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(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

土地鹽堿化是世界范圍內(nèi)普遍存在的問題，嚴(yán)重影響植物的生長和發(fā)育，限制農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。全世界有8.31億hm2的土壤因鹽堿度過高而不能被有效利用。其中，4.34億hm2為堿化土壤，3.97億hm2為鹽化土壤[1]。位于我國東北的松嫩平原是世界上鹽堿地分布最廣的地區(qū)之一，有鹽堿地373萬hm2，且正以每年1.4%的速率逐年遞增。

水稻是世界范圍內(nèi)重要的糧食作物，在我國種植面積達4.5億hm2，居世界第二位。鹽脅迫對水稻的傷害包括營養(yǎng)生長和生殖生長的各個時期：萌發(fā)期可降低種子發(fā)芽率，延遲種子發(fā)芽時間；孕穗期阻礙幼穗的分化，減少分蘗數(shù)，延長分蘗的時間，影響種子灌漿，從而降低水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)等[3]。堿脅迫對水稻的傷害主要表現(xiàn)為水稻幼苗植株矮小，生長遲緩，細胞質(zhì)膜損傷，甚至導(dǎo)致幼苗的死亡。我國鹽堿地面積分布廣泛，而水稻屬于鹽堿敏感型作物，土地鹽堿化嚴(yán)重制約著水稻的種植面積及產(chǎn)量，限制了我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。隨著世界人口不斷增加，土地鹽堿化日益加劇，糧食安全問題已成為亟待解決的問題。因此，了解植物耐鹽堿機制，挖掘耐鹽堿基因，培育耐鹽堿植物新品種，對于開發(fā)利用這些鹽堿地資源，保證我國農(nóng)業(yè)持續(xù)高效發(fā)展和糧食安全，具有重大的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。

1 鹽堿脅迫對植物傷害的生理分析

1.1 離子毒害

1.2 滲透脅迫

正常情況下，植物細胞滲透壓高于土壤溶液。植物細胞利用這種高滲透壓來吸收土壤溶液中的水分和必需的礦物質(zhì)。在鹽脅迫下，由于高濃度鹽分的存在，降低了土壤的水勢，植物細胞的滲透壓低于土壤溶液的滲透壓，使植物體內(nèi)水分外滲導(dǎo)致植物缺水，從而降低了植物對水和鉀、鈣等礦物質(zhì)的吸收能力[6]，引發(fā)滲透脅迫。滲透脅迫的特點是對作物傷害迅速，但是持續(xù)時間短，植株的幼嫩組織或器官易受到危害。

1.3 氧化脅迫

細胞內(nèi)嚴(yán)重的離子失衡將引起滲透脅迫，導(dǎo)致細胞嚴(yán)重失水，細胞內(nèi)環(huán)境紊亂，而這種離子失衡又進而引發(fā)活性氧的產(chǎn)生，造成氧化脅迫。在鹽堿條件下，離子毒害和活性氧(Reactive oxygen species，ROS)常常伴隨發(fā)生，細胞內(nèi)活性氧大量積累，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量的氧自由基，從而導(dǎo)致膜脂被氧化傷害，DNA鏈斷裂以及蛋白質(zhì)受到損傷等，使得植物細胞喪失正常的生理功能。

1.4 高pH脅迫

研究表明，植物根系對周圍高 pH 值環(huán)境的應(yīng)答主要是有機酸的分泌。在堿脅迫條件下，棉花、沙棘及苜蓿植株莖和葉中的Na+累積明顯高于鹽脅迫。但若當(dāng)脅迫強度超過根系的調(diào)節(jié)能力時，大量的Na+涌入到植物的莖葉之中，則會造成細胞內(nèi)葉綠體片層結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠素含量降低，多種酶失活和氣孔導(dǎo)度降低等。盡管對耐堿機制仍未有定論，但是毋庸置疑，堿脅迫對植物造成的傷害比鹽脅迫更為嚴(yán)重和復(fù)雜，所以具有更重要的研究價值。

