盐胁迫耐受性

Jian-Kang Zhu University of Arizona

摘要：土壤盐渍化是全球影响农作物生长最主要的非生物胁迫。本次研究将重点放在盐胁迫耐受性上旨在提高农作物产量。然而，研究耐盐性可能有更广泛的干扰因素，因为转基因耐盐植物也经常忍受其他胁迫包括寒冷，冰冻，高温和干旱。不幸的是很难找到合适的遗传模型系统。最近研究发现盐生植物物种--盐芥，该植物如今证实对模式系统上的新耐受性机制和运作方法上有很大帮助，并且该系统不限于拟南芥特征或生态型的变化。

早在人类与农业出现之前，土壤盐渍化就已存在。伴随着农业生产中的不合理行为如灌溉，土壤盐渍化问题日益加剧。至今，近20%的世界可种植土地以及将近一半的灌溉土地都受到土壤盐渍化的影响。植物体内的高盐浓度将引起离子平衡失调并诱发植物高渗应激反应机制，由此诱发了植物的二次胁迫损伤，如活性氧的损害。

本篇文章对植物的盐胁迫耐受机制进行探讨，研发基因遗传改良的不同途径以提高植物耐盐性。多基因遗传系统在阐明植物耐盐机理上至关重要，综合了各种相关报道上关于耐盐性决定因素，调控和基因改良的内容而形成的系统网络。我们的目的不仅仅是简单的道出事实，更重要的是为此领域提供不同的想法，抛砖引玉。

1. 植物耐盐性

高浓度盐胁迫干扰植物的水分运输和细胞内外的各种离子分布，这意味着该平衡失调在细胞水平与植株水平都有影响。而离子和水的稳态失调会导致植物体分子损伤、生长迟滞甚至死亡。植物的以下三个相关活动能有效实现耐盐性，一是阻止或缓解损伤；二是在新的胁迫环境下必须重新建立稳态机制；三是恢复生长的速率大于伤害降低的速率。

二、盐毒害的清除机制

高盐胁迫如何损害植物还不清楚。目前已知高盐胁迫影响细胞膜完整性、植物生命活动所需、营养物质运输以及光合作用的相关结构功能，而由盐胁迫产生的活性氧是造成植物体损害的最重要原因。植物受到盐胁迫会产生复杂的分子响应机制，包括产生应激蛋白和渗透调节物质。许多渗透调节物质和未知功能的应激蛋白可能通过清除活性氧的毒害或防止细胞结构的损伤从而保护植株。据报道，大量通过转基因这一途径来提高植物耐盐性的方法已经实现。显而易见地，转基因植物通过过量表达参与氧化保护的相关酶基因，如谷胱甘肽，过氧化物酶，超氧化物歧化酶，抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶等来清除活性氧的损害。近期大量有关介导氧化应激反应的调节蛋白质NPK1，有丝分裂原活化蛋白（MAP）激酶的工程也不失为很好的提高耐盐性的方案。在拟南芥突变体PST1的表征的研究中，发现其中一株氧化应激反应中的负调控因子的突变株，该PST1突变体氧化应激的能力增强，从而导致对高盐浓度的耐受性提高，这为氧化保护对植物耐盐性的重要性提供了证据与支持。

渗透调节剂如甘露糖醇，果聚糖，海藻糖，甘露糖醇，脯氨酸，甘氨酸甜菜碱和四氢嘧啶也可能通过氧化来解除盐毒害，这些渗透调节剂活跃与清除活性氧的体系中。另外，叶绿体内的渗透调节剂通过保护处于工程酶之前的信号序列，从而降低活性氧的产量，这表明叶绿体是产生活性氧的主要部位。转基因植株通过基因表达水平的降低而调整渗透调节剂的含量的结论表明渗透调节剂起作用的方式的另外一项证据。此外，转渗透调节基因植株不仅在盐胁迫耐受性上有所改善，同时在其他也产生活性氧的胁迫，如寒冷、冻害，高温和干旱的环境条件下生存能力也有所提高。这种情况明显的表现在甜菜碱生产上：转修饰细菌的胆碱氧化酶基因的拟南芥在叶绿体内积累大量甜菜碱，并比野生型植株更耐盐，耐寒以及耐热。

转基因植株内的表达蛋白或下游靶蛋白，如大麦HVA1（(Ref. 12)）和CBF/ DREB（Ref. 13）具有对盐毒害的防御效果。盐毒害的排除机制的一个主要特点是其缺乏特异性，因为转基因植株不仅能提高了耐盐性，且提高了对干旱，寒冷甚至热休克的耐受性。例如，过表达CBF/ DREB蛋白的转基因植株增强了耐干旱，耐盐，耐冻的能力。CBF/ DREB转录因子能结合到应激反应基因的启动子- DRE/ CRT元件上。因此在任何胁迫条件下，这些转录因子的异位表达导致相关靶基因的表达以抵抗胁迫。这些目标胁迫应答基因所引发的生化功能尚未清楚。其中一种应答基因-cor15alpha;基因，似乎是通过阻止有害细胞膜结构物质的形成从而保护细胞膜。

