补血草属植物资源的耐盐性研究进展

2014-03-26 11:26王琳珊吴文龙李维林
关键词:大叶黄花克隆

王琳珊,马 丽,吴文龙,李维林

(江苏省中国科学院 植物研究所,江苏 南京 210014)

盐害影响着植物体光合作用、蛋白质合成、能量和脂肪代谢等生长发育过程,是导致农作物减产的主要原因之一[1]。全世界盐渍土地面积约109hm2,在我国也存在着大片的盐碱地,仅沿海滩涂就多达6.7×106hm2[2-3]。因此,有关盐生植物耐盐机理的研究以及如何增强植物的抗盐性、提高作物在盐胁迫下的产量成为人们关注的焦点[3-5]。补血草属(LimoniumMill.)植物为白花丹科(Plumbaginaceae)多年生草本或亚灌木,植物体通过盐腺这一泌盐结构将多余的盐离子排出体外,从而控制体内的离子水平,以适应高盐环境[6],因此其广泛分布于草原和内陆盐碱地上。据中国植物志记载,全世界补血草属植物资源有300种,我国有17~18种,主要分布于西北、东北、华北、新疆、甘肃、内蒙古和宁夏等地[7]。

补血草属植物是一种优良的野生植物资源,可作为药用植物,具有补血、止血的功效[8];同时,因其花色艳丽、花期长而具有很高的观赏价值。研究此类植物的抗逆机理有利于推动抗逆植物资源的开发和利用。目前,对于该属植物的耐盐性研究多集中于叶片盐腺结构的显微观察、植株在不同盐浓度处理下的生理响应,以及耐盐相关基因的克隆与功能分析等方面。现对该属植物中研究较多的中华补血草(Limoniumsinense)、黄花补血草(Limoniumaureum)、大叶补血草(Limoniumgmelinii)和二色补血草(Limoniumbicolor)的耐盐性以及该属植物间的耐盐性比较研究结果进行了综述,以期为今后有关补血草属植物资源耐盐性的研究提供参考,并为该属植物资源的开发利用提供理论依据。

1 几种补血草属植物的耐盐性

1.1 中华补血草

中华补血草主要分布于我国的东北、华北及陕、甘、宁等地。喜生于沿海盐渍化的低洼湿地上,既可作为盐碱地指示植物,还可用来使盐土脱盐,改善盐地土壤结构,被誉为盐碱地改造的“先锋植物”;此外,其还具有祛湿、清热、止血等药用功效,还可作为插花材料,以供观赏。

