盐生植物耐盐机理及PGPR促生机制研究进展

薄 波，哈斯其木格，萨日娜*

（1.内蒙古师范大学生命科学与技术学院，内蒙古呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区高等学校生物多样性保护与可持续利用重点实验室，内蒙古呼和浩特 010022）

盐碱土是指土壤中盐分浓度较高或含有可溶性盐类且可能对植物生长发育造成直接危害的土壤种类。据统计，全球不同类型的盐碱化土地总面积已达到1×109hm2，广泛分布于亚洲、美洲、欧洲、澳洲等地，且以每年10%的速度递增，是世界各国普遍面临的环境问题[1]。我国盐碱土面积位列世界第三，总面积约9 913 万hm2，集中分布在西北、华北、东北及滨海地区，影响着23 个省区市总面积超过3 330 万hm2的耕地，其中具有农业利用价值的占中国耕地总面积的10%以上[2]。

盐碱土中过量的矿质元素如Na+或Cl-通过渗透胁迫和离子胁迫影响植物的正常生理代谢，导致植株枯萎甚至死亡。但在盐碱土的极端环境中生存着一类特殊的盐生植物，它们能够在盐浓度高达5 g·L-1的环境中生长[3]。经过长期的适应与进化，盐生植物演化出各种生存策略以适应在盐碱土中生长，例如产生相容溶质以增加细胞质渗透压、在液泡中积累Na+及从细胞中排除Na+等[4]。微生物是土壤肥力的隐形提供者，土壤和根系微生物相互作用调节植物的生长发育过程，其中，生存在植物根际土壤中能够直接或间接促进植物生长、增加作物产量、帮助植株适应极端环境的微生物称为植物根际促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)[5]。研究表明，根际促生菌可通过诱导植物建立抵抗或忍耐机制有效提高植物的抗胁迫能力，还能够产生不同的植物激素如生长素、细胞分裂素来促进植物根和芽的生长[6]。因此，盐生植物根际土壤作为耐盐根际微生物的储存库，其中必定存在着有助于盐生植物适应高盐环境、促进植株正常生长发育的高耐盐性根际促生菌。

鉴于盐生植物根际促生菌在缓解其他植物在盐胁迫状态的巨大潜力，筛选、鉴定并利用这些耐盐根际促生菌、提高作物的耐盐性、缓解土壤的盐碱化已经成为学者的研究热点。本文从稀盐、泌盐、拒盐盐生植物三部分详细介绍了盐生植物的耐盐机理，系统总结了盐生植物根际促生菌的促生作用机制，以期为完善盐生生物耐盐机制、合理利用盐生生物根际促生菌改良盐碱土地提供理论依据。

1 盐生植物及其耐盐机理

盐生植物采用多种机制来适应土壤盐胁迫。这些机制包括复杂的分子、生化、生理和形态变化，根据盐生植物对盐度的生理适应，结合体内盐离子的运输和积累等特点，可将盐生植物分为3个生理类型[7]。

1.1 稀盐盐生植物

又称真盐生植物，通过茎和叶的肉质化和快速生长来提高植物含水量，进而稀释组织中的盐离子维持本体渗透势，使植物不受盐碱环境的伤害，包括茎肉质化稀盐盐生植物和叶肉质化稀盐盐生植物。茎肉质化的盐生植物通常外皮层发育成发达的栅栏组织，存在结晶细胞，具有深根系，细胞内部还有大量叶绿体，在保水贮水方面发挥着作用[8]。叶肉质化的盐生植物通常叶片具有发达的栅栏组织，叶片肉质化多呈棒状且无柄，叶表皮细胞排列紧凑，角质膜厚。常见的稀盐盐生植物有盐穗 木（Halostachys caspica）、雾冰藜（Bassia dasyphylla）、小叶碱蓬（Suaeda microphylla）等。

Na+是稀盐植物肉质化的诱导因子。李凯伦等研究发现，在等浓度的NaCl和钠盐处理下，叶肉质化稀盐盐生植物盐地碱蓬（Suaeda salsa）的株结实数、种子大小等在钠盐处理下增加幅度大于NaCl，表明NaCl中Na+可以促进稀盐盐生植物的种子产量[9]。刘彧等通过观察盐地碱蓬叶片，发现细胞通过将Na+隔到液泡中从而降低其对植物造成的渗透和离子胁迫，也证明了在自然生境下Na+是引起肉质化的主要原因[10]。

