綠豆鹽脅迫響應機制研究進展

郭玉靜，馬宗琪，宋佳慧，何曉彤，于夢斐，王穎

（曲阜師范大學生命科學學院，山東 曲阜 273165）

鹽漬土是我國主要的中低產土壤類型之一，分布面積廣。土壤鹽漬化是人們開發利用土壤和水資源過程中遇到的一大難題，是導致土壤質量下降和土地生產力低下的重要原因，制約著土壤開發利用。篩選種植耐鹽、適鹽經濟作物將在土壤鹽堿障礙治理和鹽漬地修復研究與實踐中發揮重要作用［1］。綠豆作為我國傳統經濟作物，具有抗逆性強、生育期短、播期長、產量穩定、經濟效益高以及修復土壤等優良性狀和特點，種植發展潛力大，市場前景廣闊［2，3］，是改善鹽漬土改良和邊際土地利用的優良作物之一。近年來，綠豆鹽脅迫響應機制研究引起越來越多科研人員的重視，本文對其研究現狀進行綜述及展望。

1 綠豆不同生長階段的耐鹽性

種子萌發和幼苗生長是植物生活史中的關鍵階段，也是對鹽脅迫響應的敏感時期［4］。綠豆種子播種后因表層土壤鹽分過多而不能萌發、出苗；苗期（1～2片復葉展開）則對鹽分極為敏感，鹽分過高易形成死苗［5］。這些因素都將直接影響植株后期的生長發育和形態建成。鹽脅迫下多數植物的生長相關系數會隨著鹽脅迫濃度的增加呈現先增后減的變化［6］，鹽漬土地也制約著綠豆種子萌發和幼苗生長。

1.1 綠豆萌發期耐鹽性

劉順平［7］采用不同濃度的NaCl對綠豆種子進行鹽脅迫，結果表明綠豆種子對NaCl有一定的耐受力，低濃度（≤200 mmol/L）對綠豆種子萌發率沒有明顯影響，高濃度時產生傷害；而劉永惠［8］、孟慶俊［9］等發現低濃度鹽脅迫對種子萌發有促進作用，過高鹽濃度才抑制種子萌發。針對栓皮櫟（Quercus variabilis）［10］、苜蓿（Medicago sativa L.）［11］、紅堅木（Dysoxylum spp.）［12］、非洲菊（Gerbera jamesonii Bolus）［13］等植物種子的研究均得到類似結論。王建科等［14］研究得出，同種鹽脅迫下隨著鹽濃度升高，種子萌發受到顯著抑制；殷麗麗等［15］用不同濃度的NaCl、Na2SO4和Na2CO3對綠豆種子進行鹽脅迫，發現三種鹽脅迫均能抑制綠豆種子萌發，抑制作用Na2CO3＞NaCl＞Na2SO4；張秀玲［16］研究得出，綠豆種子在高濃度NaCl（≥600 mmol/L）和Na2SO4（≥400 mmol/L）鹽脅迫下，發芽率降為零，且對不同類型鹽脅迫的發芽耐鹽極限濃度不同：NaCl為400 mmol/L，Na2SO4為200mmol/L，Na2CO3為75mmol/L。同一綠豆品種對不同鹽分脅迫的響應不同，而不同綠豆品種對同一鹽分的耐受性也存在差異。王樂政等［18］采用不同濃度的NaCl對綠豆種子進行鹽脅迫，發現在不同綠豆品種間耐鹽性有著顯著差別；王麗艷等［17］研究也得到同樣結論，即1.2%NaCl脅迫能較好反映萌發期的耐鹽性差異，因而可用于綠豆品種鹽脅迫鑒定參考濃度。

1.2 綠豆幼苗期耐鹽性

綠豆幼苗期是對鹽害最敏感的時期［20］，低濃度（50～200 mmol/L）NaCl對綠豆種子萌發率影響不明顯，但顯著抑制幼苗生長［7］，因此選擇幼苗期耐鹽性強的綠豆品種是開展鹽堿地綠豆栽培的關鍵措施。任建華等［20］采用灌根法對綠豆幼苗進行不同程度的NaCl脅迫，結果表明不同濃度的NaCl對綠豆幼苗生長的抑制作用差異顯著，且不同基因型綠豆對NaCl脅迫的耐性也存在明顯差別；NaCl濃度1.0%以上的脅迫就能導致綠豆幼苗出現嚴重生理干旱現象，根系吸水能力受到抑制而降低到維持生命的最低限度。王麗艷等［17］的研究表明，不同種類的鹽對綠豆幼苗生長的抑制作用存在差異，堿性鹽對幼苗生長的傷害大于中性鹽，表明幼苗對中性鹽Na+濃度耐受力要大于堿性鹽Na+濃度，這與其對綠豆萌發期的影響一致。