2005年,郭善利[9]构建了中华补血草叶片的cDNA文库,其中耐胁迫调控基因的EST占EST总数的3.4%,为利用生物信息学分离与鉴定中华补血草中的耐盐基因提供了条件。2007年,丁烽[10]发现,适当浓度的NaCl和KCl处理可显著促进中华补血草盐腺的发育及泌盐能力,而过高浓度的NaCl和KCl处理会使盐腺的直径减小,但却显著促进了盐腺的泌盐能力。同年,李妍[11]分析了中华补血草K+通道基因、FLA基因和NKCC基因表达量随NaCl处理浓度和时间梯度的变化趋势,发现在100 mmol/L NaCl条件下植株生长最好,一些重要的有机渗透调节物质和酶对植株在盐胁迫环境下的生长起到了一定保护作用。2009年,李妍[12]研究了不同浓度的NaCl、Na2SO4、Na2CO3及混合溶液对种子萌发的影响,结果表明,低浓度的单盐胁迫有利于补血草种子的萌发,盐胁迫对根长的抑制作用比对叶长明显。2008年,李维焕[13]采用RT-PCR 和 3′-RACE 技术,克隆获得了中华补血草液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白LsNHXs基因家族3个成员LsNHX1、LsNHX2 和LsNHX3的保守区序列以及LsNHX2和LsNHX3的 3′端特异序列,构建了植物基因 RNAi 沉默表达载体,并对中华补血草进行转化,获得了3个单基因和1个双基因的 RNAi 沉默表达植株,通过分析转基因植株和野生型植株的叶表面分泌物与叶组织内Na+、K+的含量,发现中华补血草液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白 LsNHX1、 LsNHX2 和 LsNHX3 的作用机制不同。其中LsNHX2可能定位于小囊泡上,沉默表达后,区隔化的Na+含量降低,导致通过囊泡运输分泌的Na+含量降低;LsNHX1 和 LsNHX3 可能定位于中央大液泡上,主要负责 Na+的区隔化,沉默表达后,液泡中区隔化的 Na+含量降低,胞质中的 Na+含量增加,刺激盐腺泌盐,导致叶片分泌物中 Na+含量增加。2009年,王晓玲[14]利用显微切割技术(Laser microdissection,LMD),从撕取的下表皮上切取盐腺细胞,从中提取总RNA,经反转录后体外扩增出aRNA,用于构建中华补血草盐腺细胞特异性cDNA文库,并通过扫描电镜技术(Scanning electron microscopes,SEM)研究了盐腺的发育情况,发现经过盐处理的植株叶中盐腺数目比未经盐处理的多,但是二者的盐腺发育开始时间没有明显差别;在同一片叶上存在不同发育阶段的盐腺细胞,其发育时间远比气孔早。2011年,辛莎莎等[15]采用叶表皮印痕、扫描电镜以及石蜡切片法对叶片进行解剖,观察其成熟盐腺的结构、盐腺的发育特征及盐腺的密度,发现上表皮的盐腺密度比下表皮略小,成熟的盐腺由20个细胞构成,分别经历了单细胞时期、2细胞时期、4细胞时期、8细胞时期、16细胞时期和20细胞时期的不同发育阶段。2011年,刘瑜等[16]克隆得到包含完整开放阅读框的金属硫蛋白基因的cDNA序列,对其进行了序列分析和蛋白质预测,并利用半定量-PCR 技术对该基因在盐胁迫下的表达模式进行了分析,结果表明,在 30 g/L NaCl 溶液处理下,随着盐处理时间的延长该基因的表达量逐渐升高,在盐处理 48 h 时表达量最高,之后其表达量出现下降。2012年,张莹等[17]对中华补血草Syntaxin基因进行了克隆。Syntaxin 类蛋白通过广泛参与植物细胞中的膜泡运输过程,影响植物的细胞分裂、抗病、抗盐及植物的向重力性应答等众多生理过程[18-20]。同年,张侠等[21]用 500 mmol/L NaCl 对中华补血草进行处理,发现中华补血草在短时间 NaCl 处理时能依靠抗氧化酶系统及时清除活性氧,减少氧化损伤,维持生长。

1.2 黄花补血草

黄花补血草分布于中国呼伦贝尔沙地、浑善达克沙地、毛乌素沙地、乌兰布和沙漠、腾格里沙漠及甘肃河西走廊沙地、华北北部等地。黄花补血草金黄色膜质花萼长时间不落,在干旱的荒漠地区极为醒目。黄花补血草具有止痛、消炎和补血的功效,还可用来制作干花,是中国西北地区重要的野生植物资源。

2010年,岳延峰等[22]研究了NaCl、NaHCO3胁迫对黄花补血草生理生化特征的影响,认为黄花补血草抗NaCl胁迫的能力强于抗NaHCO3的能力。2012年,倪细炉等[23]利用扫描电镜和石蜡切片法对黄花补血草的叶片进行解剖学研究,发现其叶片上、下表皮有大量的盐腺分布,且下表皮的盐腺密度比上表皮大,盐腺周围有7~9个表皮细胞呈辐射状排列;成熟结构的盐腺由12个细胞构成,分别经历了单细胞时期、2细胞时期、4细胞时期、8细胞时期和12细胞时期的不同发育阶段。同年,尤佳等[24]研究了不同浓度 NaCl 胁迫对黄花补血草种子萌发和幼苗生长产生的抑制效应及作用机制,结果表明,黄花补血草对低浓度的NaCl具有一定的耐受性,但高浓度NaCl降低了种子的萌发率,使幼苗根中H2O2浓度增加,抑制根尖伸长区细胞的伸长生长,对根、叶造成明显氧化损伤,从而抑制黄花补血草幼苗的生长。2013年,尤佳等[25]研究了不同浓度NaCl处理下黄花补血草幼苗中渗透调节物、活性氧含量和抗氧化酶活性的变化,结果表明,黄花补血草在盐胁迫下可以通过积累渗透调节物和提高超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性,使其具有较强的渗透调节能力和抗氧化能力,从而增强对盐环境的适应性。

