改善植物耐盐性的途径

      土壤盐碱化是一个重大的环境挑战，正在威胁世界各地的农业生态可持续发展。探索植物适应盐分胁迫的机制、开发提升植物耐盐性的新策略以及培育具有耐盐特性的新品种，对于提升作物产量和有效利用盐碱地资源具有深远的理论价值和实际应用价值。目前，通过改良植物耐盐性，推广各种作物在盐碱地开发种植的方法，主要包括外源措施和通过遗传改良的分子育种措施。

一、 外源措施

常见的外源性物质主要包括：BRs、萘乙酸（NAA）、JA、GA、褪黑素、ABA等植物激素，NO、硅、硒、甜菜碱、糖、有机酸和其他可激活植物中抗氧化酶活性的物质，SA、腐殖酸和钙等可降低细胞膜渗透性的物质。

1.1 脱落酸

ABA 作为重要的二级信号分子，在盐胁迫反应过程中激活激酶级联反应并介导基因表达，是调节应激反应最重要的激素。盐胁迫诱导 ABA 迅速合成导致其水平升高，激活激酶级联反应，改善应激识别和应激防御反应。盐胁迫限制植物水分的吸收，导致细胞脱水和细胞膨压变化，从而产生渗透胁迫；而内源ABA 水平的升高会引起作物气孔关闭，以调节水分平衡和渗透稳态。在盐胁迫下，外源 ABA 通过关闭气孔机制、维持正常的叶片相对含水量、维持细胞膜结构稳定、降低电解质渗透率等过程进而维持高羊茅的正常生理代谢活动。因此，渗透调节是 ABA 介导的植物盐胁迫反应的重要功能。

盐胁迫诱导的渗透应激也会激活ABA信号转导途径。盐胁迫诱导的ABA信号通过靶向启动子调控区的ABA反应元件（ABRE）上调许多基因的表达。ABRE 结合蛋白/ABRE 结合因子（AREB/ABF）转录因子是协同调节 ABRE 介导的下游靶基因转录，增强盐胁迫耐受性的主要转录因子。SnRK2s是ABA信号通路的核心成分，在渗透调节中起关键作用。SnRK2s磷酸化并正向控制 AREB/ABF转录因子。

1.2 褪黑素

褪黑素是一种广泛存在于动物和植物中的吲哚胺，被认为是一种候选的植物激素，可以影响植物对各种生物和非生物胁迫的反应。在植物中，褪黑素的作用与生长素吲哚-3-乙酸（IAA）相似，IAA 和褪黑激素具有相同的生物合成前体色氨酸。盐胁迫导致褪黑素在植物中快速积累。褪黑素通过直接和间接两种机制增强植物对盐胁迫的耐受性。直接机制包括清除活性氧；间接机制则涉及提升抗氧化酶的活性、提高光合作用效率以及增加代谢物水平，并调节应激相关的转录因子。例如，褪黑素的应用不仅增强了紫花苜蓿中 SOD、CAT 和 POD 的活性，还促进了植物的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）的提升。此外，褪黑激素可以通过影响基因的表达来影响植物的盐胁迫应答。

1.3 油菜素内酯

BRs 是一种甾体激素，介导各种生理过程，包括植物的细胞生长和发育、开花和结果以及植物抗逆性。盐胁迫下，BRs 的生物合成增加，通过维持离子稳态和渗透调节来增强植物对胁迫的耐受性。外源BR 的应用可以减少ROS的产生，增强了渗透调节和离子稳态，诱导了应激反应基因的表达，并导致应激反应蛋白的翻译变化。24表油菜素内酯（EBL）是油菜素内酯生物合成途径的副产物，可以促进植物在盐胁迫下的生长发育。外源EBL通过提高花生抗氧化防御系统能力，积累可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质，维持离子稳态以及调节植物激素来缓解花生盐胁迫的损害。BR相关突变体和过表达转基因植物的遗传和表型结果表明，BR信号的适当增强有利于植物抵御盐胁迫。番茄中，BR 同源基因 SlBZR1 正向调节番茄的耐盐性，并上调多种应激相关基因的表达。

