鹽脅迫下調控玉米胞內Na＋／K＋比穩定的主要機制與措施

李明，冷冰瑩，張晗菡，劉霞

（1.山東師范大學生命科學學院，山東 濟南 250014；2.山東省農業科學院玉米研究所／小麥玉米國家工程實驗室／農業部黃淮海北部玉米生物學與遺傳育種重點實驗室，山東 濟南 250100）

目前土壤鹽漬化面積逐年擴大問題受到國內外研究者持續關注。全世界有近50%的灌溉土受到不同程度的鹽漬威脅，我國鹽漬土面積超過總耕地面積的20%［1］。玉米是我國第一大作物，在食用、飼用及工業原料供給等方面作出突出貢獻［2］。玉米可以承受的極限鹽度僅在0.0017 mol／L左右，鹽害顯著影響玉米的生長與生產［3］。多元醇類物質、激素與營養元素在玉米應答鹽脅迫過程中起到保護作用，其中鉀素是玉米生長發育所必需的主要營養元素之一，鉀轉運蛋白在植物獲得K＋與維持Na＋／K＋比穩定的過程中起著重要作用；鉀轉運蛋白與CBLs和CIPKs蛋白在逆境應答的信號轉導過程中作用顯著，并且CBLs與CIPKs蛋白調控某些鉀轉運通道活性，并參與玉米K＋吸收和再分配過程，對胞內Na＋／K＋比的調控作用表現出關聯性［4］。因此，玉米內外源有機物應答鹽脅迫的機制與培育優良耐鹽玉米品種問題亟待解決，這對于鹽堿地的開發和利用也至關重要。

1 鹽脅迫對玉米的危害

鹽脅迫影響玉米從種子發芽到成熟各個生長發育環節，參與眾多信號轉導過程，包括光反應、暗反應、離子運輸、滲透物質積累等生理生化反應［5］。土壤鹽分的過量積累主要源于營養富集和氧化反應引起的滲透脅迫與離子毒害，進而引發酶的失活、抑制蛋白質的合成、電解質滲漏增加、脂質過氧化、光合色素降解和膜系統損傷［6，7］。

玉米受到鹽脅迫時最早發出的信號是滲透脅迫，一般是從生理水平導致植株干旱，引起根部細胞的質壁分離［5］，表現出葉片失水和氣孔孔徑減小［8］，并引發細胞離子失衡［9］。高滲透脅迫引起Na＋和Cl－失衡，導致膜質分離、細胞器功能喪失和離子外流［10］。離子失衡破壞細胞膜透性及功能，限制正常新陳代謝，導致玉米死亡［11］。

1.1 高鹽環境對玉米表型的影響

在高鹽脅迫逆境中，玉米葉片的光合速率、根系水分和養分的吸收率降幅顯著，因而植株往往矮小脆弱，葉面積停滯擴張，葉片狹長［12］；基部黃葉指數增加、葉色多呈黃綠色，隨著高鹽脅迫的持續作用，葉片因水分不足而萎蔫，形態上表現出枯黃、向內卷曲，加速玉米植株的死亡［12，13］；果穗頂部開始出現部分裸露、禿尖、缺粒干癟、畸形穗［14］；莖稈橫、縱向生長遲緩，莖稈單薄易倒伏；根變短變粗，節根分支也明顯增多［13］。

1.2 鹽害影響玉米細胞內外物質的變化

在鹽害逆境下，玉米干物質積累效率開始降低，植株干鮮重不斷下降，細胞含水量與維生素C含量也大大減少［14］；根系活力比與氣孔導度呈顯著降低趨勢［15］。氣孔導度降低導致CO2濃度降低，也會使活性氧（ROS）水平增加［16］。ROS作為信號轉導分子在植物中起著重要作用。鹽脅迫引發植物產生的ROS失穩，過量的ROS是脂質過氧化、蛋白質降解和DNA突變等毒性反應的來源［17，18］。葉綠素占比隨著Na＋濃度的升高明顯降低，K＋和Ca2＋濃度也逐漸降低，可溶性蛋白、游離脯氨酸和可溶性糖含量逐漸升高［19］。鹽脅迫造成的活性氧增多，會進一步損壞胞內的脂質及膜結構，引起脫脂反應和離子及有機物流失，蛋白質與核酸也會因為ROS的積累而被損害，限制其新陳代謝，加速細胞內外物質失衡，最終導致植株死亡［20，21］。

