薛瓊瓊，趙露露，王云霞，趙 猛

(山西師范大學 生命科學學院，山西 臨汾 041004)

鹽分對植物是一種主要的環(huán)境脅迫因子，耕地鹽漬化的加劇將對全球造成嚴重影響。據估計，到21世紀中葉，大約有50%的耕地可能因土壤鹽漬化而遭到破壞[1]。土壤鹽漬化會對植物造成生長效率降低、光合作用減弱和產量減少等影響。大多數植物不能耐受土壤中的高鹽含量，但鹽生植物是可以在含鹽量為70mmol/L以上的土壤中正常生長并完成生活史的植物[2-3]，例如白刺(Nitrariatangutorum)，檉柳(Tamarixchinensis)，芨芨草(Achnatherumsplendens)和黃花補血草(Limoniumaureum)等[4]。本文重點討論了鹽生植物的分類、鹽漬化對植物的影響及耐鹽機制的研究進展，旨在為今后鹽生植物及其耐鹽機制研究提供相關依據。

1 鹽生植物分類及基本特征

1.1 假鹽生植物

假鹽生植物是一類能夠將鹽分積累在液泡的植物，主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)和沙蒿(Artemisiadesertorum)等[5-6]。它們的根外皮層栓質化，主要由不透水、不透氣的角質組成，因此溶解于土壤水分中的鹽分難以進入根中。莖的表皮切向壁表面具有發(fā)達的角質層，維管束呈星散分布；葉上表皮的表皮毛較多，氣孔下陷；葉肉細胞排列疏松，細胞間隙較大，葉脈維管束鞘有兩層細胞[6]。在NaCl處理下，假鹽生植物通過降低葉片水分含量來應對外部滲透壓的增加。此外，假鹽生植物還在細胞內積累相容性溶質和無機離子進行滲透調節(jié)。細胞質中的脯氨酸、可溶性糖和甜菜堿等相容性溶質可以通過保持穩(wěn)定的滲透壓來防止脫水，也可以保護蛋白質和核酸等大分子不變性。隨著鹽度的增加，無機離子的積累也有助于滲透調節(jié)。大多數積累的無機離子被分隔在液泡中，以避免細胞質中的離子毒性[7]。

1.2 真鹽生植物

真鹽生植物是一類將鹽離子積累在肉質化組織和液泡中的植物，顯著的特征之一是莖葉肉質化，代表植物有鹽角草(Salicorniaeuropaea)和堿蓬(Suaedaglauca)等[5]。這類植物莖、葉部肉質化，鹽分隔離在細胞特定區(qū)域，使植株體內鹽濃度降低[8]。這為植物體內釋放有毒離子提供了更大的空間，且增加了植物的總含水量，對于平衡離子毒性至關重要[9]。堿蓬具有較高的Na+和Cl-積累能力，這與液泡膜H+-ATPase和H+-PPase的高活性有關[10]。在200mM NaCl下生長的堿蓬，其液泡中Na+和Cl-的濃度大約是細胞質中的四倍[11]。

1.3 泌鹽鹽生植物

泌鹽鹽生植物是一類可通過鹽腺泌出體內鹽分的植物。根據其泌鹽結構和機理的不同，鹽腺可分為四類：鹽囊泡、多細胞鹽腺、雙細胞鹽腺和單細胞鹽腺[12]。

鹽囊泡通常由柄細胞和膨大的泡狀細胞組成，柄細胞內有豐富的胞間連絲，分別與泡狀細胞和相鄰的葉肉細胞相連，且表皮細胞上覆有角質層。鹽離子被隔離在泡狀細胞的大液泡中，以濱藜(Atriplexpatens)為代表性植物[13]。

多細胞鹽腺呈球形或盤狀結構，由基底收集細胞和遠端分泌細胞構成。整個結構常陷入表皮中，使分泌細胞的表皮處于或低于細胞表皮水平[12]。收集細胞與周圍的葉肉細胞間有許多胞間連絲，收集細胞利用滲透梯度，從鄰近的葉肉細胞收集鹽離子，并將其輸送到分泌細胞。分泌細胞除了與收集細胞接觸的部分外均被角質層包圍，防止鹽通過質外體泄漏回鄰近組織[14]。分泌細胞的內表面向內突起，增加了表面積，且頂部的角質層上有孔，鹽可以通過這些孔排出細胞，以二色補血草(Limoniumbicolor)為代表性植物[15]。

