冰叶日中花耐盐机制的研究进展

丰宇凯 李飞飞 王华森

摘要：冰叶日中花（Mesembryanthemum crystallinum L.）是一种耐盐性极强的盐生植物。该研究从冰叶日中花的渗透调节、水通道蛋白调控以及活性氧清除等方面综述了其耐盐机制，旨在为冰叶日中花的种植推广、盐碱地的改良提供理论依据。

关键词：冰叶日中花（Mesembryanthemum crystallinum L.）;耐盐机制;盐生植物

中图分类号：S636.9        文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）23-0015-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.23.003           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

盐胁迫是影响作物产量主要的非生物胁迫之一。盐胁迫会影响作物对水分的吸收，影响作物体内离子的平衡，还会导致膜透性的改变以及生理生化代谢的紊乱，进而影响作物的生长甚至导致死亡[1]。为解决盐胁迫对作物产量的影响，在盐碱地上种植耐盐作物是其中一种解决方法。

冰叶日中花（Mesembryanthemum crystallinum L.）原产于非洲南部的纳米比沙漠，简称冰菜，是一种耐盐性极强的盐生植物[2]。据文献报道，冰叶日中花可以在浓度为0.5 mol/L NaCl的盐溶液中生长[3]。近两年冰叶日中花作为一种新型蔬菜传入中国，不仅因其耐受逆境，还因其口感清脆，风味独特，具有一定的经济价值。此外，冰叶日中花含有大量的多元醇，能降低血糖，改善肝脏功能;还含有丰富的氨基酸和抗氧化物，是一种极具营养价值的保健蔬菜[4]。结合其优质的抗逆特性，种植冰叶日中花具有非常重要的现实意义。本研究将结合目前已报道的冰叶日中花相关耐盐基因，综述其耐盐机制，旨在为冰叶日中花的种植推广、盐碱地的改良提供理论依据。

1  盐胁迫对冰叶日中花的影响

盐胁迫会抑制植物的生长发育。当土壤含盐量过高时，会严重影响冰叶日中花的生理生化反应，造成其减产，甚至导致植株死亡。

在正常生长条件下，外界环境的渗透势大于植物根系细胞的渗透势，因而植物根系可以从外界环境中吸取水分，以维持正常生命活动的水分供应;但外界高浓度的盐分会导致水势下降，使得外界环境的渗透势小于植物根系的渗透势，这时植物根系无法吸收水分，从而引起水分的亏缺，长时间的渗透缺水会导致植物枯萎甚至死亡[5]。研究表明，当冰叶日中花处于0.8 mol/L的NaCl溶液时，植株出现严重萎焉，最终死亡;而在0.2 mol/L NaCl处理下的植株生长速度明显加快，单棵植株质量显著高于未经NaCl处理的幼苗[6]。因此，低盐环境在一定程度上可以促进冰叶日中花的生长。

盐囊细胞（Epidermal bladder cells，EBC）是冰叶日中花的特异细胞，存在于除了根以外的所有组织表面，但在不同组织其形态也各不一样。盐囊细胞是储存NaCl的场所，在受到盐胁迫时，冰叶日中花的地上部分就开始将NaCl储存在各个部位的盐囊细胞中。盐胁迫下的盐囊细胞呈现隆状的凸起[2]。研究显示，EBC可累积多达1.2 mol/L的Na+，在离子和水稳态方面起着非常重要的作用[7]。因此，EBC对冰叶日中花的耐盐性起关键作用。

2  冰叶日中花的耐盐机制

研究表明，冰叶日中花可能具有独特的耐盐机制，使其能在高盐的土壤中生长繁殖。因此，冰叶日中花被作为研究耐盐的模式植物。

2.1  渗透调节机制

盐胁迫下，植物可通过累积各种渗透调节物质来维持一定的渗透势，使植物的生长、呼吸作用和光合作用等生理过程能正常进行[8]。渗透调节物质主要有两大类，一类是有机溶质，主要包括游离的氨基酸、可溶性糖、甜菜碱类物质、多元醇和可溶性蛋白质等物质;另一类是无机离子，如Ca2+、K+、Na+等[9]。渗透调节物质能够降低细胞内的水势，维持细胞内外的水势差，使细胞能在更低的外界水势条件下吸水。除此之外，这些物质还能对酶、蛋白质和生物膜起保护作用，维持光合作用等生理过程的正常进行。

