植物鹽脅迫及其抗性生理研究進展

1、植物鹽脅迫及其抗性生理研究進展李藝華1羅麗2(1、漳州華安縣科技局華安 363800 2、福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院福州 350002摘要:鹽脅迫是制約農(nóng)作物產(chǎn)量的主要逆境因素之一。本文綜合了幾年來植物鹽脅迫研究的報道,對鹽脅迫下植物生理生化和生長發(fā)育變化、植物自身生理系統(tǒng)的響應(yīng)以及增強植物抗鹽脅迫的方法進行綜述和討論。關(guān)鍵詞:植物抗鹽脅迫生理中圖分類號:Q945.7 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:10062327(200603004604鹽脅迫是目前制約農(nóng)作物產(chǎn)量的主要逆境因素之一1,既有滲透脅迫又有離子脅迫2。隨著土壤鹽漬化面積的擴展,許多非鹽生植物因受鹽脅迫而導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)的快速下降,已成為中國西

2、北部和沿海地區(qū)迫切解決的難題。迄今,植物鹽脅迫這方面有較多的研究報道,多數(shù)側(cè)重于某一植物或是植物某一生長階段耐鹽脅迫性與抗鹽脅迫性的研究,缺少對植物抗鹽脅迫有一個較為系統(tǒng)的綜合闡述。鑒于植物抗鹽脅迫的研究面的廣泛性和分散性,本文綜合了幾年來抗鹽脅迫研究報道,對植物抗鹽脅迫的生理機制做一個綜合闡述,為闡明植物對鹽脅迫的反應(yīng)機制提供一個較系統(tǒng)的理論依據(jù)。1 鹽脅迫對植物生理生化和生長發(fā)育的影響鹽脅迫對植物生理生化的影響可分為三方面:離子毒害、滲透脅迫和營養(yǎng)虧缺。離子毒害作用包括過量的有毒離子鈉和氯對細胞膜系統(tǒng)的傷害,導(dǎo)致細胞膜透性的增大,電解質(zhì)的外滲以及由此而引起的細胞代謝失調(diào);滲透脅迫是由于根系

3、環(huán)境中鹽分濃度的提高、水勢下降而引起的植物吸水困難;營養(yǎng)虧缺則是由于根系吸收過程中高濃度Na和Cl 離子存在,干擾了植物對營養(yǎng)元素K、Ca和N的吸收,造成植物體內(nèi)營養(yǎng)元素的缺乏,影響植物生長發(fā)育1。大量試驗結(jié)果表明,鹽脅迫不同程度地影響植物的光合作用、呼吸作用和滲透作用,影響植物的同、異化功能3,當(dāng)鹽分濃度超過植物葉片耐鹽閥值或達到葉片致死鹽量時,植物常表現(xiàn)出萎蔫或枯死狀態(tài)4。2 植物對鹽脅迫的生理響應(yīng)2.1 植物液泡膜質(zhì)子泵的響應(yīng)植物細胞液泡膜上存在兩類質(zhì)子泵,即液泡膜H+ ATPase(VATPase和H+PPase (V-PPase,分別利用ATP和Ppi水解的自由能建立跨膜的質(zhì)子電化學(xué)

4、勢梯度,參與各種溶質(zhì)的轉(zhuǎn)運,維持液泡的正常功能。趙利輝等研究了大麥幼苗根系液泡膜質(zhì)子泵對苗的發(fā)育和鹽脅迫的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下VATPase 活性升高,體現(xiàn)了VATPase對鹽脅迫有一定的適應(yīng)能力。目前有關(guān)V-PPase對鹽脅迫的反應(yīng)有兩種觀點:一是認為NaCl誘導(dǎo)V-PPase活性的升高;另一種觀點認為NaCl對V-PPase有抑制作用。針對上述不同觀點,我們看一下實驗例子,趙利輝等比較了耐鹽性不同的兩個大麥品種鑒4、科品7號V-PPase對不同濃度NaCl的反應(yīng),發(fā)現(xiàn)耐鹽的鑒4在兩種鹽濃度下根系、葉片V-PPase活性均上升,而不耐鹽的科品7號根系、葉片V-PPase活性均下降;說明不同植物

