作物耐盐机制及作物耐盐分子育种研究进展

作物耐盐机制及作物耐盐分子育种研究进展

摘要：本文概述了作物耐盐机理、作物耐盐分子育种（相关基因的克隆及转基因作物）和几种重要作物耐盐研究现状,并对作物耐盐机制研究进行展望。同时从分子、细胞和个体水平简述作物耐盐机制,为未来的作物耐盐研究提供基本的理论参考。

关键词：耐盐机制分子育种

全球有大约三分之一的土地为盐碱地,由于耕作方式的不当,次生盐碱地面积逐年增加,至今全球大约有57亿亩土地受到盐害影响,其面积占据了全球6%的土地面积[1]。而土壤中盐分过高是抑制植物生长发育的重要环境因素,绿色植物的主要生理过程光合作用、能量和脂肪代谢等都会受到盐胁迫的影响,从而导致作物减产甚至死亡[2]。目前,农业用地的盐碱化程度仍在不断加重,有研究显示预计到2050年,将有超过50％的耕地盐碱化。众所周知,全球人口仍在急剧增长,食品安全问题已然成为研究关注焦点。如何利用盐碱土地对维持农业生产的可持续性发展起到了重要作用。要想解决此问题,一种方法是优化土壤,降低盐份含量;另一种方法是培育耐盐的作物品种,使其适应盐碱含量较高的土地。但改良土壤不仅耗资巨大、时间长,而且随着化学物质的大量引入进一步的加重了土壤次生盐碱化,因此,摸清作物耐盐机制并培育耐盐的作物品种是对盐碱地改良的最佳手段。本文基于查阅大量耐盐相关文献,对作物耐盐机理、作物耐盐分子育种（相关基因的克隆及转基因作物）和几种重要作物的耐盐研究进展进行整理,概述现阶段作物耐盐机制及作物耐盐分子育种研究进展。同时从分子、细胞和个体水平简述植物耐盐机制方面的重要进展,为未来的实际应用提供基本的理论参考。

1、作物耐盐机制

随着分子生物学、生理学和基因组学的发展,人类对于植物耐盐的生理和分子机制也有了更深刻的认识。在耕地盐碱化日趋严重的今天,研究粮食作物的耐盐机制成为保证人类食品安全的重要举措之一。盐碱化是指土壤中含有高浓度的可溶性盐。当土壤的ECs值大于等于4dS/m时,该土地就被称为盐渍化土壤。这相当于盐浓度大约为40mM NaCl,并产生约0.2MPa的渗透压。由于NaCl是溶解度最大且分布最广的一种盐类,因此几乎所有植物都进化出一套调节NaCl积累的机制,并能够选择性的吸收其它低浓度的营养物质,如K+和NO3-[3]。对大多数植物来说,在水分充足的情况下根部能有效的排除Na+和Cl-。例如,海滨大麦（Hordeum marinum）能够在最高450mM NaCl浓度下外排Na+和Cl-离子[1,4]。此外,植物能够耐受由盐和干旱引起的土壤低水势,因此耐受渗透胁迫是多数盐生和非盐生植物的特征[3]。

目前发现的植物耐盐机制主要有以下三种:1、耐受渗透胁迫。渗透胁迫能够立即抑制根尖和幼叶细胞的伸长,并导致气孔关闭[3]。2、叶片外排Na+。Na+的毒害效应一般在处理数天或数周后才会体现出来,之后诱导成熟叶片死亡[2]。3、组织耐受性的增强,如某些组织具备较强的耐受Na+或Cl-的能力[5]。除以上研究较多的组织耐受机制外,植物可能还存在其他一些与Na+外排无关的耐盐机制。例如,作物能够耐受细胞内高Na+浓度的基因型,同样表现出对渗透胁迫有更强的耐受力;相对于细胞质中的Na+来说,K+可能是一种有助于提高植物耐盐能力的离子[6]。Shabala等对大麦的研究发现,其耐盐能力与Na+激活的K+外流成负相关[4]。这种表型可能与根中K+状态有关[2]。但是,叶片K+浓度与植物耐盐能力