冰叶日中花中主要的有机溶质为多元醇，主要包括松醇、芒柄醇和肌醇等[10]。多元醇含有多个羟基，亲水能力强，能有效维持细胞内水活力。McInps1和McImt1是肌醇从头合成的关键基因。McInps1基因编码肌醇-1-磷酸合成酶，该酶催化D-葡萄糖-6-磷酸合成肌醇[11]。McImt1基因编码肌醇甲基转移酶，该酶以肌醇为底物，合成一种多羟基糖醇化合物——芒柄醇[12]，而芒柄醇在表异构酶的作用下形成松醇[13]。Inps1和Imt1受盐胁迫诱导表达，在非胁迫条件下，这2个基因都不表达;在盐胁迫下，这2个基因表达量均显著上调[11]。McImt1基因在酵母、大豆和烟草的异源表达使细胞中芒柄醇含量增加，提高了耐盐性[14，15]。值得注意的是，甜土植物拟南芥中未检测到Inps和Imt基因的活性，肌醇合成的诱导是盐生植物和甜土植物之间的区别因素，甜土植物在胁迫应答下不能合成肌醇，导致耐盐性的降低。

2.2  离子吸收和离子区隔化机制

盐胁迫下，植物体内离子失衡，盐离子在细胞内的大量积累会对生物膜造成损害，进一步影响细胞的正常代谢，进而严重影响植物的生长发育。Na+是盐胁迫的主要毒害离子，高盐浓度下，Na+与K+竞争从而引起植物體内K+的亏缺[16]。因此，提高植物体内的K+/Na+比，对提高植物耐盐性至关重要。植物主要通过钾离子运输系统和离子区隔化来调节K+/Na+比。

2.2.1  钾离子运输系统  植物通过钾离子运输系统从外界吸收K+来提高K+的含量，钾离子运输系统包括高亲和钾离子转运载体和钾离子通道。

离子通道的运输方式属于被动转运，只能从高浓度向低浓度运输。因此，当外界K+浓度很高时，植物可通过钾离子通道来吸收K+[16]。冰叶日中花Mkt1、Mkt2和Kmt1基因属于Shaker K+通道[17]，是内流型钾离子通道。其中Mkt1和Mkt2属于AKT亚族，而Kmt1属于KAT亚族[18]。Mkt1基因是根特异表达基因，在高盐胁迫下，该基因的转录和表达均有所下调，可能的原因是高盐胁迫会抑制离子通道的活性，植物通过高亲和K+转运载体吸收K+。

目前在冰叶日中花中已报道的高亲和K+转运载体有两种，HAK/KT/KUP家族和HKT/Trk家族。高亲和K+转运载体的转运过程是逆着K+的电化学梯度进行的，需要ATP提供能量，是一个主动运输的过程[19]。KUP/HAK/KT家族是一种H+/K+同向转运载体，通过增加H+泵的活性以驱动对的K+转运，主要负责植物根部细胞对K+的高亲和吸收[20]。冰叶日中花McHAK1和McHAK4基因在高盐胁迫下表达上调，提高对K+的吸收。HKT/Trk家族是一类Na+特异转运体或Na+-K+协同转运体，对减轻盐离子的毒害起着重要作用。冰叶日中花McHKT1基因是一个兼Na+转运蛋白，将其转入爪蟾卵母细胞后用以盐处理，其转录水平迅速上调[21]。

2.2.2  离子区隔化  离子区隔化主要通过质膜上的Na+/H+反向运输体排出Na+，或者通过液泡膜上的Na+/H+反向运输体将Na+转运至液泡[16]，降低细胞质中的K+/Na+比，进而提高植株的耐盐性。冰叶日中花McSOS1基因与拟南芥AtSOS1同属于SOS1亚家族，是一类质膜Na+/H+反向运输体，SOS1排钠离子的过程需要质膜H+-ATPase提供能量。而McNHX1和McNHX2基因则属于NHX亚家族，定位于液泡膜，NHX区隔钠的过程由液泡上的H+-ATPase来提供能量[22，23]。研究显示，在盐胁迫下，McSOS1、McNHX1和McNHX2的表达均上调，而且，为其供能的H+-ATPase活性也有显著提升。McNHX1在酵母中的异源表达也证实了其转运钠离子的功能。

