鹽堿脅迫對果樹的危害及其分子機理研究進展

郝蘭蘭 李小蘭 王鴻

摘要：鹽堿脅迫是影響果樹生長發育最嚴重的限制因子之一。果樹受鹽堿脅迫后根系生長受阻、葉片變小、發育遲緩，造成植株矮化、早衰甚至死亡。從細胞膜透性、POD、SOD等生理特性方面分析了果樹對鹽堿復合脅迫的響應機制，多角度分析了果樹抗鹽堿的分子機理。

關鍵詞：果樹;鹽堿脅迫;生理特性;分子機理

中圖分類號：S156.4? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）03-0001-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.03.001

Research Progress on Response Mechanism of Fruit Trees Under Saline

Alkali Stress

HAO Lanlan 1，2， LI Xiaolan 1，2， WANG Hong 1，2

（1. Institute of Fruit and Floriculture Research， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. College of Horticulture， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：Salt-alkali stress is one of the most serious limiting factors affecting the growth and development of fruit trees. The root growth of fruit trees under salt-alkali stress was blocked， leaves became smaller， growth retarded， resulting in plant dwarfing， premature senility and even death. In this paper， the response mechanism of plants to salt-alkali combined stress was analyzed from the aspects of osmotic regulation， cell membrane permeability、 POD、 SOD、 etc. And the molecular mechanism of salt-alkali resistance of fruit trees was summarized from various angles.

Key words：Fruit tree;Salt and alkali stress;Physiological characteristic;Molecular mechanism

果樹是重要的經濟樹種，中國是世界上水果種植面積和產量均居首位的國家，果樹產業產值居種植業的第3位[1 ]。在鹽堿地上發展果樹生產既能充分利用鹽堿地，又能取得一定經濟收益，但土壤鹽堿化制約著果樹產業的可持續發展。西北黃土高原地區以鹽分較多的黑壚土為主，生產中長期不合理的灌溉及單施化肥造成土壤中鹽分增大，若遇洼地，水分蒸發后留下鹽分，長期的積累便形成鹽堿區。目前，西北黃土高原地區70%以上的土壤是含NaCl與NaHCO3的高pH鹽堿土[2 ]，且由于生產栽培中化肥過度使用、有機肥匱乏，土壤次生鹽漬化問題日趨蔓延，導致果樹樹體養分嚴重失衡、果實品質逐漸下降，嚴重限制著果樹產業的發展。研究果樹響應鹽堿脅迫的生理特性與分子機理，對西北地區果樹生產具有極其重要的意義。

1? ?鹽堿脅迫對果樹的危害

1.1? ?鹽堿脅迫對果樹生長發育的影響

近年來，國內外專家逐漸關注不同植物應對鹽堿脅迫的響應情況。鹽堿脅迫是復雜的脅迫，鹽脅迫會引起膜脂過氧化，改變細胞膜通透性，進而影響植物的生長發育和形態結構[3 ]。堿脅迫會誘發高pH脅迫，打破根系周圍離子平衡，破壞根際結構，阻塞養分運輸。張艷萍等[4 ]研究表明，鹽脅迫可以破壞滲透平衡系統，抑制養分吸收，嚴重影響植物生長。除此之外，Yang等[5 ]發現，高pH也會打破離子穩態和滲透系統，對果樹生長發育產生影響。鹽堿脅迫還會破壞植株的光合系統，減弱PSII 對光合電子傳遞速率和光能的吸收利用，導致光合作用減弱、葉片衰老，引起各種代謝途徑的失調[6 ]。以往國內外的研究主要以NaCl處理為熱點，但在鹽堿地中鹽和堿同時對植物造成傷害，某一種鹽脅迫或堿脅迫并不能完全解釋植株所處的真實生境。為了應對逆境條件，植株體內會啟動一系列生化途徑及適應性反應來應對脅迫，這些反應有助于滲透物質的生成、離子穩態的調控、活性氧（ROS）清除系統和維護及激素和防御代謝物的合成。

