大麦耐盐性鉴定方法及耐盐机理研究进展

袁金娥 刘家娴，2 先 锐 刘新春 冯宗云

(1.四川农业大学农学院植物遗传育种学系大麦研究中心，四川 成都 611130;2.四川甘孜藏族自治州农业科学研究所，四川 康定 626000)

盐碱土是导致世界范围内作物低产的主要土类之一。目前，分布在我国西北、东北及滨海地区的盐碱荒地和盐碱障碍耕地，总面积超过3 300万hm2，约占耕地面积的36%，常年造成我国许多农作物产量的严重损失。当前全球土地沙漠化、盐碱化呈现逐步加重趋势，据统计，全球盐碱地正以每年100万～150万hm2的速度增长。如何提高作物耐盐性备受广泛关注。尽管大麦的耐盐性普遍较其它作物强，但对盐分浓度相当敏感，在盐胁迫下其生长发育受到明显抑制，特别在芽期和苗期。本文对近年来国内外鉴定大麦耐盐性的主要方法及其机理的研究进展进行了综述。

1 大麦耐盐性鉴定方法

植物的耐盐性是多种抗盐生理性状的综合表现，不仅受外界条件影响，而且不同植物不同品种在不同生长时期的抗盐能力也不一致。根据目前国内外的研究状况，大麦耐盐性鉴定主要采取直接鉴定法和生理生化鉴定法。

1.1 直接鉴定法

直接鉴定法通常是在实验室利用不同浓度的盐分溶液对植物进行盐胁迫处理，主要在芽期和苗期调查其发芽状况、生长情况、形态表现等评定其耐盐性。郎淑平等［1］以种子发芽势、发芽率、发芽指数、萌发活力指数以及幼苗相对生长率为指标，研究了NaCl胁迫对10个大麦品种 (系)种子发芽的影响。乔海龙等［2］通过对不同大麦品种在不同盐分浓度下的发芽率、发芽势、发芽指数和相对盐害指数等相关数据的分析，综合评价了盐分胁迫下大麦种子在发芽期间的耐盐性。综合来看，相对盐害指数和相对生长率是比较重要的指标。

1.2 生理生化鉴定法

该方法主要通过测定植物体内的一些生理生化因子的变化来鉴定作物的耐盐程度。盐分胁迫下植物细胞内有许多种溶质含量会发生变化。

1.2.1 甜菜碱与脯氨酸。甜菜碱是一种非毒性渗透调节剂和酶的保护剂，在一定程度上保持盐胁迫下细胞膜的完整，有利于提高作物的耐盐性。甜菜碱与麦类作物耐盐性的关系已得到公认，Nakamura等早在1996年对大麦的研究就证明甜菜碱的积累量与品种耐盐性呈正相关，赵勇等研究也证实，甜菜碱含量与小麦耐盐性呈正相关［3］。脯氨酸在渗透调节中的作用及其含量是否与耐盐性有直接联系，看法还不尽一致。有研究表明，植物体内脯氨酸含量随外界盐浓度的增加而升高，但不能就此肯定脯氨酸是植物耐盐的原因。1996年，Colmer等对不同耐盐程度的大麦盐处理后发现对双倍体的抗盐性起作用的是甜菜碱的积累而不是脯氨酸，Liu等［4］认为将脯氨酸作为盐分胁迫的敏感性指标更合适。赵福庚等［5］发现盐胁迫下，脯氨酸具有渗透保护剂的功能，但占渗透调节物质总量的比例仍较低。因此，甜菜碱的含量变化可作为鉴定大麦耐盐性的一个生理指标，而脯氨酸则不一定。

