江鈺娜 朱星兆 劉昱 劉國元 張健



摘要:鹽分脅迫是影響植物生長發育的主要非生物脅迫之一,主要引起植物對土壤水分、養料吸收障礙,對植物造成滲透脅迫、離子毒害、光合作用減弱等不利影響。柳樹可適應各種不良生境,作為抗逆性強的園林樹種,對美化環境和改善土壤均有積極作用。從柳樹對鹽脅迫的生理生化反應及耐鹽響應機制2個方面展開討論,總結了耐鹽品種的選育以及柳樹耐鹽候選基因的研究進展。在傳統育種的基礎上,結合現代分子技術培育耐鹽柳樹品種,為沿海耐鹽林木和沿海灘涂開發提供有利資源。
關鍵詞:柳樹;耐鹽機制;鹽脅迫;耐鹽品種;耐鹽基因
中圖分類號: S792.120.1? 文獻標志碼: A
文章編號:1002-1302(2021)11-0028-07
收稿日期:2020-09-25
基因項目:國家自然科學基金(編號:31971681);江蘇省林業科技創新與推廣項目(編號:LYKJ[2018]36);南通大學引進人才科研啟動項目(編號:18R08)。
作者簡介:江鈺娜(1996—),女,碩士研究生,主要從事園林植物抗逆機理相關研究。E-mail:18252098108@163.com。
植物生長過程會受到眾多非生物脅迫,鹽脅迫為其中之一,它限制植物生長,給生產和環境帶來巨大負擔[1]。我國鹽堿地占比很大,主要分布在北方以及沿海地區。在沿海地區,濱海鹽堿地是土地的主要組成部分,除了少數由海平面自然淤積形成的外,大部分濱海鹽堿地是由人工圍墾成,目前這類土壤面積還在持續增加。隨著人口日益增加,耕地資源越來越緊缺,自然形成及人工圍墾形成的濱海鹽堿土都是重要的后備土地資源,具有重要的經濟和生態價值[2]。造林是解決土壤鹽漬化的有效生物方法,在鹽堿地上種植耐鹽林木,可持續改良環境。研究表明,種植耐鹽樹木不僅可增加地面綠化覆蓋,而且可以緩解土壤的含鹽量,促進脫鹽率[3]。柳樹是一種楊柳科(Salicacea)柳屬(Salix)樹種,屬于落葉喬灌木,全球共有520多種;在我國分布廣泛,因其形態優美,常作為園林觀賞植物,具有生態多樣性、遺傳多樣性的特點,尤其因它具有廣泛的適應性,在許多不良生境中都能生長,被認為是“社會與環境的資源”[4-6]。柳樹是鹽堿地的重要種植樹種,其耐鹽性備受關注[7-11]。柳樹在鹽堿地不僅可以生存,還能改善土壤有機質含量,進而改善環境。研究表明,鹽脅迫下柳樹通過根系吸收并向上運輸離子,可降低土壤中的鈉離子含量,可見柳樹對改良鹽堿土壤有著一定作用[12];但是土壤鹽堿化程度加劇極大地限制了柳樹的種植。鹽脅迫會引起柳樹根莖葉受損[13]、苗高降低[14]、基徑減小[15]、成活率下降[16],引起柳樹水分不足、滲透脅迫、離子毒性等損傷,緊接著會逐漸降低柳樹的光合作用和生長代謝強度。研究表明,鹽脅迫引起柳樹葉片葉綠素含量降低,根系活力減弱,超氧化物歧化酶(SOD)含量逐漸降低,丙二醛含量及相對電導率增加[17]。像大多數植物一樣,柳樹可以通過維持細胞離子穩態積累滲透調節物質,并通過啟動有效的信號轉導網絡活化活性氧清除劑,以適應鹽脅迫。本文綜述了柳樹對鹽脅迫的生理和分子反應,包括鹽脅迫對柳樹生長的影響、柳樹耐鹽性的主要機制以及針對柳樹耐鹽性進行遺傳改良的目標基因。
1 鹽脅迫對柳樹生長的影響
1.1 鹽脅迫導致柳樹水分缺失
鹽脅迫破壞了植物的水勢穩態和離子分布,這種狀態的失衡發生在植物的細胞水平和個體水平上[13,18]。鹽分過多會阻礙植物根系吸收水分,導致液泡中的水分流出,進而降低胞內滲透壓導致滲透機制失調。植物無法從外界吸收水和養料,影響其生長代謝和光合作用,嚴重時會導致植物死亡[19]。在鹽脅迫下,當植物暴露的根數量較小時,可觀察到鹽誘導下根細胞程序性死亡,但是枝條受到Na+毒害的情況往往要在數周以后才會暴露出來[20]。隋德宗等采用水培方法觀察鹽處理下5個柳樹無性系幼苗根系生長,結果發現一定程度的低鹽處理可以刺激根系生長,而持續的高鹽脅迫下根外部水勢顯著下降,導致根系吸水困難,抑制了柳樹生長[21]。劉鐸等發現,隨著鹽濃度的增加,柳樹的葉片鮮質量、葉片相對含水量都會降低,同時株高凈生長量、生物量減少[22]。聶莉莉等通過試驗發現,土壤持水量和地下水含鹽量共同影響著柳樹的生長年限[23]。
