李源蔡勤安馬瑞于志晶魏嘉

(1.吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所/吉林省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033)

土壤鹽分是主要的非生物脅迫之一，對(duì)全球農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1]。鹽驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞離子失衡和毒性被認(rèn)為是阻礙植物在高鹽條件下生長(zhǎng)和發(fā)育的主要原因[2]。植物對(duì)這種離子或養(yǎng)分失衡的反應(yīng)主要是通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)量離子的內(nèi)流、外排、以及有毒離子的積累和分區(qū)來(lái)維持離子穩(wěn)態(tài)[3]，在大麥[4]、蠶豆[5]、水稻[6]和大豆[7]中已有報(bào)道。在鹽堿土壤中，鈉(Na＋)是一個(gè)占主導(dǎo)地位的陽(yáng)離子[8]，通常是由于鹽度壓力產(chǎn)生毒害作用。Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于質(zhì)膜和液泡上，可以將Na＋從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外空間或液泡，在維持Na＋穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，其作為Na＋轉(zhuǎn)運(yùn)體得到了廣泛關(guān)注[9]。有證據(jù)表明利用鹽生植物中的Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，通過(guò)基因工程方法可以培育耐鹽作物[1]。本文對(duì)Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控機(jī)制以及作物耐鹽性應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行綜述。

1 植物Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分子生物學(xué)研究

1.1 植物Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的發(fā)現(xiàn)

Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白根據(jù)其在細(xì)胞中的定位，通常分為兩類，一類是質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SOS1)，定位于質(zhì)膜；另一類是液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(NHX1)，定位于液泡膜或內(nèi)體膜。1976年，Ratner等[10]在大麥質(zhì)膜上首次發(fā)現(xiàn)植物Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。1985年，Blumwald和Poole[11]在甜菜(Beta vulgarisL.)根部發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)植物液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；1999年，AtNHX1作為酵母ScNHX1的同源基因從擬南芥中克隆出來(lái)，是第一個(gè)被鑒定的植物NHX轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[12]；此外，在植物中首次發(fā)現(xiàn)的核內(nèi)體NHX蛋白是來(lái)自番茄的LeNHX2和來(lái)自擬南芥的At-NHX5和AtNHX6[13]。2000年，Shi等[14]從擬南芥中克隆得到一個(gè)與鹽超敏感表型相關(guān)的基因AtSOS1，研究發(fā)現(xiàn)，AtSOS1與SOD2、NHA1、NhaA和NhaP等位于細(xì)菌和真菌質(zhì)膜上介導(dǎo)Na＋外排的Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因具有很高的同源性，證明AtSOS1是一種定位于質(zhì)膜上的Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。隨后在鹽生植物鹽芥[15]、小花堿茅[16]、冰葉日中花[17]、濱藜[18]、鹽爪爪[19]等以及甜 土 植 物 小 麥[20，21]、大 麥[22－24]、水 稻[25，26]、大豆[27，28]、辣椒[29]、菠菜[30]等中鑒定了編碼這兩類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因(表1、表2)。

表2 已克隆的部分植物液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因

1.2 植物Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分子特征

植物液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因含有1410～1767 bp的開(kāi)放閱讀框，植物質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因含有3410～3500 bp的開(kāi)放閱讀框。不同物種之間其分子量大小差距較大，如擬南芥中AtNHX1的分子量為47 kDa[54]，At-SOS1的分子量為127 kDa，大豆中GmNHXs的分子量范圍是50.05～60.79 kDa[55]，菊芋HtNHX1分子量高達(dá)178.53 kDa[51]。馬清等[56]對(duì)單、雙子葉植物質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白氨基酸序列同源性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，單子葉植物之間同源性在80%左右，雙子葉植物之間的同源性為65%左右，而單、雙子葉植物之間的同源性僅為55%左右，可見(jiàn)不同植物之間質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白存在一定的差異。

