松嫩平原耐鹽堿植物蒙古柳研究進(jìn)展

崔皓鈞 何 青 劉 琳 馬書榮

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/東北鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040）

土地鹽堿化是世界范圍內(nèi)備受關(guān)注的環(huán)境問題。松嫩平原是世界三大片蘇打鹽堿地集中分布區(qū)域之一，鹽堿化土地面積不斷增長[1-2]，鹽堿化程度也不斷加劇，造成了良田減產(chǎn)、草地退化、生態(tài)環(huán)境破壞，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟發(fā)展。因此，利用地表植物來恢復(fù)鹽堿化區(qū)域的生產(chǎn)能力成為人們關(guān)注的熱點。植物為了在不利條件下生存已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的耐逆機制，在高鹽堿土壤中生長的植物更為突出。研究植物的耐鹽機制有助于更好地篩選耐鹽植物，為鹽堿地改良和利用提供重要資源。

蒙古柳（Salix linearisttpularis（Franch.） K.S.Hao）又名筐柳，是楊柳科（Salicaceae）柳屬的落葉叢生灌木或小喬木，多生于河邊、半干旱地區(qū)及鹽堿地上，以種子或柳條扦插繁殖。蒙古柳主要分布于我國東北、內(nèi)蒙古、陜西，以及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)、蒙古等地[2-3]，是一種自然分布于中國東北松嫩平原鹽堿地中的少見木本植物。蒙古柳對鹽堿性土壤具有較強的適應(yīng)性，是防風(fēng)、固沙和園林綠化的良好樹種[4]，也可作為改良鹽堿地的綠化造林樹種，具有較高的生態(tài)經(jīng)濟價值。

本研究就蒙古柳的最新研究成果進(jìn)行總結(jié)，從蒙古柳的生物學(xué)特征、耐鹽堿機理、改良鹽堿土壤機理等方面進(jìn)行梳理歸納，旨在闡述蒙古柳耐鹽的分子機制，從而為耐鹽堿植物分子育種、鹽堿地的生態(tài)利用及修復(fù)提供參考。

1 蒙古柳的生物學(xué)特征

1.1 雌雄株形態(tài)結(jié)構(gòu)特征

蒙古柳為典型的雌雄異株植物，屬于異花傳粉類型，可以根據(jù)花序和雌雄花來判斷植株的雌雄性別，雌雄株在葉片形態(tài)和花芽分化上的差異較大[5]。在葉片形態(tài)上，雄株的葉片面積和質(zhì)量均大于雌株；雌株葉片表皮毛更長，氣孔開度更大；雌株葉片的脯氨酸、丙二醛和葉綠素含量均較高，而相對電導(dǎo)率和可溶性糖含量則低于雄株。在花芽分化上，雌雄株的花芽初期、花芽發(fā)育期、花芽成熟期和花序期均不同，這些指標(biāo)可以作為區(qū)分蒙古柳雌雄株的重要因素之一。蒙古柳雄花由花藥和細(xì)長的花絲組成，雌花由二裂的柱頭、較短的花柱以及子房等3個部分組成，雌花有蜜腺且花序較雄花序長[6]。與許多雌雄異株植物相似，蒙古柳雌雄株在形態(tài)、生理、遺傳以及環(huán)境適應(yīng)性等方面存在差異，如樹冠形狀、花芽形態(tài)、葉片結(jié)構(gòu)和鹽堿適應(yīng)策略等。

1.2 種子萌發(fā)特征

蒙古柳種子極小，有冠毛，長圓柱形，種子由種皮和胚組成，糖類、脂類和蛋白類等物質(zhì)含量較高[7]。種子無休眠現(xiàn)象，萌發(fā)速度快，當(dāng)天散出的種子遇到水分后24 h內(nèi)萌發(fā)；種子吸水速率快，30 min內(nèi)吸水量達(dá)到200%[8]。蒙古柳種子萌發(fā)率高但壽命短，成熟種子常溫45 d后發(fā)芽率為3%，低溫儲存可延長種子壽命，冷藏一年后種子發(fā)芽率為50%左右[6]。

