杜氏鹽藻耐鹽基因的經濟開發利用

王任

摘 要：鹽藻是一種生存于極端環境下的無細胞壁的單細胞真核綠藻，開發和利用鹽藻的耐鹽基因資源對于提高農作物的抗鹽能力也具有重要意義。本文概述了植物細胞耐受鹽脅迫機制，耐鹽相關基因應用于作物品種改良和鹽堿地利用的經濟開發價值。

關鍵詞：鹽藻 耐鹽機制 基因工程

鹽藻是一種生存于極端環境下的無細胞壁的單細胞真核綠藻，可以在從0.05mol/L到飽和 NaCl的培養液中生存，是迄今發現已知的最耐鹽的真核生物之一；鹽藻還具有非常強的滲透調節能力，它一次最大可以耐受3～4倍的滲透壓的變化；如果通過梯度改變滲透壓，鹽藻可以耐受7倍以上的滲透壓的變化。此外鹽藻對極端溫度、pH、重金屬等環境脅迫也都具有很高的耐受性。極強的耐鹽能力及簡單的細胞結構以及便利的培養條件使鹽藻成為研究植物適應鹽脅迫的分子機制的重要模式生物。同時，開發和利用鹽藻的耐鹽基因資源對于提高農作物的抗鹽能力也具有重要意義。

在自然環境中，植物常常會遭遇不利環境如鹽漬、干旱、澇、冷、凍、高溫和強光照等，這些統稱為非生物脅迫。非生物脅迫是制約植物生長發育、影響作物產量和質量的重要環境因素。鹽脅迫是自然界中主要的非生物脅迫之一。在全世界范圍內，存在著嚴重的土壤鹽堿化現象，當今全球大約有8億公頃土地存在不同程度的鹽漬化。我國有3億多畝鹽漬化土地，其面積相當于全國可耕地面積的25%。土壤鹽堿化和次生鹽堿化嚴重阻礙了農作物的生長，降低了農作物的產量，已經成為制約世界灌溉農業可持續發展和影響生態環境的重要因素。[1]

隨著人口增加、耕地減少以及水資源的匱乏，提高水資源利用效率、充分開發和利用鹽堿地有著極其重要的現實意義。鹽堿地改良是世界性的難題，由于傳統措施投資大、效益低，迫使人們考慮采用其它措施來改良利用鹽堿土壤。經過數十年實踐，人們越來越重視采用生物學措施和工程措施相結合的途徑改良鹽堿地。提高植物耐鹽堿的能力以及選擇和培育適宜在鹽堿地上生長并具有較高經濟和生態價值的植物種或品系，是開發利用鹽堿地資源最根本、最經濟、最有效的途徑。隨著植物基因工程的發展以及大量耐鹽基因的鑒定和克隆，利用基因工程方法培育耐鹽作物新品種已成為開發利用鹽堿地的重要手段。

作物逆境耐性相關基因的克隆及其耐逆機制，是目前全球作物遺傳育種和分子生物學研究的熱點，是取得具有自主性知識產權的功能基因并進而領先應用于遺傳育種、成功地進行作物品種改良的關鍵所在。而現在可以有效應用于植物耐鹽基因工程育種的基因資源大多受到專利保護和限制，因此，發掘新的具有自主知識產權的基因資源成為我國植物基因工程研究的當務之急。

鹽脅迫對植物造成的傷害主要有兩方面的原因：一是由鹽脅迫引起的生理干旱，在鹽脅迫條件下，細胞內的滲透勢小于土壤溶液的滲透壓，植物根系不能吸水，導致植物生長緩慢，甚至缺水干死；二是鹽脅迫造成的離子毒害，外界鹽離子的大量進入，破壞了細胞中原有的離子平衡，進而影響細胞的正常代謝。此外，在鹽脅迫條件下，細胞內會產生氧自由基、過氧化氫和羥基自由基等多種形式的活性氧，導致氧化脅迫的產生。

