鹽脅迫下植物Na+調節機制的研究進展

李曉院 解莉楠

（東北林業大學生命科學學院，哈爾濱 150040）

全世界超過8×108hm2的土地受到土壤鹽漬化的影響，并且這一問題仍在持續惡化［1］。土壤鹽漬化嚴重影響種子萌發、作物生長和生產力，是限制全球農業生產的一個主要因素。

土壤環境中高濃度的可溶性鹽會降低植物根系表面的水勢，影響根部對水分的吸收，降低植物水分利用效率，進而對植物產生滲透脅迫、離子脅迫及氧化脅迫等［2］。NaCl是自然界中最主要的鹽，也是引起鹽脅迫的主要成分。高鹽環境下，植物胞質中大量積累的Na+會打破細胞的Na+/K+平衡，降低植物細胞維持內外離子動態平衡的能力進而阻礙對其他離子（如K+）的吸收，最終影響植物的初級代謝和次級代謝［3］。為適應高鹽環境，植物通過對Na+外排或區隔化以降低細胞內的Na+濃度，進而建立新的離子穩態。

探究鹽脅迫下植物維持Na+動態平衡的分子機制將有助于解析植物耐鹽性分子機理。近年來，利用分子遺傳學、基因組學等技術手段，在植物維持Na+動態平衡的分子調節機制方面取得了諸多重要進展［4］，但仍有許多關鍵問題尚不清楚。本文主要綜述了鹽脅迫下植物Na+吸收與轉運的動態平衡機制的研究進展，以期為培育及開發耐鹽作物新品種并合理利用改良后鹽堿地資源奠定理論基礎。

1 植物對鹽脅迫信號的感知

土壤中高濃度的Na+和Cl+會引發植物產生離子脅迫、高滲脅迫以及氧化損傷等次級脅迫［5］，植物體內的葉綠素酶被激活，加速了葉綠素分解，造成植物光合速率下降，植物不能獲取足夠的物質和能量使生長受到抑制［6］，因而植物會通過表型、代謝、生理性狀和基因表達等諸多方面的調節以應對鹽脅迫。Essah等［7］研究發現經NaCl溶液處理擬南芥2 min后，根組織內便積累了大量Na+，而Bose等［8］發現經NaCl溶液處理擬南芥10 min后，其根部積累的Na+便開始外排。

脅迫條件下，感知鹽信號是啟動細胞離子穩態重建的先決條件。生物體可以通過感受器或受體以感受胞質中鈉離子水平的增加。鈣調磷酸酶途徑［9］在酵母（Saccharomyces cerevisiae）對Na+脅迫信號的感受中發揮著重要作用。在該途徑中，高濃度Na+會引起胞質中Ca2+與鈣調蛋白和鈣調磷酸酶B亞基（B subunit of calcineurin，CnB）的結合，Ca2+-鈣調蛋白和Ca2+-CnB進而激活鈣調磷酸酶（Calcineurin）的催化亞基CnA。活化的鈣調磷酸酶去磷酸化鋅指轉錄因子CRZ1，并轉位到細胞核中，進而激活ENA1和其他目的基因的表達［4］。ENA1編碼Na+-ATPase，將過多的Na+泵出細胞，維持細胞內的離子動態平衡。據推測，植物細胞可能是通過感受器或受體來感知胞質中鈉離子的水平。盡管類鈣調磷酸酶（CBL）已經被廣泛地用來指代植物EF鈣結合蛋白家族，但是，植物基因組并不編碼任何鈣調磷酸酶蛋白［10］。人們至今也未從植物中鑒定出Na+的感受器或受體。因此，目前植物細胞如何感受Na+的機制仍不清楚。

2 Na+調節機制

高鹽環境下，為降低細胞內Na+的大量積累，植物通過限制Na+攝取、增加Na+外排和對細胞內Na+的區隔等策略以降低細胞質中Na+濃度，維持相對較高的K+/Na+比，進而保證植物的正常生命活動［11］。在這些過程中起關鍵作用的是質膜Na+/H+逆轉運蛋白（Plasma membrane Na+/H+antiporter）、高親和性K+轉運蛋白（High-affinity K+channel transporter 1，HKT1）和液泡膜 Na+（K+）/H+逆轉運蛋白（Na+/H+exchanger，NHX）。SOS1主要在植物質膜上起調控作用，以質膜上質子H+梯度為驅動力，促使H+順化學勢進入胞內，Na+逆化學勢排出胞外，以減輕Na+的毒害，是植物響應鹽脅迫的重要機制［12］。植物的根和地上部均存在大量的鉀轉運載體和通道蛋白，它們大多定位在質膜和液泡膜，從而保證植物從土壤中吸收K+，并利于在不同組織間的分配，使植物在細胞及整體水平上均能維持高的K+/Na+比率。其中，植物陽離子載體——HKT家族，在Na+、K+均衡過程中發揮重要作用。NHX主要在液泡膜上起作用，以液泡膜上H+-ATPase和H+-PPiase 兩種質子泵產生的跨膜質子梯度為驅動力，將細胞質中的Na+區隔在液泡，從而降低鹽脅迫的損傷［13-14］。

