(diào)控植物細(xì)胞微管重新組裝，從而提高植物耐鹽能力[52]。

鹽脅迫還會(huì)引起ABA信號途徑響應(yīng)。鹽脅迫會(huì)通過Ca2+信號和ROS信號增加植物細(xì)胞的ABA合成[53]。PYR1類受體激酶PYL可以感知ABA的增加，PYL結(jié)合蛋白磷酸酶2C，解除對下游ABA依賴的SnRK2的抑制作用，SnRK2可以激活A(yù)REB1、ABI5等ABA響應(yīng)基因的的表達(dá)，ABA依賴的信號通路的激活可以調(diào)控氣孔的開閉在生理上響應(yīng)鹽脅迫[13]。轉(zhuǎn)錄因子OsMADS25在水稻根部的生長過程以及耐鹽過程中起到重要作用，過表達(dá)OsMADS25會(huì)增加根部對外源ABA的敏感性，并且過表達(dá)植株在鹽脅迫狀態(tài)下ABA依賴的脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)量也會(huì)增加[49]。Zhu等人通過遺傳篩選的方法，在sic-1突變體背景下使用脅迫響應(yīng)熒光報(bào)告基因RD29A-LUC篩選鑒定到一個(gè)由于核孔復(fù)合體蛋白NUP85突變導(dǎo)致的一個(gè)抑制子在響應(yīng)ABA和鹽脅迫過程中RD29-LUC的表達(dá)量降低[54]。細(xì)胞內(nèi)膜定位的E3泛素連接酶SDIR1通過促進(jìn)ABI5,ABF3和ABF4的表達(dá)參與到植物響應(yīng)鹽脅迫與干旱脅迫[55]，SDIR1的配體SDIRIP1可以選擇性地僅調(diào)控ABI5的表達(dá)，SDIR1可以通過26S蛋白酶體途徑調(diào)控SDIRIP1的穩(wěn)定性，這兩者共同參與ABA信號與鹽脅迫過程[56]。

雖然植物激素在植物體內(nèi)的含量較低，但是在植物的發(fā)育以及環(huán)境脅迫響應(yīng)過程中都起到很重要的作用，在脅迫響應(yīng)過程中，并不是簡單的通過某種單一的植物激素起作用，往往會(huì)存在不同激素之間的交互影響，在這個(gè)過程中，ABA起到較為重要的作用，ABA與JA，ABA與SA以及其它激素信號可以發(fā)生相互作用，通過多種植物激素的共同響應(yīng)最終維持植物體發(fā)育與逆境響應(yīng)的穩(wěn)定性。

5 表觀修飾在植物鹽脅迫響應(yīng)過程中的作用

植物的基因表達(dá)會(huì)受到表觀修飾的影響，包括DNA甲基化、組蛋白修飾及小RNA等表觀修飾，這些調(diào)控方式在植物的非生物脅迫響應(yīng)過程中起到重要的作用。鹽脅迫響應(yīng)基因在鹽脅迫條件下的表達(dá)受到可變的表觀調(diào)控[57]。受DNA聚合酶V轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的RNA介導(dǎo)的DNA甲基化(RdDM)途徑響應(yīng)鹽脅迫[58]。表觀修飾還可以介導(dǎo)植物對特定環(huán)境脅迫記憶的調(diào)控。擬南芥中的HTK的DNA甲基化參與調(diào)節(jié)鹽脅迫相關(guān)基因的表達(dá)[59]。

