彭鉬植，雷春英，吉小敏

(新疆精河荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站/新疆林科院造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063)

堿蓬屬植物為一年生草本、半灌木或灌木，共100余種，分布于世界各地，生長于海濱、荒漠、湖邊及鹽堿土地區(qū)。我國共有20個種和1個變種，主產(chǎn)于新疆及北方各省[1]。大多數(shù)為一年生草本，木堿蓬(Suaedadendroides)、囊果堿蓬(Suaedaphysophora)和小葉堿蓬(Suaedamicrophylla)是其中少有的灌木，且囊果堿蓬還可以成為肉蓯蓉的寄主，在造林治沙工程中具有特殊的應(yīng)用價值[2]。

部分堿蓬屬植物，如：鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、角果堿蓬(Suaedacorniculata)擁有二型種子系統(tǒng)，其中棕色種子的萌發(fā)率高，對鹽脅迫的耐受力更強，黑色種子的萌發(fā)速度慢、萌發(fā)率低，是淺休眠狀態(tài)的種子，可以幫助植物在不良環(huán)境中保持生命力[3-4]。鹽地堿蓬的棕色種子中關(guān)于胚胎發(fā)育、脂類水解、激素合成、滲透調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)水平高于黑色種子[5]，酚類、黃酮類、類胡蘿卜素和無機離子的含量也高于黑色種子[6]，這可能是棕色種子能更耐鹽、更快萌發(fā)的基礎(chǔ)。堿蓬種子應(yīng)曬干后儲藏在低溫條件下，李利等的研究顯示：囊果堿蓬自然條件下保存一年后的種子活力會喪失80%以上[7]。堿蓬(Suaedaglauca)、硬枝堿蓬(Suaedarigida)、盤果堿蓬(Suaedaheterophylla)種子被報道存在休眠現(xiàn)象，機械破皮和GA3浸泡可以有效打破種子休眠[8]。趙維維[9]對囊果堿蓬的種子進(jìn)行了預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過700 mmol/L NaCl浸泡和干燥處理后，種子萌發(fā)率相較于對照組提升了6.5倍。

1 環(huán)境因子對堿蓬屬植物種子萌發(fā)和生長發(fā)育的影響

1.1 鹽分

環(huán)境中的鹽分是影響堿蓬植物生長發(fā)育最重要的因素。王雷等試驗表明：囊果堿蓬種子的萌發(fā)率隨鹽濃度的升高而降低，在無鹽條件下獲得最大的萌發(fā)率[10]。在海濱堿蓬(Suaedamaritima)中也觀察到隨著環(huán)境NaCl濃度的升高，種子萌發(fā)變慢的情況[11]。在鹽地堿蓬種子萌發(fā)的初始階段，檢測到提高鹽濃度會使得種子內(nèi)的脂肪水解酶類活性降低[12]。堿蓬出苗和幼苗生長所需的鹽濃度與萌發(fā)不同。200 mmol/L NaCl對囊果堿蓬的出苗具有促進(jìn)作用[13]，該鹽濃度也是囊果堿蓬幼苗生長的最適鹽濃度[14]。在低鹽環(huán)境下，堿蓬植株的生長更佳。在不同環(huán)境下，鹽地堿蓬幼苗的長度依次為低鹽>無鹽>高鹽，說明適當(dāng)?shù)柠}分能促進(jìn)其幼苗的徑向生長[15]。Jia等[16]也觀察到鹽地堿蓬的鮮重、干重和株高在低鹽處理中都較高鹽和無鹽處理更高。堿蓬能量物質(zhì)的合成和代謝都會受到鹽脅迫的影響。鹽脅迫處理后，鹽地堿蓬葉片的葉綠素a和葉綠素b都有不同程度的下降，最終影響堿蓬的光合作用[17]。海濱堿蓬中，與糖酵解相關(guān)的酶以及ATP合成酶的活性降低，表明堿蓬的能量代謝會受鹽脅迫的干擾[18]。但在一定程度的鹽脅迫下，鹽地堿蓬的繁殖能力會提升，即種子的數(shù)量和質(zhì)量會顯著提高，其中在200 mmol/L NaCl處理條件下，種子的數(shù)量達(dá)到最大[19]。Guo等[20]對此進(jìn)行了后續(xù)研究并發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下，鹽地堿蓬內(nèi)有關(guān)植物激素合成的基因表達(dá)上調(diào)，他認(rèn)為這可能是堿蓬在鹽處理下種子數(shù)量增多的原因。