2.1 Na+的吸收與轉運

鹽超敏感（Salt overly sensitive，SOS）途徑特異性調控離子動態平衡，是目前研究最清楚的植物應答鹽脅迫信號轉導途徑之一［5］。植物受到高濃度Na+脅迫時，植物運用SOS途徑的鈣依賴蛋白激酶途徑介導鹽脅迫信號，通過外排Na+來增強對鹽脅迫的耐受性。SOS途徑中的3個核心成員為SOS1、SOS2和SOS3，分別為質膜Na+/H+逆轉運蛋白，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（Serine/threonine protein kinase）和Ca2+感知蛋白。植物受到鹽脅迫時，鈣結合蛋白SOS3和SCaBP8/CBL10（SOS3-LIKE CALCIUM BINDING PROTEIN8/CALCINEURIN B-LIKE PROTEIN10）首先感知 Ca2+的增加［16-19］。隨后SOS3/SCaBP8和SOS2結合將SOS2激酶磷酸化［18，20-21］，磷酸化的SOS2激酶可激活質膜上的SOS1蛋白，將細胞質中多余的Na+排出細胞外，進而維持細胞質中Na+的動態平衡［20，22-23］。正常條件下（無鹽脅迫），14-3-3和GI（GIGANTEA）作為負調節蛋白與SOS2結合抑制SOS途徑的激酶活性，以確保SOS2處于非激活狀態［24］。此外，SOS2與磷酸酶2C類的蛋白磷酸酶ABI2相互作用，也使SOS2處于非激活狀態［25］。鹽脅迫下，14-3-3蛋白和GI蛋白通過26S蛋白酶體途徑降解［26-27］，PKS5活性受到抑制進而激活質膜H+-ATP 酶的活性，使SOS途徑激活［28-29］。

SOS1（圖1）蛋白是SOS途徑中將Na+從胞質運輸到胞外的關鍵蛋白。擬南芥AtSOS1蛋白的N端是高度疏水區，含有12個跨膜區，與細菌及一些真核生物的Na+/H+逆轉運蛋白同源性較高。C端是親水性區域，約含有700個氨基酸，SOS1也成為目前已知的最長的Na+/H+逆轉運蛋白，SOS1蛋白N端的跨膜區和C端位于細胞質中的長鏈尾巴共同構成了一個同源二聚體結構。SOS1蛋白的跨膜結構域與胞質結構域相互作用來抑制其轉運活性（圖2）［30-31］。無鹽脅迫時，AtSOS1的C末端自抑制域（Autoinhibitory domains）與相鄰的激活域相互結合，AtSOS1蛋白保持休眠狀態［32］。在鹽脅迫下，AtSOS1蛋白C末端自抑制域的1 138位絲氨酸磷酸化，Na+/H+逆轉運蛋白的自抑制域被解除，轉為活化狀態，4個結構域的單體產物形成二聚體，能把細胞內過多的Na+排出細胞外，從而減少Na+對細胞的危害，使植物表現出較高的耐鹽性［30，32］。

圖1 植物細胞中SOS途徑示意圖［15］

擬南芥AtSOS1在根尖表皮和木質部薄壁細胞膜中表達，AtSOS1蛋白通過將Na+泵出根細胞的方式以減少共質體途徑運輸至維管束的Na+含量［33］。將番茄SOS1完全沉默，植物則表現出根部和葉片中高Na+含量的鹽敏感表型，而特異性沉默莖部維管束中SISOS1，則表現低Na+含量的耐鹽表型，表明SISOS1蛋白主要在番茄根細胞將Na+排出［34］。SOS1蛋白通過調節甜土植物和鹽生植物木質部Na+的裝載以緩解植物受高鹽環境影響［35］。例如，在蓮子根細胞中通過增強SOS1的表達將Na+由木質部轉運至地上部分以緩解鹽分脅迫［36］。

圖2 擬南芥AtSOS1功能域及激活機制［17-18］

SOS1蛋白在木質部薄壁細胞膜上表達具有調控木質部汁液Na+含量的功能。在中度鹽脅迫（如25 mmol/L NaCl）條件下，擬南芥AtSOS1蛋白具有裝載Na+至木質部向上運輸的功能，在重度鹽脅迫（如100 mmol/L NaCl）條件下，在根部及地上部維管束薄壁細胞膜上表達的SOS1蛋白限制Na+裝載入木質部，避免地上部Na+含量升高［34］。小花堿茅Pt SOS1蛋白也具有控制木質部汁液Na+含量的功能［37］。