植物在鹽脅迫條件下組蛋白修飾主要改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)從而調(diào)控靶基因的表達(dá)，參與調(diào)控植物的發(fā)育與生長。組蛋白去乙酰化酶HDA6和HD2C在擬南芥的鹽脅迫響應(yīng)過程中會(huì)改變鹽響應(yīng)基因的表達(dá)[60]。在擬南芥中，帽結(jié)合蛋白CBP20和CBP80可以通過調(diào)節(jié)在鹽響應(yīng)相關(guān)基因的剪接來調(diào)節(jié)糖和脯氨酸的代謝[61]。鹽脅迫還能通過表觀修飾影響植物的開花時(shí)間。鹽脅迫能夠通過降低誘導(dǎo)開花的shk1激酶結(jié)合蛋白1(SKB1)與染色質(zhì)的結(jié)合并降低H4R3的二甲基化水平進(jìn)而提高調(diào)控植物開花的FLC基因的表達(dá)[62]。甜菜和海甜菜在鹽脅迫條件下，H3K9和H3K27的乙?；教岣邥?huì)引起編碼過氧化氫酶POX的轉(zhuǎn)錄激活[63]。轉(zhuǎn)錄因子IDS1可以與轉(zhuǎn)錄輔阻遏物TPR1形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體，該復(fù)合體可以與組蛋白去乙?；窰DA1結(jié)合，通過控制組蛋白乙?；街苯涌刂芐OS1和LEA1的表達(dá)，從而可以在表觀水平調(diào)控植物對鹽脅迫的響應(yīng)[64]。

小RNA主要通過與靶基因的mRNA結(jié)合從而在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá)。在紅樹林中，ta-siRNAs通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及基因的表達(dá)從而平衡植物在高鹽環(huán)境中的生長和耐鹽過程[65]。SiRNA可以通過介導(dǎo)DNA的甲基化來調(diào)控基因的表達(dá)，24-nt的siRNA水平可以調(diào)節(jié)擬南芥的AtMYB7的水平進(jìn)而通過RdDM途徑響應(yīng)鹽脅迫[66]。

6 作物中耐鹽QTL位點(diǎn)

通過正向與反向遺傳學(xué)的分析能夠讓我們進(jìn)一步了解植物的耐鹽機(jī)制。然而，在作物中很少有單基因的突變能夠提高作物的耐鹽能力。對于植物的耐鹽過程許多基因是必需的，比如SOS信號通路中的基因，當(dāng)發(fā)生突變后，植物多會(huì)表現(xiàn)出對鹽脅迫超敏的表型。植物的耐鹽性狀主要是一些由數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)控制的一種復(fù)雜性狀。目前為止，僅在水稻、小麥、玉米及大豆等作物中鑒定到了能夠顯著提高植株耐鹽能力的QTLs位點(diǎn)。在水稻中，來源于Nona Bokra的SKC1的QTL位點(diǎn)在植株遭受鹽脅迫的情況下可以保持莖部較高的K+濃度，SKC1編碼一個(gè)優(yōu)先在莖部木質(zhì)部薄壁細(xì)胞表達(dá)的Na+選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)體[67]。單粒小麥和春小麥中SKC1的同源基因HKT1；5位點(diǎn)，分別命名為Nax2和Kna1[68-69]。Nax2位點(diǎn)導(dǎo)入到硬質(zhì)小麥內(nèi)，從而使硬質(zhì)小麥在高鹽土壤中的產(chǎn)量比對照高25%[70]。在小麥中，Nax2對于植物在鹽脅迫時(shí)Na+從根部木質(zhì)部的排出，以及葉鞘對Na+的阻隔過程起到重要作用[71]。在玉米中，同樣是HKT型的轉(zhuǎn)運(yùn)體ZmHKT1在功能喪失的等位突變的品種中表現(xiàn)增加Na+從玉米根部向莖部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)木質(zhì)部Na+向葉片外排，增加玉米的耐鹽能力[72]。在野生大豆中鑒定到了一個(gè)植物B類熱激轉(zhuǎn)錄因子HSFB2b，一方面可以直接激活一組類黃酮合成相關(guān)基因的表達(dá)，另一方面可以抑制GmNAC2基因表達(dá)，從而促進(jìn)了黃酮生物合成途徑的另一組基因的表達(dá)，最終提高耐鹽能力[73]。

目前，在作物中鑒定到的耐鹽QTL位點(diǎn)主要與Na+轉(zhuǎn)運(yùn)體相關(guān)[67-69,72]，也許仍有許多未知的耐鹽調(diào)控途徑尚待研究，作物的耐鹽作用可能是有數(shù)個(gè)主效的QTLs以及多個(gè)微效QTLs共同起作用。

