盐胁迫对植物叶绿素荧光影响的研究进展

方怡然,薛立

华南农业大学林学与风景园林学院,广州 510642

0 前言

土壤盐渍化是世界上最为严重的环境问题之一[1]。目前全球10%以上的陆地面积受盐渍化的影响[2],其中,我国的盐碱土面积约9.99 × 107 hm2,分布范围广[3],主要分布于我国的干旱、半干旱及滨海地区[4]。由于盐渍化的土壤具有盐分含量高、矿物质成分过量的特点[5],促使土壤溶液的浓度过高、导致植物吸收水分和养分的能力下降,进而影响植物正常的生理和生化活动[3]。因此土壤盐渍化是限制树木生长的关键因子[1]。

光合作用作为植物生长发育的生理基础[6],对盐胁迫十分敏感,因此,研究光合作用对盐胁迫的响应是了解植物胁迫机理及增强其抗盐性的重要途径[7]。当植物光合作用受到抑制时,最初受影响的便是叶绿体光系统II,即PSII[8]。由于PSII 的变化可清楚显示光合能力受胁迫的程度,因此了解PSII 对逆境的适应机制在一定程度上可反映植物在逆境下的生存策略[9]。其中,叶绿素荧光能准确反映光能吸收和传递的过程,并在电子传递的测定、质子梯度的建立及ATP 的合成等过程中发挥独特的作用,是研究植物光合生理状况及植物与逆境胁迫关系的理想探针[10]。

目前,叶绿素荧光动力学技术被广泛运用于光合作用机理[11]、作物增产潜力预测[12]和植物抗逆生理[13]等方面,亦有关于植物及其光合作用对盐胁迫响应机制的研究报道,比如束胜[14]等分别从气孔导度、光合色素、PSII 光化学反应、光合电子传递、叶绿体超微结构、类囊体膜蛋白复合体以及光合磷酸化和CO2固定等方面综述了盐胁迫对植物光合作用的影响;刘倩等[15]则从生物量、光合作用、离子平衡和膜透性等方面分析植物对盐碱胁迫的响应机制等等,这些研究均有效的揭示了植物对盐胁迫的适应机制及缓解机制。但由于盐胁迫对植物的光合作用及其叶绿素荧光的影响是一个复杂的过程,盐分类型、植物种类和水热条件的差异可在较大程度上影响植物的主要受迫机理及受迫程度,从而导致研究结果的不一致。因此,必须了解这些因子对受胁迫植物的影响,才能更准确的了解植物抗盐胁迫机理,从而采取有效的改良措施。目前,关于植物叶绿素荧光在不同盐分类型、植物种类和水热条件下对盐胁迫的响应机制、受影响程度及缓解机制的综述研究鲜有报道,因此,本文通过综述盐胁迫下,盐分类型、植物品种、光照强度和干旱等因素对植物叶绿素荧光影响,并结合最新的研究成果,提出增强植物耐盐性的方法,以期通过更全面的揭示植物对盐胁迫的适应机制,为全球耐盐品种的选育和盐碱地的有效开发利用提供理论依据。

1 盐胁迫的发生机理

各种盐类都是由阴阳离子组成,盐土中所含的盐类主要是由Cl-、SO42-、NO3-等阴离子及Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子组合而成。一般情况下,盐胁迫是指植物由于生长在高盐度的生境而受到的高渗透势的影响。其中,盐胁迫的发生机理主要有以下三点:

1.1 渗透胁迫

渗透胁迫是盐胁迫对植物造成的主要危害之一[16],通常情况下,盐胁迫能使植物吸水困难,原因是土壤盐分的过量积累使土壤溶液的渗透势下降,进而使植物根部细胞无法利用水势差吸取水分而造成的[17];当植物细胞渗透势随着盐分浓度的升高而增加时,植物细胞容易失水而造成生理干旱,形成渗透胁迫[18]。

