馬鈴薯耐鹽堿研究進(jìn)展

楊新月，閆 夢，張劍峰，趙 朋，董道峰，李旭剛*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2.山東省鹽堿地植物-微生物聯(lián)合修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 泰安 271018；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 青島 266109；4.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，山東 濟(jì)南 250100）

土壤鹽堿化是一個(gè)全球性問題，已成為影響全球作物產(chǎn)量的制約因素之一，鹽堿土中有機(jī)質(zhì)含量很少、土壤肥力較低、理化性質(zhì)差，制約植物正常的生長發(fā)育，嚴(yán)重降低糧食作物的產(chǎn)量。馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）含有較高的營養(yǎng)價(jià)值，具有高產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是中國除小麥、玉米、水稻之外的第四大主糧作物。馬鈴薯是對鹽中度敏感的作物[1]，現(xiàn)階段推廣的馬鈴薯品種耐鹽性較差[2]。鹽堿脅迫會(huì)影響馬鈴薯葉片、莖、根和塊莖的生長發(fā)育，造成馬鈴薯減產(chǎn)，影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此探究馬鈴薯抗鹽堿機(jī)制及提高馬鈴薯的耐鹽堿性具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 鹽堿脅迫對馬鈴薯發(fā)育及生理的影響

1.1 鹽堿脅迫對馬鈴薯生長發(fā)育的影響

根系的生長與作物產(chǎn)量息息相關(guān)，鹽堿脅迫抑制植物根的生長，從而限制植物的生長發(fā)育，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量[3]。當(dāng)馬鈴薯受到鹽堿脅迫時(shí)，其根長、株高、葉長葉寬等形態(tài)特征受到抑制，而且隨著土壤的鹽堿化程度升高，其抑制程度越明顯[4,5]。此外，鹽堿脅迫影響馬鈴薯的產(chǎn)量及品質(zhì)，馬鈴薯的品質(zhì)指標(biāo)主要包括干物質(zhì)含量、淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、還原糖含量、維生素C含量等[6]。姚彥紅等[7]針對馬鈴薯設(shè)置5個(gè)NaCl濃度脅迫處理，結(jié)果表明，隨著NaCl 濃度的逐漸增加，馬鈴薯產(chǎn)量逐漸下降，干物質(zhì)、淀粉、蛋白質(zhì)等含量均下降，導(dǎo)致馬鈴薯品質(zhì)下降。

現(xiàn)階段對于馬鈴薯耐鹽機(jī)制研究較多，但是對于堿脅迫的耐堿機(jī)制研究較少。當(dāng)用NaHCO3處理馬鈴薯組培苗之后，馬鈴薯葉片在堿脅迫下發(fā)生萎蔫、植株枯萎，不能正常生長[8,9]。對于不同的馬鈴薯品種，其耐鹽堿性也有一定的差異[10-12]。

1.2 鹽堿脅迫對馬鈴薯生理生化的影響

鹽堿土壤中含有大量的中性鹽離子，在馬鈴薯植株生長過程中，這類離子會(huì)在莖組織中積累[13]。鹽類的過度積累會(huì)嚴(yán)重影響馬鈴薯植株在生長發(fā)育過程中的各項(xiàng)生命活動(dòng)[14]。

1.2.1 影響內(nèi)源激素

內(nèi)源激素又稱為植物激素，已知的內(nèi)源激素包括生長素、赤霉素、脫落酸、乙烯、細(xì)胞分裂素以及油菜素內(nèi)酯等。植物激素的含量是否正常直接決定植物能否正常生長，當(dāng)植物遭受鹽堿脅迫時(shí)，植物體內(nèi)的內(nèi)源激素會(huì)發(fā)生一系列響應(yīng)[15]。馬鈴薯組培苗在鹽脅迫條件下，葉片中生長素的含量會(huì)下降，而在根系中生長素以及脫落酸的含量隨著脅迫時(shí)間的延長而增加[16]。而當(dāng)馬鈴薯在堿性脅迫條件下，其體內(nèi)的脫落酸以及油菜素內(nèi)酯含量隨著堿濃度的增加而增加，但是赤霉素的含量卻逐漸下降[17]。