1.4 甜菜碱

甘氨酸甜菜碱（GB）是一种渗透调节剂。甜菜碱是通过胆碱单加氧酶（CMO）和甜菜碱醛脱氢酶（BADH）氧化胆碱而获得。植物中共有 12 种甜菜碱，其中最简单和研究最多的是甘氨酸甜菜碱。甘氨酸甜菜碱可以帮助植物细胞在盐胁迫下保持膜的完整性和酶的活性，从而减少盐胁迫造成的损害。许多高等植物，特别是藜科和禾本科的植物，在盐胁迫下会积累甜菜碱。多项研究证明，外源施用甜菜碱可以提高千屈菜、棉花等植物的耐盐性。如在薄皮甜瓜中，叶面喷施甜菜碱显著增加了脯氨酸含量，激活抗氧化酶活性，有效缓解了脂膜过氧化程度，增强了薄皮甜瓜抗盐性。

1.5 一氧化氮

一氧化氮（NO）在植物的生长、发育和生物/非生物胁迫反应中发挥重要作用。由于 NO 是一种自由基，因此其水平受到内源性和环境线索的动态调节。许多植物激素，包括脱落酸、生长素、细胞分裂素、水杨酸、茉莉酸和乙烯，都能诱导NO的生物合成。许多非生物和生物胁迫，如冷、热、盐、干旱、重金属和病原体，也能刺激NO的生物合成。盐胁迫刺激NO和ONOO−在根中的积累，减轻盐胁迫引起的损伤。外源 NO 可以减轻盐胁迫对短芒大麦草生长的抑制作用。NO 是ROS 的强大抑制剂，ROS 可引起脂质过氧化反应。为外源 NO 供体硝普钠（SNP）的应用已被证明可以降低盐胁迫下小白菜、辣椒、茄子、豌豆中 H2O2、超氧阴离子自由基和 MDA 的含量，从而防止氧化损伤。

1.6 水杨酸

水杨酸是一种天然存在的植物激素，作为一种重要的信号分子和潜在的非酶抗氧化剂，影响各种生化和生理功能，在不利环境下积累在植物组织中，有助于调节植物生长和代谢。水杨酸的大量积累是植物为抵御各种胁迫而进化出来的机制之一。盐胁迫下，外源水杨酸可通过减少氧化应激和调节各种植物生长过程来缓解盐胁迫，如离子吸收、气孔调节、水分关系、叶绿素荧光、气体交换属性、脂质过氧化、膜通透性、抗氧化酶活性和渗透调节。在马铃薯中，水杨酸通过提高抗氧化酶活性和调节渗透调节（脯氨酸、酚类含量）来清除 ROS，提高马铃薯叶片中的钾有效性，降低钠含量，从而提高马铃薯耐盐性。外源水杨酸通过提高叶片相对含水量和叶绿素含量，提高叶片脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的含量，并且降低叶片中丙二醛含量，一定程度上缓解盐胁迫对巴西蕉造成的损伤。

二、 分子育种

分子生物学、细胞生物学等技术的成熟使得通过控制相关基因的表达来提高植物的耐盐性变得更加可行。近年来，多种参与植物盐胁迫响应的基因和转录因子被鉴定和克隆，包括 CIPK、CDPK、NHX、HKT、APX、WRKY、MYB、NAC、AP2/ERF、DREB、bZIP、C2H2 等。随着测序技术的快速发展，可用的基因组序列越来越多，将为分子育种提供更多有价值的基因和调控信息。

2.1 信号转导相关基因

盐超敏感信号转导途径（SOS 途径）介导的 Ca2+信号途径最早是在模式植物拟南芥中发现的，是盐胁迫下植物将 Na+从胞质中排到细胞外的主要机制。SOS 途径涉及两种钙离子（Ca2+）感受器蛋白 AtCBL4/SOS3 和 AtCBL10/SCaBP8，蛋白激酶 AtCIPK24/SOS2 和质膜 Na+/H+逆向转运蛋白 AtNHX7/SOS1，其介导的 Ca2+信号传递是植物耐盐的核心机制。在 ABA 信号途径中，ABA 通过向 Ca2+发出信号并诱导可逆的蛋白质磷酸化来调节植物的耐盐性。Ca2+激活的蛋白激酶可以参与调节盐胁迫响应基因的表达。ABFs/AREBs 是参与 ABA 依赖性基因表达的调节因子，通过与ABRE 结合调节相应基因的表达。蛋白激酶，特别是CDPKs 和MAPKs，作为一种重要的信号转导元件，在调节植物对非生物胁迫的反应中发挥着重要作用。CDPK 基因家族已经在许多植物物种中被鉴定和分析。其中，在拟南芥中发现了 34 个 CDPK 成员，大部分与应激信号传导有关。在拟南芥、毛果杨、葡萄、玉米等多种植物中发现了参与盐胁迫反应的MAPK成员。如在拟南芥中，AtMEKK1通过磷酸化AtMKK2和AtMEK1来激活下游激酶 AtMPK4 和 AtMPK6，以应对盐胁迫。