生化和動(dòng)力學(xué)分析表明NHXs可能包含9～12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域[57]。通過(guò)酵母異源表達(dá)分析AtNHX1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1)，AtNHX1蛋白由9個(gè)跨膜片段連接親水C端區(qū)域和3個(gè)疏水區(qū)域組成，其中第5、6個(gè)疏水區(qū)域有可能參與Na＋或H＋結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)殘基，沒(méi)有跨膜；第3個(gè)疏水區(qū)域是一段高度保守的序列，為氨氯吡嗪脒的結(jié)合位點(diǎn)[58]。AtNHX1的N－末端位于胞質(zhì)且高度保守，對(duì)于蛋白質(zhì)的活性十分重要，如果缺失，Na＋/H＋的轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)降低，而Na＋/K＋的轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)增加；C－末端位于液泡腔中，且變化較大，可能起到調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性的作用，C－末端的缺失會(huì)增加Na＋/H＋和Na＋/K＋的轉(zhuǎn)運(yùn)活性[59]。Shi等[14]根據(jù)對(duì)AtSOS1疏水性分布的預(yù)測(cè)，繪制了其結(jié)構(gòu)圖(圖2)，At-SOS1的疏水N－末端和親水C－末端均位于細(xì)胞質(zhì)一側(cè)，有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，與液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不同的是，雖然質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有一段非常保守的Na＋結(jié)合區(qū)，但是并沒(méi)有氨氯吡嗪脒的結(jié)合位點(diǎn)。C－末端的親水尾部有多達(dá)近700個(gè)氨基酸殘基，可以與多種逆轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)因子結(jié)合；另外，在AtSOS1的C－末端親水尾巴中有一段保守環(huán)核苷酸結(jié)合區(qū)域，環(huán)核苷酸在植物響應(yīng)脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過(guò)程中起著重要的作用，因此AtSOS1的C－末端也可能對(duì)蛋白的活性起到調(diào)節(jié)作用。

圖1 AtNHX1的拓?fù)淠Ｐ蚚59]

圖2 SOS1結(jié)構(gòu)圖示[14]

2 Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能

陽(yáng)離子/質(zhì)子反轉(zhuǎn)運(yùn)體(CPAs)介導(dǎo)單價(jià)陽(yáng)離子(主要是Na＋和K＋)與1～2個(gè)質(zhì)子穿過(guò)細(xì)胞膜，是主要的離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體之一。這些逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白屬于兩個(gè)主要家族，CPA1和CPA2[60]。CPA1家族包括NHX和NHE(鈉－質(zhì)子交換器)兩個(gè)分支，根據(jù)這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的亞細(xì)胞定位，CPA1家族主要有兩大類具有與植物耐鹽性相關(guān)的特征明確的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，第一組在液泡水平參與Na＋和K＋的分隔，第二組漿膜結(jié)合蛋白介導(dǎo)Na＋和K＋轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞[61，62]。這兩組代表了兩種不同的逆境耐受性分子進(jìn)化路徑。NHX和SOS1基因家族經(jīng)歷了凈化選擇，SOS1基因家族經(jīng)歷了新功能化[63]。本文綜述了Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在Na＋運(yùn)輸、K＋平衡、pH穩(wěn)態(tài)以及囊泡運(yùn)輸中的關(guān)鍵作用。

2.1 Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)Na＋的運(yùn)輸

植物Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白依賴于H＋－ATPase水解ATP產(chǎn)生的能量，將H＋泵入細(xì)胞質(zhì)中，產(chǎn)生跨膜的H＋電化學(xué)勢(shì)梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)Na＋的主動(dòng)運(yùn)輸[64]，介導(dǎo)Na＋的區(qū)隔化或排出，降低胞質(zhì)中Na＋的含量，維持胞質(zhì)內(nèi)的離子平衡，保證細(xì)胞正常的生理活動(dòng)。Apse等[65]研究發(fā)現(xiàn)，野生型擬南芥中Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性要高于nhx1突變體植株，低于過(guò)表達(dá)AtNHX1的株系，在番茄[66]、小麥[67]、棉花[68]的AtNHX過(guò)表達(dá)株系中也有同樣的發(fā)現(xiàn)，表明液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有將Na＋區(qū)隔化的作用，以使植物能在較高的滲透壓環(huán)境中維持離子穩(wěn)態(tài)平衡，保證植物的正常發(fā)育。此外，Wang等[69]在鹽地堿蓬中發(fā)現(xiàn)，與Na＋轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因SsHKT1，在根部與SsSOS1協(xié)同作用，隨著NaCl濃度的升高，具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)Na＋到木質(zhì)部的能力。

2.2 參與K＋的穩(wěn)態(tài)平衡

K＋在植物細(xì)胞的生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用，參與植物的氮、脂肪以及蛋白質(zhì)的代謝及滲透調(diào)節(jié)，促進(jìn)光合作用，增強(qiáng)植物的抗逆性等[70]。在對(duì)擬南芥NHX1、NHX2的雙敲除中，液泡膜囊泡的K＋/H＋交換顯著減少，說(shuō)明滲透調(diào)節(jié)受損[71]。酵母中缺少NHX1基因，K＋濃度則是正常酵母細(xì)胞的三分之一[72]，而將番茄LeNHX2轉(zhuǎn)化進(jìn)NHX1缺失的酵母中后，可以顯著提高K＋濃度[73]。張樺等[74]將紫花苜蓿MvNHX1導(dǎo)入煙草后，K＋含量提升了2～3倍。許杰等[75]將AtNHX1導(dǎo)入煙草后，相較于野生型，其K＋吸收速率和ATPase的活性均顯著提高，說(shuō)明液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與調(diào)控K＋的穩(wěn)態(tài)平衡。