1.2 离子胁迫

土壤含盐量高时,过量的盐离子被植物吸收并积累在体内,能通过破坏膜的完整性及增加电解质的渗出率来引发细胞代谢紊乱[19]。此外,植物对盐离子和各营养元素的吸收存在竞争关系,这种竞争关系能打破植物体内离子吸收的平衡,造成植物营养不均并使其遭受单盐毒害(在盐胁迫中该毒害主要由Na+引起),从而抑制植物的正常生长[20]。

1.3 氧化胁迫

高浓度的盐分会导致活性氧物质在体内的稳态失衡,产生大量单线态氧、超氧化物自由基和过氧化氢等有害的细胞毒性氧[21],导致脂肪、蛋白质和核酸等生物分子遭受氧化胁迫,并使参与代谢的酶失活或变性,阻碍蛋白质的合成,进而影响植物的光合作用并造成植物细胞代谢紊乱[22]。

2 叶绿素荧光动力学

叶绿素荧光信号是由绿色植物(或含有叶绿素的部分组织)PSII 的天线色素蛋白复合体的叶绿素a分子所发出的一种微弱且强度随时间不断变化的暗红色荧光信号[23]。其中,该荧光信号的获取需对植物事先进行暗适应处理后,在可见光激发的状态下用荧光计测得。获取该荧光信号的过程被称为叶绿素荧光诱导动力学[24]。实际上,荧光现象是叶绿素分子吸收光量子的能量后,处于激发态的叶绿素分子通过能量跃迁又恢复到稳定态的现象[24]。光被植物色素系统吸收后的消耗途径主要有3 种,分别是光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散;各消耗途径的能量分配间存在此消彼长的关系[11],因此通过植物发射荧光量的变化情况可反映盐胁迫下植物的光合作用[11]及生理变化的情况,进而对植物的抗盐性进行判断。

常见的叶绿素荧光参数有初始荧光(Fo),主要用于度量色素吸收的能量中以热和荧光形式散失的部分;最大荧光(Fm),代表PSII 反应中心处于完全关闭时的荧光产量;PSII 原初光能转化效率(Fv/Fm),代表PSII 反应中心光能转换效率;PSII 有效光化学量子产量(Fv′/Fm′),代表开放的PSII 反应中心原初光能捕获效率;光化学猝灭系数(qP),反映PSII 反应中心开放部分的比例;非光化学猝灭系数(qN,即NPQ),代表PSII 天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的部分;表观电子传递速率(ETR),表示实际光强条件下的表观电子传递效率。此外,还有代表PSII 潜在活性的Fv/Fo以及代表PSII反应中心部分关闭情况下实际PSII光能捕获效率的ΦPSII等。

目前,叶绿素荧光的测量方法主要有两种,即使用调制式和非调制式荧光计测量[13]。其中,调制式荧光计的使用至少需要调制的弱测量光和连续强化光这两束光,该方法可直接测定相关的叶绿素a 荧光动力学参数[25],并可据此计算出相关的Fv/Fm和ETR等参数,而非调制式荧光计的使用仅需一个强连续光源,结构更简单,信号检测采用光电直流放大系统[25]。非调制式荧光计通常用于测定叶绿素a 荧光动力学信号的快速响应,只获得Fo、Fm和Fv/Fm。