HKT1（High-affinity K+channel transporter）蛋白是另一個重要的離子轉運蛋白。其功能包括介導植株跨細胞膜的Na+、K+轉運或K+-Na+共轉運；參與植物韌皮部Na+的外排和木質部Na+的卸載，阻止過度的Na+轉運到幼葉，同時積累更多的K+離子，保持植物體內的Na+和K+穩態平衡，從而賦予植物鹽耐受性［38-39］。基于對擬南芥AtHKT1蛋白結構分析，該蛋白含有8個跨膜結構域，中間是4個孔狀區域［40］，組成4個高度保守的重復跨膜結構域跨膜-環 -跨 膜（Membrane -pore-membrane motif，MPM）結構，每個MPM結構包括2個跨膜螺旋M1、M2及中間1個P環，其N末端135-142殘基區域、C末端377-384殘基區域均位于細胞質一側，而55-62殘基區域暴露在膜外側（圖3）。

圖3 HKT1結構示意圖［40］

HKT1蛋白因其結構的差異，功能也有不同，可將HKT1蛋白分為2個亞類：第一類HKT1蛋白在第一個環狀區域的位置有一個絲氨酸殘基，另外3個環狀區域的位置是甘氨酸殘基，構成Ser-Gly-Gly-Gly（SGGG）類型［41］，該類型是 Na+特異性載體，主要作用是高度選擇性轉運Na+，對調節植物中Na+動態平衡具有重要作用［42］。第二類HKT1蛋白在第一個孔狀區域的位置由甘氨酸殘基替換絲氨酸殘基，另外3個孔狀區域的位置仍是甘氨酸殘基，構成Gly-Gly-Gly-Gly（GGGG）類型［41］，這類 HKT1蛋白不僅是Na+- K+共轉運載體。例如，水稻亞家族2成員OsHKT2；1與OsHKT2；2的氨基酸序列同源性比對高達91%，OsHKT2；1是Na+轉運蛋白，Os HKT2；2則是K+/Na+協同轉運蛋白［43］，這是因為在功能區域OsHKT2；1是Ser殘基，而OsHKT2；2是 Gly 殘基［44］。

植物維管束鞘組織內分布的HKT轉運蛋白對Na+具有高度的選擇性，可將已進入木質部的Na+卸載在維管束薄壁細胞中，減少木質部汁液中Na+含量，從而降低鈉離子的向上運輸，提高植物耐鹽性［45］。AtHKT1；1在植物的根部和葉的木質部薄壁細胞中表達將Na+從根的木質部細胞卸載，控制Na+從根部向地上部分的轉運［46］。在鹽脅迫下，大麥HKT1；5通過卸載根部和葉鞘木質部Na+來減少Na+向地上部葉片運輸，提高大麥的耐鹽性［47］。Hamamoto 等［40］、Garriga 等［41］和 Zhang 等［42］證明小麥、擬南芥、玉米等植物中的HKT1類離子轉運蛋白能夠將木質部維管束中的Na+轉運到其他部位來增加植物耐鹽性。植物通過排鈉機制，即控制木質部汁液中鈉離子向上運輸，維持地上部較高K+/Na+比值來緩解鹽脅迫對植物的危害。此外，植物將吸收的Na+通過木質部運輸至地上葉片等組織中，也有證據表明一部分Na+分泌到韌皮部中再運回根中，最后分泌到環境中［48］。鹽脅迫下，擬南芥tus-1突變體中At HKT1；1在莖部起主要調節作用，通過回流莖部木質部汁液減少Na+向花器官運輸，即通過降低花器官Na+含量來提高植株的耐鹽性［49］。

2.2 Na+的區隔化

植物將Na+區隔化入特定組織細胞的液泡或囊泡內，可以降低離子毒害，該過程主要由液泡膜上的Na+/H+逆轉運體（Na+/H+exchanger，NHX）的跨膜轉運實現。地上部葉片表皮細胞或維管束細胞內有液泡，植物利用液泡膜上H+-ATPase和焦磷酸酶產生的質子梯度，驅動Na+/H+逆向轉運蛋白，將Na+泵到液泡內貯藏，減輕Na+對胞質酶的傷害，以確保胞質生理功能［50］。植物（Na+、K+/H+）逆轉運體（Antiporter NHX）利用質子泵產生的H+電化學梯度進行離子交換，根據其亞細胞分布分為質膜NHX（Plasma membrane NHX）、液泡NHX（Vacuolar NHX） 和 內 膜 NHX（Endosomal NHX）。 液 泡 膜Na+/H+逆向轉運蛋白廣泛存在于植物界中，從藻類到開花植物中都被證實有該蛋白的存在［38-39］。在植物的整個生活史中，該蛋白扮演著非常重要的角色。在鹽脅迫下，液泡膜Na+/H+逆向轉運蛋白參與細胞質Na+濃度和pH的調節，將Na+和K+區隔化入液泡，在植物鹽脅迫響應中起到關鍵作用［51-53］。

