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        植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白研究進(jìn)展

        2022-11-17 05:59:32李源蔡勤安馬瑞于志晶魏嘉
        山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:植物

        李源蔡勤安馬瑞于志晶魏嘉

        (1.吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,吉林 四平 136000;2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所/吉林省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033)

        土壤鹽分是主要的非生物脅迫之一,對全球農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。鹽驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞離子失衡和毒性被認(rèn)為是阻礙植物在高鹽條件下生長和發(fā)育的主要原因[2]。植物對這種離子或養(yǎng)分失衡的反應(yīng)主要是通過調(diào)節(jié)過量離子的內(nèi)流、外排、以及有毒離子的積累和分區(qū)來維持離子穩(wěn)態(tài)[3],在大麥[4]、蠶豆[5]、水稻[6]和大豆[7]中已有報(bào)道。在鹽堿土壤中,鈉(Na+)是一個(gè)占主導(dǎo)地位的陽離子[8],通常是由于鹽度壓力產(chǎn)生毒害作用。Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于質(zhì)膜和液泡上,可以將Na+從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外空間或液泡,在維持Na+穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,其作為Na+轉(zhuǎn)運(yùn)體得到了廣泛關(guān)注[9]。有證據(jù)表明利用鹽生植物中的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,通過基因工程方法可以培育耐鹽作物[1]。本文對Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控機(jī)制以及作物耐鹽性應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行綜述。

        1 植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分子生物學(xué)研究

        1.1 植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的發(fā)現(xiàn)

        Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白根據(jù)其在細(xì)胞中的定位,通常分為兩類,一類是質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SOS1),定位于質(zhì)膜;另一類是液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NHX1),定位于液泡膜或內(nèi)體膜。1976年,Ratner等[10]在大麥質(zhì)膜上首次發(fā)現(xiàn)植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。1985年,Blumwald和Poole[11]在甜菜(Beta vulgarisL.)根部發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)植物液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白;1999年,AtNHX1作為酵母ScNHX1的同源基因從擬南芥中克隆出來,是第一個(gè)被鑒定的植物NHX轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[12];此外,在植物中首次發(fā)現(xiàn)的核內(nèi)體NHX蛋白是來自番茄的LeNHX2和來自擬南芥的At-NHX5和AtNHX6[13]。2000年,Shi等[14]從擬南芥中克隆得到一個(gè)與鹽超敏感表型相關(guān)的基因AtSOS1,研究發(fā)現(xiàn),AtSOS1與SOD2、NHA1、NhaA和NhaP等位于細(xì)菌和真菌質(zhì)膜上介導(dǎo)Na+外排的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因具有很高的同源性,證明AtSOS1是一種定位于質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。隨后在鹽生植物鹽芥[15]、小花堿茅[16]、冰葉日中花[17]、濱藜[18]、鹽爪爪[19]等以及甜 土 植 物 小 麥[20,21]、大 麥[22-24]、水 稻[25,26]、大豆[27,28]、辣椒[29]、菠菜[30]等中鑒定了編碼這兩類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因(表1、表2)。

        表2 已克隆的部分植物液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因

        1.2 植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分子特征

        植物液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因含有1410~1767 bp的開放閱讀框,植物質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因含有3410~3500 bp的開放閱讀框。不同物種之間其分子量大小差距較大,如擬南芥中AtNHX1的分子量為47 kDa[54],At-SOS1的分子量為127 kDa,大豆中GmNHXs的分子量范圍是50.05~60.79 kDa[55],菊芋HtNHX1分子量高達(dá)178.53 kDa[51]。馬清等[56]對單、雙子葉植物質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白氨基酸序列同源性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),單子葉植物之間同源性在80%左右,雙子葉植物之間的同源性為65%左右,而單、雙子葉植物之間的同源性僅為55%左右,可見不同植物之間質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白存在一定的差異。