之间的确切联系目前并不清楚。目前为止,许多研究都就Na+和Cl-毒害作用的高低做了深入分析。研究Na+和Cl-毒害作用最确凿的证据是通过遗传学分析得到[5]。通过植物内在的耐盐机制,作物耐盐表现可以分为以下几种类型:泌盐型、拒盐型、聚盐型、稀盐型、避盐型等。

2、作物耐盐性差异及作物耐盐分子育种

不同作物的耐盐性差异很大,在谷类中水稻对盐最为敏感[7],大麦耐盐性最强,小麦处于中间位置[8]。一些豆类比水稻更敏感,而苜蓿较为耐盐[9]。一些盐生植物,如滨藜能在高于海水盐浓度的环境下生存。许多双子叶盐生植物的最佳生长条件需要高浓度的NaCl（100-200mM）。通过比较盐敏感和盐耐受型植物对盐响应的差异,如拟南芥和盐芥[9],更有利于探索植物耐盐的机制。植物中强耐盐性的有:甜菜、大麦、棉花等;其次是高梁、小麦等;玉米、水稻、花生、大豆等最差[9,10,11]。但同一作物,不同品种耐盐性差异很大,如大豆品种中的文丰7[12]。

由于杂交育种周期长、盲目性大,近年来人们正在利用耐盐性强的细胞或原生质体融合获得新的抗盐植物,或将抗盐基因导入受体细胞。利用现代生物技术手段,通过转基因可以定向地获得耐盐材料[13]。近年来,耐盐有关基因的克隆成为研究热点,例如Strizhov等在拟南芥中克隆At-PSCl、AtP5CSl、AtP5CS2基因[1]。利用gutD和mtlD 基因提高植物耐盐的报道屡见不鲜[13]。近年来有人先后将基因gutD、betA、AtNHX1和DREB1A/CBF3等转入玉米[13],提高了转基因植株的耐盐性。将BADH基因转入小麦中并获得的转基因小麦证明其抗逆性显著提高[8]。大豆、水稻中有关耐盐基因的研究也取得了很好的进展[14,15]。

除了以上分子耐盐方法,也可利用诱变（物理、化学、生物等）方法获得耐盐突变体[16,17,18,19],随着科技的发展,新型的诱变技术不断出现,利用航天诱变研究成为可能,且已获得了耐盐性的材料。

3、展望

盐胁迫使作物品质严重下降[20],盐胁迫条件的优化实验条件可能得出不同的研究结论。盐浓度和处理时间可以影响植物在生理和分子水平发生不同的变化。同样,植物生长状况的差异也对其代谢和基因转录具有很大的影响。另外,蒸腾作用是否存在对植物耐盐的研究也非常重要,例如对HKT基因家族的影响[13]。使用高浓度盐处理敏感型植物,如拟南芥,能够诱导植物衰亡,但低浓度盐处理却不能导致基因表达和代谢发生明显的变化[21]。因此,在特定条件下,探索盐处理的平衡点将非常重要。例如,从农业生产的层面考虑,研究应该集中讨论作物的生长和产量,而非生存率;从生态学的角度出发,植物对极端胁迫的耐受能力通常与多年生植物有关,故而首先考虑植物如何生存。其次,盐胁迫下离子间的相互作用必须考虑。环境中Na+或其他电解液含量的增加会降低溶液中Ca2+的活性。但是,这种效应的原因目前并不清楚。因此,盐处理的同时,需要提供一定的Ca2+,以维持Na+/Ca2+比例[22]。同时,为了考虑pH值的变化,应该添加硅酸盐,如硅酸钠来处理[2]。此外,由于盐胁迫能够诱导渗透胁迫和离子胁迫,在研究盐胁迫信号传导的过程中,必须考虑细胞瞬时收缩和体积恢复的重要性。

综上所述,从生理生化、表型和关键控制基因等多方面深入探索植物耐受盐胁迫的生理和分子遗传学机制,能够极大的促进耐盐作物的应用和开发。

参考文献

[1]A.L A Uchli,U.L U Ttge.Salinity:Environment-plants-molecules[M]:Springer,2002.

[2]王镭,徐德昌,朱延明et al.离子平衡调节基因及其在植物耐盐基因工程中