（生态学专业论文）盐芥和拟南芥抗盐的生理生化机制研究.pdf

摘要 本论文以盐生和非盐生模式植物一盐芥和拟南芥为实验材料，测定盐胁迫下 的相关指标：抗氧化物酶( s o d 、p o d 、c a t ) 活性、同工酶谱、水势、量子产 量以及可溶性糖含量。通过上述指标的测定与分析，研究不同发育期盐芥和拟南 芥抗盐的生理生化机制，以获得盐生植物和非盐生植物在盐胁迫下的生理生化反 应的基础数据，为探讨植物的耐盐机制，并根据其生理生化反应中的指标特点确 定与植物抗盐的关键基因，进而为利用基因工程技术培育抗盐的农作物、开发和 利用盐渍土地提供实验依据。 本论文以不同发育期的盐芥和拟南芥为实验材料，通过测定上述生理生化 指标，分别对测定的指标进行了比较分析，获得以下结论： 对盐胁迫下壮苗期和抽苔期的拟南芥的抗氧化物酶活性进行测定，盐胁迫 对壮苗期和抽苔期的拟南芥的抗氧化物酶活性影响不同，表明同一植物在不同的 发育时期s o d 、p o d 、c a t 活性变化不同。p o d 不仅变化趋势一致，而且各处 理下不同的发育时期活性基本相同；c a t 活性变化趋势则相反；s o d 在不同 发育时期活性差异较大，壮苗期活性明显高于抽苔期。 对盐胁迫下2 4 h 和4 8 h 幼苗期和壮苗期的盐芥叶片的s o d 、p o d 活性比 较可以看出，不同发育时期盐芥s o d 、p o d 活性变化不同。幼苗期的s o d 、p o d 活性皆高于壮苗期，提示幼苗期盐芥在对盐胁迫抵抗中，s o d 、p o d 发挥重要 作用，而在壮菌期由于各种保护系统和抗逆机制比较完善，s o d 、p o d 发挥作 用效力降低。 对盐胁迫下两个不同发育期的拟南芥叶、根中同工酶谱带进行分析，p o d 同工酶谱带数相同迁移率一致，说明p o d 同工酶在叶和根中很稳定。抽苔期和 壮苗期的拟南芥s o d 同工酶在叶中都有2 条同工酶谱带，且具有相同的迁移率， 说明不同发育期的拟南芥s o d 同工酶在特定的器官中是稳定的，并且壮苗期的拟 南芥s o d 同工酶谱带明显亮于抽苔期的拟南芥，与所测得的s o d 酶活性一致；抽 苔期拟南芥根中具有3 条s o d 同工酶谱带，与叶片相比只有1 条是相同的谱带，可 见拟南芥在不同的器官中s o d 同工酶表达具有特异性。 同时，对盐胁迫下幼苗期和壮苗期的盐芥p o d 同工酶谱带进行分析，在根 中都具有3 条谱带，但只有l 条谱带迁移率是一致的；幼苗期盐芥根的s o d 同 工酶谱带数目和亮度皆高于壮苗期，与测得s o d 的活性一致可见盐芥在不同 发育期，在特定的器官中p o d 、s o d 表达活性不同。壮苗期的盐芥根s o d 同工 酶谱带数目是2 条，叶中3 条，其中有2 条谱带迁移率一致，说明同一发育期的 盐芥s o d 同工酶具有组织器官特异性。 对盐胁迫下盐芥和拟南芥同工酶谱带的比较可以看出，盐芥的p o d 同工酶在 特定器官中并不具有高度的稳定性和相似性，不同的发育期盐芥叶片中产生相同 数目但不同种类的同工酶谱带，即盐芥在不同的发育期具有不同的同工酶谱带， 推测这种方式可能是盐生植物适应环境变化的方式之一；但拟南芥p o d 同工酶在 特定器官中具有高度的稳定性和相似性，不同的发育期不同的组织器官内具有相 同的谱带。两种植物的s o d 同工酶在逆境下会产生特异条带，p o d 相对稳定，推 测由于s o d 首先感应在逆境下产生的a o s 并作出应答，因此其基因表达的调节能 力较p o d 强。 采用w p 4 水势仪和p a m - 2 1 0 0 叶绿素荧光仪测定盐胁迫下壮苗期盐芥和拟 南芥的水势和量子产量，盐胁迫下壮苗期的盐芥和拟南芥的水势和量子产量随着 处理时间和盐浓度的增加而逐渐降低，且拟南芥的下降幅度大于盐芥，尤其是量 子产量的变化。由所测数据表明，拟南芥在1 0 0 m mn a c i 下受胁迫的程度相当 于盐芥在5 0 0 r a mn a c l 所受到的胁追。 在盐胁追下，拟南芥可溶性糖含量随着盐浓度的增加而逐渐增加；盐芥可 溶性糖含量与对照相比皆有增加，且可溶性糖含量本底水平高于拟南芥，在盐 胁迫下盐芥和拟南芥中可溶性糖参与渗透调节。 研究结果提示相同发育期的盐芥和拟南芥耐盐机理不同，不同发育期的盐 芥、不同发育期的拟南芥耐盐的生理生化机制也存在差异。 关键词：盐胁迫，盐芥，拟南芥，抗氧化物酶，水势，量子产量， 可溶性糖 i l a b s t r a c t w ea d o p t e dt w om o d e lp l a n t so fh a l o p h y t ea n dg l y c o p h y t e ，t h a ti st h e l l u n g i e l l a h a t o u h i ua n da r a b i d o p s i st h a l i a n aa sm a t e r i a l s s o m ed a t a , t h a tw e 鹏r e l e v a n tt os a l t s 虹e 鹤i n c l u d i n gt h ev a r i a t i o n so fa c t i v i t yo fa n t i o x i d a n te n z y m e sd e c t r o p h o r e s i s z y m o g r a mo f i s o x y m e s ，t h ev a r i a t i o n so f w a t e rp o t e n t i a la n dy i e l d , a n dt h ev a r i a t i o n s o fs o l u b l es u g a re t c 。