盐胁迫下调控玉米胞内Na＋／K＋比稳定的主要机制与措施

李明，冷冰莹，张晗菡，刘霞

（1.山东师范大学生命科学学院，山东 济南 250014；2.山东省农业科学院玉米研究所／小麦玉米国家工程实验室／农业部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室，山东 济南 250100）

目前土壤盐渍化面积逐年扩大问题受到国内外研究者持续关注。全世界有近50%的灌溉土受到不同程度的盐渍威胁，我国盐渍土面积超过总耕地面积的20%［1］。玉米是我国第一大作物，在食用、饲用及工业原料供给等方面作出突出贡献［2］。玉米可以承受的极限盐度仅在0.0017 mol／L左右，盐害显著影响玉米的生长与生产［3］。多元醇类物质、激素与营养元素在玉米应答盐胁迫过程中起到保护作用，其中钾素是玉米生长发育所必需的主要营养元素之一，钾转运蛋白在植物获得K＋与维持Na＋／K＋比稳定的过程中起着重要作用；钾转运蛋白与CBLs和CIPKs蛋白在逆境应答的信号转导过程中作用显著，并且CBLs与CIPKs蛋白调控某些钾转运通道活性，并参与玉米K＋吸收和再分配过程，对胞内Na＋／K＋比的调控作用表现出关联性［4］。因此，玉米内外源有机物应答盐胁迫的机制与培育优良耐盐玉米品种问题亟待解决，这对于盐碱地的开发和利用也至关重要。

1 盐胁迫对玉米的危害

盐胁迫影响玉米从种子发芽到成熟各个生长发育环节，参与众多信号转导过程，包括光反应、暗反应、离子运输、渗透物质积累等生理生化反应［5］。土壤盐分的过量积累主要源于营养富集和氧化反应引起的渗透胁迫与离子毒害，进而引发酶的失活、抑制蛋白质的合成、电解质渗漏增加、脂质过氧化、光合色素降解和膜系统损伤［6，7］。

玉米受到盐胁迫时最早发出的信号是渗透胁迫，一般是从生理水平导致植株干旱，引起根部细胞的质壁分离［5］，表现出叶片失水和气孔孔径减小［8］，并引发细胞离子失衡［9］。高渗透胁迫引起Na＋和Cl－失衡，导致膜质分离、细胞器功能丧失和离子外流［10］。离子失衡破坏细胞膜透性及功能，限制正常新陈代谢，导致玉米死亡［11］。

1.1 高盐环境对玉米表型的影响

在高盐胁迫逆境中，玉米叶片的光合速率、根系水分和养分的吸收率降幅显著，因而植株往往矮小脆弱，叶面积停滞扩张，叶片狭长［12］；基部黄叶指数增加、叶色多呈黄绿色，随着高盐胁迫的持续作用，叶片因水分不足而萎蔫，形态上表现出枯黄、向内卷曲，加速玉米植株的死亡［12，13］；果穗顶部开始出现部分裸露、秃尖、缺粒干瘪、畸形穗［14］；茎秆横、纵向生长迟缓，茎秆单薄易倒伏；根变短变粗，节根分支也明显增多［13］。

1.2 盐害影响玉米细胞内外物质的变化

在盐害逆境下，玉米干物质积累效率开始降低，植株干鲜重不断下降，细胞含水量与维生素C含量也大大减少［14］；根系活力比与气孔导度呈显著降低趋势［15］。气孔导度降低导致CO2浓度降低，也会使活性氧（ROS）水平增加［16］。ROS作为信号转导分子在植物中起着重要作用。盐胁迫引发植物产生的ROS失稳，过量的ROS是脂质过氧化、蛋白质降解和DNA突变等毒性反应的来源［17，18］。叶绿素占比随着Na＋浓度的升高明显降低，K＋和Ca2＋浓度也逐渐降低，可溶性蛋白、游离脯氨酸和可溶性糖含量逐渐升高［19］。盐胁迫造成的活性氧增多，会进一步损坏胞内的脂质及膜结构，引起脱脂反应和离子及有机物流失，蛋白质与核酸也会因为ROS的积累而被损害，限制其新陈代谢，加速细胞内外物质失衡，最终导致植株死亡［20，21］。