3 盐胁迫对植物叶绿素荧光影响

3.1 不同盐分胁迫对植物叶绿素荧光的影响

大量研究表明,盐胁迫能引起植物产生复杂的生理生化反应,其造成的渗透胁迫、离子毒害和氧化应激等能对植物叶绿体的光合器官造成伤害,使PSII 反应中心受损[4,11],最终导致植物光合能力的下降。其中,盐胁迫对植物叶绿素荧光的影响通常表现为Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ΦPSII等荧光指标的下降和NPQ的上升。其中,Fv/Fm和Fv/Fo的下降在一定程度上能表明PSII 受损,植株受到光抑制[26];qP的降低说明从PSII氧化侧向PSII反应中心的电子传递受到抑制[26];ΦPSII的急剧下降则表明ATP、NADPH 等同化力的形成受阻,植物净光合速率下降[26],而NPQ的增加表明植物能通过非光化学猝灭来提高热耗散,以此来消耗过多的激发能,减轻胁迫环境的伤害并进行自我保护[27-28]。但由于不同盐分对植物的主导胁迫机理和程度不同,因此在不同盐分类型下,植物的叶绿素荧光指标的变化情况存在差异。目前,在土壤众多致害盐类中,以钠盐和钙盐为主,并以钠盐的危害最为普遍。有研究表明,钠盐对植物的伤害程度大于钙盐[29]。这是由于钠盐与钙盐相比,对植物的保护膜具有一定的破坏作用,钙盐在一定程度上能减缓渗透胁迫下的质膜过氧化程度,对生物膜具有一定的保护作用,但钙盐浓度过高也会对植物产生离子毒害[30]。史庆华等[26]在研究番茄(Lycopersicon esculentumMill.)的光合作用对等渗Ca(NO3)2和NaCl 处理的响应时发现,等渗的NaCl 和Ca(NO3)2溶液均能引起番茄叶片Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ΦPSII的下降,但NaCl 处理下各相关的叶绿素荧光参数的下降幅度均大于Ca(NO3)2处理,即NaCl 处理对叶片的伤害程度远大于Ca(NO3)2处理。这与刘志媛等[29]对等渗Ca(NO3)2和NaCl 对番茄幼苗生长的影响的研究结果一致。这是由于Ca(NO3)2和 NaCl 对番茄的主导胁迫机理不同,Ca(NO3)2主要通过渗透胁迫使番茄叶片发生生理干旱来影响植物的光合作用[29];而NaCl 除有相同的渗透胁迫外,还存在离子胁迫。过量的Na+通过破坏质膜结构、抑制K+、Ca2+和Mg2+等离子的吸收,降低与光合作用相关酶的活性等来抑制植株的生长[31]。但由于不同植物对Na+和Cl-的敏感程度不同[32],因此起主导胁迫作用的离子不一定都是Na+。例如,在Srivastava 等[33]的研究中,Cl-是引起柑橘(Citrus reticulataBlanco)等果树受胁迫影响的主要因素,而番茄等作物的胁迫作用主要是由Na+引起的[32]。但也有研究表明,钙盐对植物的伤害程度大于钠盐,李青云等[34]等在研究钠盐和钙盐胁迫对草莓(Fragaria ananassaDuch.)光合作用的影响时发现,钠盐对草莓光合能力的伤害程度小于钙盐。这表明盐胁迫对植物光合作用的影响机理和程度因盐分种类和植物类型的不同而存在差异[35]。

对于钠盐而言,不同钠盐对植物的伤害作用的差异主要受阴离子类型和浓度的影响[36]。胡楚琦等[37]用等Na+浓度的Na2SO4和Na2S 处理芦苇(Phragmites australis(Cav.) Trin.ex Steud.)后发现,经Na2SO4处理的ΦPSII和qP下降幅度和NPQ的增加幅度均明显低于Na2S 处理的。SO42-和S2-在植物细胞中的排出速率不同,相对S2-来说,SO42-比较容易从芦苇细胞中分泌出来,因此SO42-对植物的迫害程度较低[38],即SO42-对芦苇的伤害小于S2-。张桂玲等[39]在研究转Bt基因棉幼苗(Gossypium hirsutum)时发现,在相同Na+浓度下,Cl-的毒害作用大于SO42-,表明植物光合作用的受胁迫程度会因组成阴离子的不同而存在差异,王斌等[40]研究Na2SO4和NaCl 对沼泽小叶桦(Betula microphyllaBunge)的生理响应及张楚涵等[41]研究不同钠盐对狼尾草(Pennisetum alopecuroides(L.) Spreng.)的生理影响时也得出类似的结果。

