李彩霞 蘭海燕

（新疆大學生命科學與技術學院 新疆生物資源基因工程重點實驗室，烏魯木齊 830046）

檉柳為檉柳科（Tamaricaceae）檉柳屬（Tamarix Linn.）多年生灌木或小喬木，全世界分布約90種，中國有18種2個變種，主要分布于西北干旱、半干旱及華北濱海鹽堿地區(qū)［1］。為了適應荒漠極端環(huán)境，檉柳在長期進化過程中形成了耐干旱、耐貧瘠、抗風沙等優(yōu)良特性［2］，并完善了泌鹽系統(tǒng)，從而有效將鹽離子從莖葉表面排出體外［3］。干旱區(qū)強烈的蒸發(fā)通常導致土壤表層鹽分的大量累積，而檉柳主要利用地表水分和淺層地下水，因此，檉柳的生長常受到干旱和鹽分雙重脅迫［4］。逆境可導致植物細胞質滲透勢升高、凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）下降、二氧化碳（carbondioxide，CO2）利用率降低等［5］，檉柳往往通過活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除、代謝調節(jié)、蛋白質合成與再生等途徑抵御脅迫傷害［6］。本文基于前人對荒漠旱生植物檉柳適應極端環(huán)境特性的研究，從檉柳種子形態(tài)及萌發(fā)特性、植株形態(tài)、生理及分子水平對其抗逆機制進行綜述，旨為檉柳的深入研究提供理論依據。

1 檉柳種子形態(tài)特征和萌發(fā)休眠特性對逆境的適應

1.1 檉柳種子的形態(tài)特征及壽命

檉柳種子多為棒狀或棗核狀，種子頂端具芒柱，芒柱基部具長柔毛。成熟后的種子為深褐或淺褐色，毛呈淺褐或白色，種子極小，可借助風力進行遠距離傳播［7］（圖1）。檉柳種子大小與植株耐旱性相關，通過對12種檉柳耐旱性比較結果顯示，沙生檉柳（Tamarix taklamakanensis M.T.Liu）耐旱性極強，其種子千粒重達410 mg，而其他檉柳種子千粒重則小于100 mg［8-9］。檉柳種子沒有休眠現象，種子活力隨貯藏時間的延長而迅速下降［10］。不同種類的檉柳種子壽命明顯不同，如室溫下剛毛檉柳（Tamarix hispida Willd）壽命為 11個月［11］，多花檉柳（Tamarix hohenackeri Bunge）為 8 個月［12］，甘蒙檉柳（Tamarix austromongolica Nakai）僅為 15 d［13］。

圖1 多枝檉柳種子形態(tài)Fig.1 Seed morphology of Tamarix ramosissma

1.2 檉柳種子的萌發(fā)特性

在植物的整個生長周期中，種子萌發(fā)期是極脆弱的時期［14］。檉柳種群的不斷繁衍得益于花期長、花量大、產種子時間跨度大等優(yōu)勢，并且種子通常可以借助水力和風力進行快速、廣泛傳播［15］。檉柳種子繁殖物候通常與河流流態(tài)特征相關，特別是洪水汛期和強度有著密切聯系，由于檉柳具有雙季開花結果的特征，其種子成熟期正好與夏季洪水泛濫期一致［16］，此時，多枝檉柳種子可在河漫灘迅速萌發(fā)，由于根系的快速生長，使其在短時間內便可從地下吸收充足的水分以供地上部分生長發(fā)育，此后即使洪水改道，不再有地上水源供應，仍然可以利用地下水滿足生存之需［17］。溫度是種子萌發(fā)所需的另外一個重要條件，研究發(fā)現，多花檉柳可在5℃/15℃、5℃/25℃、15℃/25℃、25℃/35℃ 等 4個溫變周期內萌發(fā)，較寬溫度范圍可使檉柳在不同季節(jié)利用水源進行萌發(fā)［18］。隨著大氣溫度的升高，土壤表層水分不斷蒸發(fā)，導致鹽分的顯著積累［19］，從而抑制檉柳種子的萌發(fā)。當NaCl濃度高于100 mmol/L或聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG-6000）濃度大于30%（-1.2 MPa水勢）時可顯著抑制檉柳種子萌發(fā)，而50 mmol/L的NaCl則可促進中國檉柳種子的萌發(fā)［20-21］，說明檉柳種子對鹽分和水分脅迫有一定的耐受力。然而不同時期產生的檉柳種子耐受脅迫的程度不同，研究發(fā)現，雖然密花檉柳（Tamarix arceuthoides Bunge）春花期種子與夏花期種子的形狀、大小、顏色、種子壽命均無顯著差異，但春花期種子萌發(fā)速率高于夏花期［22］，而夏花期種子耐鹽、耐旱能力則高于春花期種子，這可能由于自然環(huán)境中夏花期種子面臨的鹽、旱脅迫遠高于春花期而產生的一種適應性進化所導致［23］。

