2种生境盐胁迫下碱蓬的响应差异研究进展

敖 雁,吴 启

（1.苏州健雄职业技术学院，江苏 苏州 215411；2.中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京 210008）

盐渍土多指盐土和碱土，据统计，盐渍土在全世界约有9.543 8亿hm2，其中，我国盐渍土面积占10%。盐渍土由于土壤溶液中盐分含量的增加，渗透压也随之增加，土壤水分的有效性相应降低，导致植物根系吸收水分困难，并最终造成农作物大面积减产。因此，如何改良盐渍土已经成为我国农业工作者面临的最大挑战之一。盐渍土改良的根本目的是把土壤中的盐分含量控制在较低的范围，以适应作物的生长。盐碱地最主要的特征是干旱和高盐，因此，必须采用抗旱和脱盐相结合的方法综合治理。目前，国内外主要靠种植盐生植物如碱蓬等吸收土壤中多余的盐分，以保持土壤中的矿质养分和水分。盐生植物碱蓬也因其种植简单、经济效益高等特点逐渐在土壤修复等方面成为研究热点植物。

碱蓬作为一种典型的草本真盐生植物，因具有耐盐、抗旱、吸水等特点而被广泛地应用于盐碱地的生物改良。盐地碱蓬（Suaeda salsa）是藜科碱蓬属植物，又称碱葱、翅碱蓬、海英菜、盐蒿等。据报道，目前主要有2种比较适合盐地碱蓬生长的环境，一是经常被潮水覆盖的潮间带生境，二是远离海水的内陆盐碱地生境。潮间带在地貌学上属于“滩涂”的一种，是指海水涨潮时浸没的地方及退潮时露出的部分。我国的沿海滩涂总面积约有2.17万km2，且每年都以2×104～3×104km2的速度增长，主要分布在东北、华北以及长江以北地区的沿海地带。内陆盐碱地生境指离海岸比较远的盐碱土地区，其形成大都与气候条件、地理条件以及土壤质地有密切的关系。据报道，我国内陆盐碱地面积大约有9 913万hm2，集中分布在内陆干旱、半干旱、黄淮海平原地区和滨海等地区。刘彧比较了潮间带与内陆盐生生境的土壤后，发现潮间带土壤的含水量显著高于内陆盐生生境，且潮间带土壤中Na+、Cl-含量均高于内地生境，而其土壤中的K+、Ca2+含量却低于内陆盐碱地生境。

近些年研究发现，在2种不同生境种植碱蓬不仅可以有效降低土壤表层含水量，增加土壤中N、P、K等有机质含量，明显提高土壤肥力，还可以增加土壤中微生物数量，通过影响微生物群落改善盐渍土环境，最终取得良好的经济和生态效益。因此，碱蓬是改良盐渍土环境的理想盐生植物。鉴于此，归纳2种生境下盐胁迫环境中碱蓬在种子萌发、生长发育、离子含量和吸收、光合特性、色素含量等方面的响应差异，探究2种不同生境下盐地碱蓬耐盐的生理及分子机制，期望能够为日后利用碱蓬修复盐渍土壤及在不同的生境下合理种植碱蓬提供参考。