2 玉米应答盐胁迫的生理生化机制

钠盐在土壤盐分种类中含量丰富，研究表明，Na＋作为盐胁迫起主要作用的阳离子，对物质运输、离子平衡以及H＋-ATPase酶活性都有较强的抑制作用，尤其使核质膜的H＋-ATPase活性显著降低，导致pH值梯度减小，限制细胞分裂和伸长［22］。

高浓度的Na＋会影响细胞质膜的K＋吸收。为维持K＋稳定吸收、避免盐环境下离子紊乱，玉米细胞胞浆中的代谢酶必须保持低Na＋、高K＋的浓度水平［23］。所以探究钠盐的输出转运以及Na＋、K＋互作关系尤为重要［24］。为适应胁迫生长环境，植物一般通过调动自身内源物质，并通过外源激素协助等生命活动维持离子稳态［25］。

2.1 内源可溶性物质参与盐胁迫环境的渗透调节

研究发现，可溶性多元醇类物质（糖类、甜菜碱、脯氨酸等）可以在植物面临盐胁迫时调节渗透压，缓解因盐胁迫造成的营养物质流失，并在受到盐胁迫时自主产生［26］。叶绿体中合成的甜菜碱（GB），有维持光合速率稳定的作用。甜菜碱处理幼芽，可在根细胞中产生额外的液泡，增加Na＋在根中的积累，并减少其向芽的运输，降低芽中Na＋／K＋比例，提高植物对盐胁迫的耐性［27］。脯氨酸含量随盐胁迫的加大而升高，它协助作物生长并增强细胞抗渗性，一定程度上提高植物根部到地上部对K＋运输的选择性［28］。脯氨酸适量增多可以缓解胁迫造成的蛋白解聚过程中出现的离子毒害，而其介导的谷氨酸生成途径的关键酶表现出对NaCl的抗性［29］。国外已有研究指出，适量浓度的脯氨酸可以改善盐害幼苗的气孔导度，同时提高植物的含水量和CO的利用率，也能够减弱盐胁迫对叶片中叶绿素的刺激，保障植株各项正常功能［30］。

2.2 外源ABA对作物耐盐性的信号转导

外源激素通过人工控制手段，对玉米的生长周期与不利环境有趋利避害的正向作用，同时经济成本较低，实操效果良好［31］。其中ABA（脱落酸）信号转导途径能够明显下调植物种内细胞间Na＋／K＋与Na＋／Cl－比例［32］，从而增加K＋、Ca2＋浓度，积累可溶性糖与脯氨酸［33］。ABA可以减轻盐胁迫对作物光合作用、生长和同化物易位等不同过程的抑制作用［34］。

ABA被称为胁迫调节激素，靶向作用渗透胁迫的同时又加速自身生成，此时编码液泡Na＋／H＋交换器的AtNHX1（逆向转运蛋白基因）转录表现出明显的上升趋势［35］，其伸展激活的通道和跨膜蛋白激酶也可以感受到盐胁迫［36，37］。所以ABA作用于植物细胞，提高其CAT、SOD与POD等抗氧化酶活性，缓冲盐害作用，维持营养物质的正常吸收，优化植物的耐逆性［38］。激素、抗氧化酶类与体内活性氧是一系列的连环调控链，外源ABA定量施加于植株，会增强CAT、SOD与POD等抗氧化酶的活力，从而减少活性氧的生成和降低膜结构的损伤，提升作物整体的抗盐能力［38］。

植物脯氨酸的积累可能是通过ABA依赖和ABA独立的信号通路介导［39］；磷脂酶D与钙和ABA在调控脯氨酸生物合成同时起信号作用［40］。但就目前来说，有关ABA激素在作物胞内的信号转导机制还有待研究，外源ABA参与脯氨酸生物合成途径对盐胁迫的分子机制还有待探索。

