马铃薯耐盐碱研究进展

杨新月，闫 梦，张剑峰，赵 朋，董道峰，李旭刚*

（1.山东农业大学生命科学学院作物生物学国家重点实验室，山东 泰安 271018；2.山东省盐碱地植物-微生物联合修复工程技术研究中心，山东 泰安 271018；3.青岛农业大学，山东 青岛 266109；4.山东省农业科学院蔬菜研究所，山东 济南 250100）

土壤盐碱化是一个全球性问题，已成为影响全球作物产量的制约因素之一，盐碱土中有机质含量很少、土壤肥力较低、理化性质差，制约植物正常的生长发育，严重降低粮食作物的产量。马铃薯（Solanum tuberosum L.）含有较高的营养价值，具有高产、适应性强的特点，是中国除小麦、玉米、水稻之外的第四大主粮作物。马铃薯是对盐中度敏感的作物[1]，现阶段推广的马铃薯品种耐盐性较差[2]。盐碱胁迫会影响马铃薯叶片、茎、根和块茎的生长发育，造成马铃薯减产，影响农业经济发展，因此探究马铃薯抗盐碱机制及提高马铃薯的耐盐碱性具有重要的理论和实践意义。

1 盐碱胁迫对马铃薯发育及生理的影响

1.1 盐碱胁迫对马铃薯生长发育的影响

根系的生长与作物产量息息相关，盐碱胁迫抑制植物根的生长，从而限制植物的生长发育，进而影响作物的产量[3]。当马铃薯受到盐碱胁迫时，其根长、株高、叶长叶宽等形态特征受到抑制，而且随着土壤的盐碱化程度升高，其抑制程度越明显[4,5]。此外，盐碱胁迫影响马铃薯的产量及品质，马铃薯的品质指标主要包括干物质含量、淀粉含量、蛋白质含量、还原糖含量、维生素C含量等[6]。姚彦红等[7]针对马铃薯设置5个NaCl浓度胁迫处理，结果表明，随着NaCl 浓度的逐渐增加，马铃薯产量逐渐下降，干物质、淀粉、蛋白质等含量均下降，导致马铃薯品质下降。

现阶段对于马铃薯耐盐机制研究较多，但是对于碱胁迫的耐碱机制研究较少。当用NaHCO3处理马铃薯组培苗之后，马铃薯叶片在碱胁迫下发生萎蔫、植株枯萎，不能正常生长[8,9]。对于不同的马铃薯品种，其耐盐碱性也有一定的差异[10-12]。

1.2 盐碱胁迫对马铃薯生理生化的影响

盐碱土壤中含有大量的中性盐离子，在马铃薯植株生长过程中，这类离子会在茎组织中积累[13]。盐类的过度积累会严重影响马铃薯植株在生长发育过程中的各项生命活动[14]。

1.2.1 影响内源激素

内源激素又称为植物激素，已知的内源激素包括生长素、赤霉素、脱落酸、乙烯、细胞分裂素以及油菜素内酯等。植物激素的含量是否正常直接决定植物能否正常生长，当植物遭受盐碱胁迫时，植物体内的内源激素会发生一系列响应[15]。马铃薯组培苗在盐胁迫条件下，叶片中生长素的含量会下降，而在根系中生长素以及脱落酸的含量随着胁迫时间的延长而增加[16]。而当马铃薯在碱性胁迫条件下，其体内的脱落酸以及油菜素内酯含量随着碱浓度的增加而增加，但是赤霉素的含量却逐渐下降[17]。

1.2.2 干扰离子稳态，产生离子毒害

盐碱胁迫会使植物体内Na+的含量增加，而较高浓度的Na+会影响植物对K+的吸收，从而导致植物体内Na+/K+比率增大。李亚平等[18]研究表明，不同浓度的混合盐胁迫条件下，马铃薯脱毒苗植株体内的K+/Na+比率均下降。康益晨[17]研究表明，在不同浓度NaHCO3碱胁迫条件下，不同马铃薯品种之间Na+含量均随着碱浓度的增大而增加，K+含量均随着碱浓度的增大而降低，根茎叶中钠钾离子含量比随着碱胁迫浓度的增大而降低。

1.2.3 造成渗透胁迫

在盐胁迫下，渗透物质对维持植物耐盐性至关重要[19]。其中脯氨酸作为渗透保护剂，可以调节细胞内的渗透平衡。孙晓光等[20]研究显示，经过混合盐胁迫处理之后，马铃薯叶片脯氨酸含量随着盐浓度的升高而升高，可溶性糖的含量也逐渐增加。在经过不同浓度的NaHCO3碱胁迫处理之后，也得到了同样的结果[17]。