        生化和動(dòng)力學(xué)分析表明NHXs可能包含9~12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域[57]。通過酵母異源表達(dá)分析AtNHX1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1),AtNHX1蛋白由9個(gè)跨膜片段連接親水C端區(qū)域和3個(gè)疏水區(qū)域組成,其中第5、6個(gè)疏水區(qū)域有可能參與Na+或H+結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)殘基,沒有跨膜;第3個(gè)疏水區(qū)域是一段高度保守的序列,為氨氯吡嗪脒的結(jié)合位點(diǎn)[58]。AtNHX1的N-末端位于胞質(zhì)且高度保守,對于蛋白質(zhì)的活性十分重要,如果缺失,Na+/H+的轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)降低,而Na+/K+的轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)增加;C-末端位于液泡腔中,且變化較大,可能起到調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性的作用,C-末端的缺失會(huì)增加Na+/H+和Na+/K+的轉(zhuǎn)運(yùn)活性[59]。Shi等[14]根據(jù)對AtSOS1疏水性分布的預(yù)測,繪制了其結(jié)構(gòu)圖(圖2),At-SOS1的疏水N-末端和親水C-末端均位于細(xì)胞質(zhì)一側(cè),有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,與液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不同的是,雖然質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有一段非常保守的Na+結(jié)合區(qū),但是并沒有氨氯吡嗪脒的結(jié)合位點(diǎn)。C-末端的親水尾部有多達(dá)近700個(gè)氨基酸殘基,可以與多種逆轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)因子結(jié)合;另外,在AtSOS1的C-末端親水尾巴中有一段保守環(huán)核苷酸結(jié)合區(qū)域,環(huán)核苷酸在植物響應(yīng)脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中起著重要的作用,因此AtSOS1的C-末端也可能對蛋白的活性起到調(diào)節(jié)作用。

        圖1 AtNHX1的拓?fù)淠P蚚59]

        圖2 SOS1結(jié)構(gòu)圖示[14]

        2 Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能

        陽離子/質(zhì)子反轉(zhuǎn)運(yùn)體(CPAs)介導(dǎo)單價(jià)陽離子(主要是Na+和K+)與1~2個(gè)質(zhì)子穿過細(xì)胞膜,是主要的離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體之一。這些逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白屬于兩個(gè)主要家族,CPA1和CPA2[60]。CPA1家族包括NHX和NHE(鈉-質(zhì)子交換器)兩個(gè)分支,根據(jù)這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的亞細(xì)胞定位,CPA1家族主要有兩大類具有與植物耐鹽性相關(guān)的特征明確的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,第一組在液泡水平參與Na+和K+的分隔,第二組漿膜結(jié)合蛋白介導(dǎo)Na+和K+轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞[61,62]。這兩組代表了兩種不同的逆境耐受性分子進(jìn)化路徑。NHX和SOS1基因家族經(jīng)歷了凈化選擇,SOS1基因家族經(jīng)歷了新功能化[63]。本文綜述了Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在Na+運(yùn)輸、K+平衡、pH穩(wěn)態(tài)以及囊泡運(yùn)輸中的關(guān)鍵作用。

        2.1 Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)Na+的運(yùn)輸

        植物Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白依賴于H+-ATPase水解ATP產(chǎn)生的能量,將H+泵入細(xì)胞質(zhì)中,產(chǎn)生跨膜的H+電化學(xué)勢梯度來驅(qū)動(dòng)Na+的主動(dòng)運(yùn)輸[64],介導(dǎo)Na+的區(qū)隔化或排出,降低胞質(zhì)中Na+的含量,維持胞質(zhì)內(nèi)的離子平衡,保證細(xì)胞正常的生理活動(dòng)。Apse等[65]研究發(fā)現(xiàn),野生型擬南芥中Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性要高于nhx1突變體植株,低于過表達(dá)AtNHX1的株系,在番茄[66]、小麥[67]、棉花[68]的AtNHX過表達(dá)株系中也有同樣的發(fā)現(xiàn),表明液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有將Na+區(qū)隔化的作用,以使植物能在較高的滲透壓環(huán)境中維持離子穩(wěn)態(tài)平衡,保證植物的正常發(fā)育。此外,Wang等[69]在鹽地堿蓬中發(fā)現(xiàn),與Na+轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因SsHKT1,在根部與SsSOS1協(xié)同作用,隨著NaCl濃度的升高,具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)Na+到木質(zhì)部的能力。

