植物盐胁迫耐受性研究进展

摘要：文章从光合作用，生长发育，抗氧化酶等方面概述了盐胁迫对植物的影响，从植物的表观，生理生化基础以及分子水平阐述了植物对盐胁迫的适应，最后介绍了基因工程手段提高植物对盐胁迫耐受性的研究。

关键词：土壤盐渍化；盐胁迫；抗氧化酶

中图分类号：Q945.12 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2010）-09-0051-2

土壤盐渍化是一个世界性的资源问题和生态问题，越来越引起人们的重视，联合国粮农组织的调查结果显示，全球6%的陆地面积遭受着土壤盐渍化的侵蚀，20%的灌溉农业受到不同程度的盐害威胁。当前，全球盐碱地面积已达9.5×108hm2。中国盐渍土总面积约1亿hm2，其中现代盐渍化土壤约0.37亿hm2，残余盐渍化土壤约0.45亿hm2，潜在盐渍化土壤约0.17 亿hm2。土壤盐渍化问题可谓触目惊心，正肆无忌惮地吞噬着人类赖以生存的有限的土地资源，成为严重制约农业生产的一个全球性问题。随着分子生物学的技术进步，目前已使基因的定位、分离、转移成为现实。植物耐盐的分子生物学和植物耐盐基因工程在提高农作物耐盐能力方面正起着越来越重要的作用。尽管研究者已从盐分胁迫对植物的影响及植物的抗盐研究方面开展了大量研究，但由于其机制十分复杂，许多重要问题仍有待探索。因此在人口不断增加，耕地日趋减少和淡水资源不足的情况下，了解植物耐盐机理、开发利用耐盐植物资源、培育耐盐作物、有效控制和利用盐碱土，对农业发展、粮食安全、生态环境等有重要意义。

1 盐胁迫对植物的影响

植物的正常生长发育需要一个适度的盐分环境，超过一定的阈值，植物就会受到盐胁迫甚至盐伤害。植物对盐胁迫的反应是由多种因素共同调节和控制的，涉及到生理、生化、细胞等多方面的变化，各种因素之间的相互作用机理目前还不十分清楚。在盐胁迫条件下，所有植物的生长都会受到抑制，不同植物对于致死盐浓度的耐受水平和生长降低率不同。以下是盐胁迫对植物的主要影响。

1.1 盐胁迫对植物光合作用的影响

光合作用是植物最基本的生命活动，相关的文献报道盐胁迫会抑制植物的光合作用]，但也有一些报道发现，低盐刺激不会抑制光合作用而且有时反而对光合有促进作用。盐害使叶绿体内的蛋白质合成受到破坏，从而叶绿体内蛋白质的数量减少，叶绿体与蛋白质的结合削弱，叶绿体趋向分解。叶绿素和类胡萝卜素的合成也受干扰，叶片失去绿色。

1.2 盐胁迫对植物生长的影响

一般而言，在高盐胁迫下，植物生长发育会发生一定变化，高盐胁迫会抑制植物组织和器官的生长和分化，使植物的发育进程在一定程度提前。同时高盐胁迫还会造成植物叶面积扩展速率降低，随着含盐量的增加，叶面积停止增加，叶、茎和根的鲜重及干重降低。

1.3 盐胁迫对植物蛋白及脂类的影响

一般而言过多的盐分抑制蛋白质合成而促进其分解，抑制的直接原因可能是由于破坏了氨基酸的合成。盐胁迫下，番茄叶片中Chl-a+b、Chl-a和β-胡萝卜素的含量降低。高盐胁迫对小麦不同类型的蛋白质影响不一样，经NaCl处理后，262kDa蛋白含量增加，132和202kDa蛋白含量减少，242kDa蛋白完全消失。

脂类对于很多生理胁迫的耐受都有很重要的作用，主要包括饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸，其中不饱和脂肪酸可以消除水胁迫和盐胁迫的危害。比如，花生中脂类含量在低浓度NaCl条件下增加，高盐下降低。NaCl胁迫下，盐沼草根部质膜中脂类成份发生改变，而且固醇和磷脂的摩尔比随盐分的增加而降低，而固醇/磷脂却不受影响。

1.4 盐胁迫对抗氧化酶的影响

相关的研究表明，由高浓度的NaCl等盐分引起的植物氧化胁迫是非生物胁迫中一个非常重要的潜在因素。在高盐胁迫条件下，植物体内SOD等酶的活性与植物的抗氧化胁迫能力呈正相关，而且在盐分胁迫下，盐生植物与非盐生植物相比，其SOD、CAT、POD活性更高，因而更能有效地清除活性氧，防止膜脂过氧化。刘婉等认为，盐胁迫下小麦叶片中抗坏血酸含量下降，用活性氧清除剂处理可明显缓解抗坏血酸含量下降，且外源抗坏血酸能明显缓解由盐胁迫造成的细胞膜伤害。

