盐胁迫下逆向转运蛋白对植物耐盐性影响的研究进展

迟 越， 冯紫洲， 李 平， 张继星

(内蒙古民族大学生命科学学院/内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心，内蒙古通辽 028000)



盐胁迫下逆向转运蛋白对植物耐盐性影响的研究进展

迟 越， 冯紫洲， 李 平， 张继星*

(内蒙古民族大学生命科学学院/内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心，内蒙古通辽 028000)

摘要在高浓度NaCl胁迫下，土壤中Na+和Cl-浓度过高将导致植物机体出现渗透压改变和离子中毒的现象，致使植物代谢异常。此外，盐胁迫还影响植物的Ca2+和K+等矿质元素的吸收。植物为抵御高浓度盐对自身的毒害作用，通过膜逆向转运蛋白将细胞内过多的Na+向外排出细胞和将Na+运入液泡区隔化。对膜逆向转运蛋白在Na+和Cl-的吸收、外排和离子区隔化以及膜逆向转运蛋白在植物抗盐性中的重要作用进行了综述。

关键词膜逆向转运蛋白；离子；区隔化；耐盐性

Effects of Reverse Transporters on Plant Salt Tolerance under Salt Stress

CHI Yue,FENG Zi-zhou,LI Ping,ZHANG Ji-xing*(School of Life Science,Inner Mongolia University for Nationalities/Inner Mongolia Industrial Engneering Research Center of Universities for Castor,Tongliao,Inner Mongolia 028000)

Abstract Under high-concentration NaCl stress,high Na+and Cl-concentrations in the soil lead to the change of osmotic pressure and ion poisoning in plant organism.Thus,plant metabolic abnormalities appear.In addition,salt stress also affects the absorption of plant Ca2+,K+and other mineral elements.To defense the toxic action of high salt concentration,excessive Na+is discharged outside the cells by membrane reverse transporters,and Na+is transported into the vacuole segregation.In this research,we reviewed the important roles of membrane reverse transporters in the Na+and Cl-absorption and excretion,ion compartmentation,and plant salt resistance.

Key words Membrane reverse transporter; Ion; Compartmentation; Salt resistance

目前，全球水资源短缺和粮食需求不足是人类发展面临的严重问题之一，要满足全球农业产品的高需求，主要通过提高耕地的生产力以及边际土地的利用2种方式[1]。目前，全球土地盐渍化日趋严重，若想在这样的环境中提高农作物产量只能依靠提高农作物对盐胁迫的耐受能力。随着各种植物的基因组的测序工作完成，能够推测出哪些蛋白参与Na+和Cl-运输，对于一价离子转运蛋白而言它们往往来自一个基因家族，包括载体介导的转运蛋白和通道蛋白。笔者对逆转运蛋白和通道蛋白在盐的吸收、外排和区隔化中的重要作用及其在提高植物耐盐性方面的研究进展进行了综述。

1盐胁迫对植物生长发育及代谢的影响

根据植物对盐的耐受能力，可将植物分为甜土植物(Glycophyte)或非盐生植物(Non-halophyte)和盐生植物(Halophyte)两大类[2]。盐生植物能够在含有高浓度盐的土壤中生长，例如，在盐沼中比较常见的四翅滨藜(Atriplexcanescens)能够在700 mmol/L的NaCl中生长且不受影响。盐生植物通过降低组织渗透压和液泡区隔化等方式来降低盐积累对自身的毒害作用，此外，还有些盐生植物利用茎和叶中的盐腺来排除过剩的有毒离子，从而降低毒性离子的积累水平[3]。大多数陆生植物，包括重要的农作物都是非盐生植物，虽然它们一般都具有相似的抗盐胁迫机制，即限制盐迁移至幼嫩组织，但是目前已发现的这些非盐生植物还是不能适应中、高浓度的盐环境，与盐生植物相比它们具有更强的盐敏感性。

盐胁迫下双子叶和单子叶植物之间生理生态变化存在显著差异。例如，对双子叶植物拟南芥中Na+的积累和耐盐性的研究不能代表大多数单子叶谷类植物的耐盐性情况[4]。植物盐胁迫过程中出现的渗透胁迫和有毒离子的积累，不仅会影响细胞代谢，而且可能引起营养失衡和氧胁迫等次生压力[5]。长期以来，盐胁迫对植物的影响与Na+的关系一直是研究的热点。Munns等[6]研究发现盐胁迫下Cl-平衡被破坏也会影响植物的生长和发育，植物也需要适当地调节Cl-浓度，维持Cl-在细胞中的稳态。大豆、柑橘和葡萄等植物在盐胁迫下，Na+主要存在于植物的根和茎中，而Cl-主要存在幼嫩组织中，对植物的光合作用等基本生理过程会有较大的影响，所以上述3种植物对Cl-积累更加敏感。

