植物鹽脅迫適應(yīng)機制研究進(jìn)展

會計學(xué)1植物鹽脅迫適應(yīng)機制研究進(jìn)展山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)碩士研究生讀書報告

植物鹽脅迫適應(yīng)機制的研究進(jìn)展報告人：夏傳紅時間:2008年12月第1頁/共45頁◆引言◆抗氧化酶的誘導(dǎo)◆植物激素的誘導(dǎo)◆離子平衡、離子區(qū)域化及拒鹽作用◆滲透調(diào)節(jié)◆結(jié)束語第2頁/共45頁

在鹽脅迫下，植物體內(nèi)的主要生理過程都會受到影響，例如光合作用、蛋白質(zhì)合成、能量和油脂代謝等。鹽脅迫對植物的破壞作用主要是通過滲透脅迫、離子毒害、營養(yǎng)失衡，以及鹽脅迫的次級反應(yīng)如氧化脅迫等過程來實現(xiàn)。植物在鹽脅迫下主要表現(xiàn)為生長減慢,代謝受抑制,植物的干重顯著降低,葉子轉(zhuǎn)黃,嚴(yán)重時出現(xiàn)鹽斑,葉子萎蔫,植株死亡。引言第3頁/共45頁

全球有各種鹽漬土約9.5億公頃，占全球陸地面積的10%，而我國鹽漬土約5.4億畝，占全國耕地的1/4。大面積的鹽漬化土地嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對其進(jìn)行改造實際操作中常采用選育和培育抗鹽品種來改良鹽堿地，因此對植物抗鹽性的研究具有重要意義。研究植物抗鹽性的關(guān)鍵是探明植物對鹽脅迫的適應(yīng)機制，為此國內(nèi)外眾多學(xué)者做了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)植物適應(yīng)鹽脅迫的生理機制主要包括：提高抗氧化酶系統(tǒng)的活性，消除自由基對植物機體的傷害；改變體內(nèi)各種激素含量；離子選擇性吸收；離子區(qū)域化；拒鹽作用及合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。第4頁/共45頁抗氧化酶的誘導(dǎo)

鹽脅迫由于對各種代謝活動進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，造成植物嚴(yán)重水匱乏，這種水匱乏導(dǎo)致活性氧(ROS)的形成，如超氧化物、過氧化氫、羥基氫氧基活性氧自由基和氧氣等。

Mittova等（2002）研究發(fā)現(xiàn)植物生長發(fā)育過程中脅迫環(huán)境下植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)(如：葉綠體、線粒體、過氧化物酶體)中產(chǎn)生的大量活性氧（ROS）會造成葉綠素、膜質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸的氧化傷害從而破壞正常的生理代謝。

第5頁/共45頁

為避免ROS的積累，具較強抗鹽性的植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)在鹽脅迫下活性增強，抗氧化酶的活性，如過氧化氫酶(CAT)，抗壞血酸鹽過氧化物酶(APX)，愈瘡木酚過氧化物酶(POD)，谷胱甘肽還原酶(GR)，和超氧化物歧化酶在鹽脅迫時含量增高，并且這些酶的濃度和遭受的鹽脅迫的程度有很好的相關(guān)性，可清除過量ROS。第6頁/共45頁

在擬南芥和柑橘中，一種磷脂谷胱甘肽過氧化物酶(PHGPX)在鹽脅迫條件下時含量增加。。而且在柑橘中，Cu／Zn—SOD酶活性，谷胱甘肽過氧化物酶活性，和胞液APX活性都升高。在鹽脅迫下培養(yǎng)的擬南芥缺乏維生素C，植物體內(nèi)維生素C的濃度只是正常野生型的30％，并且明顯對氧化脅迫有更高的敏感度。對轉(zhuǎn)基因模型的研究進(jìn)一步證明了植物在脅迫時抗氧化酶活性的增強，并具有更高的抗氧化防御功能。第7頁/共45頁