2 耐鹽堿植物資源及其相關(guān)研究

長期處于不斷變換的自然環(huán)境使植物進化出了復(fù)雜的適應(yīng)系統(tǒng)，只有增強對環(huán)境尤其是逆境的適應(yīng)能力才能維持其正常生存。因此，為了揭示植物的堿脅迫應(yīng)答過程和耐堿機理，科學(xué)家們大多從天然的耐堿植物著手，以其為研究對象深入探究其生理適應(yīng)機制。

盡管鹽堿脅迫對植物的傷害巨大，但仍有部分植物能夠在鹽堿地中生存，是研究植物耐堿機制的理想材料，如星星草(Puccinelliatenuiflora)[7]、羊草(Leymuschinensis)[8-9]、剛毛怪柳(Tamarixhispida)[10-11]，堿茅(Puccinelliadistans)[12]及野生大豆[13]等。星星草是生長在草原、鹽漬化土壤堿斑周圍的多年生禾本科草本植物，能夠在pH值10以上、表土含鹽量5%以上的土壤中生長良好，具有較強的耐鹽、堿能力。這些植物資源的發(fā)現(xiàn)使科研工作者在挖掘耐鹽堿關(guān)鍵基因，揭示植物耐鹽堿作用機制，培育耐鹽堿作物新品種及改良鹽堿地等方面取得了較大進展。研究發(fā)現(xiàn)星星草不僅擁有較強的耐堿能力，對土壤堿性環(huán)境還存在著有效的調(diào)節(jié)機制，目前人工播種星星草成為當(dāng)前治理鹽堿化草地行之有效的手段[14]。

結(jié)合較為先進的技術(shù)手段，如芯片數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)錄組測序等，通過對這些物種的深入研究，已獲得大量鹽堿脅迫應(yīng)答基因，并對耐鹽堿植物的耐鹽堿機理有了初步的認識。劉桂豐等通過芯片雜交的方法獲得了堿脅迫(Na2CO3)下星星草的基因表達譜[15]。王玉成等通過差異顯示技術(shù)對星星草在堿脅迫條件下的基因表達進行了分析，并獲得7個在堿脅迫下差異表達的基因片段[16]。Kobayashi等通過對比耐堿品種星星草和一種對堿敏感的一年生早熟禾(Poaannua)在堿脅迫條件下的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)表達量變化的基因數(shù)目在耐堿品種星星草中遠低于堿敏感品種早熟禾，推測在星星草中，調(diào)節(jié)碳酸氫鈉耐性的基因組成型表達[17]。并且，與鐵離子吸收相關(guān)的同源基因(Metal-nicotianamine transporter和NAAT-A)在星星草中上調(diào)表達而在鹽堿敏感品種早熟禾中則下調(diào)表達，這種不同應(yīng)答機制說明星星草在堿脅迫條件下能夠更好地適應(yīng)Fe缺乏癥狀。Ma等通過對不同程度堿脅迫條件下處理6個月的羊草的根，地下莖和地上部分的離子含量(K+、Na+和Ca2+)進行分析，揭示了鹽堿脅迫條件下羊草在維持離子平衡上的作用機制，結(jié)果表明根中Na+含量較低，而對K+和Ca2+的選擇吸收性較強，保證了較高的K+/Na+和Ca2+/Na+比，是羊草適應(yīng)堿脅迫的重要機制[18]。

3 植物應(yīng)答鹽堿脅迫的分子機制

植物本身進化出多種鹽堿脅迫應(yīng)答的分子機制，主要包括以下幾個方面：

3.1 離子平衡對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

鹽堿脅迫會對植物產(chǎn)生離子毒害，植物根系在受到離子脅迫時會通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)離子的進出來維持細胞內(nèi)外或組織內(nèi)外的離子穩(wěn)態(tài)。

