植物逆境生理第六章植物鹽脅迫響應及耐鹽的分子機制

第六章植物鹽脅迫第一節(jié)植物與鹽脅迫第二節(jié)植物耐鹽的分子第三節(jié)鹽脅迫信號的傳導途徑第一節(jié)植物與鹽脅迫土壤鹽漬化些干旱和半干旱地區(qū)，由于蒸發(fā)強烈，地下水上升，使地下水所含有的鹽分殘留在土壤表層；又由于降水量小，不能將土壤表層的鹽分淋溶排走，致使土壤表層的鹽分越來越多，特別是一些易溶解的鹽類，例如NaC1和Na?CO?等，結果就形成鹽堿土壤。一些海濱地區(qū)，由于海堤崩塌，海水倒流，也會形成鹽堿土壤。一般來說土壤中鹽的種類決定土壤的性質，鈉鹽是造成鹽害的主要鹽類：NaCl和NazSO4含量_較多稱為鹽土，Na2CO?與NaHCO?含量較多稱為堿土。而在自然界，這兩種情況常常同時出現(xiàn)，統(tǒng)稱為鹽堿土。我國鹽土通常分為濱海鹽土、草甸鹽土、沼澤鹽土、洪積鹽土、殘余鹽土和堿化鹽土6個亞類，堿土包括草甸堿土、草原堿土和龜裂堿土3個亞類。中國鹽堿地區(qū)主要分布在地勢比較低平，徑流較滯緩或較易匯集的排水不良地段，河流沖積平原、盆地、湖泊沼澤地區(qū)。如大西北的銀川平原、河西走廊、甘肅和新疆的各河流沿岸的階地、吐魯番盆地、塔里木盆地、準噶爾盆地、哈密傾斜平原以及青藏高原的柴達木盆地和湟水流域、東北的松嫩平原等。土壤鹽漬化是一個世界性的資源問題和生態(tài)問題。據(jù)世界糧農(nóng)組織和教科文組織的統(tǒng)計，全球有各種鹽漬土約9.5億公頃，占全球陸地面積的10%,廣泛分布于100多個l國家和地區(qū)，亞洲約有3.2×108公頃，約占全球的1/3。而且，由于土壤的次生鹽漬化，世界鹽漬土面積還在不斷增加，據(jù)巴基斯坦NazirAhmad(1965)的統(tǒng)計，巴基斯距3500萬畝總灌溉土地中，次生鹽漬化面積達530萬畝，敘利亞每年約有20000公頃土地因次生鹽漬化而丟棄，美國每年新增鹽漬土約80000至120000公頃。我國盡管尚末見有這方面全國性的統(tǒng)計資料，但有關黃河三角洲的一項區(qū)域性調(diào)查表明，該地區(qū)每年約有5%的農(nóng)耕地因土壤次生鹽漬化而撂荒。來自世界糧農(nóng)組織和教科文組織的一項統(tǒng)計報告表明，全球灌溉土地面積中，約50%的土地不同程度上遭受著土壤的次生鹽漬化和水淹的危害，每年約有1000萬公頃的土地由于土壤的次生鹽漬化而丟棄。土壤鹽漬化問題可謂觸目驚心!但更值得警覺的是，土壤鹽漬化總是發(fā)生在干旱、半干旱地區(qū)的綠洲地帶，和經(jīng)濟比較發(fā)達的沿海地區(qū)、各大河流三角洲和土壤肥沃的沖積平原，其生態(tài)破壞性和對人類生存的危害顯而易見。由于土壤次生鹽漬化導致生態(tài)破壞、危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生存的例子屢見不鮮：我國70年代中后期在萊州灣地區(qū)發(fā)生的海水入侵災害，導致約6萬畝土地次生鹽漬化，因土壤鹽漬化每年減產(chǎn)糧食達40%十年間造成經(jīng)濟損失數(shù)十億元，土壤中有機質、速效磷、速效氮和全氮大幅度下降，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)嚴重破壞，據(jù)世界糧農(nóng)組織1971年的調(diào)查，因王壤鹽漬化敘利業(yè)每年藥有30000公頃土地產(chǎn)量下降50%,約60000公頃土地產(chǎn)量下降20%,古美索不達米亞文明和先哥倫比亞文明的消亡很大程度上也是土壤鹽漬化的結果。另據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)的調(diào)查統(tǒng)計，在旱地土壤退化中，因土壤鹽漬化造成的土地荒漠化約為111.5萬km2,僅次于風蝕和水蝕，居第三位。而土地荒漠化是目前世界上最嚴重的資源與環(huán)境問題之一，僅1984～1985年間，因土地荒漠化導致非洲約1000萬人離鄉(xiāng)背井，約3000萬人因此受到饑餓，因荒漠化每年生產(chǎn)損失達260億美元，為防止荒漠化，每年還要投資45億美元。