植物盐碱胁迫生理及其适应性调控机制的研究进展.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流植物盐碱胁迫生理及其适应性调控机制的研究进展.精品文档.植物盐碱胁迫适应机制研究进展，世界有10以上的陆地面积受盐渍化的影响，中国的盐渍化和次生盐渍化土地也有4 000万hm2以上(赵可夫等，1999) 赵可夫李法曾1999中国盐生植物北京：科学出版社，大面积的盐渍化土地严重制约了农业生产，对其进行改造成为当务之急。实际操作中常采用选育和培育抗盐品种来改良盐碱地，因此对植物抗盐性的研究具有重要意义。研究植物抗盐性的关键是探明植物对盐胁迫的适应机制，为此国内外众多学者做了大量的研究工作，发现植物适应盐胁迫的生理机制主要包括：提高抗氧化酶系统的活性，消除自由基对植物机体的伤害；改变体内各种激素含量；离子选择性吸收；离子区域化；拒盐作用及合成渗透调节物质。1. 抗氧化酶的诱导合成植物生长发育过程中盐碱胁迫环境下植物细胞结构(如：叶绿体、线粒体、过氧化物酶体)中产生的大量活性氧（ROS）会造成叶绿素、膜质、蛋白质和核酸的氧化伤害从而破坏正常的生理代谢(Mittova et a1，2002) Mittova V，Tat M，Volokita M ，et a2002Salt stres induces up-regulation of-an eficient chloroplast an tioxidan t system in the salt-tolerant wi ld tomato species Lycopersion penndlii but not in the cultivated species Physiol Plan t，115：3934O0。为避免ROS的积累，具较强抗盐性的植物体内的抗氧化酶系统在盐胁迫下活性增强，可清除过量ROS。盐胁迫能诱导某些抗氧化酶及其信使RNA的表达，如盐胁迫下甜橙(Citrus sinensis)愈伤组织和叶片中有磷脂脱氢谷胱甘肽过氧化物酶(PHGPX)合成(Stevens et a1，1997)；NaC1浓度为100 mmol·L-1 的环境下，金盏菊(Calendula officinalis)和玉米(Zea mays)叶片中谷胱甘肽还原酶(GR)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性增强(Chaparzadeh et a1，2004；Neto et a1，2006)。Mittova等(2003)在研究番茄类植物叶片细胞线粒体抗氧化酶系统时发现，普通番茄(Lycopersicon esculentum)在NaCI浓度100 mmol·L 条件下，其叶片细胞线粒体内的膜质过氧化反应加强，与对照相比超氧化物歧化酶(SOD)活性降低50 ，APX和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性未发生改变；但抗盐能力较强的潘那利番茄(Lycopersicon penneUii)在相同的盐胁迫下其线粒体中SOD、APX、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)、GPX的活性与对照相比分别增强60 、180、170 、30 和32 ，但GR的活性降低60。盐胁迫使普通番茄叶绿体中过氧化氢(H 0 )的含量增加，膜质氧化反应加强，但在潘那利番茄的叶绿体中情况则相反，这是植物体内抗氧化酶种类及活性的差异所引起的(Mittova et a1，2002)。