植物在長期的進化過程當中，針對鹽脅迫產生了一整套的應答機制。揭示植物鹽脅迫應答分子機理是人們長期以來探索的重大課題。為了生存，植物在遇到鹽脅迫時激活脅迫應答機制，在形態和代謝上進行調整，建立新的平衡，保護和修復受損的蛋白質和膜結構以適應或忍耐環境脅迫。鹽脅迫激活植物脅迫應答的細胞信號通路，引起細胞應答如積累大量的滲透保護物質、維持細胞內離子動態平衡、修復被破壞的蛋白和膜系統、清除活性氧自由基等。許多植物耐鹽相關基因已相繼被克隆，其中部分基因與植物耐鹽性狀的關系也得到確認。這些基因有：（1）信號轉導和轉錄調控基因，如磷脂酶基因和一些轉錄因子基因；（2）直接參與保護和修復膜和蛋白的基因，如熱休克蛋白（Hsps）和分子伴侶基因、胚胎發育后期豐富蛋白、滲透保護物質合成酶基因和細胞抗氧化及活性氧清除相關基因等；（3）水分與離子吸收與轉運基因，如水通道蛋白基因和離子轉運體基因等。在上述基因中，后兩類基因編碼的蛋白直接參與植物對逆境脅迫的應答反應，其中滲透物質（相容性溶質）合成酶基因、細胞抗氧化及活性氧清除相關基因以及水分與離子吸收與轉運基因具有非常重要的作用，它們是植物對鹽脅迫耐受性的主要分子基礎。

根據植物耐鹽能力的不同，可將植物分成非鹽生和鹽生植物兩類。鹽生植物是在鹽漬環境下自然生長的植物區系，其形態結構、生理功能及生態特征表現出對鹽漬生境的高度適應。目前人們通過對擬南芥等模式植物的研究，在植物耐鹽方面取得了巨大的研究成果，但是，以非鹽生植物作為研究的模式植物，不可能完全揭示植物的耐鹽機制。鹽生模式植物（如鹽藻、鹽芥等）正受到世界范圍內學者們的的關注。

鹽藻響應鹽脅迫機制相當復雜，它也具有信號傳導、滲透調節和離子平衡等多種耐鹽機制，但是鹽藻的這些耐鹽機制與高等植物相比具有其獨特的特點。例如鹽藻在遭受滲透脅迫時，鹽藻細胞通過甘油合成與轉化來調節滲透壓，但鹽藻的甘油合成是如何啟動的還不清楚；在經受高鹽震蕩后，Na+會大量涌入鹽藻細胞，但是使鹽藻細胞內Na+濃度保持不變的Na+外排的機制還不是很清楚，與鹽藻Na+外排相關的基因還沒有被分離到；此外，鹽藻細胞在質膜內外存在如此高的Na+電化學勢的情況下，如何從外界吸收營養離子也尚待進一步研究。[2]

目前鹽藻抗鹽機制的研究存在的主要問題是：鹽藻中究竟存在多少特異鹽脅迫耐性基因？這些耐鹽基因的表達與作用機理如何？鹽藻耐鹽基因在作物耐鹽性狀的遺傳改良上的可利用性及應用價值如何？要弄清楚鹽藻的抗鹽機制，需要我們進一步開展功能基因組學、比較基因組學、蛋白質組學、代謝組學、基因芯片技術及生物信息學等手段對鹽藻從整體上進行系統生物學的研究。利用現代生物技術系統地對鹽藻鹽脅迫耐性相關基因進行鑒定，篩選出鹽脅迫耐性基因，進行相關基因的克隆和功能研究，研究鹽藻耐鹽機制，無論對于鹽藻基礎科學研究，還是對于作物基因工程育種均具有重要的意義。這些研究成果對于深入了解鹽藻耐鹽機制、利用價值與應用途徑，對提升我國鹽藻研究水平及其在國際鹽藻學術界的地位也具有重要作用。我們相信，隨著參與鹽脅迫響應的所有基因的功能得到鑒定，人們就可以綜合地理解植物細胞響應鹽脅迫的生理和生化的機制，并可以進一步通過轉基因手段驗證可用于高等植物尤其是作物耐鹽的基因，應用于作物品種改良和鹽堿地利用。

參考文獻：

[1] 趙可夫，馮立田.中國鹽生植物資源[M]. 北京： 科學出版社，2001

[2]牛向麗，杜氏鹽藻生物學特征及其表達載體的構建，鄭州大學碩士論文，2003endprint