這些實例表明，土壤鹽漬化已經(jīng)，并還在成為危及人類生存的重大資源與環(huán)境問題。土壤鹽漬化這一古老的生態(tài)災難再一次向人類提出了嚴峻警鹽生植物及其系統(tǒng)演變鹽脅迫可能是地球上生命在進化中遇到的第一個化學脅迫，因為生命是起源于海洋的，受到鹽脅迫的植物通常也受到滲透脅迫、水脅迫和低氧壓脅迫等。生活在高鹽地區(qū)的植物也都進化出一些相應對策來適應和對抗鹽脅迫。以往的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫會誘發(fā)植物體內(nèi)多種結構和功能的改變，以利于植物適應新環(huán)境。近年來，分子生物學、基因工程技術、膜片鉗技術、突變體篩選等研究方法的應用，使人們對植物耐鹽分子機制有了進一步認識。一盡管沒有詳細資料記載，人類是何時開始認識鹽漬土、改造鹽漬土的，但可以肯定地說，人類與鹽漬土之間的斗爭歷史是悠久的?？偨Y已有經(jīng)驗，人類治理和利用鹽漬土不外乎兩種途徑：一是基于對鹽漬土本性的探索和認識，通過工程的、化學的、物理的和生物的措施，治理和改良鹽漬土，使其適應更多作物的生長；二是通過對植物抗鹽機理的深入研究，選擇、引種和培育新的抗鹽經(jīng)濟作物，使其適應鹽漬土環(huán)境。對第一種途徑的探索和嘗試，可以說人類付出了巨大努力，目前對鹽漬土的形成機理、發(fā)生發(fā)展規(guī)律已經(jīng)有了深刻的了解，工程治理鹽漬土在某些地區(qū)也取得了巨大成功。然而，鹽漬土治理過程中，人們發(fā)現(xiàn)，抬高地面、淡水壓堿、淡水洗鹽等工程治理措施的應用，受到氣候、水文條件的嚴重限制，它只適合降水較大和淡水資源豐富的地區(qū)，而且投資巨大，易造成土壤反鹽。來，地中海、南美洲、北美洲、墨西哥、巴杯島、加快了對本地區(qū)鹽生植物資源的調(diào)查和開發(fā)利用。有區(qū)分鹽漬士類型。事實上不同類型的鹽漬土對植物的耐鹽力不僅與土壤鹽分含量有關，而且還受到鹽分組成、土壤質地、當?shù)貧夂驐l件的影響，因此，鹽生植物應該是指在當?shù)刂佧}漬土生境中正常生長并完成其生活史的自然植物區(qū)系，這一定義與當?shù)佧}漬土的劃分相聯(lián)系，便于實際應用。更科學的定義應該根據(jù)植物的耐鹽能力來劃分，這一劃分首先要基于對眾多植物耐鹽生態(tài)生理及耐鹽能力的測試和排序，限于目前僅有很少一些植物的耐鹽能力通過測定，因此，對鹽生植物的定義和劃分，目多文獻對濱海鹽生植物和內(nèi)陸鹽生植物進行過研究。Aronson匯集了許多人的研究，在其"世界鹽生植物”一書中，收集到鹽生植物1560余種，隸屬i17科，550余屬，其中，沉水植物6科，40余種，低海岸鹽生植物8科12屬。從對這些鹽生植物的生活型分布和科屬分布看，大約90%的種為多年生植物，一年生植物及其他類型的種約占10%～12%,多年生植物中，喬木與灌木約占47%盡管在某些特定的地理區(qū)域，一年生鹽生植物占據(jù)絕對優(yōu)勢，但多數(shù)環(huán)境中，多年生的鹽生植物常常構成鹽生植物群落的優(yōu)勢種。目前，記載的鹽生植物中，絕大部分為被子植物，被子植物中又以雙子葉植物居多。被子植物中約1/3的科屬有鹽生植物分布，約一半的鹽生植物集中分布于20個科中。裸子植物中很少有鹽生植物分布(4屬),被認為是缺乏比較進化的氣孔和表皮?；趯σ延涊d的鹽生植物的分析,黎科植物中鹽生植物最多，僅濱藜字花科、禾本科、菊科、豆科和白花丹科。許多區(qū)域性的調(diào)查，如墨西哥、北美洲、非洲、地中海、前蘇聯(lián)、澳大利亞、以色列、埃及、中國等，也都反映出同樣的規(guī)律：藜科中的濱藜屬、藜屬、堿蓬屬、豬毛菜屬、鹽角草屬、鹽節(jié)木屬、鹽穗木屬，禾本科的堿茅屬、鼠尾粟屬、網(wǎng)茅屬、大米草屬，以及菊科、豆科、白花丹科、檉柳科植物在區(qū)域鹽生植物群落組成中占據(jù)支配地位，而很少見到鹽生裸子植物。