植物耐盐性研究进展

任丽丽，任春明,赵自国

（1.滨州学院生命科学系，山东滨州256603；2.山东省邹平县高新小学，山东滨州256605）

盐碱地约占地球陆地面积的25%，全世界有0.2亿～0.3亿hm2的海岸湿地和红树林盐滩，另外还存在人为原因造成的次生盐碱化土地约40亿hm2[1]。我国的盐碱地主要由3种阳离子Na+，Ca2+，Mg2+与4种阴离子，H，Cl-组成，也有小面积的硝酸盐盐土。土地的盐碱化严重制约了现代农业的发展，为培育具有耐盐特性的农作物新品种，科学家们进行了大量的相关研究[2]。本文就盐胁迫对植物的伤害、植物耐盐机制、盐胁迫下植物的信号转导、植物耐盐基因工程的现状及展望进行了介绍。

1 盐胁迫对植物的伤害

盐胁迫主要包括渗透胁迫、离子毒害以及高盐引起的营养亏缺、氧化胁迫等一系列的次生胁迫[3]。这些胁迫使得植物生长受到抑制、光合作用下降，能耗增加，最终加速衰老而死亡[4-6]。

1.1 渗透胁迫与离子毒害效应

当外界盐分的浓度超过植物生长最适盐度时，盐分大大降低了土壤溶液中的水势，使得根系吸水困难，或者不吸水甚至失水，从而造成渗透胁迫，叶片失水，膨压降低，引起细胞和组织的死亡[7]。

离子毒害主要是由于植物摄取了过量的Na+，Cl-等离子，使植物细胞质内离子浓度增高，对植物产生了毒害作用[8]。细胞内的高浓度离子可使细胞原生质发生凝聚，破坏胶体的性质。而细胞内大部分酶只能在很狭窄的离子浓度内才具有活性，对于Na+和Cl-一般要求低于50 mmol/L。高浓度的盐会破坏酶的结构和活性，破坏光合系统，造成代谢紊乱、蛋白质的降解。盐胁迫还会使质膜的组分、透性、运输、离子流发生一系列变化，导致细胞膜的正常功能受损，进而使细胞的代谢及生理功能受到不同程度的破坏。

1.2 其他次生胁迫效应

盐胁迫对植物的伤害还表现为其带来的各种次生胁迫会严重影响植物正常的生长发育。植物在高盐的环境中生长经常会出现营养亏缺的现象，这是植物在吸收矿物质元素的过程中盐离子与多重营养离子相互竞争的结果。例如，高浓度的Na+会抑制K+，Ca2+和Mn2+的吸收，从而造成植物缺乏这些必需的元素；另一方面，由于严重的盐胁迫导致细胞膜完整性的破坏，使细胞内一些营养离子如钾和磷大量外渗，造成植物细胞缺钾、缺磷[9]。

氧化胁迫也是盐胁迫导致的主要次生胁迫之一。在正常生理条件下，植物体内活性氧处于不断产生和清除的动态平衡之中，而在盐胁迫下，植物叶绿体和线粒体电子传递链中泄漏的电子，与 O2反应生成，H2O2，OH-。尽管，H2O2本身对植物毒害很小，但可以通过Haber-Weiss反应转化为毒性很高的OH-[10]，进而引发膜脂的过氧化和脱酰化，造成植物细胞膜系统和代谢过程的伤害，并进一步对蛋白质和核酸等生物大分子造成损伤，从而导致细胞死亡[11]。

2 植物耐盐机制

生存在盐渍环境中的作物在长期自然选择中形成了一系列保护自身免受或减弱盐胁迫伤害的措施，总的来说包括以下几个方面。

2.1 渗透调节作用

渗透调节能力是植物耐盐的基本特征之一。所谓渗透调节，是指植物处在渗透胁迫条件下，细胞中有活性和无毒害作用溶质的主动净增长过程，其结果是细胞水势降低，能够从周围环境中吸收水分。植物细胞在盐胁迫下积累的渗透调节物质[12]不仅包括无机离子如K+等，还包括有机小分子物质如海藻糖、脯氨酸、甜菜碱、苹果酸等。后者不仅有渗透调节功能，还能稳定细胞内大分子与生物膜的结构和功能，有的还可以起一定的解毒作用。