3 玉米应答盐胁迫的分子机制

植物胞内Na＋／K＋分子机制的探究已较完善，其中钾转运体家族、CBLs与CIPKs蛋白家族近年来被广泛研究，在逆境应答的信号转导过程中起重要作用。有些钾转运通道活性受CBLs与CIPKs的调控，有研究表明CIPK家族与CBL家族参与玉米K＋吸收和再分配过程，并对胞内Na＋／K＋比的调控作用表现出关联性［41］。

3.1 钾转运体主动响应盐胁迫

玉米在盐胁迫环境的生长速度与物质积累量相对缓慢，需要外源营养供给，氮磷钾三大营养元素易于被玉米根细胞吸收，其中施用外源钾则显著抑制盐胁迫下玉米植株的电解质渗漏［6］，并激活盐胁迫下玉米体内的超氧化物歧化和H2O2解毒能力，提高SOD、POD和GR的活性［7］。高盐土壤可以增加钾素的吸附量，而细胞液态组分中大量离子形式的钾调控植物正态生长［42］。KUP／HAK／KT钾转运体家族、CPA家族以及HKT钾转运体家族对盐害环境下的植物吸收和转运K＋起重要作用［43］。

3.1.1 HAK转运体维持盐胁迫下的钠钾稳态KT／HAK／KUP转运体是植物中最重要的K＋转运体家族之一。其中基因进化簇中包含的ClusterⅢ、ClusterⅣ是具备Na＋转运功能的高亲和钾转运体［44，45］，参与Na＋转运。ClusterⅢ的AtHAK11，盐胁迫下在根部显著表达，可能参与了植物耐盐的调节机制［46］。研究发现水稻OsHAK21转运体受盐胁迫诱导表达，从而介导木质部薄壁细胞的K＋吸收［47］。盐胁迫诱导根部OsHAK21的上调表达，能够实现K＋在地下和地上部的长距离转运［47，48］。ZmHAK4通过促进Na＋／K＋稳态促进玉米耐盐性，它在根维管组织中表达，编码膜上的Na＋筛选转运体，其机制可能是通过从木质部维管中提取Na＋来促进茎部Na＋排出［18］。

3.1.2 CPA的NHX亚家族维持盐环境中Na＋／K＋比 CPA钾转运体家族是植物中具有阳离子／质子反向转运的大家族，如Na＋／H＋、K＋／H＋等反向转运体［49］，在保持植物Na＋／K＋稳态上起到积极作用的同时，也能够直接提升植株的耐盐能力［50］。CPA家族的NHX亚家族主要的两类蛋白及功能分别是：在细胞膜上参与Na＋外排（plasma-membrane，PM），以及在细胞内部参与Na＋区域化（intra-celluar，IC），两类蛋白分别通过这两种功能维持细胞内Na＋／K＋平衡［51］。

Na＋／H＋逆向转运蛋白，通过Na＋外排维持细胞质内低水平Na＋含量，保障K＋／Na＋比处在稳态的重要手段［52］。Na＋／H＋转运蛋白包含阳离子转运蛋白CAP1家族类NHX家族［51］，玉米ZmNHX亚型在mRNA水平上的表达具有盐特异性，对抵御盐害起正调控作用［23］。

NHX1是一种叶绿体Na＋／H＋抗孢子体［23］。拟南芥中的AtNHX1在提升植物的抗旱耐盐能力上起作用，并具有调节pH 值和K＋含量的功能［53］。AtNHX1过表达能够进一步增强植株的耐盐性，缓解盐胁迫［54］。研究发现ZmNHX和At-NHX1之间的同源性高达78%［23］。AtNHX1基因转入玉米优化其抗旱耐盐性的同时，也提高玉米产量；ZmNHX基因的调控表达Na＋（K＋）／H＋逆向转运蛋白可以把Na＋分隔到液泡中，这就显著降低细胞的渗透压，保障植物的稳定吸水能力［51］。