這些結果提示，鹽生植物的進化可能是一種次生進化，是沿海藻→淡水藻→甜土植物(被子植物、裸子植物、蕨類苔蘚)→陸生鹽生植物→海生大型植物的過程進化而來。然而，也有觀察支持相反的觀點，認為包括：對芒麥草(Hordeumjubatum)起源的認maritima)的發(fā)現(xiàn)，以及非鹽生植物抗鹽機理脈三、植物的鹽害土壤中鹽分過多，危害植物的正常生長，稱為鹽害。一般來說，當土壤中的鹽濃度足以使土壤水勢顯著降低 (降低0.05～0.1MPa)時，即被認為是鹽害。實際上，當土壤中鹽分過多時，其水勢的降低遠遠超過0.1MPa。一般將植物鹽害分為原初鹽害和次生鹽害。在原初鹽害中又可分為直接原初鹽害和間接原初鹽害。直接原初鹽害主要指鹽脅迫對質膜的直接影響，如膜的組分、透性和離子運輸?shù)劝l(fā)生變化，使膜的結構和功能受到傷害。質膜受到傷害后，進一步影響細胞的代謝，從而不同程度地破壞細胞的生理功能，這就是間接原初鹽害。次生鹽害是由于土壤鹽分過多，使土壤水勢進一步下降，從而對植物產(chǎn)生滲透脅迫。另外，由于離子間的競爭也可引起某種營養(yǎng)元素的缺乏，從而干擾植物的新陳代謝。次生此害同賬鹽害《代謝變北》增大證自反疏水性和降低證白旋靜電強度陶話化或悅化干擾所以代謝對程其他脫水效應通性級運輸變化鼻長品壓滲進數(shù)隙營養(yǎng)缺乏兩子外漆生長抑制在20世紀50年代，人們開始注意到鹽的原并且推測這種傷害變化發(fā)生在膜脂和膜蛋白方面。原初直接傷害的證據(jù)是，生長在25mmol/LNaCl如果在這種溶液中加入2mmol/LCa2+,則可以阻止這種Na+誘導的K+的外流；如果用200mmol/L甘露醇溶液處理，則對大麥根保持K+的能力沒有影響。因此認為這種K+的外流不是滲透效(1)離子毒害一般植物不能在高鹽度鹽漬化土壤上正常生長的原因之一是高濃度Na'對植物的毒害作用。高濃度Na+可置換質膜和細胞內(nèi)膜系統(tǒng)所結合的Ca2+,膜所結合的離子中Na+/Ca2+比增加，膜結構完整性及膜功能受到破壞，致使細胞內(nèi)K+、磷和有機溶質的外滲，細胞K+/Na下降，抑制液泡膜H+-PPase(焦磷酸酶)活性和胞質中的H+跨液泡膜運輸，跨液泡膜運輸?shù)膒H梯度下降，液(2)活性氧傷害在鹽脅迫等逆境條件下，植物體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)的平衡受到影響，增加活性氧如02-、H?O?、OH·的產(chǎn)生量，破壞或降低活性氧清除劑，如SOD、CAT、POD、VitE、GSH等的活性和含量水平。體內(nèi)活性氧含量增高能啟動膜脂過氧化或膜脂脫脂作用，膜脂過氧化分解和膜脂脫脂作用導致膜的完整性降低，差別透性喪失，電解質及小分子有機物大量滲漏，細胞物質交換平衡破壞，進而導致一系列生理生化代謝紊亂，使植物受到傷害。2.原初間接鹽害(1)光合作用受抑制鹽分過多使PEP羧化酶和RuBP羧化酶活性降低，葉綠體趨于分解，葉綠素被破壞。葉綠素和類胡蘿卜素的生物合成受阻，氣孔關閉，使光合速率下降，影響作物產(chǎn)量。在土壤含鹽量超過0.35%時，土壤中大量的可溶性鹽分可導致土壤水勢及水分有效性顯著降低，使作物立苗困難。高鹽造成植物葉片氣孔失水關閉，以保持葉片內(nèi)相對較高的水勢，進而嚴重阻礙了CO?進入葉肉細胞，降低了植物的光合作用。研究表明，NaCl短期處理，菠菜光合作用的下降以氣孔限制為主，而在長期處理下光合作用的非氣孔限制增大。(3)呼吸作用改變一般來說，低鹽時植物呼吸受到促進，而高鹽時受到抑制。鹽分過多時總的趨勢是呼吸消耗量多，凈光合生產(chǎn)率低，不利于植物生長。(4)蛋白質合成受抑制鹽分過多對蛋白質代謝影響比較明顯，抑制合成促進分解。抑制蛋白質合成的直接原因可能是由于破壞了氨基酸的合成，如蠶豆在鹽脅迫下葉內(nèi)半胱氨酸和蛋氨酸合成減少，從而使蛋白質含量減少。(5)積累有毒物質1.