2 檉柳植株形態(tài)、結構特征及對逆境的適應

2.1 檉柳的葉片抗逆結構

葉片是植物進行同化作用并積累有機物和能量的主要器官［24］。檉柳葉片由表皮、皮層、維管柱三部分組成，表皮上具有下陷的氣孔和鹽腺，表皮細胞形狀不規(guī)則且排列緊密，近軸面表皮細胞較葉肉細胞小，而遠軸面則相反；表皮細胞向外突起形成高低不等的乳狀突（圖2-A），外面覆蓋有角質層，不僅可以有效避免水分蒸發(fā)，而且有助于反射部分太陽光強輻射［25-26］。檉柳葉片上下表皮內側均分布有柵欄組織，下表皮比上表皮發(fā)達，并均含有大量的葉綠體；柵欄組織與維管組織之間含有大量的薄壁細胞，有利于水分的貯存［27-28］。維管柱由維管組織和髓組成，維管組織為外韌型，其中初生韌皮部由厚壁細胞和薄壁細胞組成，次生韌皮部由8-12層細胞組成，排列緊密，髓部中央為大型薄壁細胞，可以保護維管組織免受短期水分脅迫［29-30］。

葉片肉質化、退化、硬化是荒漠植物適應極端環(huán)境的重要特征［31］。檉柳幼苗期葉片肉質化，成株葉片葉柄退化，抱莖而生，形成莖-葉復合體，大大減小了暴露在空氣中的葉面積（圖2-B和圖2-C）；不僅如此，由于互生葉密集排列，在減少水分散失的同時還增加了營養(yǎng)枝的有效光合面積［32］。檉柳葉片對逆境具有較強的適應能力，干旱脅迫促使其迅速完善旱生結構，如柵欄組織增加、角質層增厚、表皮細胞面積減小等，并能通過調節(jié)葉片的抱莖程度，進而適應不同逆境的脅迫［33］。此外，檉柳葉皮層中的薄壁組織還具有較強的可塑性，可發(fā)育成不同特化程度的厚壁組織，在增加葉片機械支撐力的同時還能防止水分的蒸騰損失［34］。

2.2 檉柳根系結構對逆境的適應

圖2 不同時期多枝檉柳葉片形態(tài)Fig.2 Leaf morphology of Tamarix ramosissma in different developmental stages