盐分浓度是影响盐胁迫对植物伤害程度的重要因素之一。大量研究表明,各种盐分在不同浓度时对植物生理功能的影响不同,且盐分浓度越高、胁迫时间越长,影响就越明显[42]。薛延丰等[43]的研究发现,在低浓度NaCl 处理下,菊芋幼苗的荧光参数与对照相比均无明显变化;除NPQ增加外，其余的荧光参数均随NaCl 浓度的增加呈下降趋势,这说明低浓度NaCl处理下,植物PSII氧化侧的电子流动没有被阻断,光合机构和原初电子受体不受影响,亦无发生光抑制和光破坏;但随着盐处理浓度的增加,PSII 氧化侧的放氧复合物的功能受损,向PSII反应中心提供的电子数量减少,PSII还原侧从QA向QB 的电子传递受阻,从而导致PSII 电子传递速度下降,光合机构逐渐受到光抑制。此外,有研究报道,低浓度的盐分处理有利于部分植物的生长[44];但也有研究表明,不管盐分种类及其浓度如何,均对植物叶片叶绿素的合成起抑制作用[40],这可能与植物本身的耐盐性及生长环境有关。总体来说,高浓度盐分会破坏植物的细胞膜结构,降低酶活性,抑制光合作用,从而打乱植物的生理功能,但由于盐分种类的不同,植物各叶绿素荧光参数的变化曲线、峰值及下降程度均存在差异。

3.2 盐胁迫对不同植物种类叶绿素荧光的影响

盐胁迫对不同植物叶片光合作用的影响不同,例如在一定浓度盐处理下,柳枝稷(Panicum virgatum)[45]、桑树(Morus alba)[46]、杨树(PopulusL.)[47]等植物品种的光合作用效率明显下降,而绒毛梣(Fraxinus velutina)等无明显变化,国槐(Sophora japonicaL.)则有所增强[48]。由于光合作用强弱与叶绿素荧光参数的变化密切相关[33],因此通过研究盐胁迫下不同植物的叶绿素荧光特性来深入了解盐胁迫对不同植物叶片光合作用的影响程度是十分有必要的。一般情况下,抗盐性较高的植物种类受盐胁迫的迫害程度较小,其表现出荧光参数的变化幅度亦较小,且当盐分浓度较低时,部分植物能通过提高叶片光合色素含量和光能的吸收,来进一步增加自身的耐盐能力[49],而盐敏感植物即使在较低盐浓度下,也能使荧光参数发生较大幅度的变化,并引起其光合能力的下降。因此,研究盐胁迫下不同植物荧光参数的变化不仅能了解植物受胁迫的机理和程度,也可以判断不同植物品种的抗盐性,为筛选高抗盐性植物及培育新耐盐植物的研究提供参考[50]。据冯蕾等[7]报道,经0.15% NaCl 浓度处理的枳椇(Hovenia acerba)比对照的Fv/Fm和qP值均有明显下降;而皂荚(Gleditsia sinensis)的相应指标在NaCl 浓度高于0.30% 时才略有下降,且相同盐浓度处理下,枳椇的Fv/Fm和qP值的下降幅度大于皂荚,而NPQ的增加幅度则刚好相反,这表明枳椇对NaCl 胁迫较皂荚敏感,亦表明皂荚的抗盐性强于枳椇。Sixto 等[51]在利用叶绿素荧光参数筛选耐盐性较高的银白杨(Populus alba)品种时发现,抗盐性较强的品种与对照组的Fo和Fv/Fm并无显著差异,而几种盐敏感品种的Fo高于对照,Fv/Fm则相反。由于Fo的增加是由PSII 反应中心受损或可逆失活引起的,因此,根据Fo的变化情况在一定程度上能衡量PSII的稳定性[52]。