雙細胞鹽腺由一個基底收集細胞和一個帽細胞組成，二者通過胞間連絲相連。帽細胞和基底細胞中都充滿了許多儲存鹽分的小液泡。研究發(fā)現這些液泡可以與帽細胞的質膜融合，并將其內容物釋放到帽細胞頂部外的空間[16]。帽細胞被一層角質層覆蓋，其上有孔。帽細胞和角質層之間有一個間隙，形成一個可以積聚鹽分的空腔，鹽分可通過角質層的孔分泌出來，以大米草(Spartinaanglica)為代表性植物[17]。

單細胞鹽腺有大液泡和很少的細胞器，具分泌毛。當鹽分在分泌毛中積累時，會導致尖端破裂，將鹽分釋放。土壤鹽含量下降時分泌毛會重新生長[18]。植物為適應外界的鹽分水平，可自我調節(jié)分泌毛的類型和數量[12]。鹽分在分泌毛中的傳輸類似于雙細胞鹽腺，但鹽分的釋放與鹽囊泡相似，以Porteresiacoarctata為代表性植物[14]。

2 土壤鹽漬化對植物的影響

2.1 生長效率與產量

土壤中的鹽分會降低植物吸收水分的能力，抑制葉片和根的生長，導致植物生長緩慢，生長速率降低。鹽分還可能進入蒸騰流，進一步傷害葉片中的細胞，最終降低生長速率[19]，可能的原因是鹽負荷超過了細胞在液泡中分隔鹽的能力。鹽分會在細胞中迅速積累造成細胞脫水，并抑制酶的活性，過高的鹽濃度增加了土壤的滲透勢，限制了植物吸收水的能力[20]。鹽脅迫會抑制植物育性，最終導致產量下降，這可能是由于營養(yǎng)生長中碳水化合物供應的差異競爭和對發(fā)育中花序的限制供應。花粉在鹽脅迫下的生存力降低也可能導致結實失敗[21]。

2.2 離子毒性

土壤Na+含量高會導致K+缺乏癥，K+是活細胞的首選無機陽離子，但土壤中的K+濃度幾乎總是低于細胞中的，這意味著植物必須使用離子轉運體主動吸收和濃縮K+。由于K+和Na+的相似性，許多K+轉運蛋白無法區(qū)分兩種離子，導致Na+含量高于K+，過量的外源Na+不僅會影響植物對K+的攝取，而且會使Na+在植物細胞中過量積累，產生毒性[22]。毒性癥狀可能首先表現為葉尖灼熱，然后出現葉尖和邊緣壞死[23]。土壤中高濃度的Cl-對植物也有毒害作用[24]。Cl-是葉綠素的輔助因子，也是維持膨壓的抗衡離子。葉片中高濃度的Cl-會干擾光合作用，導致葉片燒傷，最終壞死掉落[25]。在鹽生植物中，隨著Na+不斷增加，Ca+和Mg+的吸收也會減少，偶爾會出現碳同化現象。當鹽濃度達到600 mM時，一些基本元素如銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)和鋅(Zn)在植物的所有部位都顯著積累[26]。

2.3 光合作用

鹽脅迫下葉綠體積累大量Na+和Cl-時，類囊體腫脹，葉綠體外膜解體，光合作用受到抑制[27]。鹽脅迫下葉綠素酶的活性提高，加速了葉綠素降解，同時葉綠素合成受到抑制，導致葉綠素含量下降[28]。在高鹽濃度處理下，水稻(Oryzasativa)和綠豆(Vignaradiata)的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均不同程度減少，這可能與膜劣化有關[29-30]；而柑橘(Citrusreticulata)和大麥(Hordeumvulgare)的生長與光系統(tǒng)II的效率、電子傳輸鏈效率和CO2的同化率顯著相關[31-32]。

2.4 滲透壓

植物通過調控不同組織中的鹽濃度來維持細胞功能。土壤中的水通過根系細胞到達木質部，由葉表面蒸騰的負壓和毛細作用向上輸送水分。吸水首先取決于滲透梯度，與周圍的土壤相比，由于根內部的滲透勢較高，水進入植物。在鹽漬化土壤中，這種滲透梯度會降低甚至逆轉，水分不會輕易地進入根部[14]。鹽濃度的增加會干擾植物從土壤中吸收水分和保持細胞膨脹的能力[33]。植物體內的水勢下降時，液泡中的液體流失，植物就會枯萎，這種類似干旱的信號會誘導植物重新調整滲透梯度，使細胞水勢維持正常狀態(tài)[24]。