1 2种不同生境盐胁迫下碱蓬的生理差异

1.1 种子萌发

盐地碱蓬种子具有二型性特点，一般按照颜色可以分为棕色种子和黑色种子。棕色种子外种皮柔软，黑色种子外种皮较为坚硬。种子萌发方面，无论是在潮间带生境还是内陆盐碱地生境，种子的发芽速率、吸水速率、出苗率等都会随着外界盐分浓度的增加而受到抑制，说明高盐确实能对碱蓬种子的萌发产生影响。高奔研究发现，盐地碱蓬在种子萌发阶段具有较高的抗盐性。在2种生境下，棕色种子因具备种皮柔软等特点在盐胁迫下有更快的种子萌发速率和吸水速率。尤其是在潮间带，盐地碱蓬的耐盐性主要指棕色种子长成的碱蓬。徐燕阁以在2种生境下生长的不同颜色种子为试验材料，结合转录组测序数据进行差异性分析。结果显示，黑色种子在2种不同生境下得到4 630个差异基因，通过GO（Gene ontology）基因功能注释以及KEGG（Kyoto encyclopedia of genes and genomes）代谢通路分析后发现，这些基因多参与盐分物质转运、代谢以及吸收过程，而棕色种子中上述基因却较少，推测可能是因为棕色种子具有较高耐盐性，而黑色种子却需要启动一系列的基因表达才能完成种子的萌发。史功伟等研究了高盐及淹水条件对2种生境碱蓬出苗率的影响，认为与黑色种子相比，无论是在潮间带还是内陆生境下，碱蓬棕色种子因具有较高的离子含量而有更高的发芽率，黑色种子却较难发芽，推测这可能跟黑色种子种皮含有较多蜡质有关。在潮间带生境中，盐地碱蓬在其种子萌发阶段具有较高的耐盐性，猜测与内陆盐碱地生境相比，可能是因为潮间带生境本身含有较少的盐分离子。周家超采用盐和氮交互处理测定盐地碱蓬二型性种子的发芽率后发现，黑色种子的休眠特性可能是源于对低氮条件的适应，而外源施加硝态氮也有可能会对黑色种子的萌发起到信号分子的作用。此项研究可部分解释为什么与黑色种子相比，棕色种子具有更高的发芽率。因此，推测氮可能是以一种信号分子的形式参与到碱蓬种子萌发的过程。

1.2 生长发育

盐地碱蓬的生长发育状况易受盐分胁迫的影响，彭斌等研究了不同盐分处理对潮间带和内陆盐碱地生境碱蓬生长发育的影响。结果显示，200 mmol/L的NaCl处理后碱蓬的肉质化程度、干质量以及地上部鲜质量都有不同程度的增加，而潮间带种源碱蓬的地上部鲜质量、干质量、肉质化程度均显著低于内陆盐碱地生境。但高奔认为，200 mmol/L NaCl对内陆盐碱地和潮间带生境碱蓬的根系以及地上部有机干质量无显著影响，无论是种植在潮间带还是内陆盐碱地，碱蓬均具有较强的耐盐性。从上述研究结果可以看出，高盐浓度环境中，碱蓬的生长发育既由自身生理特性决定，又易受外界环境影响。除了上述对于根系以及地上部生物量方面的相关研究，研究者还综合比较了不同盐浓度处理下盐碱地和潮间带生境碱蓬地上部的一级分枝数、单株成熟叶片数、株高、枝长等农艺性状，表明内陆盐碱地生境碱蓬在盐胁迫下的生长发育状况明显优于潮间带生境。综上可知，内陆盐碱地生境碱蓬肉质化程度显著高于潮间带生境，因此，碱蓬在内陆生境的生长发育情况要优于潮间带生境。而盐生植物碱蓬适应盐渍环境主要是依靠其叶片的肉质化。叶片肉质化使得碱蓬能够在逆境中储存水分，维持光合作用的正常进行，最终增加根系以及地上部的干质量含量、叶片数、株高等，保证碱蓬在盐渍土环境中正常生长发育。

1.3 离子含量和吸收

碱蓬不同部位的离子含量和吸收在2种生境下的表现均存在差异。高奔等认为潮间带生境中碱蓬叶片盐离子含量显著低于内陆生境，因此，推测潮间带生境的碱蓬可能有更完备的抗盐耐盐机制以减少根系的盐离子向地上部的运输。同时，顾寅钰等、彭斌等均在后续的试验中证实，潮间带土壤中碱蓬的地上部分通常会吸收少量Na+、Cl-，以此适应外界的逆境胁迫。为了探究碱蓬体内Na+、Cl-等盐分离子的转运机制，LI等进行了相关研究，发现与内陆盐碱生境相比，潮间带生境下碱蓬叶和茎中较多的NO3-、K+及较少的Cl-、Na+被转运到胚，更多的Cl-、Na+被分配到潮间带群体的果皮里，这表明不同生境群体对于盐分离子的吸收和累积具有不同的偏好，潮间带土壤中生长的碱蓬在种皮细胞选择性吸收盐分离子方面存在一定优势。高奔以2种不同生境的碱蓬为试验材料，同样发现潮间带生境的碱蓬具有较强的拒盐能力，主要表现在根系可以积累较多的Na+、Cl-，推测根系的皮层薄壁细胞和中柱鞘细胞可能对盐分离子存在一定的区室化作用。

