甜土植物根部的钠离子应对策略研究进展

土壤盐渍化严重影响了甜土植物（特别是农作物）的生长速率和产量。植物根部是与土壤中Na^＋接触的重要界面,也是吸收Na^＋的主要器官,正日益成为甜土植物耐盐研究靶标。本文概述近10年来对Na^＋进入甜土植物根部的2种途径（共质体和质外体）以及根部维持离子稳态的3种应对方式（Na^＋的细胞外排、液泡区隔化和地上部分转运）新的认识和观点。通过阐述Na^＋在甜土植物根部的转运机制,以期为提高农作物抗盐性以及在盐渍环境中的产量提供理论基础。     

整株水平上Na+ 转运体与植物的抗盐性

植物可以利用不同的机制来维持Na+稳态, 从而增强植物的抗盐性。这些机制包括: 限制Na+的内流; 增大Na+的外排; 减少Na+向地上部分的运输; 把进入地上部分的Na+分散到特殊部分(如老叶)或通过泌盐结构排出体外或通过韧皮部的再循环回到根部。本文简要介绍整株水平上Na+转运体与植物抗盐性的研究进展。     

茄子砧木Na^＋、K^＋含量、Sk,Na运输与耐盐性关系研究

为考察不同茄子砧木在茄子耐盐性的作用,以茄子嫁接生产中常用的托鲁巴姆（Solanum torvum）、赤茄（Solanum integgrifolium）、刺茄（Solanum texanum）和刚果茄（Solanum sisymbriifl ium）为试材,研究了盐害指数、根系和地上部Na^＋、K^＋含量、Na^＋/K^＋比、SK,Na运输及其与耐盐性的关系。结果表明,各种砧木的盐害指数均随着盐浓度的增大呈上升趋势,同一盐浓度下,盐害指数由大到小依次为刚果茄〉赤茄〉刺茄〉托鲁巴姆。根系Na^＋含量、地上部K^＋含量、根系Na^＋/K^＋比及SK,Na运输在各盐浓度下均表现为托鲁巴姆〉刺茄〉赤茄〉刚果茄。地上部Na^＋含量、根中K^＋含量及地上部Na^＋/K^＋比在各盐浓度下均表现为托鲁巴姆〈刺茄〈赤茄〈刚果茄。茄子砧木耐盐性与根中Na^＋含量、根中Na^＋/K^＋比、SK,Na运输呈正相关,与地上部Na^＋含量、根中K^＋含量、地上部Na^＋/K^＋比呈负相关。这些结果表明,Na Cl处理下耐盐性强的砧木通过限制Na^＋向叶片中运输,增加了叶片中K^＋含量,从而降低Na^＋/K^＋比来提高植株耐盐性。     

土壤盐碱胁迫对春小麦K^＋、Na^＋选择性吸收的影响

通过对2种浓度土壤盐分胁迫下春小麦各品种不同时期各器官K^ 、Na^ 含量以及K^ /Na^ 的变化及其与抗盐性的关系研究,结果表明,随土壤盐浓度的升高,各品种的产量及各农艺性状值均有所下降,但不同品种的下降程度不同。随土壤盐浓度的升高,植株中K^ 、Na^ 含量均有所增加,但K^ 增加的幅度小于Na^ 的增加幅度,因而K^ /Na^ 呈明显下降趋势;在不同土壤盐分胁迫下,小麦品种K^ 、Na^ 随生育进程在体内各器官的分配发生动态变化,在分蘖期地上部K^ /Na^ ＞根部,孕穗期各器官K^ /Na^ 依次为：幼穗＞旗叶＞茎＞倒4叶,而灌浆期则依次为：籽粒＞旗叶＞茎＞倒4叶,说明生长旺盛的器官拒Na^ 能力强于其它器官;不同品种的K^ 、Na^ 含量及K^ /Na^ 不同,一般抗盐性强的品种在各时期均具有较高的K^ /Na^ ,反之则K^ /Na^ 较低;小麦的籽粒产量在一定范围内与其植株地上部各器官的K^ /Na^ 中一定的正相关,其中与分蘖期植株地上部的K^ /Na^ 及叶（K^ /Na^ ）／根（K^ /Na^ ）呈极显著正相关,而与此时期的SNa^ K^ 相关性最强,γ为－0．9670。因而,以分蘖期的K^ /Na^ 尤其是SNa^ K^ 作为小麦田间抗盐性的指标,具有一定的可靠性。     