        2.2 參與K+的穩(wěn)態(tài)平衡

        K+在植物細(xì)胞的生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用,參與植物的氮、脂肪以及蛋白質(zhì)的代謝及滲透調(diào)節(jié),促進(jìn)光合作用,增強(qiáng)植物的抗逆性等[70]。在對擬南芥NHX1、NHX2的雙敲除中,液泡膜囊泡的K+/H+交換顯著減少,說明滲透調(diào)節(jié)受損[71]。酵母中缺少NHX1基因,K+濃度則是正常酵母細(xì)胞的三分之一[72],而將番茄LeNHX2轉(zhuǎn)化進(jìn)NHX1缺失的酵母中后,可以顯著提高K+濃度[73]。張樺等[74]將紫花苜蓿MvNHX1導(dǎo)入煙草后,K+含量提升了2~3倍。許杰等[75]將AtNHX1導(dǎo)入煙草后,相較于野生型,其K+吸收速率和ATPase的活性均顯著提高,說明液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與調(diào)控K+的穩(wěn)態(tài)平衡。

        通常認(rèn)為質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一類Na+特異的轉(zhuǎn)運(yùn)載體,不具備轉(zhuǎn)運(yùn)其他陽離子(如K+和Li+)的能力[76]。Ma等[77]發(fā)現(xiàn),在面對鹽脅迫時(shí),旱生植物霸王ZxSOS1-RNAi株系與野生型相比較,葉和根中的K+濃度分別下降27%和7%,表明ZxSOS1參與了K+的轉(zhuǎn)運(yùn)。在甜菜中,BvAKT1、BvHAK5、BvSKOR、BvHKT1;5、BvSOS1和BvNHX1在全株水平協(xié)同控制K+和Na+穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用[78]。有研究發(fā)現(xiàn),TaHKT2;1、TaNa+/H+和TaSOS1基因的協(xié)同表達(dá)調(diào)控,提高了抗氧化酶活性、脯氨酸積累的響應(yīng)和細(xì)胞積累K+的能力,增強(qiáng)了面包小麥突變體的耐鹽性[79]。

        2.3 調(diào)節(jié)pH值

        Yamaguchi等[80]發(fā)現(xiàn)在三色牽?;ㄓ勺仙幕ɡ匍_放為藍(lán)色花的過程中,液泡內(nèi)pH值由6.6上升為7.2,同時(shí)InNHX1的表達(dá)量也明顯增加;Yoshida[81]等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),三色牽?;ㄒ号葜衟H值變化的同時(shí),花瓣液泡膜的H+-ATPase、H+-PPase和Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性也增強(qiáng),這是由于Na+在區(qū)隔化的過程中,借助質(zhì)子泵將液泡中的H+轉(zhuǎn)運(yùn)到了胞質(zhì)中,從而使液泡內(nèi)的pH值升高。Zhu等[82]發(fā)現(xiàn),水稻OsNHX5蛋白在煙葉表皮細(xì)胞中與高爾基體、反式高爾基網(wǎng)絡(luò)(TGN)和前液泡隔室(PVC)共定位;體內(nèi)pH值測定表明,gpa6使高爾基體、TGN和聚氯乙烯腔內(nèi)酸性增強(qiáng)。證明OsNHX5在調(diào)節(jié)水稻內(nèi)膜腔內(nèi)pH值中發(fā)揮重要作用,而這對水稻種子貯藏蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要。