w e l em e a s u r e dr e s p e c t i v e l y b ya n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h e m e c h a n i s mo fs a l tr e s i s t a n c ei np h y s i o l o g ya n db i o c h e m i s t r yo fz 加l o p h i l aa n da t h a l i a n a i nd i f f e r e n ts t a g e s ，w eh o p e dt og e tt h eb a s i cd a t ai np h y s i o l o g ya n d b i o c h e m i s t r yr e a c t i o ni no r d e rt od i s c u s st h em e c h a n i s mo fs a l tt o l e r a n c ei nb o t h p l a n t s , a n df i n dt h ee s s e n t i a lg e n e st h a tw o r e c o r r e l a t i v ew i t hs a l tr e s i s t a n c e s o m ed a t au n d e rs a l ts t r e s so fzh a l o p h f l aa n da t h a l i a n ai nd i f f e r e n ts t a g e s w e r es t u d i e di nt h et h e s i sa n ds o m ec o n c l u s i o n sa r es h o w na sf o l l o w s ： a t h a i a n ai ns t r o n gs p r o u ta n db u l t i n gs t a g ew e r et r e a t e dw i t hd i f f e r e n ts a l t c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ev a r i a t i o n so f a c t i v i t yo f a n t i o x i d a n te r l z y m e sw e r em e a s u r e d t h ee f f e c t so f s a l ts t r e s so na n t i o x i d a n te l l z y l n e so f a t h a l i a n ai ns t r o n gs p r o u ta n d b o l t i n gs t a g ew e r ed i f f e r e n t ，a n di ti n d i c a t e dt h ev a r i a t i o n so f a c t i v i t yo f s o d ，p o d a n dc a tw e r ed i f f e r e n ti nd i f f e r e n ts t a g e s b o t hh a v et h es a m ec h a n g et e n d e n c yi n p o d ，a n da l s oh a v et h es a m eb a s i ca c t i v i t yi nd i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e su n d e r s a l ts t r e s s ；t h e c h a n g e t e n d e n c y o f a c t i v i t y o f c a t w a s o p p o s i t e ；t h e a c t i v i t y o f s o d i ns t r o n gs p r o u tw a sf a rb i g g e rt h a nt h a to f i nb u l t i n gs t a g e t h ea c t i v i t yo fa n t i o x i d a n te n z y m e so fz h a l o p h i l ai ns e e d l i n ga n ds t r o n gs p r o u t u n d e rs a l ts t r e s sw