土壤盐渍化是一个全球性生态问题，是当今世界土地荒漠化和耕地退化的主要因素之一，是人类面临的危机之一。土地的盐渍化对农业生产和生态环境带来了巨大的负面影响。目前，全球盐碱土地的总面积高达10亿hm2，约占世界陆地面积的7.6%。中国的盐碱地面积为0.27亿hm2，约占耕地面积的10%。而植物在盐胁迫下不能正常生长，会造成植物发育迟缓、发芽率降低、植物器官的生长和分化被抑制、新陈代谢减缓、蛋白合成减少等不良后果。

1  盐胁迫对植物的影响

盐胁迫通过渗透胁迫、离子伤害等过程损伤植物，最普遍和最显著的效应就是抑制生长[1]。盐胁迫会造成植物发育迟缓，抑制植物组织和器官的生长和分化。

1.1  盐胁迫对种子萌发的影响

在盐胁迫下，植物种子由于盐分过多而使水势降低，种子吸水困难造成细胞缺水，发芽率降低。   

通过不同浓度的NaC1胁迫对莴苣种子进行处理，任艳芳等发现在50 mmol/L NaC1胁迫下，莴苣的发芽率、发芽势和发芽指数比对照略有增加，随着盐浓度的升高，发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数都有不同程度的下降，在200 mmol/L NaC1胁迫下种子萌发完全受到抑制，并且随着盐浓度的增加，根和芽的长度及鲜重也表现出不同程度的降低，其中根的下降幅度比胚芽大，表明盐胁迫对根的影响大于芽。一般来说，低浓度的盐对种子萌发有促进作用，当盐浓度过高时才会抑制种子萌发。这是因为盐分过高破坏了细胞质的完整性，导致细胞选择透过性下降甚至丧失，Na+、C1-等在细胞内大量积累，降低了K、Ca等元素的含量，细胞内离子平衡失调，引发一系列功能紊乱，从而影响种子萌发。

1.2  盐胁迫对植物新陈代谢的影响

光合作用是作物生命活动的基础，作物干质量的90%以上是通过光合作用合成的。在盐碱胁迫下，作物叶绿体中类囊体膜成分与超微结构发生改变，光能吸收和转换、电子传递和光合碳同化都受到影响，造成作物光合能力下降。同时，盐胁迫导致叶绿素含量降低。叶绿体是植物进行光合作用的主要场所，叶绿素含量是反映植物光合作用强度的生理指标。在盐胁迫下，植物吸收不到足够的水分和矿质营养，造成营养不良，致使叶绿素含量降低，影响色素蛋白复合体的功能，从而降低叶绿体对光能的吸收，降低了光合效率。叶绿素和叶绿体蛋白的结合程度取决于植物叶片细胞内离子的含量，而在盐胁迫下，由于植物叶片内离子含量高，使这种结合变得松弛，使更多的叶绿素被解离出来，从而降低了光合效率。

盐胁迫对植物的呼吸作用和蛋白质合成都有影响，严重影响植物生长发育。此外，盐胁迫使植物体内活性氧代谢紊乱。活性氧可对蛋白质进行氢抽提，使蛋白质发生聚合而失活，或进攻蛋白质的巯基，使蛋白质发生交联或使多肽链发生断裂而失活。过多的活性氧还可导致膜脂过氧化，进一步引起DNA断裂，导致基因突变。活性氧还通过DNA损伤使维持细胞基本生理功能的基因失去其表达活性，进而导致细胞衰老。von Zglinicki等的研究表明，活性氧也可以使DNA单链断裂积累并导致端粒缩短。此外，活性氧还可损伤光合系统的细胞器，通过使光合电子传递系统失活引起光抑制，对植物造成伤害。

1.3  盐胁迫对植物形态的影响

盐胁迫下，植物自身生理生化过程受影响，在外观上也有体现。盐胁迫下的棉花出现叶片发软、色暗、功能期变短、侧根发生少、出叶速度减慢、生长势下降、结铃数目减少等现象；马铃薯试管苗的苗高、根长、生物量也有显著下降。