1.3 大叶补血草

大叶补血草是新疆特有的泌盐盐生植物,其群落生境土壤多为草甸盐土。在长期的自然选择进化过程中,大叶补血草产生了适应特定盐碱条件的结构、基因和生理、生化机制。大叶补血草具有清热祛湿、止血散瘀和消炎等功效;另外因其花朵密集,可做切花观赏用。

2009年,周玲玲等[26]得到了大叶补血草Na+/H+逆向运输蛋白基因LgNHX1的cDNA序列,氨基酸同源性分析表明,大叶补血草LgNHX1与北滨藜、小麦、盐角草和拟南芥液泡型Na+/H+逆向运输蛋白的一致性分别为82.62%,82.01%,80.64%和 75.86%;预测分析表明,LgNHX1具有11~12个跨膜结构区域;系统发育分析表明,该蛋白与液泡型Na+/H+逆向转运蛋白的亲缘关系较近,与质膜型Na+/H+逆向转运蛋白亲缘关系较远。同年,宋晓丽[27]用 RT-PCR 的方法克隆了大叶补血草LgNHX1的编码区,并将其转入烟草、番茄,经不定芽诱导、生根培养,获得了转基因烟草和番茄植株,并通过试验证明,在相同浓度NaCl胁迫下,转基因烟草的叶绿素含量较未转基因烟草高,而丙二醛含量和细胞膜透性较未转基因烟草低,说明LgNHX1基因的转入在一定程度上提高了烟草的耐盐性。周玲玲等[28]用RT-PCR及RACE方法分离出大叶补血草Na+/H+逆向转运蛋白基因LgSOS1的cDNA序列,氨基酸同源性分析表明,大叶补血草LgSOS1与冰叶午时花、沙拐枣、番茄、盐芥和拟南芥质膜型Na+/H+逆向转运蛋白的一致性分别为69.02%,64.42%,61.96%,60.12%和59.62%。2010年,马苏勇等[29]克隆了大叶补血草质膜型Na+/H+逆向转运蛋白基因SOS1,并将其成功整合至番茄的基因组中。

1.4 二色补血草

二色补血草广泛分布于内蒙古、陕西、山西、河北、山东、河南、江苏等多个省份,常见于海拔500~2 000 m的海滨碱滩和草地沙丘,可作为干旱、盐碱地区优良的绿化地被植物。二色补血草具补血益气和止血散瘀的药用功效,并因其花萼宿存,可以长期保持美丽的花色与花型而适宜作为观赏花卉。

早在1986年,赵可夫等[30]就用石蜡切片法观察到二色补血草叶片上的盐腺由16个细胞组成,呈辐射状排列成4层,每层4个细胞,由内向外依次是分泌细胞、毗连细胞和2层杯状细胞,盐腺基部为4个较大的收集细胞。1994年,陆静梅等[31]利用扫描电子显微技术,对二色补血草叶片上的盐腺解剖学特征进行研究,在表皮中发现了由5~7个大型基细胞和2个分泌细胞组成的花型盐腺,其多分布在下表皮细胞中,形大且排列较密。之后,在1995年,陆静梅等[32]发现,二色补血草靠盐腺的泌盐孔和基细胞破碎释盐,表明二色补血草具有较高级的双重泌盐结构。2008年,张伟玉等[33]观察发现,二色补血草的大型圆形盐腺是由4个大型基细胞和4个较小分泌细胞组成的。

