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随着分子生物学与基因工程技术的日趋成熟和迅猛发展,通过基因工程手段改良作物的耐盐性已受到越来越广泛的关注和重视。
本文拟就植物耐盐生理、盐分胁迫的信号传递机制及耐盐基因的功能与作用进行综述,对进一步推动耐盐植物选育研究,加快盐碱地开发具有重要的意义。
1植物耐盐生理研究
1.1渗透物质调节
在盐渍条件下,植物通过渗透调节来减轻或避免伤害。
目前对植物渗透调节物质中研究较多的是可溶性糖、脯氨酸、甜菜碱、无机离子等。
脯氨酸是渗透胁迫下易于积累的一种氨基酸,且还具有稳定细胞蛋白质结构,防止酶变性失活和保持氮含量的作用[2]。
正常条件下,植物体内脯氨酸含量很低,但遇到盐碱逆境时,植物体内脯氨酸会大量积累[3]。
可溶性糖是耐盐植物的主要渗透调节剂,对细胞膜和原生质胶体有稳定作用,还可以在细胞内无机离子浓度高时起保护酶类的作用[4]。
东方杉、四翅滨藜、紫穗槐等体内脯氨酸含量、可溶性糖含量是随着盐胁迫浓度的增加而增大[5-7],另外,也有人认为脯氨酸积累越多表明这种植物对逆境造成的影响越敏感,其抗逆性反而较弱[8]。
甜菜碱也是一种有机渗透调节物质,当高盐浓度对于酶活性有抑制作用,而甜菜碱却能从代谢中许多重要的酶类在渗透胁迫下保持活性,从而对生物体提供耐盐保护[9]。
Pollard等研究也证实,甜菜碱的积累水平和植物耐盐性存在线性相关[10]。
参与无机渗透调节的离子有Na+、K+、Ca2+、Cl-,不同植物对离子选择吸收不同。
有的植物选择K+而排斥Na+(如很多非盐生植物),有的植物选择Na+而排斥K+,因此有人提出植物受Na+胁迫时,用Na+/K+的比值反映植物耐盐能力[11]。
1.2激素调节
在盐胁迫下,植物体内的内源激素GA、IAA、ABA、CTK、ETH等均发生不同程度的变化,其中ABA是受环境条件影响最大的一种。
在植物受到盐胁迫时,植物体内ABA水平增加,且诱导相应基因表达,使植物对不利环境产生抗性[12]。
不同抗盐性植物,ABA的含量变化范围有很大差异,在同等盐浓度条件下,抗盐性强的植物ABA含量较稳定,因此,可推测在允许的盐胁迫条件下ABA的变化趋势可以作为植物耐盐性选择的指标。
1.3抗氧化酶
植物受盐胁迫时,活性氧产生和抗氧化活性的平衡被打破,导致氧化损伤。
植物在盐胁迫条件下能产生一些清除活性氧的酶类和抗氧化物质。
抗氧化酶主要包括维生素C过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GP)、脱氢维生素C还原酶(DHAR)、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)等[13]。
研究表明,植物体内广泛存在的抗氧化酶系统能有效清除活性氧,降低膜脂过氧化水平,保证细胞正常的生理功能,减轻膜伤害程度,维持其对逆境环境抗性[14]。
1.4光合途径改变
在盐渍胁迫下,植物体内细胞的水势降低,光合作用受阻。
有的植物通过改变光合碳同化途径,即由C3途径变为CAM(景天酸代谢)途径。
CAM植物在夜间开放气孔进行CO2吸收和固定,白天气孔关闭减少水分蒸腾量,故CAM植物具有较大的抗逆能力,更能适合盐渍环境[15]。
Beer认为在高浓度Cl-存在的条件下,其中PEPCase活性在C3途径中会增加,促使植物的C3途径转变为C4或CAM途径,使植物对盐渍环境有更好的适应能力。
整个光合作用途径的改变是一个非常复杂的过程,涉及到的基因很多,通过利用改变植物光合作用途径来提高植物耐盐性的工作也是十分困难的。
1.5蛋白调控
调渗蛋白是在盐胁迫下,植物对渗透压适应过程中所合成的一类蛋白,Singh等在培养烟草细胞在含NaCl的培养基上生长时,首次发现了这种特异蛋白的表达[16]。
有人认为调渗蛋白可能是专门用于显示与耐盐相关的功能,而在进化过程中被保留下来,它是普遍存在于高等植物的一种蛋白。
晚期胚胎富集蛋白(LEA)是种子成熟和发育阶段特异表达的基因,在植物受到干旱、低温和盐渍等环境胁迫后造成脱水的营养组织中表达[17]。
有关LEA的耐盐功能研究,国内外已有许多报道,并已有大量实验证明LEA具有抗盐功能。
