盐胁迫的生理危害与植物的适应机制研究进展

焦明翠,蔡立格,魏 健,王光野

(1.长春师范大学生命科学学院,吉林 长春 130032;2.吉林省实验中学,吉林 长春 130021)

盐渍土一般分布在水源较少的土壤环境,盐分的积累会导致土壤质量下降,从而使牧草等植物生长发育受到影响。目前,全球盐渍土占地面积约为1.1×109hm2,在我国盐渍土占地面积约为3.69×107hm2,遍布在热带气候、温带气候,海湾、内陆地区[1]。近年来,由于不合理耕种、过度放牧及工业生产,使土壤盐渍化更加严重[2]。盐胁迫对植物的危害因植物种类及不同生长发育阶段而异,盐胁迫能抑制种子萌发、抑制植物生长发育、降低植物光合作用等[3-7]。

1 盐胁迫对植物的生理危害

1.1 渗透胁迫

渗透胁迫是因为土壤中盐的含量过高进而使土壤的渗透压过高,高浓度的Na+引起土壤水势下降,对根吸水作用产生阻力,导致植物体内出现缺水现象,甚至造成植物死亡[8]。同时,根系吸收的Na+随蒸腾作用到茎叶,积累在叶片中,使叶片寿命缩短,植物产量下降[9]。渗透胁迫抑制植物生长发育[10]。在对小麦的研究中发现,渗透胁迫减少了小麦幼苗的相对水分含量,抑制了幼苗的生长发育[11]。在菜豆的研究中,渗透胁迫抑制了干物质的累积,造成叶绿素破坏,叶面发黄,光合作用效率降低,渗透胁迫对茎的抑制效果比根更强烈[12]。

1.2 离子胁迫

当较多的盐离子进入植物细胞内,会破坏细胞膜系统,严重危害植物的生长发育[13-14]。郑青松等[15]发现盐胁迫造成植株体内Na+和Cl-含量上升,Na+和Cl-在地面上部累积最大,植株体内K+和Ca2+含量明显降低。牟咏花等[16]研究表明,因为盐胁迫,番茄株高的增长幅度和植物营养成分降低。LIU等[17]发现植物体内的Ca2+含量减少,在盐胁迫的情况下,Na+会替代Ca2+的结合位点,破坏正常生理代谢功能。

1.3 氧化胁迫

植物细胞的重要保护结构是细胞膜,它在化学物质运送和信号转导中起着至关重要的作用[18]。它具有选择透过性,能调节细胞内离子平衡、满足植物生理活动的需求。然而,ROS(活性氧)累积会导致脂质自由基形成、细胞膜破坏及其他严重损害[19]。盐胁迫造成的氧化应激可以改变膜的通透性,一方面会影响离子流动速度、运输速度和可选择性等;另一方面,有机物质和磷也会外渗,进而危害组织细胞的生命活动[20]。HERNNDEZ 等[21]研究发现,盐诱导会导致豌豆叶片上出现坏死斑。

2 盐胁迫响应的生理机制

2.1 渗透调节

在渗透胁迫下,植物通过自身的抵御网络来调节代谢途径,即产生渗透调节物质,可以降低渗透胁迫造成的损害[22]。常用的调节方式为有机渗透调节和无机渗透调节[23]。

2.1.1 植物体内合成有机调节物质

植物体内的有机渗透调节物质,主要包括脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖、多胺等,这些物质的累积在一定水平上,可以使植物细胞在盐胁迫下保持正常的膨压和新陈代谢,对体细胞没有毒性,对新陈代谢无抑制效果[24-25]。

脯氨酸是非常重要的有机渗透调节物质,具备相对分子量小、水溶性高、在生理pH范围内无净电荷等特点,在植物细胞中大多数脯氨酸都以游离态存在[26]。脯氨酸可以起到保护膜系统和细胞内酶结构的功能,进而减弱体细胞内蛋白的溶解。LIANG等[27]研究发现,在盐胁迫下,转基因拟南芥适应渗透胁迫的方式是提高脯氨酸含量,降低细胞的渗透势,这与渗透胁迫条件下向日葵[28]、海滨雀稗[29]、沙滩黄芩[30]、甘草[31]中脯氨酸含量的变化相似,提升了植物对盐逆境造成的渗透胁迫的适应能力。