1.2? ?鹽堿脅迫對果樹組織的影響

葉片是果樹感受外界脅迫最敏感的器官，也是光合作用和能量轉換的主要部位，其顯微結構特征能在一定程度上反映抗逆性的強弱[7 ]。劉佳 等[8 ]發現，山桃柵欄組織發達、海綿組織緊密，在堿脅迫處理下其葉片上表皮和角質層變厚，能更好地適應堿脅迫。在鹽脅迫下葡萄葉片柵欄組織與海綿組織比值變大，且二者的細胞間隙疏散[9 ]。張德等[10 ]發現，不同蘋果砧木在100 mmol/L NaCl處理40 d后，葉片各組成部分均明顯變薄，而抗性較強的蘋果砧木垂絲海棠‘9-1-6 海綿組織厚度和葉肉組織結構疏松度（SR）均顯著高于抗性弱的山定子。此外，Hargrave 等[11 ]研究發現，植株木質部栓塞的形成一般受導管及周圍薄壁細胞的影響。孫文泰等[12 ]認為，根系是能最先感應到外界脅迫并能及時調整其他各部分做出相應反應的器官。劉正祥等[13 ]研究發現，沙棗適應鹽脅迫的機制主要為根系拒鹽、地上組織耐鹽，并且主要通過根系補償生長效應、根系對Na+的限制與聚積、冠層組織對Na+的忍耐來協同實現。適量的鹽濃度會促進果樹正常生長和營養物質運輸，而超過一定范圍的鹽溶液，則嚴重影響根系生長，抑制養分合成運輸，導致果樹死亡。

1.3? ?鹽堿脅迫對果樹細胞膜透性的影響

在鹽脅迫下，果樹細胞膜透性會升高，從而破壞植物體的滲透平衡。通常情況下，耐鹽堿能力比較強的果樹，其細胞膜的穩定性比較好，容易保持細胞膜組織的穩定性，而耐鹽性差的果樹則相反[14 ]。尤超等[15 ]研究表明，鹽處理能使無花果葉片質膜透性增加，且增加幅度與品種耐鹽性呈負相關。此外，鹽脅迫也使沙棗、葡萄愈傷組織和葉片的細胞膜透性增加[16 - 17 ]。膜透性和膜質過氧化MDA含量有關。在對沙棗的研究中發現，MDA增加需要的鹽脅迫濃度較高，一般需要達到0.5%以上， 而膜相對透性顯著增加是時NaCl的濃度僅在0.3%， 說明膜透性增加與膜脂過氧化有? 關[16 ]。在草莓上的研究結果證實， 膜質過氧化作用增強導致葉片細胞膜透性增加[18 ]。因此，膜透性變化的主要原因是鹽脅迫下導致果樹細胞膜過氧化作用增強，加上鹽脅迫可以導致果樹老化，細胞膜透性增加是鹽脅迫直接導致的后果。

1.4? ?鹽堿脅迫對果樹各種酶的影響

在長期的鹽堿脅迫下，果樹所有組織細胞均不同程度產生ROS、H2O2和OH-等，而過量的ROS會破壞細胞結構，抑制植株正常生長。大量的研究表明，滲透調節是果樹維持滲透平衡及適應脅迫環境的主要生理機制，其可通過合成大量的滲透調節物質，減少氧化脅迫，維持細胞的滲透平衡。武沖等[19 ]通過對石榴的研究發現，鹽脅迫下脯氨酸和可溶性糖的積累有利于果樹組織的滲透調節，從而減輕脅迫的危害。Guo等[20 ]研究表明，甜菜堿作為主要的滲透調節物質可以穩定蛋白質結構和高度有序的膜態，降低脂質過氧化。除此之外，Rangani等[21 ]也發現，一些次級代謝產物，包括類胡蘿卜素、類黃酮和抗氧化酶等也可以抵抗鹽堿脅迫帶來的傷害。抗氧化酶系統是植物適應逆境的重要反應機制，植物通過抑制過量的ROS誘發的次級脅迫，激活抗氧化酶系統中的各種酶活性升高，合成一些抗氧化酶如SOD和POD等，消除多余的ROS，提高植物的抗逆性[22 ]。研究發現，葡萄應對較高濃度鹽堿脅迫時，抗氧化酶系統中的POD表現極顯著[23 ]。Gupta等[9 ]指出，鹽堿復合脅迫對一些抗氧化酶如SOD和POD等活性影響相似，即鹽濃度增加后均呈先增后降趨勢，植物自身會形成一系列抵抗脅迫的適應性反應，這些反應有助于重建離子、滲透和ROS的穩態。