3 鹽生植物耐鹽機制

3.1 鹽脅迫下離子的吸收和轉運

3.1.1 鹽脅迫下離子的吸收

植物的正常細胞功能需要較高的K+/Na+比值。在較高的Na+濃度下，Na+誘導的膜去極化會導致K+通過去極化激活的KOR通道流出，這是細胞中K+缺乏的主要原因[34]。鹽脅迫期間活性氧(ROS)的積累也可能導致K+通過非選擇性陽離子通道(NSCCs)滲漏[35]。Na+還可能有阻斷K+特異性轉運蛋白的毒性作用，并誘導蛋白質構象改變且失活[1，36]。根內存在多種Na+內流途徑。鹽脅迫下，Na+通過轉運蛋白和陽離子通道進入細胞。一些轉運突變體減少了Na+在植物細胞中的積累[37]。Ca2+滲透性非選擇性陽離子通道包括環(huán)核苷酸門控通道(CNGC)和谷氨酸樣受體(GLR)家族，對Na+具有滲透性，可能是Na+進入細胞的入口點。鹽脅迫下，K+的獲取和分布，對維持離子穩(wěn)態(tài)至關重要[38]，因為K+在植物細胞中的積累平衡了Na+積累的毒性效應[39]。內向整流K+通道和外向整流K+通道被認為是植物細胞長期凈K+選擇性內流和K+外排的機制，也可能有降低Na+毒性的作用[40]。在高鹽濃度的土壤環(huán)境中，與Cl-相比，Na+的擴散速度更快，導致膜電位發(fā)生變化，Cl-經質膜的陰離子通道，沿其跨膜電化學梯度進入植物根系細胞[41]。

3.1.2 鹽脅迫下離子的轉運及調控

鹽生植物通過對特定離子通道和轉運蛋白表達的上調和下調，控制了整個植物體內的Na+轉運系統(tǒng)[42]。HKT、NHXs和CHX等植物轉運蛋白對Na+和K+的轉運起重要作用[43]。HKT轉運體定位于木質部薄壁細胞的質膜中，參與了植物木質部Na+外排的長距離運輸，分為I類和II類，分別介導了Na+選擇性轉運和Na+/K+共轉運[44]。在高鹽環(huán)境下，它們可以傳遞Na+，降低細胞電化學電位。NHXs參與了植物細胞為維持細胞質中低Na+水平而排出Na+的過程，在調節(jié)pH、Na+和K+內環(huán)境平衡和細胞體積方面起著重要作用[41]。植物的NHX反轉運蛋白包括一組異質的膜蛋白NHX1-8[45]：液泡NHX1-4反轉運體轉運Na+進入液泡，降低了細胞質中Na+的濃度；內質體NHX5-6參與囊泡轉運和維持體內離子穩(wěn)態(tài)；質膜NHX7-8反轉運體(SOS1)利用跨膜質子電化學梯度的能量將Na+轉移到質外體[46]。另一種Na+轉運體CHX只在根內皮層的細胞膜中被發(fā)現[47]。鹽脅迫下，進入植物細胞的Cl-最終會從細胞質轉運到細胞外或積累于液泡中。Cl-通過質膜或液泡膜上的陰離子通道轉運，運動方向由其跨膜電化學梯度方向決定，而跨膜電化學梯度又取決于H+-ATP酶或H+-焦磷酸酶的活性。這些轉運蛋白一旦激活，將導致膜超極化，刺激Cl-轉運[41]。

3.2 鹽脅迫下相容性溶質的調節(jié)

土壤中鹽含量的增加，導致流向植物根部的水減少。在這種情況下，需要相容性溶質對植物細胞進行滲透調節(jié)[48]。相容性溶質提高植物的滲透耐受性，保護酶不發(fā)生變性，保證細胞膜和大分子的穩(wěn)定性[49]。相容性溶質通常具有親水性，可以取代蛋白質或膜表面的水。它們即使在高濃度下也不影響細胞功能，還可以通過清除活性氧來保護細胞結構[50]。目前在鹽生植物中已經發(fā)現了一系列相容性溶質，如脯氨酸、甘氨酸甜菜堿、可溶性糖和可溶性蛋白等[51]。

在許多鹽脅迫和缺水的植物中都發(fā)現了大量的脯氨酸。在馬齒莧(Portulacaoleracea)中，長時間的高鹽作用導致脯氨酸濃度顯著升高[52]。在沙蒿的游離氨基酸中，脯氨酸含量占氨基酸總量的82%[53]。脯氨酸的積累通常發(fā)生在細胞質中，在滲透調節(jié)中起重要作用[54]。脯氨酸積累在鹽脅迫開始后迅速發(fā)生，表明這種積累最初是針對鹽脅迫的反應，而不是針對與耐受性相關的植物的反應[55]。脯氨酸可誘導鹽脅迫應答基因的表達，其啟動子中含有脯氨酸響應元件(如PRE和ACTCAT)[56]。脯氨酸還有助于穩(wěn)定亞細胞結構，清除自由基，并維持NADP+/NADPH比值穩(wěn)定，從而與代謝相適應[57]。