荒漠植物應對極端環(huán)境除了地上部結構如葉片、氣孔、鹽腺等的調節(jié)外，其地下根系的適應性變化是另一種適應對策［35］（圖3）。檉柳是一種兼性潛水植物，根系極其發(fā)達，主根可深入至地下水層。當地下水位較淺時，檉柳根系可直接吸收地下水，而當地下水位降至根區(qū)以下則可從周圍土壤中吸取水分，因而對干旱有很強的耐受性［36-37］。在降雨較多的季節(jié)其根系主要利用土壤速變層的水分，而降雨較少時則利用活躍層及相對穩(wěn)定層的水分［38］。檉柳的細根（直徑小于2 mm）大量分布于40-60 cm的土層中，土壤水分的快速蒸發(fā)可促進檉柳水平根分生出垂直方向的深根［39］，因此，檉柳的根系可以利用多層土壤中的水分，包括對降雨和深層地下水的吸收，并可將深土層中的水分及地下水輸送并釋放到干土層中，這種由水勢梯度驅動的現象被稱為“水力提升（hydraulic lifting）”［40］。由于白天檉柳地上部分的蒸騰作用導致莖中的水勢小于土壤水勢，植物正常吸水供給生長；而18：00后蒸騰作用減弱，當主根吸水完成組織失水的再填充后再供給主枝用以夜間蒸騰，導致莖中水勢逐漸升高，在21：00后莖水勢高于土壤水勢，由于根水勢恢復速度快于莖水勢，且根系水勢大于莖水勢，因而形成根系水勢大于淺層土壤水勢，深層土壤的水分因此能從植物根系釋放到淺層干燥的土壤層中，這為檉柳“釋水”現象提供了解釋［41］?；诖?，檉柳地上部分強烈蒸騰作用引起的生理干旱得以緩解，檉柳這種在不同時間段利用不同土壤層水分的能力，可能是其耐受逆境并保證養(yǎng)分吸收的一個重要原因［42］。此外，多枝檉柳還可在靠近地下水位的根際萌生新根，從而快速補充地上植株高溫蒸騰導致的水分損失，由此呈現出的檉柳根系結構及水分在不同層級根系間的運輸調配，可能是檉柳應對荒漠干旱及高溫失水的重要策略［43］。

植物對水分、養(yǎng)分的吸收與根系的側根密度、構型及生物量密切相關。檉柳根系結構隨環(huán)境及發(fā)育階段呈現不同的類型，一年生植株的根系呈魚尾形，四年生則呈叉狀，這是適應生境的一種體現［44］。多枝檉柳根系密度、生長量與土壤鹽分含量成反比，顯示鹽分限制側根的發(fā)生和分布［45］。隨著鹽濃度的升高，檉柳根冠比明顯增加，暗示檉柳根冠間存在著異速生長關系，并通過這種生長調節(jié)來適應逆境［46］。

圖3 檉柳植株地上地下協(xié)同吸水、保水調控機制（參考文獻［47-49］繪制）Fig.3 Schematic diagram of water absorption and retention regulation of Tamarix above and under ground parts of plant (drawn by reference［47-49］)

3 檉柳鹽腺結構及泌鹽機制

3.1 鹽腺結構

植物為了適應生境往往產生趨同或趨異進化現象，外部形態(tài)上的表現尤為明顯［50］。鹽腺是檉柳適應鹽堿環(huán)境的一個重要形態(tài)特征，主要分布于莖和葉上，可將細胞內多余鹽分有效排出體外［51］。鹽腺可分為雙細胞鹽腺和多細胞鹽腺，檉柳是多細胞鹽腺的典型代表［52］。檉柳鹽腺由8個細胞組成，內層2個收集細胞，外層6個分泌細胞，收集細胞具有大液泡而分泌細胞具有濃縮的細胞質，鹽腺外部被厚厚的角質層包裹［53］。當腺體完全形成并泌鹽時，分泌細胞的細胞壁局部向細胞質延伸形成棒狀突起，說明突起與分泌過程直接相關。分泌細胞與收集細胞被表皮層包圍，這種非角質化的區(qū)域稱為融合區(qū)，該區(qū)內的分泌細胞與收集細胞由胞間連絲連接［54］。胞間連絲是鹽分進入腺體的主要途徑，并且鹽分由一個細胞移動到另一個細胞也是借助胞間連絲完成的［55］（圖4-A 和圖4-B）。