1.2 溫度

堿蓬能耐低溫，囊果堿蓬的種子能在低于10 ℃甚至0 ℃左右的低溫下萌發(fā)[7]。但低溫會延緩種子的萌發(fā)，囊果堿蓬的最適萌發(fā)溫度為30 ℃[10]。在Charlotte對海濱堿蓬種子萌發(fā)的研究中，也得到了與囊果堿蓬相似的結(jié)果，在一定程度內(nèi)，溫度越高，種子萌發(fā)越快，但當(dāng)溫度上升到適宜范圍之后，種子的萌發(fā)速度主要受鹽脅迫所限制[11]。韓占江等[21]觀測到盤果堿蓬和五蕊堿蓬(SuaedaarcuataBunge)的最適萌發(fā)溫度分別為30 ℃和35 ℃。

1.3 水分

環(huán)境中水分過高會嚴(yán)重抑制堿蓬(Suaedaglauca)種子的萌發(fā)[22]。據(jù)報道，地下水位對鹽地堿蓬發(fā)芽率也有顯著的影響，當(dāng)?shù)叵滤?10 cm后，堿蓬的發(fā)芽率明顯降低[23]。干旱脅迫會使堿蓬種子萌發(fā)受到顯著抑制，但部分堿蓬如硬枝堿蓬輕度干旱時萌發(fā)不受影響[21]。丁效東等[24]對根長為1～2 cm的囊果堿蓬幼苗進(jìn)行了干旱復(fù)水試驗，發(fā)現(xiàn)其耐脫水極限點為21 d，在干旱28 d后幼苗全部死亡并發(fā)生降解。

1.4 光照

光照對部分堿蓬品種如囊果堿蓬的種子萌發(fā)沒有影響[10]，但在一部分堿蓬種子萌發(fā)的試驗中，不同的光照條件會顯著影響種子的萌發(fā)率。韓占江等[21]的試驗結(jié)果顯示，12 h光照和12 h黑暗交替有利于星花堿蓬的種子萌發(fā)，而盤果堿蓬和五蕊堿蓬則在24 h持續(xù)光照條件下萌發(fā)更佳。

1.5 其他因素

堿脅迫對鹽地堿蓬幼苗的幼根生長有明顯的抑制作用，但堿液濃度低于150 mmol/L時能夠促進(jìn)幼芽的生長[25]。氮磷肥可以明顯提高鹽地堿蓬的生物量的積累，其中磷的貢獻(xiàn)大于氮，在氮磷供應(yīng)比例為5∶1時效果最佳[26]。Zn2+會對縱翅堿蓬種子的總萌發(fā)率和萌發(fā)速率起到抑制作用，而較低濃度的Cu2+可以提升縱翅堿蓬種子的總萌發(fā)率和萌發(fā)速率[27]。

同一品種的堿蓬在不同研究者的試驗中，萌發(fā)的最佳條件也存在差異，這可能是由于試驗環(huán)境、種子質(zhì)量或種子貯藏時間等不同導(dǎo)致的。

2 堿蓬屬植物對鹽脅迫的應(yīng)答

堿蓬具有強大的耐鹽能力，這使得其作為探究植物抗逆分子機制的素材，具有重要的研究價值。在鹽脅迫下，RNA水平和蛋白水平都檢測到鹽地堿蓬有大量基因出現(xiàn)了表達(dá)差異，這些基因大多與物質(zhì)運輸、抗氧化物合成、植物激素合成、細(xì)胞維持等代謝通路相關(guān)[28-29]。綜合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組的研究成果，堿蓬屬植物對鹽脅迫的響應(yīng)機制主要包括以下3個方面。