5、品種的耐鹽性存在差異可能與彼此液泡膜V-PPase與細胞內(nèi)離子平衡或基因表達有關(guān),對鹽脅迫產(chǎn)生不同的生理響應(yīng)。而其他研究者用50mmol/LNaCl處理的胡蘿卜細胞V-PPase在10d 內(nèi)較對照增加一倍;用80mmol/LNaCl處理的歐亞槭細胞V-PPase也成倍增加;而有些研究報道,200 mmol/LNaCl處理的大麥根V-PPase的活性是對照的一半5-6,這說明一定濃度的鹽處理會提高V-PPase的活性,而高鹽處理卻會降低V-PPase的活性,這是由于高鹽脅迫導(dǎo)致細胞內(nèi)Na 水平的升高,對V-PPase產(chǎn)生直接抑制作用的緣故。2.2 Ca2+ 及Ca2+-ATPase對鹽脅迫的生理

6、應(yīng)答鹽脅迫下植物體內(nèi)存在一系列信號傳遞途徑響應(yīng)環(huán)境刺激,誘導(dǎo)植物發(fā)生生理變化,從而使植物獲得抗鹽性。已有研究結(jié)果證實了當(dāng)土壤水分虧缺時,根系能迅速合成ABA并通過木質(zhì)部隨蒸騰流運到地上部,調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉和引起某些相關(guān)基因的表達。根據(jù)郭秀林等研究,滲透脅迫下根及葉片中ABA含量增加,根部先于葉片;在同等滲透脅迫條件下,外源Ca2+ 濃度越小,根系中ABA含量增加越多7。有研究表明:ABA在調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉、誘導(dǎo)鈣依賴蛋白激酶產(chǎn)生以及對某些酶和基因的調(diào)控都46有利于植物增強抗鹽性。ABA引起的信號傳遞途徑有Ca2+ /Ca M依賴型和Ca2+ /Ca M不依賴型。Ca2+-ATPase將胞質(zhì)中的Ca2+

7、 泵運到胞質(zhì)外,維持了胞質(zhì)中Ca2+ 的穩(wěn)態(tài)平衡,而胞質(zhì)中的穩(wěn)態(tài)平衡是細胞生理活動得以正常進行的必要條件。Peres-Prat 等在以煙草懸浮細胞為材料的鹽脅迫實驗中,發(fā)現(xiàn)耐鹽脅迫品種的Ca2+-ATPase水平和Ca2+ -ATPase的基因表達都會提高8;Winners 等也觀察到鹽脅迫迅速提高Ca2-ATPase的mRNA水平9;另外Chen 等還發(fā)現(xiàn)Ca2+ -ATPase過分表達后,能替代GA3 作用,會誘導(dǎo)a-淀粉酶合成和促進分泌系統(tǒng)工作10。表明Ca2+-ATPase對植物處于鹽脅迫的逆境條件下會顯示一定的逆境應(yīng)答功能。2.3 植物葉片中光合作用的變化影響植物光合的因子可分成兩大

8、類,即氣孔限制和非氣孔限制11,12。鹽脅迫對植物造成的傷害是多方面的,它可以打破植物的養(yǎng)分平衡,對植物光合作用造成種種不利影響13,14。因不同植物或植物的不同發(fā)育階段,其光合作用對鹽脅迫敏感度各不相同15。以葉片為例,一般說來,如果脅迫使氣孔導(dǎo)度減小而葉肉細胞仍在活躍地進行光合時,胞間CO2濃度(Ci應(yīng)有明顯下降,氣孔限制值(Ls升高,這種情況是典型的氣孔限制所致。反之,如果葉肉細胞本身光合能力顯著降低,即使在氣孔導(dǎo)度較低的情況下,Ci也有可能升高,或者不變,此時Ls值下降16。大量實驗表明,在NaCl脅迫下,葉片的凈光合速率(Pn、氣孔導(dǎo)度(Gs明顯降低,Ci升高,Ls下降。說明非氣孔限

9、制成了光合降低的主要因素16,17。2.4 植物葉片內(nèi)源多胺含量的變化NaCl脅迫下植物內(nèi)源腐胺(Put和鈉含量明顯增加,亞精胺(spd、精胺(spm和鉀含量顯著降低,生長受到抑制?，F(xiàn)已證實,耐鹽的作物多胺類化合物含量較高18,植物體內(nèi)的多胺對NaCl 脅迫的反應(yīng)十分敏感,并隨著NaCl脅迫的加強, Put/(spd+spm值上升,Na+ 含量明顯增加,K+ 含量和植物生長顯著下降。表明在鹽脅迫時植物內(nèi)源多胺與離子代謝及生長之間可能存在一定關(guān)系8。3 增強植物抗鹽脅迫性的方法3.1 滲透脅迫調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)基因表達對植物耐鹽性的影響迄今已有數(shù)十種植物被轉(zhuǎn)化并獲得了不同程度的耐鹽的轉(zhuǎn)基因植物,現(xiàn)已證實,