3.2 鹽腺泌鹽機制

鹽腺按泌鹽方式可分為2種：一種是直接向葉表面分泌鹽（向外泌鹽的鹽生植物）；另一種是將鹽收集在特定液泡中（向內泌鹽的鹽生植物）［56］。檉柳鹽腺泌鹽方式屬于前者，且優(yōu)先選擇分泌二價陽離子，其次是一價陽離子，而Na+是一價鹽離子的首選［57］。離子在鹽腺細胞間和鹽腺與葉肉細胞間的運輸主要通過質外體途徑和共質體途徑來完成，前者是離子從鹽腺基部無角質層包裹的區(qū)域進入鹽腺，然后通過分泌孔將鹽離子分泌到體外；后者是離子在鹽腺各組成細胞之間進行轉運［58］。研究發(fā)現，無葉檉柳［Tamarix aphylla（L.）H.Karst.］將鹽離子排出體外后，鹽腺會逐漸衰老并最終死亡，衰老的鹽腺在幼葉和成熟葉中均存在，說明檉柳葉片上的鹽腺結構存在新老更替的動態(tài)變化過程，一些鹽腺完成使命后，新的鹽腺會繼續(xù)分化［59］。當鹽腺進入衰老期后，首先破壞的是2個收集細胞，其次是6個分泌細胞，在此過程中，分泌細胞質中會形成很多自噬泡，導致細胞變性并吞噬和消化細胞質，隨后核膜和內質網不斷擴張，最終導致分泌細胞解體，進而被具有泌鹽功能的新腺體所取代［60］。

3.3 影響鹽腺泌鹽的因素

檉柳可以分泌多種類型的離子，其中，二價陽離子有Mg2+和Ca2+，一價陽離子有Na+和K+，陰離子有SO42-和Cl-，在逆境下，Na+、Cl-分泌量最高，SO42-次之，K+、Mg2+和 Ca2+的分泌量較低［61］。鹽腺分泌離子與多種因素相關，如晝夜節(jié)律、土壤鹽離子含量、溫度、濕度、土壤水分等（圖4-C）。相關研究表明，檉柳鹽腺的泌鹽頻率與大氣濕度呈正相關，與大氣溫度呈負相關，與光照強度、蒸騰作用無明顯相關性。通常鹽離子的分泌上午高于下午，在8：00-10：00的分泌率最高；而日間則高于夜間［62-63］。隨著鹽、旱脅迫的增強，檉柳的鹽腺密度和總泌鹽速率均上升，但當NaCl濃度超過300 mmol/L時，鹽腺密度下降；而在干旱脅迫下檉柳泌鹽活動明顯減弱，單個鹽腺泌鹽速率降低以防止水分散失［64］。

圖4 檉柳的鹽腺結構、泌鹽機制及泌鹽影響因素模式圖（參考文獻［55，65-66］繪制）Fig.4 Schematic diagram of salt gland structure, secretion mechanism and influencing factors in Tamarix (drawn by reference [55, 65-66])

4 檉柳抗逆的生理機制

4.1 滲透調節(jié)系統(tǒng)對逆境的響應

4.1.1 離子吸收 離子穩(wěn)態(tài)的建立是植物耐鹽的重要策略，檉柳通過將鹽離子排出體外從而維持體內離子平衡［67］。隨著鹽分的積累，檉柳體內Na+、Cl-含量逐漸上升，K+、Ca2+和Mg2+則呈下降趨勢，顯示各種離子的吸收和積累呈現相互制衡的關系［68］。在同等鹽分水平下，剛毛檉柳體內Na+和K+含量依次為葉＞根＞莖，且Na+含量始終大于K+，說明葉片是Na+和K+積累的主要部位，通過莖的傳輸，使其他部位不會出現鹽離子的累積效應［69］。檉柳對離子的吸收與土壤中的離子分布和含量有關，通常主根周圍土壤中陽離子富集程度依次為Na+＞K+＞Ca2+＞Mg2+， 陰 離 子 為土層越深，Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-含量越高，顯現出底聚特征；而和HCO3-含量則隨著土層深度而降低，呈表聚特征，這部分原因可能是檉柳淺層土壤中的側根較多，吸收的陽離子多于深層土壤，而且雨水淋溶過程也會導致鹽分從淺層不斷遷移至深層［71］。

4.1.2 滲透調節(jié)物質 有機滲透調節(jié)物質如脯氨酸、可溶性糖、甜菜堿、可溶性蛋白質等，可通過維持膨壓和特定的溶質從而調節(jié)植物細胞水勢并維持細胞的正常功能［72-73］。游離脯氨酸、可溶性糖濃度的增加是水分脅迫的一個重要指標。相關研究表明，中國檉柳的葉、莖和根部脯氨酸含量隨鹽濃度的上升而增加；而甜菜堿、可溶性蛋白含量未見顯著變化，由此顯示，脯氨酸在檉柳應對高鹽環(huán)境中發(fā)揮著重要的作用［74-75］；然而在重度鹽、旱脅迫下檉柳可溶性糖含量則呈現下降趨勢［76］。除此之外，滲透調節(jié)物質的積累與檉柳的抗寒性也呈正相關，隨溫度下降，檉柳脯氨酸及可溶性糖含量均呈上升趨勢［77］。上述研究表明，滲透調節(jié)物質在檉柳應對脅迫過程中發(fā)揮著重要作用。