1.2.2 可溶性糖与可溶性蛋白质。可溶性糖是很多非盐生植物的主要渗透调节剂，对细胞膜有稳定作用。在盐分胁迫下，尤其是具有一定耐盐能力的植物茎叶中可溶性糖含量明显增加。郭晓丽等［6］在对不同小麦品种进行耐盐性分析发现随着盐浓度的增加，可溶性糖含量呈上升趋势，也有研究表明耐盐大麦在盐胁迫下比盐敏感大麦的葡萄糖代谢活性高。另外，盐胁迫条件下植物细胞中蛋白质合成代谢也增强，Bradburg等于1990年对大麦耐盐品种CM 72和盐敏感品种Proto进行胁迫研究发现CM 72的根中有许多种蛋白质含量比对照株多，而且某些蛋白质的变化还与品种的耐盐性有关。这说明可溶性糖含量和可溶性蛋白含量可以作为鉴定耐盐性的一个参考指标。

1.2.3 矿质元素。Na+、K+和Cl-是植物体内主要的无机渗透调节离子，它们在植物体内的分布及含量是决定植物耐盐程度的关键。一般情况下，当植物受到盐分胁迫时，胞间K+浓度下降，但是有一定耐盐性的植物如麦类作物则具一定机制选择性的吸收K+，排出Na+、Cl-以提高植物耐盐能力，所以茎叶中K+/Na+是反映植物耐盐特性的良好指标。

1.2.4 质膜透性和丙二醛。相对电导率能够表示细胞膜透性的大小，可以反映细胞膜在逆境下的受损程度。李磊等［7］以不同大麦为亲本配置了10个双列杂交组合，经三年田间试验，结果表明据质膜透性和渗透势的变化可大体估出植株的耐盐性。丙二醛 (MDA)是膜脂过氧化作用的产物，李尉霞等［8］研究发现大麦幼苗在盐胁迫下其MDA含量随胁迫强度的加深呈上升趋势，说明NaCl胁迫使大麦幼苗叶片膜脂过氧化作用加强，膜透性增加。因而，MDA含量的积累和膜透性的增加可作为鉴定植物耐盐性的生理指标。

1.2.5 酶促保护系统。酶促保护系统包括超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化物酶 (POD)和过氧化氢酶 (CAT)等酶，植物清除氧自由基的酶主要是SOD，它还可清除因膜脂过氧化而产生的MDA，以降低盐分胁迫对植物造成伤害。陈沁等［9］以滩引5号耐盐大麦和CT16盐敏感大麦为试材，发现盐胁迫下，CT16叶内GSH含量呈下降趋势，而滩引5号却是先上升后下降，与植物体内K+/Na+极显著正相关，对材料进行外源GSH处理后发现SOD含量明显增加，表明了SOD活性在大麦耐盐中的重要性。李尉霞等［8］对大麦苗期耐盐性的研究也表明，盐胁迫可以诱导增强大麦叶片的SOD活性，表明其活性变化与大麦幼苗的耐盐性相关。目前，SOD的活性已普遍作为评定植物抗盐能力的生理指标。

1.2.6 脱落酸 (ABA)。在盐分胁迫下，植物体内的IAA、CTK、GA、ETH、ABA等均发生不同程度的变化，其中ABA受环境条件影响最大。ABA是许多植物生理过程中的重要激素，有助于增强植物的耐盐耐旱能力。有研究表明，盐胁迫条件下植物中ABA水平明显上升。外源ABA可以引发植物中调渗蛋白的合成，而且施用ABA可降低盐胁迫下植物地上部分Na+/K+比值，使膜伤害程度下降提高耐盐性。这说明，脱落酸在某种程度上可以作为鉴定植物耐盐性的生理指标。

2.2.7 叶绿素含量。叶绿素是植物体进行光合作用的关键色素，它能直接反映光合效率。盐分胁迫破坏叶绿体结构，使叶绿素含量下降，影响色素蛋白复合体的功能，最终影响植物的光合作用。肖雯等［10］通过对几种典型盐生植物和非盐生植物的比较研究，结果表明叶绿素含量不能直接反映植物的耐盐性，只能作为参考指标与其他多种指标一起进行综合考虑。

