谢颖悦, 王 琦, 王春平, 周冰玉, 周 宇, 刘 芬, 孙翔宇*

（1. 湖南省微生物研究院, 长沙 410009；2. 湖南省勘测设计院有限公司, 长沙 410014）

土壤盐碱化是农业生产的限制因子之一, 预计到2050年, 全球约有50%以上的耕地受盐碱化影响, 严重威胁全球农业生产和粮食供应[1-4]。盐胁迫导致细胞膜结构和功能、细胞内离子平衡及正常生理代谢活动受损[5-8], 从而抑制植物的正常生长发育。钠离子（Na+）毒害是导致盐胁迫的主要因素之一, 细胞内积累过多的Na+会抑制光合作用以及离子平衡等一系列生理生化活动[9-12]。因此, 胞内Na+动态平衡对于维持植物在盐胁迫下的正常生长发育极其重要。植物对盐胁迫的响应是一个复杂的过程, 包括植物对盐胁迫的感知、胁迫响应基因的转录调控以及功能基因的表达、代谢活动的调控等[10-12]。本文从盐胁迫对植物的危害、Na+转运、信号传导等方面来阐述植物应答高盐胁迫的机制研究进展, 以推动对植物盐胁迫应答机制的研究。

1 盐胁迫对植物生长发育的危害

1.1 抑制植物光合作用和正常生理代谢

植物物质能量来源于光合作用。盐胁迫下, 植物叶片细胞的结构受损, 气孔导度及胞间CO2浓度下降, 导致植物叶片净光合速率下降。另外, 盐胁迫会抑制光合电子传递和光系统PSII的活性。同时, 盐胁迫下由于叶绿体结构损伤, 导致参与光反应和卡尔文循环的酶的活性受到抑制。另有研究表明, 盐胁迫下叶原基的发生也会受到抑制, 导致单株植物的光合面积减少, 间接造成植物碳同化量减少, 减少叶片干物质的累积, 从而影响植物的生长发育[5-7]。

高盐通常会导致植物的正常生理代谢紊乱。有研究表明, 耐盐植株的脯氨酸及糖蛋白含量明显高于盐敏感植株[6]。盐胁迫下叶绿素酶活性增加, 导致叶绿素分解加速, 从而引起光合作用速率下降等不良影响。另外, 盐胁迫下植物呼吸作用增加, 气孔关闭, 蛋白质合成严重受阻, 大量有毒代谢物质不断积累, 导致植株衰老速度加快, 最终引起植株死亡[6, 13-15]。

1.2 导致渗透胁迫及离子胁迫发生

土壤中盐浓度过高会引起土壤溶液的水势低于植物根细胞的水势, 导致植物根系吸水受到抑制或吸水困难, 引起植物体内水分外渗, 造成“生理干旱”, 从而导致植株渗透平衡失控, 引起植物细胞膜结构、细胞分裂和增殖受损, 严重影响植物生长[9-10]。因此, 植物必须依赖相应的调控机制来维持机体渗透压平衡及植株的正常生长发育。

离子胁迫主要是由细胞中Na+过量累积引起的, 适量的Na+能促进植物生长, 在缺钾条件下还能暂时维持细胞膨压。但Na+浓度过高会对水稻（Oryza sativaL.）、玉米（Zea maysL.）、高粱（Sorghum bicolorL.）等植物产生毒害[9-10]。另一方面, 细胞质中过量的Na+会干扰钾、钙、锌等矿质元素的吸收和利用, 影响植物矿质营养的高效利用, 进而影响植物的生长发育[11-12]。例如, Na+拮抗K+的吸收及利用。Na+与K+的水合半径类似, 因此, Na+会伴随着K+通过相关K+离子转运蛋白或阳离子非选择性离子通道一起被转入细胞。此外, 植物淀粉合成酶、谷胺合成酶、丙酮酸激酶等50多种酶的酶活需要K+激活, 而Na+会参与竞争相关酶的K+结合位点, 导致淀粉合成酶、丙酮酸激酶等酶的活性下降, 从而影响植物的淀粉合成、蛋白质合成、光合作用等多种生理生化活动[11-12]。另外, 有研究表明, 过量的Na+会置换相关膜系统上结合的Ca2+, 增大膜Na+/Ca2+比值, 从而增加膜的通透性, 扰乱胞质中离子稳态平衡[11-12]。因此, 植物必须通过精确的调控机制来维持机体离子稳态平衡和调节植株的正常生长发育。