2 植物对盐胁迫的适应

2.1 植物对盐胁迫的表观适应

在长期与自然环境互作的过程中，植物进化出了相应形态结构特征以适应特殊的自然环境。对盐生植物胡杨的研究发现：其根尖具有较发达的表皮和外表皮，根毛着生靠近根端，内皮层细胞小、排列紧密，细胞壁厚与周围细胞差异明显。此外，盐生植物的根具较发达的中柱鞘,次生结构发达，茎的角质层发达,皮层细胞特化为厚角组织，而且髓腔变得十分狭小。叶片相对较小或退化为鳞片状，角质层较厚或具有蜡质，气孔下陷，具有发达的栅栏组织，具含晶细胞或有盐腺等特点。这些都是植物对盐生环境的表观适应。

2.2 植物对盐胁迫耐受性的生理生化基础

2.2.1 植物拒盐和对离子的选择性吸收 植物体为了避免细胞受到破坏，植物细胞需要保持相对丰富的钾离子浓度和在细胞质中维持稳定的钾钠离子浓度比例。如果根系表面钾离子过多，会抑制钾离子的吸收，导致多种酶活性被抑制，从而抑制了植物生长。如果钠离子进入细胞质中就会抑制多种酶的活性，其抑制程度依赖于细胞质中的钾离子水平。因此，其耐盐机制是靠维持细胞质内微环境的稳定、调节无机离子的种类和数量来完成的。

植物拒盐的生理机制主要涉及以下过程：（1）根表不吸收Na+，即使有Na+进入细胞，也通过质子泵排出体外。（2）把吸收的Na+储存封闭于根、茎基部、节和叶鞘等的薄壁细胞中，从而阻止了Na+向叶片的运输。（3）吸收的Na+在木质部向上运输过程中，被再次分泌到韧皮部中运回根部,再排到环境中。

2.2.2 植物通过渗透调节提高盐胁迫耐受性 参与渗透调节的有机小分子物质主要包括：脯氨酸、甜菜碱、多胺、甘油醇、山梨醇和肌醇以及一些多糖分子。一般认为，脯氨酸的作用是平衡液泡中的高浓度盐分，避免细胞质脱水。此外，在高盐胁迫调节下，许多植物细胞内会积累大量的甜菜碱，它在细胞质内的积累可平衡液泡与细胞质之间的渗透压，从而提高细胞渗透调节能力。此外，甘露醇、山梨醇和肌醇都属于多元醇，因含多个羟基，亲水性强，能有效的维持细胞膨压，从而起到抗盐作用。参与无机渗透调节的离子主要是Na+、K+、Ca+和Cl-，不同的作物对离子的选择性吸收不一样，有些作物选择K+而排斥Na+，有些作物恰恰相反，选择Na+而排斥K+。此外，有的作物本身含有大量的Na+。在这些作物中，K+只占总阳离子的4%，而Na+/K+可达到30。

2.2.3 植物通过离子区域化提高盐胁迫耐受性 离子区域化是植物普遍具有的能力，在高盐胁迫条件下，多数作物都存在着离子区域化现象。盐生植物一般将吸收的盐离子通过跨膜运输积累在液泡中，与细胞质隔离开。而非盐生植物一般尽量减少对有害盐离子的吸收，同时将吸收的盐离子输送到老的组织储存起来，以牺牲老的组织为代价，保护幼嫩组织。

2.2.4 植物通过清除活性氧提高盐胁迫耐受性 为了尽量避免植物体遭受伤害，植物体内存在有抗氧化的过氧化酶系统，主要包括SOD、POT、CAT 等酶。在植物体遭受高盐胁迫的时候，过氧化酶系统活性加强，清除过多的活性氧。在一定范围内，随着盐浓度的增加，SOD活性也升高。其中SOD催化两个超氧自由基发生歧化反应形成O2和H2O2，产生的H2O2再由POD 和CAT 分解去除。

2.2.5 Ca2+在提高植物盐胁迫耐受性中的作用 Ca2+与植物的抗盐性有着密切的关系，Ca2+可以减缓植物盐害，增强植物的耐盐性，其重要作用在于维持细胞膜完整性，并调节离子的运输。而且在盐胁迫下，Ca2+可以减少细胞内Na+的浓度。

2.3 植物对盐胁迫耐受性的分子基础

在分子水平上，盐胁迫可使植物中一些基因的表达状况发生改变，合成或抑制某些蛋白质的合成，提高其盐胁迫耐受性。根据编码蛋白的类型,抗盐基因可以分为三类：渗透调节酶类基因、离子区域化酶类基因和自由基清除酶类基因。在高盐胁迫调节下各种相关酶类发挥的具体作用如下：