2.2 离子转运相关基因

过去的二十年里，已经在各种植物物种中发现了数十种与耐盐性有关的离子转运蛋白。其中，高亲和性 K+转运蛋白（HKT）和 Na+/H+反向转运蛋白（NHX）在 Na+、 K+的吸收、长距离转运和再分配中起着关键作用。HKT 将过量的 Na+从木质部释放到周围的薄壁细胞中，降低芽中Na+的含量，并维持体内 K+的稳态。在液泡膜上，由 H+-ATPase 和 H+-PPase 形成的质子梯度驱动的NHX 参与 Na+的运输，实现 Na+在液泡中的分隔。第一个 NHX 家族基因在拟南芥中发现，命名为AtNHX1。至今，多个 Na+/H+反向转运蛋白在植物中被鉴定，如夏堇和花生。此外，K+转运蛋白（KT）、拟南芥 K+转运蛋白（AKT）、外向整流 K+通道（SKOR）、外向 K+通道（GORK）家族、Ca2+/H+反向转运蛋白（CAX）等，也参与维持盐胁迫下植物细胞内的 Na+、K+、Ca2+离子稳态。

2.3 渗透调节相关基因

在盐胁迫下，植物可以积累小分子溶质或其他渗透剂，如脯氨酸、甜菜碱、海藻糖、甘露醇、果聚糖等，应对盐胁迫诱发的水分胁迫。脯氨酸在植物中的代谢途径是明确的。植物中有两条脯氨酸合成途径：谷氨酸途径和鸟氨酸途径，初始底物分别是谷氨酸和鸟氨酸。在谷氨酸途径中，起核心作用的酶是 Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）和谷氨酸脱氢酶（GDH）。而在鸟氨酸途径中，关键酶包括鸟氨酸转氨酶（OAT）和精氨酸酶。植物体内甘氨酸甜菜碱的生物合成主要依赖两个连续的酶促步骤：首先，在胆碱单加氧酶（CMO）的作用下，胆碱被氧化成甜菜碱醛；随后，在甜菜碱醛脱氢酶（BADH）的作用下，甜菜碱醛进一步氧化生成甜菜碱。至于海藻糖的合成，植物体内的 OtsA-OtsB 途径涉及两个主要步骤：首先是海藻糖磷酸合成酶（TPS）将尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）和葡萄糖-6-磷酸（G6P）转化为海藻糖-6-磷酸（Tre6P）；其次是海藻糖磷酸磷酸酶（TPP）将 Tre6P 去磷酸化，生成海藻糖。

2.4 抗氧化相关基因

盐胁迫导致大量 ROS 的产生。通过过表达 SOD、CAT、POD 和 APX 等抗氧化酶相关基因，ROS 可以被迅速消除。近年来，许多植物抗氧化酶基因家族被鉴定，并分析了它们在非生物胁迫下的差异表达模式，如芥菜和芜青的 SOD 基因家族，木薯的 POD 基因家族，陆地棉的 CAT 和 APX 基因家族。抗坏血酸过氧化物酶（APX）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDAR）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）和谷胱甘肽还原酶（GR）参与的抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环，在植物的抗氧化代谢中发挥核心作用。在不同的非生物或生物胁迫下，与 AsA-GSH 循环相关基因的表达受到高度调节，减轻氧化损伤，是触发适应性反应的细胞信号通路的重要组成部分。

2.5 调节基因

植物的耐盐性是一个受多基因影响的复杂数量性状。在环境胁迫下，转录因子通过调节特定基因的表达来响应。涉及胁迫响应的核心转录因子家族主要有 MYB、bZIP、AP2/ERF、DREB、bHLH、WRKY、CBF和NAC等。例如，bHLH 和 WRKY 这两个转录因子通过控制盐响应基因 AtKUP2 的表达水平，能够增强拟南芥的耐盐能力。过表达AtMYB20可以增强转基因拟南芥抗盐性，并降低ABA信号负调节因子 ABI1、ABI2 和 AtPP2CA 的表达水平。