鹽分對植物生長發育造成的影響主要有三種解釋［21］：①鹽土中的低水勢使得植物葉片水勢下降，導致氣孔導度下降，是鹽影響多種生理生化過程的根本原因；②鹽害降低光合作用速率，降低同化物與能量的供給，從而制約植物的生長發育；③鹽害影響某些特定的酶活性或代謝過程。關于鹽脅迫影響植物種子萌發以及植物生長的主要原因仍有所分歧，尚無一致結論。

2 鹽脅迫對綠豆生理的影響

2.1 綠豆鹽脅迫生理生態指標

植物耐鹽性狀是受多個數量性狀基因座調控的復雜性狀［22］，耐鹽能力是多種代謝的綜合表現［23］，用不同的鑒定指標評價同一個作物品種可能會得到不同的結果［24］。孤立使用某些單項指標很難準確客觀地反映作物的耐鹽本質，為此，于崧等基于國內外眾多學者已篩選出多種與作物耐鹽性相關的形態、生理生化和代謝等方面指標進行研究，選用其中較為便捷、直觀、簡易的指標進行測定，通過耐鹽評價數學模型得出顯著影響綠豆耐鹽能力的指標：種子萌發期發芽率、胚芽長、胚根長、根冠比和活力指數5個生長指標［25］以及苗期凈光合速率、相對電導率、最大光化學效率、可溶性糖含量、初始熒光、地上干重、地下鮮重7個鑒定指標［26］，可用于不同基因型綠豆耐鹽性強弱的快速評價與預測。此外，株高、植株含水量、超氧化物歧化酶、丙二醛等也作為鑒定綠豆耐鹽性的常用指標被大量學者引用［20，27，28］。

2.2 鹽脅迫對綠豆光合作用的影響

研究發現，NaCl對植物光合作用的影響通過離子傷害、滲透傷害和糖分積累形成反饋抑制三種途徑進行。關于光合速率下降與氣孔效應和非氣孔效應，鹽脅迫對類囊體膜成分與超微結構的影響，對光能吸收轉換、光合碳素同化、光合電子傳遞以及與其它脅迫因子協同作用等方面有所體現［29］。鹽脅迫下綠豆葉片凈光合速率、PSⅡ最大光化學效率、PSⅡ實際光化學效率、葉綠素含量均有下降，初始熒光明顯增大［26］。Bhise等［30］發現，接種陰溝腸桿菌KBPD的鹽脅迫綠豆植株與不接種的鹽脅迫綠豆植株相比，葉綠素含量高，鹽脅迫癥狀得到一定緩解，得出陰溝腸桿菌KBPD具有減輕鹽脅迫、促進綠豆生長的潛能。宋述燕等［31］研究發現，鹽脅迫下綠豆幼苗的發光強度-時間曲線呈指數衰減，表明鹽脅迫下植物的光合作用生理調控效果和程度可通過檢測延遲熒光強度得到快速而準確的反映，這將為實時監測農田植物鹽脅迫生理狀況提供一種新的光子學方法。

2.3 鹽脅迫對綠豆滲透調節和抗氧化酶系統的影響

在鹽脅迫下，植物細胞膜的結構和功能首先受到破壞，導致細胞質膜的通透性增大，滲透勢升高，從而導致植物各種膜系統的滲透脅迫［32］。通過從外界吸收、積累大量無機鹽離子并合成相容性的有機小分子物質，從而降低細胞水勢，以便從外界生境中吸取水分的滲透調節成為抗滲透脅迫最有效的措施［33］。

鹽脅迫的過程復雜，并且由于對各種代謝活動進行滲透調節，導致植物嚴重水匱乏［34］，進而導致活性氧ROS（超氧化物、過氧化氫、羥基氫氧基、活性氧自由基和氧氣等）的產生，如果不能被及時清除將會形成氧化脅迫而破壞膜結構［35］。超氧化物歧化酶（SOD）是植物清除活性氧的主要抗氧化酶，與過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等構成植物體內抗氧化的保護酶系統［36］，協同作用共同抵抗氧化脅迫，最終達到保護膜結構的作用。因此，提高植物體內抗氧化酶類活性及增強抗氧化代謝水平是增強植物耐鹽性的途徑之一［35］。綠豆在鹽脅迫下常表現為增加其滲透調節物質和抗氧化酶［28］。Islam等［37］發現蠟樣芽孢桿菌Pb25可顯著增加綠豆的抗氧化酶（POD、SOD和CAT）活性，可作為生物接種劑用于鹽堿地農田，以提高作物產量。