2  植物自身的耐盐调节

总的来说，植物对抗盐碱的表现会分两个方面：一方面是快速的、渗透性地阻止新叶生长的过程；另一方面是慢的、离子性地加速老叶退化的过程。而植物适应盐碱分3个不同的类型，即渗透性压力耐受、N矿和C1-的排出，以及组织对Na+和C1-积累的耐受。

2.1  离子对植物的影响

很多高等植物细胞质中的酶通常都不是耐盐的，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。大多数植物吸收K+而排斥Na+，保持体内高的K+/Na+比有利于K+行使Na+无法替代的功能：一是保持细胞质有较低渗透势，以抵消液泡渗透势降低；二是缓解盐胁迫下细胞内K+亏缺而引发的生长抑制。故在一定盐度范围内的植株地上部K+/Na+值是植物耐盐的重要机制之一。

研究表明，植物耐盐性与植株地上部对Na+和C1-积累的限制力及高K+/Na+值保持能力有关。地上部积累Na+、C1-较少，K+/Na+值较高，均与耐盐品种限制Na+和C1进入植株体内，即限制Na+向地上部转运，使Na+更多地保留在根中有关，且耐盐品种具有较高选择性吸收K+和将K+转运至地上部的能力。Pitman提出Na+（叶／根）／K+（叶／根）可反映盐分胁迫下植物体对Na．、K+的吸收和向上运输的选择性，并认为Na+（叶／根）／K+（叶／根）值越大，植物体地上部对Na+的选择性越大，则植物抗盐性越小，所受盐害越大。NaC1胁迫下保持叶片细胞中较高K+浓度是植物耐盐性的重要方式之一。

2.2植物自身渗透调节

渗透调节机制包括无机渗透调节和有机渗透调节。无论是盐生植物还是非盐生植物，都是通过从外界吸收盐离子和自身合成有机小分子物质来进行渗透调节的，只是在不同的植物中，进行渗透调节的无机离子和有机小分子物质的种类和比例不一样。盐生植物以无机离子为主要的渗透调节剂，而非盐生植物则以K+和有机渗透调节物质为主要的渗透调节剂。

参与无机渗透调节的无机离子主要有Na+、K+和C1，不同植物对离子的选择性不同，有些植物选择K+而排斥Na+（如很多非盐生植物），有些植物则选择Na+而排斥K+。也有报道认为许多盐生植物吸收K+作为主要渗透调节剂，Hajibagheri等报道，一些非盐生植物由于体内积累了大量的K+，抗盐能力显著提高。

高盐环境下植物细胞中常积累一些小分子有机物，如脯氨酸、甜菜碱、糖醇等和多种无机盐离子，以维持较高的细胞质渗透压，便于植物在高盐条件下对水分的吸收。这些物质极性电荷少，溶解度高，分子表面有较厚的水化层，因此不仅可以维持细胞的膨压，而且还能稳定细胞质中酶分子的活性结构，保护其不受盐离子的直接伤害。这些小分子物质在正常情况下含量往往很低，只有在盐胁迫等逆境条件下合成反应才被激活。脯氨酸是植物在盐胁迫下的主要渗透调节物质之一，它不仅是生物大分子的保护剂和羟基的清除剂，还是植物从胁迫条件恢复正常过程中迅速、有效的氮源、碳源和还原剂。脯氨酸能够防止质膜透性的变化，对质膜的完整性有保护作用，可能的原因是脯氨酸与膜磷脂及转运蛋白相互作用，以稳定其结构。脯氨酸为植物对盐碱胁迫反应敏感的胁变指标，盐胁迫下脯氨酸含量升高。但Liu等认为脯氨酸累积不能作为抗性生理指标，似乎更适宜作为胁迫敏感性指标。甜菜碱、脯氨酸和可溶性糖这3种有机渗透剂中，甜菜碱在细胞质渗透调节中的贡献约占4/5，脯氨酸占1/5，可溶性糖可忽略不计，且甜菜碱含量的变化对胁迫响应最早，其产生的渗透调节作用可能先于脯氨酸和可溶性糖，作为渗透调节指标更敏感。