一般情况下,抗盐性较强的植物品种能较好的利用PSII 反应中心非辐射热能量的耗散来减轻盐胁迫对光合机构的伤害,但这种利用非光化学猝灭来减轻植物受胁迫伤害的能力是有限的,它不仅与植物品种有关,还与盐分浓度密切相关[28]。唐玲等[28]的研究发现,鸡爪槭(Acer palmatum)作为一种耐盐性较强的植物[53],在一定盐浓度下,可以通过提高NPQ来保护光合机构,使其不受损害;而当盐浓度高达一定程度并超过它自身的调节范围后,PSII 反应中心的光合机构则会受到严重损害。当NPQ出现大幅度下降时,表明植物利用非辐射能量途径散失过剩激发能的功能受到抑制[27],这与周丹丹等[54]研究朴树(Celtis sinensis)和速生白榆(Ulmus pumilaL.)幼苗以及秦红艳等[27]研究山葡萄(Vitis amurensisRupr.)对盐胁迫的响应时得出的结果相似。

3.3 不同光照强度下盐胁迫对植物叶绿素荧光的影响

盐胁迫下,植物的叶绿素荧光特性易受光照强度的影响[55],因此,探明不同光照强度对盐胁迫下植物叶绿素荧光的影响有助于了解植物在盐胁迫下对光强的适应能力,进而为盐胁迫地区植物的合理生产及管理提供参考。一般情况下,单纯的盐胁迫或弱光盐胁迫并不会引起植物发生光抑制[56],因为盐胁迫虽能诱导活性氧(ROS)的过量生产,对植物叶片造成氧化伤害[57],但植物细胞能通过抗氧化系统的防御来降低盐胁迫对叶片的氧化伤害。例如,过量的H2O2能利用金属催化的Haber-Weiss 反应产生高度活泼和破坏极强的羟基自由基(·OH)[58],进而破坏放氧复合体(OEC)的构成亚基并妨碍其周转而降低PSII 的功能[59],但细胞能通过提高抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性[57]来清除过量的H2O2,而光作为植物光合作用的唯一能量来源,是植物进行光合作用的基础。在一定范围内,增加光强能提高植物的光合速率[46],一般情况下,强光只引起 PSII 反应中心的可逆性失活而不会对其形成不可逆的破坏[60]。但当盐胁迫与强光胁迫交互作用时,过剩的光能会引起植物光合速率降低和APX 失活[61],使活性氧代谢紊乱和膜质过氧化[62],进而损伤光合机构,造成光抑制,甚至光氧化或光漂白死亡。其中,强光是造成盐胁迫下植物光抑制的直接原因[61]。据逄好胜等[61]报道,200 μmol·m-2·s-1和500 μmol·m-2·s-1光强下的桑树幼苗的Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII和ETR均随着盐浓度的增加而呈下降趋势,但整体下降幅度较小,而在1 000 μmol·m-2·s-1光强下,各对应荧光参数下降明显,这表明在弱光下,桑树幼苗能通过增强抗氧化系统功能有效减轻盐胁迫诱导的PSII 光抑制[51];在强光下,对PSII 的抑制程度随着盐浓度的上升而加剧,进而使植物叶片发生光抑制。Allakhverdiev 等[63]在研究集胞藻 (Synechocystissp.)的试验中亦报道,导致植物发生光抑制的直接效应并非盐胁迫,而是通过阻碍PSII 的修复,即影响光诱导相关基因的转录和翻译,尤其是抑制D1 蛋白的重新合成而造成的[64]。束胜等[14]的报道也表明,在盐胁迫下,钝顶螺旋藻细胞(Spirulina platensis)的Fv/Fm的下降程度随光强的增加而加剧。但也有研究发现,当盐处理浓度高于0.5%时,桑树的光合速率随光强的增加而提升[46],这可能与植物的光合机构在高盐胁迫下被破坏,而强光在一定程度上能促进光电子的传递并提高光能的转化效率有关[46]。