水孔蛋白是存在质膜上的一种蛋白。
这种蛋白能在膜上形成通道让水分子通过,阻止某些离子或有机物通过[18]。
植物体细胞膜上存在由蛋白质形成的小孔,增加这些细胞对水分的通透性,实现渗透调节,以增强植物的耐盐能力。
研究表明:
在盐胁迫时,植物通过控制水孔蛋白的活性来抵御逆境,水孔蛋白功能的开放与关闭是通过蛋白磷酸化来控制其构象的变化而实现的,而构象之间的动态平衡则受到由生长调节剂所诱导的某种信号的调节[19]。
2植物耐盐基因研究
植物在受到盐胁迫时会表现出一系列生理生态适应性。
这些适应性反应受环境和激素的诱导以及相关基因的调控。
植物中许多重要功能基因的表达受盐胁迫诱导或抑制,基因表达调控方面的研究备受研究者的关注,已成为近年来植物抗逆研究的热点。
2.1渗透调节物质合成酶基因
在盐胁迫下,植物细胞中会积累一些可溶性小分子有机物质作为渗透调节剂进行渗透调节,以适应外界低水势胁迫。
导入渗透调节物质合成酶基因,使植物在水分胁迫下能合成更多的代谢产物(如脯氨酸、甜菜碱、海藻糖、甘露醇、果聚糖、甘氨酸等),有利于提高植物的渗透调节能力,从而增强植物的耐盐性[20]。
脯氨酸合成酶(P5cs)基因是合成脯氨酸的关键酶。
转P5cs基因的烟草在渗透胁迫下脯氨酸表达量增多,其种子可以在200mmol/LNaCl的培养基中正常生长,说明脯氨酸可以作为植物的渗透调节保护剂提高植物抗性能力[21]。
植物中甜菜碱合成途径的关键酶是胆碱单加氧酶(BADH)[22],研究证实其表达受盐诱导,转基因植物中积累较少的Na+、Cl-和更多的K+,从而提高植株的耐盐性。
目前,已克隆了几种林木的CMO基因和BADH基因,并已在植物中得到表达[23],转基因植物的抗盐性有不同程度的提高。
Garg等在水稻中超量表达细菌海藻糖合成基因,增加了水稻对盐的耐受性:
在100mmol/LNaCl中培养4周,转基因植株的干重是未转基因植物干重的4倍[24]。
甘露醇和山梨醇属于多元醇,亲水能力强,含有多个羟基,能有效地维持细胞膨压,有利于增强植物的耐盐能力[25]。
2.2离子转运相关基因
Na+是盐渍土壤中主要的有害离子,土壤中高浓度的Na+会造成植物体内离子平衡破坏、代谢紊乱,进而导致植株的生长和发育受到影响,甚至死亡。
研究表明,液泡膜中的Na+/H+逆向转运蛋白基因(NHX)可促进Na+在液泡中的区隔效应,跨液泡膜的pH值为其提供能量。
依靠H+-ATPase和H+-PPase产生的质子驱动力介导Na+/H+跨膜运输,分别负责细胞质内的Na+外排和Na+区隔化,可以调节植物的耐盐能力[26]。
在转基因拟南芥和转基因番茄中过量表达AtNHX1,可在液泡膜中积累大量的运输体,并且极大地提高它们的耐盐性[27]。
在盐胁迫时与除了Na+/H+反向转运蛋白参与离子运输外,高亲和K+转运载体(HKT)类蛋白也参与了离子运输[28]。
盐芥中克隆的Na+/K+同向转运蛋白基因(HKT)[29],当植物受到盐胁迫时,由于大量的Na+从根部进入植物体内,使得Na+浓度增高,K+的吸收受到抑制形成低的K+/Na+比,从而对植物造成伤害,而Na+/K+同向转运蛋白(HTK基因家族)具有调节植物体内Na+、K+平衡的作用。
Ca2+/H+反向转运蛋白基因(CAX)是Ca2+/cationantiport-er(CaCA)的家族之一,在植物、真菌、细菌和低等脊椎动物中均有存在。
它是不直接需求三磷酸腺苷(adenosine-triphosphate,ATP)的次级转运器,利用质子驱动力(pmf)来驱动钙离子的运输,对植物体内的离子平衡有着极其重要的作用[30]。
Liu等在碱茅中分离到的PutCAX基因,具有提高酵母对Ca2+或Ba2+抗性的功能,并且首次提出CAX基因具有逆向转运Ba2+的功能。
2.3与细胞排毒、抗氧化防御能力相关的酶基因
在逆境胁迫下,植物体内会产生一系列的解毒剂,以清除体内活性氧,使细胞免受毒害。
其中最明显的是合成与清除活性氧有关的酶类。
现已克隆的编码这些酶的关键基因有:
编码维生素C过氧化物酶(APX)的基因,编码谷胱甘肽转移酶(GST)的基因,编码过氧化氢酶(CAT)的基因,编码过氧化物酶(POD)的基因,编码超氧化物歧化酶(SOD)的基因[31]。