2.1 Na+的運輸與區(qū)室化貯存

在鹽脅迫下，一些轉(zhuǎn)運蛋白或通道蛋白的活性或表達(dá)量會顯著升高，將Na+從堿蓬根部轉(zhuǎn)向葉片，由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)向液泡。分布于細(xì)胞膜上的SsSOS1和液泡膜上的SsNHX1是被研究得最為廣泛的2種，二者均為HKT型Na+/H+antiporter，先后在多個堿蓬屬植物(如堿蓬[29]、海濱堿蓬[30]、鹽地堿蓬[31])中被發(fā)現(xiàn)參與了鹽脅迫的調(diào)節(jié)。在環(huán)境鹽濃度升高時，H+離子泵(V-H+-ATPase和V-H+-PPase)可以消耗能量并建立起細(xì)胞膜/液泡膜兩側(cè)的H+濃度梯度，H+勢能被Na+/H+antiporter利用并消耗，由此實現(xiàn)Na+的逆濃度梯度轉(zhuǎn)運。利用該機制，在根部組織中，細(xì)胞能夠?qū)a+離子外排；在葉肉組織中，細(xì)胞能夠?qū)⒓?xì)胞質(zhì)中的Na+離子轉(zhuǎn)運進(jìn)液泡內(nèi)貯存。堿蓬具有高度肉質(zhì)化的葉片，葉片的大液泡可以區(qū)室化貯存Na+離子，使其不至于干擾細(xì)胞質(zhì)中的正常代謝活動。同時，具有高Na+濃度的液泡也可以幫助植物細(xì)胞提高吸水能力，減少水分的蒸騰[32]。Wang等[33]以鹽地堿蓬為材料，對根部細(xì)胞中位于質(zhì)膜表面的Na+選擇性轉(zhuǎn)運蛋白SsHKT1∶1進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它可以與SsSOS1和SsNHX1協(xié)同作用，參與堿蓬內(nèi)Na+由根部向葉片的運輸過程。

2.2 細(xì)胞內(nèi)可溶性滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累

在鹽脅迫下，堿蓬細(xì)胞內(nèi)會合成并積累如脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等可溶性小分子。在高鹽脅迫下，在鹽地堿蓬[34]、海濱堿蓬[35]、囊果堿蓬[36]等堿蓬植物中均檢測到此類物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)含量的升高。這些小分子是植物細(xì)胞內(nèi)常見的滲透調(diào)節(jié)物，可以維持細(xì)胞對環(huán)境的滲透壓勢能，使細(xì)胞在高鹽環(huán)境下不輕易失水。除此之外，脯氨酸還可以在逆境中起到保護(hù)功能蛋白構(gòu)象穩(wěn)定的作用[37]。

2.3 細(xì)胞內(nèi)抗氧化物的合成

在鹽脅迫下，在鹽地堿蓬[38]、囊果堿蓬[36]等多種堿蓬屬植物中檢測到了抗氧化物(如Fe-SOD、谷胱甘肽、類黃酮等)含量的明顯升高，與這些抗氧化物合成相關(guān)的基因也檢測到表達(dá)上調(diào)[28]。Joshi等對裸花堿蓬(Suaedanudiflora)的愈傷組織進(jìn)行了鹽脅迫處理，觀察到組織內(nèi)酚醛總含量的升高、抗氧化活性的提升[39]。這些還原物對于植物細(xì)胞的抗逆過程至關(guān)重要，可以幫助細(xì)胞應(yīng)對逆境脅迫下氧化物含量上升帶來的傷害。

生長素、乙烯、茉莉酸等植物激素的合成和信號傳導(dǎo)相關(guān)的基因表達(dá)量也增加[29]，這與Guo等[20]認(rèn)為在鹽脅迫下可提高堿蓬種子數(shù)量的結(jié)論相似，但具體參與鹽脅迫調(diào)節(jié)的機制尚未可知。上述抗逆機制在其他的物種中都曾經(jīng)有過報道，說明堿蓬的抗逆機制對于其他植物的研究具有廣泛的借鑒意義。同時也說明，堿蓬的耐鹽性優(yōu)于其他非鹽生植物的原因還有進(jìn)一步探究的空間，也需要在不同物種間對相似應(yīng)答通路的效率進(jìn)行更深入的比較。