1.4 光合特性

叶片的光合色素是叶绿体类囊体基粒的重要组成部分，其含量是衡量植物光合作用的一项重要指标。植物的光合色素主要有3种：叶绿素、类胡萝卜素、藻胆素，其中，叶绿素含量可以直接影响植物的光合速率和产量。在光合特性方面，无论是内陆生境还是潮间带生境，盐处理下盐地碱蓬叶片的叶绿素含量、光合放氧速率都显著降低。彭斌等研究了盐分处理对叶绿素a/b的影响，结果表明，不同浓度的盐分处理后2种生境叶绿素a/b均有不同程度的增加，且叶绿素b的降解速度显著大于叶绿素a，而潮间带生境碱蓬的叶绿素a和叶绿素b含量明显低于盐碱地生境。因此，推测内地生境碱蓬较高的光合放氧速率可能是由其较高的叶绿素含量所导致的。在高温高盐胁迫下，内陆生境下碱蓬的叶片可能是通过其叶绿体类囊体的高度垛叠化增强光合作用，提高叶绿素含量并最终增加植物抗逆境的能力。刘彧综合分析了不同生境下碱蓬叶片中色素积累情况，同样发现内陆生境生长的碱蓬叶片中叶绿素a、叶绿素b含量显著高于潮间带生境，而海边生境碱蓬叶片中的甜菜红素含量和类胡萝卜素含量却明显高于内陆生境。上述结果表明，盐胁迫可以刺激潮间带生境碱蓬叶片甜菜红素和类胡萝卜素积累，抑制叶绿素a和叶绿素b的合成，最终导致海边生境碱蓬为紫红色，内陆生境碱蓬为绿色。另一方面，不同生境对盐地碱蓬叶片的光合参数也有显著影响。研究发现，内陆盐碱地生境碱蓬成熟叶片气孔导度显著高于海边生境，同时，最大光化学效率、PSⅡ实际光化学效率、净光合速率和光合放氧速率等均高于潮间带生境碱蓬的成熟叶片。上述结果表明，内陆生境下成熟叶片吸收光能的能力、光能向PSⅡ转化的能力优于潮间带生境。史功伟等、SUI等也得到了类似的结论，认为这些性状特征可能是盐地碱蓬长期适应不同生境的结果。总之，不同生境下碱蓬在光合特性和色素积累等方面差异较大，可能是碱蓬适应盐害、干旱、涝害、低温等多重逆境的综合表现。

除了上述的光合参数，也有研究结果表明，气孔导度与植株的耐盐性具有较高的相关性，气孔的关闭是引起碱蓬光合速率降低的主要原因。盐胁迫下光合效率的降低主要是由于气孔关闭造成的气孔限制以及叶绿素光合活力下降引起的非气孔限制。KAO等认为潮间带生境下碱蓬净光合速率降低可能是由于渗透势下降进而引起气孔关闭，或NaCl产生的对不受气孔关闭影响的光合器官的非气孔抑制造成的。刘彧研究发现，内陆生境下盐地碱蓬成熟叶片胞间CO2浓度显著低于海边生境，而成熟叶片的气孔导度却高于海边生境。综合以上结果，碱蓬在长期逆境条件下，潮间带生境下光合速率和气孔导度均显著低于内陆生境，而胞间CO2浓度却高于内陆生境。因此认为，碱蓬叶片气孔导度在2种生境下表现的差异决定了2种生境下光合速率不同，最终影响碱蓬的生长发育。