2.3.1 渗透调节酶类基因在提高盐胁迫耐受性中的作用

（1）脯氨酸合成相关基因：脯氨酸积累是植物体抵抗渗透胁迫的有效方式之一。脯氨酸的增高能够降低叶片细胞的渗透势，防止细胞脱水；脯氨酸具有很高的水溶性，可以保护细胞膜系统，维持细胞内酶的结构，减少细胞内蛋白质的降解。

（2）甜菜碱合成相关基因：研究表明，甜菜碱的积累有利于提高耐盐性，甜菜碱多数积累在细胞质中，形成高渗透势，与液泡中的盐分保持平衡，有利于稳定Rubisco的构象并保持酶处于有功能的状态。从而部分抵消了高盐浓度对植株的有害影响，从而保证作物在盐渍环境中能正常生活。

除甜菜碱和脯氨酸外，人们对其他渗透调节物的合成关键酶基因也已进行了十分系统的研究。Garg等将海藻糖合成基因转入水稻中，转基因水稻中海藻糖的累积水平可达对照的3-10倍，在盐渍、干旱以及低温胁迫的条件下，这些转基因植株的光氧化破坏程度较轻，具有较强的维持营养元素平衡的能力，并能持续正常生长。

2.3.2 离子区域化酶类基因在提高盐胁迫耐受性中的作用 离子区域化酶类主要包括一些逆向运输蛋白，其中Na+/H+逆向运输蛋白保证了Na + 在液泡中的区域化，大大降低了液泡的渗透势，减轻了Na+对细胞质的伤害,与盐生植物的抗盐性有很大关系。1999年，Gaxiola等首先克隆得到了第一个高等植物拟南芥的液泡膜Na+/H+反向转运蛋白基因AtNHX1，并且利用酵母双杂交互补实验证明了其与拟南芥液泡膜质子泵H+-PPase基因AVP1一起执行Na+的液泡区域化功能。

2.3.3 活性氧清除酶类基因在提高盐胁迫耐受性中的作用 应对氧化胁迫的代谢产物抗氧化酶保护系统主要包括超氧化物歧化(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)等。因此防御这种伤害的最好方法之一是提高植物体内SOD、POD、CAT等酶的活性。其中SOD催化两个超氧自由基发生歧化反应形成O2和H2O2，产生的H2O2再由POD和CAT分解去除。在各种抗氧化酶类中，研究最深入的是SOD同工酶。几种SODcDNA己从植物中得到克隆并用来转化不同的植物，最终获得SOD 活性增强的转基因植株。

3 基因工程手段提高植物盐胁迫耐受性的研究

目前，植物基因工程中抵抗胁迫的策略主要有：一是在植物体内表达相关信号传导及调控代谢途径的基因，二是表达能直接赋予植物耐受胁迫能力的基因，三是表达维持细胞结构、功能所需代谢物的合成途径中所需酶的基因。20世纪80年代以来，基因工程技术在改良植物的多个方面均取得了重要进展。科学家已经研究开发出多种将外源基因导入植物细胞并获得转基因植株的方法。

传统育种方法育成一个新品种，往往需要经过多年多次杂交，育种周期过长，有时还会使某些优良性状难以保持，给改良某一单一性状带来了极大的不便。而植物基因工程是在基因水平上来改造植物的遗传物质，更具有科学性和精确性，同时育种速度也大大加快；能定向改造植物的遗传性状，提高了育种的目的性与可操作性。盐胁迫是影响农业和环境的一种重要因子,通过了解植物耐盐的机制可以采取相应的策略来减轻或消除盐害对作物的影响。尽管目前对植物耐盐机制的认识在分子和细胞水平都有所突破,但大部分的研究都是在控制生长条件的情形下开展的，这种由人工控制的生长条件与自然条件之间仍然存在一定的差距,所以,植物的耐盐性还需要在自然生长条件下来进行进一步的研究。相信随着分子生物学和基因操作水平的发展, 植物耐盐性研究将会有更大的突破，从而更好的为农业生产服务。

参考文献

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[3] Kurban H,Saneoka H,Nehira K. Effect of salinity on growth,photosynthesis and mineral composition in leguminous plant Alhagi pseudoalhagi.Soil Sci. Plant Nutr,1999,45:851-862

作者简介：伍林涛(1977-)，男，湖南新邵人，就职于贵州省油菜研究所，硕士，研究方向：作物遗传育种。