3.1.1 Na+-K+對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響。受到鹽堿脅迫的水稻，細胞內(nèi)Na+濃度降低、K+濃度迅速升高，且隨著鹽堿溶液濃度的升高，水稻幼苗體內(nèi)的Na+/K+比下降。植物體內(nèi)存在過多的 Na+又導(dǎo)致了K+的缺乏，并且會抑制植物對其他離子(Ca2+、Mg2+)的吸收[19]。堿脅迫干擾 Na+-K+吸收和代謝是堿害的生理基礎(chǔ)，植物如果能夠有效地控制 Na+-K+的吸收和轉(zhuǎn)運就能夠在堿脅迫條件下生存，換言之維持Na+-K+平衡可能就是植物抗堿的最終體現(xiàn)。

在鹽脅迫或堿脅迫下，根周圍環(huán)境Na+濃度遠遠超過了其生長需求的范圍，大部分植物在鹽脅迫下都積累了大量Na+。研究表明，在堿脅迫下，高pH導(dǎo)致根外質(zhì)子虧缺，抑制依賴質(zhì)子梯度的Na+外排作用，使植物根系出現(xiàn)Na+積累的傾向[20]。這些積累的Na+都會被區(qū)隔到液泡中或排出體外，因此，植物Na+的區(qū)隔化和外排作用成為了Na+代謝的核心過程，也在植物抗鹽堿過程中起決定性的作用。主要由兩類蛋白完成這兩個過程，既細胞膜上的鹽超敏感蛋白1(SOS1)介導(dǎo) Na+外排，液泡膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白(NHX)介導(dǎo)Na+區(qū)隔到液泡，這兩個蛋白均受鈣依賴的SOS2/SOS3激酶復(fù)合體調(diào)控。研究表明，鹽脅迫下鈣離子的增加被鈣離子傳感器SOS3感知，SOS3蛋白與SOS2蛋白激酶相互作用，SOS2-SOS3復(fù)合物激活一個質(zhì)膜上Na+/H+的反向轉(zhuǎn)運體SOS1蛋白，從而重新建立細胞內(nèi)鈉穩(wěn)態(tài)。

3.1.2 鐵對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響。鐵缺乏癥是堿脅迫對植物的主要影響之一，因此在堿脅迫下，植物能獲取更多的鐵離子至關(guān)重要。植物通常采用兩種策略進行鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運，即還原策略(策略I)和螯合策略(策略II)。大多數(shù)雙子葉植物和單子葉非禾本科植物通常采用還原策略吸收鐵離子，即通過酸化將質(zhì)子釋放到根際，增加Fe3+的溶解度，然后通過膜結(jié)合鐵還原酶氧化酶將Fe3+還原成Fe2+，F(xiàn)e2+通過轉(zhuǎn)運蛋白從土壤中轉(zhuǎn)運到根細胞中[21]。而單子葉禾本科植物通常采用螯合策略對鐵離子進行吸收和轉(zhuǎn)運，即根際分泌植物鐵載體，例如能與Fe3+離子高親和力結(jié)合的麥根酸，形成Fe3+-植物鐵載體復(fù)合物，在缺鐵情況下從根際周圍獲得鐵[22-23]。

大麥?zhǔn)亲钅腿辫F癥的禾本科植物，Murata等人在2006已確定一個植物鐵離子轉(zhuǎn)運子HvYS1[25]，該基因與ZmYS1有72.7%相似度。HvYS1蛋白的細胞定位和底物特異性與ZmYS1[26]不同，說明HvYS1是特殊的轉(zhuǎn)運子，在大麥的根中參與主要的離子吸收過程。水稻是對鹽堿中度敏感的作物，在鹽堿脅迫條件下，水稻品種東稻4相較于吉粳88表現(xiàn)出了較強的鹽堿脅迫耐性，除了葉綠素含量較高，根系較發(fā)達等，東稻4還表現(xiàn)出了較強的根際酸化能力和較高的鐵離子含量[27]。進一步研究發(fā)現(xiàn)OsIRO2、OsIRT1及OsNAS1等鐵缺乏誘導(dǎo)基因在堿脅迫條件下的表達量顯著高于吉粳88。這些結(jié)果表明，具有發(fā)達的根系和高效吸收鐵離子能力顯著增強東稻4的鹽堿脅迫耐性。