鹽脅迫能誘導(dǎo)某些抗氧化酶及其信使RNA的表達(dá)：

Stevens等（1997）研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下甜橙愈傷組織和葉片中有磷脂脫氫谷胱甘肽過氧化物酶(PHGPX)合成。在NaC1濃度為100mmol·L-1

的環(huán)境下，金盞菊和玉米葉片中谷胱甘肽還原酶(GR)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性增強(Chaparzadeheta1，2004；Netoeta1，2006)第8頁/共45頁Mittova等(2003)在研究番茄類植物葉片細(xì)胞線粒體抗氧化酶系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，普通番茄在NaCI濃度100mmol·L-1

條件下，其葉片細(xì)胞線粒體內(nèi)的膜質(zhì)過氧化反應(yīng)加強，與對照相比超氧化物歧化酶(SOD)活性降低50％，APX和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)活性未發(fā)生改變；但抗鹽能力較強的潘那利番茄在相同的鹽脅迫下其線粒體中SOD、APX、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)、GPX的活性與對照相比分別增強60％、180％、170％、30％和32％，但GR的活性降低60％。鹽脅迫使普通番茄葉綠體中過氧化氫(H202)的含量增加，膜質(zhì)氧化反應(yīng)加強，但在潘那利番茄的葉綠體中情況則相反，這是植物體內(nèi)抗氧化酶種類及活性的差異所引起的。第9頁/共45頁

鹽脅迫下抗氧化酶系統(tǒng)活性的提高對植物的抗鹽能力具有重要貢獻(xiàn)，某些過表達(dá)抗氧化酶基因的植物也證明了抗氧化酶在抗鹽脅迫中的重要作用。研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因煙草通過過表達(dá)基因GlsGPX(編碼谷胱甘肽s轉(zhuǎn)移酶GST和谷胱甘肽過氧化物酶GPX)，促進(jìn)植物對ROS的清除，從而增強了其抗鹽性(Roxaseta1，2000)；擬南芥突變體pstl(光合自養(yǎng)抗鹽突變體)體內(nèi)的SOD和APX活性高于野生擬南芥，因而獲得較強的抗鹽性(Tsuganeeta1，1999)。第10頁/共45頁

鹽生環(huán)境使植物的正常生長發(fā)育受阻，但植物在鹽脅迫條件下可通過改變體內(nèi)各種激素的含量來維持其正常發(fā)育?？掠袂俚龋?002）發(fā)現(xiàn)隨鹽濃度的提高，不耐鹽甘薯品種葉片的生長素(IAA)水平下降的幅度大于中等耐鹽和耐鹽品種。研究發(fā)現(xiàn)高鹽脅迫下，植物體內(nèi)脫落酸(ABA)和細(xì)胞分裂素(CTK)的含量增加(Mdesuquy，1998；Vaidyanathaneta1，1999)植物激素的誘導(dǎo)第11頁/共45頁ABA對鹽脅迫誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)變起關(guān)鍵作用，ABA能誘導(dǎo)植物對鹽脅迫、冷害和滲透脅迫等逆境條件產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng)。高鹽濃度可以引發(fā)植物激素譬如ABA和細(xì)胞分裂素的增加，許多植物在鹽脅迫下體內(nèi)的ABA含量明顯上升，但在不同器官上升的程度不同，如相同鹽脅迫下玉米根系中ABA的增加量遠(yuǎn)大于葉片。第12頁/共45頁ABA能誘導(dǎo)并增強某些抗氧化酶的活性，綠藻在鹽脅迫下經(jīng)ABA處理后其體內(nèi)ROS的含量減少，過氧化氫酶(CAT)和APX的活性顯著增強。研究證明ABA還可以緩解鹽脅迫對植物生長、同化和光合作用的抑制(Popovaeta1，1995)。