4.2 抗氧化系統(tǒng)對逆境的響應

逆境可導致植物體內ROS的產生，隨后攻擊細胞中的大分子，產生DNA損傷、膜透性改變、蛋白質合成紊亂等［78］。細胞中的抗氧化酶則能清除ROS，研究發(fā)現，低鹽濃度（≤100 mmol/L）下多枝檉柳過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、超氧化歧化酶（superoxide dismutase，SOD）的活性升高，從而有效清除多余的ROS，使丙二醛（malondialdehyde，MDA）保持在較低水平；然而隨著NaCl濃度的不斷升高（≥200 mmol/L），SOD、POD活性減弱，導致ROS不斷積累，膜脂被過氧化［79-80］，膜透性增大，細胞內溶物外滲，最終導致植物組織被破壞［81］。檉柳體內抗氧化酶對逆境的反應速度依檉柳品種不同而有差異，在低溫脅迫下（0℃以下），鹽地檉柳（Tamarix karelinii Bunge）、密花檉柳（Tamarix arceuthoides Bunge）、長穗檉柳中的SOD活性急劇升高，而剛毛檉柳和翠枝檉柳（Tamarix gracilis Willd）則呈緩慢上升的趨勢［82］；在55℃高溫條件下，多枝檉柳CAT活性迅速升高，60℃時又大幅下降，可能是高溫破壞了酶蛋白結構進而導致活力下降。在植物體內，SOD、POD、CAT必須協(xié)調一致才能將ROS維持在較低水平從而避免對膜的傷害［83］。與此同時，抗氧化劑也可以清除一部分氧自由基。在干旱脅迫下，多枝檉柳不僅可以在體內合成多酚物質降低細胞滲透勢，多酚還可以通過化學方式結合一部分自由水，進而緩解水分虧缺［84］。研究發(fā)現，檉柳葉片中的黃酮可清除羥自由基（·OH）及DPPH（1，1-二苯基-2-三硝基苯肼）自由基［85］，黃酮類化合物柚皮苷可抑制 ABTS+（2，2′-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）自由基，作為抗氧化劑進一步提高了抗氧化系統(tǒng)的可靠性［86］。

4.3 光合作用系統(tǒng)的響應

光合作用是植物生長發(fā)育的主要驅動力。多枝檉柳Pn、光能利用率（light utilization efficiency，LUE）呈不對稱雙峰型日變化趨勢，Pn和LUE主峰均出現在10：00，前者的次峰出現在14：00，后者在16：00；水分利用率（water utilization efficiency，WUE）在11：00和16：00分別有2個不明顯的峰；而蒸騰速率（transpiration rate，Tr）日變化則為單峰型，峰值出現在12：00，由此顯示多枝檉柳的Pn、LUE、WUE等在午間會出現光抑制現象［87-88］。研究表明，干旱季節(jié)剛毛檉柳的WUE上午顯著高于下午，此時Tr下降幅度大于Pn，從而提高WUE［89］；而中國檉柳為了降低日耗水量，采取推遲清晨莖部汁液流動開始的時間，并提前結束日間汁液流動，從而保證正常的生長代謝過程［90］。此外，隨著光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）的增強，不同檉柳種在達到光飽和點后Pn并未出現明顯下降，而Tr呈下降趨勢，暗示檉柳可能通過降低蒸騰速率維持正常的光合生理需水［91］。