3.1.3 鈣對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響。鈣是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)素之一，它是細胞壁和細胞膜中各種結(jié)構(gòu)的重要組成部分。鈣除了在正常條件下起著重要的作用外，在不同的發(fā)育條件和鹽脅迫條件下，鈣作為植物的主要次級信使分子發(fā)揮著重要的作用。細胞內(nèi)pH值的變化，與細胞內(nèi)Ca2+濃度等變化相一致，引起植物廣泛的細胞功能，包括植物防衛(wèi)反應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。一般認為，鹽脅迫和其他應(yīng)激一樣，在細胞膜上，即細胞外或細胞內(nèi)被感知，然后觸發(fā)細胞內(nèi)信號級聯(lián)，包括產(chǎn)生次級信使分子，如Ca2+和質(zhì)子。Ca2+和質(zhì)子信號的多樣性和復(fù)雜性是由植物的脅迫性質(zhì)和植物對指定脅迫的耐受能力決定的。在鹽脅迫條件下，不同的耐鹽或鹽敏感植物中，細胞內(nèi)Ca2+和質(zhì)子在細胞水平和全株水平上都存在[28]。

3.2 滲透調(diào)節(jié)對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

3.3 抗氧化調(diào)節(jié)對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

研究發(fā)現(xiàn)，SOD活性與抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)相結(jié)合，對緩解鹽脅迫和堿脅迫誘導(dǎo)的番茄葉片氧化脅迫起著重要作用[21]。Guan等發(fā)現(xiàn)在酵母、擬南芥和水稻中超量表達水稻LDS1型鋅指蛋白OsLOL5 顯著提高了其耐鹽堿脅迫的能力。在水稻中超量表達OsLOL5的水稻在堿脅迫下表現(xiàn)出較強的耐性，包括較高的地上部分和鮮重。氧化脅迫相關(guān)基因OsAPX2、OsCAT、OsCu/Zn-SOD以及OsRGRC2基因的表達量在轉(zhuǎn)基因水稻中顯著上調(diào)，表明OsLOL5可能通過調(diào)節(jié)活性氧清除途徑提高了水稻對鹽堿脅迫的耐性[29]。并且最近有研究發(fā)現(xiàn)，外源激素2，4-D能夠通過調(diào)節(jié)水稻根的抗氧化能力和離子轉(zhuǎn)運能力緩解鹽脅迫的傷害[30]。

3.4 氮代謝對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

3.5 有機酸對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

研究表明，在堿脅迫下，虎尾草分泌有機酸不僅可以維持細胞內(nèi)pH穩(wěn)定和離子平衡，還在根外pH調(diào)節(jié)中起重要作用?；⑽膊莞翟趬A化土壤環(huán)境中，通過分泌有機酸，還可能通過吸收Na+交換出H+及呼吸釋放CO2等其他作用在根表面或皮層質(zhì)外體空間進行pH調(diào)節(jié)，將堿脅迫所致的高pH屏蔽在根外，使根系結(jié)構(gòu)與功能基本不受影響[37]。堿脅迫下水稻僅分泌少量的有機酸，無法有效地調(diào)節(jié)根周圍微環(huán)境pH，堿脅迫的高pH就會迅速破壞根結(jié)構(gòu)和功能，明顯地抑制水稻根生長，甚至導(dǎo)致根細胞大批死亡解體。研究表明，堿脅迫下水稻中的有機酸以蘋果酸、檸檬酸和草酸為主。堿脅迫下根系積累草酸用于離子平衡可能是水稻根系對缺氧環(huán)境的一種適應(yīng)策略，水稻根系長期生長在水生環(huán)境，可能已經(jīng)進化出以低耗氧為主的代謝途徑[20]。