近年来,有关二色补血草耐盐相关基因的克隆工作也在不断进行中。2008年,马辉[40]建立了NaHCO3胁迫下二色补血草的cDNA文库,并对文库中的克隆进行序列测定,共筛选到2 358个高质量的EST序列,建立了二色补血草ESTs数据库,其中1 418条EST序列与己知基因序列高度同源;应用cDNA芯片技术研究了NaHCO3胁迫下二色补血草的基因的表达,共获得146个差异表达的基因;从文库中克隆出液泡膜H+-ATPase c亚基VHA-c基因全长序列,通过分析VHA-c基因在盐胁迫下表达情况变化,确定了该基因为耐盐相关基因,并将此基因转化烟草,获得转基因株系,发现转基因植株的耐盐性较对照明显提高。之后,蒋丽丽等[41]进一步研究了NaCl、NaHCO3和Na2CO3胁迫不同时间下二色补血草LbVHA-c基因的表达模式,结果表明,NaCl可强烈诱导二色补血草叶片组织中该基因的表达,但该基因在根部的表达变化不明显;NaHCO3胁迫下LbVHA-c基因在根部组织的表达受到了抑制;Na2CO3胁迫24 h 时LbVHA-c基因在根部和叶片组织中的表达都受到了强烈抑制,随后在根部和叶片组织的表达量逐步升高。2009年,班巧英[42]克隆了二色补血草LbDREB全长cDNA序列,采用RT-PCR检测LbDREB在各种非生物胁迫下的组织表达特异性,结果表明,LbDREB基因能对多种非生物胁迫做出响应,其中NaCl、KCl、Na2CO3、NaHCO3、低温、PEG能够诱导该基因的表达,而CuSO4、CdCl等胁迫则抑制了LbDREB基因的表达;将此基因转入酵母和烟草中,与非转化的对照相比,被转化的酵母和烟草对盐胁迫的抵抗能力均有所提高。2008年,张大伟等[43]从400 mmol/L NaHCO3胁迫下的二色补血草叶片cDNA文库中分离出1个硫氧还蛋白(Trx)基因全长cDNA序列,NaCl可诱导Trx基因在二色补血草叶中表达,而聚乙二醇和低温处理则抑制Trx在二色补血草根和叶中的表达。之后,张大伟[44]克隆了二色补血草LbGRP基因的全长cDNA序列,并利用RT-PCR技术对LbGRP基因在二色补血草中的表达特性进行了研究,结果表明,冷胁迫诱导了LbGRP基因的表达,NaCl胁迫抑制了LbGRP基因的表达;将LbGRP基因转入烟草基因组中,经盐胁迫后转基因株系的POD、SOD、CAT活性、脯氨酸和可溶性蛋白含量均较非转基因植物有所提高。由于LbGRP基因具有转录后调控作用,从而推测LbGRP基因可能通过调控增强抗氧化防御系统有关酶及脯氨酸含量,来提高植物对盐胁迫的耐受能力。同时,通过对无机离子含量的分析,表明转基因株系通过调控降低Na+的毒害,调节细胞的Na+与K+比率,维持了高K+、低Na+的离子均衡,从而提高了植物对盐胁迫的耐受能力。说明LbGRP基因不同程度地提高了转基因烟草的抗逆能力,证实了调控基因LbGRP能提高植物抗盐胁迫的能力。潘妍等[45]将LbGRP基因克隆并转化到酿酒酵母INVSc1菌株中,发现被转化菌株在各种胁迫下的存活能力均有所提高。2010年,刁桂萍[46]从二色补血草中克隆出了1条GST基因 (LbGST),该基因能够对盐、冷、碱、干旱等多种胁迫做出应答反应,亚细胞定位表明,LbGST是一个定位于细胞核的蛋白;将LbGST基因转入酿酒酵母后,重组酵母对NaCl、NaHCO3、低温、PEG、高温和紫外线均有较高的耐受性;将该基因转入烟草中,盐胁迫下多数转基因烟草的GST、GPX、SOD、POD、CAT活性以及脯氨酸含量均高于非转基因烟草,而MDA含量比非转基因烟草低,同时LbGST基因的过量表达扰乱了转基因烟草对于K+的吸收,从而有效地抑制了转基因烟草对Na+的吸收,使得转基因烟草Na+含量在盐胁迫条件下始终保持较低水平,这些结果说明,LbGST基因的过量表达可能减少了过氧化反应以及膜受损害程度,提高了一些与活性氧清除相关酶的活性,从而增强了植物的抗逆能力。2011年,刁桂萍等[47]在从400 mmol/L NaHCO3胁迫下建立的二色补血草叶片cDNA文库中,分离获得了一个编码硫氧还蛋白过氧化物酶的基因,并将其命名为LbTPx;实时定量PCR结果表明,在不同的非生物胁迫条件下,LbTPx基因的表达模式不同;NaCl 和CuSO4胁迫均能诱导LbTPx基因在根和叶中表达;ABA、ZnCl2和CdCl2处理则只能诱导LbTPx基因在叶中表达,而抑制其在根中的表达。此外,LbTPx基因在叶中的表达量明显高于根,说明该基因的表达具有一定组织特异性。