甜菜碱是普遍存在于动物、绿色植物和微生物中的季铵化合物,是一种可以参与有机渗透调节、清除活性氧、维持生物膜的稳定性的化学物质[32-33]。YANG等[34]从高甜菜碱含量和生成缺点的自交系中构建了带有甜菜碱(Bet1/Bet1)和甜菜碱缺少(bet1/bet1)的近等基因系(NILs),并测量了盐胁迫下两种基因型植物的干重、叶面积扩展、叶片水分含量和碳同化作用率等生理学指标值,发现Bet1/Bet1耐盐程度高,说明甜菜碱能改善盐胁迫。HOQUE等[35]在盐胁迫下以烟草为实验材料进行甜菜碱外施实验,结果表明甜菜碱可以通过提高烟草的抗氧化性,进而应对盐胁迫。大量研究表明,甜菜碱在盐胁迫下还可作为辅因子参加Ca2+-CaM信号转导通道,进而调整热激转录因子和热激蛋白的表达,从而提升绿色植物抗逆性[36]。

可溶性糖在植物体内既是植物光合作用的产物,也是植株生长发育的能量和物质基础[37]。LI等[38]研究发现,在盐胁迫处理下,抗盐相关的TaSST转基因拟南芥植株中的可溶性糖含量明显高于野生型,认为累积可溶性糖是TaSST抵抗盐胁迫的方式。徐靖宇等[39]研究发现大豆在盐胁迫下可溶性糖作为信号调控物质,通过增加可溶性糖的含量调节渗透作用,提高植物对环境的适应力。李瑞利[40]研究表明,随着盐浓度增加,互花米草和盐地碱蓬植株内可溶性糖的含量变化是相反的,表明可溶性糖含量的变化在不同植物中是不同的,刘爱荣等[41]研究认为随着处理的盐浓度增加,根与叶中可溶性糖含量变化不完全相同,这表明同株植物不同器官可溶性糖含量变化会有所不同,其机制尚需进一步研究。

多胺是脂肪族碱性化合物,多胺主要分布在植物的器官、植物RNA 病毒和植物肿瘤中[42]。游离态的多胺可以通过稳定膜结构来缓解盐胁迫[43]。LIU等[44]研究发现,在盐胁迫条件下,植物累积大量腐胺,这与 KUTHANOVA等[45]报道的烟草细胞内多胺含量的变化趋势相同。但也有研究发现,有的植物在经受逆境胁迫后,体内腐胺含量降低,因此植物种类不同、经受胁迫种类差异、胁迫时间不同都会直接影响植物体内多胺累积[46-48]。张润花[42]在对两种不同耐盐性黄瓜品种的研究中发现,根际施用外源亚精胺对盐胁迫下植株的长势、幼苗生长量、叶片光合能力等都有明显促进,与此同时削弱了盐胁迫对植株气孔的限制。

胶东地区金矿资源位列全国之首，矿山开采历史悠久。据记载，自春秋时期即有开采活动，其后历代不断，目前年产量已高达100t以上[1]。由于20世纪70—90年代矿山管理粗放，开采混乱，产生了大量稳定性差的采空区，留下严重的地面塌陷隐患[2]。

已有研究表明植物体可通过合成起保护作用的有机渗透调节物质,来降低盐胁迫对植物的损害,但有的抵御机制尚不清楚,研究有机渗透调节物质,不但是揭示植物耐盐机制的内容之一,也是提高植物耐盐能力的一种手段。外源施加有机渗透调节物质可以提高牧草、农作物等经济植物的耐盐能力,对大面积盐碱地的有效利用具有重要意义。

2.1.2 无机离子

在植物细胞中,无机渗透调节离子主要有K+、Na+、Cl-,这3种无机盐离子提供了80%以上的细胞液渗透压[49]。K 是植物生长的必需元素,K+对防止盐胁迫下植物细胞损伤起到重要作用[50]。康爱平等[51]研究结果表明,在盐胁迫作用下,增加K+的含量,可以增强狼尾草的光合作用,以此来缓解盐胁迫对其造成的影响。维持正常细胞膨压的渗透调节物质Na+,可以加强植物细胞抵御盐害的能力[52-54]。CUARTERO等[55]研究发现,在栽培番茄中,由于老叶的储钠作用,将盐离子区域化到老叶,使新叶累积很少的Na+,而野生番茄的新叶中Na+含量比较高,可通过累积Na+等无机离子抵抗由盐胁迫导致的渗透胁迫。Cl-在渗透胁迫调节维持离子平衡方面起作用,但文献报道较少,与其他主要无机渗透调节离子的关系有待进一步研究。

2.2 抗氧化酶的响应

盐害可造成植株体内的超氧阴离子、羟基自由基、过氧化氢的累积,大量累积的活性氧可引起脂质等氧化,造成细胞损伤[56]。植物体则可以通过增加抗氧化系统酶的活性,来减轻盐胁迫造成的伤害[57]。生物体中普遍存在抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)清除活性氧的过氧化物酶系[58]。