1.2.2 干擾離子穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生離子毒害

鹽堿脅迫會(huì)使植物體內(nèi)Na+的含量增加，而較高濃度的Na+會(huì)影響植物對K+的吸收，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)Na+/K+比率增大。李亞平等[18]研究表明，不同濃度的混合鹽脅迫條件下，馬鈴薯脫毒苗植株體內(nèi)的K+/Na+比率均下降。康益晨[17]研究表明，在不同濃度NaHCO3堿脅迫條件下，不同馬鈴薯品種之間Na+含量均隨著堿濃度的增大而增加，K+含量均隨著堿濃度的增大而降低，根莖葉中鈉鉀離子含量比隨著堿脅迫濃度的增大而降低。

1.2.3 造成滲透脅迫

在鹽脅迫下，滲透物質(zhì)對維持植物耐鹽性至關(guān)重要[19]。其中脯氨酸作為滲透保護(hù)劑，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的滲透平衡。孫曉光等[20]研究顯示，經(jīng)過混合鹽脅迫處理之后，馬鈴薯葉片脯氨酸含量隨著鹽濃度的升高而升高，可溶性糖的含量也逐漸增加。在經(jīng)過不同濃度的NaHCO3堿脅迫處理之后，也得到了同樣的結(jié)果[17]。

1.2.4 削弱光合作用

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，鹽堿脅迫會(huì)導(dǎo)致葉綠素含量降低，從而影響作物產(chǎn)量[21]。馬子竣[22]研究表明，耐鹽株系與鹽敏感株系隨著鹽濃度的逐漸升高，葉綠素含量均下降，進(jìn)而影響植物的光合作用。當(dāng)馬鈴薯植株受到鹽堿脅迫之后，不同品種之間的葉綠素A 和葉綠素B 的含量均下降[23]。

1.2.5 導(dǎo)致氧化脅迫

丙二醛（Malondialdehyde，MDA）是植物在逆境條件下，發(fā)生膜脂過氧化作用產(chǎn)生的，其含量變化可以反映植物受到脅迫強(qiáng)弱的程度[24]。當(dāng)馬鈴薯植株受到鹽堿脅迫時(shí)，其含量隨著鹽堿濃度的增加而增加[25]。植物對鹽堿脅迫的主要反應(yīng)是產(chǎn) 生 活 性 氧（Reactive oxygen species， ROS）[26]。ROS 的積累會(huì)導(dǎo)致氧化脅迫，為了避免氧化損傷，植物體會(huì)合成過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等一系列酶以清除這些活性氧并防止氧化損傷[27-29]。Charfeddine等[30]將StERF94 基因?qū)氲今R鈴薯植株中，獲得過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系，研究顯示其植株中SOD 的活性較高，可以減輕由于鹽脅迫引起的ROS 介導(dǎo)的膜系統(tǒng)損傷。張景云[31]、李青等[32]研究了幾種對鹽敏感程度不同的馬鈴薯品種（系），當(dāng)脅迫時(shí)間逐漸增加時(shí)，POD、SOD 的活性均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而隨著鹽脅迫時(shí)間的增加，CAT 活性呈現(xiàn)先降后升的趨勢。趙明輝等[33]通過比較耐鹽性不同的二倍體馬鈴薯在堿脅迫下的形態(tài)和生理性狀，結(jié)果顯示無論是在5 mmol/L NaHCO3濃度、還是10 mmol/L NaHCO3濃度條件下，SOD 活性相對值由高到低順序?yàn)槟望}組＞中耐鹽組＞感鹽組，POD 活性相對值由高到低順序?yàn)槟望}組＞中耐鹽組＞感鹽組。

綜上所述，鹽堿脅迫對馬鈴薯植株生理生化的影響是多方面的，但是不同品種之間是否具有差異性是值得研究的熱點(diǎn)問題[34-36]。

2 提高馬鈴薯耐鹽堿性的方法

2.1 利用植物根際促生菌

植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）是指生活在土壤中或附生于植物根系的一類能幫助植物吸收和利用礦質(zhì)營養(yǎng)，促進(jìn)其生長發(fā)育的菌類。PGPR 可以緩解鹽堿脅迫給植物帶來的負(fù)面影響，改善植物生長，并提高各種作物的耐鹽性，在農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[37,38]。