第13頁/共45頁

在鹽脅迫下，ABA能通過迅速改變細(xì)胞間的離子流量來促使氣孔關(guān)閉。實驗研究顯示，可逆性蛋白質(zhì)磷酸化，胞液中鈣離子濃度的改變和作為ABA信號轉(zhuǎn)換媒介環(huán)境的酸堿度對植物生理的變化具有非常重要的作用。在鹽脅迫下，ca吸收的增量同ABA的升高量相關(guān)，這對維持細(xì)胞隔膜的完整性非常有利。細(xì)胞隔膜完整性能使植物在外界高鹽濃度下長期的控制吸收和傳輸功能第14頁/共45頁

近幾年從分子水平對ABA參與的各種逆境反應(yīng)進(jìn)行了大量探討，發(fā)現(xiàn)ABA可通過調(diào)節(jié)植物抗鹽基因的表達(dá)來減輕鹽脅迫對植物正常生理活動的破壞。

Roberts等（2000）研究發(fā)現(xiàn)ABA能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子平衡。隨ABA含量的升高，擬南芥和玉米根系中K+離子通道活性增強，K+／Na+比值升高。

第15頁/共45頁

利用ABA合成缺陷植物突變體和ABA合成抑制因子證明植物對逆境的適應(yīng)可通過依賴ABA和不依賴ABA2種主要途徑來實現(xiàn)，其中依賴ABA途徑又可分為2種，即不依賴新蛋白質(zhì)合成和依賴新蛋白質(zhì)合成。

第16頁/共45頁

在不依賴新蛋白質(zhì)合成的途徑中，ABA對基因的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上實現(xiàn)，這些基因的啟動子區(qū)域都具有ABA的反應(yīng)因子(ABRE)，在ABRE和相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子共同作用下引起抗逆基因的表達(dá)。如：擬南芥中的脫水誘導(dǎo)基因rd29B具有2個ABRE，2種轉(zhuǎn)錄因子(AREB1和AREB2)，在ABA調(diào)控下，通過磷酸化作用實現(xiàn)基因rd29B的表達(dá)。第17頁/共45頁

在依賴新蛋白質(zhì)合成的途徑中，基因不含反應(yīng)因子ABRE和其相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，因此要先合成和激活這些轉(zhuǎn)錄因子，才能實現(xiàn)ABA對基因表達(dá)的調(diào)控。第18頁/共45頁ABA生物合成途徑中幾個關(guān)鍵酶對逆境的響應(yīng)也是ABA調(diào)節(jié)植物適應(yīng)逆境的重要影響因素。如：玉米黃素環(huán)氧化酶(ZEP)在擬南芥和煙草中分別由基因ABA1和ABA2編碼，其作用是促進(jìn)玉米黃質(zhì)和花藥黃質(zhì)向紫黃質(zhì)轉(zhuǎn)化(Tayloreta1，2000)；第19頁/共45頁

鹽脅迫條件下，不論是鹽生植物還是非鹽生植物，細(xì)胞質(zhì)中高濃度的Na+對胞內(nèi)的生理活動都造成離子毒害。植物細(xì)胞通過拒鹽作用或?qū)Χ竞﹄x子進(jìn)行區(qū)域化，并維持適當(dāng)K+和Ca2+濃度來保證細(xì)胞正常的生理活動，這是植物適應(yīng)鹽脅迫的重要機制之一。離子平衡、區(qū)域化和拒鹽作用是質(zhì)膜和液泡膜上無數(shù)功能各異的離子通道蛋白、離子轉(zhuǎn)運蛋白和ATPase活性帶來的膜電位梯度的結(jié)果。離子平衡、離子區(qū)域化及拒鹽作用第20頁/共45頁