鹽脅迫會導致葉綠體基粒和基質類囊體減少，進而影響光合效率［92］。中國檉柳在低鹽脅迫下能夠保持較高的Pn、Tr和樹干液流速率［93］，但隨鹽分的升高，這些指標及葉綠素a/b含量下降，類胡蘿卜素/總葉綠素比值增加，顯示高鹽加劇檉柳光合色素分解，進而使光合效率降低。同時，胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）呈先下降趨勢，而氣孔限制（stomatal limitation，Ls）值則相反［94-95］，由此顯示，適當的鹽分可以激活檉柳光合作用；而高鹽環(huán)境下，檉柳組織出現生理缺水并導致氣孔孔徑減小甚至關閉，改變氣體交換頻率和蒸騰作用，進而影響光合作用［96］。

5 檉柳響應逆境脅迫的分子調控機制

植物逆境應答信號傳導主要由轉錄因子和信號級聯系統(tǒng)中的各種激酶協(xié)同完成［97-98］。其中絲氨酸/蘇氨酸激酶（serine/threonine kinase）、鈣依賴蛋白 激 酶（calcium-dependent protein kinase，CDPK）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、G蛋白等在檉柳響應鹽旱脅迫信號過程中具有重要作用［99］。相關研究表明，檉柳轉錄因子基因ThbHLH的啟動子序列含有DOF、Ibox、W-box等與抗逆應答相關的順式作用元件，將ThbHLH轉入擬南芥，可以明顯降低O2-、H2O2水平［100］。并且轉錄因子 ThCRF1可與 TTG、DRE、GCC等基序結合，誘導吡咯-5-羧酸合成酶（P5CS）、海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP）、SOD和POD等基因的表達，從而提高脯氨酸、海藻糖的含量，并增強 POD 和 SOD 的活性［101］。過表達 ThbZIP1、ThWRKY4、ThMYB13等可增強剛毛檉柳對ROS的清除能力，促進滲透調節(jié)物質的積累和可溶性蛋白質的生物合成，維持K+/Na+平衡，進而提高檉柳的抗逆能力［102-104］。

近年來，已鑒定出許多檉柳逆境誘導基因的功能，如胚胎晚期發(fā)育豐富蛋白基因（LEA）、吡咯啉-5-羧酸還原酶基因（P5CR）、質膜內在蛋白基因（TIP）、翻譯起始因子基因（eIF）、類鋅指基因（ZFL）、冷適應蛋白基因（CAP）等。研究發(fā)現將檉柳ThLEA轉入煙草可降低干旱脅迫下植株的膜脂過氧化程度，轉入藍莓可增強低溫脅迫下植株的SOD和POD酶活性，顯示LEA可通過細胞膜免受破壞來提高檉柳的抗性［105-106］。試驗證明，在鹽、旱脅迫下，過表達ThP5CR顯著提高剛毛檉柳體內脯氨酸含量，增強細胞ROS的清除能力［107］。張春蕊［108］發(fā)現過表達檉柳水通道蛋白基因ThTIP，不僅可以提高鹽、旱脅迫下擬南芥的抗氧化酶活性以及脯氨酸和葉綠素的含量，而且還能降低植物失水率和MDA含量。楊桂燕等［109］將ThGSTZ1轉入釀酒酵母可以提高酵母對低溫和高溫的耐受性。可見這些逆境誘導基因可從滲透調節(jié)物質積累、抗氧化等多方面使檉柳適應短期的非生物脅迫。

6 展望

非生物脅迫嚴重影響植物生存，檉柳經過不斷進化形成了多種適應性特征，包括形態(tài)結構、生理生化及分子生物學的不同層面。前期已對檉柳抗逆性開展了廣泛的研究，但由于檉柳為多年生灌木，對野外自然生長植叢的研究比較困難，室內又難以長期模擬自然生境條件，加之苗期生理狀態(tài)與成株存在較大差異，導致獲得數據不能全面反映實際情況。因此，在今后的研究中，應著力改進室內或室外檉柳的培養(yǎng)條件，盡可能接近自然生境，促進檉柳抗逆機理研究的準確性與高效性。近年來，對檉柳抗逆相關基因的克隆促進了其相關作用機制的研究，但進展相對緩慢，亟待將組學、生物化學等多種手段結合應用于檉柳抗逆機理的研究，從而深入闡明檉柳抗逆相關機制，并為檉柳在生態(tài)環(huán)境改良及抗逆農作物選育方面的應用提供理論依據。