水分虧缺土壤鹽分過多使植物根際土壤溶液滲透勢降低，根據(jù)水從高水勢向低水勢流動的原理，這就給植物造成一種水逆境，植物吸水困難，此時植物要吸收水分，必須形成一個比土壤溶液更低的水勢，否則植物將受到與水分脅迫相類似的危害，處于生理干旱狀態(tài)。如一般植物在土壤鹽分超過0.2%～0.5%時出現(xiàn)吸水困難，鹽分高于0.4%時植物體內(nèi)水分易外滲，生長速率顯著下降，甚至導致植物死亡(圖6-2)。營養(yǎng)虧缺(養(yǎng)分離子吸收不平衡)鹽分脅迫所誘導的營養(yǎng)虧缺，主要是由于植物在吸收礦質元素的過程中鹽與各種營養(yǎng)元素相互競爭，從而阻止植物對一些礦質元素的吸收而造成的。最常見的就是由NaC1所引起的缺K。例如，西葫蘆和白香草木樨(Melilo-tusalba)用NaC1處理后，植株的下部缺K。原因是Na'與具有低親和性機制的K+吸收競爭，以及在鹽堿土壤中K的量比Na*少得多。如果足夠的Ca2+存在，有利于K運輸?shù)母哂H和性吸收系統(tǒng)能夠更好地運轉，植物能獲得足夠的K和限制Na的吸收。近幾年來，還發(fā)現(xiàn)Ca2+能克服Na的有害作用。例如，玉米根的生長對75mmol/LNaCl高度敏感，假如在NaC1處理前提供10mmol/LCa2+,這種效應就能完全被Ca2抵消。膜的完整性和減少細胞質K*的滲漏。鹽脅迫下造成養(yǎng)分不平衡的另一方面在于Cl抑制植物對NO3-及H?PO?的吸收，其原因可能是這些陰離子之間存在第六章植物鹽脅迫響應及耐鹽的分子機制第二節(jié)植物耐鹽的分子機理第二節(jié)植物耐鹽的分子機理拒鹽(saltexclusion)三種。鹽生植物一般為排鹽或積鹽型，淡土植物通常為拒鹽型。植物抗鹽性并不只在種屬間才存在差異，由于所處生態(tài)環(huán)境的不同，長期的馴化適應可以在同種植物不同生態(tài)型之間，甚至同一群體的不同個體之間都存在廣泛的差異。然而，迄今為止，植物耐鹽的分子機理仍不十分清楚。植株形態(tài)上的鹽適應桐花樹的鹽腺則是由5個部分的細胞組成的。稀鹽的鹽生發(fā)現(xiàn)，稀鹽植物葉和莖的肉質化是由Na+來啟動的，其原乳糖二甘油脂(MGDG)含量低，鹽離子不易通過質膜，提高了抗鹽性。另外，鹽生植物根細胞膜的不飽和度小，鹽離子也不易通過，可能也與其抗鹽有關。陸靜梅等發(fā)現(xiàn)了松嫩平原的4種鹽生植物中，它們的根都發(fā)育出不同程度的通氣組織，提出與鹽生植物對鹽分的適應性有一定的關系。細胞的滲透調(diào)節(jié)滲透調(diào)節(jié)能力是植物耐鹽的最基本特征之一。與耐旱性不同，參與鹽脅迫植物滲透調(diào)節(jié)過程的滲調(diào)物質基本上分為兩大類，一是外界環(huán)境進入植物細胞內(nèi)的無機離子，如微生物和鹽生植物中的K+和Cl-,高等淡土植物的有機酸鉀；二是在細胞內(nèi)合成的有機溶質。有機和無機滲透調(diào)節(jié)物質在植物對鹽脅迫的適應中都有重要作用。雖然從能量消耗的角度看，積累有機溶質需要多消耗幾十倍的能量，但作為"親和性溶質",對于植物生存是必須的。植物受到滲透脅迫時，通常在細胞內(nèi)積累滲透保護物質(osmo-protectant)以降低細胞的滲透勢(圖6-3),由于它們不干擾細胞內(nèi)正常的生化反應，因此，將它們統(tǒng)稱為相容性溶質(compatiblesolute)。有機滲調(diào)物質大致可分為三類，即圖圖6-3鹽脅迫下植物細胞的滲透調(diào)節(jié)氨基乙酸甜菜堿<1mM氧離子<150mM有機酸=100氨基乙酸甜菜堿=300mMmM氯離子<50mM鈉離子<50m\有機酸=60mM及其衍生物(如甘氨酸甜菜堿、脯氨酸、甘氨酸、p-離氨酸、y-氨基丁酸、蘇氨酸等)、糖類及其衍生物(如山梨糖醇、甘油、甘露糖醇、赤蘚糖苷、異赤蘚糖苷等)和叔硫?；衔?如β-二甲基硫代丙酸)。人們設想利用分子生物學方法，改變非鹽生植物的代謝途徑，誘導相容性溶質的生物合成，從而提高非鹽生植物抵御滲透脅迫的能力。維管植物主要積累脯氨酸和甘氨酸甜菜堿。