3.6 激素調(diào)節(jié)對植物應(yīng)答鹽堿脅迫的影響

脫落酸(ABA)、乙烯、生長素、茉莉酸及水楊酸等在協(xié)調(diào)植物適應(yīng)逆境脅迫過程中具有重要的作用[38-41]。ABA誘導(dǎo)基因RD29A、RD29B及COR47等在植物響應(yīng)干旱、冷和鹽堿脅迫過程中發(fā)揮重要作用，其蛋白產(chǎn)物在植物細胞中的累積使植物更好地適應(yīng)逆境環(huán)境，常用來作為鹽堿或其他逆境脅迫下的Marker基因[38,42]。大豆乙烯應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子GmERF4不僅受乙烯誘導(dǎo)，還受茉莉酸、水楊酸、鹽及干旱等非生物脅迫誘導(dǎo)，在煙草中超量表達GmERF4提高了對鹽和干旱脅迫的耐性[43]。研究表明，外源ABA提高水稻幼苗的鹽脅迫耐性[44]。進一步研究表明，ABA能一定程度的降低堿脅迫所引起的幼苗質(zhì)膜的損傷，并能提高水稻地上部分的相對含水量，減輕滲透脅迫對水稻幼苗的傷害，促進其生長；其次，ABA降低水稻體內(nèi)Na+/K+比值，緩解由于堿脅迫下 Na+含量過高而引起的離子毒害，避免對植株新陳代謝造成干擾。高pH脅迫導(dǎo)致水稻根部損傷,是堿脅迫抑制水稻生長的主要原因，ABA對堿脅迫下水稻根長和根表面積的影響有緩解作用。同時，在非脅迫條件下，ABA處理對水稻株高存在抑制作用，其濃度越大抑制越明顯，而在堿脅迫條件下，ABA對水稻株高存在促進作用，說明植物激素只有在一定濃度范圍內(nèi)才能發(fā)揮有效的作用[45]。

同樣，研究發(fā)現(xiàn)生長素的過量累積是堿脅迫抑制根伸長的原因之一。通過對模式植物擬南芥在高pH條件下根生長受到抑制的作用機制分析發(fā)現(xiàn)，堿脅迫條件下植物根中的乙烯含量增加，進一步誘導(dǎo)生長素的產(chǎn)生，IAA合成的增多導(dǎo)致其在根尖中過度累積從而抑制根的伸長[46]。該研究指出，由AUX1介導(dǎo)的生長素的合成和累積參與了該堿脅迫應(yīng)答過程，然而，生長素不能影響堿脅迫條件下乙烯激素的累積[46]。近期，有研究進一步證明了這個觀點，通過對野生大豆基因GsERF71的耐堿功能分析發(fā)現(xiàn)GsERF71在堿脅迫條件下能夠調(diào)節(jié)擬南芥根中生長素的累積，并且通過調(diào)節(jié)細胞質(zhì)膜上的H+-ATPase提高了超表達擬南芥對堿脅迫的耐性[47]。

4 水稻鐵轉(zhuǎn)移與耐鹽堿的研究

鐵是植物體內(nèi)新陳代謝過程所必需的離子元素，包括光合作用和呼吸作用。堿脅迫條件下植株通常表現(xiàn)出明顯的由缺鐵導(dǎo)致的失綠癥狀，主要因為雖然土壤中鐵含量豐富，但由于堿性土壤的pH增高，鐵大多以Fe3+形式存在，溶解度降低，不溶于水而無法為植物所用[23]，從而限制了植物的光合作用，嚴(yán)重抑制了植物的生長和產(chǎn)量。

植物通常采用兩種策略進行鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運。研究表明，根據(jù)鐵離子的吸收形式不同，禾本科植物水稻主要采用策略II從土壤中獲取鐵離子，即在鐵缺乏條件下，植物體內(nèi)會大量的合成植物鐵載體(Phytosideropres，PS)，例如天然Fe3+螯合劑-麥根酸植物鐵載體(MAs)，從植物根系分泌到根際土壤中，與土壤中難溶的Fe3+直接結(jié)合形成螯合物后，被轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，再釋放出Fe3+，以供植物進行正常的生命代謝活動[48]。近年來，有研究表明水稻既可以運用策略II，通過分泌PS，螯合、吸收和轉(zhuǎn)運Fe3+，也可以利用策略I中的Fe2+轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，直接從土壤中吸收Fe2+，由OsIRT1/2等鐵轉(zhuǎn)運蛋白將Fe2+轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)，再通過其它的轉(zhuǎn)運蛋白將Fe2+運輸?shù)礁鱾€細胞器和組織中加以利用[22]。因此，研究人員通過研究相關(guān)基因和分子機制，旨在通過增加水稻對鐵離子的吸收，改良水稻在鹽堿土壤中生長的耐受性。