盐胁迫下抗氧化酶系统活性的提高对植物的抗盐能力具有重要贡献，某些过表达抗氧化酶基因的植物也证明了抗氧化酶在抗盐胁迫中的重要作用。盐胁迫条件下，转基因烟草(Nicotiana tabacum)通过过表达基因 Gls GPX(编码谷胱甘肽s转移酶GST和谷胱甘肽过氧化物酶GPX)，促进植物对ROS的清除，从而增强了其抗盐性(Roxas et a1，2000)；拟南芥(Arabidopsis thaliana)突变体pstl(光合自养抗盐突变体)体内的SOD和APX活性高于野生拟南芥，因而获得较强的抗盐性(Tsugane et a1，1999)。植物激素的诱导合成盐生环境使植物的正常生长发育受阻，但植物在盐胁迫条件下可通过改变体内各种激素的含量来维持其正常发育。随盐浓度的提高，不耐盐甘薯(Ipomoea batatas)品种叶片的生长素(IAA)水平下降的幅度大于中等耐盐和耐盐品种(柯玉琴等，2002)；高盐胁迫下，植物体内脱落酸(ABA)和细胞分裂素(CTK)的含量增加(Mdesuquy，1998；Vaidyanathan et a1，1999)。ABA能诱导植物对盐胁迫、冷害和渗透胁迫等逆境条件产生适应性反应。许多植物在盐胁迫下体内的ABA含量明显上升，但在不同器官上升的程度不同，如相同盐胁迫下玉米根系中ABA的增加量远大于叶片(Jia et a1，2002)。ABA能诱导并增强某些抗氧化酶的活性，绿藻(Chlamydomonas reinhardtii)在盐胁迫下经ABA处理后其体内ROS的含量减少，过氧化氢酶(CAT)和APX的活性显著增强(Yoshida et a1，2004)。研究证明ABA还可以缓解盐胁迫对植物生长和光合作用的抑制(Popova et a1，1995)。近几年从分子水平对ABA参与的各种逆境反应进行了大量探讨，发现ABA可通过调节植物抗盐基因的表达来减轻盐胁迫对植物正常生理活动的破坏。ABA能调节细胞内离子平衡。随ABA含量的升高，拟南芥和玉米根系中K 离子通道活性增强，K Na 比值升高(Roberts et a1，2000)；ABA还促进基因AtNHX1(编码拟南芥液泡膜Na H 逆向运输蛋白)的表达，使Na H 逆向转运蛋白活性增强(Shi et a1，2002b)。利用ABA合成缺陷植物突变体和ABA合成抑制因子证明植物对逆境的适应可通过依赖ABA和不依赖ABA2种主要途径来实现，其中依赖ABA途径又可分为2种，即依赖新蛋白质合成和不依赖新蛋白质合成。在不依赖新蛋白质合成的途径中，ABA对基因的调控主要在转录水平上实现，这些基因的启动子区域都具有ABA的反应因子(ABRE)，在ABRE和相应的转录因子共同作用下引起抗逆基因的表达，如拟南芥中的脱水诱导基因rd29B具有2个ABRE，2种转录因子(AREB1和AREB2)，在ABA调控下，通过磷酸化作用实现基因rd29B的表达(Uno et a1，2000)。在依赖新蛋白质合成的途径中，基因不含反应因子ABRE和其相应的转录因子，因此要先合成和激活这些转录因子，才能实现ABA对基因表达的调控(Bray，2002)。研究还发现某些基因的表达既可通过依赖ABA又可通过不依赖ABA途径来实现，如脱水诱导基因rd29A (Shinozaki etnz，1997)。ABA生物合成途径中几个关键酶对逆境的响应也是ABA调节植物适应逆境的重要影响因素。玉米黄素环氧化酶(ZEP)在拟南芥和烟草中分别由基因ABA1和ABA2编码，其作用是促进玉米黄质和花药黄质向紫黄质转化(Taylor et a1，2000)；9一顺式一环氧类胡萝卜素二氧合酶(NCED)能催化新黄质氧化裂解为黄氧素(Schwartz et a1，1997)；基因ABA3编码的抗坏血酸氧化酶(AAO)对ABA醛最终转化为ABA有重要作用(Bitter et a1，2001)，研究证明盐胁迫能够诱导并促进编码ZEP、NCED和AAO的基因的表达(Seo eta1，2000；Xiong et a1，2002)。