环境中过量的无机离子(如Na+和Cl-)会造成离子胁迫，植物可以通过根系吸收水分来降低盐分渗透的影响，植物还可以将Na+和Cl-区隔在液泡或不敏感组织内。此外，细胞质中积累的大量甘露醇、山梨醇、脯氨酸、甘氨酸和甜菜碱等有机渗透调节物质能够维持渗透平衡，避免细胞质中高浓度的无机离子对酶和代谢的毒害。盐胁迫下植物体内甜菜碱的积累还可以清除过多的活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，增强植物自身的抗逆性，有利于植物在盐胁迫下生长发育。然而，当植物在高盐浓度条件下生长时，液泡区隔化能力达到饱和，这种情况下植物体内积累过量的Na+就会影响细胞中生理生化反应[7]。

此外，盐胁迫还可以导致植物出现氧化胁迫的现象[8]，产生过量的ROS，包括超氧自由基(O2-)、过氧化氢(H2O2)和羟基自由基(·OH)，植物可以利用超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、抗坏血酸氧化酶(Ascorbate peroxidase，APX)和谷胱甘肽还原酶(Glutathione reductase，GR)清除细胞内过剩ROS。

另外，有学者利用不同方法证实膜逆向转运蛋白与植物抗盐性密切相关。例如，Apse等[9]利用酵母作为植物蛋白异源表达宿主，对液泡Na+/H+逆转运蛋白(NHX1)及质膜Na+/H+逆转运蛋白(SoS1)[10]。研究表明，液泡Na+/H+逆转运蛋白和质膜Na+/H+逆转运蛋白能够将细胞质中过多的Na+逆向区隔化在液泡内，从而维持Na+稳态和Na+/K+比值的相对稳定，此外，由于过多的Na+区隔入液泡，降低了细胞的渗透势，促使细胞从外界环境中吸水来维持渗透平衡。

2盐胁迫下植物对盐离子吸收和外排作用

2.1土壤盐分的吸收植物应对盐胁迫的方式之一是严格控制根系对Na+和Cl-的吸收[11]，在高盐土壤中盐生植物根系吸收大量无机物来平衡自身生长和渗透需要，而对甜土植物而言Na+等离子的内流远远超过植物自身的正常需求[12]，必然会对植物自身造成一定的负面影响。因此，了解根系吸收Na+和Cl-的分子机制，控制根系对Na+和Cl-的摄取，就有可能减轻盐胁迫对植物的破坏。

2.2非选择性阳离子通道对Na+吸收的重要作用植物的抗盐能力与植物体内Na+、K+的平衡密切相关，并且Ca2+可以对此加以调节，然而Na+和Ca2+的转移不能通过K+选择性通道，因此Na+、K+的平衡和Ca2+的调节过程必然会通过非选择性阳离子通道(Non-selective cation channels，NSCCs)。2005年Kader等[13]采用Na+染料SBFI直接监测盐敏感水稻细胞中Na+水平，结果表明通过NSCCs方式吸收的Na+在Na+总吸收量中占较大比例，因此NSCCs在Na+吸收和增强植物抗盐性方面具有重要作用。

2.3逆转运蛋白对Na+吸收和外排的重要作用高亲和性钾离子转运系统(High affinity potassium transporters，HKTs)是介导Na+和K+转运的载体型蛋白[14]，HKTs最初是从小麦植株内克隆出来的，并证实HKTs正是介导根K+吸收的高亲和主要载体[15]。但是，后续的研究表明HKTs的主要功能是作为Na+和K+的协同运输载体或Na+的单独运输载体[14]。在转基因小麦中HKTs基因的翻译表达能够显著减少Na+的吸收，增强高盐浓度下植物生存和生长的能力[16]。在拟南芥中仅发现1个HKT的亚型(AtHKT1)，其主要在植物根部表达，同时在酵母和非洲爪蟾卵母细胞中也表现出较高的Na+吸收活性。在拟南芥中，AtHKT1被认为是一个潜在的Na+吸收途径[17]，但后来研究表明AtHKT1可能主要参与Na+的重新收。

2003年，Garciadeblás等[18]在拟南芥、水稻中发现9个HKT亚型。研究发现，其中OsHKT 2;1在K+离子较低的情况下具有较高的Na+离子亲和力[19]。Golldack等[20]研究表明NaCl胁迫下不同盐敏感品种植物中OsHKT 2;1在根的表皮、根和叶的表皮细胞以及维管组织的表达和表达模式是不同的。