10、在轉(zhuǎn)基因植物中超量表達低分子量化合物如甘露醇、脯氨酸、芒柄醇等,能賦予植物抗?jié)B透脅迫的能力。Tarczynski 等曾于1993年報道,用細菌來源的mtlD基因來轉(zhuǎn)化煙草,使轉(zhuǎn)基因植物大量合成甘露醇,從而使轉(zhuǎn)基因煙草產(chǎn)生抗鹽特性19;而Thomas 發(fā)現(xiàn)甘露醇的積累增強了轉(zhuǎn)基因擬南芥種子在高鹽條件下的萌發(fā),而蘇金等證實了mtlD轉(zhuǎn)基因表達能提高轉(zhuǎn)基因水稻幼苗的抗鹽性20。這無疑都在說明一點甘露醇超量表達能提高植物的抗鹽能力。大量實驗證明,脯氨酸可提高植物細胞的滲透調(diào)節(jié)能力,在鹽脅迫條件下其過量積累能提高植物生物量并促進花的發(fā)育。蘇金等采用4個拷貝ABRCI(含有ABA誘導(dǎo)組件的水分脅迫誘導(dǎo)啟動

11、子引導(dǎo)的烏頭葉菜豆P5CS cDNA植物表達質(zhì)粒,并以水稻Act1組成型表達啟動子為對照質(zhì)粒,同時轉(zhuǎn)化水稻,證實脯氨酸的超量表達使轉(zhuǎn)基因水稻幼苗具有一定抗高鹽和抗脫水能力。更為重要的是,在土壤水分脅迫條件下(脫水和高鹽,誘導(dǎo)型啟動子引導(dǎo)的P5CS cDNA的超量表達使轉(zhuǎn)基因植株的生物量比含有組成型啟動子的植株有顯著提高?？鼓孓D(zhuǎn)基因誘導(dǎo)表達的優(yōu)點在于只有當(dāng)植物處于脅迫環(huán)境時,轉(zhuǎn)基因才高效表達;而在正常條件下,轉(zhuǎn)基因表達很弱或幾乎不表達,這更有利于轉(zhuǎn)基因植物的生長,因為一個轉(zhuǎn)基因的組成型超量表達將消耗植物體內(nèi)更多的能量和用于合成蛋白質(zhì)等生物大分子的組成成分,而這些能量與組分對于正常條件下的植物生長

12、也是必需的。同時,Xu等用編碼大麥LEA蛋白的HV A1基因轉(zhuǎn)化水稻,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因水稻具有更強的抗缺水和耐鹽能力。蘇金則觀察到轉(zhuǎn)錄因子Alfinl超量表達能增強轉(zhuǎn)基因苜宿的抗鹽性21?？子⒄涞葘⒏吡籇NA導(dǎo)入小麥“隴春13號”得到的耐鹽新品系89122,在鹽脅迫下保持較高的細胞色素途徑和較低的抗氰呼吸活性,可維持幼苗的正常能量代謝和植物生長量的積累,耐鹽性提高3。3.2 水楊酸與阿司匹林對植物抗鹽脅迫的作用水楊酸(SA及其類似物能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生許多抗鹽生理性狀,如誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉,降低葉片蒸騰強度,提高膜脂不飽和度,降低細胞內(nèi)電解質(zhì)的外滲,參與植物細胞線粒體抗氰呼吸和非磷酸化途徑。實驗發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下22

13、,外源一定合適濃度的水楊酸和阿司匹林(AP能夠相對提高植物胚乳內(nèi)a-淀粉酶、蛋白酶的活性以及可溶性糖,可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸的含量,從而提高植物種子發(fā)芽的數(shù)量、速度47和質(zhì)量。3.3 添加外源Ca2+對植物抗鹽性的影響Ca2+作為一種礦質(zhì)元素對植物生長發(fā)育有重要的作用,也是植物許多生理過程的調(diào)控者23。盧元芳在研究Ca2+對玉米幼苗抗鹽性的影響時,發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下補加Ca2+,能提高幼苗質(zhì)膜的穩(wěn)定性,降低可溶性糖和氨基酸含量,玉米生長受抑制現(xiàn)象得到緩解,鹽害效應(yīng)降低,幼苗抗鹽能力增強,與史躍林得出的添加外源Ca2+使鹽脅迫下的黃瓜幼苗抗鹽性增強的結(jié)論相一致24。Ca2+ 緩解鹽害的作用機理之一