研究發(fā)現(xiàn)，植物根際促生菌與馬鈴薯共生時(shí)，可以提高馬鈴薯植株的生長能力，并且改善馬鈴薯的品質(zhì)[39,40]。芽孢桿菌是常見的植物根際促生菌，當(dāng)芽孢桿菌與馬鈴薯在鹽堿脅迫條件下共生時(shí)，芽孢桿菌通過促進(jìn)馬鈴薯根際生長素的生成，維持離子穩(wěn)態(tài)，調(diào)控抗氧化酶的活性，從而增強(qiáng)馬鈴薯的耐鹽堿能力，進(jìn)而提高馬鈴薯植株的生物量、單株塊莖數(shù)和塊莖產(chǎn)量[41]。

2.2 施加外源物質(zhì)

提高植物抗鹽堿能力的方法有多種，已有研究結(jié)果證明，通過施加外源調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以提高植物抗鹽堿能力，從而提高植物耐鹽性[42-44]。

植物激素在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用，參與了植物生長的全部過程，當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，植物激素可以提高植物的抗逆性[45]。水楊酸是一種重要的生長調(diào)節(jié)劑，已有研究表明，施加外源水楊酸可以提高植物的抗逆性[46,47]。Faried 等[48]研究結(jié)果表明，水楊酸可以顯著提高超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等抗氧化酶的活性和調(diào)節(jié)脯氨酸和酚含量，清除活性氧，提高鉀的利用率，降低馬鈴薯葉片中的鈉含量， 從而賦予馬鈴薯耐鹽性。 茉莉酸（Jasmonate，JA）是重要的分子，參與植物各種生命活動(dòng)[49]。茉莉酸在鹽堿脅迫下，可以減小NaCl對光合色素的影響，并維持細(xì)胞的滲透物質(zhì)，增強(qiáng)其耐鹽性[50]。

磷脂酰絲氨酸（Phosphatidylserine，PS）是細(xì)胞膜上的一種重要活性物質(zhì)，施加外源PS 可以降低由于鹽脅迫而導(dǎo)致的K+外流并上調(diào)質(zhì)膜上H+-ATP 酶活性來延緩葉片衰老，誘導(dǎo)馬鈴薯耐鹽性的提高[51]。Ca2+不但是重要的營養(yǎng)元素，而且也是重要的第二信使。當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，Ca2+能夠提高植物的抗逆性[52]。施加外源鈣離子可以提高葉綠素含量，增強(qiáng)馬鈴薯的光合作用，其次還可以提高抗氧化酶的活性，維持膜的穩(wěn)定性，從而提高馬鈴薯的耐鹽性[53]。

2.3 應(yīng)用基因工程技術(shù)

眾所周知，馬鈴薯對鹽分的敏感性中等，在塊莖芽萌生階段易受鹽分影響。為了培育耐鹽馬鈴薯品種，世界各國都在通過導(dǎo)入耐鹽基因，在馬鈴薯中表達(dá)功能蛋白進(jìn)行轉(zhuǎn)基因抗鹽堿脅迫研究。

當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，植物體內(nèi)的脫落酸（Abscisic acid，ABA）被誘導(dǎo)合成[54]。ABA 在植物抗非生物脅迫過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在ABA 信號途 徑 中 ， ABF（ABA-responsive element binding factors）轉(zhuǎn)錄因子扮演著重要角色。研究表明，ABF4 可以 提 高 擬 南芥 的 耐 鹽 性[55]。 Noelia 等[56]在馬鈴薯中過量表達(dá)擬南芥中ABF4 基因，結(jié)果表明在正常條件下，轉(zhuǎn)基因馬鈴薯與野生型相比，各項(xiàng)生理指標(biāo)無明顯差異，但是轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量和塊莖品質(zhì)均高于野生型。經(jīng)過鹽脅迫處理后，轉(zhuǎn)基因馬鈴薯相對含水量、脯氨酸含量和葉綠素含量均顯著高于野生型，說明ABF4 過量表達(dá)植株對鹽耐受性增強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)，ABF4基因在馬鈴薯中異源過表達(dá)，不但增強(qiáng)耐鹽能力，還增強(qiáng)其耐旱能力。目前已經(jīng)鑒定出的脫水反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（DREB）具有較強(qiáng)抗逆性，研究發(fā)現(xiàn)在馬鈴薯植株中過量表達(dá)StDREB2[57]基因，可以通過參與ABA 激素信號和脯氨酸合成途徑提高馬鈴薯的耐鹽性。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)StDREB1[58]過表達(dá)也可以顯著提高轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的耐鹽性。