2.3  水通道蛋白

植物水通道蛋白在调节细胞内水稳态方面起着重要作用。水通道蛋白属于一个跨膜通道蛋白MIP超家族，主要起着促进水分双向跨膜运动的作用。干旱和盐胁迫等逆境胁迫都会诱导或下调水通道蛋白的转录和表达[24]。许多研究证明水通道蛋白参与植物体内水分的运输。拟南芥的水通道蛋白γ-TIP在非洲爪蟾卵母细胞中的异源表达增加了水分的渗透率[25]。拟南芥AthH2基因的反义表达载体明显降低了原生质体水分的渗透率[26]。

冰叶日中花作为一种盐生植物，在盐适应性方面十分适合作为研究水通道蛋白的模式植物。冰叶日中花基因组中存在大量编码水通道蛋白的序列。数据显示，在冰叶日中花已发现14个不同的水通道蛋白转录本，其中已报道的有9个类水通道蛋白基因，分别属于PIP（plasma membrance intrinsic protein，质膜内在蛋白）和TIP（tonoplast intrinsic protein，液泡膜内在蛋白）亚家族[24，27]。水通道蛋白McPIP1;4（McMipA）和McPIP1;5（McMipB）在爪蟾卵母细胞中的异源表达，明显增强了水分的渗透率，在一定程度上促进了水分的运动。水通道蛋白受盐胁迫的调控，在盐胁迫下MipA的表达上调[27]。在细胞内，水通道蛋白是可移动的，McMipA和McMipB为质膜内在蛋白，但在液泡膜上也检测到其存在。这可能是由于逆境胁迫引起其功能改变。

2.4  活性氧清除机制

植物在盐胁迫下体内会产生大量的活性氧，包括过氧化氢（H2O2）、氢氧根离子、超氧阴离子等。活性氧在体内的大量累积会对植物产生毒害作用，主要体现在对生物膜系统的破坏和生物大分子的降解。抗氧化酶是植物清除活性氧的主要机制，其中最主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）等。研究发现，在盐胁迫下冰叶日中花叶片中的SOD和CAT的活性均表现出上升的趋势，因此推测抗氧化酶降低了细胞的过氧化作用，提高了冰叶日中花的耐盐性[28，29]。

2.5  其他耐盐机制

冰叶日中花是目前研究最为全面的兼性CAM（Crassulacean Acid Metabolism，景天酸代谢）植物，CAM是一种光合作用的替代途径，能有效地提高水分的利用率。在盐胁迫或干旱胁迫下，冰叶日中花从C3光合作用途径转变为CAM，从而最大限度减少水分的流失，并保证在缺水、土壤盐渍的情况下成功繁殖[30]。对比C3和C4光合途径，CAM将水的利用率提高了5倍[31]，并增强了CAM植物在炎热干燥环境中的生存能力。当CO2浓度升高时，一些CAM植物的生物量可增加35%，而许多C3植物的生物量都是下降的[32]。

通过对CAM相关酶活性的测定证实，在盐胁迫下，随着光合作用的转变，一系列CAM必须酶的活性显著增强。McPpc1基因编码一个PEP羧化酶，该酶是CAM区别于C3光合作用的关键酶[33，34]。在盐胁迫下，McPpc1基因在叶片中的表达量明显增加，而PEP羧化酶的活性增強了40～50倍[35，36]。NADP-苹果酸酶（NADP-ME）、NADP-苹果酸脱氢酶（NADP-MDH）和丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）也是CAM途径中CO2固定的关键酶，这3个酶同样也受盐胁迫的诱导表达。在受到盐胁迫时，这3个酶的cDNA转录增强，酶活性也提高了4～10倍[37-39]。

整个光合作用途径的转变是一个十分复杂的过程，涉及到很多基因。而光合作用途径的转变是可逆的，在去除盐胁迫后，PEP羧化酶的转录和酶活均大幅度下降[40]。

3  展望

冰葉日中花作为植物生理学研究的模式植物兴起，对碳代谢的研究做出了显著的贡献，尤其是CAM途径。冰叶日中花的基因组大小大约为393 Mb，共9条染色体（2N=18），大约是拟南芥（大约145 Mb）的2.5倍[41]，小基因组有助于对冰叶日中花分子遗传学的研究。盐胁迫的基础应答机制存在于所有植物中，对冰叶日中花和拟南芥根部位的RNA测序结果进行分析，发现有20%的序列能在拟南芥中发现其同源序列[42]，说明冰叶日中花还有一部分特异应激途径的基因值得去挖掘。通过对冰叶日中花这类盐生植物的研究，可以学习到在其他甜土植物中观察不到的应激反应，这有助于我们对植物耐盐机理的进一步了解。

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