據(jù)報道，許多植物，特別是藜科和禾本科植物在鹽分脅迫條件下，細胞中積累甜菜堿，其積累水平與植物抗脅迫能力成正比。甜菜堿是另一種廣受關注的有機滲透調(diào)節(jié)物質。甜菜堿的生理功能主要有，參與細胞滲透調(diào)節(jié)功能，參與穩(wěn)定生物大分子的結構和功能，影響離子在細胞內(nèi)的分布。其他相容性物質的特殊功能有，參與脅迫條件下的光呼吸過程，參與羥自由基的清除等。在高等植物體內(nèi)，甜菜堿是在葉綠體基質中，由膽堿經(jīng)兩步氧化合成的，它的積累可保持細胞滲透平衡和穩(wěn)定復合蛋白的四級結構，但其機理尚不清楚。高粱中甜菜堿的含量在缺水時可增加26倍。有關多胺類物質與植物耐鹽性的關是指在確保其他離子吸收的條件下，植物細胞選擇性地排斥Na+,不讓其透過質膜。研究顯示，介導Na*跨質膜吸收的途徑可能有三種，即高親和和非選擇性陽離子通道(NSCC),其中由非選擇性陽離子通道介導的Na*跨質膜吸收進入植物體內(nèi)的途徑得到了較為普遍的認識(圖6-4)。研究表明，耐鹽植物在鹽脅迫下質膜非選擇性陽離子通降低地上部分鹽分濃度也是植物耐鹽的重要降低地上部分鹽分濃度也是植物耐鹽的重要機理之一。鹽脅迫后耐鹽植物杜梨幼株可以將根系吸收的Na+留在根系和根莖部位，減少向莖、葉留存于根中較多，向地上部分運輸較少。Durand和Lacan(1994)研究發(fā)現(xiàn)，進入栽培大豆木質部液流中的Na*在向葉片運輸過程中可被木質部薄壁細胞截留，并重新吸收，跨膜橫向運輸至韌皮部，再運送到根系，所以莖基部Na+含量顯著高于葉片，過質膜Na*/H逆向運輸方式進入木質部薄壁細胞的假說。耐鹽蘆葦最明顯的特征是限制Na+向地上部運輸，即使在500mmol/LNaCl鹽度下，其葉是一個主動運輸?shù)倪^程。海藻質膜上存在Na-物的排Na機制主要與質膜Na'/H逆向轉運蛋白有細胞內(nèi)泵出細胞，產(chǎn)生跨膜的質子電化學勢梯度，順電化學勢梯度進入細胞，同時Na逆化學勢排出細胞(圖6-4)。Shi等(2002)從擬南芥中克隆了SOS1基因，它編碼的蛋白與細菌和真菌的質膜SOS1突變體對鹽超敏感，表明SOS1在植物耐鹽機液泡是植物成熟細胞內(nèi)的最大細胞器，體積占細胞總體積的80%以上。液泡在膨壓調(diào)節(jié)、代謝產(chǎn)物儲存、有毒物質積累和信號轉導等方面起重要作用。鹽生植物和較耐鹽的淡土植物細胞所吸收的Na+和Cl-主要分布在液泡內(nèi)作為滲壓素。液泡膜上存在兩類質子泵，分別為H+-ATPase和H+-PPase,它們分別通過水解ATP和PPi,向液泡內(nèi)轉運質子，在膜兩側形成質子梯度，作為驅動力通過液泡膜Na/H逆向轉運蛋白，將細胞質中的Na'泵入液泡內(nèi)(圖6-4),減輕細胞質中Na對蛋白質的毒害作用，同時又起到滲透調(diào)節(jié)作用，緩解水分脅迫。進入根細胞內(nèi)的Na+在液泡中積累后，可以減少向地上部運輸，減輕對地上部光合功能的影響。因此，液泡膜上的Na+/H逆向轉運是細胞配的重要組成部分。液泡膜Na'/H*逆向轉運活性首土植物上也發(fā)現(xiàn)了逆向轉運體活性。目前已從擬南常生長和發(fā)育，表明Na'/H*在植物耐鹽性中具有重要功能。在根、莖、葉和花組織中均能檢測到五、調(diào)控鉀離子運輸系統(tǒng)棉花耐鹽性的一個重要特點是Na*在莖中和葉柄中滯留和積累，根中的K+向上部選擇運輸，以維持葉片較高的K+/Na。K+是高等植物中含量最豐富的陽離子，對于植物營養(yǎng)、生長、向性、酶平衡和滲透調(diào)節(jié)至關重要。植物從土壤中吸收K+主要通過高親和性的鉀離子運輸系統(tǒng)。當土壤中鉀離子含量很高時，也可以由鉀離子通道來吸收。目前，已從植物中分離、純化到了高親和性鉀離子運輸系統(tǒng)和離子通道，并對它們的結構和功能進行了分析，高親和性鉀離子運輸系統(tǒng)采用K+/H共同吸收的方式來吸收K+,而K離子通道可以選擇地吸收K+。當細胞中鹽分過多時，鹽分就會干擾植物對K+的吸收。