14、是降低細胞內(nèi)Na、Cl離子含量和K+外滲,抑制了Na+、Mg2+的吸收。因此,對受鹽脅迫的植物外施適合濃度的Ca2+ 可以彌補Ca2+ 的不足,減輕植物的鹽害23,也可以作為一種刺激改變某些蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄過程誘導(dǎo)新的脅迫蛋白產(chǎn)生25,提高植物抗鹽性。但是,由于CaCl2本身也是一種鹽,所以過高濃度的Ca2+ 對植物發(fā)芽有抑制作用。3.4 外源NO供體對鹽脅迫下植物抗鹽的影響鹽脅迫對植物造成的損傷主要是滲透脅迫和離子毒害,這兩種結(jié)果會產(chǎn)生大量活性氧(ROS,從而對鹽脅迫下的植物生長和發(fā)育造成次生氧化損傷26。NO是植物體內(nèi)新發(fā)現(xiàn)的生物活性分子,參與了植物在生物及非生物脅迫下適應(yīng)性的提高27,已有

15、研究證明,外源NO供體能提高鹽脅下植物體內(nèi)一些酶(例:谷胱甘肽還原酶GR、過氧化氫酶CAT、抗壞血酸過氧化物酶APX等的活性28,緩解鹽脅迫下植物體內(nèi)抗壞血酸含量的下降,降低了植物內(nèi)因鹽脅迫而產(chǎn)生過量的活性氧,起到保護作用,提高植物抗鹽能力。4 問題與展望綜上所述,高鹽脅迫引起的一系列反應(yīng)主要是由于Na+和Cl-的過量積累破壞了植物細胞內(nèi)的營養(yǎng)平衡,降低了Ca、Mg和K元素含量,導(dǎo)致植物一系列生理功能失調(diào),影響物質(zhì)代謝和能量代謝,抑制植物生長、發(fā)育和其它生理功能的順利進行3。研究證實了VATPase在維持跨膜pH梯度方面起主導(dǎo)作用。Ca2+為植物第二信使系統(tǒng)的組分,在鹽脅迫時是ABA的信號途徑

16、之一;Ca2+-ATPase對植物處于鹽脅迫的逆境條件下會顯示一定的逆境應(yīng)答功能,能降低細胞內(nèi)Na+、Cl-含量和K+ 外滲,抑制植物對Na+、Mg2+的吸收,對V-PPase活性有保護作用?？梢酝ㄟ^添加水楊酸、阿司匹林、NO供體和Ca2+等外源物質(zhì)以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)等途徑來提高植物的抗鹽性。由于植物耐鹽性的機制十分復(fù)雜,僅從某一側(cè)面或某些層次去研究植物的耐鹽能力是遠遠不夠的,植物的耐鹽表現(xiàn)也多方面的。比如說,添加一些外源物質(zhì)可能對某一些植物的抗鹽性有一定的作用,有可能對一些植物沒有作用;而轉(zhuǎn)基因技術(shù)也存在品質(zhì)、產(chǎn)量和抗性間不協(xié)調(diào)現(xiàn)象以及被轉(zhuǎn)基因能否遺傳表達的問題等。這些都將成為進一步研究的問題。

17、參考文獻1、Zhu J K. Plant salt tolerance. Trends Plant Sci,2001(6:66-712、盧元芳,馮立田.NaCl脅迫對菠菜葉片中水分和光合氣體的影響.植物生理學(xué)通訊,1999,35(4:290-2923、孔英珍,周功克.鹽脅迫下導(dǎo)入外源DNA小麥新品系生理特性與呼吸途徑的變化.植物學(xué)報,2001,43(3:249-2554、汪貴斌,曹福亮,游慶方,等.鹽脅迫對4樹種葉片中Na+和K+的影響.植物生態(tài)學(xué)報,2001,25(2:235-2395、趙利輝,羅慶云.大麥幼苗根系液泡膜質(zhì)子泵對苗的發(fā)育和鹽脅迫的響應(yīng).植物生理學(xué)通訊,2001,37(2:95

18、-976、趙利輝,劉友良.液泡膜H PPase及其對逆境脅迫的反應(yīng).植物生理學(xué)通訊,1999,35(6:441-4457、郭秀林,劉子會,李運朝,等. Ca2+ / Ca M對滲透脅迫下小麥幼苗根和葉中ABA含量的影響.植物生理學(xué)通訊,2001,37(2:124-1258、Perez-Prat E, Narasimhan M L, Binzel M L, Botella M A, Chen Z, Valpuesta V, Bressan R A, Hasegawa P M .Induction ofa putative Ca2+ATPase mRNA in Nacl-adapted cells