2.2.1 抗坏血酸过氧化物酶(APX)

APX是一种有效的H2O2清除剂,在H2O2代谢酶中,与H2O2的亲和力最高[59]。郭慧娜等[60]实验证明,转ZjAPX株系植株有较强的抗渗透胁迫作用。张丽君等[61]实验证明APX基因能加强普那菊苣抗盐能力;SUN等[62]将StAPX基因转入烟草细胞中,使得转基因烟草幼苗具有较强的抗盐能力。魏清江等[63]在耐盐和对盐敏感的柑橘抗氧化性酶的活性上进行比较,发现耐盐柑橘的APX活力显著高于对盐敏感的柑橘。由此可见,在盐胁迫下APX对提高植物的耐盐适应能力有重要作用。

CAT属于四聚体血红素酶的一种[64-65]。在植物细胞中,CAT通过减少活性氧自由基来减缓活性氧对植物造成的损害[66]。研究表明,CAT可以提高植物对盐胁迫的耐受能力,外施 H2O2能改变盐胁迫对玉米幼苗的生长抑制,其原因在于提高了CAT的活性[67]。外用血色素可以维持小麦幼苗的细胞膜完整性,其原因在于CAT等抑制脂类过氧化[68],且可减轻盐胁迫对叶绿体的破坏[69-70]。

2.2.3 谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)

GPX通过清除过氧化物保护细胞免受ROS损伤[71]。研究表明,GPX过表达[72-73]对加强植物适应盐胁迫有利,环境胁迫通常会导致GPX表达上调[71]。WANG等[74]发现,在盐生植物盐爪爪中,经不同浓度NaCl处理后,KfPHGPX基因表达水平增加,在胡杨中,PeGPX基因过表达后,在盐胁迫培养基上培养的根长更长,且GPX酶活性更高[75],在烟草中,NtPHGPX 可能通过去除活性氧累积造成的过氧化物、维持植株细胞体内膜的氧化平衡来增强烟草的耐盐性[76]。

植物是一个有机的整体,在应对盐胁迫时,各种酶需要共同起作用,可以通过去除细胞的活性氧或者减少活性氧自由基来缓解盐胁迫对植物造成的伤害,各种酶的反应机理比较复杂,不同酶之间的相互作用关系需要进一步研究。

2.3 外源物质的效用

2.3.1 细胞分裂素(CTK)

CTK是可以调整植物成长发育全过程的化学物质[77]。研究表明,CTK可以通过清除自由基、降低脂质过氧化作用、提高CAT的活性来保护细胞膜[78]。在盐胁迫下,添加CTK可促进根系生长、子叶增重,减少盐渍伤害[79]。吴雪霞等[80]研究发现,在盐胁迫下,施加CTK会导致4种抗氧化酶(SOD,POD,CAT,APX)的活性以及茄子叶片叶绿素的含量升高,从而降低MDA和O2-的含量,缓解盐胁迫对茄子造成的伤害。

2.3.2 脱落酸(ABA)

ABA是一种植物激素,ABA通过调整植物体内酶活性来提高植物的耐受性[77]。盐胁迫下植物可通过合成ABA适应环境盐胁迫[81]。HU等[82]采用ABA处理盐胁迫条件下的番茄幼苗,发现有效促进了番茄抗氧化能力的提高,对番茄幼苗生长有促进作用。张浩等[83]对高盐胁迫条件下的玉米幼苗进行了研究,发现ABA能够通过提高植物光合效率以减轻浓度较高的盐对玉米苗的生理胁迫。

2.3.3 水杨酸(SA)

SA是一种酚类植物激素[77]。外源水杨酸可通过提高植物的抗氧化性来提高植物耐盐胁迫的能力[84]。相关研究表明,用SA浸泡过的水稻种子能提高盐胁迫下幼苗的光合速率、降低丙二醛含量、增加过氧化氢酶的活性[85]。这与叶梅荣[86]的研究结论相同。

2.3.4 褪黑素(MT)

MT是一种兼顾亲脂和亲水性的调节因子[87]。通过施加外源MT可减轻盐胁迫下小麦、玉米的水分损失[88]。陈莉等[89]研究表明,低浓度的MT能促进棉花种子的萌发和抗氧化酶活力的增强;高浓度褪黑素则会抑制种子萌发。尹赜鹏等[90]研究了盐胁迫对番茄叶绿素含量和光合碳同化过程的影响,结果表明,外施褪黑素能够有效缓解盐胁迫对叶绿素含量的影响,且促进净光合速率和羧化速率增加。这表明褪黑素可以缓解盐胁迫导致的叶绿素降解[91]。

