大豆耐盐机制的研究进展

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大豆耐盐机制的研究进展

作者：李亮

来源：《农业与技术》2017年第15期

摘 要：中国乃至整个世界土地的盐渍化越来越严重，给农业生产带来了越来越大的影响。大豆作为重要的经济作物，同样受到盐害带来的影响。高盐会对大豆的许多方面产生负面的影响，包括大豆的生长、节间伸长、各种农艺性状、种子质量和产量等。本文将在描素盐害对大豆产生各种负面影响的同时，总结介绍大豆在盐压力下的分子反应、耐盐机制和基因调控途径。

关键词：大豆； 耐盐性；NaCl

中图分类号：S565.1 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170832015

大豆是一种高油、高蛋白含量的经济作物。不但可以用大豆生产食用油满足人们的生活所需，还可以用来生产饲料甚至是工业产品。大豆的需求量与日俱增，但是盐害作为一种重要的非生物压力严重抑制大豆的产量。全世界有近1/3的土地是盐碱地，我国盐渍土地面积巨大，并且有7%左右耕地土壤严重盐渍化[1]。土壤的盐渍化是造成作物减产的重要胁迫之一。大豆虽然是中度耐盐作物但在盐渍化土地上生长仍会减产50%以上，甚至绝产。近些年大豆的种植面积不断缩小，国产大豆总产量不断降低。所以向盐渍化土地要粮，提高盐渍化耕地的利用效率是提高大豆等农作物总产量的有效方法之一。因此，在生产上对耐盐大豆品种的需求显得十分迫切。

利用现代生物技术培育耐盐品种相对传统耐盐品种的选育手段省时、省力，已逐渐成为当前的研究热点。在耐盐分子标记辅助育种领域，近年来取得了一些可喜的进展，一些与耐盐基因相关分子标记的获得和QTL位点的定位可能为耐盐品种的选育提供了更为有效的方法。但是目前还没有成功实践的范例，在大豆研究领域更是处于起步阶段。随着生物技术的飞速发展，利用转基因技术进行作物耐盐性改良已经成了新的研究热点。研究人员已经克隆得到了大量与大豆耐盐性相关的基因，并且把这些基因导入不同的植物，以期提高植物的耐盐性。目前用于该领域的基因大体有以下这几类：逆境诱导的植物蛋白酶基因，如受体激酶基因、核糖体蛋白激酶基因、转录调控蛋白激酶基因等；细胞渗透压调节物质基因，如大豆磷酸酯酶基因、1-磷酸甘露醇脱氢酶基因、6-磷酸山梨醇脱氢酶基因等；超氧化物歧化酶；转录因子基因，如JERF转录因子、DREB转录因子等[2-5]。但目前还没有培育出优良的转基因大豆耐盐品种。所以，对大豆的耐盐性改良，必须依赖对大豆耐盐性分子机理的深入理解。

1 盐对大豆的影响

大豆是一种中度耐盐的作物。当土壤中盐的含量达到5dS/m时，就会降低大豆的产量[6]。高浓度的盐影响大豆的整个生育期，从而影响大豆的最终产量。低盐浓度会延迟大豆种龙源期刊网

子的发芽时间。在高浓度的盐压力下，大豆的发芽率将大幅度的降低甚至不发芽。但是耐盐大豆品种的发芽率和发病率要明显低于盐敏感品种。在大豆种子萌发过程中，不同发育阶段对盐的耐性不同，种子吸胀期、出芽期、芽伸长期、侧根生长期耐盐性逐渐降低。大豆萌发阶段和成熟阶段的耐盐性也不同，‘Lee’、‘Coiquitt’和‘Clark36’3个栽培品种在盐胁迫下发芽率下降幅度相似，但是高盐对‘Coiquitt’和‘Clark36’株高和地上部分干重的影响比Lee严重得多[7]。相对于大豆种子的萌发阶段，苗期对盐压力更加敏感。220mM的氯化钠对苗期大豆的生长影响不大，300mM的氯化钠会严重抑制大豆的生长。高盐严重影响大豆各种农艺性状，包括株高、叶面积、节数、分枝数、结荚数、生物产量和百粒重等。种子的质量也受到高盐的影响，现在已经明确的是盐压力会降低大豆种子中蛋白质的含量，但是对脂肪含量的影响到底有多大现在还没有一个明确的结论[8]。一般情况下，大豆耐盐品种要比敏盐品种在高盐的环境下各种农艺性状表现得更好。根瘤是豆科植物的重要特征。盐胁迫影响大豆根瘤的发育，减少大豆根瘤的数量、降低大豆根瘤重量，从而降低大豆的固氮效率。吸氧受阻、根瘤中豆血红蛋白含量下降、固氮所需要的能量源消耗殆尽是盐胁迫抑制根瘤菌固氮的重要原因。另外，盐压力可以严重抑制根毛结瘤从而阻止与根瘤菌的共生过程的开始。盐胁迫可以严重损伤根瘤，但是大豆根瘤的数量和固氮效率与大豆品种和共生根瘤菌的耐盐性正相关。大豆品种本身的耐盐能力对根瘤的形成至关重要。