MAs是植物鐵載體，能夠螫合植物根際周圍土壤中的Fe3+，在禾本科植物吸收轉(zhuǎn)運鐵的過程中發(fā)揮著重要的作用。NAS(尼克酰胺合成酶)、NAAT(尼克酰胺轉(zhuǎn)氨酶)和DMAS(脫氧麥根酸合成酶)是在MAs合成過程中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵酶，決定著水稻根系MAs的合成量[49-51]。首先，SAM(S-腺苷-L-甲硫氨酸)在NAS作用下合成NA(尼克酰胺)，在NAAT和DMAS催化下形成DMA(脫氧麥根酸)，最后雙加氧酶IDS2和IDS3將其轉(zhuǎn)化為MAs(麥根酸)。通過輸出轉(zhuǎn)運蛋白OsTOM1、OsTOM2，將合成的MAs運輸?shù)礁H周圍螯合土壤中游離的Fe3+[52]，形成Fe3+-MAs復(fù)合物。再由鐵運輸載體OsYSL15、OsYSL16把復(fù)合物從根際土壤轉(zhuǎn)運到根表皮細胞中，之后，鐵運輸載體OsYSL15、OsYSL16和OsYSL18負責(zé)長距離運輸，把根細胞內(nèi)的Fe3+-MAs復(fù)合物從木質(zhì)部和韌皮部運輸?shù)降厣喜縖51,53-55]。

水稻吸收轉(zhuǎn)運鐵主要是通過MAs螯合Fe3+，在缺鐵條件下，水稻根系也能產(chǎn)生和分泌數(shù)量較少的MAs，但與之相比，大麥根系所能分泌的MAs相對較多。因此，研究人員通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法將大麥基因組中兩個編碼MAs合成關(guān)鍵酶的基因HvNAAT-A和HvNAAT-B轉(zhuǎn)入了水稻中，以此來改良水稻的耐堿性。研究表明，在堿性土壤中，HvNAAT的異源表達使轉(zhuǎn)基因水稻植株表現(xiàn)出較強的耐堿性，相對野生型植株而言，轉(zhuǎn)基因水稻植株表現(xiàn)出較高的NAAT活性，根系分泌更多的DMA，且生長狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)老葉與旗葉失綠的癥狀，同時在pH8.5的堿性土壤中增產(chǎn)4.1倍[56]。與此相同，研究人員在水稻中異源表達大麥調(diào)控MAs合成的基因HvNAS1、HvIDS3，水稻轉(zhuǎn)基因株系在苗期也表現(xiàn)出明顯的耐堿性[57-58]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，水稻調(diào)控MAs合成的基因OsNAS2的水稻過表達植株對鐵缺乏的耐受性增強，并使其在堿性條件下生長良好，在一定程度下增強了水稻的耐堿性[59]。其他與MAs合成相關(guān)的基因過表達也被證明能提高植株對石灰性土壤的耐受性。因此，通過轉(zhuǎn)基因方法提高水稻對低鐵脅迫的耐受性是提高石灰性土壤條件下水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的有效途徑。