e r ed i f f e r e n t , a n dt h ea c t i v i t yo fa n t i o 菇d a n te 1 1 z y m e si ns e e d l i n g w a s 细b i g g e rt h a n ns t r o n gs p r o u t i ts u g g e s t e dt h a ts o d ，p o do fz 鼬却自1 ，口i n s e e d l i n gp l a y e dm o r ei m p o r t a n tr o l e su n d e rs a l ts t r e s s ，c o m p a r e dw i t ht h a ti ns t r o n g s p o u t s ，b e c a u s eo f i t s 弘d b c ts y s t e mi np r o t e c t i o n a n a l y z i n gt h ez y m o g r a mo fi s o x y m e so fl e a v e sa n dr o o t si na t h a l i a n ai n d i f f e r e n ts t a g e su n d e rs a l ts t r e s s ，t h en u m b e ro fp o dz y m o g r a mo fi s o x y m e sw a s i d e n t i c a l ，8 0w a st h em o b i l i t y t h ep o dz y m o g r a mo fi s o x y m e sw e r es t a b l ev e r y 1 1 1 m u c hi nl e a v e sa n dr o o t s t h e r ew e r e2b a n d so fs o dz y m o g r a mo fi s o x y r n e si n l e a v e so f a t h a a n ai ns t r o n gs p r o u ta n db u l f i n gs t a g e , a n di tc a nb es e e nt h a tt h e s o dz y m o g r a mo fi s o x y m e sw a ss t a b l ei nt h es p e c i f i co r g a ni nd i f f e r e n t d e v e l o p m e n t a ls t a g e s m o r e o v e r , t h es o dz y m o g r a mo fi s o x y m e so f a 髓a h a n ai n s t r o n gs p r o u t so f w e r eb d g h t e rt h a nt h a to f i nb u l t i n gs t a g e , w h i c hw a sc o n s i s t e n tw i t l l t h ea c t i v i t yo f s o d t h e r ew e r e3s o db a n d si nr o o t so f a t h a l i a n a ，a n do n eo f t h e m w a st h es 锄eb a n d , c o m p a r i n gw i t ht h el e a v e s i tw a ss p e c i a lf o rt h ee x p r e s s i o no f s o di nd i f f e r e n to r g a ni na t h a l i a n a a tt h e $ a f f l et i m e ，w ea n a l y z e dt h ep o d z y m o 霉- a mo f i s o x y m e so ft h d t o u h i ui n s e e d l i n ga n ds t r o n gs p r o u t t h e r ew a t e3b a n d si nr o o t sb u tt h e r ew a so n l yo n eb a n d t h a tw a st h es a m er f t h en u m b e ro fb a n d so fs o do fz h a t o p h i l ar o o ti n s e e d l i n gw a s 1 1 1 0 他t h a nt h a to f i ns 灯o n gs p r o u ls ow a st h eb r i g h t n e s s a n dt h er e s u l t s w e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ea c t i v i t i e so fs o d t h ea c t i v i t i e so fs o da