2 大豆耐盐机制

2.1 离子的吸收和转运

在沿海和内陆地区，盐主要以NaCl 和 Na2CO3/NaHCO3的形式存在。大量的研究显示Na+的过量积累是造成植物盐胁迫致死的关键离子，也有研究证明Cl-离子与大豆Nacl胁迫伤害高度相关。大豆叶片和根系中Na+和Cl-吸收、外排能力与大豆耐盐性相关。一般，大豆耐盐品种‘Dare’和盐敏感品种‘Tachiyutaka’在中度盐胁迫下Na+聚集在根系中，把Cl-离子转运到地上部分[9]。不同大豆品种耐盐性的差异取决于大豆根中Na+和Cl-的吸收和外排能力，栽培大豆对Cl-更敏感，而野生大豆对Na+更敏感[10]。以上的研究并没有明确Na+还是Cl-是大豆盐胁迫致死的关键因子。所以，Na+和Cl-的动态平衡可能与大豆耐盐性高度相关。Na+的外排和液泡区室化是植物抵抗盐胁迫重要的方式之一。人们发现高等植物液泡膜上的Na+/H+反向转运蛋白可以将细胞质中的Na+区室化进入液泡， 以避免高浓度Na+累积对细胞质产生毒害，并影响正常的代谢活动[11]。Cl-的动态平衡可能是决定大豆耐盐性的关键因素。GmCLC1定位于大豆的液泡膜上， NaCl， KCl， NaNO3， KNO3 和 PEG 可以诱导其在根系和叶片中表达。在转基因烟草BY-2细胞中，GmCLC1的异常表达可以通过增强液泡对Cl-的承载能力来避免NaCl产生的不良影响[12]。

2.2 渗透调节

高盐引起作物生长环境相对水分不足，从而对植物产生渗透压。渗透调节是植物适应盐胁迫的最基本特征之一。盐处理将引发大豆相关的生理反应。在水培盐处理大豆幼苗时，短时间内就会发现叶片出现萎蔫状态，并且叶片气孔的电导率明显的降低。在盐胁迫下，植物会主动龙源期刊网

积累一些无机离子、小分子有机化合物和蛋白类保护剂，如： Na+、K+、有机物、脯氨酸、有机酸等，来维持细胞内的渗透平衡，以避免盐胁迫造成伤害。在盐胁迫下，耐盐大豆品种‘Clark’和‘Forest’体内可溶性蛋白、脯氨酸、K+和Ca2+ 等含量增加，而在盐敏感品种‘Kint’体内这些物质大量减少[13]。亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸的积累有利于提高植物的抗逆性。相关研究显示在低浓度盐胁迫下，大豆种子中蛋白质含量显著下降，脂肪酸组成中的亚油酸和亚麻酸含量却显著增加[14]。

2.3 盐胁迫下细胞壁和膜脂的变化

细胞壁是一种非常复杂的结构，决定细胞的大小和形状，从而影响植物的生长发育和各个器官的功能。不同类型的细胞根据它们特定的功能细胞壁的组成成分不同，细胞壁通常会为了适应各种环境压力而发生改变。Proline-rich细胞壁蛋白是一种组成细胞壁的重要成分，它对外界的刺激十分敏感。大豆中SbPRP3编码了一种Proline-rich细胞壁蛋白。水杨酸、各种病毒感染、干旱和盐压力都能诱导它的表达[15]。

盐胁迫下，质膜的稳定性与大豆的耐盐性相关。植物细胞质膜是由磷脂，糖脂，和类固醇构成的。高盐可以改变质膜成分，导致细胞中的电解质和有机化合物渗漏。Surjus 和

Durand[16]的研究显示盐胁迫可以使质膜和微粒体中不饱和脂肪酸的含量分别降低55%和26%。盐压力可以降低棕榈酸和油酸的合成量，但是低盐驯化可以保持大豆幼苗中棕榈酸和油酸的含量，从而提高大豆的耐盐性[17]。