杨树叶中Na^＋的积累与其耐盐能力的关系

以受体杨树品种‘107号’和转基因杨树‘18—1’的一年生枝条为材料,采用Hoagland营养液水培方法,检测二者植株生长以及根、茎、叶中Na^＋和K^＋含量变化的结果表明,在含100mmol·L^-1NaCl的Hoagland营养液中,二者的生长速度都受到明显抑制,但后者的受抑程度较小;叶中Na^＋含量呈持续增加趋势,9d后其叶中的Na’含量显著高于前者。在二者叶片枯萎程度相同的情况下,‘18—1’叶中的Na^＋含量是‘107号’的1．6倍左右。在4mol．L^-1NaCl溶液中,它们的表皮细胞死亡率分别为42％和97％。说明后者比前者有更高的耐盐能力。     

盐胁迫对四种基因型冬小麦幼苗Na+、K+吸收和累积的影响

以4种不同基因型冬小麦品种为试验材料,研究了盐胁迫下小麦幼苗的生长及Na^＋、K^＋和Cl^-的吸收、累积规律。结果表明,盐胁迫下小麦吸水困难,幼苗生长受抑;幼苗含水量、生物量及干物质量明显下降;Na^＋、Cl^-含量和单株累积量显著增加。K^＋含量和单株累积量则明显降低。Na^＋／K^＋比值随介质中的盐浓度的增加而升高。盐胁迫下各基因型冬小麦幼苗Na^＋、K^＋和Cl^-的单株累积量及其在地上部分和根系中的含量变化较大,说明小麦根系对Na^＋、K^＋和Cl^-的吸收存在基因型差异。盐处理下,暖型小麦NR9405对K^＋的选择吸收能力强,对Na^＋的吸收和累积少,植株体内的K^＋浓度较高,Na^＋／K^＋比值小;幼苗的生物量较大,耐盐性强。冷型小麦RB6对K^＋的选择能力差,对Na^＋的吸收和累积量大,幼苗的Na^＋／K^＋比值大,生物量小,耐盐性较差。低盐浓度下,Na^＋可作为渗透调节物质维持植物体内渗透平衡。高盐浓度下,Na^＋的过度吸收和累积可能是盐害的主要原因。维持体内较低的Na^＋水平和Na^＋／K^＋比值是小麦耐盐性的一个重要特征。     

ATPase 与植物抗盐性

 本文综述了高等植物细胞ATPase在盐胁迫下的活性变化及其调控机制。V型H+_ATPase与细胞离子区隔化和植物抗盐性密切相关。盐胁迫提高抗盐植物液泡膜H+_ATPase活性, 主要是通过增加V型H+_ATPase主要功能亚基的基因表达以及蛋白质合成。盐胁迫通常降低质膜H+-ATPase活性, 很可能是由于酶蛋白质合成受阻, 质膜H+-ATPase活性的变化与盐胁迫的强度和时间长短有关。此外, 本 文还对ABA和Ca2+-CaM等胁迫信号物质对ATPase活性的调控及其与植物抗盐性的关系进行了总结。研究ATPase对盐胁迫的响应和调控机制, 有助于阐明植物的盐生境适应机制, 也有利于植物的抗盐育种工作。     

Na+/H+逆向转运蛋白和植物耐盐性

Na^ /H^ 逆向转运蛋白对植物耐盐起着重要作用,它利用质膜H^ -ATPase或液泡膜H^ -ATPase及PPiase泵H^ 产生的驱动力把Na^ 排出细胞或在液泡中区隔化以消除Na^ 的毒害。主要讨论植物中Na^ /H^ 逆向转运蛋白研究在分子水平的最新进展。     