        質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的Na+外排時(shí),會(huì)使H+內(nèi)流入細(xì)胞質(zhì)中,降低細(xì)胞質(zhì)的pH值,但是當(dāng)質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因發(fā)生突變時(shí),細(xì)胞質(zhì)pH值則會(huì)顯著升高[83],用NaCl脅迫擬南芥sos1突變體后,根部液泡中Na+含量顯著增加,而細(xì)胞質(zhì)pH值卻顯著高于液泡,細(xì)胞中與pH值調(diào)節(jié)相關(guān)的基因,如AHAA1、AHA2等的表達(dá)量均明顯下降[84],說明質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有調(diào)節(jié)細(xì)胞pH值的功能,同時(shí)也能調(diào)控根細(xì)胞中與pH值調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)。

        2.4 影響植物組織器官的發(fā)育

        Apse等[65]對擬南芥AtNHX1缺失突變體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),其總?cè)~面積減小,表皮細(xì)胞數(shù)量較少,Na+/H+和K+/H+交換活性降低,再將AtNHX1在該突變體重超表達(dá),可以使植株基本恢復(fù)正常。Bassil等[13]已經(jīng)證明AtNHX5和AtNHX6參與植物的生長發(fā)育。Wang等[85]在擬南芥中過表達(dá)花花柴KcNHX1不僅增強(qiáng)了擬南芥對鹽脅迫的耐受性,在高溫下還能增加擬南芥對于生長素的積累,表現(xiàn)出更強(qiáng)的生長能力。綜上表明Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與植物發(fā)育過程。

        2.5 參與囊泡的運(yùn)輸

        在分析擬南芥nhx1突變株轉(zhuǎn)錄組編碼基因表達(dá)差異時(shí),發(fā)現(xiàn)與囊泡運(yùn)輸有關(guān)蛋白(如動(dòng)力蛋白、網(wǎng)格蛋白包被蛋白、網(wǎng)格蛋白結(jié)合蛋白等)的編碼基因表達(dá)水平下降[86];另外,對擬南芥nhx5、nhx6雙突株系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),突變體中無法順利完成液泡膜的囊泡運(yùn)輸過程[87]。表明液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了囊泡的運(yùn)輸過程。

        2.6 參與Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)

        Guo等[83]用鹽脅迫擬南芥sos1突變體時(shí),胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的濃度降低,Oh等[84]發(fā)現(xiàn),擬南芥sos1突變體中液泡膜上與Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因表達(dá)量顯著上調(diào),在液泡中積累了大量的Ca2+。表明質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)。

        3 Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控機(jī)制

        3.1 液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控機(jī)制

        目前,液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)調(diào)控機(jī)制的主要研究對象是擬南芥AtNHX1。Shi等[88]研究發(fā)現(xiàn),植物中的鹽脅迫信號通過ABA依賴性和ABA非依賴性途徑發(fā)生,在ABA誘導(dǎo)條件下,abi1-1、aba2-1和ba3-1突變體中At-NHX1的轉(zhuǎn)錄水平并不相同,說明AtNHX1的表達(dá)不完全是ABA依賴性調(diào)節(jié)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),AtNHX1的活性是在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)的,鹽脅迫調(diào)節(jié)的ABA部分依賴性似乎由ABI1而非ABI2途徑介導(dǎo),AtNHX1在葉片中高水平表達(dá),并且在NaCl脅迫下表達(dá)顯著增加,尤其在有大液泡的較老葉片中,這與Na+轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡的區(qū)隔化耐鹽機(jī)制相一致。Kim等[89]發(fā)現(xiàn)水稻OsRab11突變植物有與sos11相似的敏感表型,而過表達(dá)OsRab11的植物表現(xiàn)出對高鹽脅迫的抗性,在沒有鹽脅迫條件下檢測Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因,如At-NHX1、AtNHX2和AtSOS1的表達(dá)時(shí),野生型和Os-Rab11突變植株之間沒有顯著差異,表明OsRab11是液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一個(gè)調(diào)控因子,對于植物耐高鹽脅迫起到重要作用。