OsHKT 1;1也已在异源表达系统的研究中被证实是一个低亲和力Na+转运载体。当Na+浓度在1~40 mmol/L范围内，OsHKT 1;1转录丰度无明显变化，但是其传输特性以及在水稻根中高水平表达显示其可能是低亲和Na+吸收途径的组成部分[18]。

环境中Na+过高能够对植物器官造成伤害，植物自身会形成自我调节机制来减轻盐胁迫带来的毒害作用。Na+/H+逆向转运蛋白在植物抵抗盐胁迫过程中扮演重要角色，其中研究人员对液泡型Na+/H+逆向转运蛋白和质膜型Na+/H+逆向转运蛋白进行了深入研究，液泡型Na+/H+逆向转运蛋白可将细胞内过多的Na+在液泡中区隔化，质膜Na+/H+逆向转运蛋白能够将Na+从质膜向细胞外排放，特别是液泡型Na+/H+逆向转运蛋白对Na+的区隔化作用是盐生植物和耐盐甜土植物抗盐的主要途径。

20世纪90年代，Blumwald等[21]首次从拟南芥中克隆出液泡型Na+/H+逆向转运蛋白基因，并将此基因转入番茄和油菜中等到耐盐的转基因植株。Apse等[22]证实液泡Na+/H+逆向转运蛋白是由538个氨基酸脱水缩合构成的，它参与植物细胞的Na+区隔化过程。

在高浓度盐处理下，植物液泡型Na+/H+逆向转运体可利用2种液泡膜质子泵(即H+-ATPase和H+-PPiase)产生的电化学梯度将液泡基质中的质子顺梯度运出液泡，同时又将胞质中的Na+逆浓度梯度区隔入液泡内积累。这样不仅降低胞质内的Na+，从而维持胞质正常Na+/K+比值，而且可以将储存在液泡中的Na+作为渗透剂。研究表明，过量表达液泡型Na+/H+逆向转运蛋白的转基因番茄、拟南芥和水稻等的抗盐性显著提高，说明液泡型Na+/H+逆向转运蛋白在植物抗盐胁迫过程中具有重要作用。

近年来，质膜Na+/H+逆向转运蛋白同样备受关注，Jia等[23]首次在粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)克隆到质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因SOD2，对粟酒裂殖酵母突变株的研究发现缺失SOD2的粟酒裂殖酵母耐盐性显著降低，由此可知质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因与其耐盐性密切相关。Prior等[24]研究发现啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)在酸性条件下能够通过质膜Na+/H+逆向转运蛋白将Na+排除细胞外，从而使自身适应盐渍环境。

Wu等[25]利用EMS诱变方法从拟南芥(Arabidopsisthaliana)中筛选出21株盐敏感突变株，它们对高浓度的Na+展现出超敏感性，因此被命名为SOS突变体。Wang等[26]从拟南芥中克隆出AtSOS1，系统进化树分析表明基因AtSOS1与细菌和真菌质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白的亲缘关系较近。此后，许多研究人员相继从胡杨、盐芥、水稻和蓖麻等植物中克隆出质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因。

植物质膜Na+/H+逆向转运蛋白主要与Na+的外排有关，是植物自身减少盐离子毒害的第一屏障。在植物体内质膜H+-ATPase利用水解ATP的能量将H+从细胞质中蹦出细胞，产生电化学梯度，从而提供能量促使质膜上Na+/H+逆向转运蛋白，致使H+顺着电化学梯度进入细胞，同时在质膜Na+/H+逆向转运蛋白Na+逆电化学势，从而能够将细胞质内Na+维持在较低水平。

3展望

我国盐渍化土地面积逐年扩大，且淡水资源严重匮乏，

人口多，人均可耕地面积减少，粮食需求不足，而粮食安全是我国经济发展和社会稳定的基础和前提。因此，充分利用盐碱土地以及提高农作物耐盐能力显得更加重要和迫切。植物中的质膜和液泡型Na+/H+逆向转运蛋白结构和功能的研究以及其基因相继被克隆，为其在农业生产上的应用提供了科学依据。利用基因工程技术，生产的转基因植物中质膜和液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白的过量表达能够提高植物的耐盐能力，这将对我国面积0.33亿多hm2盐渍化土地的利用做出重要贡献。

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收稿日期2016-01-11

作者简介迟越(1989- )，女，内蒙古通辽人，硕士研究生，研究方向：植物生物化学与分子生物学。*通讯作者，教授，博士，从事植物生物化学与分子生物学。

基金项目国家自然科学基金项目(31260336)。

中图分类号S 432.2+2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)03-001-02