在高鹽環境下，Na+進入細胞后，液泡膜上的NHX類Na+/H+逆向轉運蛋白開始工作。Na+/H+逆向轉運蛋白是一種跨膜蛋白（圖4）。AtNHX1蛋白N-端位于細胞質，C-端位于液泡內，含有9個跨膜結構域（Transmembrane domains TM），3個疏水結構域（TM3，TM5，TM6），將細胞質中多余的Na+區域化到液泡中，降低胞質Na+濃度，緩解植物對鹽脅迫壓力［55］。該過程所需的能量主要由液泡膜的H+-異位酶、H+-ATP酶（H+-ATPase）和H+-焦磷酸酶（H+-PPiase）產生的質子驅動力提供。H+-ATP酶和H+-焦磷酸酶產生的質子梯度，將H+運輸到細胞質，產生H+電化學梯度驅動液泡膜上的Na+/H+逆向轉運蛋白活性使Na+跨膜運輸，實現Na+區域化以此提高植物耐鹽性［56］。

圖4 NHX1結構示意圖［54］

研究表明，過表達NHX逆向轉運蛋白可以提高植物耐鹽性。200 mmol/L NaCl脅迫下，番茄和油菜AtNHX1蛋白過表達植株，仍能正常生長和結實［14］。過表達GmNHX1的百脈根在鹽脅迫條件下，再生能力、光合作用及存活時間明顯高于對照組，耐鹽性提高［57］。He等［58］將AtNHX1轉入棉花，在溫室200 mmol/L NaCl脅迫下轉基因植株產量提高，棉纖維含量增多，光合作用增強，氮的同化速率增高。也有研究表明，鹽脅迫下，植物可以將體內積累的Na+運輸到液泡內，避免Na+對植物的傷害［59］。鹽脅迫下根系伸長區中的Na+被區隔化到液泡中，緩解鹽脅迫對植物影響［60］。研究發現nhx5和nhx6雙敲除植物對鹽脅迫更敏感［61］。NHX蛋白在植物響應鹽脅迫中的主要作用是將Na+區域化進入液泡中，使體內多余的Na+向根、莖基部、葉鞘等薄壁細胞發達的組織中運輸，以降低胞內有毒離子的濃度，實現植物體內離子平衡穩態。

Na+區隔化還可能是通過吞飲途徑完成的。細胞內膜動力學推動了人們對該途徑的認識。鹽脅迫下，植物可通過促進內吞作用及減少液泡膜融合，增加囊泡上Na+/H+逆轉運蛋白的數量，從而增強囊泡對Na+的攝取，降低胞漿中Na+的濃度，這也許是植物適應鹽脅迫的一種機制（圖5）。鹽脅迫下，在擬南芥的根尖細胞和懸浮培養細胞的液泡內可以觀察到囊泡的相互運動和檢測到Na+的積累［62］。在擬南芥中，過表達AtRab7促進根、葉片細胞及原生質體的內吞作用，擬南芥耐鹽性增強［63］。

圖5 鹽脅迫下通過囊泡運輸區域化Na+途徑［15］

3 結論與展望

高鹽脅迫下，植物由于受到生理干旱的影響首先會導致滲透脅迫；其次，在細胞質中可能過度積累Na+離子，使胞質Na+/K+比顯著升高，導致其細胞遭受離子毒害［5，64］；隨后，植物體內的活性氧物質大量積累導致植物遭受嚴重的氧化脅迫［11］。植物進化出離子轉運機制、滲透調節機制和活性氧清除機制來適應鹽脅迫，這三種機制相互作用、協同調節使植物能夠在鹽漬化的土壤環境下生存［65］。

關于植物離子轉運機制的研究較為廣泛，而且取得了一定的成果，但是仍有許多內容需要進行深入研究。如鑒定鹽脅迫下植物Na+的感受器或受體，闡明離子轉運機制涉及的不同途徑中蛋白質的調節機制，如SOS1和HKT1的拮抗作用是如何被協調的。另外，多重的離子轉運代表如何協同作用來維持植物體內相對穩定的Na+-K+環境，以及離子轉運蛋白是否通過以及如何參與植物多個代謝調控機制來賦予植物鹽耐受性的，這些問題都有待深入研究。