3.4 盐旱交互胁迫对植物叶绿素荧光的影响

盐胁迫多发生于干旱、半干旱地区。由于该类地区气候干旱、土壤水分蒸发量大,植物多受干旱与盐分的双重胁迫的影响[65]。因此,研究植物在多种逆境交叉下叶绿素荧光的变化情况,有助于了解植物在多种逆境下的生存对策和适应性。干旱对植物的影响主要是由气孔的关闭和CO2的减少引起的,进而抑制叶片的蒸腾和光合作用并直接影响PSII 的叶绿素荧光参数。据常红军等[65]报道,干旱胁迫与盐胁迫均能引起早熟禾 (Poa pratensisL.)的Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSII和qP的下降,其中植物体内活性氧的大量积累是造成PSII 反应中心的受损的主要原因[66],其迫害程度由盐旱复合胁迫、干旱胁迫及盐胁迫依次递减,其中干旱是盐旱交互胁迫对早熟禾生理影响的主导因子,这与Su[67]等的结果一致。但也有研究表明,盐旱复合胁迫下,适度的干旱条件能增强银沙槐(Ammodendron argenteum(Pall.) Kuntze)植株的渗透调节能力,增加可溶性物质含量并促使细胞代谢正常化,从而提高银沙槐的耐盐能力[68]。翁亚伟等[69]的研究也表明在盐旱交互胁迫下,小麦(Triticum aestivumL.)能通过增强根系水分吸收及降低根叶中脱落酸(ABA) (一种能诱导气孔关闭的生长激素)的含量来维持较高的光合能力[14]。这表明不同植物对盐旱交互胁迫的防御机制和适应能力存在差异。此外有研究表明,在轻、中度盐胁迫下,玉米(Zea maysL.)幼苗的叶绿素含量随干旱程度的加剧呈上升趋势,而在重度盐胁迫下则相反[70],因此,盐处理浓度亦是影响植物受胁迫程度的重要因素。

4 提高植物抗盐性的途径

4.1 施加外源物质

施加外源物质作为一种成本低且缓解盐胁迫伤害效果佳的抗盐方法,已成为众多学者的重点研究对象[15]。外源物质主要通过调节细胞渗透势、降低细胞膜透性、增强植物抗氧化能力和调整内源激素水平来发挥作用[20],现今已有越来越多的外源物质被发现。植物可以通过增强对Ca2+的吸收来缓解盐胁迫。Wang 等[71]的研究表明,外源性Ca2+能通过促进光合作用的电子传递、提升幼苗对C、N 元素的吸收、降低细胞内K+外渗、缓解基因表达水平的变化等途径来有效提高盐胁迫下高羊茅(Festuca elataKeng ex E.Alexeev)幼苗PSII 的光化学反应能力和抗盐性,Ca2+也增强了盐胁迫下小麦[72]、番茄[73]的抗盐性。此外,外源性硒、硅[74]、γ-氨基丁酸、水杨酸、阿司匹林和茉莉酸等物质均在相关研究中被证实具有提高植物的抗盐作用。胡凡波等[75]研究了不同浓度外源NO 供体硝普钠(sodium nitroprusside,SNP)对 NaCl 胁迫下长春花(Catharanthus roseus(L.) G.Don)幼苗叶绿素荧光的影响,发现添加0.1c/(mmol·L-1) SNP 能有效缓解叶绿素的降解和PSII 反应中心的破坏。外源物质的添加量对缓解植物受胁迫的效果存在差异,过量的添加外源物甚至对植物的生长产生抑制作用,因此掌握外源物质最适度的添加量,才能最大化其缓解胁迫伤害的功效。