19、. Plant Physical.1992(100:1471-14789、Wimmers L E, Ewang N N, Bennen A B.Higher plant Ca2ATPase; Primary structure and regulation of mRNA abundance by salt. Proc Nail Acad Set UAS.1992(89:9205-920910、Chen X, Chang M, Wang B, Wu B.Cloning of a Ca2ATPase gene and the role of Ca2 cytosolic in the gabber

20、ellin-dependent signaling pathway in aleurune cells. Plant J. ,1997(11:363-371-34312、Farquhar GD, Sharkey TD. Stomatal conductance and photo-synthesis. Annu Rev Plant Physiol,1982(33:317-34513、江行玉,竇君霞,王正秋.NaCl對玉米和棉花光合作用與滲透調(diào)節(jié)能力影響的比較J.植物生理學(xué)通迅,2001,37(4:303-30514、Bhivare V N,Nimbalkar J D.(下轉(zhuǎn)第27頁48第31卷

21、 福建熱作科技 V ol.31 No.3 第3期 Fujian Science & Technology of Tropical Crops 200627效化肥。每株施用堆漚腐熟花生麩肥1.5-2 kg ,并在回縮前7-10d 施用一次速效肥,每株施尿素1.5-2.5 kg ,促進樹體在疏縮修剪后迅速抽生新梢。以后每次抽梢前施促梢肥,每株施復(fù)合肥0.5-1kg ,每年3-4月施一次有機肥,每株施腐熟豆餅1-2.5kg ,或腐熟雞糞5-10kg ,磷肥1-1.5kg 。短截后遇旱應(yīng)及時淋、灌水,尤其是末次秋梢遇旱應(yīng)淋水2-3次。只有保證充足肥水供應(yīng),才能促進新梢正常抽出,及時轉(zhuǎn)綠,培養(yǎng)成

22、健壯秋梢結(jié)果枝?；乜s前失管的果園,回縮后應(yīng)更重視肥水管理。 3.2 疏梢修剪后1-2個月,截口處會抽生多條新梢,為使養(yǎng)分集中,保證秋梢質(zhì)量,新梢萌發(fā)期間,根據(jù)基枝大小,每個基枝選留1-2條新梢,其余疏掉。因此這段時期要特別注意及時做好疏枝整形工作,重新培養(yǎng)一個枝條分布合理的生產(chǎn)樹冠,并對一些較徒長的枝條進行短截或摘心,控制頂端優(yōu)勢,促進分枝,有利于翌年成花結(jié)果。 3.3 病蟲害防治修剪后及時清除枝葉,以防茶材小蠹蛾等害蟲逸出枝干,增加園內(nèi)蟲口密度。以后每次抽梢期防治病蟲1-2次,保護新梢健康生長。可用30%的阿耳法特菊酯1000-1500倍液加70%甲基托布津可濕粉劑800-1000倍液防治;

23、或敵百蟲800倍液加入75%百菌清可濕性粉劑1000倍液防治。4-8月掛果期間,重點以防治蒂蛀蟲為主,兼防治炭疽病和椿象等。每月根據(jù)病蟲情況適時防治2-3次。防病可選用施?？?500倍液或施保功2000倍液噴灑,防蟲可用5%殺蟲雙500倍液加90%敵百蟲800倍液或農(nóng)地樂1500倍液或阿銳克1500倍液噴灑。冬季用波美1度石硫合劑清園1-2次,要求樹冠內(nèi)外及枝干均勻噴濕,清除越冬病蟲。 3.4 保果措施疏縮修剪后,樹勢強旺,特別是處理后的第一年,部分萌枝不會結(jié)果,且生長旺盛。為了抑制營養(yǎng)生長,對結(jié)果大枝在五月中旬用14號鐵絲環(huán)扎,能控制因夏季抽梢造成的落果,要求鐵絲有1/2-1/3陷入皮層即可

24、。果實采收后及時把鐵絲解除。參考文獻1、韓容仔.龍眼、荔枝的栽培.福建教育出版社,2003.5(上接第48頁Salt stress effects on growth and mineralnutrition of French BeansJ.Plant and Soil,1974(80:91-98 15、朱新廣,王強,張其德,等.冬小麥光合功能對鹽脅迫的響應(yīng)J.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2002,8(2:177-18016、Farqfuhar G D, Sharkey T D. Stormatal conductance and photosynthesisj.Annu Rev Plant Physiol,1982(33:317-345 17、劉家棟,翟興禮,王東平.植物抗鹽機理的研究J.農(nóng)業(yè)與技術(shù)