IDEF1是禾本科植物缺鐵響應(yīng)基因中的中心轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子，位于其他缺鐵因子反應(yīng)級聯(lián)的上游，鐵缺乏的初期參與鐵的吸收和利用。研究顯示，OsIDEF1既可以通過直接與Fe2+等金屬離子結(jié)合，在缺鐵時發(fā)揮傳感器的作用；又可以通過識別水稻中鐵缺乏響應(yīng)順式元件的CATGC序列來調(diào)節(jié)水稻對鐵缺乏的響應(yīng)。進一步研究表明，OsIDEF1的表達水平與鐵吸收轉(zhuǎn)運的相關(guān)基因OsIRO2、OsYSL15、OsIRT1、OsYSL2、OsNAS1、OsNAS2、OsNAS3和OsDMAS1的誘導(dǎo)水平呈正相關(guān)關(guān)系。因此，研究人員得到的轉(zhuǎn)基因IDEF1過表達水稻植株，不但對缺鐵表現(xiàn)出較強的耐受性，而且同時增強了其耐堿性。轉(zhuǎn)錄因子IDEF2與鐵缺乏響應(yīng)順式元件結(jié)合，參與鐵缺乏基因的調(diào)控，在植物鐵穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用。轉(zhuǎn)錄因子OsIDEF1和OsIDEF2均受缺鐵誘導(dǎo)，OsIDEF1、OsIDEF2的表達增強導(dǎo)致石灰性土壤中植物鐵載體分泌增加，對低鐵有效性的耐受性增強[57]。

HRZs/BTS是禾本科植物和非禾本科植物中的E3泛素連接酶和鐵缺乏的負調(diào)控因子。與OsIDEF1類似，水稻OsHRZ1和OsHRZ2可以直接結(jié)合鐵離子和鋅離子，是缺鐵條件下，負調(diào)控鐵的獲得的鐵結(jié)合傳感器，也是鐵積累有效的調(diào)節(jié)者，同時具有泛素化活性，參與蛋白的降解或修飾[60-65]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，鐵穩(wěn)態(tài)正調(diào)節(jié)因子OsPRI1與OsHRZ1互作，且能被OsHRZ1泛素化，作為OsHRZ1-OsPRI1-OsIRO2/3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)的一部分，介導(dǎo)水稻對鐵缺乏的響應(yīng)，正調(diào)控OsIRO2和OsIRO3的表達[66]。OsIRO2、OsIRO3和 OsbHLH133[67]是堿性螺旋-環(huán)-螺旋( basic helix 1oop helix，bHLH)的轉(zhuǎn)錄因子，在水稻鐵離子的吸收轉(zhuǎn)運中發(fā)揮著重要的作用。其中，OsIRO2能正向調(diào)控鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運，而OsIRO3和OsbHLH133負向調(diào)控鐵離子的吸收。研究表明，轉(zhuǎn)錄因子OsIRO2正向調(diào)控水稻根系MAs的分泌量，在石灰性土壤長期栽培條件下，水稻過表達OsIRO2植株不僅能增強OsNAS1、OsNAS2、OsNAS3、OsNAAT1、OsDMAS1等MAs合成相關(guān)基因的表達，使得水稻根系MAs的分泌增多-在缺鐵條件下，過表達植株分泌的DMA是正常植株的1.7倍，水稻過表達OsIRO2植株還能增強Fe3+-DMA轉(zhuǎn)運載體OsYSL1的表達，使得轉(zhuǎn)基因株系對低鐵利用的耐受性增強，且在石灰性土壤中積累的鐵多于正常植株，并表現(xiàn)出一定程度的耐堿能力[68-71]。

水稻除了通過策略II以Fe3+-MAs螯合物形式吸收轉(zhuǎn)運鐵，也可以通過策略I直接轉(zhuǎn)運游離態(tài)的Fe2+。水稻的生長發(fā)育時期大部分處于水中，根際周圍的Fe2+含量比其他禾本科植物相對較多，為了更好地適應(yīng)缺鐵環(huán)境，水稻也進化出了相應(yīng)的Fe2+吸收機制。研究表明，鐵運輸載體OsIRT1、OsIRT2、OsNRAMP1和OsNRAMP5均可以直接轉(zhuǎn)運游離態(tài)的Fe2+。其中，OsIRT1在此過程中發(fā)揮了主要作用，是鐵的一種功能性金屬轉(zhuǎn)運體，并積極參與水稻對鐵的吸收，特別是在限制條件下[23,72-75]。將酵母Fe3+螯合還原基因refre1/372融合至鐵調(diào)控轉(zhuǎn)運體OsIRT1的啟動子下游，導(dǎo)入水稻植株中，提高了水稻根系細胞鐵還原酶的活性，從而增強了水稻在堿性土壤中對缺鐵的耐受性[57]。