4.2 转基因技术

随着分子生物学的快速发展,人们已从分子水平来研究植物的耐盐机理,其中诱导植物耐盐相关基因的高效表达是增强植物耐盐性的有效方法[20]。目前,对植物耐盐相关基因的研究主要集中在高等植物离子转运蛋白基因、渗透调节相关基因、信号传导相关基因和细胞抗氧化相关基因等方面[20]。例如,HKT 转运蛋白在植株中 Na+的转运上起着整体调控的重要作用[76]。其中,在Kader 等[77]在研究水稻(Oryza sativaL.)的过程中发现,盐胁迫能诱导转运蛋白基因OsHKT1、OsHKT2 和OsVHA的表达，并通过调节Na+与K+的比例来降低Na+的浓度,从而缓解由于高Na+浓度而引起的叶片气孔关闭和气孔导度降低等问题,且利于CO2向叶绿体的输送和叶绿体内 CO2的同化等过程,进而减轻盐胁迫对光合电子传递的影响,维护植物光合功能的作用[78]。相关研究表明,PhaHAK5、Pha HAK2-n、PhaHAK2-e和PhaHAK2-u 等基因均能调节盐生植物中的Na+的浓度[79]。此外,在野生大豆(Glycine sojaSieb.et Zucc.)中分离出的基因GsJAZ2[80]和新型混合富含脯氨酸型基因GsEARL17[81];甜高粱(Sorghum dochna(Forssk.) Snowden)中的SbCIPKs基因[82];蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)中的MtWRKY76[83]以及紫花苜蓿(Medicago sativaL.)中的GsGSTU13[84]等均能有效缓解盐胁迫对植物的伤害。虽然转基因技术能有效增强植物的耐盐性,但由于植物耐盐性受到多基因网络体系的调控且不同信号与代谢途径间的关联错综复杂,而且在技术方法存在诸多限制,因而研究成果相对较少,仍存在许多技术难题需要攻克,其安全性也是备受争议的话题[15]。

4.3 与真菌的协同效应

有大量研究表明,真菌普遍存在于土壤中且能与众多高等植物根系形成互惠的共生体系[85],在专业术语上称为“菌根”,菌根有外生菌根和内生菌根之分。据王佺珍等[15]报道,内生菌可通过参与渗透调节、提高光合作用、提高植物营养、增强抗氧化系统等方面来发挥其增强植物抗盐性的作用。其中,丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal,AM)作为内生菌的一种,能通过增加叶绿素含量及提高叶绿素荧光效率来有效减轻植物的受迫程度[86],从而提高净光合速率。张美月等[87]研究表明,接种AM 真菌的草莓能通过提高草莓对矿质元素,特别是磷元素的吸收来提高叶片的叶绿素含量,使植株保持较高的光合速率,在一定程度上减弱因盐胁迫引起的叶绿素分解,从而提高植株的抗盐性。这与祝文婷等[88]报道的丛枝菌根真菌具有提高植物抗盐碱胁迫能力的结论一致。但AM 真菌对缓解植物受盐胁迫伤害的程度是有限的,它受盐胁迫强度的影响。贾婷婷等[88]在研究AM 真菌对沙枣(Elaeagnus angustifolia)苗木光合与叶绿素荧光特性的影响时发现,随着盐处理浓度的升高,AM真菌与沙枣幼苗共生对沙枣叶片的保护作用会逐渐减弱。此外,Porcel 等[89]研究表明,AM 真菌在非盐胁迫下对PSII 不起作用,但在盐胁迫条件下能保护水稻叶的PSII 系统。总而言之,菌根真菌作为增强植物抗盐胁迫性的一种方法,在一定程度上既能提高植物的抗盐性又能减少化学制剂的使用,因而可以减轻环境压力[15]。