環(huán)境因子影響蒙古柳種子萌發(fā)，其中水分是影響種子萌發(fā)的重要因素。此外，溫度、光照強度和種子貯藏條件也能影響種子萌發(fā)。鹽堿地土壤條件限制了蒙古柳種子的自然萌發(fā)。為了獲得更高質(zhì)量的蒙古柳植株，研究人員通過組織培養(yǎng)與快速繁殖的方式獲得優(yōu)質(zhì)苗木[9]。Guan等[10]初步建立了蒙古柳遺傳轉(zhuǎn)化體系，以蒙古柳葉片作為外植體，經(jīng)過不定芽分化和不定根誘導(dǎo)，獲得蒙古柳再生植株，再經(jīng)過轉(zhuǎn)染質(zhì)粒獲得轉(zhuǎn)基因植株，為后期蒙古柳耐逆分子機理研究奠定了基礎(chǔ)。

2 蒙古柳的耐鹽堿機制

2.1 耐鹽堿生理反應(yīng)機制

蒙古柳具有耐鹽堿特性。在同一生長條件下，適當(dāng)?shù)柠}堿處理后蒙古柳能維持此前的生命狀態(tài)，甚至在某些指標(biāo)上表現(xiàn)出促生作用，植物葉片的光合效率、實生苗的生長發(fā)育指標(biāo)、氣孔形態(tài)和葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)均表明蒙古柳植株具有耐鹽堿特性[11]。對蒙古柳扦插苗進(jìn)行相同的處理，發(fā)現(xiàn)蒙古柳扦插苗對鹽堿的反應(yīng)特性與實生苗一致，一定的鹽堿濃度促進(jìn)了蒙古柳植株的生長，且雌株對鹽堿的耐受程度高于雄株[12]。在鹽堿混合脅迫下，處理組蒙古柳植物的種子發(fā)芽率、Na+外排率、葉片光合指標(biāo)以及葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)較對照植株更好，植株對鹽堿的耐受性更強[7]。鹽堿脅迫與干旱脅迫同時危害植物生長，蒙古柳能夠通過提高植株葉片中的脯氨酸含量來調(diào)節(jié)高鹽帶來的滲透脅迫[13]。此外，蒙古柳還能通過改變抗氧化酶活性、增大氣孔導(dǎo)度、改變?nèi)~片中的葉綠素含量來促進(jìn)鹽堿脅迫下的植株生長，提高植物抗性。除鹽堿脅迫外，其他逆境脅迫也會使蒙古柳的生理指標(biāo)發(fā)生變化。人為施加干旱、氧化和鹽漬3種脅迫，蒙古柳葉片的電導(dǎo)率和丙二醛含量在低脅迫下幾乎不發(fā)生變化，在高脅迫下顯著降低[14]，說明蒙古柳能夠通過改變機體的丙二醛含量和電導(dǎo)率來提高抗逆性。尿素代謝也是蒙古柳適應(yīng)高鹽堿環(huán)境的重要因素之一，通過阻斷尿素生成途徑，能夠有效緩解蒙古柳在鹽堿環(huán)境中的萎蔫情況，改善植株生長狀況[15]。

2.2 耐鹽堿分子作用機理

蒙古柳植株含有WRKY28基因，該基因與植物的抗逆性呈正相關(guān)性。研究人員通過對蒙古柳中的WRKY28基因表達(dá)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)蒙古柳雌性植株中WRKY28基因的表達(dá)量隨鹽堿脅迫的增加而增加，蒙古柳能夠通過調(diào)節(jié)耐鹽堿相關(guān)基因的表達(dá)量影響植株的耐鹽堿特性[16-17]。Nan等[18]對蒙古柳轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)蒙古柳中第22條途徑N-DEGs與擬南芥的DEGs途徑重合度較高，研究人員能夠通過挖掘這些重合基因，獲得可能與蒙古柳耐鹽堿相關(guān)的一些基因。韓雪[19]通過建立山新楊的再生體系，獲得了218株蒙古柳FOX山新楊的抗性植株，從這些植株中篩選獲得了2個抗NaCl和2個抗NaHCO3的山新楊抗性品種，為后續(xù)蒙古柳抗性相關(guān)基因的篩選提供了研究材料。有學(xué)者研究了蒙古柳耐鹽堿功能基因，利用擬南芥獨立體系的建立和蒙古柳金屬硫蛋白（SlMT2）功能的驗證，發(fā)現(xiàn)SlMT2轉(zhuǎn)基因擬南芥在鹽堿脅迫中抗性明顯高于對照組[20-21]。蒙古柳金屬硫蛋白基因的過表達(dá)能顯著增強擬南芥植株對逆境的抗性。蒙古柳雌雄株的基因表達(dá)存在差異，在鹽堿脅迫下，其基因表達(dá)差異更加明顯。孫亞軍[22]分析了蒙古柳雄花芽和雌花芽的特異表達(dá)基因，獲得雌雄花芽的特異表達(dá)基因和共表達(dá)基因，其中雌雄花芽中耐鹽相關(guān)基因表達(dá)差異明顯。由此可知，雌雄株對鹽堿的耐受性不同。從蒙古柳根部和葉片中克隆到SaRUB基因[23]，轉(zhuǎn)擬南芥后，在鹽堿脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因擬南芥根長和鮮重明顯高于野生型和突變體，氧化脅迫后，轉(zhuǎn)基因擬南芥體內(nèi)ROS及H2O2含量明顯低于野生型和突變體。可見，SaRUB參與離子平衡、滲透調(diào)節(jié)及ROS清除等過程，在鹽堿適應(yīng)過程中發(fā)揮著重要作用。在Na2CO3脅迫下，在蒙古柳幼苗葉片中發(fā)現(xiàn)154種差異蛋白質(zhì)[24]，這些蛋白質(zhì)主要參與了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、膜轉(zhuǎn)運、ROS穩(wěn)態(tài)、脅迫防御、碳與能量代謝以及光合作用等過程。