鹽分干擾了植物體內(nèi)的離子動態(tài)平衡。防止或減輕鹽脅迫對植物的傷害，主要涉及如何限制鹽分進(jìn)入植物體內(nèi)、如何有效地將已進(jìn)人體內(nèi)的鹽分分隔到代謝不活躍部位以及排除到植物體外。植物存在高效的離子運輸和選擇性吸收機制，植物通過對離子的選擇性吸收、外排和離子區(qū)域化來維持細(xì)胞內(nèi)生理代謝所要求的動態(tài)平衡，使植物不同程度的表現(xiàn)出它們的耐鹽性。鹽脅迫下植物對離子選擇性吸收第21頁/共45頁

其簡略過程為：Na+通過Na+一K+共轉(zhuǎn)運蛋白等通道大量“涌入”胞質(zhì)，H+一ATPase，Na+／H+反向轉(zhuǎn)運蛋白被激活，協(xié)調(diào)工作以驅(qū)動Na+外排運入液泡，最終形成胞外、胞質(zhì)、液泡三者間的離子平衡。

Na+是造成植物鹽害及產(chǎn)生鹽潰化生境的重要離子。

K+是植物生長發(fā)育所必需的大量元素和重要的滲透調(diào)節(jié)組分。第22頁/共45頁

在正常生理條件下，植物胞質(zhì)K+濃度相對較高(100～150mmol·L-1)而Na+相對較低(1～100mmol·L-1

)，由于2種離子半徑和水合能相似，Na+對K+吸收呈現(xiàn)出明顯的競爭抑制作用，因此，鹽堿化土壤上作物往往受到Na+毒害和K+虧缺的雙重傷害，對它們的選擇程度的高低就成為影響植物抗鹽能力的一個重要因素。

第23頁/共45頁

植物細(xì)胞質(zhì)中K+／Na+最小值在1左右，而鹽脅迫中K+／Na+要遠(yuǎn)低于細(xì)胞內(nèi)數(shù)值，因此，保持植物胞質(zhì)K+濃度，使其高于一特定值，對于植物的生長及耐鹽性都是非常必要的。在鹽漬化土壤中，許多細(xì)胞質(zhì)酶活性對Na+非常敏感，過高的Na+會對植物造成傷害。研究表明，植物的K+、Na+的選擇性與抗鹽性之間存在一定關(guān)系，如具有較高K+／Na+選擇性的普通小麥的抗鹽性高于K+／Na+選擇性較低的硬粒小麥。所以，在滲透脅迫下提高編碼高親和性K+運輸系統(tǒng)和K+通道基因的表達(dá)量，增加細(xì)胞內(nèi)K+的含量，把過多的鹽分排出細(xì)胞外，將會提高植物的耐鹽能力。第24頁/共45頁

鹽脅迫導(dǎo)致Na+大量涌入胞內(nèi)，破壞了原有的跨膜電化學(xué)梯度，而K+等營養(yǎng)物質(zhì)向胞質(zhì)中被動運輸和Na+向液泡內(nèi)轉(zhuǎn)運“倉儲”都必須依賴H+跨膜電化學(xué)梯度提供動力，因此重建跨膜電化學(xué)勢梯度是細(xì)胞存活的必要條件。細(xì)胞膜H+一AT—Pase與液泡膜上H+一ATPase（液泡型三磷酸酶）和H+一ppase（液泡型焦磷酸酶）主要負(fù)責(zé)建立和維持胞質(zhì)(一120～200mV)和液泡(+50mV)的跨膜電化學(xué)勢梯度，從而驅(qū)動各種溶質(zhì)的次級轉(zhuǎn)運?？缒る娀瘜W(xué)梯度的重建第25頁/共45頁

植物外排Na+和液泡區(qū)隔化Na+來減少Na+的毒害是通過Na+／H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白來完成。

Na+泵入液泡一方面有利滲透調(diào)節(jié)，另一方面，Na+的區(qū)隔化可在不改變細(xì)胞Na+含量的情況下降低Na+的積累，從而增加耐鹽性。