n dp o di nz h a l o p h i l ai nd i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e sw e r ed i f f e r e n t t h e r ew e r e2b a n d so f s o di nr o o t sa n d3b a n d si nl e a v e s ，f o rz h a l o p h i l ai ns t r o n gs p r o u lw h i c ht w oo f t h e mh a v et h es a m er f i tc a nb ei n f e r r e dt h a tt h e r ew a sa l lo r g a n i z a t i o no r g a n p e c u l i a r i t yf o rs o d i nz h a l o p h i l ai ns a m es t a g e s t u d y i n go fz y m o g r a mo fi s o x y m e si nzh a l o p h i l aa n da t h a l i a n a , t h ep o d i s o x y m e so fzh a l o p h i l aw e r eu n s t a b l ea n dd i f f e r e n ti ns p e c i a lo r g a n t h el e a v e so fz h a l o p h i l ai n d i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g ep r o d u c e dt h es a m en u m b e rb u tt h e d i f f e r e n tk i n d so f z y m o g r a mo f i s o x y m e s i ti n f e r r e dt h a ti tw a st h ew a y o f h a l o p h y t e p l a n tt h a ta d j u s t e dt ot h ec h a n g e so fe n v i r o n m e n t b u tt h ep o di s o x y m e so fa t h a l i a n aw e 犯s t a b l ea n ds i m i l a ri ns p e c i a lo r g a n a n dt h e r ew e r et h es a m eb a n d si n d i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e t h e r ew s p e c i a lb a n d so f s o di nz h a l o p h i l aa n d a t h a l i a n au n d e rs a l ts t r e s s ，b u tp o dw a sv e r ys t a b l e i ti n f e r r e dt h a tt h es o dr e s p o n s e t oa o sw a sa tf i r s tu n d e rs a l ts t r e s s s ot h eg e n ee x p r e s s i o no f s o dw a s s t r o n g e rt h a n t l l a to f p o d b yw p 4 - t ( w a t e rp o t e n t i a lm e a s u r e m e n t ) a n dp a m - 2 1 0 0 ( c h l o r o p h y i i f l u o r c s c e n o ei n s t r u m e n t ) w em e a s u r e dt h ew a t e rp o t e n t i a la n dy i e l di nzh a l o p h i l a a n da t h a l i a n au n d e rs a l ts t r e s s b o t ho f t h c r nw e r ed e c r e a s eg r a d u a l l ya l o n gw i t l lt h e i v s a l i n i t yi n c r e a s i n g t h ed r o p p i n gs c o p ei na t h a l i a n aw a sb i g g e rt h a nt h a to fi nz h a l o p h i l a ，e s p e c i a l l yt h ey i e l d t h el e v e la tl o o m mn a c ii na t h a l i a n aw a se q u a lt o t h a to f a t5 0 0m