有研究表明，当稀盐盐生植物遭受盐胁迫时，盐的分泌可能与Na+/H+反转运蛋白有关，H+-ATPase 和Na+/H+反转运蛋白基因表达的增加可以增加Na+的分泌[11]。盐生植物质膜和液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白负责转运Na+、K+、Ca2+、Cl-、SO42-、NO3-等无机离子，细胞膜和液泡膜上的H+-ATPases 为保证细胞质中低Na+和高K+/Na+水平，通过为Na+/H+逆向转运蛋白运输无机离子提供能量来维持细胞内环境的稳态[12]。在盐生植物中，Na+优先通过SOS1（Son of sevenless homologue 1）随着木质部蒸腾运输到嫩枝，再通过液泡体Na+/H+反转运体(NHX)隔离到叶液泡中，作为有益的渗透调节[13]。Guo 等研究表明，KcSOS1（Karelinia caspia SOS1）也可通过调节Na+的转运来参与盐的分泌过程，并间接调节K+的吸收/转运。因此这些机制维持了稀盐盐生植物系统的K+/Na+稳态，使其具有耐盐性[14]。

1.2 泌盐盐生植物

泌盐盐生植物利用盐腺或盐囊泡等组织将从盐碱土中吸取的盐分通过茎、叶表面密布的盐腺细胞排出体外。常见的泌盐盐生植物如大米草（Spartina anglica）、二色补血草（Limonium bicolor）、柽 柳（Tamarix chinensis）等。

盐囊泡和盐腺是泌盐盐生植物的独有结构。盐腺和盐囊泡是一种高度进化的结构，分布于泌盐植物的叶和茎表面，其主要功能是将过量的盐分泌到体外，以避免大量的盐在细胞内积累，使植物能够在盐碱地上生存而不受损害[4]。盐囊泡和盐腺的结构不同，盐囊泡是内泌盐结构，由1 个膨大的泡状细胞和1～4 个柄细胞组成，在植物生长发育时的积盐过程为主动行为，主要是将植物体内多余的盐分暂时性地贮存起来，积累到一定数量后，泡状细胞破裂，从而将盐分排出体外，破裂后的盐囊泡覆盖于叶的表面，使叶呈灰白色[15]。当植物没有受到盐度胁迫时，盐囊泡就已经存在。盐囊泡的离子流入在盐处理和活性氧的响应下显著增加，通过鉴定盐囊泡的特异性离子转运蛋白、H+-ATPases 和糖转运蛋白的表达，支持从叶细胞到盐囊泡的极化盐序列模型[16]。基因参与盐囊泡泌盐，郭欢等研究发现，使100 mM NaCl 处理四翅滨藜后，其Na+、微量元素转运基因及转运供能基因的表达量都显著上调[17]。

盐腺是外泌盐结构，由两细胞或多个细胞结构组成，可以在紫外光激发下自发荧光。一般来说，双子叶泌盐盐生植物具有多细胞盐腺，且细胞凹陷于表皮内部；单子叶泌盐盐生植物具有双细胞盐腺。研究发现盐腺周围的角质层增厚，胞间连丝频繁，存在大量发达的线粒体，没有叶绿体，细胞质中有大量小泡[18]。周玲玲等对4 种补血草属植物大的叶表面通过扫描电镜技术进行了研究，结果表明，这4 种植物的上下表皮均分布有盐腺，多由20个细胞构成，上表皮的盐腺密度大于下表皮，其中4 个分泌细胞顶端的角质层中央有一小孔，植物体靠盐腺的泌盐孔泌盐[19]；Oi 等发现发非洲虎尾草（Chloris gayana）的盐腺分泌物主要集中在盐腺泌盐孔处[20]；经高浓度Na+和K+离子处理的无叶柽柳（Tamarix aphylla）盐腺的电镜成像显示，许多微液泡还与壁突起或质膜有关[21]。在二色补血草中筛选到的一个定位于细胞核中，名为LbMYB48 的r1 型MYB 转录因子编码基因，发现其通过调控表皮细胞发育相关基因的表达来调控二色补血草的盐腺发育和耐盐性[22]。

1.3 拒盐盐生植物

拒盐盐生植物又称假盐生植物，能够将盐分贮存在植物的根部，减少植物茎、叶细胞中的盐含量，使植物能够正常生长和发育。细胞的渗透压较高是由于其体内含有大量的可溶性有机物，从而使原生质膜能够选择性吸收和排斥土壤中的盐离子[23]。