三、动态平衡

另外一种更广泛的耐盐策略是帮助受胁迫植物重建离子和渗透压动态平衡。植物体内各种离子的转运决定离子稳态的平衡情况。因为许多钠离子抑制酶在防止钠离子浓度在细胞质或除了液泡外的细胞器中过量积累具有很重要的作用，最终阻止或减少钠离子通道的开放。非选择性阳离子通道(NSCs)是一类以钠离子介导进入植物细胞的通道，尽管它们的分子结构尚不清楚。研究证实卵母细胞和酵母菌中转运HKT1和LCT1需渗透剂钠离子的参与。因此，这些最初用于钾离子转运的基因产物，也可用于调节钠离子进入细胞的物质。耐盐性研究的一个主要目的是找到阻止钠离子涌入植物细胞的转运途径，从而增强盐胁迫耐受性。其中一种方法是通过钠离子内流机制的功能鉴定，筛选第二个序列位点突变的表现型，如部分SOS2和SOS3基因抑制表达的表型为盐敏感型植株。因为拟南芥SOS2和SOS3基因突变体体内钠离子积累增加，而钠离子内流通道的突变体可能缓解了植株对盐离子的敏感度。

Na /H 逆向转运蛋白具有将Na 外排和区隔化入液泡的功能。钠离子的区域化管理能防止钠离子对胞质溶胶的毒害作用，且液泡中的钠离子作为渗透调节剂能帮助细胞维持渗透平衡。许多自然存在的耐盐植物便是通过以上策略保护自身。然而，逆向转运蛋白的分子结构尚未被报道。直到最近，经几次表达序列标签的测验以及之后对微生物以及动物的基因组的测序，在表达序列标签的基因库和拟南芥基因组计划的测序结果中发现了Na -- H 逆向转运蛋白，随后发现了几组Na / H 逆向转运蛋白的特点。液泡膜上的NA --H 逆向转运蛋白，来源于多基因家族，在不同时间和空间中具有不同表达类型。AtNHX1基因家族中其中一个基因的过量表达通过调节液泡运输导致植物耐盐性的大幅增强。

除了控制钠离子内流和液泡区域化，在维持细胞质低钠离子浓度上钠离子内流也很重要。植物细胞不像动物细胞有钠钾ATP酶，也不像真菌和一些藻细胞一样有钠离子酶，相反的，已经有研究发现，为了使钠离子外流进行下去，在植物细胞质膜上富集的膜囊泡中发现了Na –H 的逆向活动。近年来，SOS1基因已经被证明是编码推定的质膜Na /H 逆向转运蛋白。拟南芥植株中的SOS1突变体对钠离子胁迫非常敏感。SOS1过表达降低了钠离子的含量，同时提高了拟南芥植株和愈伤组织的耐盐性。

为维持细胞质内的离子稳态，盐胁迫下的植物需维持水份或渗透平衡。在细胞胞质溶胶中各种渗透调节剂的积累降低了植物的渗透势并维持吸水率，从而使植物适应盐渍土。正如前面所说，某些有机物的渗透调节剂通过清除活性氧的毒害从而保护植物细胞结构。水分子通道蛋白可能通过控制水分子进出细胞膜的速率以适应盐胁迫环境。

四、生长调节

许多非生物胁迫如盐胁迫会抑制植物生长。植物通过加快或减缓自身的生长速度来适应胁迫环境，因为植物生长需要依赖多种资源条件去对抗胁迫。在自然界，高盐与干旱环境往往抑制植物生长，降低植物生长速率。其导致生长速率降低的原因之一是在胁迫条件下植物气孔关闭，导致二氧化碳吸收少从而抑制光合作用。最根本的是，胁迫环境将直接抑制细胞的生长与分裂。应激环境信号与细胞分裂之间复杂的传导机制需要进一步被理解与完善。甚至某些相对较温和的胁迫也会导致植物生长速度的降低，生产量减少。当相对温和的胁迫下，某些植物在胁迫环境下，会通过减缓生物甚至表现出“恐慌”的状态或几乎停止生长以对抗危机。与此相反，某些植物在极具恶劣条件下没有表现出充分足够的应答反应以致有死亡的风险。在盐胁迫或干旱条件下通过微调的方式可以提高植物的生产力。

拟南芥中胁迫环境与细胞分裂之间的一个重要的联系是通过ICK1诱导的脱落酸的作用。ICK1，作为细胞周期素依赖性蛋白激酶抑制剂，通过减少推动细胞周期作用的细胞周期蛋白依赖蛋白激酶的活动从而阻碍细胞分裂。盐胁迫与干旱胁迫，可能通过具抑制细胞分裂作用的脱落酸的积累反过来诱导ICK1的产生。同时，这些胁迫环境也会影响细胞周期的转录与转录后水平的调控。盐和水分子对细胞膨胀之间的联系还未被全面的检测与阐明。有几种植物激素在调控细胞伸长中起重要作用，植物体在胁迫条件下通过减少某些激素的含量，如植物生长素，细胞分裂素，赤霉素和油菜素内酯，从而抑制细胞膨胀。