施用外源物质也是实践中应对盐胁迫的方法,外源物质的种类、浓度都会影响植物的生长发育,虽然目前已了解一些调控盐胁迫的外源激素,但外源物质的作用机理及外源物质之间的相互关系需要进一步明确,以期为培育抗盐植物提供更多可行的方法。

3 植物应对盐胁迫响应的分子机制

3.1 NAC基因

NAC家族是植物特有的转录因子,在N端具有保守的AC结构域,大约有150个氨基酸,C端则为高度变异的转录激活区[92]。NAC家族可以通过植物激素信号通路来参与植物的生长发育、生物胁迫及非生物胁迫等[93-94],大部分植物含有NAC,如苦荞[95]、西瓜[96]等。盐胁迫下,种子发芽势在ANAC092基因的过表达中降低[97],但PvNAC1等转录因子可以提升植物的耐盐性[98]。日本结缕草ZjNAC3可通过降低转基因株系渗透调节的能力、增加细胞的受损程度、降低将Na+隔离到液泡的功能等途径,来参与盐胁迫调控[99]。

3.2 WRKY基因

WRKY蛋白N-末端具有高度保守的结构特征[100]。WRKY基因在盐胁迫下对植物体耐盐适应能力表现出重要的作用,但作用机制尚不够明确。研究人员发现66个大豆WRKY家族基因受盐胁迫影响而被转录调控,GmWRKY71下调[101],其他表现上调,说明WRKY在大豆耐盐胁迫方面起着重要作用[102]。丁忠杰[103]认为WRKY46可以减轻盐或渗透胁迫对植物侧根的抑制、调控ABA信号途径和生长素内稳态。石文艳[104]在拟南芥中过表达 GmWRKY12之后发现,OE 植株的生长指标(根长和叶面积)在盐处理下要优于WT。在盐胁迫下,烟草 GbWRKY32 过表达株系和 WT 株系相比,株高、根长和生物量积累等明显高于后者[105]。

3.3 ERF基因

AP2/ERF 家族是植物细胞特有的,包含由60～70个保守氨基酸残基组成的AP2结构域[106]。杨树ERF76 基因在小黑杨中转化,促进了转基因植株的株高和根系等生长,并增强转基因植株对盐胁迫的耐受性[107]。也有研究表明,ABA受ERF调控提高表达量利于加强烟草对盐胁迫等环境胁迫的适应能力,如烟草中JERF1直接上调 ABA 合成相关基因 NtSDR增强烟草对盐胁迫和低温胁迫的抗性[108]。小麦受盐胁迫后TaERF1、TaERF3表达水平上调[109]。

3.4 MYB 转录因子

在植物中,MYB转录因子的DNA结合结构域的N末端由不完整的高度保守的重复序列组成[110]。有研究报道,MYB转录因子可以通过调节ABA信号途径来抵御不利环境。赵艳艳[111]研究推测,GhMYB73可能通过ABA依赖胁迫应答的途径增强植物耐盐的能力。在盐胁迫环境下,一些蛋白作为感应器识别胁迫信号,促进细胞内ABA积累和盐胁迫响应基因GhMYB73的表达。

现阶段对盐胁迫的分子机制研究逐渐深入,对转录组的研究明显增多,但在已知基因的结构域外有许多未知的基序,需要进一步探索。基因与基因之间的相互作用以及许多未知的相关分子有待进一步被发现。植物响应盐胁迫的分子机制逐渐被揭开,转基因技术使原本不耐盐的植物体内增加了抗盐基因并表达,越来越多的技术及试验方法被发掘并逐渐推广应用,这对选育抗盐牧草及农作物等经济植物将起到重大推动作用。

4 结语

植物耐盐机制是多基因参与、多途径诱导过程,抗性机制是非常复杂的问题[112],相同基因在不同植物中的表达不同,在相同植物的不同部位表达也不完全相同,不同基因之间的相互作用机理等需要进一步研究。应答盐胁迫反应的酶的作用机理及作用条件也需要进一步探索。近年来研究表明,克隆耐盐基因并且表达可以提高转基因植物的耐盐能力。目前,植物的耐盐研究已经有一定的成果,利用响应盐胁迫的基因进行转基因到经济植物体内,培育抗盐经济植物新品种已成为现实。随着分子生物学、表观遗传学、蛋白组学等学科快速发展,植物耐盐的相关研究有望取得重大突破。