2.4 酶的变化

超氧化物歧化酶（SOD）分布于不同亚细胞，在大豆耐盐过程中扮演重要的角色。在大豆幼苗子叶中，细胞质、线粒体和叶绿体中超氧化物歧化酶活性分别占总活性的80%，11%，

9%[18]。盐胁迫首先抑制叶绿体中SOD的活性，然后是线粒体，最后是细胞质中SOD的活性。盐胁迫不但改变了SOD的活性，同时也改变了SOD的组成成分。除了SOD，人们分离得到了一些新的活性氧清除剂。例如，植物替代氧化酶可以在氧化状态下维持上游的电子传输组件的稳定，从而降低活性氧的产生。据报道，植物替代氧化酶可能通过这种方式来参与活性氧的清除 [19] 。大豆中GmPAP3编码一种紫色酸性磷酸酶。盐压力可以诱导其表达。GmPAP3的异常表达可以减轻植物由于盐、渗透压力和特异氧化带来的负面影响。在盐处理下，转GmPAP3基因的拟南芥比野生型生长的更好，并且减少了脂肪过氧化反应的发生[20]。

3 基因调控途径

据推测，高等植物中特定的受体会感知外界的盐压力信号，并把信号传导到细胞内，激活或生成特定转录因子，从而调控一系列特定盐诱导基因的表达。目前，人们已经在大豆中分离得到了模式植物盐胁迫信号传导网络中一些重要的假定元件。这暗示大豆盐胁迫信号传导途径可能与模式植物的相似。 龙源期刊网

3.1 Ca2+调控途径

胞外的刺激信号经过转换后进入细胞，通过细胞内的第二信使进一步传递和放大，最终引起细胞反应。第二信使的种类很多，Ca2+是其中研究比较深入的一种。一旦感受器感知外界的刺激信号，Ca2+就会引发一系列的反应。Ca2+感受器可以识别特定的盐压力Ca2+信号并与之结合，然后转移到激酶/磷酸酯酶从而激活相应基因的表达，相应功能基因的表达使植物表现出耐盐性，这些反应是不受ABA调控的[21]。

Ca2+调控途径是一种重要的压力反应信号传导途径。Ca2+-ATPase是一种主要的Ca2+转运蛋白。研究人员在大豆中分离出来一种定位在质膜上的Ca2+-ATPase基因GmSCA1。对它的功能分析显示，它属于一种新的IIB Ca2+泵蛋白家族，并且压力可以诱导它的表达[22]。CaMs是一种无酶活的蛋白，可以调节其它的无酶活或有酶活的蛋白。CaMs是真核细胞中Ca2+信号传到途径的主要组成成分。人们在大豆中已经克隆得到了5个CaMs拷贝序列（SCaM-1 to -5） 。SCaM-4表达水平比较低，但是盐压力可以诱导其短时间的表达[23]，说明它可能参与了生物压力和非生物压力的早期反应过程。人们已经分离得到了许多大豆蛋白激酶基因。GmAAPK编码丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，非生命压力可以调控它的表达。PEG，ABA，Ca2+和Na+可以诱导GmAAPK基因在大豆叶片中表达，表明它可能参与大豆的耐盐性调控[24]。GmSTY1是一种编码大豆假定双重-特异蛋白激酶基因。它与丝氨酸/苏氨酸激酶和酪氨酸蛋白激酶的羧肽相似。干旱和盐胁迫可以诱导它的表达，但脱落酸不能[25]。

3.2 ABA-independent调控途径

DREB蛋白在盐压力信号ABA-independent调控途径中起重要的作用，它们是一组转录因子，参与植物的生物压力和非生物压力抗性调控[26]。现在已经在大豆中克隆得到了十多个DREB蛋白基因。在经脱水处理的耐盐野生大豆品种中，GmDREB1表达量迅速增加并且表达量要比在野生型敏盐大豆品种中高得多。盐、干旱和冷压力可以诱导大豆叶片中GmDREBa 和GmDREBb的表达，在叶片中并没有发现GmDREBc被诱导表达。但盐、干旱、和脱落酸可以诱导GmDREBc在根系中表达。对DREB蛋白不同成员基因功能的研究显示，盐、冷和脱落酸同样可以诱导GmDREB2的表达，GmDREB2可以与DRE元件特异的结合，在转该基因拟南芥中的过表达可以激活下游压力反应基因。转GmDREB2基因的烟草比野生型植株积累了更多的脯氨酸[26]。