植物耐鹽相關(guān)的生理生化機制

屈芳芳

（遼寧師范大學 生命科學學院，遼寧 大連 116081）

鹽脅迫涉及各種生理變化和代謝過程，由于植物對鹽分的敏感度和耐受程度不同最終會減少農(nóng)作物產(chǎn)量。鹽脅迫主要是鹽離子導致的，由于濃度較高，除了產(chǎn)生離子的直接傷害外，還會產(chǎn)生次生傷害，即由滲透脅迫產(chǎn)生的傷害。本文主要對植物耐鹽相關(guān)的主要生理生化機制進行闡述。

1 離子穩(wěn)態(tài)與耐鹽性

離子的吸收和區(qū)域化作用對維持植物在鹽脅迫環(huán)境下的正常生長十分重要。一旦鈉離子從外界進入細胞中，為了適應鹽分的兩種脅迫——離子脅迫和滲透脅迫，避免鈉離子在細胞中積累，植物采取以下措施：1、通過液泡膜上的V-H+-ATPase和H+-PPase將Na+區(qū)域到液泡中；2、通過質(zhì)膜的H+-ATPase及SOS1等把Na+排除到細胞外。1994年，DE MELO等觀察鹽脅迫下豇豆（Vigna unguiculata）幼苗下胚軸的發(fā)育，發(fā)現(xiàn)液泡膜上的V-H+-ATPase與H+-PPase表達活性不同，在V-H+-ATPase活性增加的同時H+-PPase的活性卻受到抑制，然而，相同情況下在鹽生植物堿蓬（Suaeda glauca Bunge）中的V-H+-ATPase上調(diào)過程中H+-PPase卻起輔助作用，這就證明液泡膜上的兩種質(zhì)子泵存在相互的作用，并且受鹽脅迫誘導。Dietz等總結(jié)了在脅迫壓力下V-H+-ATPase的作用，認為正常情況下的植物中V-H+-ATPase必不可少，在脅迫作用下植物細胞的存活很大程度上依賴V-H+-ATPase的活性。Anjaneyulu等將液泡H+-PPase cDNA克隆，并導入到高粱（Sorghum bicolor）的基因組中，在100 mM和 200 mM NaCl處理下，轉(zhuǎn)基因高粱的相對含水量、株高、葉面積以及果實粒數(shù)均明顯優(yōu)于野生型高粱[1]。細胞質(zhì)膜上存在的H+-ATPase，與鹽脅迫下的Na+外排有關(guān)。Hodges等人1972年在燕麥（Avena sativa L）根中純化響應離子刺激的ATP酶時，首次發(fā)現(xiàn)在質(zhì)膜上存在H+-ATPase的活性，并且與根對無機離子的運輸有關(guān)。2009年，Pitann將質(zhì)膜上H+-ATPase對pH敏感的玉米與正常玉米進行鹽處理，發(fā)現(xiàn)H+-ATPase存在導致植物耐鹽性的增加。1976年Ratner等在大麥質(zhì)膜上首先發(fā)現(xiàn)H+/Na+逆向轉(zhuǎn)運蛋白，隨后Blumwald等人又證明 H+-ATP酶和H+-焦磷酸酶產(chǎn)生的質(zhì)子驅(qū)動力驅(qū)動H+/Na+逆向轉(zhuǎn)運蛋白運輸Na+。目前研究的最多的植物質(zhì)膜上H+/Na+逆向轉(zhuǎn)運蛋白是擬南芥（Arabidopsis thaliana）中的SOS1。越來越多的事實表明SOS1是通過SOS信號途徑起作用的，在這條途徑中涉及三個蛋白：SOS1、SOS2和SOS3。Qian等人對擬南芥細胞質(zhì)膜上的載體蛋白HKT1和SOS1轉(zhuǎn)運蛋白的突變體ATHKT1;1和AtSOS1進行鹽脅迫下的功能研究，認為SOS1逆向轉(zhuǎn)運蛋白在Na+離子的長途運輸中起到重要作用，它可以由根向芽轉(zhuǎn)運多余的Na+離子。在擬南芥中過量表達在大葉補血草中克隆的LgSOS1基因，鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因擬南芥地上部分的Na+積累顯著低于野生型，而K+的含量顯著高于野生型，這表明過表達LgSOS1基因提高了擬南芥的耐鹽性。