甘氨酸甜菜堿(GB)是一種季銨化合物，極易溶于水，可作為一種滲透保護劑，抵消液泡中的高濃度鹽。它是一種穩(wěn)定的滲透液，在脫水脅迫下具有保護植物大分子的作用[58]。GB存在于禾本科(Poaceae)和莧科(Amaranthaceae)的鹽生植物中[59]，它的分子特征使其不僅可以作為滲透調節(jié)劑，還可以與蛋白質復合物和酶等大分子相互作用，從而穩(wěn)定大分子的結構和活性，保持膜完整性[49]。

可溶性糖是調節(jié)與植物生長和發(fā)育相關過程的信號分子，參與鹽脅迫途徑調節(jié)，對鹽生植物的滲透調節(jié)具有重要意義。有研究發(fā)現，高鹽濃度下，濱藜中存在大量的可溶性糖作為滲透調節(jié)劑，且具有相容性溶質和抗氧化劑的功能[60]。

據報道，在鹽脅迫下大麥、向日葵(Helianthusannuus)、水稻和黍(Panicummiliaceum)等耐鹽品種的可溶性蛋白質含量較高。可溶性蛋白的增加可能是由于類滲透調節(jié)蛋白或結構蛋白，尤其是參與細胞壁修飾蛋白的合成?？扇苄缘鞍踪|的積累可能為N提供一種儲存形式，當脅迫結束時，N被重新利用，且可能在滲透調節(jié)中發(fā)揮作用[61]。

3.3 鹽脅迫下植物激素的調節(jié)

鹽脅迫導致滲透脅迫和水分虧缺，增加了莖和根中脫落酸的產生[62]。脫落酸是一種重要的細胞信號，調節(jié)高濃度鹽和水分虧缺響應基因的表達，可以改善逆境效應[63]。脫落酸的積累可以減輕鹽分對光合作用、生長速率和同化物轉運的抑制作用。脫落酸積累與耐鹽性之間的正相關歸因于K+、Ca2+和相溶性溶質在根系液泡中的積累，這些物質會抵消Na+和Cl-的吸收[64]。

有報道稱用細胞分裂素培育種子可以提高植物的耐鹽性[65]。細胞分裂素產生于植物的根尖和發(fā)育中的種子。它們通過木質部從根轉移到莖，調節(jié)植物的發(fā)育和生長過程[66]。在鹽脅迫條件下，根系中細胞分裂素生物合成的減少，以及隨后地上部細胞分裂素供應的減少可能會改變基因表達，從而改善鹽脅迫造成的影響[67]。

生長素調節(jié)植物的生長發(fā)育，有助于維管組織發(fā)育、細胞伸長、器官發(fā)生和頂端優(yōu)勢。許多證據表明生長素參與了植物對鹽脅迫的響應[68-69]。鹽脅迫通過改變生長素的積累及再分配，重塑根系結構[70]。用生長素對普通小麥(Triticumaestivum)種子進行預處理或后處理，可以大大減輕鹽分對小麥種子萌發(fā)和早期成苗的不利影響[71]。

其他一些具有激素性質的化合物，如水楊酸(SA)和油菜素甾體(BR)，也參與植物非生物脅迫反應[72]。鹽脅迫下，水稻幼苗內源SA水平隨著水楊酸合成酶活性的提高而增加[73]。BR增強了抗氧化酶的活性以及非酶抗氧化化合物的積累[74]。BR和SA在植物界普遍存在，以多種方式影響植物的生長發(fā)育，提高植物的抗逆能力[63]。

4 展 望

近年來，土壤鹽漬化情況加劇，對植物耐鹽性的研究迫在眉睫。我們應當結合鹽生植物解剖學和耐鹽生理特征，進一步探索鹽生植物耐鹽生理過程；繼續(xù)進行鹽生植物參與耐鹽過程的相關基因、轉運蛋白和離子通道的相關研究，加強對鹽生植物耐鹽性分子機制的了解。此外，我們應將近年來快速發(fā)展的轉基因技術應用于高耐鹽新作物的培育，以適應特殊的高鹽生境。這些研究將對提高植物耐鹽性有很大的幫助，有助于人類對植物耐鹽性這種特殊能力的進一步了解和開發(fā)利用。