mn a c ii nz h a l o p h i l a , a c c o r d i n g t ot h ed a t ao f y i e l d b e s i d e s , t h e l u b l es u g a ro fl 髓v e si nzh a l o p h i l aa n da t h a l i a n aw e r o m e a s u r e ds e p a r a t e l y t h el e v do fs o l u b l es u g a ri na t h a l i a n ai n c r e a s e d ，a l o n g 稍t l l t h ee n h a n c e m e n to f s a l ts t l e 鹳d i di nz h a l o p h i l a t h eb a s i cl e v e lo f s o l u b l es u g a r i na t h a l i a n aw a sh i g h c rt h a nt h a to fi nzh a l o p h i l a i ts u g g e s t e dt h a tt h es o l u b l e s u g a rp l a y e dar o l ei no s m o t i ca d j u s t m e n tu n d e rs a l ts t r e s sf o rb o t ho f p l a n t s t h e r ew e r ed i f f e r e n c e si nm e c h a n i s mo f s a l tr e s i s t a n c eb e t w e e nz h a l o p h i l aa n d a t h a l i a n a , i n c l u d i n gzh a l o p h i l ai ni t sd i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e sa n da t h a l i a n ai ni t sd i f f e r e n td e v e l o p m e n t a ls t a g e s k e y w o r d ：s a l ts t r e s s ，t h e l l u n g i e l l ah a l o p h i l a ，a r a b i d o p s i st h a l i a n a ，a n t i o x i d a n t e n z y m e s ，w a t e rp o t e n t i a l ，y i e l d , s o l u b l es u g a r v 第一章研究的目的及意义 盐生植物( h a l o p h y f e ) 通常是指生长在渗透势至少3 3 m p a 以下( 相当于 7 0 m mn a c i ) 的土壤环境中的植物。全世界共有盐生植物1 5 6 0 余种据近几年 的调查统计，我国拥有近5 0 0 种的盐生植物，约占盐生植物种类的四分之一f 赵 可夫1 9 9 9 。 近几十年来，盐生植物的研究逐渐引起人们的重视。其主要原因之一是世界 人口增长速度远远超过粮食增长的速度，但是世界耕地面积由于次生盐演化、沙 漠化、工业发展和城市扩大速度的增加而加速减小；其次，世界淡水资源匮乏， 世界上的大面积的盐渍化土地亟待开发利用，所以盐生植物具有很大的利用潜势 赵可夫，1 9 9 9 】。盐生植物在食品原料、饲料、药物、纤维染料、鞣料、观赏方面 的价值已有专文阐述；盐生植物在改良盐碱土地中的作用【张风娟，2 0 0 3 刘祖 祺。1 9 9 4 、在盐碱地种植盐生植物带来的经济效益及替代灌溉地区不适应的作物 品种【赵可夫，1 9 9 9 】【赵可夫、李法增，1 9 9 9 】( 赵可夫，1 9 9 7 等方面的问题也已有所 研究。随着世界人口的增多，开发和利用盐渍土地已经破在眉睫，利用基因工程 的技术培育抗盐碱的农作物是开发和利用盐渍土地的有效手段之一例如，小麦 是我国的主要粮食作物，生长季节为旱季，盐碱和干旱是危害小麦生长和高产的 主要因素，在小麦基因工程应用以前除了利用突变育种以外，没有更好的方法提 高小麦品种的抗盐和抗旱性。而利用基因工程技术，向小麦中导入与渗透调节相 关的基因就可以获得某种蛋白超量表达的转基因小麦。基因工程育种的基础是对 于植物抗盐碱的分子机制进行深入的研究。然而，由于生物的耐盐性往往是由多 基因控制的，其生理生化反应是基因问相互作用、共同调节的结果，这样就必须 深入了解植物抗盐碱的生理生化机制，根据其生理生化确定植物抗盐碱的关键基 因。此外我国西部干旱区土壤盐碱化问题日益严重，了解植物的抗盐机理，对解 决盐渍化问题非常重要。 。 研究盐生植物资源，必须从众多的盐生植物类群中选择合适的研究材料迸 行基础生理和分子生物学的研究。近几十年来，关于盐生植物的耐盐机理研究的 报道很多【赵可夫，1 9 9 9 【j i a n k a n gz h u ，2 0 0 0 j i a n o g a n gz h u ，2 0 0 h ，但仍有许多 问题亟待解决 赵可夫，1 9 9 9 j 。