3.1.3 HKT家族对Na＋的调控机制 HKT在植物生长受到环境胁迫时起到关键保护作用［55］。其中HKT1具有两种功能：盐胁迫发生时，它表现出K＋低吸收率，主要有Na＋争夺对应HKT1的作用位点，抑制K＋吸收［56］；对应的载体蛋白具有两个作用部位：分别是Na＋结合位点和K＋、Na＋流动定位点，据此推测HKT1的作用集中在Na＋的吸收上，弱化本身表达力，而提高作物的耐盐能力［57］。

拟南芥中AtHKT1基因可以控制根茎Na＋分布，减少叶片中Na＋积累，保障植物体内K＋／Na＋比动态平衡，抵御盐胁迫［58，59］。小麦HKT1是首个检验出高亲和K＋载体［60］。研究发现ZmHKT1；5基因序列变异与耐盐性相关，转基因烟草中过表达ZmHKT1其根长和鲜重增加，从而获得较高的耐盐性；高浓度盐处理后，转基因烟草茎、根Na＋含量均呈下降趋势，K＋含量均呈上升趋势［59，61］。HKT的表达量可作为判断依据，当作物面临盐胁迫时，通过观察细胞吸收钾离子养分含量多少，及时调整、改善高盐带来的危害。

3.2 CBLs-CIPKs协同缓解盐胁迫分子机制

盐胁迫的调控需要大量蛋白以及蛋白酶参与离子的跨膜运输。植物中钙调神经磷酸酶b样蛋白（CBL）家族是一组独特的钙传感器，通过与蛋白激酶（CIPKs）特异性的相互作用和调节，在盐害环境中发挥着关键作用［62］。盐胁迫等逆境阻碍时，CIPK家族与植物中对应的CBL蛋白相互作用引起特异反应［9］。

在拟南芥的耐盐调控中，CBL4和CIPK24以及组织上的离子转换器将Na＋运出胞质［63］，CBL10与CIPK24相互作用形成复合物，与部分液泡隔室共同抑制有害化学组分［41］；CBL1-CIPK1和CBL3-CIPK3相互作用形成复合体，在质膜上有选择地抑制盐害［62］。

ZmCIPK21基因转入拟南芥突变体cipk1-2增强了盐敏感性表型的抗盐能力，ZmCIPK21的过度表达减少Na＋的积累，并保留相对高的K＋含量，从而提高玉米对盐害的耐受性；ZmCIPK12与CBL4或CBL8互作结合为复合体的同时，磷酸化ZmPPase4，作用盐害环境胞内H＋调节的渗透势，保持植物体内的Na＋／K＋稳定动态比［9］。总体来说，基因水平上，盐胁迫的调节机制比较复杂，拟南芥响应盐胁迫的相关分子机制的探究已经比较详尽，而玉米响应逆境胁迫的机制还需要进一步探究。

4 问题与展望

以上研究显示，盐胁迫环境下玉米通过多元醇类物质、激素、钾转运体以及蛋白互作过程调节，使玉米胞内Na＋／K＋比稳定，化解逆境胁迫。玉米从生理到分子水平的生物进程，体现了玉米受到盐胁迫时的复杂应答机制。玉米从遭受盐害到调节自身内源物质、多重角度做出反应，以保证生命活动与营养物质供给，从而完成生活史。

目前有关拟南芥响应盐胁迫的分子机制研究已较为深入，但玉米对盐胁迫的应答机制研究还有待加深。有关钾转运体HKT、HAK对Na＋外排的功能研究主要集中在拟南芥等植物上，其中拟南芥ATHKT1与MAP有关的激酶通路已被鉴定，但在玉米应答盐胁迫过程中，钾转运体系统信号转导过程，以及代谢途径还需进一步研究［4，59］。

盐渍化土地逐年增多，玉米等作物受到的盐碱胁迫逐年恶化，如何充分调动植物内外源物质的利用效率、减少盐害，是我们必须面对和亟待研究的课题。我们可以多角度从玉米种子的耐盐性入手，以种子萌发以及后续生长状态作为研究盐胁迫的新方向［54］。培育高产耐盐玉米更是解决该问题的有效途径之一。