7 堿脅迫響應(yīng)及耐堿脅迫的分子機(jī)制

雖然鹽脅迫和堿脅迫都被歸為鹽堿脅迫，但是相對于中性鹽脅迫，堿性鹽離子引起的堿脅迫還是具有一定的特殊性。植物對堿脅迫的響應(yīng)的分子機(jī)制也有所不同。

最近的一些研究結(jié)果表明，提高植物對鐵的吸收能夠增加植物的耐堿能力。在長期的進(jìn)化過程中，不同的植物進(jìn)化出策略I和策略II兩種適應(yīng)鐵缺乏環(huán)境。策略I主要是雙子葉植物和非禾本科的單子葉植物，主要通過三個(gè)過程：質(zhì)膜定位的H+-ATP酶引起的根部酸化[74]，三價(jià)鐵螯合還原酶FRO2參與的Fe3+還原[75]，鐵離子調(diào)控的高效轉(zhuǎn)運(yùn)體IRT1轉(zhuǎn)運(yùn)Fe2+[76]。策略II主要是禾本科植物采取的方式，主要通過植物根部分泌的植物鐵螯合載體的麥根酸螯合Fe3+[77]。與策略I植物相比，采用策略II的植物在堿脅迫時(shí)展現(xiàn)出更好的生長狀態(tài)，依賴鐵吸收的鐵螯合載體對高pH并不敏感，所以在堿脅迫條件下其功能發(fā)揮受pH變化并不大。在一些植物中可以同時(shí)采用兩種策略來獲取鐵離子。有研究表明，水稻既可以通過策略II來獲取鐵離子也可以通過策略I獲取鐵離子[78]。因此，在水稻中可以通過多種方式提高對鐵離子的吸收從而提高對堿脅迫的耐受能力。

通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在植物堿脅迫響應(yīng)過程中，活性氧(ROS)清除劑的表達(dá)量發(fā)生了明顯的變化[79]。SOD作為重要的ROS清除劑，在水稻中過表達(dá)OsCu/Zn-SOD可以顯著提高ROS的解毒能力從而降低堿性鹽脅迫對水稻造成的危害[80]。在擬南芥中過表達(dá)來源于星星草的Cu/Zn-SOD同樣也能增加對堿性鹽的耐受，并且增加對H2O2的耐受[81]。

植物除了通過平衡細(xì)胞內(nèi)的ROS提高耐堿以及增加鐵的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以外，還有多種基因參與植物耐堿的過程,包括在鹽脅迫響應(yīng)過程中起重要作用的SOS途徑相關(guān)基因也參與到堿脅迫過程。在擬南芥中，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶PKS5,可以作為一個(gè)負(fù)調(diào)控因子，調(diào)控質(zhì)膜上的質(zhì)子泵(H+-ATP酶),外部的高pH會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度增加，從而使RKS5與鈣結(jié)合蛋白SCaBP1的結(jié)合加強(qiáng)，從而阻止H+-ATP酶與14-3-3蛋白結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的pH[82]。J3可以通過與PKS5激酶的互作抑制RKS5的功能從而調(diào)控H+-ATP酶的活性[83]。SCaBP3也是一個(gè)H+-ATP酶的負(fù)調(diào)控因子，SCaBP3可以加強(qiáng)PKS5與H+-ATP酶AHA2的互作，PKS5磷酸化AHA2上的931位的絲氨酸，使H+-ATP酶處于低活性狀態(tài)，當(dāng)堿脅迫發(fā)生時(shí)，Ca2+與SCaBP3結(jié)合會(huì)減弱SCaBP3與PKS5的結(jié)合，14-3-3蛋白與某一未知的蛋白激酶結(jié)合可以磷酸化AHA2 C端的947的酪氨酸，從而使H+-ATP酶活性增強(qiáng)，將胞內(nèi)H+泵出胞外，從而降低胞內(nèi)的pH[84]。