因此，在滲透脅迫下，提高編碼高親和性鉀離子運輸系統(tǒng)和鉀離子通道基因的表達量，增加細胞內(nèi)K的含量，把過多的鹽分排出細胞外，將會提高植物的耐鹽能力。六、調(diào)控水通道蛋白滲透脅迫下的水分供應，對于細胞進行正常代謝活動是非常重要的。水分脅迫下，冰草(iceplant)細胞內(nèi)主要內(nèi)在蛋白(MIP)量增加。這種蛋白與已知的動物或植物中的水通道蛋白具有很高的同源性。水通道蛋白可以形成選擇性的水運輸通道，允許水自由出入，而將離子或其它有機物拒之門外。目前，已從冰草中分離到編碼水通道大大提高。鹽脅迫下，提高水通道的表達量，提高細胞膜的透水性，便于水分攝入，在沒有蒸騰作用下，將水分迅速吸收到根中，并長距離運輸?shù)降厣辖M織器官，將是耐鹽基因工程的一條新途擬南芥中30個基因編碼水通道蛋白，12種屬于TIP,有些能為干旱和鹽誘導；也有的為激素如ABA,GAs等誘導。水通道蛋白的活性還受磷酸化調(diào)節(jié)，如大豆種子液泡a-TIP菠菜質膜PM28A都能被磷酸化，而且這種磷酸化依賴Ca2+,估計此磷酸激酶是一種CDPK。此外水通道蛋白還能夠緩沖胞質中的滲透震蕩，這是因為液泡膜比質膜更易透水。有人通過構建擬南芥水通道蛋白基因AthH2的反義載體，降低了擬南芥內(nèi)AthH2的表達，導致質膜的透水性下降約3倍，只有通過增加根的數(shù)量(約5倍)光合作用途徑一些肉質植物，如豆瓣綠屬植物、馬齒莧科植物以及番茄科植物冰草等，在鹽漬或水分脅迫下可以改變光合碳同化途徑，即由C3途徑變?yōu)镃AM途徑。CAM植物在夜間開放氣孔進行CO?的吸收和固定，白天氣孔關閉減少蒸騰失水，這是一種對環(huán)活性證實光合作用轉變是受鹽誘導的。整個光合作用途徑轉變是一個十分復雜的過程，涉及到的基因很多，利用改變植物光合作用的途徑提高植物耐鹽性將十分困難。植物的膜系統(tǒng)主要是由膜脂和膜蛋白組成的。當植物受到鹽脅迫時，體內(nèi)會產(chǎn)生大量的氧自由基，既活性氧，從而引起膜脂的氧化傷害。植物體內(nèi)存在有抗氧化的過氧化酶系統(tǒng)，當受鹽脅迫時，過氧化酶系統(tǒng)活動加強，以清除過多的活性Kaoshium品種幼苗較未受鍛煉的幼苗有較多的谷胱甘肽還原酶(GR)、抗壞血酸過氧化物酶(APOX)和脫氫抗壞血酸還原酸(DasAR)活性，有利于降低第六章植物鹽脅迫響應及耐鹽的分子機制第三節(jié)鹽脅迫信號的傳導途徑第三節(jié)鹽脅迫信號的傳導途徑高等植物體內(nèi)鹽脅迫信號傳導途徑包括兩部分：滲透脅迫信號傳導途徑和調(diào)控細胞內(nèi)外離子平衡的信號(即SOS信號)傳導途徑，其中滲透脅迫信號傳遞途徑又包括ABA介導的信號傳導和不依賴于ABA的信號傳導(圖6-5)。衡滲透脅迫→ABA→→→滲透平衡圖6-5鹽脅迫信號傳導過程滲透脅迫信號傳導途徑滲透脅迫會使植物喪失一定的水分并導致細胞膨壓降低。這一變化可能會改變植物細胞壁與細胞膜的相互作用，并引起細胞膜上一些蛋白構象的變化，從而識別外界環(huán)境中的滲透脅迫信號有關滲透脅迫的信號傳導，目前對酵母的研究比較充分，從而為研究高等植物提供了有益的借鑒。植物和酵母相似之處頗多，如質膜、液泡逆轉運體，外整流K*通道(Tokl-ORK)和C1-道(Gefl-CLC),不同之處在于酵母無內(nèi)整流型K離子通道和液泡膜H'-PPase,植物無Na'-ATPase。在酵母中已經(jīng)全面闡明了兩條滲透脅迫的信號通Calcineurin是一種Ca2+和CAM依賴的蛋白磷酸酶，Ca-CaM復合物。Calcineurin調(diào)節(jié)Na、K+、Ca2+離子的平衡。CnB的功能喪生導致對Na+、Li+的高敏)因轉錄因子CRZ1/TCN1調(diào)節(jié)CRZ1/TCN1的核內(nèi)定位，從而調(diào)控上述基因表達的。Calcineurin的最初信(sensor)至今仍不明。酵母calcineurin也參與調(diào)控K運輸，鹽害下K吸收轉變?yōu)楦哂HK系統(tǒng)(HKT1),而Calcin-eurin直接或間接的調(diào)節(jié)高親K+系統(tǒng)的磷酸化狀態(tài)而影響K+的吸收。