盐胁迫下，芦苇（Phragmites australias）根的Na+转运速率最高，芽的Na+转运速率最低[24]。彭彦辉等通过观察小花碱茅（Puccinellia tenuiflora）根系发现，控制K+/Na+选择性吸收是发生在根内皮层上的[25]。小花碱茅选择性吸收K+/Na+来降低Na+在体内的净积累[26]。非泌盐红树植物也是拒盐盐生植物，依靠其木质部从海水中吸收淡水，常见的拒盐植物有红海榄（Rhizophora）、秋茄（Kandelia candel）等。根部的有效拒盐使木质部液流中的Na+和Cl-浓度降低并且成为控制盐离子到达枝条的关键[27]。Cheng 通过对不同盐度下Avicennia marina的生长性能与根的差异进行研究，结果表明盐预处理后根的真皮层和内皮层都木质化增厚，适度的盐预处理可能有利于应对高盐的植物[28]。Takemura 等发现木榄根部可拒出99% 的盐分[29]，鲁彦君等通过实验也推测出木榄与秋茄体内可能存在Cl-源，并且根系可以限制Cl-向地上部分运输，盐胁迫下的H2O2、Ca2+信号可以正向调控木榄根系K+/Na+平衡[30]。郑海雷等通过对海莲（Bruguiera sexangula）和木榄进行研究，发现叶片中SOD 活性与盐浓度增长有关，说明海莲和木榄通过减轻膜质过氧化作用和SOD保护作用抵抗盐胁迫[31]。

2 盐生植物根际促生菌的促生机制

自1978 年美国奥本大学的Kloepper 首次提出植物根际促生细菌的概念以来，盐生植物的根际细菌及其促生作用逐渐受到研究者的关注[32]。土壤中存在多种类型的根际促生菌，它们可以通过不同的方式来抑制多种植物病原体，促进植物生长，如直接和间接产生不同的植物激素，矿化和分解有机质，提高铁和磷等矿物质营养物质的生物利用度等方式抑制植物病原体，促进植物生长[33]。根际促生菌通过控制产生生长素吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）、调节1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶来控制乙烯的合成、脱落酸（abscisic acid，ABA）等参与植物生长调节，通过溶磷、解钾、固氮、分泌铁载体等功能来促进植物营养吸收。从极端环境中分离出来的根际促生菌即使在高盐浓度下也能保持其植物生长促进性状（Plant growth-promoting，PGP），因此被认为是促进盐碱生态系统中作物生长的替代途径。

目前已从不同的盐生植物中分离出不同的耐盐细菌，如从节藜属盐生植物根际微生物分离出的耐盐细菌嗜碱芽胞杆菌（Bacillus alcalophilus）、苏云金芽孢杆菌（B.thuringiensis）[34]等。盐角草属盐生植物根际分离出内生芽孢杆菌（B.endophyticus）、特基拉芽孢杆菌（B.tequilensis）、莱比托泉动性球菌（Planococcus rifietoensis）和阿吉利氏节杆菌（Arthrobacter agilis）[35]、色盐杆菌（Chromohalobactersp.）、涅斯捷连科氏菌（Nesterenkonia）、大洋芽孢杆菌属（Oceanobacillus）、枝芽孢菌属（Virgibacillus）[36]、根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）[37]、短杆菌属（Brachybacterium saurashtrensesp.）[38]。Zhou 等在7种盐生植物根际筛选出云南微球菌（Micrococcus yunnanensis）、葡萄球菌（Planococcus rifietoensis）和变异球菌（Variovorax paradoxus）[39]。表1 列明部分盐生植物根际促生菌作用于不同作物的诱导机制。

表1 不同植物的PGPR及抗盐胁迫作用机制

3 展望

盐生植物被认为是改善盐碱地的有效物种，人们通过对其生理表型和盐胁迫下植物的基因、代谢等进行深入研究来摸清植物抗盐胁迫的机理。以盐生植物根际促生菌配制的生物菌剂，可作为促进盐碱地非盐生植物生长的有效菌肥，目前已在多种作物上得到了验证。本文对盐生植物的耐盐机理及其根际促生菌在不同作物上的促生机制进行了综述。对于目前盐生植物耐盐机理的研究，稀盐、泌盐盐生植物的耐盐机理已了解得相对全面，但拒盐盐生植物抵抗盐胁迫的机理尚不全面，尤其是拒盐红树植物的耐盐机理研究相对较少。由于根际促生菌对植物具有促生作用，所以将其接种于作物是提高作物耐盐性的可行策略。今后，盐生植物的根际促生菌研究还需要进一步深入，特别是作为作物的生物肥来改善和利用盐碱地时的田间表现。