1.2 鹽脅迫引起柳樹離子毒害
Na+不是植物生長必需的營養元素,Na+積累過多會影響植物生長所需的其他離子的吸收利用,比如K+。Shelden等研究了離子穩態對植物鹽分的耐受性,得出植物通過Na+和K+轉運機制適應土壤鹽分;在根尖元素含量觀察中,Na+和K+含量存在顯著正相關關系;減輕Na+毒性的一種機制是將Na+轉移到植物液泡中,置換出K+來維持細胞質中較高的K+含量/Na+含量,所以K+含量/Na+含量是植物鹽脅迫程度的衡量指標[24]。通過減少根的分生組織和細胞分裂區域中Na+的吸收量或有效排出Na+可保護根尖細胞分裂[25-26]。王寧等研究了一種有較強區隔鹽離子能力的柳樹無性系SH31,發現短期內SH31中Na+含量顯著上升,在根、莖中的K+含量下降,葉中的K+含量升高,SH31可維持較高的K+/Na+,運輸器官莖中大量鹽離子的存在有利于根尖細胞分裂,從而實現特定組織內的離子平衡[27]。Mirck等在溫室觀察SX64、9882-34、9870-40 這3種柳樹的生長情況,發現所有品種的根吸收了大部分的Na+,而葉子接收了大部分的Cl-,芽中的Na+/K+、Na+/Ca+保持平衡,說明這3個柳樹品種有較強的離子區隔化能力,以適應鹽環境生長[28]。在鹽處理下,有些敏鹽品種的柳樹較早地出現了生長衰敗現象,可能是離子區隔能力的差異導致,可見不同柳樹品種的離子區隔能力是不同的。
1.3 鹽脅迫引發柳樹氧化危害
鹽脅迫不僅會引起柳樹水分缺失和受離子毒害,還會導致其細胞內活性氧物質積累,形成氧化脅迫。活性氧(ROS)是一類由O2轉化而來的自由基或具有高反應活性的離子或分子,低濃度的活性氧不會對植物產生危害,而能在植物細胞信號轉導中作為第二信使來介導應答反應。一旦ROS積累過量,則會由利轉害,造成氧化損傷甚至細胞死亡[29]。鹽堿、高溫等非生物脅迫會造成活性氧在細胞內大量產生,引起質膜損傷,并最終分解成丙二醛(MDA)等化合物。Janero等研究提出,丙二醛含量可作為脂質過氧化和過氧化組織損傷的診斷指標。ROS對膜脂和細胞內酶活性的傷害程度及MDA含量,常作為評判植物耐鹽性的重要指標之一[30]。李小艷等研究了7種不同品種柳樹的鹽脅迫抗性表現,發現在200 mmol/L鹽濃度下,筐柳和北沙柳抗性較弱,它們的MDA含量不斷上升,其余品種MDA含量小幅增加[12]。
1.4 鹽脅迫引起的柳樹光合減弱
樹木生長發育所需的能量和物質來源于光合作用,光合作用是植物鹽脅迫最敏感的生理過程,持續的鹽脅迫可能會降低光合作用并導致樹木死亡,光合作用降低的原因包括葉綠素濃度降低、營養成分發生變化、氣孔關閉等[31-32]。喬志攀對6種耐鹽灌木柳進行鹽處理時發現,在6‰、8‰、10‰、12‰ NaCl質量分數溶液處理下,柳樹無性系的葉綠素總含量呈下降趨勢[33]。而李小艷在研究7種柳樹的致死鹽濃度時發現,在100 mmol/L NaCl處理下杞柳、筐柳和竹柳葉片的光合參數與對照相比沒有明顯差異,但在200 mmol/L NaCl處理下,葉片光合參數均低于對照,表明在達到柳樹鹽處理極限濃度前,光合作用的指標也有所變化[12]。周鵬等以2個不同的耐鹽性灌木柳無性系為試材,測定鹽脅迫下柳樹PSⅡ熒光特性參數,發現耐鹽型JW2345的參數變化均明顯低于鹽敏感型JW2367[34]。季琳琳等比較了鹽處理下竹柳3號、蘇柳172的光合特征變化,試驗表明兩者的氣孔導度隨著鹽濃度增加而降低[35]。葉綠素、葉片光合參數以及氣孔導度等反映光合作用程度的指標顯示,鹽濃度會降低柳樹的光合作用并且耐鹽型的柳樹光合指標降低得比鹽敏感型程度輕。