2 碱蓬响应盐渍环境的机制

碱蓬对盐胁迫适应性方面，20世纪70年代英国著名植物学家FLOWERS就已经开始了盐胁迫下碱蓬生理机制的探究。国内对碱蓬耐盐性研究于20世纪90年代起步，其中大部分工作主要集中在盐胁迫下碱蓬的生理反应方面，包括叶片结构（肉质化程度）、离子分配和渗透调节等。但是，在分子水平上碱蓬植物耐盐机制的研究不够深入，尤其是从分子水平上解析2种生境盐胁迫下碱蓬响应差异的研究还较少。

叶片的肉质化是碱蓬属植物抵御高盐逆境的一种重要手段，具体表现为植物薄壁细胞大量增殖，细胞体积变大，单位体积内细胞含水量增加，通过稀释体内盐分的方法提高植物的抗盐性。QI等研究发现，碱蓬中水通道蛋白（AQPs）受盐胁迫的诱导，无论是在转录水平还是蛋白水平，AQPs表达量的上调都可以加强细胞膜的通透性，通过增加叶片肉质化程度提高叶片储存水分的能力，最终达到抵抗逆境胁迫的目的。此外，通过对盐处理后碱蓬叶片蛋白组学的分析，发现肌动蛋白（Profilin）可能与叶片的肉质化形成有关，Profilin可能通过调节细胞器组分微管和微丝的迁移最终影响细胞肉质化。彭斌等研究了不同浓度盐分处理（0、200、400 mmol/L的NaCl和0、200、400 mmol/L的KCl）对盐碱地和潮间带生境种源盐地碱蓬生长发育的影响。结果显示，200 mmol/L的NaCl可以使碱蓬肉质化程度显著增加，而400 mmol/L的NaCl和不同浓度处理的KCl会使相关参数明显降低。因此认为，土壤中的盐分含量会影响碱蓬的生长发育状况，一般表现为低浓度盐分促进生长而高浓度盐离子含量抑制植物生长，具体的内在生理和分子机制仍有待进一步探索。总之，内陆盐碱地生境下碱蓬地上部的肉质化程度优于潮间带生境，内陆生境碱蓬高度发达的肉质化可以使碱蓬在高盐胁迫下储存一定量的水分供其吸收和利用，维持正常的生理过程。

除了叶片本身结构特征外，离子的区室化作用也是碱蓬响应高盐环境的又一重要途径。区室化作用是指植物将影响自身离子平衡和生长发育的多余盐分离子隔离在活性较低的细胞器如液泡、囊泡等，以达到拒盐、排盐的目的。据报道，盐地碱蓬可以通过区室化作用将细胞质中的Na+、Cl-等盐分离子转移到植物液泡中储存，有效减轻盐分离子对细胞产生的毒害作用，同时降低渗透压，提高其对高盐胁迫的抗性。进一步分析发现，盐分胁迫后位于液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白及其功能相关的H+-ATPase、H+-Ppase表达量显著上调，表明三者在液泡区室化作用中发挥重要的作用。其他离子转运体如Ca2+/H+逆向转运蛋白在碱蓬中也被相继发现，ZHAO等将编码Ca2+/H+转运蛋白的基因SsNHX1转入水稻后也发现，其能够明显提高水稻的耐盐性。闫留华等认为与内地盐碱地生境相比，潮间带碱蓬的种子发育过程受种皮离子区室化的影响明显，大部分的Cl-和Na+积累在液泡等细胞器中而避免其在胚中转移，这对种子从土壤溶液中吸收水分，快速萌发起到了积极的作用。