目前,已经从拟南芥、烟草、苜蓿、豌豆等植物中得到了GST、SOD、POD等的基因。
转Zn/Cu-SOD基因烟草在氧化胁迫下较对照植株光合效率明显提高,植株对环境胁迫的抗性相应提高[32]。
另外,植物还可通过直接减少活性氧产生来降低逆境伤害。
乙二醛酶可以消耗脂肪酸,将glyoxalaseI基因转入烟草后,烟草耐盐性得到明显提高[33]。
2.4保护细胞免受胁迫伤害的功能蛋白基因
LEA基因是在种子成熟和发育阶段表达的基因,称为晚期胚胎发生丰富蛋白基因,在种子发育过程中的胚胎晚期引起LEA蛋白高度富集。
在植物受到盐胁迫后造成脱水的营养组织中也有表达[34]。
LEA基因表达与植物的环境胁迫呈正相关。
在胁迫条件下,LEA蛋白对植物细胞起保护作用。
Kim等从PEG处理的辣椒叶中获得了Ca-LEA6基因并将其转人烟草当中,用250mmol/LNaCl进行盐胁迫,通过衡量叶片鲜重、叶绿素含量等主要叶片生理指标显示,CaLEA6蛋白能够保护植株抵抗由脱水和盐胁迫引起的水分亏缺,但对低温胁迫没有显著作用[35]。
DnaK1是从盐藻细菌(aphan-othecehalophytica)中分离出的一种热击蛋白,转DnaK1基因烟草在盐胁迫过程中CO2固定效率显著提高[36]。
钙依赖/钙调素不依赖的蛋白激酶(OsCDPK7)是一种依赖于Ca2+的参与寒冷与盐胁迫的正向调节因子。
Saijo等制备了过量表达OsCDPK7基因的转化体,转化体中加入了花椰菜病毒35S启动子,证实了上述结果[37]。
渗透调节蛋白首次在烟草细胞中发现并命名,此后又陆续从盐适应烟草中分离出不同分子量的特异性盐适应蛋白。
此外,经盐胁迫诱导产生的植物激素也可对烟草耐盐起到促进作用,如ABA、乙烯、茉莉酸等。
ABA不仅可促进烟草细胞中渗透调节蛋白的合成,还可通过诱导耐盐信号传导途径中重要基因的表达增强其耐盐性。
改建乙烯信号也可影响植物对盐胁迫的响应,例如,分别突变乙烯信号途径中的核心组分EIN2和乙烯受体NTHK1都可增加烟草植株的盐敏感性。
这意味着烟草耐盐性可能需要诸如ABA、乙烯等信号的参与。
2.5盐胁迫信号传导基因及表达调节相关基因
近年来,转录因子在调控植物逆境响应方面的作用已得到人们的广泛关注,转入参与胁迫信号传导的基因及编码转录因子的基因,得到的转基因植株也具有高耐盐性。
烟草信号传递途径中存在着一种胁迫信号感应器,一种盐渗透胁迫诱导基因NtC7,其产物为定位于膜上的受体样蛋白,可能参与渗透胁迫信号传递,其过表达使转基因植株叶片增加了渗透调节能力,维持了离子平衡,在耐盐性方面起重要作用[38]。
转录因子在植物渗透胁迫反应中起关键调控作用,它们在转基因植物中的过量表达会激活许多抗逆功能基因同时表达,获得比单独导入某个功能基因更强的抗逆性。
胁迫响应基因的启动子有几个典型的顺式作用元件,如DRE/CRT、ABRE、MYCRS/MYBRS,它们受各种上游转录因子的调控。
在了解顺式作用元件的基础上,借助酵母单杂交的手段即可分离到与其结合的转录因子基因。
现已有很多与DRE相结合的转录因子被分离出来,分别命名为CBF1/DREB1B、CBF2/DREB/C、CBF3/DREB1A。
研究表明,CBF类转录因子受低温诱导,可以提高植物对低温的抗性。
而与其同源的DREB2类转录因子则受高盐、干旱调节,参与植物耐盐的信号传导过程。
将转录因子MsPRP2、SCOF-1、Tsil的基因导入苜蓿、烟草等,也可提高转基因植株对渗透胁迫的抗性[39]。
3结语
植物的耐盐性是一个非常复杂的性状,尽管国内外都进行了许多卓有成效的研究,许多植物耐盐基因先后得到克隆和鉴定,其中一些已被用于转基因研究,并不同程度地使转基因植物的耐盐性得到了提高,从而深化了人们对植物耐盐机理的认识,系统阐明植物耐盐的生理及分子机理。
随着分子生物学理论研究的深入以及试验技术的不断发展,植物耐盐性的研究将会取得更大的进展和突破,将会有越来越多的耐盐基因及信号转导途径被揭示,这对于耐盐农林作物的培育及土壤盐碱化的防治将具有重要意义。
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