4.4 培育耐盐品种

通过与生物技术手段相结合、抗盐碱基因的转移、品种间杂交和对现有植物进行耐盐碱筛选等都是培育耐盐碱品种的有效途径。大部分研究表明,植物的多倍体化可使植物具有较高的耐盐性,这是由于四倍体在盐胁迫下能维持正常的离子平衡、较高的抗氧化活性和较低的甲基化和去甲基化比率[90],还能增强植物钾的积累。例如,重度盐胁迫下的四倍体金银花(Lonicera Japonica)与二倍体金银花相比,仍有较高的 Rubisco 酶活化状态,PSI 和PSII 均不受光抑制且光合速率受影响的程度小,因此四倍体金银花更适合栽种于盐碱地[91]。也有研究报道[92]盐胁迫下四倍体柑橘叶片的Na+和Cl-的积累量较多,PSII 受损严重,耐盐性不如二倍体。因此,盐胁迫下,不同倍性植物的Na+和Cl-运移机制是否是导致耐盐能力的差异还需更深入的研究。此外,拟南芥(Arabidopsis thaliana(L.) Heynh.)中多胺氧化酶5 的功能缺失突变[93]、将山菠菜(Prunella asiaticaNakai)的BADH基因转入烟草(Nicotiana tabacumL.)[94]以及二倍体野生西方白三叶(Trifolium occidentaleCoombe)和普通白三叶(Trifolium repensL.)杂交[95]均能选育出耐盐碱品种。孙卫红等[96]在研究转番茄正义抗坏血酸过氧化物酶基因(Let APX)对烟草耐盐能力的影响时发现,在盐胁迫下,将番茄的Let APX转化到烟草中能使烟草保持相对较高的光合能力,并有效减少Fv/Fm的下降,从而提高烟草的耐盐能力。

5 结论与展望

盐胁迫是一个复杂的环境问题,而植物对盐胁迫响应是一个复杂的机制。人们已从不同方向对不同植物的抗盐机理进行研究并提出各种增强植物抗盐性的方法,其中叶绿素荧光动力技术由于其对植物无损伤、测定简单快速且能够揭示荧光变化的每个过程和解释光合作用的机理等优点而被广泛应用于植物抗盐机理研究及抗盐能力评价。未来叶绿素荧光动力技术在抗盐胁迫方面的研究热点如下:

1)目前,叶绿素荧光动力技术虽在研究植物的抗盐性上有其独特的优势,但该技术本身也存在着不容忽视的缺点,例如Fv/Fm的获得必须经过暗适应,在林冠层难以实施;测定区域有限,如调制式叶绿素荧光仪PAM—2100 暗适应夹的有效测定面积为38.5 mm2;代表性不强;多用于室内研究,室外极易受到外界条件变化的干扰等等,且该技术尚未能较全面反映PSII 中水氧化分解的过程、电子传递及合成 ATP 和NADPH 所需的能量等。因此,需要不断改进测量仪器来实现技术上的突破。

2)对于盐胁迫对植物叶绿素荧光影响的研究主要集中在单一盐分类型胁迫,特别是NaCl 胁迫,而对混合盐胁迫方面的研究的相对较少。由于盐胁迫通常不是由单一的盐分种类引起,不同盐分离子常常存在交互作用,因此,对混合盐胁迫对叶绿素荧光影响的研究对于提高作物产量和改善生态环境具有重要意义。

3)盐胁迫虽会降低植物产量,但也会提高一些植物果实,如小麦、燕麦(Avena sativaL.)和番茄等的质量。因此在盐胁迫下,运用叶绿素荧光动力技术来反映植物光合作用的变化,并建立与产量和质量的关系,揭示其高产的形成机理,确定达到植物最高产量和最佳质量的盐浓度平衡阈值,是今后研究的一个新方向。

4)目前,大多数的盐胁迫研究多集中在植物种子萌发和幼苗时期,对植物整个生命过程的系统研究较少。因此,研究盐胁迫下植物不同生长时期内的荧光参数动态与生长发育规律的关系,有利于明确植物在不同生长期的盐适应机制。

5)目前,针对盐胁迫下植物分子机制的研究尚处于初级阶段,对于耐盐碱相关基因的筛选、基因家族转录组的测序以亚细胞的定位等是当前研究的热门方向。另外,盐胁迫信号元件的分子特性,液泡膜转运蛋白及质子泵的功能和突变体筛选有待深入研究。因此,将叶绿素荧光动力技术与植物生理学、基因组学、分子生物学和蛋白组学等不同学科相结合,通过环境友好型的生物手段全方位阐释植物的抗盐机制,筛选和改造耐盐植物是未来研究的热门课题。