2 补血草属内不同种植物间耐盐性的比较

2006年,周玲玲等[48]利用扫描电镜技术对大叶补血草(Limoniumgmelinii)、耳叶补血草(Limoniuotolepis)、繁枝补血草(Limoniummyrianthum)和簇枝补血草(Limoniumauream)4种补血草属植物的叶表面进行了观察,发现这4种植物的上、下表皮都分布有盐腺,且上表皮的盐腺密度大于下表皮,盐腺的基本结构相同,但4种植物的盐腺密度、大小以及盐腺与周围表皮细胞的位置等方面存在差异。同年,刘萍[49]发现,大叶补血草和耳叶补血草对盐渍环境的忍耐特性有同有异,且这2种补血草种子都能在一定浓度盐胁迫条件下萌发;在抵抗盐分胁迫时,这2种补血草可发挥多种耐盐方式,从而提高了它们在恶劣的荒漠盐渍环境中的适应性。2007年,周玲玲等[50]利用叶片离析法和石蜡切片法研究了大叶补血草、耳叶补血草、繁枝补血草和簇枝补血草的叶片形态结构,发现这4种补血草的叶片结构适应特征存在异同;同时,对大叶补血草和耳叶补血草的营养器官结构及耐盐生理的适应性进行了研究,发现这2种补血草都属于典型的泌盐盐生植物,其盐腺是典型的多细胞盐腺。2007年,王雁等[51]用不同浓度NaCl处理二色补血草、大叶补血草和黄花补血草,发现大叶补血草和黄花补血草比二色补血草更耐盐。同年,张超强[52]通过测定NaCl胁迫下一些生理指标的变化,发现黄花补血草比大叶补血草更耐盐。

3 结 语

补血草属的植物是一类具有重要经济价值的、适应力极强的泌盐盐生植物,可作为药用植物,具有补血、止血的功效,同时还因其花色艳丽,花期长,具有不凋谢的干膜质花萼等而具有很高的观赏价值,并且在盐碱地绿化、改善环境方面有着重要的生态效应。目前,对于该属植物的研究,人们已经探明了其盐腺的形态构造及泌盐的过程和规律,一些耐盐相关基因也已从该属植物中被克隆出来。今后,对盐腺的泌盐机制、泌盐植物的耐盐机理及与泌盐功能有关的关键酶和关键调控因子的研究将会成为重点。

补血草属植物是优良的野生植物资源,研究其抗盐机理有利于推动抗逆植物资源的开发和利用,对保护和改善生态环境提供理论基础。在研究该属植物对盐渍生境适应机制的基础上,应进一步利用分子生物学手段,发掘该属植物作为泌盐盐生植物提供的特殊抗盐基因库,然后将这些基因转移到非抗盐农作物中,培育出抗盐的转基因作物新品种,这对盐碱地的利用意义重大。

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