2 玉米應答鹽脅迫的生理生化機制

鈉鹽在土壤鹽分種類中含量豐富，研究表明，Na＋作為鹽脅迫起主要作用的陽離子，對物質運輸、離子平衡以及H＋-ATPase酶活性都有較強的抑制作用，尤其使核質膜的H＋-ATPase活性顯著降低，導致pH值梯度減小，限制細胞分裂和伸長［22］。

高濃度的Na＋會影響細胞質膜的K＋吸收。為維持K＋穩定吸收、避免鹽環境下離子紊亂，玉米細胞胞漿中的代謝酶必須保持低Na＋、高K＋的濃度水平［23］。所以探究鈉鹽的輸出轉運以及Na＋、K＋互作關系尤為重要［24］。為適應脅迫生長環境，植物一般通過調動自身內源物質，并通過外源激素協助等生命活動維持離子穩態［25］。

2.1 內源可溶性物質參與鹽脅迫環境的滲透調節

研究發現，可溶性多元醇類物質（糖類、甜菜堿、脯氨酸等）可以在植物面臨鹽脅迫時調節滲透壓，緩解因鹽脅迫造成的營養物質流失，并在受到鹽脅迫時自主產生［26］。葉綠體中合成的甜菜堿（GB），有維持光合速率穩定的作用。甜菜堿處理幼芽，可在根細胞中產生額外的液泡，增加Na＋在根中的積累，并減少其向芽的運輸，降低芽中Na＋／K＋比例，提高植物對鹽脅迫的耐性［27］。脯氨酸含量隨鹽脅迫的加大而升高，它協助作物生長并增強細胞抗滲性，一定程度上提高植物根部到地上部對K＋運輸的選擇性［28］。脯氨酸適量增多可以緩解脅迫造成的蛋白解聚過程中出現的離子毒害，而其介導的谷氨酸生成途徑的關鍵酶表現出對NaCl的抗性［29］。國外已有研究指出，適量濃度的脯氨酸可以改善鹽害幼苗的氣孔導度，同時提高植物的含水量和CO的利用率，也能夠減弱鹽脅迫對葉片中葉綠素的刺激，保障植株各項正常功能［30］。

2.2 外源ABA對作物耐鹽性的信號轉導

外源激素通過人工控制手段，對玉米的生長周期與不利環境有趨利避害的正向作用，同時經濟成本較低，實操效果良好［31］。其中ABA（脫落酸）信號轉導途徑能夠明顯下調植物種內細胞間Na＋／K＋與Na＋／Cl－比例［32］，從而增加K＋、Ca2＋濃度，積累可溶性糖與脯氨酸［33］。ABA可以減輕鹽脅迫對作物光合作用、生長和同化物易位等不同過程的抑制作用［34］。

ABA被稱為脅迫調節激素，靶向作用滲透脅迫的同時又加速自身生成，此時編碼液泡Na＋／H＋交換器的AtNHX1（逆向轉運蛋白基因）轉錄表現出明顯的上升趨勢［35］，其伸展激活的通道和跨膜蛋白激酶也可以感受到鹽脅迫［36，37］。所以ABA作用于植物細胞，提高其CAT、SOD與POD等抗氧化酶活性，緩沖鹽害作用，維持營養物質的正常吸收，優化植物的耐逆性［38］。激素、抗氧化酶類與體內活性氧是一系列的連環調控鏈，外源ABA定量施加于植株，會增強CAT、SOD與POD等抗氧化酶的活力，從而減少活性氧的生成和降低膜結構的損傷，提升作物整體的抗鹽能力［38］。

植物脯氨酸的積累可能是通過ABA依賴和ABA獨立的信號通路介導［39］；磷脂酶D與鈣和ABA在調控脯氨酸生物合成同時起信號作用［40］。但就目前來說，有關ABA激素在作物胞內的信號轉導機制還有待研究，外源ABA參與脯氨酸生物合成途徑對鹽脅迫的分子機制還有待探索。