目前，人們對植物受鹽脅迫的影響機制研究仍然不透徹。而關于鹽脅迫對綠豆生理影響具體機制的研究也比較少，且研究層次有待進一步拓展和深入。

3 綠豆耐鹽分子機理

植物通過對脅迫信號（鹽刺激）的感知、轉導和反應，誘導耐鹽相關基因表達和蛋白合成，構成復雜響應網絡調控植物耐鹽生理響應以適應或抵御鹽脅迫［38］，如圖1所示。

圖1 鹽脅迫信號轉導途徑及其機制（參考田麗麗等［38］）

植物受到外界鹽脅迫，會通過傳遞一系列信號激發轉錄因子，而被激發的轉錄因子會與相應的順式作用元件相結合啟動特定基因的表達，從而對鹽脅迫進行應答［39］。轉錄因子MYB/MYC［40］、WRKY［41］、bZIP［42］、NAC［43］、DREB［44］等在植物鹽脅迫中起重要作用（如圖2）。Wang等［45］從鹽脅迫綠豆的全基因組序列中發現54個bZIP蛋白；Chen等［46］發現綠豆中分離出的VrDREB2A，是一種重要的轉錄激活因子，有助于提高綠豆的包括鹽脅迫在內的非生物脅迫耐受性。不同基因通過調控不同的代謝途徑來增強植物耐鹽性，這些耐鹽基因主要包括四大類［47］：①合成滲透保護物質的相關基因。BADH基因的表達能直接影響甜菜堿的合成，從而參與剛毛檉柳對NaCl脅迫的響應過程［48］。②離子轉運蛋白基因。NHX1基因編碼的蛋白可以將細胞中過多的Na+區隔化于植物的液泡中，以避免Na+在細胞質中的過度積累，從而減少Na+對細胞的傷害［49］；綠豆鹽脅迫可強烈誘導VRNHX1的表達，使綠豆表現出耐鹽性［50］。③抗氧化相關基因。SsAPX是細胞質抗壞血酸過氧化物酶的編碼基因，鹽脅迫條件下鹽地堿蓬葉的SsAPX在mRNA水平上增加，APX活性增高［51］。④信號轉導相關基因。在擬南芥中超量表達綠豆VrUBC1基因，發現VrUBC1通過對ABA相關基因的轉錄調控，并可能通過與新型RING E3連接酶的相互作用，在滲透脅迫耐受性方面起著積極作用［52］。這些不同類型的基因共同表達調控植物耐鹽性。在耐鹽相關轉錄因子及耐鹽基因研究的基礎上，耐鹽基因在分子育種中得以應用并培育出具備優良耐鹽性狀的植株，如菊花等觀賞植物中研究較多［53，54］，而綠豆分子育種研究有待加強。

圖2 耐鹽相關轉錄因子調控網絡（引自王楠等［55］）

此外，植物抵抗鹽脅迫的有效方式還有植物鹽脅迫應答蛋白的表達。鹽脅迫應答蛋白水通道蛋白（AQPs）［56］、Na/H+反向運輸蛋白［57］、促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）［58］、鈣依賴型蛋白激酶（CDPKs）［59］等，在植物遭受鹽脅迫的信號感受、調控和表達等方面起重要作用。

總之，植物的耐鹽性由植物體內一系列生理生化過程綜合作用而形成，受相關的多基因調控以及外界環境因子的影響或制約。這些基因或蛋白在擬南芥等植物中已經開展了不同程度的研究，而綠豆的耐鹽分子機理研究尚在開展中。

4 問題及展望

綜上所述，國內外學者做了大量作物耐鹽性研究工作，并取得很大進展，而綠豆耐鹽性研究尚需深入開展，依然存在諸多可能與潛力，并就做好下一步綠豆耐鹽性研究提出以下問題和展望。

以往耐鹽性研究多集中在室內鹽脅迫對于綠豆萌發期與幼苗生長期的影響，而大田綠豆全生育期生長發育耐鹽性研究有待加強。植物生長發育過程受多種生態因子的協同作用，綠豆受鹽堿、干旱、低溫、高溫等多方面協同脅迫的研究也很重要，該方面研究較少。綠豆響應鹽脅迫的機制在生理層面上研究較多，而對于綠豆耐鹽基因的挖掘與篩選、基因定位與克隆、轉化及表達等分子機制研究有待加強。分子育種是未來植物育種的主要方向，綠豆鹽脅迫及耐鹽基因的研究，將為綠豆新品種培育儲備重要核心技術和基因資源。