2? ?果樹響應鹽堿脅迫的分子機理

2.1? ?響應鹽堿脅迫的信號通路

植物通過調控復雜的信號網絡來應對鹽堿脅迫。SOS（Salt Overly Sensitive）信號途徑是已被發現的植物耐鹽性的重要信號通路，鹽過度敏感的SOS信號通路通過將鈉離子擠壓到質外體中，在維持離子穩態中發揮著關鍵作用[24 ]。Zhu等[25 ]通過對擬南芥突變體進行篩選，獲得了28個SOS1突變體、9個SOS2突變體和1個SOS3突變體，分析表明，隨著Na+濃度增大，Ca2+濃度也會增加，而Ca2+會影響Na+的轉運，增大或降低Na+在不同部位中的濃度，緩解Na+脅迫造成的K+外流。因此，Ca2+主要通過SOS信號傳導途徑來調控的Na+/H+ [26 ]。Na+脅迫會誘導植物體細胞中Ca2+濃度增加，這個信號主要由SOS3基因編碼的鈣結合蛋白感應到，同時SOS3可以在激活絲氨酸/氨酸蛋白激酶SOS2后與之結合，能調控SOS1的表達。質膜Na+/H+逆向轉運蛋白的編碼與SOS1有關，并當SOS1、SOS2與SOS3共同表達時，對植株影響比SOS1單獨表達時的影響大，均可不同程度提高抗性[27 ]。有絲分裂原活化蛋白激酶（MAPK）級聯參與植物鹽脅迫信號傳導反應?；谛蛄邢嗨菩?，擬南芥基因組中編碼60個MAPKKKs、10個MAPKKs和20個MAPKs[28 ]。擬南芥AtMKK9通過MKK9-MPK3/MPK6級聯反應調控乙烯合成增強了幼苗對鹽的敏感性， 使幼苗下胚軸的生長受阻， 外源添加乙烯合成抑制劑可解除該影響[29 ]。此外，陸勝波[30 ]發現，在核桃幼苗根系樣品轉錄組發現鈣信號通路，類黃酮、脂肪酸以及其他次級代謝物的生物合成等代謝通路均可響應鹽脅迫。通過提升轉錄因子的調節能力是增強果樹耐鹽性的有效途徑之一。

2.2? ?響應鹽堿脅迫的轉錄因子

基因的轉錄水平調控是植物響應逆境脅迫中重要過程，植物中許多功能基因的表達受逆境脅迫誘導或抑制，目前發現一些轉錄因子參與這些調控過程[31 ]。已經從不同物種中篩選出與調控鹽脅迫一系列相關的表達基因，如轉錄因子bZIP、MYB、DREB、NAC等。bZIP是最保守的一類轉錄因子，對植物在逆境下的基因表達調控具有重要作用。Choi等[32 ]用酵母One-Hybrid的方法， 克隆了擬南芥ABF/AREB bZIP類轉錄因子，主要參與ABA、干旱、高鹽、熱和氧化脅迫等的應答反應。MYB轉錄因子主要參與調控植物細胞周期、器官形態建成、次生代謝以及對逆境脅迫反應的應答[33 ]。甜櫻桃PacMYBA基因受高鹽、SA、JA誘導表達，在擬南芥中超表達該基因，提高了轉基因植株對高鹽的抗性，說明PacMYBA通過上調這些鹽脅迫基因的表達來提高轉基因植株的耐鹽性[34 ]。此外，Wang等[35 ]研究發現，蘋果的MdSIMYB1在植物中超表達也能夠提高轉基因植株的耐鹽能力。DREB轉錄因子它在植物中對干旱、高鹽及低溫脅迫的分子反應起著重要的調控作用[36 ]。付曉燕等[37 ]研究發現，八棱海棠植株在高鹽溶液脅迫下誘導基因的表達。NAC轉錄因子是植物中特有的一類轉錄因子，影響植物的生長發育 [38 ]。在鹽脅迫條件下，蘋果MdNAC047直接與乙烯啟動子結合并激活其轉錄，增加了乙烯反應基因的表達，從而增強了蘋果對鹽脅迫的耐受性[39 ]。

3? ?展望

鹽堿脅迫是非常復雜的生理生態學問題。果樹抗鹽堿性受多因素影響，僅從生理代謝方面研究難以解決果樹這一高度雜合資源抗鹽差異的機理。為深入了解果樹對鹽堿脅迫的響應和緩解機制，對于鹽漬化果園土壤改良途徑和方法研究應用及優質果品的持續穩定生產具有十分重要的意義。因此，結合轉錄組、代謝組學、表型組學、基因編輯以及全基因組學等技術，分離鑒定影響鹽離子吸收、運輸、轉運、分配等有關基因，并通過調節基因的表達來提高果樹的耐鹽堿能力，不僅有助于培育耐鹽堿果樹良種，更為我國鹽堿地的果樹改良和治理提供理論基礎，具有重大的科技與經濟效應。

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收稿日期：2021 - 12 - 23 ;修訂日期：2022 - 02 - 06

基金項目：國家自然科學基金項目（31760558）;國家現代農業產業技術體系項目（CARS-30-1-6）。

作者簡介：郝蘭蘭（1997 — ），女，甘肅莊浪人，碩士在讀，研究方向為果樹栽培生理。聯系電話：（0）18298369654。Email：3312361973@qq.com。

通信作者：王? ?鴻（1973 — ），男，甘肅靈臺人，研究員，研究方向為桃種質資源挖掘利用與遺傳改良。Email：wrh991130@126.com。