向日葵对盐碱胁迫的响应机制及缓解措施研究进展

张红，王文浩，刘文俊，何丽芬，闫玉星，郑洪元

（山西省农业科学院经济作物研究所，山西太原030031）

长期以来，因为各类自然环境的影响和人类不合理的开发利用，土地面临的盐碱化问题越来越严重。据统计，世界上有近1/3的土地是盐碱地，我国的盐碱地面积也数量惊人[1]，盐碱胁迫已成为仅次于干旱胁迫的第二大阻碍作物正常生长发育的影响因素。盐碱土含盐分多，碱性大，土体结构受到严重破坏，导致植物生长受阻，中毒和烂根死亡[2]，这对农业生产和粮食安全构成极大威胁，并随着社会的高速发展和人口的不断增长，盐碱地面积还有不断扩大的趋势，人类面临的土地问题将会日益严峻。因此，现代农业发展急需解决的问题之一就是合理地开发和利用盐碱地，了解盐碱胁迫下作物的响应机制，培育筛选耐盐碱新品种，提高作物的抗盐碱能力[3]，能有效利用盐碱地。

向日葵是世界上重要的油料作物之一[4]，也是我国北方部分省区的主要油料作物[5]，其本身具有较强的耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱等特性，种植向日葵对有效利用盐碱地具有重要意义[6]。目前，对向日葵的耐盐碱研究主要集中在种子萌发、生长发育、生理生化特性及耐盐碱机制和分子机制等方面，但缺乏这些方面的综述性报道。

本研究探讨了向日葵对盐碱胁迫的响应机制及缓解措施，旨在为向日葵适应不同生态环境及开发利用提供一定参考。

1 盐碱胁迫对向日葵种子萌发及生长特性的影响

有研究表明，当胁迫达到一定浓度后，向日葵种子的出苗率、苗高、叶片数、干物质质量、叶面积、株高等指标都明显降低[7]。但在低浓度的胁迫条件下，由于土壤渗透势加大，种子吸水缓慢，种子萌发中的活化和修复充分进行，对向日葵种子的萌发抑制作用不明显，甚至表现出了更强的萌发力，尤其在出苗后期，适当的盐分处理能够促进幼苗的生长[8]。国外已有文献报道，用盐溶液浸种的方法可以提高植物的抗盐性[9]。有研究指出，盐碱胁迫对向日葵的种子萌发、幼苗形成及不同生长阶段的影响明显不同，幼苗生长各项指标均表明碱胁迫的抑制作用明显大于盐胁迫[10]，而且盐、碱2种胁迫是具有相互增强的协同效应[11]。

2 在盐碱胁迫下的响应机制

2.1 叶面积的响应

向日葵的叶面积大小与光合作用面积的大小有直接的关系，光合作用的强弱影响作物的生长和代谢，最终影响到作物的产量。岳云等[12]研究认为，株高和叶面积是油葵植株受盐胁迫时的表型指标。向日葵是较耐盐碱的作物，有研究发现，在土壤含盐量0.35%环境下，株高、叶面积和生物产量下降均不显著，说明向日葵耐轻度盐胁迫，在该环境下生长良好[7]，其叶面积非但没有下降反而稍高于对照组；随着盐浓度的增加，叶面积受到胁迫影响出现显著下降的趋势[11-13]，在盐浓度较低时，碱胁迫的增强对叶面积影响较小，随着盐浓度增高，碱胁迫的影响作用增大；当盐浓度保持不变时，pH值上升后会导致叶面积的下降，因此，盐浓度和pH这2种因素变化都会对叶面积产生影响[11]。张俊莲等[14]研究认为，逆境胁迫对向日葵叶面积的影响较大，原因是逆境胁迫使得质膜特有的选择性功能丧失。

2.2 抗氧化酶系统的响应

逆境胁迫对植物造成伤害的最初部位就是细胞膜系统，而造成细胞膜伤害的主要原因之一是活性氧积累引发的膜脂过氧化，本身具有耐盐碱能力的植物可以通过增强活性氧清除能力来减轻伤害，而清除活性氧的途径主要是通过维持较高的保护酶活性[15]，所以，植物的耐盐碱性与抗氧化酶活性呈正相关[16]。有研究表明，用NaCl处理向日葵后，其叶片的MDA含量及叶片保护酶APX、SOD、CAT活性升高[17]，当土壤含盐量高于对照后，保护酶系统被激发，保护酶SOD、POD和CAT活性明显升高，表明供试的向日葵材料具有较强的活性氧清除能力[7]，进而抵抗盐碱伤害。还有结果显示，杂交油葵比食用葵具有较强的耐盐碱性，杂交油葵的耐盐碱性与其根部外皮层栓质化和茎叶中的通气组织密切相关[18]。事实上，由于向日葵的品种、器官、生育时期及胁迫程度各不相同，其作用机制明显不同。有研究表明，盐胁迫能够有效促进向日葵有机渗透调节物质脯氨酸和游离氨基酸的积累[19]。岳云等[12]研究认为，油葵受盐胁迫的生理状况可以通过丙二醛、膜透性来反映，油葵植株受盐胁迫时的表型指标可以用株高、叶面积表示。陈炳东[13]研究表明，油葵在2对真叶期根系POD酶活性略大于叶片，而脯氨酸含量在不同生育阶段表现不同，为现蕾期＞苗期＞开花期，丙二醛含量则表现为现蕾期显著高于苗期和花期。综上，向日葵不同种质资源耐盐碱性的形成是多样的且存在差异。

