張紅，王文浩，劉文俊，何麗芬，閆玉星，鄭洪元

（山西省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，山西太原030031）

長期以來，因為各類自然環(huán)境的影響和人類不合理的開發(fā)利用，土地面臨的鹽堿化問題越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，世界上有近1/3的土地是鹽堿地，我國的鹽堿地面積也數(shù)量驚人[1]，鹽堿脅迫已成為僅次于干旱脅迫的第二大阻礙作物正常生長發(fā)育的影響因素。鹽堿土含鹽分多，堿性大，土體結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞，導致植物生長受阻，中毒和爛根死亡[2]，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全構(gòu)成極大威脅，并隨著社會的高速發(fā)展和人口的不斷增長，鹽堿地面積還有不斷擴大的趨勢，人類面臨的土地問題將會日益嚴峻。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展急需解決的問題之一就是合理地開發(fā)和利用鹽堿地，了解鹽堿脅迫下作物的響應機制，培育篩選耐鹽堿新品種，提高作物的抗鹽堿能力[3]，能有效利用鹽堿地。

向日葵是世界上重要的油料作物之一[4]，也是我國北方部分省區(qū)的主要油料作物[5]，其本身具有較強的耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿等特性，種植向日葵對有效利用鹽堿地具有重要意義[6]。目前，對向日葵的耐鹽堿研究主要集中在種子萌發(fā)、生長發(fā)育、生理生化特性及耐鹽堿機制和分子機制等方面，但缺乏這些方面的綜述性報道。

本研究探討了向日葵對鹽堿脅迫的響應機制及緩解措施，旨在為向日葵適應不同生態(tài)環(huán)境及開發(fā)利用提供一定參考。

1 鹽堿脅迫對向日葵種子萌發(fā)及生長特性的影響

有研究表明，當脅迫達到一定濃度后，向日葵種子的出苗率、苗高、葉片數(shù)、干物質(zhì)質(zhì)量、葉面積、株高等指標都明顯降低[7]。但在低濃度的脅迫條件下，由于土壤滲透勢加大，種子吸水緩慢，種子萌發(fā)中的活化和修復充分進行，對向日葵種子的萌發(fā)抑制作用不明顯，甚至表現(xiàn)出了更強的萌發(fā)力，尤其在出苗后期，適當?shù)柠}分處理能夠促進幼苗的生長[8]。國外已有文獻報道，用鹽溶液浸種的方法可以提高植物的抗鹽性[9]。有研究指出，鹽堿脅迫對向日葵的種子萌發(fā)、幼苗形成及不同生長階段的影響明顯不同，幼苗生長各項指標均表明堿脅迫的抑制作用明顯大于鹽脅迫[10]，而且鹽、堿2種脅迫是具有相互增強的協(xié)同效應[11]。

2 在鹽堿脅迫下的響應機制

2.1 葉面積的響應

向日葵的葉面積大小與光合作用面積的大小有直接的關系，光合作用的強弱影響作物的生長和代謝，最終影響到作物的產(chǎn)量。岳云等[12]研究認為，株高和葉面積是油葵植株受鹽脅迫時的表型指標。向日葵是較耐鹽堿的作物，有研究發(fā)現(xiàn)，在土壤含鹽量0.35%環(huán)境下，株高、葉面積和生物產(chǎn)量下降均不顯著，說明向日葵耐輕度鹽脅迫，在該環(huán)境下生長良好[7]，其葉面積非但沒有下降反而稍高于對照組；隨著鹽濃度的增加，葉面積受到脅迫影響出現(xiàn)顯著下降的趨勢[11-13]，在鹽濃度較低時，堿脅迫的增強對葉面積影響較小，隨著鹽濃度增高，堿脅迫的影響作用增大；當鹽濃度保持不變時，pH值上升后會導致葉面積的下降，因此，鹽濃度和pH這2種因素變化都會對葉面積產(chǎn)生影響[11]。張俊蓮等[14]研究認為，逆境脅迫對向日葵葉面積的影響較大，原因是逆境脅迫使得質(zhì)膜特有的選擇性功能喪失。