例如在盐生植物中确定耐盐性关键基因、通过遗传 学或分子生物学方法将关键耐盐基因导入作物，获得抗盐的转基因经济作物，提 高作物的耐盐性和产量等。十字花科中发现t h e l l u n g i e l l a p a r v u l a 和t h e l l u n g i e l l a h a l o p h i l a 耐盐性强，尤其是盐芥( t h e l l u n g i e l l ah a l o p h i l a ) 和拟南芥的亲缘关系 非常近，所以有的学者提出盐芥为与拟南芥相关的耐盐模式植物 r a ya b r e s s a n , 2 0 0 1 v o l k o v n , w a n gb , 2 0 0 3 【x i o n g k z h uj - i c ，2 0 0 2 拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 是十字花科植物，广泛分布于欧洲、亚洲和 北美。由于其具有一些独特的生物学、遗传学及分子生物学性质，而成为植物分 子遗传学研究中最受欢迎的模式植物( m o d e l # a n t ) 。作为模式植物拟南芥在基 因组分析方面有很多优势 郝林，1 9 9 6 1 【曹仪植, 2 0 0 4 ：( 1 ) 生长周期短。整个生长 周期，从发芽、莲座叶的长成，到主花序的形成、第一粒种子的成熟可在6 周内完 成。( 2 ) 体形小，占她少。成熟植株一般1 5 2 0 e m 崴莲座叶长度不超过5 c m 。 ( 3 ) 后代多。每株拟南芥可产生上百个荚果，多达5 0 0 0 粒种子。( 4 ) 核基因组小 拟南芥细胞核共包含5 对染色体，约1 2 0 m b 。2 0 0 0 年底已经完成了对拟南芥整个 基因组的测序工作，使得拟南芥基因克隆、结构与功能的研究有了飞速的发展。 对拟南芥基因与功能的深入研究，必将带动农业、环境、人类健康等多个领域的 飞速发展。随着众多资深科学家的加入，对拟南芥的研究也逐步深) k f r e d e r i c k m ，2 0 0 2 p e t e rv , 2 0 0 4 【n a t a s h av ，2 0 0 1 现在被用于研究植物耐盐生理反应的植物，主要是一些藜科( 如滨藜、甜菜、 毕氏海篷子、碱篷) 、禾本科( 如玉米) 和冰叶日中花 a d a m p 1 9 9 8 b o h n e r t h i ，1 9 8 8 。盐生模式植物种类需要考虑其耐盐性和拟南芥近缘生物学特征的因 素，以便在分子生物学和生理学研究中便于积累经验和技术。虽然拟南芥为一种 典型的甜土植物，耐盐性不强，然而这种模式植物本身独特的优势，使其成为研 究耐盐机理的经典材料。迄今为止利用拟南芥了解耐盐机理已取得重要进展。近 几年许多文献报道表明：拟南芥中可能含有许多重要的基因类型，其中之一可能 在盐生的、抗盐或嗜盐植物中影响其耐盐性 r a y a b r e s s a n , 2 0 0 1 z h uj k , 2 0 0 1 现在推测盐生植物在利用耐盐因子及其耐盐机理调节途径上与甜土植物非常相 似，但在耐盐机理调节途径上有微小的差异 t e r u a k it a j i ，2 0 0 4 ，这恰能说明盐生 植物和甜土植物在盐敏感性上存在很大差距的原因。这就需要寻找一种类似模式 植物拟南芥的盐生模式植物，以此提供实验的方便。 2 这种模式植物一方面符合实验室操作特性( 植株矮小、生活周期短、自花受 粉、种子多等) ；男一方面具备研究者喜爱的遗传学特征( 自交结实、基因组小、 易转化、易诱变等) 目前发现盐芥( t h e l l u n g i e l l a h a l o p h i l a ) 符合上述所有的标 准。盐芥植株个体小，生活周期短，结实多。基因组小，转化率高，并且数百个 盐芥克隆的e s t 分析说明盐芥和拟南芥的c d n a 和氨基酸序列平均有9 0 - - 9 5 是 相同的 t e r u a k i t a j i ，2 0 0 4 。b r e s s a n r a r a y a b r e s s a n , 2 0 0 1 等认为：十字花科中 的盐芥能作为适宜研究的模式材料，用于确定控制一些重要特征的基因，而这些 基因是拟南芥所没有的。如果盐芥成为一种成功的模式植物，那么在十字花科中 具有某些特定特征的其它模式植物也有可能被开发和利用。 拟南芥的遗传背景清晰，而且盐芥和拟南芥具有相似的生物学特征。朱健康 1 i a n - k a n gz h u , 2 0 0 0 l t e r u a k it a j i 2 0 0 4 等利用微阵列技术对拟南芥和盐芥耐盐性 的基因组比较，以便研究在分子水平上盐胁迫下的基因调控，国外研究的较多， 目前国内亦有相关报道。但是关于盐芥和拟南芥生理生化水平上对盐胁迫反应的 系统比较研究还未见相关报道。本课题以拟南芥和盐芥为材料进行在盐胁迫下生 理生化反应的系统比较研究，以获得盐生植物和非盐生植物在盐胁迫下的生理生 化反应的基础数据，为进一步的分子水平研究提供基础平台。 