2.3 根部微生物作用機理

蒙古柳根系有許多菌根真菌，這些真菌可能與蒙古柳耐鹽堿性有關(guān)。Ishida等[25]調(diào)查了安達(dá)鹽堿地蒙古柳的外生菌根真菌群落，鑒定出11種菌根真菌，這些真菌不僅提高了蒙古柳耐鹽堿性，而且改善了土壤鹽堿性。石美玉[26]對蒙古柳外生菌根真菌資源進(jìn)行調(diào)查，通過對蒙古柳菌根形態(tài)、直徑、長度、顏色和菌根顯微結(jié)構(gòu)的觀察分析，篩選出17種類型的外生菌根，分別歸類于5目7科7屬。其中，優(yōu)勢菌種Tomentella fuscocinerea能夠提高宿主植物的抗逆性，增強植物根系的營養(yǎng)吸收作用。有研究者分別對安達(dá)鹽堿地堿茅、蒙古柳、山新楊等3種植被分布區(qū)土壤真菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行分析，在屬的分類水平上，3個植被分布區(qū)的優(yōu)勢菌屬有附球霉屬、地孔菌屬和內(nèi)囊菌屬；在種的分類水平上，山新楊區(qū)的優(yōu)勢菌種是白錦絲蓋傘菌，蒙古柳區(qū)和朝鮮堿茅區(qū)的共同優(yōu)勢菌種是枝孢霉[27]；與其他2個植被分布區(qū)相比，蒙古柳分布區(qū)土壤真菌的均勻度較高、豐富度小，說明蒙古柳分布區(qū)的微生物豐富度最高，多種微生物可能參與了蒙古柳鹽堿適應(yīng)過程。

3 展望

蒙古柳是松嫩平原鹽堿地上自然生長的木本植物，也是非常重要的鹽堿地野生植物資源，具有較強的鹽堿適應(yīng)性，在改良鹽堿土壤、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境中具有巨大的潛力和應(yīng)用價值。蒙古柳的耐鹽堿機制是一個非常復(fù)雜的過程，目前有關(guān)人員已經(jīng)從種子萌發(fā)、生長發(fā)育、生理生化及分子生物學(xué)等多個方面對蒙古柳耐鹽堿特性進(jìn)行了解析。但是，還有很多機理尚不清楚，關(guān)于蒙古柳的耐鹽堿機理更深層的基礎(chǔ)研究還不多。今后應(yīng)加強以下2個方面的研究：一方面，利用代謝組學(xué)等多組學(xué)手段深入研究蒙古柳的耐鹽堿機理，進(jìn)一步挖掘蒙古柳的抗逆功能基因，加強蒙古柳的分子育種研究；另一方面，利用土壤微生物與植物根部形成的促生關(guān)系，深入研究土壤微生物對宿主植物耐鹽性的促進(jìn)機制，充分利用鹽堿地微生物資源，篩選優(yōu)良促生菌種，深入研究植物—菌種共生體響應(yīng)鹽脅迫的特異信號傳導(dǎo)和代謝途徑，為發(fā)展蒙古柳在鹽堿地上規(guī)模化造林提供依據(jù)。蒙古柳能改良鹽堿土壤、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)林發(fā)展，具有重大的經(jīng)濟價值和生態(tài)效應(yīng)。