2 柳樹耐鹽響應機制
高鹽脅迫下,柳樹在生長過程中也會產生一系列生理生化響應,目的是維持柳樹水利用率、保護關鍵的生長形態以及光合能力。柳樹能在鹽環境中良好地生存,得利于其具有克服鹽脅迫造成的離子毒害、滲透脅迫和氧化脅迫的調節能力。目前,柳樹耐鹽機制的研究主要集中在滲透調節、抗氧化酶系統方面。在鹽脅迫下,植物的滲透調節發生改變,體內鈉離子濃度升高,從而植物感知到鹽脅迫。Na+能誘導特異的下游反應,但植物的Na+敏感機制尚不清楚。鹽脅迫感知可以發生在Na+輸入之前或之后,也可以發生在細胞內或細胞外。在最初感知鹽脅迫后,早期的信號反應也被誘導,包括K+轉運、Ca2+信號傳導、H+轉運、磷脂修飾、活性氧誘導和蛋白激酶活性。反過來,這些早期Na+誘導的信號減少了Na+的進入。接著,鹽誘導會引發適應性反應,如調節生長發育、離子運輸和產生相容的溶質來補償Na+的滲透壓。部分早期信號反應與滲透脅迫誘導的通路重疊。信號鏈中的每一步都對鹽分含量變化產生反應,最終植物在鹽堿地上生存[32](圖1)。
2.1 滲透調節物質的積累
通常在鹽漬土壤中植物根系的水分利用率會明顯降低。因此,植物受到鹽脅迫后,首先會由滲透脅迫引起植物缺水。植物細胞會積累可溶性滲透物(脯氨酸、可溶性糖)以調節其滲透勢。脯氨酸是一種重要的滲透調節物質,在植物細胞中以自由態存在,分子量低,在水中的溶解度高,相對無毒[36]。張健等比較3種柳樹的耐鹽性,結果顯示在鹽處理后柳樹的脯氨酸和可溶性蛋白含量均高于處理前,而L0906葉片的可溶性蛋白含量高于處理前,但是脯氨酸含量有所下降,耐鹽性越強的柳樹品種滲透調節物質積累越多[10]。武香研究3種柳樹的幼苗在鹽處理下滲透調節物質的含量變化,結果表明,鹽脅迫后,可溶性蛋白含量增加;根莖葉Na+和Cl-質量分數明顯增加,但柳樹K+含量均明顯下降[37]。在不同柳樹品種中,不同滲透調節物質具有明顯的差異。在植物耐鹽機制中同樣起到滲透調節作用的還有甘氨酸甜菜堿(簡稱甜菜堿),在鹽脅迫下,細胞內甜菜堿的積累有助于植株抵抗一定的高鹽危害,保護細胞質膜的完整性。已經有研究證實,與甜菜堿合成相關的柳樹鹽響應BADH基因在鹽處理下表達量增加[38]。
2.2 抗氧化酶活性的提高
植物體內的活性氧(ROS)和自由基含量會因植物受到鹽脅迫等非生物脅迫而急劇增加,過多的活性氧會破壞生物膜結構,加劇膜的過氧化作用,過量積累MDA,最終會造成細胞死亡。植物會通過自身的抗氧化系統清除ROS和自由基來防止細胞的氧化損傷。同樣地,柳樹通過超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD) 、過氧化氫酶(CAT)等酶和抗氧化物協同作用來減輕鹽脅迫造成的氧化傷害。張健等在研究鹽處理下3個柳樹品系生長指標時發現,處理后耐鹽性較好的L0911 MDA含量的增幅要小于其他品系[10]。有效清除植物體內的ROS、SOD可催化超氧自由基產生過氧化氫,減少ROS積累,從而減輕活性氧的傷害[39]。在鹽脅迫試驗中,韓彪等發現,低濃度的鹽處理誘發柳樹產生自我保護機制,此時SOD活性增強,隨著鹽濃度增加,SOD活性開始降低[40]。與SOD一樣,POD也是一種抗氧化酶,在植物受到鹽害時能減輕細胞由于膜脂過氧化引起的損傷[41]。柳樹的抗氧化物質的變化對維持植物滲透穩定有調節作用。
3 柳樹的耐鹽品種
柳樹是耐鹽優勢樹種,其種類多、分布廣,不同柳樹的耐鹽指數有顯著差異。例如,來自山東的旱柳9901在鹽脅迫后萌枝長度、總根長、葉鮮質量、葉干質量等指標都高于江蘇地區的敏鹽柳沿江柳[42];鹽柳1號來源于沙漠地帶的灌木北沙柳,而渤海柳2號來源于旱柳實生選種,二者具有不同的抗鹽堿能力,鹽柳1號抗鹽堿能力強于渤海柳2號[43]。