2. 离子平衡、离子区域化及拒盐作用盐胁迫条件下，不论是盐生植物还是非盐生植物，细胞质中高浓度的Na 对胞内的生理活动都造成离子毒害。植物细胞通过拒盐作用或对毒害离子进行区域化，并维持适当K 和ca 浓度来保证细胞正常的生理活动，这是植物适应盐胁迫的重要机制之一。离子平衡、区域化和拒盐作用是质膜和液泡膜上无数功能各异的离子通道蛋白、离子转运蛋白和ATPe活性带来的膜电位梯度的结果。2.1盐胁迫下植物对离子选择性吸收植物存在高效的离子运输和选择性吸收机制，植物通过对离子的选择性吸收、外排和离子区域化来维持细胞内生理代谢所要求的动态平衡，使植物不同程度的表现出它们的耐盐性。其简略过程为：Na 通过Na 一K 共转运蛋白等通道大量“涌入”胞质，H 一ATPase，Na H反向转运蛋白被激活，协调工作以驱动Na 外排运入液泡，最终形成胞外、胞质、液泡三者间的离子平衡。Na 是造成植物盐害及产生盐溃化生境的重要离子。K 是植物生长发育所必需的大量元素和重要的渗透调节组分。在正常生理条件下，植物胞质K 浓度相对较高(100150mmol·L )而Na 相对较低(1100mmol·L )，由于2种离子半径和水合能相似，Na 对K 吸收呈现出明显的竞争抑制作用，因此，盐碱化土壤上作物往往受到Na 毒害和K 亏缺的双重伤害，对它们的选择程度的高低就成为影响植物抗盐能力的一个重要因素。植物细胞质中K Na 最小值在1左右，而盐胁迫中K Na 要远低于细胞内数值，因此，保持植物胞质K 浓度，使其高于一特定值，对于植物的生长及耐盐性都是非常必要的。在盐渍化土壤中，许多细胞质酶活性对Na 非常敏感，过高的Na 会对植物造成伤害。研究表明，植物的K 、Na 的选择性与抗盐性之间存在一定关系，如具有较高K Na 选择性的普通小麦的抗盐性高于K Na 选择性较低的硬粒小麦。因此，在渗透胁迫下提高编码高亲和性K 运输系统和K 通道基因的表达量，增加细胞内K 的含量，把过多的盐分排出细胞外，将会提高植物的耐盐能力。跨膜电化学梯度的重建盐胁迫导致Na 大量涌入胞内，破坏了原有的跨膜电化学梯度，而K 等营养物质向胞质中被动运输和Na 向液泡内转运“仓储”都必须依赖H 跨膜电化学梯度提供动力，因此重建跨膜电化学势梯度是细胞存活的必要条件 。细胞膜H 一ATPase与液泡膜上H 一ATPase和H 一ppase主要负责建立和维持胞质(一120200mV)和液泡(+50 mV)的跨膜电化学势梯度，从而驱动各种溶质的次级转运。Na H 逆向转运蛋白植物外排Na 和液泡区隔化Na 来减少Na 的毒害，这一过程由Na H 逆向转运蛋白来完成“ 。首次发现是在大麦质膜上(Ratnor and Jacoby，1976)，此后植物Na H 逆向转运蛋白在质膜和液泡膜上均有报道。Na H 逆向转运蛋白依靠H 一ATP或H 一ppase产生的质子驱动力运输Na 。Na H逆向转运蛋白催化Na H 跨膜运输，调节细胞内pH、细胞体积以及Na 浓度，对植物耐盐性起重要作用。在盐胁迫下 13,14，Na H 逆向转运蛋白活性增加，增强了转运Na 能力，在质子泵提供能量下，该蛋白将Na要么区隔化进入液泡中，要么排到植物体外，从而降低细胞质中Na 的浓度，使过多的Na 离开代谢位点，减轻其对酶和膜系统的伤害，特别是Na 的区隔化还可降低细胞水势，抵抗盐分造成的渗透胁迫。