2 兼容性滲透劑與耐鹽性

在鹽生植物和耐鹽的植物中都存在可以保護植物的分子，這些分子極性但帶有不高的電荷，高度溶解，具有較大的水和外層，可以在細胞中與其它大分子相互作用，主要包括脯氨酸、甜菜堿。通過BenAhmedetal等觀察研究得到發(fā)現(xiàn)，在高鹽環(huán)境下，脯氨酸通過提高橄欖（Canarium album）中抗氧化酶的活性，提高了光合作用，改善了植物生長，增強了其抵抗鹽脅迫的能力。Reddy等人利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將合成脯氨酸的吡咯啉-5-羧酸合成酶基因?qū)敫吡坏挠鷤M織中，通過測量色素含量、光合速率、氣孔導度和脯氨酸含量等指標，發(fā)現(xiàn)與野生型的高粱相比轉(zhuǎn)基因株系能夠在鹽脅迫下保護光合作用途徑和提高抗氧化酶的活性。甜菜堿是一種無毒的細胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以應激的提高細胞滲透壓，因此在滲透脅迫方面起到重要的調(diào)節(jié)作用。甜菜堿主要在葉綠體中進行生物合成從而提高細胞質(zhì)的滲透壓，這樣可以使在鹽脅迫下的葉綠體和線粒體保持充足的水分，以便保證光合作用和呼吸作用的正常運行。在鹽生植物和耐鹽性植物中，脯氨酸和甜菜堿的積累可以讓細胞質(zhì)中的Na+向液泡內(nèi)轉(zhuǎn)移。甜菜堿與脯氨酸的積累與Na+的區(qū)域化之間有重要聯(lián)系，甜菜堿還可以通過滲透調(diào)節(jié)保護細胞和減少活性氧的產(chǎn)生。

3 抗氧化調(diào)節(jié)與耐鹽性

細胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生主要由膜系統(tǒng)上的氧化酶催化完成的，凡涉及電子傳遞鏈的蛋白質(zhì)或酶系都能導致ROS的產(chǎn)生。在植物體內(nèi)，ROS主要在葉綠體和線粒體中產(chǎn)生，超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫和單線氧都是強氧化的化合物，它們都會破壞細胞的完整性。在生物體內(nèi)，無論是植物還是動物都會通過一系列適應性的調(diào)控措施，將細胞內(nèi)的活性氧水平維持在一定的范圍內(nèi)。消除ROS的途徑主要有抗氧化酶系統(tǒng)和抗氧化劑兩種。

植物中的抗氧化酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT)、氧化物酶系（POD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）以及抗壞血酸過氧化物酶（APX）等。其中CAT和APX在清除細胞內(nèi)積累的H2O2中起重要作用。CAT在作用過程中不需要還原能，而且有著較高的反應速率，但對H2O2的親和力較低,因此只能去除高濃度的H2O2；而APX對H2O2的親和性較高，可以清除低濃度的H2O2。抗氧化劑主要包括抗壞血酸和谷胱甘肽。鹽脅迫下，葉綠體和線粒體的活動都會減弱，導致更多的電子去還原分子氧，并提高細胞中氧化酶和過氧化物體的活性，產(chǎn)生更多的活性氧，而此時脅迫作用又使抗氧化酶活性和抗氧化物的活性降低，導致活性氧大量積累。因此，在鹽脅迫下葉綠體和線粒體內(nèi)的ROS增加，對活性氧起消除作用的抗氧化酶和抗氧化物也增加，結(jié)果制約并調(diào)節(jié)了ROS的增長水平。對ROS調(diào)控作用的目的不僅在于減輕活性氧對細胞的毒害作用，也使其成為了信號分子，誘導植物細胞對高鹽環(huán)境產(chǎn)生適應性的應答反應。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，我們對植物的耐鹽機制已經(jīng)有了初步的了解，但許多挑戰(zhàn)仍擺在眼前。例如，我們理解了在應答反應過程中植物主要的應答機制，但仍然缺乏對以下機制的了解，如基因表達與信號通路的調(diào)控、跨膜離子轉(zhuǎn)運、長信號傳遞與能量供應中代謝的問題等。未來我們的研究應該放在鹽脅迫下植物體內(nèi)分子互作的問題上，致力于研究植物耐鹽的機制，從而解決農(nóng)作物耐鹽問題，提高作物產(chǎn)量。

[1] Anjaneyulu E, Reddy P S, Sunita M S, et al.Salt tolerance and activity of antioxidative enzymes of transgenic finger millet overexpressing a vacuolar H(+)-pyrophosphatase gene (SbVPPase) from Sorghum bicolor.[J]. Journal of Plant Physiology, 2014,171(10):789-798.

[2] Bose J, Rodrigo-Moreno A, Shabala S. ROS homeostasis in halophytes in the context of salinity stress tolerance[J]. Journal of Experimental Botany,2014, 65(5):1241-1257.