2.2 抗氧化酶系統(tǒng)的響應

逆境脅迫對植物造成傷害的最初部位就是細胞膜系統(tǒng)，而造成細胞膜傷害的主要原因之一是活性氧積累引發(fā)的膜脂過氧化，本身具有耐鹽堿能力的植物可以通過增強活性氧清除能力來減輕傷害，而清除活性氧的途徑主要是通過維持較高的保護酶活性[15]，所以，植物的耐鹽堿性與抗氧化酶活性呈正相關[16]。有研究表明，用NaCl處理向日葵后，其葉片的MDA含量及葉片保護酶APX、SOD、CAT活性升高[17]，當土壤含鹽量高于對照后，保護酶系統(tǒng)被激發(fā)，保護酶SOD、POD和CAT活性明顯升高，表明供試的向日葵材料具有較強的活性氧清除能力[7]，進而抵抗鹽堿傷害。還有結(jié)果顯示，雜交油葵比食用葵具有較強的耐鹽堿性，雜交油葵的耐鹽堿性與其根部外皮層栓質(zhì)化和莖葉中的通氣組織密切相關[18]。事實上，由于向日葵的品種、器官、生育時期及脅迫程度各不相同，其作用機制明顯不同。有研究表明，鹽脅迫能夠有效促進向日葵有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸和游離氨基酸的積累[19]。岳云等[12]研究認為，油葵受鹽脅迫的生理狀況可以通過丙二醛、膜透性來反映，油葵植株受鹽脅迫時的表型指標可以用株高、葉面積表示。陳炳東[13]研究表明，油葵在2對真葉期根系POD酶活性略大于葉片，而脯氨酸含量在不同生育階段表現(xiàn)不同，為現(xiàn)蕾期＞苗期＞開花期，丙二醛含量則表現(xiàn)為現(xiàn)蕾期顯著高于苗期和花期。綜上，向日葵不同種質(zhì)資源耐鹽堿性的形成是多樣的且存在差異。

2.3 有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的響應

逆境脅迫下的植物為保證其細胞能夠正常的生理代謝，減少由于細胞外的水勢低于胞內(nèi)而導致細胞的脫水，會通過滲透調(diào)方式，促使水分朝著有利于細胞生長的方向進行。許多研究證明，當向日葵幼苗處于逆境脅迫時，其體內(nèi)的脯氨酸含量顯著升高[20]。顏宏等[21]研究表明，是否浸種處理，向日葵在逆境脅迫下葉片中脯氨酸含量都明顯增加，脯氨酸除了有滲透調(diào)節(jié)的作用外，對清除氧自由基和穩(wěn)定細胞膜結(jié)構(gòu)都起作用，也是細胞結(jié)構(gòu)蛋白的主要成分，所以，植物體內(nèi)脯氨酸含量不僅是植物抗逆性的重要指標，也是反映環(huán)境脅迫的一個重要指標。但劉杰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸對于調(diào)節(jié)向日葵子葉滲透勢作用并不明顯，在鹽堿脅迫下，向日葵子葉中所積累的大量脯氨酸可能并不是因為要應對滲透脅迫的響應，反而有機酸含量明顯積累，尤其是在堿脅迫下，有機酸成為向日葵子葉中有機滲透調(diào)節(jié)劑的主要成分。這可能是由于不同的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對鹽堿脅迫強度的響應機制不同所致[12]。