通常認(rèn)為質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一類Na＋特異的轉(zhuǎn)運(yùn)載體，不具備轉(zhuǎn)運(yùn)其他陽(yáng)離子(如K＋和Li＋)的能力[76]。Ma等[77]發(fā)現(xiàn)，在面對(duì)鹽脅迫時(shí)，旱生植物霸王ZxSOS1－RNAi株系與野生型相比較，葉和根中的K＋濃度分別下降27%和7%，表明ZxSOS1參與了K＋的轉(zhuǎn)運(yùn)。在甜菜中，BvAKT1、BvHAK5、BvSKOR、BvHKT1；5、BvSOS1和BvNHX1在全株水平協(xié)同控制K＋和Na＋穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用[78]。有研究發(fā)現(xiàn)，TaHKT2；1、TaNa＋/H＋和TaSOS1基因的協(xié)同表達(dá)調(diào)控，提高了抗氧化酶活性、脯氨酸積累的響應(yīng)和細(xì)胞積累K＋的能力，增強(qiáng)了面包小麥突變體的耐鹽性[79]。

2.3 調(diào)節(jié)pH值

Yamaguchi等[80]發(fā)現(xiàn)在三色牽?；ㄓ勺仙幕ɡ匍_(kāi)放為藍(lán)色花的過(guò)程中，液泡內(nèi)pH值由6.6上升為7.2，同時(shí)InNHX1的表達(dá)量也明顯增加；Yoshida[81]等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，三色牽?；ㄒ号葜衟H值變化的同時(shí)，花瓣液泡膜的H＋－ATPase、H＋－PPase和Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性也增強(qiáng)，這是由于Na＋在區(qū)隔化的過(guò)程中，借助質(zhì)子泵將液泡中的H＋轉(zhuǎn)運(yùn)到了胞質(zhì)中，從而使液泡內(nèi)的pH值升高。Zhu等[82]發(fā)現(xiàn)，水稻OsNHX5蛋白在煙葉表皮細(xì)胞中與高爾基體、反式高爾基網(wǎng)絡(luò)(TGN)和前液泡隔室(PVC)共定位；體內(nèi)pH值測(cè)定表明，gpa6使高爾基體、TGN和聚氯乙烯腔內(nèi)酸性增強(qiáng)。證明OsNHX5在調(diào)節(jié)水稻內(nèi)膜腔內(nèi)pH值中發(fā)揮重要作用，而這對(duì)水稻種子貯藏蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要。

質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的Na＋外排時(shí)，會(huì)使H＋內(nèi)流入細(xì)胞質(zhì)中，降低細(xì)胞質(zhì)的pH值，但是當(dāng)質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因發(fā)生突變時(shí)，細(xì)胞質(zhì)pH值則會(huì)顯著升高[83]，用NaCl脅迫擬南芥sos1突變體后，根部液泡中Na＋含量顯著增加，而細(xì)胞質(zhì)pH值卻顯著高于液泡，細(xì)胞中與pH值調(diào)節(jié)相關(guān)的基因，如AHAA1、AHA2等的表達(dá)量均明顯下降[84]，說(shuō)明質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有調(diào)節(jié)細(xì)胞pH值的功能，同時(shí)也能調(diào)控根細(xì)胞中與pH值調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)。

2.4 影響植物組織器官的發(fā)育

Apse等[65]對(duì)擬南芥AtNHX1缺失突變體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其總?cè)~面積減小，表皮細(xì)胞數(shù)量較少，Na＋/H＋和K＋/H＋交換活性降低，再將AtNHX1在該突變體重超表達(dá)，可以使植株基本恢復(fù)正常。Bassil等[13]已經(jīng)證明AtNHX5和AtNHX6參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育。Wang等[85]在擬南芥中過(guò)表達(dá)花花柴KcNHX1不僅增強(qiáng)了擬南芥對(duì)鹽脅迫的耐受性，在高溫下還能增加擬南芥對(duì)于生長(zhǎng)素的積累，表現(xiàn)出更強(qiáng)的生長(zhǎng)能力。綜上表明Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與植物發(fā)育過(guò)程。

2.5 參與囊泡的運(yùn)輸

在分析擬南芥nhx1突變株轉(zhuǎn)錄組編碼基因表達(dá)差異時(shí)，發(fā)現(xiàn)與囊泡運(yùn)輸有關(guān)蛋白(如動(dòng)力蛋白、網(wǎng)格蛋白包被蛋白、網(wǎng)格蛋白結(jié)合蛋白等)的編碼基因表達(dá)水平下降[86]；另外，對(duì)擬南芥nhx5、nhx6雙突株系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，突變體中無(wú)法順利完成液泡膜的囊泡運(yùn)輸過(guò)程[87]。表明液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了囊泡的運(yùn)輸過(guò)程。