2.2 离子转运与均衡

盐分过多会导致植物细胞内离子紊乱，不仅破坏Na+和Cl-的均衡，而且也影响了K+，Ca2+等在细胞内的分布。过多的Na+和Cl-还会产生诸多毒害作用。因此，盐胁迫环境中，植物获得耐盐能力的一个重要方式就是建立新的离子均衡[13]。从耐盐机制上看，植物可通过拒盐、排盐以及盐分的区域化等方式缓解离子胁迫。

所谓拒盐，就是不让外界的盐分进入植物体内，具体又分为根系拒盐和地上部拒盐2种方式。有的植物根细胞质膜有很强大的选择性吸收能力，它能够高效吸收K+而不吸收Na+，这类植物根细胞质膜组成十分特殊，具有较多的饱和脂肪酸，对Na+和Cl-的透性降低。有的植物根系允许土壤中的盐分进入根系，但进入后大部分贮存在外皮层与表皮细胞，不再向地上部分运输，从而使地上部分的盐浓度仍保持在较低水平，例如耐盐植物芦苇就是如此。地上部分拒盐的植物可通过体内的再循环将离子回流到根部。

排盐就是植物将盐分排到细胞外。在植物中，将Na+直接排到细胞外是最直接避免Na+在胞质中积累的策略。海藻的质膜上存在Na+-ATP酶，可以水解ATP驱动Na+向胞外运输[14]，然而在高等植物中目前尚未发现Na+-ATP酶的存在。高等植物排Na+主要由质膜上SOS1基因编码的Na+/H+反向转运蛋白来完成[15]。质膜上H+-ATP酶水解ATP产生的能量将H+泵出细胞外，产生跨膜的质子电化学势阶度，驱动质膜上的Na+/H+反向转运蛋白，使H+顺其电化学势进入细胞，同时Na+逆其电化学势排出细胞。另外，有的盐生植物具有特殊的盐腺可将盐分直接分泌到体外。盐腺细胞通常富含小液泡，在这些液泡中积累各种离子，然后通过液泡膜和质膜的融合即胞吐作用排出体外，也有人认为是离子通过跨液泡膜和质膜的运输分泌到细胞外。

盐分大量进入液泡从而被区域化也是植物对盐渍环境适应的最佳方式之一[16]。大量盐分进入液泡后，一方面降低了细胞质中的盐浓度，使其正常的代谢活动顺利进行，另一方面增加了液泡内离子浓度，降低了细胞的水势，从而保证了水分的正常吸收，避免了生理性干旱。盐胁迫下植物液泡膜Na+/H+反向转运蛋白的表达量增多，从而增强了Na+的液泡区域化，提高了植物的耐盐能力[17]。最近Song等[18]从拟南芥中克隆了一个定位于叶绿体膜上的基因AtCHX23，该基因可编码1个Na+/H+反向转运蛋白，该蛋白调节了叶绿体内的pH并影响叶绿体的发育，进一步研究表明，叶绿体也可能是潜在的Na+区域化场所。

2.3 抗氧化保护

活性氧是单线态氧（1O2）、羟自由基（OH-）、超氧阴离子（）和过氧化氢（H2O2）等氧化能力很强的几种含氧物质的总称。植物抗氧化系统主要包括酶系统和非酶系统两大类。前者包括超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等。后者主要包括植物体内的一些还原性物质，如抗坏血酸、类胡萝卜素、谷胱甘肽及维生素E等。另外，小分子糖类、多元醇、甜菜碱、脯氨酸等也有一定的清除细胞内自由基伤害的作用。突变体和转基因植物的试验表明，提高植物的这2种抗氧化系统的活性，均能够抵抗盐胁迫，而盐胁迫下抗氧化基因的表达可能会受到MAPK信号级联途径的调控[19]。

3 植物盐胁迫下的信号转导途径

甜土植物拟南芥与盐生植物盐芥亲缘性很近，基因组同源性高达95%左右，具有很多高度同源的与抗逆有关的基因，但是二者对盐胁迫的耐受能力相差很大，这暗示着二者在基因的表达水平与调节方式上不同。也就是说，盐生植物与甜土植物可能在基因结构上并没有显著的差异，而在相关基因的表达调控及作用模式上有很大区别，这也可能是植物耐盐性的关键因素之一。而植物感受盐胁迫并作出反应的过程是通过一系列复杂的信号识别与转导机制来完成的[20]。