甜菜碱是生物界广泛存在的细胞相容性物质，也是公认的在微生物和植物细胞中起无毒渗透保护剂作用的主要次生代谢物之一，其积累使许多代谢关键酶在渗透胁迫下能继续保持活性。许多高等植物尤其是藜科和禾本科植物，在受到盐胁迫时积累大量甜菜碱。甜菜碱作为渗透调节剂、酶的保护剂，在一定程度上保持盐胁迫下细胞膜的完整性。另外，甜菜碱对类囊体膜也有稳定作用，并显著提高光系统Ⅱ光合放氧的稳定性。由胆碱经由甜菜碱醛合成甘氨酸甜菜碱在甜菜碱生物合成途径中占主导地位，主要由胆碱单加氧酶(CMO)和甜菜碱脱氢酶(BADH)完成。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，能有效地维持细胞膨压，从而起到耐盐作用。

此外，植物还会通过稀盐作用、泌盐作用、拒盐作用等过程来抵抗盐胁迫。

2.3植物耐盐相关信号传导途径

逆境胁迫作用与植物受体相互作用后，植物体内发生一系列生理生化变化的过程被称为信号传导。细胞信号传导是所有活生物体具有的一种十分重要的生理功能。拟南芥通过SOS (salt overly sensitive)途径，使细胞中的离子得到平衡并适应盐胁迫。简单地说，SOS途径使额外的Na+通过质膜Na+/H+逆向转运体排出细胞，帮助植物维持细胞内离子稳态。目前已发现的与植物耐盐性相关的信号传导途径还有Ca2+及钙调素信号途径，蛋白激酶、蛋白磷酸酶途径等。

2.4植物耐盐相关的保护性蛋白

超氧化物歧化酶(SOD)是生物体内超氧自由基的主要清除者，它平衡了细胞内超氧自由基的浓度，避免了对细胞膜的伤害。超氧化物歧化酶主要有3种类型，即Mn-SOD、Fe-SOD和Cu/Zn-SOD。Cu/Zn-SOD主要在叶绿体和细胞质中，Mn-SOD主要在线粒体中，Fe-SOD主要在叶绿体中。

过氧化物酶(POD)是清除细胞内活性氧和超氧自由基的另一个保护性酶。POD和SOD在通常的情况下是协同作用的。如SOD催化超氧自由基生成H202，H20再被POD催化除掉。

水通道蛋白是对水专一的通道蛋白，只允许水分子通过，不允许其他分子及离子通过，普遍存在于动、植物和微生物中。高等植物的质膜和液泡膜上存在着丰富的水通道蛋白。在水分亏缺的条件下，植物吸水的驱动力主要是渗透压，使细胞一细胞途径运输水分的比重加大，而细胞一细胞途径的输水主要是通过水通道蛋白来完成的。对水通道蛋白的含量及活性的调控，可能是在水分亏缺条件下调控水分交换的方式之一。

此外，GSH、ASA、类胡萝卜素、酚类、类黄酮化合物、脯氨酸、甘露醇、多胺、激动素等也有清除活性氧的功效。在正常条件下，植物体内的活性氧的产生和猝灭是处于动态平衡中的。盐胁迫下，这种平衡被打破，若保护系统不能及时消除过量的活性氧，就可导致生物膜受损等一系列伤害。因此，活性氧清除系统对植株抗盐生理有十分重要的作用。

2.5  miRNA参与植物耐盐碱

我们已经知道某些蛋白质能够作为调控因子，在植物生长发育和适应环境中发挥重要作用。微小RNA(miRNA)和小干扰RNA(siRNA)是两类小的非编码RNA，在动植物的基因表达中也起着重要的调控作用。Sunkar等构建了一个拟南芥逆境（包括脱水、盐碱、冷处理等）下的小的非编码RNA库，在随后的研究中，从15个miRNA家族、34个基因座中发现了26个新的miRNA。在外界环境压力的刺激下，其中一些miRNA在特殊组织表现出相应的表达量上调或下调，说明miRNA可能在植物抗逆境过程中有重要作用。

npcRNA (non-protein coding RNA)是一类不编码蛋白质的RNA，其作用取决于RNA分子本身。其中的一些被当做调控因子，控制稳定性以及特殊mRNA的转录。在真核细胞中还参与发育事件和压力反应。Amor等在拟南芥中通过过量表达分析，确定了2个作为根部调控因子的npcRNA，分别调节盐胁迫下根生长和叶的形态，加上小的非编码RNA，构成长的npc RNA(long npcRNA)，包含转录组的一个敏感组成成分，在生长分化中各有重要作用。