拒盐作用盐分靠蒸腾拉力由质外体向上运输，经内皮层时原生质膜、细胞的液泡膜以及木质部薄壁组织细胞的原生质膜对离子进行选择性吸收，以及根部的双层或三层皮层结构拒绝过量吸收有害离子的特性被称为拒盐。植物的拒盐机制涉及以下方式：1)作物不将Na 吸入根细胞内，即使进入细胞又通过Na H 逆向转运蛋白排出；2)作物把吸收的Na 贮存于根、茎基部、节、叶鞘等薄壁细胞发达器官组织中，而且将Na 封闭在这些细胞的中央液泡中，从而阻止Na 向叶片中运输(王宝山等，1997)。植物对K 和Na 的选择性与拒盐作用密切相关，一些植物通过限制Na 进入地上部分来获得抗盐性，如盐胁迫下小麦(Triticum aestivum)抗盐突变体根中累积的Na 占整株积累总量的比例相对于不抗盐野生型小麦显著提高，从而有效减少其叶中Na 的积累量，且突变体根和叶中K Na 的比率也显著高于野生型(郭房庆等，1999)。特别是非盐生植物，其抗盐性主要取决于根系对离子的选择性吸收和盐分在器官组织及细胞水平上的区域化分布。随盐浓度的提高，毛白杨(Populus tomentosa)、新疆杨(Populus bolleana)及其杂交无性系苗体内Na 含量迅速提高，K 、ca2 含量降低；就离子在植物体内的分布而言，Na 含量在根部较高，在叶片中最低，K 、ca2 含量则相反，特别是Ca2， 其分布顺序为叶>茎>根(杨敏生等，2003)。但植物仅靠拒盐不能获得显著的抗盐性，K Na 交换对滨藜属(A z )等盐生植物抗盐性的意义不大，因为其地上部分含有大量的Na ，但仍能在Na 存在的条件下有良好的生长表现(杨劲松等，2002)。Ca2 在盐胁迫中的作用众多无机离子中ca2 具有极其特殊的作用，它不仅作为细胞的结构物质，而且作为第二信使，调节植物对环境变化的响应过程。试验证明适量的ca2 可增强植物的抗盐能力，如经硝酸钙处理，中度盐胁迫下的木麻黄(Casuarina equisetifolia)扦插苗脯氨酸含量增加、丙二醛(MDA)含量降低、抗氧化酶系统对活性氧的清除作用增强(梁洁等，2004)；盐胁迫条件下向玉米外施28 mmol·L ca2 能降低盐胁迫造成的气孔导度下降，改善光合作用，促进梅勒(Mehler)反应(张乃华等，2005)。Ca2 增强植物的抗盐能力主要与其作为第二信使影响膜上ATPase、植物体内K Na 的比率，诱导抗盐物质生成及体内离子的运输、亚细胞分隔有关(Zhu，2003)。然而细胞质中高浓度的游离ca2 会砖植物生长造成不利影响，为使细胞质中游离ca2 浓度既能响应环境变化而迅速升高，又能维持基态条件下的低浓度，细胞建立精细的调节机制，这些机制主要有离子通道、ca2 H 交换体、CaATPase和ca结合蛋白等(Sander et a1，2002；Trewavas，1999)。渗透调节渗透胁迫是盐胁迫对植物造成伤害的重要原因之一。为了避免渗透胁迫，植物细胞通过渗透调节来降低胞内水势，保持胞内水分，从而保证植物细胞的正常生理活动。参与渗透调节的物质被称为渗透调节剂，主要包括无机离子，如Na 、K 、C1一；有机小分子，如多元醇、糖类、氨基酸及其衍生物等两大类。两类渗透调节剂在植物体内所起的作用不同，虽然两类物质在细胞质和液泡中都有分布，但细胞质中无机离子的含量比液泡中低得多，有机小分子比液泡中高得多。原因是无机离子进入细胞后，在离子区域化的作用下大多转运入液泡，降低了液泡水势，而细胞质中就必须合成有机小分子来平衡细胞质内外的水势。有机小分子和无机离子对渗透调节的贡献也不相同，如芦苇(Phragmites communis)随生境盐度的增大，其有机渗调剂贡献逐渐降低，无机渗调剂的贡献则逐渐升高(赵可夫等，1998)。