Na+／H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白依靠H+一ATP或H+一ppase產(chǎn)生的質(zhì)子驅(qū)動力運輸Na+。Na+／H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白催化Na+

／H+跨膜運輸，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)pH、細(xì)胞體積以及Na+濃度，對植物耐鹽性起重要作用。Na+／H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白第26頁/共45頁Otoch等發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下，豇豆胚軸中液泡膜的V-ATPase和V-PPase有協(xié)同作用。鹽脅迫誘導(dǎo)了豇豆胚軸中的V-ATPase，使之活性增加以產(chǎn)生適應(yīng)性機能來對抗鹽脅迫。VPPase對V—ATPase活性的增加起催化作用，并不產(chǎn)生鹽適應(yīng)性機能u。鹽生植物堿蓬也是通過V-ATPase活性的有規(guī)則增強促使離子吸收到液泡內(nèi)來產(chǎn)生鹽適應(yīng)性。第27頁/共45頁

在鹽脅迫下，Na+／H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白活性增加，增強了轉(zhuǎn)運Na+能力，在質(zhì)子泵提供能量下，該蛋白將Na+要么區(qū)隔化進(jìn)入液泡中，要么排到植物體外，從而降低細(xì)胞質(zhì)中Na+的濃度，使過多的Na+離開代謝位點，減輕其對酶和膜系統(tǒng)的傷害，特別是Na+的區(qū)隔化還可降低細(xì)胞水勢，抵抗鹽分造成的滲透脅迫。第28頁/共45頁

從鹽生植物濱藜也分離出來了相似的Na+

／H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白基因，并被命名為AgNHX1。AgNHX1基因氨基酸序列表明該基因與早期從淡土植物擬南芥和水稻分離出的NHX1基因有超過75％的相同性。在鹽脅迫下，從mRNA和蛋白質(zhì)水平上都發(fā)現(xiàn)了AgNHX1基因的誘導(dǎo)作用。第29頁/共45頁

鹽分靠蒸騰拉力由質(zhì)外體向上運輸，經(jīng)內(nèi)皮層時原生質(zhì)膜、細(xì)胞的液泡膜以及木質(zhì)部薄壁組織細(xì)胞的原生質(zhì)膜對離子進(jìn)行選擇性吸收，以及根部的雙層或三層皮層結(jié)構(gòu)拒絕過量吸收有害離子的特性被稱為拒鹽。

拒鹽作用第30頁/共45頁

植物的拒鹽機制方式：（1）作物不將Na+吸入根細(xì)胞內(nèi)，即使進(jìn)入細(xì)胞又通過Na+／H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白排出；（2）作物把吸收的Na+貯存于根、莖基部、節(jié)、葉鞘等薄壁細(xì)胞發(fā)達(dá)器官組織中，而且將Na+封閉在這些細(xì)胞的中央液泡中，從而阻止Na+向葉片中運輸。第31頁/共45頁

植物對K+和Na+的選擇性與拒鹽作用密切相關(guān)，一些植物通過限制Na+進(jìn)入地上部分來獲得抗鹽性，如鹽脅迫下小麥抗鹽突變體根中累積的Na+占整株積累總量的比例相對于不抗鹽野生型小麥顯著提高，從而有效減少其葉中Na+的積累量，且突變體根和葉中K+／Na+的比率也顯著高于野生型(郭房慶等，1999)。特別是非鹽生植物，其抗鹽性主要取決于根系對離子的選擇性吸收和鹽分在器官組織及細(xì)胞水平上的區(qū)域化分布。隨鹽濃度的提高，毛白楊、新疆楊苗體內(nèi)Na+含量迅速提高，K+、Ca2+含量降低（楊敏生等，2003）。第32頁/共45頁

眾多無機離子中Ca2+具有極其特殊的作用，它不僅作為細(xì)胞的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，而且作為第二信使，調(diào)節(jié)植物對環(huán)境變化的響應(yīng)過程。通過促進(jìn)K+／Na+選擇性，從外部吸收的Ca2+離子降低了NaC1的毒性。通過非原質(zhì)體細(xì)胞內(nèi)傳輸，細(xì)胞液中Ca2+