目前，各种不同的耐盐基因工程不断的取得可喜的结果与进步。由此产生的重要问题便是各种策略的相对重要性程度。各种不同的转基因植株应在相同的实验条件下进行比较分析，从而鉴别出最有效基因。这不仅在实际应用中而且在解决以下问题有重要意义，在胁迫条件下是消除毒害重要还是维持稳态平衡重要?一个很好的例子是近期转CBF1和转DREB1基因两者的比较。据报道，这两种拟南芥转基因株都是通过激活相应下游应答基因的转录与表达从而提高抗冻性。然而，转CBF1基因植物的耐寒的临界温度是1°C，而转DREB1基因植物的抗冻范围大于10°C。这表明两种转基因植株有不同的潜在机制，对此还需进行详细研究。

显示以下内容的翻译： However, CBF1 improved freezing tolerance by 1°C whereas DREB1A improved the same trait by gt;10°C.

五、遗传模型系统

研究表明，由于相关功能基因的缺失导致植物对盐离子、干旱与寒冷的耐受性降低。某些适合做胁迫研究的植物并不适合做基因分子遗传学分析，如烟草，冰厂（冰叶日中花）和番茄。因此，许多本质上相似的应激研究通常采取比较受胁迫与未受胁迫植株的基因表达图谱来进行。由于在植物中未发现良好的遗传模型，于是实验室通常选择酵母作为替代模型来进行相关植物应激反应的研究。

目前，实验室一般采用拟南芥这种模式生物来进行植物耐盐性研究，尽管拟南芥并非种子植物，但是它明显比酵母更适合用于植物耐受性研究，并且单细胞生物不适合作为植物整体的复杂的耐受性机制的研究。研究人员能够明显的从拟南芥的应激反应中进行剖析，揭示相应机制。但是，某些自然抗逆植物其抗逆过程比较新颖与特殊，对于这种情况用拟南芥研究则不合适。因此，基因模式系统的研究需要基于自然耐盐植物（盐生植物与旱生植物）进行。

六、酵母菌模型

科学家从单细胞真菌酵母菌在发酵酿酒工程的应用中发现了两种主要的对抗盐胁迫的方法：高渗透调节的HOG1途径以及协调离子平衡的神经钙磷酸调节途径。钙调磷酸酶由催化亚基A（CNA）和调控亚基B（CNB）组成的钙离子和钙调蛋白依赖性蛋白磷酸酶。CNB具有与钙离子高度亲和结合的EF-手形结构域，其与钙离子结合形成钙-CNB钙调蛋白复合物以激活CAN。在酵母菌中，钙调磷酸蛋白的作用是调控Na ，K 和Ca² 三者的动态平衡和信号反应。CNB基因缺失酵母突变体使得酵母细胞对钠离子与锂离子的抑制作用更敏感。钙调磷酸酶能诱导基因编码钠离子和钙离子ATP酶与细胞壁的beta;-1,3-葡聚糖合酶，下游锌指转录因子CRZ1/ TCN1也参与诱导这些基因产物的转录。钙调磷酸酶能使核内的CRZ1/TCN1的基因去磷酸化。CRZ1是受钙调神经磷酸酶调控的哺乳动物转录因子，其位置与活动方式类似于NF-AT，其调控需磷酸化钙依赖性蛋白。由胁迫环境诱导产生钙离子信号调控钙调神经磷酸酶初始内流从而维持胞内离子稳态。而钠离子的生物传感器潜能目前尚未发现。

在盐胁迫环境下，酵母钙调蛋白同时参与钾离子的转运机制。在高浓度钠离子的胁迫下，钾离子通道大量开放从而减少钠离子的内流。据报道，在酵母细胞中，钙调磷酸酶直接或间接地参与调控钾离子转运的TRK1蛋白的磷酸化。

钙调神经磷酸的活性功能只存在与植物中。脱落酸能促进细胞内游离钙离子的内流，从而抑制钾离子通道的活性同时使气孔关闭。钙调磷酸酶抑制剂药物--环孢素能增强钙离子调控钾离子通道的能力。据研究，牛脑细胞内的钙离子能调节保卫细胞液泡内的钙离子通道。

酵母菌内的调控渗透平衡的HOG1途径有两种方式，一是由低渗透压传感器SHO1参与的SHO1→PBS2→HOG1 的信号传导路径，另一种是高渗透压传感器SLN1参与的SLN1→SSK1→SSK2或SSK22→PBS2→HOG1的信号传导路径。这两种传导通路最终都通过活化甘油合成基因从而增加细胞内甘油浓度以维持渗透平衡。SLN1和SSK1同时兼具信号传感器和效应调节的功能。SHO1是SH3同源的跨膜蛋白，通过与SH3结合作用于PBS2。SLN1SHO1 sense osmotic stress directly和SHO1是否直接参与渗透胁迫调节目前还不清楚，它们可能通过细胞外物质的变化从而感知细胞壁内外的膨压变化从而调节渗透压。位于下游的传感器作用于MAP激酶途径：SSK2/ SSK22，PBS2和HOG1，为MAP激酶与激活MAP激酶的激酶。

七、拟南芥模型生物

除了同源基因的基因替换之

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