1.2.4 削弱光合作用

叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，盐碱胁迫会导致叶绿素含量降低，从而影响作物产量[21]。马子竣[22]研究表明，耐盐株系与盐敏感株系随着盐浓度的逐渐升高，叶绿素含量均下降，进而影响植物的光合作用。当马铃薯植株受到盐碱胁迫之后，不同品种之间的叶绿素A 和叶绿素B 的含量均下降[23]。

1.2.5 导致氧化胁迫

丙二醛（Malondialdehyde，MDA）是植物在逆境条件下，发生膜脂过氧化作用产生的，其含量变化可以反映植物受到胁迫强弱的程度[24]。当马铃薯植株受到盐碱胁迫时，其含量随着盐碱浓度的增加而增加[25]。植物对盐碱胁迫的主要反应是产 生 活 性 氧（Reactive oxygen species， ROS）[26]。ROS 的积累会导致氧化胁迫，为了避免氧化损伤，植物体会合成过氧化物酶（Peroxidase，POD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等一系列酶以清除这些活性氧并防止氧化损伤[27-29]。Charfeddine等[30]将StERF94 基因导入到马铃薯植株中，获得过表达转基因株系，研究显示其植株中SOD 的活性较高，可以减轻由于盐胁迫引起的ROS 介导的膜系统损伤。张景云[31]、李青等[32]研究了几种对盐敏感程度不同的马铃薯品种（系），当胁迫时间逐渐增加时，POD、SOD 的活性均呈现逐渐下降的趋势，而随着盐胁迫时间的增加，CAT 活性呈现先降后升的趋势。赵明辉等[33]通过比较耐盐性不同的二倍体马铃薯在碱胁迫下的形态和生理性状，结果显示无论是在5 mmol/L NaHCO3浓度、还是10 mmol/L NaHCO3浓度条件下，SOD 活性相对值由高到低顺序为耐盐组＞中耐盐组＞感盐组，POD 活性相对值由高到低顺序为耐盐组＞中耐盐组＞感盐组。

综上所述，盐碱胁迫对马铃薯植株生理生化的影响是多方面的，但是不同品种之间是否具有差异性是值得研究的热点问题[34-36]。

2 提高马铃薯耐盐碱性的方法

2.1 利用植物根际促生菌

植物根际促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）是指生活在土壤中或附生于植物根系的一类能帮助植物吸收和利用矿质营养，促进其生长发育的菌类。PGPR 可以缓解盐碱胁迫给植物带来的负面影响，改善植物生长，并提高各种作物的耐盐性，在农业发展领域具有重要的应用价值[37,38]。

研究发现，植物根际促生菌与马铃薯共生时，可以提高马铃薯植株的生长能力，并且改善马铃薯的品质[39,40]。芽孢杆菌是常见的植物根际促生菌，当芽孢杆菌与马铃薯在盐碱胁迫条件下共生时，芽孢杆菌通过促进马铃薯根际生长素的生成，维持离子稳态，调控抗氧化酶的活性，从而增强马铃薯的耐盐碱能力，进而提高马铃薯植株的生物量、单株块茎数和块茎产量[41]。

2.2 施加外源物质

提高植物抗盐碱能力的方法有多种，已有研究结果证明，通过施加外源调节物质，可以提高植物抗盐碱能力，从而提高植物耐盐性[42-44]。

植物激素在植物的生长发育过程中发挥重要作用，参与了植物生长的全部过程，当植物受到胁迫时，植物激素可以提高植物的抗逆性[45]。水杨酸是一种重要的生长调节剂，已有研究表明，施加外源水杨酸可以提高植物的抗逆性[46,47]。Faried 等[48]研究结果表明，水杨酸可以显著提高超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等抗氧化酶的活性和调节脯氨酸和酚含量，清除活性氧，提高钾的利用率，降低马铃薯叶片中的钠含量， 从而赋予马铃薯耐盐性。 茉莉酸（Jasmonate，JA）是重要的分子，参与植物各种生命活动[49]。茉莉酸在盐碱胁迫下，可以减小NaCl对光合色素的影响，并维持细胞的渗透物质，增强其耐盐性[50]。

磷脂酰丝氨酸（Phosphatidylserine，PS）是细胞膜上的一种重要活性物质，施加外源PS 可以降低由于盐胁迫而导致的K+外流并上调质膜上H+-ATP 酶活性来延缓叶片衰老，诱导马铃薯耐盐性的提高[51]。Ca2+不但是重要的营养元素，而且也是重要的第二信使。当植物受到胁迫时，Ca2+能够提高植物的抗逆性[52]。施加外源钙离子可以提高叶绿素含量，增强马铃薯的光合作用，其次还可以提高抗氧化酶的活性，维持膜的稳定性，从而提高马铃薯的耐盐性[53]。

2.3 应用基因工程技术

众所周知，马铃薯对盐分的敏感性中等，在块茎芽萌生阶段易受盐分影响。为了培育耐盐马铃薯品种，世界各国都在通过导入耐盐基因，在马铃薯中表达功能蛋白进行转基因抗盐碱胁迫研究。