3 玉米應答鹽脅迫的分子機制

植物胞內Na＋／K＋分子機制的探究已較完善，其中鉀轉運體家族、CBLs與CIPKs蛋白家族近年來被廣泛研究，在逆境應答的信號轉導過程中起重要作用。有些鉀轉運通道活性受CBLs與CIPKs的調控，有研究表明CIPK家族與CBL家族參與玉米K＋吸收和再分配過程，并對胞內Na＋／K＋比的調控作用表現出關聯性［41］。

3.1 鉀轉運體主動響應鹽脅迫

玉米在鹽脅迫環境的生長速度與物質積累量相對緩慢，需要外源營養供給，氮磷鉀三大營養元素易于被玉米根細胞吸收，其中施用外源鉀則顯著抑制鹽脅迫下玉米植株的電解質滲漏［6］，并激活鹽脅迫下玉米體內的超氧化物歧化和H2O2解毒能力，提高SOD、POD和GR的活性［7］。高鹽土壤可以增加鉀素的吸附量，而細胞液態組分中大量離子形式的鉀調控植物正態生長［42］。KUP／HAK／KT鉀轉運體家族、CPA家族以及HKT鉀轉運體家族對鹽害環境下的植物吸收和轉運K＋起重要作用［43］。

3.1.1 HAK轉運體維持鹽脅迫下的鈉鉀穩態KT／HAK／KUP轉運體是植物中最重要的K＋轉運體家族之一。其中基因進化簇中包含的ClusterⅢ、ClusterⅣ是具備Na＋轉運功能的高親和鉀轉運體［44，45］，參與Na＋轉運。ClusterⅢ的AtHAK11，鹽脅迫下在根部顯著表達，可能參與了植物耐鹽的調節機制［46］。研究發現水稻OsHAK21轉運體受鹽脅迫誘導表達，從而介導木質部薄壁細胞的K＋吸收［47］。鹽脅迫誘導根部OsHAK21的上調表達，能夠實現K＋在地下和地上部的長距離轉運［47，48］。ZmHAK4通過促進Na＋／K＋穩態促進玉米耐鹽性，它在根維管組織中表達，編碼膜上的Na＋篩選轉運體，其機制可能是通過從木質部維管中提取Na＋來促進莖部Na＋排出［18］。

3.1.2 CPA的NHX亞家族維持鹽環境中Na＋／K＋比 CPA鉀轉運體家族是植物中具有陽離子／質子反向轉運的大家族，如Na＋／H＋、K＋／H＋等反向轉運體［49］，在保持植物Na＋／K＋穩態上起到積極作用的同時，也能夠直接提升植株的耐鹽能力［50］。CPA家族的NHX亞家族主要的兩類蛋白及功能分別是：在細胞膜上參與Na＋外排（plasma-membrane，PM），以及在細胞內部參與Na＋區域化（intra-celluar，IC），兩類蛋白分別通過這兩種功能維持細胞內Na＋／K＋平衡［51］。

Na＋／H＋逆向轉運蛋白，通過Na＋外排維持細胞質內低水平Na＋含量，保障K＋／Na＋比處在穩態的重要手段［52］。Na＋／H＋轉運蛋白包含陽離子轉運蛋白CAP1家族類NHX家族［51］，玉米ZmNHX亞型在mRNA水平上的表達具有鹽特異性，對抵御鹽害起正調控作用［23］。

NHX1是一種葉綠體Na＋／H＋抗孢子體［23］。擬南芥中的AtNHX1在提升植物的抗旱耐鹽能力上起作用，并具有調節pH 值和K＋含量的功能［53］。AtNHX1過表達能夠進一步增強植株的耐鹽性，緩解鹽脅迫［54］。研究發現ZmNHX和At-NHX1之間的同源性高達78%［23］。AtNHX1基因轉入玉米優化其抗旱耐鹽性的同時，也提高玉米產量；ZmNHX基因的調控表達Na＋（K＋）／H＋逆向轉運蛋白可以把Na＋分隔到液泡中，這就顯著降低細胞的滲透壓，保障植物的穩定吸水能力［51］。