此外，以策略I植物矮牽牛為研究對象，通過引入大麥參與策略II途徑的鐵轉(zhuǎn)運載體HvYSL1和PS，DMA，增強了矮牽牛在堿性條件下對缺鐵的耐受性。研究表明，在高pH條件下，植物根際周圍存在著難溶的Fe3+，MAs有效性提高，可以促進水稻對鐵的吸收。外源性DMA的使用不僅在促進環(huán)境鐵的吸收中起著重要的作用，還可以促進水稻的生長，并能協(xié)調(diào)鐵和硝酸鹽的同化。外源DMA的使用提高了水稻對鐵的選擇性吸收，促進植株體內(nèi)鐵的迅速轉(zhuǎn)運，并上調(diào)硝酸還原酶的活性，還促進了水稻幼苗在高pH條件下的生長恢復(fù)，且SAM依賴的代謝途徑部分參與了堿脅迫[76]。綜上，通過增強水稻對鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運功能可以顯著提高水稻對缺鐵的耐受性，尤其是堿脅迫導(dǎo)致的缺鐵耐受性，提高其在鹽堿土壤中的生存能力。

5 總結(jié)與展望

鹽堿逆境嚴(yán)重限制著世界范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展，因此，挖掘耐鹽堿基因、了解植物耐鹽堿的分子機制已經(jīng)成為重要的挑戰(zhàn)。目前，隨著多種天然耐鹽堿植物如星星草[7]、堿茅[12]及野生大豆[13]等的挖掘與利用，以及基因芯片、轉(zhuǎn)錄組測序及QTL定位等新技術(shù)方法有效結(jié)合，參與植物多方面如離子平衡調(diào)節(jié)、抗氧化、有機酸分泌及鐵離子的吸收轉(zhuǎn)運等生長代謝過程的耐鹽堿新基因被發(fā)現(xiàn)并鑒定出來[57]，為耐鹽堿作物新品種的培育提供了多種重要的基因資源。然而在植物耐鹽堿分子機制研究方面，相對于中性鹽脅迫，關(guān)于堿性鹽脅迫的信號傳導(dǎo)機制研究的報道還比較少，尤其是堿脅迫的感知受體以及信號傳遞過程仍然未知，需要科研人員進一步深入的探索。

此外，我國是人口大國，鹽堿地面積的不斷擴增嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展，威脅到了我國糧食安全，但是目前對于我國重要糧食作物水稻的鹽堿耐性改良方面的研究仍較少，多數(shù)研究集中于通過增加鐵離子的吸收提高水稻的耐堿性。水稻育種專家主要通過傳統(tǒng)的育種方式選育出耐鹽堿的優(yōu)良品種，然而這種培育方式周期較長且沒有可預(yù)見性，其原因在于水稻耐鹽堿品種的培育所能利用的種質(zhì)資源和基因資源匱乏。因此，水稻耐鹽堿基因的挖掘和利用尤為重要，仍需要結(jié)合現(xiàn)代測序，QTL定位等進行更深入的探索。此外，水稻耐鹽堿的分子機制及其信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍未被清楚的認識，且目前對耐鹽堿分子機理的研究看法多樣，植物在不同生育過程響應(yīng)鹽堿逆境的程度不同，需要重視并開展水稻鹽堿脅迫不同階段各類應(yīng)答基因的研究，如上游傳感器、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、蛋白激酶及離子轉(zhuǎn)運蛋白等。因此，進一步挖掘耐鹽堿水稻品種，鑒定新的耐鹽堿基因，通過探索多種途徑提高水稻的耐鹽堿能力將成為我們未來研究的重點方向。

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