第二章国内外研究现状 2 1 植物耐盐机制的研究进展 近年来国家对盐碱地的开发和利用十分重视，使得对盐生植物的研究成为一 门热门话题。随着现代分子生物学技术的飞速发展，克隆、鉴定目的基因，将目 的基因转化到目标植物中并获得转基因工程植株，使植物育种取得了突破性进展 【孙兰菊，2 0 0 u 。至今盐生植物基因工程研究己取得了长足的发展，已有较多研究 将抗盐基因整合到目标植物中，从而开辟了选育耐盐植物品种的新途径【江香 梅, 2 0 0 s l 。国内外学者研究了盐分对植物的伤害、植物耐盐的机理，克隆了一些 耐盐相关基因，并通过耐盐相关基因转化，获得了一些耐盐性提高的转基因植物， 展示了诱人的前景。 盐胁迫不仅对非盐生植物而且对盐生植物都会产生伤害作用。这种伤害主要 表现在盐离子本身产生的伤害、土壤中高浓度盐离子本身产生的伤害和土壤中高 浓度盐离子产生的胁迫伤害。盐生植物应对盐胁迫的主要机制有避盐和耐盐。其 中避盐方式主要有三种，即稀盐、泌盐和拒盐。耐盐主要是指对渗透胁迫的忍耐 和对离子胁迫的忍耐。 植物耐盐机制是个相当复杂的问题，很多机制目前还不十分清楚，它一般与 盐分的吸收、运输、排泄、分配、膜功能及抗盐物质的合成积累密切相关。根据 植物对盐分的反应不同，可将其分为两大类型：一类是盐生植物；另一类是淡生 植物或淡土植物。这两类植物在长期的进化过程中，产生了对盐分的不同反应。 盐生植物一般为排盐型或积盐型，具有比较完善的抗盐或耐盐调节系统：淡土植 物通常为拒盐型【赵自国等，2 0 0 2 ，没有上述调节系统，因而容易受盐害。 植物耐盐机制的研究涉及多个方砸，归纳为生理生化和分子生物学的研究水 平。 2 1 1 植物耐盐的生理生化机制 2 1 1 1 植物渗透保护物质与植物耐盐性 当植物受到盐胁迫时，为了消除渗透胁迫造成的不平衡，通常在细胞内积累 渗透保护物质降低细胞的渗透势，渗透保护物质一般分为两类：一类是小分子有 4 机化合物，如脯氨酸和甜菜碱等：另一类是蛋白质。大部分盐生植物在渗透胁迫 下积累一些渗透调节物质，因此能抵抗渗透胁迫对其生长的影响。一般植物体内 主要的渗透调节物质包括： ( 1 ) 脯氨酸( p r o l i n o ) 脯氨酸是渗透胁迫下易于积累的一种氨基酸。脯氨酸积累是植物抵抗渗透胁 迫的有效方式之一，脯氨酸的合成不仅能降低细胞的水势，还有利于减轻细胞质 酸中毒，有利于维持细胞正常代谢所需要的n a d p + n a d p 值。盐胁迫减轻后， p m 迅速分解以提供线粒体氧化磷酸化和a t p 合成所需的物质以便进行胁迫恢复 和胁迫损伤修复【h a r ep d ，1 9 9 7 】【h a r ep d ，1 9 9 8 】 ( 2 ) 甜菜碱( g l y c i n e # b e t a n i n e ) 多种高等植物在盐碱和缺水的环境下，在细胞中积累甘氨酸甜菜碱类物质， 以维持细胞的正常膨压。甜菜碱( g l y c i n c b c t a n i n e ) 起着无毒渗透保护剂的作用， 它的积累使得许多代谢中的重要酶类在渗透胁迫下保持活性。一般盐生植物甜菜 碱含量( l o ! u m 0 1 g f r w t 4 ) 多于非盐生植物( 1 l o j m 0 1 g f r w t 4 ) ，抗盐 品种多于盐敏感品种【刘家尧，1 9 9 4 甜菜碱定位于细胞质中，它的浓度与细胞汁 液渗透势有关，故它在细胞质中的积累可平衡液泡与细胞质间的渗透压，离体实 验结果表明，甜菜碱对许多酶的活性大多没有抑制作用，并能解除高盐对酶的伤 害或保护酶的活性 p o l l a r a a ，1 9 7 9 。甜菜碱的含量变化对胁迫的响应最早，其产 生的渗透调节作用可能优于p r o 和可溶性糖，作为渗透调节指标更敏感 毛桂 莲2 0 0 4 ( 3 ) 可溶性糖 在逆境条件下，可溶性糖是许多植物重要的渗透调节物质之一，它也是合成 其他的有机溶质的碳架和能量来源【赵可夫，1 9 9 3 、刘祖祺，1 9 9 4 ；对细胞膜和原 生质胶体亦有稳定作用【张海燕，1 9 9 8 ；还可在细胞内无机离子浓度高时起保护酶 类的作用。 2 1 1 2 植物叶片水势与植物耐盐性 水势是水分移动的能量基础或基本动力，它造成水分移动的趋势。因此，水 势是个能判断自然界中水运动方向和限度的物理量，是植物水分亏缺或表示水 分状况的一个直接指标，即是逆境生理下的一个重要指标，它与土壤植物大气循 5 环系统( s p a c ) q b 的水分运动规律密切相关 廖光瑶，1 9 9 9 。在植物的s p a c 系统中， 水分在植物体内的运输决定于水分的自由能，表现为水势的高低，同时植物组织 的水势愈低，则吸水能力愈强，反之水势愈高，则吸水能力愈弱，将水分输送到 其他较缺水细胞的能力就愈强，这可用以确定植物的受胁迫程度和抗胁迫能力， 也可作为合理灌溉的生理指标。过去的研究多集中于了解植物的抗旱特性，掌握 植物不同生育期以及不同季节对水分的需求，并提出适宜的灌溉策略 在对植物干旱、盐胁迫环境下的水势变化研究方面，国外学者主要集中于 研究植物在经过不同处理后其叶、茎水势对干旱胁迫的变化状况，还着重于探讨 当土壤供水条件良好时，植物自身不同含盐量对其叶、茎水势的影响，以及植物 在施肥前后叶、茎水势的变化状况。