盐胁迫下氯丙嗪和LaCl3对稻苗K^＋、Na^＋、Cl^—吸收转运的影响

研究了氯丙嗪（CPZ）和LaCl3预处理阻碍Ca^2 。CaM信使系统传导后,盐胁迫下稻苗体内Na^ 、K^ 和Cl^-含量及吸收转运的变化。结果表明：CPZ和LaCl3预处理后,盐胁迫下稻苗对K^ /Na^ 的选择性吸收下降,致使稻苗K^ 含量减少、Na^ 含量增加,Na^ /K^ 比值显著增加;并且稻苗地上部Cl^-含量也显著增加,盐胁迫处理稻苗2d后解除盐胁迫,改用蒸馏水培养,在蒸馏水中加入CPZ或LaCl3时,稻苗中含有较高的Na^ ,即CPZ和LaCl3抑制稻苗将体内Na^ 排出体外的能力,上述结果表明,盐胁迫下,Ca^2 .CaM信使系统可能参与稻苗对K^ 、Na^ 和Cl^-的吸收转运以适应盐胁迫。     

ATPase与植物抗盐性

本文综述了高等植物细胞ATPase在盐胁迫下的活性变化及其调控机制。V型H+_ATPase与细胞离子区隔化和植物抗盐性密切相关。盐胁迫提高抗盐植物液泡膜H+_ATPase活性,主要是通过增加V型H+_ATPase主要功能亚基的基因表达以及蛋白质合成。盐胁迫通常降低质膜H+-ATPase活性,很可能是由于酶蛋白质合成受阻,质膜H+-ATPase活性的变化与盐胁迫的强度和时间长短有关。此外,本文还对ABA和Ca2+-CaM等胁迫信号物质对ATPase活性的调控及其与植物抗盐性的关系进行了总结。研究ATPase对盐胁迫的响应和调控机制,有助于阐明植物的盐生境适应机制,也有利于植物的抗盐育种工作。     

Na^＋,K^＋-ATPase亚单位表达的研究进展

以往研究已发现Na^＋,K^＋-ATPase含有α、β和γ亚单位。为了对三种亚单位有一个较为全面的认识,现对亚单位的基本结构、研究简况、生理及病理功能、表达调节等基本情况作一综述。     

跨膜逆向转运蛋白NHXFS1多克隆抗体的制备及应用

NHXFS1基因是通过DNA家族改组（DNA family shuffling）技术,以拟南芥、水稻和菊花的液泡膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因（NHX1）为亲本获得的活性显著增强的新基因。为制备该蛋白的多克隆抗体,对该蛋白进行跨膜结构分析,选取跨膜蛋白的C末端为靶标,并将其克隆到原核表达载体pET32a中,成功构建了原核融合蛋白pET32a-NHXFS1-抗原表达载体,转化大肠杆菌BL21（DE3）并诱导表达。通过镍柱亲和层析纯化该融合表达蛋白,获得了纯度约为80%的纯化蛋白,用于免疫新西兰大白兔制备多克隆抗体。ELISA实验表明,该抗体的效价达到1：128 000,提取表达NHXFS1蛋白的酵母液泡经该多克隆抗体Western blot检测,证明该抗体具有较好的NHXFS1蛋白特异性。NHXFS1多克隆抗体的制备为进一步认识NHXFS1新蛋白结构与功能以及植物耐盐分子生物学的研究奠定了基础。     

盐胁迫对不同品系杨树幼苗生长、细胞超微结构和离子稳态的影响

以欧美杨（Populus canadensis）南杨1号和南杨2号为实验材料,研究了NaCl胁迫对其幼苗生长、细胞超微形态结构和离子分配等的影响。结果发现,低盐（75mmol·L^–1NaCl）胁迫对南杨1号生长的抑制显著高于南杨2号;高盐（150mmol·L^–1NaCl）胁迫对2种品系生长的抑制则差异不显著。低盐胁迫下,南杨1号叶片细胞结构破坏程度明显高于南杨2号;南杨2号根中所有细胞,新生枝条表皮、皮层及木质部细胞,叶片上表皮、栅栏和海绵组织细胞均维持较低的Na＋含量,同时叶片栅栏和海绵组织细胞维持较高的Mg2＋含量,从而表现为向枝条和叶片的Na＋流量显著偏低。维持细胞内的离子稳态可能是南杨2号耐盐性高于南杨1号的重要原因。     