2.3 有机渗透调节物质的响应

逆境胁迫下的植物为保证其细胞能够正常的生理代谢，减少由于细胞外的水势低于胞内而导致细胞的脱水，会通过渗透调方式，促使水分朝着有利于细胞生长的方向进行。许多研究证明，当向日葵幼苗处于逆境胁迫时，其体内的脯氨酸含量显著升高[20]。颜宏等[21]研究表明，是否浸种处理，向日葵在逆境胁迫下叶片中脯氨酸含量都明显增加，脯氨酸除了有渗透调节的作用外，对清除氧自由基和稳定细胞膜结构都起作用，也是细胞结构蛋白的主要成分，所以，植物体内脯氨酸含量不仅是植物抗逆性的重要指标，也是反映环境胁迫的一个重要指标。但刘杰等[22]研究发现，脯氨酸对于调节向日葵子叶渗透势作用并不明显，在盐碱胁迫下，向日葵子叶中所积累的大量脯氨酸可能并不是因为要应对渗透胁迫的响应，反而有机酸含量明显积累，尤其是在碱胁迫下，有机酸成为向日葵子叶中有机渗透调节剂的主要成分。这可能是由于不同的有机渗透调节物质，对盐碱胁迫强度的响应机制不同所致[12]。

2.4 离子吸收及分布的响应

植物生长在盐碱化土地上，体内摄入大量的Na+，过量的Na+可能和Ca+竞争，破坏细胞膜的正常结构、影响其生理功能。植物体内过多的Na+和Cl-也会造成细胞内电荷和离子失衡，影响植物正常的代谢，因此，高盐胁迫导致其他营养离子的缺失，特别是K+[23]，所以，植物需要保持细胞质的低Na+浓度、增加外排或者区域化将其封存在液泡或者特定的组织器官中[24]。因此，在正常情况下，植物细胞质中K+浓度较Na+浓度要高，Na+/K+较低。郑青松[25]研究发现，油用向日葵处于盐胁迫时，茎秆和根部中的Na+比叶片多；K+在叶片和叶柄中的含量显著增加，表明油用向日葵在离子吸收过程中，对K+具有较强的选择性[26]。在盐胁迫下，耐盐品种和盐敏感品种在盐胁迫前后的内流主要是Na+流和H+流，外排为K+流；短期盐胁迫处理，耐盐品种的Na+内流和H+内流较盐敏感品种大，K+外流较盐敏感品种小，耐盐品种有较强的对Na+截留、对K+的保留和对H+的调控能力[16]。刘杰等[22]研究发现，在盐碱胁迫下，向日葵子叶中K+含量不但没有减少反而明显增加，这与其他植物碱地肤、碱蓬有所不同，说明K+是向日葵子叶最主要的渗透调节物质，进一步反映了向日葵在盐碱胁迫条件下表现出其特殊适应性。在盐碱胁迫下，向日葵要实现渗透调节，避免Na+大量涌入体内造成离子毒害，就要通过大量吸收K+来维持细胞内离子平衡。在不同生长阶段，各器官中离子分布也有较大差异。植株中K+浓度最高值出现在成熟期，其含量高于根部K+浓度，更是根系的4倍，即随盐胁迫浓度的增大，根系对K+的吸收减弱，因为此时细胞质中高Na+含量抑制了植物对K+的吸收，是Na+对K+的拮抗作用造成的，而植株中Na+随盐浓度的变化在现蕾期、开花期、苗期明显大于灌浆期和成熟期。说明油葵对土壤盐分的携出主要是通过植株带走的[27]。

2.5 分子水平响应

20世纪90年代以来，植物耐盐性研究取得了很大进展。国内外对植物盐诱导过程中具有重要作用基因的分离、克隆、鉴定和利用进行了大量的研究，主要涉及盐胁迫条件下，植物在渗透调节、抗氧化、水分胁迫蛋白合成及转录因子调节等方面的研究。在盐胁迫下，向日葵提高耐盐性的方式是蛋白积累和基因表达的变化。迄今为止，已克隆获得上百种LEA基因，可被盐胁迫、干旱、低温及ABA处理等诱导表达[28]。