3 堿蓬屬植物的重要應(yīng)用價值

3.1 食用及藥用價值

堿蓬可以作為油料作物進(jìn)行種植，鹽地堿蓬種子中油脂含量占種子干重的19%，其中大約70%是亞油酸[6]。堿蓬有降壓、清熱的功效，還可以作為健康蔬菜食用，Song等[40]還擬將堿蓬(Suaedaglauca)提取液開發(fā)成為益生的功能性飲料。堿蓬還同時具有藥用價值，Liu等[41]發(fā)現(xiàn)鹽地堿蓬中的一種酸性多糖可以顯著減少MCF-7細(xì)胞系的凋亡，這表明該堿蓬多糖具有開發(fā)成為抗腫瘤藥物的潛力。堿蓬提取物被發(fā)現(xiàn)具有殺蟲劑的活性，將海濱堿蓬提取物和納米銀顆粒進(jìn)行結(jié)合，其復(fù)合物可以有效殺滅埃及伊蚊和斜紋夜蛾的幼蟲和蛹，其中，前者是登革熱病毒傳播的載體，后者是廣泛分布的農(nóng)作物害蟲[42]。

3.2 土壤改良價值

鹽堿地的改良一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境修復(fù)工作中的研究重點，我國有大量的鹽堿地沒有被開發(fā)，并且還有不斷擴(kuò)大的風(fēng)險，造成土地資源的極大浪費[43]。而堿蓬屬植物作為鹽生植物，可以在生長過程中將土壤中的鹽分富集到植株體內(nèi)，從而達(dá)到改善土壤鹽堿度的效果[44]。除此之外，堿蓬還可以吸收土壤中的重金屬離子，如Cr、Ni、Zn、Pb等，能有效降低土壤的重金屬污染[45]。

3.3 作物改良的基因資源庫

增強農(nóng)作物的耐鹽和抗旱能力一直是作物育種的熱門方向，有研究者將堿蓬中發(fā)現(xiàn)的抗逆基因轉(zhuǎn)入到其他植株中進(jìn)行表達(dá)，可以提升轉(zhuǎn)基因植物的抗逆水平。如Guo等[46]將鹽地堿蓬的SsVP基因在擬南芥中過表達(dá)，顯著提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥對鹽脅迫和干旱脅迫的耐受能力。陳鑫等[47]將鹽地堿蓬的SsNHX1基因克隆到煙草中，觀察到轉(zhuǎn)基因煙草的耐鹽和抗旱水平都有顯著提升。因此，在其他作物的改良育種工作中，堿蓬屬植物的基因組可以作為重要的抗逆基因資源庫。

4 堿蓬研究工作的展望

堿蓬在未來還有更多的研究價值和應(yīng)用潛力。(1)作為中藥的價值逐漸被研究者們重視，而中藥有效成分的提純和藥用機理的明確也是中藥應(yīng)用走向現(xiàn)代化的方式，堿蓬作為具有清熱抗炎、抗腫瘤活性的中藥，其內(nèi)在活性成分的提取工藝，以及活性成分的益生和抗病的具體效果和作用機理，還具有進(jìn)一步挖掘的空間。(2)作為鹽堿地的改良作物，在不同地區(qū)土壤上進(jìn)行連續(xù)種植后，土壤改良效果的具體量化還需要更多的試驗來展示。其作為草本植物，除了能降低土壤的鹽堿度外，在減少土壤重金屬污染、增強土壤肥力、改善土壤菌群等方面的貢獻(xiàn)也有待進(jìn)一步相關(guān)的綜合評價和橫向比較。(3)不同的播種密度、水肥方式、種子貯藏條件、萌發(fā)條件，對堿蓬的生長、次級代謝產(chǎn)物的合成和土壤改良效果的影響還值得進(jìn)一步探討。(4)堿蓬的抗逆是復(fù)雜、系統(tǒng)性的，在分子水平上抗逆機理研究還有較大的空間。隨著理論研究的深入，更多的抗逆基因也會被逐步挖掘，在植物基因工程育種中得到更廣泛的應(yīng)用。