当植物受到胁迫时，植物体内的脱落酸（Abscisic acid，ABA）被诱导合成[54]。ABA 在植物抗非生物胁迫过程中发挥关键作用，在ABA 信号途 径 中 ， ABF（ABA-responsive element binding factors）转录因子扮演着重要角色。研究表明，ABF4 可以 提 高 拟 南芥 的 耐 盐 性[55]。 Noelia 等[56]在马铃薯中过量表达拟南芥中ABF4 基因，结果表明在正常条件下，转基因马铃薯与野生型相比，各项生理指标无明显差异，但是转基因马铃薯的块茎产量和块茎品质均高于野生型。经过盐胁迫处理后，转基因马铃薯相对含水量、脯氨酸含量和叶绿素含量均显著高于野生型，说明ABF4 过量表达植株对盐耐受性增强。研究还发现，ABF4基因在马铃薯中异源过表达，不但增强耐盐能力，还增强其耐旱能力。目前已经鉴定出的脱水反应元件结合蛋白（DREB）具有较强抗逆性，研究发现在马铃薯植株中过量表达StDREB2[57]基因，可以通过参与ABA 激素信号和脯氨酸合成途径提高马铃薯的耐盐性。此外，研究者还发现StDREB1[58]过表达也可以显著提高转基因马铃薯的耐盐性。

油菜素内酯（Brassinolide，BRS）广泛存在于植物体内[59]，在抗非生物胁迫中发挥着重要作用[60]。有研究表明，施加外源BRS可以提高植物耐盐性[61]，通过适量的外源油菜素内酯提高马铃薯抗氧化酶的活性，增加脯氨酸含量，降低丙二醛含量来提高马铃薯的耐盐碱能力[62]。DWARF4（DWF4）基因是编码油菜素内酯的关键基因[63]。Zhou 等[64]将DWF4 基因在马铃薯中过表达，获得转基因马铃薯植株，经过胁迫处理之后，StDWF4 转基因马铃薯株系的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性等生理指标均高于正常植株，表明过量表达StDWF4 可提高马铃薯的耐盐能力。

吴英英等[65]关于马铃薯转HaBADH（甜菜碱醛脱氢酶）无性一代植株研究表明，随着盐浓度的逐渐升高，与正常植株相比，转HaBADH 基因植株的生长情况、单株结薯重量、单株结薯数以及脯氨酸和MDA 含量均显著高于未转基因材料。研究结果初步说明盐胁迫下HaBADH 基因的表达提高了马铃薯转基因株系的耐盐能力。

陈秀华等[66]首次将硫腺苷甲硫氨酸基因转入到马铃薯。对比转GsSAMS 基因的7 个马铃薯株系（SM13、 SM33、 SM4、 SM22、 SM30、 SM40 和SM27）与未转基因‘大西洋’品种，无论是正常培养还是经NaHCO3胁迫处理，SM22、SM4、SM33和SM13 四个转基因株系产量均比未转基因植株有所增加，说明GsSAMS 转入到马铃薯中可以提高其耐碱性。

3 展 望

由于人类活动、环境污染、工业废水等加剧了土壤盐碱化，极大地影响了马铃薯的生产，而现阶段种植户种植的大部分马铃薯品种耐盐性较差，因此对种植户造成了一定的经济损失。马铃薯耐盐碱性是一个极其复杂的生理过程，现阶段已有大量的研究阐明马铃薯的耐盐机制，并筛选出一些耐盐品种。然而，现在的研究大多以NaCl为胁迫条件，而以NaHCO3为胁迫条件的研究较少。当然，也有研究表明，马铃薯耐盐与耐碱的机制是类似的，不同的品种之间，其耐盐碱机制也有所不同。目前没有统一的标准可以确定耐盐碱品种，马铃薯植株在实验室培养和在大田种植时，其耐盐能力有一定差异，这也使得耐盐品种的确定成为问题，因此制定统一的标准确定耐盐品种是非常重要的。

目前，植物根际促生菌主要应用于治疗马铃薯疮痂病等一系列疾病，而将植物根际促生菌应用于提高马铃薯耐盐碱能力的研究较少。植物根际促生菌可以改善马铃薯在盐碱条件下的生长环境，却不改变马铃薯植株的基因，其安全性有一定的保障，可应用于市场。因此，寻找能够提高马铃薯耐盐碱能力的植物根际促生菌是有必要的。

近几年，研究者通过基因工程技术获得了一些马铃薯耐盐碱转基因株系，相比于未转基因植株，转基因株系的耐盐碱能力有所提高。但是，这些转基因株系的安全性及其应用性暂时未知，需要从各个方面进行详尽研究之后才可用于育种。