盐胁迫下盐角草 Na ＋／H ＋转运基因表达分析

Na＋/H＋逆向转运蛋白具有调节细胞内离子浓度及维持pH值稳定的作用,是植物抵御盐胁迫的重要因子。从盐角草RNA-Seq数据中筛选Na＋/H＋逆向转运蛋白序列,利用生物信息学手段,拼接得到5条Na＋/H＋逆向转运蛋白完整cDNA序列,通过与NCBI已有序列比对分析,将其命名为SeNHX1、SeNHX3、SeNHX4、SeNHX5和SeN-haD。考察盐角草Na＋/H＋逆向转运蛋白在两种盐分变化情况下的表达变化：1）从无盐处理转移到200 mM NaCl处理;2）从200 mM NaCl培养基转移到无盐培养基。结果表明：SeNHX4的表达量非常低,在地下部几乎检测不到;SeNhaD在地上部的表达量是地下部的2倍左右,说明NhaD主要在盐角草地上部发挥作用;SeNHX1、SeNHX3和SeNHX5的表达量明显高于其他两个基因,对盐角草的耐盐机制起到更大的作用,并且SeNHX1和SeNHX5受盐分诱导表达,表达量与盐浓度呈正相关,可能在盐角草耐盐调控网络中发挥重要作用。综上,NHX基因家族和NhaD的表达量受到基质中盐分的调控作用,其表达在盐分处理或者盐分去除1～3d后发生变化。研究结果有助于阐明盐角草NHX基因家族和NhaD对盐分的响应特点。     

不同阴离子对二色补血草盐腺Na＋分泌速率的影响

本文以二色补血草（Limonium bicolor）为实验材料,用Hoagland营养液和200mmol·L—NaCl、NaBr、NaNO3溶液分别处理12h,测定二色补血草盐腺的Na＋分泌速率、叶片Na＋含量和MDA（丙二醛）含量以及质膜透性,并利用非损伤微测技术探索可能与盐腺相关的转运蛋白,以探讨不同阴离子对二色补血草盐腺分泌Na＋的作用及其可能原因。结果表明：在NaCl处理12h时二色补血草叶片Na＋分泌速率达到最大,然后逐渐下降;不同钠盐处理下叶片Na＋分泌速率为NaCl〉NaBr=NaNO3〉Hoagland,而叶片Na＋含量NaBr〉NaCl〉NaNO3〉Hoagland;不同盐处理下叶片质膜透性和MDA含量无显著性差异;利用Na—K—C1共转运体专一性抑制剂bumetanide处理发现Na＋分泌速率显著降低。这些结果表明Na—K—Cl共转运体可能参与盐腺分泌Na＋。     

盐胁迫下盐桦生理响应的变化分析

对组织培养获得的盐桦（Belula halophila）苗在盐胁迫下的生理指标和解剖结构进行了分析,结果显示,随着盐浓度的增加,植物叶片相对含水量逐渐降低;脯氨酸（Pro）含量逐渐增加;叶片丙二醛（MDA）含量和过氧化氢酶（CAT）活性大小存在相关性,在50～200mmol／L盐胁迫下,植物的CAT活性是递增的,200mmol／LNaCl处理时达到最高,同时叶片MDA含量在50～200mmol／L盐处理时变化不明显;CAT活性在300mmol／LNaCl处理时突然降低,此时叶片MDA含量大;植物叶片和根的离子含量测定表明,在盐胁迫下K^＋／Na^＋比值逐渐降低,叶片中K^＋含量始终高于Na^＋含量;石蜡切片和扫描电镜发现盐桦茎、叶中有晶体状物质存在,通过X-ray分析表明这种晶体含有C,O,Ca元素,相关的细胞成分化学实验进一步确定其结晶体的成分。     

Ca^2＋在植物细胞对逆境反应和适应中的调节作用

摘要钙离子（Ca^2＋）信号在植物的生长发育及其对环境的反应和适应中起着十分重要的作用。本文对Ca^2＋在植物细胞对低温、干旱和盐渍化逆境的反应和适应中的调节功能作一概述,论述的主要问题包括：（1）Ca^2＋的亚细胞定位与分布,细胞内Ca^2＋相对低水平的稳态平衡是Ca^2＋信号发生的基础：（2）Ca^2＋信号的优越性及其发生与传递：（3）Ca^2＋充当低温信号的传递者诱导抗寒锻炼和基因表达：（4）细胞内高水平Ca^2＋持久性调控越冬木本植物的生理休眠：（5）Ca^2＋对干旱、盐渍化及其渗透胁迫的调节作用;（6）Ca^2＋参与气孔开关运动的调节：（7）Ca^2＋参与逆境中细胞壁加厚和加固的调节。