3.1.3 HKT家族對Na＋的調控機制 HKT在植物生長受到環境脅迫時起到關鍵保護作用［55］。其中HKT1具有兩種功能：鹽脅迫發生時，它表現出K＋低吸收率，主要有Na＋爭奪對應HKT1的作用位點，抑制K＋吸收［56］；對應的載體蛋白具有兩個作用部位：分別是Na＋結合位點和K＋、Na＋流動定位點，據此推測HKT1的作用集中在Na＋的吸收上，弱化本身表達力，而提高作物的耐鹽能力［57］。

擬南芥中AtHKT1基因可以控制根莖Na＋分布，減少葉片中Na＋積累，保障植物體內K＋／Na＋比動態平衡，抵御鹽脅迫［58，59］。小麥HKT1是首個檢驗出高親和K＋載體［60］。研究發現ZmHKT1；5基因序列變異與耐鹽性相關，轉基因煙草中過表達ZmHKT1其根長和鮮重增加，從而獲得較高的耐鹽性；高濃度鹽處理后，轉基因煙草莖、根Na＋含量均呈下降趨勢，K＋含量均呈上升趨勢［59，61］。HKT的表達量可作為判斷依據，當作物面臨鹽脅迫時，通過觀察細胞吸收鉀離子養分含量多少，及時調整、改善高鹽帶來的危害。

3.2 CBLs-CIPKs協同緩解鹽脅迫分子機制

鹽脅迫的調控需要大量蛋白以及蛋白酶參與離子的跨膜運輸。植物中鈣調神經磷酸酶b樣蛋白（CBL）家族是一組獨特的鈣傳感器，通過與蛋白激酶（CIPKs）特異性的相互作用和調節，在鹽害環境中發揮著關鍵作用［62］。鹽脅迫等逆境阻礙時，CIPK家族與植物中對應的CBL蛋白相互作用引起特異反應［9］。

在擬南芥的耐鹽調控中，CBL4和CIPK24以及組織上的離子轉換器將Na＋運出胞質［63］，CBL10與CIPK24相互作用形成復合物，與部分液泡隔室共同抑制有害化學組分［41］；CBL1-CIPK1和CBL3-CIPK3相互作用形成復合體，在質膜上有選擇地抑制鹽害［62］。

ZmCIPK21基因轉入擬南芥突變體cipk1-2增強了鹽敏感性表型的抗鹽能力，ZmCIPK21的過度表達減少Na＋的積累，并保留相對高的K＋含量，從而提高玉米對鹽害的耐受性；ZmCIPK12與CBL4或CBL8互作結合為復合體的同時，磷酸化ZmPPase4，作用鹽害環境胞內H＋調節的滲透勢，保持植物體內的Na＋／K＋穩定動態比［9］。總體來說，基因水平上，鹽脅迫的調節機制比較復雜，擬南芥響應鹽脅迫的相關分子機制的探究已經比較詳盡，而玉米響應逆境脅迫的機制還需要進一步探究。

4 問題與展望

以上研究顯示，鹽脅迫環境下玉米通過多元醇類物質、激素、鉀轉運體以及蛋白互作過程調節，使玉米胞內Na＋／K＋比穩定，化解逆境脅迫。玉米從生理到分子水平的生物進程，體現了玉米受到鹽脅迫時的復雜應答機制。玉米從遭受鹽害到調節自身內源物質、多重角度做出反應，以保證生命活動與營養物質供給，從而完成生活史。

目前有關擬南芥響應鹽脅迫的分子機制研究已較為深入，但玉米對鹽脅迫的應答機制研究還有待加深。有關鉀轉運體HKT、HAK對Na＋外排的功能研究主要集中在擬南芥等植物上，其中擬南芥ATHKT1與MAP有關的激酶通路已被鑒定，但在玉米應答鹽脅迫過程中，鉀轉運體系統信號轉導過程，以及代謝途徑還需進一步研究［4，59］。

鹽漬化土地逐年增多，玉米等作物受到的鹽堿脅迫逐年惡化，如何充分調動植物內外源物質的利用效率、減少鹽害，是我們必須面對和亟待研究的課題。我們可以多角度從玉米種子的耐鹽性入手，以種子萌發以及后續生長狀態作為研究鹽脅迫的新方向［54］。培育高產耐鹽玉米更是解決該問題的有效途徑之一。