2 植物Na+转运

植物可通过调控形态构建、离子转运及代谢等多种途径来响应盐胁迫, 以维持机体正常生长发育。在长期的进化过程中, 植物已进化出以下机制来避免Na+毒害[11-12]：1）减少植物根系Na+吸收；2）降低Na+从根部到地上部分的运输；3）Na+通过韧皮部向下回流至植物根系, 进而分泌到植物体外；4）过多的Na+被区隔到液泡进行储存。成熟的高等植物细胞中, 液泡占细胞总体积的95%, 主要用于存储营养物质和代谢产物, 避免细胞遭受有毒物质的损害。植物将盐分区隔化到液泡中, 一方面能避免过量的Na+对胞质的损伤, 另一方面又能将液泡的Na+作为渗透调节剂, 促进细胞吸水, 维持盐胁迫下的细胞膨压。5）将植物体内过多的Na+通过盐腺等器官排出体外。另外, 当植物遭受到盐胁迫时, 植物会迅速积累合成一些小分子物质和蛋白质保护剂等来维持细胞渗透压平衡, 比如合成海藻糖、脯氨酸、甘露醇、甜菜碱等有机物来进行渗透压调节, 避免细胞失水[9-10]。综上所述, 植物在长期适应进化的过程中, 建立起了一套从Na+吸收、运输及区隔至液泡的机制来响应盐胁迫毒害, 这些过程由定位于细胞膜或细胞器膜的各种Na+转运蛋白负责。

为维持各组织细胞中Na+的最佳水平, 植物进化出有效的Na+转运及调节机制。植物根部从外界环境吸收Na+后, 将Na+装载至木质部导管中, 然后随着蒸腾流被长距离运输到地上部分并参与地上部分的再分配[16-17], 这些过程均由定位于细胞膜和不同细胞器膜的Na+转运蛋白介导, 这些转运蛋白活性的调控也是植物应答盐胁迫的基础。迄今为止, 在植物中主要存在HKTs（high-affinity K+transporters）和NHXs（Na+/H+antiporters）两类Na+转运蛋白[16-18], 它们协同调控植物对盐胁迫的响应（图1）。

图1 植物中Na+转运Fig. 1 Na+ transport in plants

2.1 HKTs转运蛋白

HKTs参与K+及Na+等阳离子的转运, 并参与植物对逆境的响应。HKTs家族蛋白主要分为 HKT1和 HKT2 两个亚族蛋白, 其中 HKT1亚族属于高亲和Na+转运蛋白, 介导植物高亲和性Na+转运[16-17]。 HKT2亚族基因编码K+/Na+高亲和性转运蛋白, 主要介导植物K+转运[16-17]。高等植物HKT1亚族基因首先在小麦（Triticum aestivumL.）中被鉴定,TaHKT1是从植物中鉴定出来的第一个HKT1基因, 电压钳试验表明,TaHKT1具有Na+转运能力[16-17]。随后, HKT1亚族基因相继在模式植物拟南芥（Arabidiopsis thaliana）及水稻（Oryza sativaL.）中被克隆出来, 其基因功能也相继被鉴定。拟南芥中的研究表明, HKT1亚族基因大部分定位于植物根和茎的维管组织的细胞质膜, 当植物木质部导管中Na+过量累积时, HKT1亚族基因能将木质部导管中的Na+卸载至木质部薄壁细胞, 降低木质部导管中的Na+含量, 从而阻止Na+进入至地上部分, 避免植物地上部分遭受盐胁迫损伤。另外, 有研究表明, 当叶肉细胞中的 Na+积累过多时,HKT1基因能将叶肉细胞中过多的Na+转运至叶脉, 减少细胞质中的Na+毒害, 维持叶片正常的光合作用[16-20]。水稻中的研究表明, HKT1亚族基因OsHKT1;5在木质部导管薄壁细胞特异表达, 介导Na+从木质部薄壁细胞外排至木质部导管, 从而降低地上部分Na+含量, 维持地上部分Na+/ K+动态平衡及植物在盐胁迫条件下的正常生长发育[16-20]。上述研究表明, HKT1亚族基因介导单子叶植物和双子叶植物响应盐胁迫的机制具有保守性。

2.2 NHXs 转运蛋白

离子稳态和pH调节对植物的生长发育及对逆境的响应极其重要。 Na+/H+反向转运基因NHXs编码定位于质膜或细胞器膜的膜蛋白, 促进 Na+或 K+与H+的交换, 维持腔内pH 值和离子稳态。在拟南芥中鉴定出8个NHX同源基因, 根据序列同源性和功能将其分为3类：质膜蛋白NHX7/SOS1和NHX8、内体/囊泡蛋白NHX5及NHX6、液泡蛋白NHX1～NHX4[21-30]。其中,NHX7/SOS1编码质膜 Na+/H+反转运蛋白, 在根的木质部薄壁组织大量表达, 介导Na+从根部到地上部分的长距离运输。当土壤中的 Na+含量过高时, 质膜上的 SOS1 将根尖细胞内过多的Na+排出根外, 避免分生组织遭受Na+毒害。另外, SOS1还能将多余的Na+装载至木质部导管, 参与Na+从根到地上部分的长距离运输, 避免植物地上部分遭受Na+毒害。同时,SOS1的过表达能显著提高植株的耐盐能力[21-22]。此外, 有研究表明, 在甜菜中外源表达拟南芥NHX3能显著提高甜菜的耐盐能力。 NHX4 定位于液泡膜, 通过介导过多的Na+进入液泡隔离, 其过表达能明显增强南瓜的耐盐能力[20-21]。这些研究表明, NHX蛋白在盐胁迫响应中具有较高的利用价值。