2.6  甲基化参与植物耐盐碱

甜菜碱在抗盐碱的过程中起到了举足轻重的作用。我们已知的其合成方法是通过以胆碱为底物的两步反应完成的。Nyyssola等已经成功地利用亲缘关系较远的2种极端嗜盐菌，以甘氨酸为原料，通过甲基化过程生产出甜菜碱。甜菜碱在极端嗜盐菌中的生物合成途径已经成功地在大肠杆菌中实现。在中等浓度的渗透压下，细胞中的甜菜碱在积累，而同时细胞浓度能变得更高。这些结果显示这种甲基化合成途径能用于提高异源有机体的抗逆境性，包括盐碱、干旱等。尽管植物自身可以合成甜菜碱，但是却不积累甜菜碱，例如马铃薯、水稻、番茄、烟草就不积累甜菜碱。在许多植物中，胆碱氧化合成途径得到甜菜碱可以使植物提高抗盐性和抗冷冻性。与甲基化合成甜菜碱途径比较一下，对于提高植物抗逆境能力是很有意义的。Waditee等在聚球菌属的澡青菌中通过一种Ⅳ_甲基转移酶，利用甘氨酸合成甜菜碱。研究发现，Ⅳ_甲基转移酶的表达能引起甜菜碱的大量积累，也使得淡水澡青菌获得许多耐盐能力，从而可以在海水中生长。在拟南芥中，Ⅳ_甲基转移酶也可以使根、茎、叶、花都大量积累甜菜碱，并可以提高经过盐处理的种子的发芽率，甜菜碱的含量远高于通过两步氧化合成酶得到的甜菜碱。这些结果说明Ⅳ_甲基转移酶对植物抗盐碱是非常重要的。

研究发现，在盐胁迫条件下，盐土植物冰花核基因组CpNpG（N是任意核苷酸）在CCWGG(W为A或T)序列中的甲基化的水平增长了2倍，在二氧化碳吸收过程的景天酸新陈代谢途径(CAM)C3光合作用时发生卫星DNA超甲基化。C4光合作用和CAM的主要酶——磷酸烯醇丙酮酸羧激酶中CCWGG序列的甲基化图谱在基因的5’启动子区域没有改变，核糖体DNA的图谱也没变。因此，一个特殊的卫星DNA的CpNpG高甲基化在表达了一些新的代谢过程的条件下被发现。卫星DNA的Cp- NpG的超甲基化的功能可能与特殊染色体结构的组成有关，同时在冰花植物适应盐胁迫在CAM代谢转型时调节大量基因的表达。

2.7植物耐盐的形态适应

植物耐盐的形态适应主要表现在组织结构的适应。例如盐生植物最典型的结构是叶的肉质性，叶片往往厚且肉质化，含有较大的液泡，细胞内汁液丰富，有些盐生植物还有专门的表皮储水囊泡。这就意味着植物保水能力增强，有利于植物避免盐害导致的生理干旱。

3结语

植物耐盐是一个多基因参与、多途径诱导的过程，其抗性机制是一个非常复杂的问题。植物耐盐研究已经取得了一些成果。充分利用植物的抗盐基因培育新的高抗盐品种，是提高植物抗盐性最根本、最经济、最有效的方法。近年来，一些与植物耐盐机制有关的基因相继被克隆并用于转基因研究中，这些基因的表达不同程度地提高了转基因植物的耐盐能力。随着分子生物学、表观遗传学、蛋白组学等的快速发展，有望不久的将来在植物耐盐的相关研究上取得重大突破。

景欣，张旸，李玉花（东北林业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨150040）

    生物技术通讯2010.2