另外，渗透调节能力也被认为是植物耐盐的一项基本特征，渗透调节是指在盐分胁迫条件下碱蓬体内主动积累各种有机或无机离子应对高浓度盐分离子所带来的逆境胁迫。在高盐分条件下，潮间带生境的碱蓬地上部含有较少的盐分离子，特别是Na+、Cl-含量显著低于内陆盐碱地生境，而根系中却含有较多的Na+、Cl-。因此推测，一方面是由于根系可能拥有更加完备的吸收机制使盐分离子更多地积累在根部，较少地转移到地上部分；另一方面，根系积累的Na+、Cl-可以有效地降低渗透压，使潮间带生境下的碱蓬能高效地从土壤中吸收水分。最终，表现为盐分离子向地上部运输的能力受到抑制，而在高盐分环境下潮间带生境碱蓬能够维持正常的生长发育。这一现象在其他植物中也有类似的表现，例如，姚瑞玲等人报道，随着外源施加NaCl浓度的增加，青钱柳根系吸收的盐分离子大多数累积在根表皮层而较少地进入中柱鞘细胞，因此推测，潮间带生境下的碱蓬也有可能将更多的Na+等吸附在根系表面，阻止其进入中柱，进而抑制离子向上运输的能力。研究表明，阴离子在调节碱蓬渗透势、提高耐盐性等方面作用显著。与内陆生境相比，潮间带生境下的碱蓬叶片会较多地利用NO3-进行渗透调节。SONG等比较了不同盐处理条件下碱蓬体内的渗透压，发现高浓度盐分环境下碱蓬叶片中NO3－含量显著增加，且在离海边较近的潮间带生境下增加量更明显，说明NO3－能够有效降低细胞水势，促进水分吸收。期间，一氧化氮作为一种信号分子，也参与到该过程中。然而，NO3－参与盐胁迫下碱蓬渗透平衡的分子机制还不清楚，有待日后进一步研究。当然，有机小分子物质也参与碱蓬应对环境变化的渗透调节过程，最常见的主要有甜菜碱、脯氨酸、有机酸和可溶性糖类物质。近年来，科学家们从分子水平上构建了高盐诱导下碱蓬cDNA文库，筛选出多种与上述有机物质合成相关的耐盐基因，成功分离鉴定了10多种相关蛋白，克隆出SsP5CS、SsBADH、SsCMO、SsINPS、SsMBTF等抗性基因，并成功转入拟南芥、水稻等模式作物，并能显著增强这些转基因作物的耐盐能力。

3 2种不同生境下盐地碱蓬的研究展望

实践证明，传统的物理化学等方法因成本高、周期长等特点而逐渐被淘汰，盐渍土的改良离不开抗盐植物，盐地碱蓬是理想的抗盐植物。近些年来，针对不同生境下盐地碱蓬耐盐生理特性已经开展了一系列研究，为认识盐生植物的耐盐机制奠定了基础。但无论是在国内还是国外，有关盐地碱蓬耐盐分子机制的认知仍然十分有限，因此，建议在以下方面继续开展相关研究。首先，目前大多数研究多集中在碱蓬的地上部分，众所周知，根系却是植物直接与土壤养分和水分接触的首要部位，因此，有必要先对碱蓬根系感应土壤中逆境因子的机制及不同生境盐胁迫下感应机制的差异展开研究。其次，综合上述研究结果发现，同一基因型碱蓬在2种不同生境胁迫下耐盐性方面存在差异，这种差异是仅仅由不同环境引起的还是环境和基因型互作的结果，需要进一步进行研究。再次，目前对于碱蓬耐盐性的研究主要体现在对一些生理指标的测量。实际上，植物对盐胁迫的适应是一个极其复杂的过程，需要深入研究碱蓬植物根系感知及内部转导系统，从而揭示在不同生境下响应和适应盐胁迫的调控网络和分子机制。最后，随着基因组学、转录组学、蛋白质组学和表观遗传组学等高通量技术飞速发展，已能够在分子水平上研究同一基因型不同生境盐胁迫下碱蓬植物本身的差异性表达，可为探究碱蓬属植物耐盐机制提供新思路。

本研究已经明确了在潮间带和内陆盐碱地生境碱蓬在种子萌发、生长发育、光合特性、色素含量、离子含量等方面的表现均存在差异，建议分别挖掘在潮间带和内陆盐碱地生境表现优良的性状，克隆控制这些性状表达的基因，并将之导入水稻、小麦等农作物中，分别种植在相应的生境中以使作物在不同的环境中均达到最佳的状态，从而提高作物的种植面积和产量。同时，还需要进一步了解盐地碱蓬在不同生境盐胁迫下的生理特性，深入研究其内在分子机制，结合植物生理学和分子生物学的手段探讨盐地碱蓬种群对土壤盐分的适应性机制，可为日后盐渍土的改良以及培育高耐盐品种提供参考。