        3.2 質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控機(jī)制

        SOS途徑是植物中建立的第一個(gè)非生物脅迫信號途徑,主要過程為:鹽脅迫誘導(dǎo)細(xì)胞中產(chǎn)生Ca2+信號,SOS3接收Ca2+信號感應(yīng)后,激活SOS2并形成具有磷酸化功能的SOS3-SOS2蛋白激酶復(fù)合體,使SOS1的C-末端發(fā)生磷酸化,從而激活SOS1并將細(xì)胞內(nèi)的Na+外排(圖3),高Na+脅迫啟動(dòng)Ca2+信號,激活SOS3-SOS2蛋白激酶復(fù)合物,然后刺激SOS1的Na+/H+交換活性,并在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)一些基因的表達(dá)[90]。

        圖3 SOS途徑的離子穩(wěn)態(tài)[90]

        Shen等[91]研究發(fā)現(xiàn)磷脂酸特異性結(jié)合MKK7和MKK9,磷酸化MPK6,并促進(jìn)MKK7/MKK9的活化,NaCl處理可以誘導(dǎo)MKK7/MKK9活性的顯著增加,磷脂酸或NaCl處理可誘導(dǎo)MKK7/MKK9易位至質(zhì)膜,證實(shí)磷脂酸通過促進(jìn)Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SOS1的磷酸化活化MPK6來介導(dǎo)鹽脅迫信號傳導(dǎo)。Yang等[27]發(fā)現(xiàn),擬南芥在非脅迫條件下,磷脂酰肌醇會(huì)結(jié)合到質(zhì)膜H+-ATPase的C-末端,抑制H+-ATPase的活性,發(fā)生鹽脅迫時(shí),磷脂酰肌醇-4-磷酸會(huì)與磷脂酰肌醇結(jié)合,同時(shí)結(jié)合并激活質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,導(dǎo)致磷脂酰肌醇水平下降,增加了質(zhì)膜H+-ATPase的活性和鹽的耐受性;在pi4kβ1突變體中,磷脂酰肌醇-4-磷酸水平降低,質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性和植株對于鹽的耐受性也隨之降低。

        4 Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提高植物耐鹽性的應(yīng)用

        Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了細(xì)胞擴(kuò)張、pH調(diào)節(jié)、K+穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞囊泡運(yùn)輸以及鹽脅迫反應(yīng)[2,65]。由于這些重要作用,質(zhì)膜(SOS)和液泡膜(NHX)Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因作為作物耐鹽工程中的候選基因受到廣泛關(guān)注。

        4.1 液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提高植物耐鹽性的應(yīng)用

        在擬南芥和小麥中發(fā)現(xiàn)的液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因,是在雙子葉植物和單子葉植物中耐鹽性改善貢獻(xiàn)最大的基因[57]。在棉花中過量表達(dá)小麥TaNHX2,提高了轉(zhuǎn)基因棉花的抗旱和耐鹽性[92],在向日葵和茄子中過表達(dá)TaNHX2基因,均提高了轉(zhuǎn)基因向日葵和茄子對高含量Na+、K+的耐性和生長性能[93,94]。在多種植物如大豆[95]、中林美荷楊[96]、紫花苜蓿[97]等中過量表達(dá)TaNHX2,都在一定程度上提高了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽能力。Yang等[98]研究結(jié)果表明,與野生型相比,過表達(dá)AtNHX1和AtNHX3任一基因的轉(zhuǎn)基因楊樹均對鹽脅迫表現(xiàn)出高抗性,在100 mmol/L NaCl脅迫下積累了更多的Na+和K+,并且在水分脅迫下葉片中的電解質(zhì)泄漏減少。在其他植物如水稻[99]、大豆[87]、番茄[100]、綠豆[101]等中過表達(dá)擬南芥液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因后,都能一定程度上增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株對高鹽的耐受性,在鹽脅迫下,長勢顯著優(yōu)于野生型。此外,在玉米中過表達(dá)堿蓬SsNHX1,提高了葉片中K+/Na+比值,且種子發(fā)芽率顯著提高(79%),表明轉(zhuǎn)基因玉米的耐鹽性增強(qiáng)[102]。過表達(dá)鳶尾屬IlNHX的煙草,鹽脅迫條件下,組織中維持了較高的K+/Na+比值,同時(shí)降低了葉綠素?fù)p失和脂質(zhì)過氧化,從而提高煙草耐鹽性[103]。過量表達(dá)紅樹林植物Avicennia的AoNHX1提高了水稻和擬南芥的耐鹽性[104]。鹽生植物鹽爪爪液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白KfNHX1通過調(diào)節(jié)胞間離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)來維持細(xì)胞內(nèi)離子和pH平衡,從而提高轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐鹽性,具有提高植物耐鹽性的潛力[19]。