染色質(zhì)重塑ATP酶家族的SNF2的ALT1可以通過提高對活性氧的清除能力負(fù)調(diào)控植物對堿的脅迫[85]。大豆中，陽離子/H+轉(zhuǎn)運(yùn)體GsCHX19.3可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子含量從而提高植物的耐堿脅迫能力[86]。同樣在大豆中，緩慢型陰離子通道同源基因GsSLAH3受NaHCO3的誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中過表達(dá)GsSLAH3能顯著提高其耐堿能力[87]。小鹽芥中的無機(jī)焦磷酸酶編碼基因ThPP1在水稻中過表達(dá)可以顯著提高水稻耐堿能力，并且ThPP1可以與光系統(tǒng)II捕光色素蛋白結(jié)合，提高植株的光合效率，增加葉綠素、糖類及淀粉含量，從而增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株對堿脅迫的耐受能力[88]。在擬南芥中，乙烯在植物遭受堿脅迫情況下能夠通過促進(jìn)AUX1及生長素合成相關(guān)基因的表達(dá)而抑制根的發(fā)育，乙烯信號突變體etr1-3、ein2、ein3-1在堿脅迫條件下根長會(huì)長于野生型[89]。因此，乙烯在堿脅迫調(diào)控過程起到負(fù)調(diào)控的作用。

8 鹽脅迫與堿脅迫的關(guān)系

9 研究展望

我國作為一個(gè)人口大國，正面臨著許多挑戰(zhàn)，特別是糧食安全問題。在工業(yè)化日益發(fā)展，引起土壤鹽堿化，使耕地面積日益減少的情況下，如何利用這些鹽堿化的土地已經(jīng)成為我們現(xiàn)在亟待解決的問題。在一些模式植物中，如擬南芥等中關(guān)于植物對鹽堿脅迫已經(jīng)有相關(guān)的研究，闡明了可以通過Ca2+信號感知外界的鹽堿脅迫，通過胞內(nèi)的SOS信號引起植物的鹽堿脅迫的響應(yīng)，還可以通過ROS信號維持胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)，以及各種表觀修飾，使植物適應(yīng)鹽堿脅迫，多種植物激素可以通過不同的信號通路在植物鹽堿脅迫響應(yīng)過程中也起到一定的作用。但是，植物鹽堿脅迫對植物來說是多重脅迫復(fù)雜的累加，仍有許多問題等待我們研究。特別是堿性鹽脅迫，堿性鹽離子所產(chǎn)生的毒害往往產(chǎn)生更加劇烈的表型，特別是高pH對植物細(xì)胞的破壞以及營養(yǎng)元素的虧缺，加大了突變體篩選工作的難度。近期，研究人員開發(fā)出脂質(zhì)磷脂酸PA特異性的光遺傳傳感器PAleon，鹽處理后調(diào)控通過檢測活體的PA含量，PA可以作為細(xì)胞pH的一個(gè)指示劑，所以，PAleon為實(shí)時(shí)檢測植物活體細(xì)胞內(nèi)pH提供了可能[90]。植物雖然鑒定出了Na+感受器，但是，與其它脅迫類型的感受器不同，與動(dòng)物中鹽感受器多為離子通道也不同，植物為何選擇磷脂分子GIPC作為Na+感受器？高堿環(huán)境引起的植物缺鐵癥是否可以被高效的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體所逆轉(zhuǎn)？這些問題仍需我們?nèi)ソ獯稹?/p>

目前，研究人員已經(jīng)建立起了從鹽脅迫的感知到包括SOS信號、ROS信號及激素信號等一系列的鹽脅迫的信號通路，但是由于堿性鹽脅迫的特殊性，仍有許多與中性鹽不同的分子機(jī)制仍是未知。因此，在未來需要加強(qiáng)作物耐鹽堿的分子機(jī)制的相關(guān)研究。由于植物耐鹽堿的表型是一種數(shù)量性狀，受多基因的調(diào)控，因此，通過正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)，尤其是全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)輔以基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)，蛋白組學(xué)以及代謝組學(xué)等多種技術(shù)結(jié)合的方式鑒定耐鹽堿的QTLs位點(diǎn)，并通過分子育種的方式改良其它品種，對于擴(kuò)大作物的種植范圍具有重要意義。