離子在高鹽度大量增加。短暫的Ca2+離子增加增強了脅迫信號的轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生了對鹽的適應(yīng)。

Ca2+在鹽脅迫中的作用第33頁/共45頁

梁潔等（2004）試驗證明適量的Ca2+可增強植物的抗鹽能力，如經(jīng)硝酸鈣處理，中度鹽脅迫下的木麻黃扦插苗脯氨酸含量增加、丙二醛(MDA)含量降低、抗氧化酶系統(tǒng)對活性氧的清除作用增強。鹽脅迫條件下向玉米外施2～8mmol·LCa2+能降低鹽脅迫造成的氣孔導(dǎo)度下降，改善光合作用，促進(jìn)梅勒(Mehler)反應(yīng)(張乃華等，2005)。第34頁/共45頁

Zhu(2003)

研究發(fā)現(xiàn)Ca2+增強植物的抗鹽能力主要與其作為第二信使影響膜上ATPase、植物體內(nèi)K+／Na+

的比率，誘導(dǎo)抗鹽物質(zhì)生成及體內(nèi)離子的運輸、亞細(xì)胞分隔有關(guān).

然而細(xì)胞質(zhì)中高濃度的游離Ca2+會對植物生長造成不利影響，為使細(xì)胞質(zhì)中游離Ca2+濃度既能響應(yīng)環(huán)境變化而迅速升高，又能維持基態(tài)條件下的低濃度，細(xì)胞建立精細(xì)的調(diào)節(jié)機制，這些機制主要有離子運輸系統(tǒng)(如質(zhì)膜上的SOS1)、Ca2+／H+交換體、Ca一ATPase和Ca2+結(jié)合蛋白等(Sandereta1，2002)。第35頁/共45頁

滲透脅迫是鹽脅迫對植物造成傷害的重要原因之一。

為了避免滲透脅迫，植物細(xì)胞通過滲透調(diào)節(jié)來降低胞內(nèi)水勢，保持胞內(nèi)水分，從而保證植物細(xì)胞的正常生理活動。滲透調(diào)節(jié)第36頁/共45頁

參與滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)被稱為滲透調(diào)節(jié)劑，主要包括無機離子，如Na、K、C1一；有機小分子，如多元醇、糖類、氨基酸及其衍生物等兩大類。兩類滲透調(diào)節(jié)劑在植物體內(nèi)所起的作用不同，雖然兩類物質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)和液泡中都有分布，但細(xì)胞質(zhì)中無機離子的含量比液泡中低得多，有機小分子比液泡中高得多。因為無機離子進(jìn)入細(xì)胞后，在離子區(qū)域化的作用下大多轉(zhuǎn)運入液泡，降低了液泡水勢，而細(xì)胞質(zhì)中就必須合成有機小分子來平衡細(xì)胞質(zhì)內(nèi)外的水勢。

第37頁/共45頁

有機小分子和無機離子對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)也不相同，如蘆葦隨生境鹽度的增大，其有機滲調(diào)劑貢獻(xiàn)逐漸降低，無機滲調(diào)劑的貢獻(xiàn)則逐漸升高(趙可夫等，1998)。鹽生植物多以無機離子作為主要滲透調(diào)節(jié)劑，而非鹽生植物則以有機小分子為主。第38頁/共45頁

甜菜堿和脯氨酸是2種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。甜菜堿具有維持細(xì)胞與外界環(huán)境的滲透平衡，穩(wěn)定生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能，解除高鹽濃度對酶活性傷害的作用。鹽脅迫條件下植物體內(nèi)積累大量的甜菜堿，如Khan等(2000)發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下，彎角梭梭(Haloxylonrecurvum)中甜菜堿含量增加，但地