在植物叶、茎水势对不同土壤盐分或植物自 身不同含盐量的响应研究方面，d o n o v a n 等【d o n o v a n ，1 9 9 9 于1 9 9 9 年在乔治大学 的温室中，将叶片含盐量分别为0 与1 0 0 r a m 的耐盐灌木s a r c o b a t u s 和叶片含盐量 分别为o m m 、1 0 0m m 、3 0 0m m 以及6 0 0m m 的非耐盐灌木c h r y s o t h a m n u s 随 机地移植在温室内，并给予充足地灌溉，待灌木成活后，分别使用标准室热电藕 和压力室对黎明前的叶、茎水势、土壤水势和午问茎水势进行了测定与分析，通 过研究叶片含盐量不同的耐盐和非耐盐灌木茎、叶水势变化状况，发现不论是耐 盐还是非耐盐灌木，其茎、叶水势均随着叶片盐分含量的增大而减小，这是因为 叶片盐分增大时，植物的叶部及茎部的非原质体内溶解了一些n 矿、k + 离子，使 溶液浓度增大水势下降。 盐分能非常显著地降低土壤水势，低水势段以及在相当大的含水量范围内渗 透势的绝对值远大于基质势的绝对值，说明含盐量的增加所导致的渗透胁迫是盐 化土壤中作物生长非常严重的限制因素。植物叶片水势的变化规律是对外界环境 条件变化的综合反映，除了受土壤水分和盐分等因子影响外，气候因子也极大地 影响着植物叶片水势或其他部位水势的变化f 付爱红，1 9 9 9 。 2 1 1 3 植物抗氧化物酶系统与植物抗逆性 植物衰老的自由基伤害学说认为，衰老是氧伤害的结果，即使在正常环境下， 植物的生命过程中也潜伏着氧伤害的积累。尽管氧伤害是复杂而缓慢的，当它积 累到一定程度，植物就会出现衰老或死亡。而在逆境条件( 包括盐渍、干旱等) 下，植物更会产生过量的a o s ( a c t i v e do x y g e ns p e c i e s , a o s ) ，因此逆境对植物的 6 伤害实际上可以归结为过量的a o s 对植物产生的伤害。植物之所以能够在漫长的 进化中度过难以计数的自然灾害和其它不良环境面生存下来，就是因为具有一整 套完备的防护机制，从而免于被活性氧伤害。这种防护机制正是依靠抗氧化系统 ( 包括非酶抗氧化剂和抗氧化酶类) 实现的【覃鹏，2 0 0 2 1 。 非酶促氧化剂主要是一些有机小分子，如谷胱甘肽、氢醌、维生素c 、甘露 糖醇和生物碱等【全先庆，2 0 0 3 。植物体中更重要的抗氧化系统是抗氧化酶类。目 前为止，发现植物体内能有效清除活性氧酶类主要包括超氧化物歧化酶( s o d ) 、 过氧化物酶( p o d ) 和过氧化氢酶( c a t ) 等【杜秀敏，2 0 0 3 。s o d 是活性氧清除反应 过程中第一个发挥作用的抗氧化物酶，能将超氧阴离子自由基( 0 2 。) 快速歧化 为h 2 0 2 和分子氧【马旭俊，2 0 0 3 ；过氧化物酶是一族能利用过氧化氢( h 2 0 2 ) 氧 化供氢体的酶，它对r i 2 0 2 是非常专一的，而对供氢体的要求则较为广泛：酚类、 胺类化合物、某些杂环化合物和一些无机离子等都可以作为过氧化物酶的供氢体 【胡万能，1 9 8 5 ；过氧化氢酶可将h 2 0 2 还原成n 2 0 。据报道，c a t 活性与植物抗 逆性有关【彭昌操，1 9 9 9 、甘四明，1 9 9 8 、宋凤鸣，1 9 9 9 1 ，与植物老化也有一定的关 系，在老化的组织中其活性较强 胡家恕，1 9 9 9 。很多学者都以c a t 活性变化来 研究植物的生长发育【刘咏梅，1 9 9 9 、韦素玲, 2 0 0 1 】和植物的选育工作【甘四 明，1 9 9 8 、陈利锋，1 9 9 7 。s o d 、p o d 、c a t 构成了植物的主要抗氧化物酶系，并 广泛存在于植物体中，相互协调配合，清除过剩的自由基，使体内自由基维持在 一个正常的动态水平，降低膜脂过氧化，维持细胞质膜稳定性和完整性，减少膜 脂过氧化作用产物丙二醛的累积，以提高植物的抗逆性 崔西辰，2 0 0 5 。 2 1 1 4 植物光合作用与植物耐盐性 从盐胁迫对光合作用的影响来说，非盐生c 3 植物的光合作用易受盐分影响， 并且受影响程度与盐浓度成正相关。而盐生c 4 植物的光合作用则受盐分的影响较 小。当然c 4 植物对盐分的忍耐也不是无限的。赵可夫发现在l - 1 2 5 m mn a c l 溶液 处理下，生长的碱蓬光合速率逐渐增大，在1 2 5 2 5 0m mn a c l 时稍有下降，超过 2 5 0m mn a c i 时则明显下降。关于盐胁迫造成的光合作用降低的机理说法不一， 有人认为n a c ! 降低植物光合作用的机理与叶绿体受损、光合酶活力下降和毒性物 质的产生有关，而m u n n sr m u n n sr ，2 0 0 2 认为盐胁迫引起的光合作用下降是盐 分造成植物生长势减弱，从而降低单株植物的光合作用面积所致 7 据研究证实：盐胁迫下，叶绿体是最敏感的细胞器之一。超微结构研究证明， 典型盐生植物叶绿体中类囊体膨大，基粒排列不规则等，但这些发生变化的叶绿 体仍能维持正常的光合作用，叶绿素含量能达到正常值，说明盐生植物结构与功 能相独立。肖雯等【肖雯，2 0 0 0 研究证明在相似的环境条件下，盐生植物与非盐