柳樹的內在變異性高,天然雜交現象在柳樹生長中很常見,因此柳樹雜種是柳樹物種多樣性的主要原因。目前許多研究調查柳樹耐鹽性并進行品種挖掘和比較(表1)。在1‰ NaCl質量分數處理下,J172、J795、J799、J842、JW96柳樹無性系的根系生長受到一定的刺激[21];在低鹽處理時,柳樹品種都能承受一定的耐鹽性,隨著鹽濃度的增加,品種間耐鹽差異開始顯現[23]。陳建建收集了356份柳樹種質資源,對其中的67份柳樹進行了水培及盆栽試驗,將其耐鹽能力劃分為較強、中等、較差3個等級水平[44]。
4 柳樹耐鹽相關基因的研究
采用現代分子生物學新技術,將植物的耐鹽基因克隆并轉化到重要的經濟植物中,培養耐鹽的轉基因植物。目前,國內外學者將已知的鹽響應基因在柳樹中找到同源基因,通過定量聚合酶鏈式反應(PCR)找到基因表達量與鹽脅迫的某種聯系,通過異源表達,在高鹽度條件下測試轉基因植物的性能(表2)。
隨著科學技術的發展,單從某個方面無法解釋全部的生物學問題,須要多角度去研究柳樹基因、蛋白及分子間的相互作用。有研究者采用比較蛋白質組學方法提取了鹽處理下旱柳根、莖、葉的蛋白質,分別得到42、17、19個差異蛋白點,這些差異蛋白參與了12種代謝途徑和過程,通過實時定量PCR發現病程相關蛋白(PR)非常豐富并且受鹽脅迫上調,表明PR蛋白與旱柳的耐鹽能力有關。后來,通過轉基因擬南芥進一步驗證了SmPR10基因在轉基因植株的耐鹽性中起著重要作用[58]。鹽脅迫下鹽敏感型品種JW9-6和耐鹽品種JW2372幼苗根部的總蛋白試驗,成功鑒定了109個差異表達蛋白,得出結論:代謝過程和蛋白質折疊(BP)、胞質和細胞(CC)以及輔因子、輔酶結合和異構酶活性(MF)這幾個功能之間的差異受根蛋白的調節,磷酸葡萄糖異構酶、ATP合成酶ε亞基、磷酸甘油酸激酶、S-腺苷甲硫氨酸合成酶、腺苷激酶5種蛋白質可能是與鹽脅迫相關的植物育種候選蛋白質[59]。
田雪瑤等以良種蘇柳2345的轉錄組數據為基礎,克隆得到2個柳樹NAC轉錄因子基因,結果發現,2個基因在鹽脅迫、赤霉素(GA)和脫落酸(ABA)等逆境模擬處理下,在葉片中特異性表達[54]。抗逆轉錄因子基因家族的研究是了解抗逆分子機制的重要基礎。Jia等將沙柳中的SpRLCK1基因轉入擬南芥中,結果證明在同等鹽脅迫下具有過表達SpRLCK1的轉基因株系幼苗的根長、鮮質量、存活率和相對含水量均高于未轉化的野生型植株,POD、SOD、CAT活性均明顯高于野生型株系,SpRLCK1的過表達通過增加抗氧化酶的活性來改善轉基因植物的耐鹽性[57]。為了對旱柳的耐鹽分子機制有更多的理解,有學者利用微陣列技術分析鹽脅迫下旱柳的差異表達基因,共鑒定出403個基因,功能分類分析表明,這些基因屬于編碼蛋白家族,涉及代謝、轉錄調控、信號轉導、激素反應、非生物脅迫反應等與生長發育相關的過程[60]。
5 展望
土壤鹽堿化程度的加劇、土地資源的緊缺威脅著生產、生態、生存。植物修復是改良土壤鹽堿化的有效措施。柳樹具有耐鹽、速生、耐旱、形態優美諸多優點,使其成為改善環境的優勢樹種。對于柳樹耐鹽性的研究已經從表型和生理研究逐漸遞進到分子層面的探索,運用先進的科學技術對優良柳樹耐鹽基因資源進行收集、保存、開發、利用,對于豐富柳樹耐鹽基因庫、保持柳樹物種的多樣性,培育優良品種、滿足林業生產需求都有深遠意義。柳樹的耐鹽性不是單一基因調控的,是由多基因共同發揮功能,所以最好能建立柳樹完善的遺傳表達系統,實現耐鹽性的同源表達,為沿海耐鹽林木和沿海灘涂開發提供有利資源。
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