3 缓解盐碱胁迫的主要措施

3.1 耐盐碱品种筛选及培育

培育和筛选耐盐碱向日葵品种是保证盐碱地向日葵高产稳产的重要方法。安玉麟等[29]采用群体逐级分类法对25个向日葵杂交种进行耐盐碱性鉴定和评价，筛选出2个极强耐盐碱杂交种内葵杂4号、P65和4个强耐盐碱杂交种。张庆昕等[30]采用Na-Cl∶NaHCO3∶Na2CO3∶Na2SO4质量比为1∶9∶9∶1的混合盐碱溶液，对33个油用向日葵品种进行抗盐碱性评价，得出耐盐碱能力最强的是YK9和YK31，耐盐碱性最差的是YK14、YK28和YK30。张捷等[31]以国内的优良向日葵品种资源与自选育的不育系为材料，选育出3个汾恢系列恢复系品种进行耐盐碱性评价，得出汾恢1号在抗旱、耐盐碱等方面更为突出。研究者们也正在积极探索运用分子生物学的手段来探究向日葵抗盐碱分子机制，并尝试用基因工程方法改善向日葵的抗逆性状。梁春波等[32]克隆了向日葵DREB类转录因子基因，根、茎和叶中的DREB基因均受干旱、盐害和低温诱导而上调表达，叶中DREB基因的上调幅度最高，干旱和盐胁迫的表达上调量明显高于低温胁迫的表达上调量。孙瑞芬等[33]克隆了向日葵盐诱导HD-Zip类转录因子HB-12，认为该基因在向日葵根、下胚轴和叶中的表达存在器官特异性，且受盐、ABA及PEG诱导表达。

3.2 外源物质施加

缓解盐碱胁迫的另一有效手段是外源物质的施加，外源NO可以降低重金属和盐胁迫对种子萌发的抑制，在实际生产中可利用NO来促进农作物种子的萌发和幼苗的生长。在生产中，采用浓度为0.10～0.50 mmol/L SNP外源NO浸种来促进向日葵种子的萌发和幼苗的生长[34]。将外源基因导入植物体中的另一重要途径是应用基因工程手段，通过增强植物自身渗透物质的合成累积能力，来达到提高植物对逆境胁迫的抵抗能力。EVERETT等[35]利用根瘤农杆菌侵染向日葵下胚轴，通过愈伤组织获得第1例转基因向日葵植株以来，向日葵遗传转化工作正式拉开序幕，但是进展缓慢。内蒙古农牧业科学院向日葵课题组利用自己选育出的保持系75-33B和恢复系HT80-97这2个品种作为转化受体材料，用农杆菌介导法将抗旱、耐盐碱基因P5CS导入到向日葵中，转化出具有较强抗旱、耐盐碱的向日葵新品系，为在干旱、盐碱地区种植向日葵提供了有力的品系保障[36]。

3.3 与根际微生物的协同作用

植物根际促生菌（PGPR）是一类能诱导植物建立抵抗或忍耐机制、增强植物在逆境中的生存能力、促进植物生长的微生物。植物根际促生菌能促进植物的生长、防治病害、增加作物产量等[37]。PGPR已成为当今土壤微生物学、微生态学和植物抗逆性的研究热点之一[38]，随着分子生物学技术的发展，PGPR介导植物盐碱抗性的分子机制逐渐被关注。通过调节抗性相关基因及蛋白的表达，PGPR能显著增强植物盐碱抗性。刘军等[39]研究表明，加入根际促生菌对提高植物抗逆性有显著作用，可以有效缓解向日葵幼苗的胁迫效果，减少了胁迫对向日葵幼苗的毒害作用。种植向日葵时施入微生物菌肥可以起到生物防治、改良盐碱土壤的作用。随着我国耕地土壤盐渍化和次级盐化的情况日益严峻，植物根际促生菌的开发与应用对提高作物产量、改善土壤理化性质和供肥能力、有效利用环境资源及减少农药污染等具有重要作用，对盐渍化土壤PGPR的研究与开发势在必行[40]。

4 展望

迄今为止，学者们对向日葵耐盐碱方面的研究主要集中在表型和生理生化的胁迫响应，缺乏从彼此关联的角度进行阐述，尤其在不同品种、生育期、器官及不同胁迫程度下，其响应的差异性缺乏合理解释。育种家们已经在向日葵抗旱方面作了大量工作，但局限于向日葵本身所具有的抗旱、耐盐碱机理的研究，只有在子代中进行大量筛选才能选育出其抗性。众所周知，植物的抗性是由多基因控制的数量性状，靠传统的育种模式难以将相关的抗性基因整合出来，将现代分子生物学及基因工程技术应用到育种中，由原来的传统育种模式转化为以传统育种为主，结合现代基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术和组织培养技术进行分子育种势在必行[36]。通过基因技术手段培育向日葵新品种必将成为盐碱地生物治理和合理开发利用的重要保障。