3 植物应答高盐胁迫的分子机制

迄今为止, 植物进化出多种精确的调控机制来应答盐胁迫, 如钙信号及激素信号传导途径[23-35]。植物遭受盐胁迫时, 大量的Na+进入细胞, 导致胞内Ca2+浓度瞬时上升。Ca2+是盐早期的响应信号, 在细胞内转运, 并参与调控钙调蛋白CaM、钙依赖蛋白激酶CDPK/CPK等蛋白, 促使细胞中Na+外排。植物Ca2+依赖信号SOS途径, 是在植物中第一个被鉴定出的参与非生物胁迫的信号途径, 介导Na+从植物胞质外排。植物面临盐胁迫时, 钙结合蛋白OsSOS3/CBL4感知胞质钙信号后, 随即磷酸化OsSOS2/OsCIPK24, 激活质膜上Na+/H+反向转运蛋白OsSOS1, 促使过多的Na+排出细胞, 维持盐胁迫下细胞中离子稳态[23-29]。

在响应钙信号之后, 植物激素在盐信号级联反应中扮演重要角色。脱落酸（abscisic acid, ABA）是植物应答非生物逆境最主要的激素。在盐胁迫下, ABA激活下游逆境响应基因的表达, 调节气孔关闭和离子平衡, 避免植物受到伤害。此外, 盐胁迫下, ABA与受体PYR/PYL/RCAR结合, 并与蛋白磷酸酶PP2C互作, 形成PYL-ABA-PP2C复合体, 解除PP2C对SNF-1相关蛋白激酶SnRK2的抑制。SnRK2磷酸化含ABA响应元件ABRE（ABA-responsive elements）或ABRE结合因子AREB/ABF类的相关转录因子, 进而维持离子稳态平衡及植物正常生长发育[30-35]。

乙烯（ethylene）是植物应答盐胁迫的另一类重要激素。有研究表明, 外源喷施乙烯导致水稻对盐胁迫敏感, 而外施乙烯抑制剂1-甲基环丙烯（1-MCP）则会提高水稻对盐胁迫的耐受能力, 因此, 乙烯负调控植物的耐盐能力[36-40]。乙烯受体植物凝集素受体蛋白激酶OsSIT1通过激活原促蛋白激酶MPK3/6, 促进乙烯合成, 导致活性氧（reactive oxygen species, ROS）积累, 引起植物对盐胁迫敏感。另外, 有研究表明, 乙烯含量的升高导致乙烯信号响应基因MHZ6/OsEIL1和OsEIL2表达的升高, 进而抑制K+转运相关基因的表达, 从而破坏细胞内离子稳态平衡, 导致水稻对盐胁迫的敏感性增强[36-44]。

总之, 在植物遭受盐胁迫逆境时, 钙信号及激素等各种级联信号反应协同工作, 避免细胞受到氧化损伤及胞内离子动态不平衡, 以维持细胞内离子稳态平衡及细胞膨压, 协调植物生长发育与适应盐胁迫逆境之间的平衡。

4 总结与展望

土壤盐渍化是威胁粮食安全的全球性问题。由于全球气候变化的影响, 各地区遭受盐胁迫的危害越来越严重, 作物产量及品质受到严重影响。人口增长、耕地面积缩减及土壤盐渍化已成为限制我国农业可持续发展的瓶颈。因此, 将盐胁迫响应机制的研究引入作物体系迫在眉睫。为了最大程度地减少经济损失, 了解作物对高盐环境的响应机制极其重要。

植物已经进化出许多不同的机制来响应和适应盐胁迫以维持其生存。目前, 对植物响应盐胁迫的研究多集中在Na+转运体的功能、高盐毒害生理等方面。然而, 对植物Na+与其他离子的相互作用机制、植物中Na+转运的规律及体内稳态、对高盐胁迫信号的传导和调控等研究还知之甚少。作物在适应盐胁迫逆境的同时, 还要维持自身的正常生长发育, 因此, 作物平衡生长及盐胁迫耐受性的机制研究对于农业可持续性发展极其重要。但迄今为止, 协调盐胁迫耐受性和植物生长的调控机制仍未被完全解析。这些都是今后阐明盐胁迫响应机制应解决的问题。

由于作物育种年限长, 目前育种效率较低, 未来还需综合利用基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学及表观组学等手段, 进一步挖掘植物应答盐胁迫响应的关键基因, 并解析其响应盐胁迫的信号机制, 为培育耐盐农作物提供理论依据和关键靶点。同时,引入基因编辑等新技术, 提高遗传位点选择的准确性, 加快耐盐种质资源的培育效率。