油菜素內(nèi)酯（Brassinolide，BRS）廣泛存在于植物體內(nèi)[59]，在抗非生物脅迫中發(fā)揮著重要作用[60]。有研究表明，施加外源BRS可以提高植物耐鹽性[61]，通過適量的外源油菜素內(nèi)酯提高馬鈴薯抗氧化酶的活性，增加脯氨酸含量，降低丙二醛含量來提高馬鈴薯的耐鹽堿能力[62]。DWARF4（DWF4）基因是編碼油菜素內(nèi)酯的關(guān)鍵基因[63]。Zhou 等[64]將DWF4 基因在馬鈴薯中過表達(dá)，獲得轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植株，經(jīng)過脅迫處理之后，StDWF4 轉(zhuǎn)基因馬鈴薯株系的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性等生理指標(biāo)均高于正常植株，表明過量表達(dá)StDWF4 可提高馬鈴薯的耐鹽能力。

吳英英等[65]關(guān)于馬鈴薯轉(zhuǎn)HaBADH（甜菜堿醛脫氫酶）無性一代植株研究表明，隨著鹽濃度的逐漸升高，與正常植株相比，轉(zhuǎn)HaBADH 基因植株的生長情況、單株結(jié)薯重量、單株結(jié)薯數(shù)以及脯氨酸和MDA 含量均顯著高于未轉(zhuǎn)基因材料。研究結(jié)果初步說明鹽脅迫下HaBADH 基因的表達(dá)提高了馬鈴薯轉(zhuǎn)基因株系的耐鹽能力。

陳秀華等[66]首次將硫腺苷甲硫氨酸基因轉(zhuǎn)入到馬鈴薯。對比轉(zhuǎn)GsSAMS 基因的7 個(gè)馬鈴薯株系（SM13、 SM33、 SM4、 SM22、 SM30、 SM40 和SM27）與未轉(zhuǎn)基因‘大西洋’品種，無論是正常培養(yǎng)還是經(jīng)NaHCO3脅迫處理，SM22、SM4、SM33和SM13 四個(gè)轉(zhuǎn)基因株系產(chǎn)量均比未轉(zhuǎn)基因植株有所增加，說明GsSAMS 轉(zhuǎn)入到馬鈴薯中可以提高其耐堿性。

3 展 望

由于人類活動(dòng)、環(huán)境污染、工業(yè)廢水等加劇了土壤鹽堿化，極大地影響了馬鈴薯的生產(chǎn)，而現(xiàn)階段種植戶種植的大部分馬鈴薯品種耐鹽性較差，因此對種植戶造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。馬鈴薯耐鹽堿性是一個(gè)極其復(fù)雜的生理過程，現(xiàn)階段已有大量的研究闡明馬鈴薯的耐鹽機(jī)制，并篩選出一些耐鹽品種。然而，現(xiàn)在的研究大多以NaCl為脅迫條件，而以NaHCO3為脅迫條件的研究較少。當(dāng)然，也有研究表明，馬鈴薯耐鹽與耐堿的機(jī)制是類似的，不同的品種之間，其耐鹽堿機(jī)制也有所不同。目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以確定耐鹽堿品種，馬鈴薯植株在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和在大田種植時(shí)，其耐鹽能力有一定差異，這也使得耐鹽品種的確定成為問題，因此制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)確定耐鹽品種是非常重要的。

目前，植物根際促生菌主要應(yīng)用于治療馬鈴薯瘡痂病等一系列疾病，而將植物根際促生菌應(yīng)用于提高馬鈴薯耐鹽堿能力的研究較少。植物根際促生菌可以改善馬鈴薯在鹽堿條件下的生長環(huán)境，卻不改變馬鈴薯植株的基因，其安全性有一定的保障，可應(yīng)用于市場。因此，尋找能夠提高馬鈴薯耐鹽堿能力的植物根際促生菌是有必要的。

近幾年，研究者通過基因工程技術(shù)獲得了一些馬鈴薯耐鹽堿轉(zhuǎn)基因株系，相比于未轉(zhuǎn)基因植株，轉(zhuǎn)基因株系的耐鹽堿能力有所提高。但是，這些轉(zhuǎn)基因株系的安全性及其應(yīng)用性暫時(shí)未知，需要從各個(gè)方面進(jìn)行詳盡研究之后才可用于育種。