目前，对植物的耐盐性鉴定尚无统一的生理生化指标，故上述两种方法都只能作为一种参考。为了使测定结果准确可靠，大多数人在对植物进行耐盐性评定时既考虑生长状况等形态指标，也考虑生理生化指标。李磊等［11］用细胞质膜透性、植物组织渗透势、K+/Na+、脯氨酸含量、根系活力及干物质重作为大麦耐盐性鉴定的指标。

2 大麦的耐盐机理

当植物受到盐分胁迫时，植物体内发生一系列复杂的生理过程。大麦属于盐生植物，其耐盐性机理涉及诸多方面，对盐分胁迫的生理调节通常包括选择性积累或排出相关离子、控制植物根部对离子的吸收、将离子进行区域化、合成相容性溶质、改变光合作用途径、诱导激活抗氧化酶活性、诱导产生植物激素等［12］。

2.1 无机离子的渗透调节作用

在盐分胁迫下，植物都通过从外界吸收盐离子和自身合成有机小分子物质来进行渗透调节。正常情况下，大多数盐生植物细胞吸收K+作为主要渗透调节剂，Gorham曾在他的研究中提到麦类作物的耐盐性与其茎叶部位对Na+和Cl-的有限积累及高K+/Na+保持能力有关，非盐条件下植株茎叶和根系Na+含量基本相近，随着盐浓度的增加，茎叶和根系中K+含量下降，且在一定浓度范围内，K+含量下降的平均幅度小于根系，这说明麦类植株地上部具有维持较高K+/Na+比率的能力。在普通小麦中，控制K+/Na+选择性的kna1位点对于盐分胁迫后的产量非常重要［13］。大麦以体外吸收的无机离子如 Ca2+、Na+、K+等阳离子及 PO43-、SO42-等阴离子为主要渗透调节剂，植物体保持细胞内高K+/Na+有利于K+行使Na+无法替代的重要功能。

2.2 Na+的区域化与外排作用

许多盐生植物通过调节离子吸收和区域化来抵抗盐胁迫造成的伤害。离子的区域化是指在盐胁迫下植物细胞将积累的过量无机离子运输并贮藏在液泡或其他组织中。将Na+排出细胞质或将其区域化的实现主要依赖位于膜上的Na+/H+逆向转运蛋白。SOS1基因编码的SOSl蛋白即位于质膜上的Na+/H+反向运输体，它是SOS基因家族中与植物耐盐性关系最直接的［14，15］。拟南芥在盐胁迫下，其根、茎、叶细胞中SOS1的mRNA的表达增强。根尖中的SOS1可把Na+排到胞外，部分进入到根、茎和叶木质部液流中的Na+可被SOS1重吸收，控制Na+向上运输［16］。决定植物耐盐性高低的另一因素是质膜H+-ATP酶，它在大多数液泡泵H+活性中起主导作用，约占液泡膜蛋白的6%～8%。研究发现，大麦根部没有专门的排盐器官，主要通过ATPase水解ATP时释放的能量将Na+排出根细胞。耐盐大麦品种的根尖细胞质膜ATPase活性高于盐敏感品种，故排Na+能力较强，从而减少根细胞中Na+的浓度及Na+向地上部的运输［17］。

2.3 相容性溶质的调节作用

植物体内的有机渗透调节物质大致可分为3类:氨基酸及其衍生物，如甘氨酸、甜菜碱等;糖类及其衍生物，如葡萄糖等;多元醇类。许多植物在盐渍和干旱环境下，都会在细胞中积累甘氨酸、甜菜碱类物质。许多代谢中的重要酶类由于甜菜碱的积累在渗透胁迫下保持活性，在一定程度上保持了细胞膜的完整性，避免了盐害作用。甜菜碱的积累与植物受盐胁迫的严重程度成比例，如大麦在300 mMNaCl的高盐条件下，BADH的mRNA量在叶片中增加了8倍，而且可以通过持续的盐胁迫状态来保持。一般认为，脯氨酸的作用主要是平衡液泡中的高浓度盐分，避免细胞质脱水，但关于脯氨酸与盐胁迫之间的关系迄今仍有争议。糖醇是一种多元醇，含有多个羟基，能有效地维持细胞内膨压，从而具有抗盐作用。在盐胁迫条件下，许多植物都会合成并积累糖醇。