原美国Arizona大学Zhu教授的研究小组在盐胁迫信号转导方面做出了开创性的工作。他们通过各种方法得到40多个SOS突变体，并将其归为5组，定义了5个耐盐基因座，并从分子遗传、生化细胞各个方面进行了功能分析，最终揭示出一条与盐胁迫应答直接相关的调控途径。该调控途径的基本过程如下：在盐胁迫下，通过细胞膜上的Na+传感器，信号传入使细胞内Ca2+浓度增加，激活了SOS3，于是SOS3和SOS2结合，使其转化为活性状态，催化部位暴露出来发挥激酶的功能，从而激活下游蛋白行使功能，SOS1是其底物之一。SOS2/SOS3复合物激活SOS1，提高了质膜Na+/H+反向转运的能力，防止了Na+在细胞内的积累[20]。

最近研究表明，SOS2在细胞内可以与多种蛋白相互作用，从而发挥多种功能。SOS2不仅正调控SOS1，还可以激活液泡膜上的Na+/H+反向转运蛋白和Ca2+/H+转运器[21]，与ABA信号途径存在复杂的相互作用，可共同提高植物耐盐性。

4 植物耐盐基因工程

大多数植物只能在NaCl含量低于0.4%的土壤中正常生长。随着现代分子生物学与转基因技术的飞速发展，克隆鉴定目标基因，并将目标基因转化到目标植物中以获得转基因工程植株，使植物育种工作取得了突破性进展。至今植物抗盐基因工程的研究取得了长足的进步，已有较多研究将各种抗盐基因克隆后整合入各种目标植物中，从而开辟可选育耐盐植物品种的新途径。

植物耐盐基因工程最初的策略是增加植物细胞质中的渗透调节物质。Tarczynski等[22]将大肠杆菌的磷酸甘露醇脱氢酶（mtlD）的基因转入烟草，使转基因烟草能够有效积累甘露醇，并且表现出较高的抗盐能力。转基因植株叶片中甘露醇的含量达到可溶性糖含量的25%，其植株高度和鲜质量明显高于对照，而且新根和新叶的发生率提高了1倍多。另外，甜菜碱、右旋肌醇甲醚、海藻糖等渗透调节物质的基因工程植株都已经成功获得，它们从不同方面不同程度地提高了转基因植株的耐盐能力。

在盐胁迫下，植物维持体内的离子均衡是保持其耐受能力的重要方面，因此对于离子转运蛋白在耐盐基因工程中的应用，近年来得到了人们的普遍重视。转基因拟南芥中过量表达编码液泡H+转位酶的AVP1基因，则植物对高盐浓度有很强的抗性[23]，对液泡膜的分析结果表明，转基因植物的液泡膜对阳离子的吸收能力更强，阳离子区域化到液泡中，增加了植物的渗透压，同时减少了它们对细胞的毒害。将编码拟南芥液泡膜Na+/H+反向转运蛋白的AtNHX1基因导入番茄，可使转基因番茄在200 mmol/L的NaCl浇灌下正常生长[24]。

此外，通过过量表达氧化保护物质，去除过氧化自由基毒害，可以使转基因植物的耐盐能力得到明显改善。过量表达谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽超氧化物酶的烟草导致氧化性谷胱甘肽的含量大幅度提高，在盐胁迫下可迅速生长，明显高于野生型植株[25]。

5 问题与展望

近年来，通过基因工程导入单个基因，以提高植物耐盐性的工作取得了一定的进展，但是也存在一些局限和问题。（1）植物品种的局限性。现在的研究多限于一些模式植物，在培育实用的耐盐农作物和木本植物上进展十分缓慢，因此有必要加强经济作物耐盐遗传转化体系的建立和研究。（2）转化效果的局限性。转基因植物在一定程度上提高了耐盐性，但往往不够高，没有达到真正的实用水平。（3）产业推广的局限性。人为控制的测试与真正的自然盐碱环境不同，实验室里的结果很多难以经得起实践考验，产业化进程缓慢。

植物耐盐基因工程在探索中不断前进着。随着对耐盐机制的深入了解，各种技术手段的不断更新发展，理论与技术紧密联系相互融合，人们将在不久的未来培育出耐盐性很高的转基因植物新品种，实用性的提高与产业化的推广也会逐步实现。

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