2.4 離子吸收及分布的響應

植物生長在鹽堿化土地上，體內(nèi)攝入大量的Na+，過量的Na+可能和Ca+競爭，破壞細胞膜的正常結(jié)構(gòu)、影響其生理功能。植物體內(nèi)過多的Na+和Cl-也會造成細胞內(nèi)電荷和離子失衡，影響植物正常的代謝，因此，高鹽脅迫導致其他營養(yǎng)離子的缺失，特別是K+[23]，所以，植物需要保持細胞質(zhì)的低Na+濃度、增加外排或者區(qū)域化將其封存在液泡或者特定的組織器官中[24]。因此，在正常情況下，植物細胞質(zhì)中K+濃度較Na+濃度要高，Na+/K+較低。鄭青松[25]研究發(fā)現(xiàn)，油用向日葵處于鹽脅迫時，莖稈和根部中的Na+比葉片多；K+在葉片和葉柄中的含量顯著增加，表明油用向日葵在離子吸收過程中，對K+具有較強的選擇性[26]。在鹽脅迫下，耐鹽品種和鹽敏感品種在鹽脅迫前后的內(nèi)流主要是Na+流和H+流，外排為K+流；短期鹽脅迫處理，耐鹽品種的Na+內(nèi)流和H+內(nèi)流較鹽敏感品種大，K+外流較鹽敏感品種小，耐鹽品種有較強的對Na+截留、對K+的保留和對H+的調(diào)控能力[16]。劉杰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿脅迫下，向日葵子葉中K+含量不但沒有減少反而明顯增加，這與其他植物堿地膚、堿蓬有所不同，說明K+是向日葵子葉最主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，進一步反映了向日葵在鹽堿脅迫條件下表現(xiàn)出其特殊適應性。在鹽堿脅迫下，向日葵要實現(xiàn)滲透調(diào)節(jié)，避免Na+大量涌入體內(nèi)造成離子毒害，就要通過大量吸收K+來維持細胞內(nèi)離子平衡。在不同生長階段，各器官中離子分布也有較大差異。植株中K+濃度最高值出現(xiàn)在成熟期，其含量高于根部K+濃度，更是根系的4倍，即隨鹽脅迫濃度的增大，根系對K+的吸收減弱，因為此時細胞質(zhì)中高Na+含量抑制了植物對K+的吸收，是Na+對K+的拮抗作用造成的，而植株中Na+隨鹽濃度的變化在現(xiàn)蕾期、開花期、苗期明顯大于灌漿期和成熟期。說明油葵對土壤鹽分的攜出主要是通過植株帶走的[27]。

2.5 分子水平響應

20世紀90年代以來，植物耐鹽性研究取得了很大進展。國內(nèi)外對植物鹽誘導過程中具有重要作用基因的分離、克隆、鑒定和利用進行了大量的研究，主要涉及鹽脅迫條件下，植物在滲透調(diào)節(jié)、抗氧化、水分脅迫蛋白合成及轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)等方面的研究。在鹽脅迫下，向日葵提高耐鹽性的方式是蛋白積累和基因表達的變化。迄今為止，已克隆獲得上百種LEA基因，可被鹽脅迫、干旱、低溫及ABA處理等誘導表達[28]。

3 緩解鹽堿脅迫的主要措施

3.1 耐鹽堿品種篩選及培育

培育和篩選耐鹽堿向日葵品種是保證鹽堿地向日葵高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要方法。安玉麟等[29]采用群體逐級分類法對25個向日葵雜交種進行耐鹽堿性鑒定和評價，篩選出2個極強耐鹽堿雜交種內(nèi)葵雜4號、P65和4個強耐鹽堿雜交種。張慶昕等[30]采用Na-Cl∶NaHCO3∶Na2CO3∶Na2SO4質(zhì)量比為1∶9∶9∶1的混合鹽堿溶液，對33個油用向日葵品種進行抗鹽堿性評價，得出耐鹽堿能力最強的是YK9和YK31，耐鹽堿性最差的是YK14、YK28和YK30。張捷等[31]以國內(nèi)的優(yōu)良向日葵品種資源與自選育的不育系為材料，選育出3個汾恢系列恢復系品種進行耐鹽堿性評價，得出汾恢1號在抗旱、耐鹽堿等方面更為突出。研究者們也正在積極探索運用分子生物學的手段來探究向日葵抗鹽堿分子機制，并嘗試用基因工程方法改善向日葵的抗逆性狀。梁春波等[32]克隆了向日葵DREB類轉(zhuǎn)錄因子基因，根、莖和葉中的DREB基因均受干旱、鹽害和低溫誘導而上調(diào)表達，葉中DREB基因的上調(diào)幅度最高，干旱和鹽脅迫的表達上調(diào)量明顯高于低溫脅迫的表達上調(diào)量。孫瑞芬等[33]克隆了向日葵鹽誘導HD-Zip類轉(zhuǎn)錄因子HB-12，認為該基因在向日葵根、下胚軸和葉中的表達存在器官特異性，且受鹽、ABA及PEG誘導表達。