2.4 抗氧化酶体系的作用

正常条件下植物体内的活性氧的产生和猝灭处于动态平衡［18］，植物受到盐胁迫时，动态平衡被打破，细胞内还积累过量活性氧类物质 (ROS)，若诱导产生的活性氧不能被及时清除，就会通过破坏细胞膜和一些大分子导致氧化损伤，因此植物耐盐的另一个方面还取决于其抗氧化酶保护体系的活力。大麦等在盐胁迫条件下能产生一些清除活性氧的酶类和抗氧化物质，如超氧化物歧化酶 (SOD)、抗坏血酸过氧化物酶 (APX)、过氧化氢酶(CAT)等。SOD作为植物抗氧化系统的第一道防线，具有清除细胞中多余超氧根阴离子的功能。Mandhania等［19］对小麦的研究发现，盐胁迫下CAT的表达量与K+/Na+比呈正相关，与膜结构损害程度呈负相关。

2.5 代谢调节

大麦在盐胁迫下，要么增加某些蛋白质含量要么诱导合成新的蛋白质，而且蛋白质的种类和数量的变化都与品种的耐盐性有关。晚期胚胎发生富集蛋白 (LEA)是一类在植物发育晚期胚胎中大量积累的家族性蛋白质。大麦的HVA1基因即为LEA基因。Xu等在1996年将大麦的耐盐相关HVA1基因转入水稻中，明显提高了转基因水稻的耐盐性，并且其耐盐性和HVA1蛋白的积累呈正相关。Badu等［20］发现大麦HVA1(LEA3)基因的表达可以保护盐胁迫条件下水稻根部细胞的细胞膜，使转基因水稻的耐盐性得到提高。除LEA外，转录因子在植物耐盐基因工程中也起很大作用，它是能够与真核基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性相互作用的DNA结合蛋白。Oh等［21］将HvCBF4转入水稻而提高了水稻的耐盐性，Wu等［22］研究了HvCBF基因在西藏一年生野生大麦中耐盐性作用，结果表明，HvCBF4基因与大麦耐盐性最相关。

2.6 激素调节

高盐环境会引起植物激素如脱落酸 (ABA)和细胞分裂素 (CTK)水平的上升。Kuiper等于1990年研究了盐胁迫下不同大麦品种细胞分裂素(CTKs)含量的变化，发现盐胁迫使耐盐品种中的玉米素 (Z)及玉米素核苷 (ZR)含量迅速下降，而盐敏感品种中Z及ZR至少10 d内保持不变。Zhao等［23］研究了盐胁迫下大麦根系多胺代谢与其耐盐性的关系，发现在盐处理下，亚精胺 (Spm)含量不发生明显变化而多胺含量变化显著，随着盐浓度增加，耐盐品种Jian4比盐敏感品种Kepin7增加趋势更明显。这说明，多胺含量对于大麦耐盐性非常重要。

综上，国内外对植物的耐盐机理、盐胁迫下植物的变化以及耐盐的鉴定技术等方面做了大量研究，对大麦的研究也较多。大麦的耐盐性是由多基因控制的数量性状，不同品种适应盐渍环境的方式多种多样，同时受多种因素的影响。目前对大麦耐盐过程的许多调控机理还不十分清楚。随着对植物盐胁迫下离子通道行为、信号转导和转录因子等问题研究的不断深入及转基因技术的发展，将有利于弄清大麦耐盐性机理。利用大麦的耐盐性去有效地开发滩涂、盐碱地，促进农业生产的发展，具有巨大前景。

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