盐生植物多以无机离子作为主要渗透调节剂，而非盐生植物则以有机小分子为主。甜菜碱和脯氨酸是2种重要的渗透调节物质。甜菜碱具有维持细胞与外界环境的渗透平衡，稳定生物大分子的结构和功能，解除高盐浓度对酶活性伤害的作用。盐胁迫条件下植物体内积累大量的甜菜碱，如Khan等(2000)发现在盐胁迫下，弯角梭梭(Haloxylon recurvum)中甜菜碱含量增加，但地上部分和根系中的增加量有显著差异；Kishitani等(2000)研究发现转基因水稻在甜菜碱过量生成条件下可减少细胞内Na 的积累并促进K 的吸收。乙酰胆碱氧化合成甜菜碱醛是甜菜碱生物合成的主要途径，将大肠杆菌中编码胆碱脱氢酶的基因(Escherichia coli betA)转入烟草后，烟草获得较强抗盐性(Lilius et a1，1996)；同样含有基因codA(编码胆碱加氧酶)的转基因拟南芥体内甜菜碱含量增加，使其种子能在300 mmol·L 的NaCl浓度下正常发芽(Hayashi et a1，1997)；转基因水稻中，基因codA编码的胆碱加氧酶定位在叶绿体中比定位在细胞质中更能提高其抗盐性，说明叶绿体中的甜菜碱能更有效减轻盐胁迫对光合系统的破坏(Sakamoto et a1，1998)。含基因BADH(编码甜菜碱醛脱氢酶)的转基因烟草的细胞质和叶绿体中同样积累大量的甜菜碱，其抗盐能力得以提高(Holmstrom et a1，2000)。脯氨酸是另一种含氮渗透调节物质，植物在盐胁迫下大量积累脯氨酸，如非泌盐植物小花鬼针草(Bidens parviflom)和泌盐红树植物桐花树(Aegiceras corniculatum)的叶中脯氨酸含量在盐胁迫下显著提高(Pafida et a1，2002)；药用十字花(Pringlea antiscorbutica)的根、茎、叶中也积累了大量脯氨酸，其细胞质中脯氨酸的浓度是液泡中的23倍(Aubea et a1，1999)。转基因植物中过量脯氨酸的生成可提高植物的抗盐性。 一吡咯啉一5一羧酸合酶(P5CS)是脯氨酸合成途径中的限速酶，转基因水稻通过过表达基因p5cs(编码P5CS)获得显著抗盐性，使其幼苗在NaCl浓度为200 mmol·LI1的环境中正常生长(Su et a1，2004)；脯氨酸脱氢酶(ProDH)促进脯氨酸的降解，在拟南芥中抑制ProDH的合成使其抗盐性提高(Na|1io et a1，1999)。大多数试验认为脯氨酸的积累是植物抵御盐胁迫的一种保护性措施，但也有人认为脯氨酸的积累是植物受到盐害的结果(Soussi et a1，1998)，因此脯氨酸如何对植物的抗盐性起作用有待于进一步的研究。展望：植物抗盐性是多基因控制的极为复杂的反应过程，涉及植物器官、组织、细胞、细胞器直至分子，既有蛋白质、核酸、碳水化合物等结构和能量物质的代谢，还有激素合成、抗氧化酶活化、离子调控与区域化、渗透调节物质合成及基因表达。目前对植物抗盐性的研究取得了一定的进展，但由于植物抗盐机制的复杂性，仍存在重要问题有待解决，尤其是在分子水平上，盐胁迫信号元件的分子特性未了解清楚；液泡膜转运蛋白及质子泵的功能研究有待深入；抗盐基因工程的大多数研究都集中在单个功能基因的克隆和遗传转化方面，基因转化的受体多为模式植物和农作物，且基因转化的植株抗盐性提高有限，离生产应用仍有距离。并且由于自然界中植物种类多，种间差异大，还未有统一的机制能解释所有植物对盐胁迫的适应性。因此要以现有研究为基础，进一步利用分子生物学研究技术、基因工程技术和突变体筛选加强抗盐机制的研究，只有这样才能根本解决植物抗盐性问题，从而为抗盐植物的育种和培育提供更多有效依据。