其功能可能是磷酸化一些受ABA誘導的轉錄因子，調(diào)節(jié)其活性使其識別滲透脅迫相關調(diào)控滲透脅迫H0G1途徑包括感受低滲脅迫的途徑SHO1→PBS2→HOG1和感受高滲的SLN1→SSK1→SSK2或SSK22→PBS2→H0GSLN1是感受器，SSK1是調(diào)節(jié)器，構成雙組分系統(tǒng)。下游的SSS2/SSK22,PBS2和HOG1組成MAPK通路，分別相當于MAPKKK、MAPKK和MAPK。磷酸化的HOG1轉運至細胞核，并磷酸化一個或多個轉錄因子，從而誘導GPD1(甘油-3磷酸脫氫酶)及其他基因的表達，最終導致甘油的合成，而甘油是酵母中主要的滲透調(diào)市劑。在高等植物體內(nèi)；存在兩條滲透脅迫信號傳遞Anderberg等(1992)從小麥中克隆了一個受ABA和脫水脅迫誘導的蛋白激酶同源蛋白PKABA1。PKABA1含有絲氨酸/蘇氨酸蛋百激酶保守的結構域。基因啟動子中的ABA反應元件，從而調(diào)節(jié)這些基因的表達。Leung(1997)分離了一些對ABA不敏感的擬南芥突變體。在突變體中受ABA誘導的脯氨酸含量下降。兩個突變基因abil和abi2被克隆。序列分析表明這兩種基因編碼蛋白相互同源，而且均為蛋白磷酸酶同源蛋白(PP2C類型)。其結構中含有保守的絲氨酸/蘇氨酸結構域及Ca2+結合位點EF手象結構域。由于abil和abi2基因突變均能使擬南芥突變體對ABA不敏感，表明abil和abi2編碼的蛋白磷酸酶是ABA介導的擬南芥滲透脅迫信號傳遞途徑的一個組成部分由以上分析可知在植物中存在一個由ABA介導的滲透脅迫信號傳遞途徑，信號的傳遞可能是由蛋白激酶和蛋白磷酸化酶協(xié)同完成的。在植物中除了由ABA介導的滲透脅迫信號傳遞途徑外，可能還存在一種不依賴于ABA的滲透脅迫信號傳遞途徑。Jonak等(1996)研究報道在植物苜蓿在一種蛋白激酶MMK4。MMK4是MAP信號途徑MAPKKK、MAPKK、MAPK中MAPK的同源蛋白。干旱脅迫能誘導ABA不能誘導MMK4基因mRNA水平升高，而且MMK4激酶活性也不能被ABA激活，表明苜蓿中MMK4激酶介導的干旱脅迫信號傳遞途徑不依賴于ABA。研究還發(fā)現(xiàn)盡管干早脅迫能激活MMK4激酶，但MMK4激酶SOS信號傳導途徑是由Arizona大學的朱健康研究室最先從擬南芥體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，該途徑介導了鹽脅迫下細胞內(nèi)Na+的外排及向液泡內(nèi)的區(qū)域化分布。通過快中子轟擊或T2DNA誘變方法得到了大約250000株擬南芥，然后在含NaCl的瓊脂培養(yǎng)基上對它們進行根部彎曲檢測，結果獲得了40多個SOS突變體。在這些SOS突變體之間又進行等位性檢測，最后把這些突變體歸為5組，定義了5個耐鹽基因：SOS1、S0S2、三個基因參與介導了細胞內(nèi)離子平衡的信號傳遞1.SOS1基因的定位克隆SOS1基因是植物耐鹽性的一個必需基因，SOS1突變體是通過T2DNA插入法得到的，這些SOS1突變體使擬南芥對高濃度Na*或低濃度K+環(huán)境相當敏感。運用分子標記技術SSLP對SOS1突變體進行檢測、標記。發(fā)現(xiàn)SSLP標記NGA1145靠近2號染色體，并與SOS1突變體緊密連鎖。又借助于BAC克隆技術，把SOS1定位在70kb范圍內(nèi)，位于SSLP分子標記T23K3到1和F14H20到3之間。從SOS1突變體中擴增出這個區(qū)域的候選基因，并對它們進行測序，利用快中子轟擊進一步分析發(fā)現(xiàn)：其中一個候選基因含有一個在所有SOS1突變體中都含有的變異。每個變異都導致核苷酸變化。互補實驗進一步證實了這個假定的基因是SOS1。它位于2號染色體上。SOS1編碼一個假定的質膜Na'/H*逆向轉運因子SOS1編碼了一個1146個氨基酸殘基的多肽，該多肽的分子量是127KD,SOS1的N端具有高度疏水特性，并帶有12個轉膜區(qū)域。