        植物的耐鹽性狀由多個(gè)基因調(diào)控,通過共表達(dá)相關(guān)基因增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽性也是一種理想手段。共表達(dá)AtNHX1和SOS1可以使轉(zhuǎn)基因擬南芥耐受高達(dá)250 mmol/L的NaCl處理,并且可顯著降低熱鹽復(fù)合脅迫造成的產(chǎn)量損失,證實(shí)了兩個(gè)基因疊加過表達(dá)可顯著提高對多重脅迫耐受性的假設(shè)[105]。Maach等[106]通過分析鹽脅迫下LeNHX2和SlSOS2共表達(dá)對番茄果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn),與野生型相比,轉(zhuǎn)基因植株的產(chǎn)量、pH值和可溶性固體總量(TSS)顯著提高,表明,LeNHX2和SlSOS2的共表達(dá)提高了鹽脅迫下番茄的產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)。

        4.2 質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提高植物耐鹽性的應(yīng)用

        關(guān)于質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在提高植物耐鹽性方面的應(yīng)用報(bào)道相對較少,大多是研究其在擬南芥或煙草中的耐鹽表現(xiàn)。過表達(dá)陸地棉(Gossypium hirsutumL.)GhSOS1降低了轉(zhuǎn)基因植株的MDA含量和Na+/K+比值,從而提高了擬南芥對鹽脅迫的耐受性[38]。AtSOS1在煙草中過表達(dá)后,鹽脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)維持較高的K+/Na+比值,從而提高轉(zhuǎn)基因煙草對鹽害的抗性[107]。在煙草中過表達(dá)SbSOS1基因,促進(jìn)了植物的生長,除了Na+外排到質(zhì)膜外,SbSOS1蛋白還有助于維持不同器官Na+含量的變化,并間接影響其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性,進(jìn)而使煙草具有高耐鹽性[108]。此外,Yang等[109]的研究表明,PtSOS2基因在木本植物白楊中過表達(dá),與野生型對比,其能在高鹽條件下表現(xiàn)更強(qiáng)的生長特性,是培育耐鹽樹木的理想候選基因。OsSOS1基因在水稻中過表達(dá),通過對葉綠素含量、細(xì)胞膜透性、細(xì)胞活力等指標(biāo)的研究,表明過表達(dá)OsSOS1的轉(zhuǎn)基因水稻植株具有較好的耐鹽性[110]。

        5 展望

        土壤鹽堿化是制約全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素,土壤修復(fù)雖然能快速改善土壤鹽堿化程度,但這種改善并不是永久的,如果缺少對修復(fù)后的土壤進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng),很容易形成二次污染[111],因而研究和培育耐鹽堿作物對于鹽堿地的利用是一條較為經(jīng)濟(jì)、有效的途徑。在鹽脅迫下,Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對于維持植物細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)有著重要的作用。目前,盡管已經(jīng)有了一些關(guān)于Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因研究的相關(guān)報(bào)道,并且都不同程度提高了作物對于鹽脅迫的耐受性,但仍需進(jìn)一步了解Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能機(jī)制和不同產(chǎn)物的相互作用,挖掘更多優(yōu)良的耐鹽基因資源,利用基因工程技術(shù)培育出耐鹽的轉(zhuǎn)基因新品種,對于增加鹽堿地的利用、提高作物整體產(chǎn)量具有重要意義。

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