3.2 外源物質(zhì)施加

緩解鹽堿脅迫的另一有效手段是外源物質(zhì)的施加，外源NO可以降低重金屬和鹽脅迫對種子萌發(fā)的抑制，在實際生產(chǎn)中可利用NO來促進農(nóng)作物種子的萌發(fā)和幼苗的生長。在生產(chǎn)中，采用濃度為0.10～0.50 mmol/L SNP外源NO浸種來促進向日葵種子的萌發(fā)和幼苗的生長[34]。將外源基因?qū)胫参矬w中的另一重要途徑是應用基因工程手段，通過增強植物自身滲透物質(zhì)的合成累積能力，來達到提高植物對逆境脅迫的抵抗能力。EVERETT等[35]利用根瘤農(nóng)桿菌侵染向日葵下胚軸，通過愈傷組織獲得第1例轉(zhuǎn)基因向日葵植株以來，向日葵遺傳轉(zhuǎn)化工作正式拉開序幕，但是進展緩慢。內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院向日葵課題組利用自己選育出的保持系75-33B和恢復系HT80-97這2個品種作為轉(zhuǎn)化受體材料，用農(nóng)桿菌介導法將抗旱、耐鹽堿基因P5CS導入到向日葵中，轉(zhuǎn)化出具有較強抗旱、耐鹽堿的向日葵新品系，為在干旱、鹽堿地區(qū)種植向日葵提供了有力的品系保障[36]。

3.3 與根際微生物的協(xié)同作用

植物根際促生菌（PGPR）是一類能誘導植物建立抵抗或忍耐機制、增強植物在逆境中的生存能力、促進植物生長的微生物。植物根際促生菌能促進植物的生長、防治病害、增加作物產(chǎn)量等[37]。PGPR已成為當今土壤微生物學、微生態(tài)學和植物抗逆性的研究熱點之一[38]，隨著分子生物學技術的發(fā)展，PGPR介導植物鹽堿抗性的分子機制逐漸被關注。通過調(diào)節(jié)抗性相關基因及蛋白的表達，PGPR能顯著增強植物鹽堿抗性。劉軍等[39]研究表明，加入根際促生菌對提高植物抗逆性有顯著作用，可以有效緩解向日葵幼苗的脅迫效果，減少了脅迫對向日葵幼苗的毒害作用。種植向日葵時施入微生物菌肥可以起到生物防治、改良鹽堿土壤的作用。隨著我國耕地土壤鹽漬化和次級鹽化的情況日益嚴峻，植物根際促生菌的開發(fā)與應用對提高作物產(chǎn)量、改善土壤理化性質(zhì)和供肥能力、有效利用環(huán)境資源及減少農(nóng)藥污染等具有重要作用，對鹽漬化土壤PGPR的研究與開發(fā)勢在必行[40]。

4 展望

迄今為止，學者們對向日葵耐鹽堿方面的研究主要集中在表型和生理生化的脅迫響應，缺乏從彼此關聯(lián)的角度進行闡述，尤其在不同品種、生育期、器官及不同脅迫程度下，其響應的差異性缺乏合理解釋。育種家們已經(jīng)在向日葵抗旱方面作了大量工作，但局限于向日葵本身所具有的抗旱、耐鹽堿機理的研究，只有在子代中進行大量篩選才能選育出其抗性。眾所周知，植物的抗性是由多基因控制的數(shù)量性狀，靠傳統(tǒng)的育種模式難以將相關的抗性基因整合出來，將現(xiàn)代分子生物學及基因工程技術應用到育種中，由原來的傳統(tǒng)育種模式轉(zhuǎn)化為以傳統(tǒng)育種為主，結(jié)合現(xiàn)代基因工程技術、細胞工程技術、酶工程技術和組織培養(yǎng)技術進行分子育種勢在必行[36]。通過基因技術手段培育向日葵新品種必將成為鹽堿地生物治理和合理開發(fā)利用的重要保障。