SOS1的轉膜區(qū)域和動物或微生物的Na'/H逆向轉運因子相當相似。例如：SOS1與來自于中國大鼠(Chinesehamster)的NHE1具有26%同一性和45%相似性；SOS1與來自于P.aeruginosa的Nhap具有31%同一性和48%的相似性)SOS1的C-端具有親水性并殘留在細胞質中，這個長的親水的C-端尾部使SOS1成為已知的最大的Na'/Ht逆向轉運因子。迫正調(diào)控SOS1基因的表達運用Northern分析檢測S0S1基因在鹽脅迫下的表達情況：在沒有鹽脅迫因子存在的情況下，檢測到S0SmRNA;鹽脅迫因子正調(diào)控SOS1mRNA,SOS1轉錄的穩(wěn)定態(tài)是由鹽脅迫反應基因正調(diào)節(jié)的，這個調(diào)控是針對NaCl的，它不發(fā)生在ABA或冷害處理的條件下。SOS1mRNA在擬南芥的根部的含量比在枝葉中多，在根部和地上部，SOS1的表達都是由NaC1脅迫因子正調(diào)節(jié)的，這個正調(diào)控是與SOS1耐Na*離子的作用相一致的NaC1脅迫因子也正調(diào)節(jié)著編碼質膜H-ATP酶的基因的表達，H'-ATP酶表達的加強能提高質子轉運的能力，這對提高Na'/H'逆向轉運因子的活性具有重大意義。S2基因的定位克隆SOS2基因是擬南芥中的重要耐鹽基因，SOS2基因的突變完全降低植物在高濃度Na+和低濃度K*環(huán)境下的忍耐性，根據(jù)這個突變特性，SOS2可能編碼一個調(diào)控蛋白，該蛋白能控制和激活K*和Na'轉運蛋白，該蛋白能控制和激活K+和Na+轉運蛋白的活性。SOS2基因是通過定位克隆得到的，通過與SOS2-2突變體進行雜交，SOS2與S0S2landsbery生態(tài)型等雜交得到SOS2基因圖譜，在分析1230個重組染色體的基礎上，SOS2基因被0S2編碼一個假定的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶SOS2基因編碼一個446氨基酸的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，該蛋白激酶分子質量為51KD。其N-端大約有270氨基酸，它組成激酶的催化區(qū)域，SOS2的C-端是它的調(diào)控區(qū)域。催化區(qū)與酵母SNF1(sucrose(AmPK)非常相似。但是，SOS2與SNF1/AmPK在序列功能和調(diào)控作用方面有明顯的不同：首先，SOS2功能主要體現(xiàn)在Na+和K*體內(nèi)平衡和耐鹽(Na)方面，而不是體現(xiàn)在新陳代謝方面；第二，SOS2的調(diào)控區(qū)與SNF1/AmPK的有明顯的不同：第三，SOS2的活性是Ca2調(diào)控的，而不是由AmP調(diào)節(jié)的，SOS2的C-端調(diào)控區(qū)域在植物耐鹽功能方面也起著必不可少的作用。3.鹽脅迫正調(diào)控SOS2基因在根部的表達為了分析研究SOS2基因在鹽脅迫下表達情況，從培養(yǎng)基中取出10天大小的擬南芥幼苗，將它們放在經(jīng)過處理的濾紙上分別被處理3、6或12小時(這些濾紙是用含200mmol/LNaC1的Murashing和Skoog培養(yǎng)液浸泡過的)。作對照實驗的植物用同樣的方法進行處理，惟一不同的是浸泡濾紙的培養(yǎng)液中無NaC1。處理后，根部和地上部在下胚軸處被分開，運用SOScDNA作探針進行Northern印跡分析。檢測SOSmRNA結果顯示，在根部和地上部存在SOS2的轉錄。這與S0S2突變體植物的根部和地上部對NaCl脅迫因素超敏感相一致的。S0S2在根部的表達是受NaCl脅迫因子正調(diào)節(jié)的。S0S2在缺少壓力下的表達與它在最初信號轉導產(chǎn)生鹽適應性的作用是一致的。SOS2轉錄的正調(diào)控對在脅迫條件下保持足夠重量的S0S2蛋白起著重要的作)SOS3基因S3基因的定位