2.6 參與Ca2＋的轉(zhuǎn)運(yùn)

Guo等[83]用鹽脅迫擬南芥sos1突變體時(shí)，胞質(zhì)內(nèi)Ca2＋的濃度降低，Oh等[84]發(fā)現(xiàn)，擬南芥sos1突變體中液泡膜上與Ca2＋轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因表達(dá)量顯著上調(diào)，在液泡中積累了大量的Ca2＋。表明質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與Ca2＋的轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控機(jī)制

3.1 液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控機(jī)制

目前，液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)調(diào)控機(jī)制的主要研究對(duì)象是擬南芥AtNHX1。Shi等[88]研究發(fā)現(xiàn)，植物中的鹽脅迫信號(hào)通過(guò)ABA依賴性和ABA非依賴性途徑發(fā)生，在ABA誘導(dǎo)條件下，abi1－1、aba2－1和ba3－1突變體中At-NHX1的轉(zhuǎn)錄水平并不相同，說(shuō)明AtNHX1的表達(dá)不完全是ABA依賴性調(diào)節(jié)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，AtNHX1的活性是在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)的，鹽脅迫調(diào)節(jié)的ABA部分依賴性似乎由ABI1而非ABI2途徑介導(dǎo)，AtNHX1在葉片中高水平表達(dá)，并且在NaCl脅迫下表達(dá)顯著增加，尤其在有大液泡的較老葉片中，這與Na＋轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡的區(qū)隔化耐鹽機(jī)制相一致。Kim等[89]發(fā)現(xiàn)水稻OsRab11突變植物有與sos11相似的敏感表型，而過(guò)表達(dá)OsRab11的植物表現(xiàn)出對(duì)高鹽脅迫的抗性，在沒(méi)有鹽脅迫條件下檢測(cè)Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，如At-NHX1、AtNHX2和AtSOS1的表達(dá)時(shí)，野生型和Os-Rab11突變植株之間沒(méi)有顯著差異，表明OsRab11是液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一個(gè)調(diào)控因子，對(duì)于植物耐高鹽脅迫起到重要作用。

3.2 質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控機(jī)制

SOS途徑是植物中建立的第一個(gè)非生物脅迫信號(hào)途徑，主要過(guò)程為:鹽脅迫誘導(dǎo)細(xì)胞中產(chǎn)生Ca2＋信號(hào)，SOS3接收Ca2＋信號(hào)感應(yīng)后，激活SOS2并形成具有磷酸化功能的SOS3－SOS2蛋白激酶復(fù)合體，使SOS1的C－末端發(fā)生磷酸化，從而激活SOS1并將細(xì)胞內(nèi)的Na＋外排(圖3)，高Na＋脅迫啟動(dòng)Ca2＋信號(hào)，激活SOS3－SOS2蛋白激酶復(fù)合物，然后刺激SOS1的Na＋/H＋交換活性，并在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)一些基因的表達(dá)[90]。

圖3 SOS途徑的離子穩(wěn)態(tài)[90]

Shen等[91]研究發(fā)現(xiàn)磷脂酸特異性結(jié)合MKK7和MKK9，磷酸化MPK6，并促進(jìn)MKK7/MKK9的活化，NaCl處理可以誘導(dǎo)MKK7/MKK9活性的顯著增加，磷脂酸或NaCl處理可誘導(dǎo)MKK7/MKK9易位至質(zhì)膜，證實(shí)磷脂酸通過(guò)促進(jìn)Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SOS1的磷酸化活化MPK6來(lái)介導(dǎo)鹽脅迫信號(hào)傳導(dǎo)。Yang等[27]發(fā)現(xiàn)，擬南芥在非脅迫條件下，磷脂酰肌醇會(huì)結(jié)合到質(zhì)膜H＋－ATPase的C－末端，抑制H＋－ATPase的活性，發(fā)生鹽脅迫時(shí)，磷脂酰肌醇－4－磷酸會(huì)與磷脂酰肌醇結(jié)合，同時(shí)結(jié)合并激活質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，導(dǎo)致磷脂酰肌醇水平下降，增加了質(zhì)膜H＋－ATPase的活性和鹽的耐受性；在pi4kβ1突變體中，磷脂酰肌醇－4－磷酸水平降低，質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性和植株對(duì)于鹽的耐受性也隨之降低。

4 Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提高植物耐鹽性的應(yīng)用

Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與了細(xì)胞擴(kuò)張、pH調(diào)節(jié)、K＋穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞囊泡運(yùn)輸以及鹽脅迫反應(yīng)[2，65]。由于這些重要作用，質(zhì)膜(SOS)和液泡膜(NHX)Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因作為作物耐鹽工程中的候選基因受到廣泛關(guān)注。

4.1 液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提高植物耐鹽性的應(yīng)用

在擬南芥和小麥中發(fā)現(xiàn)的液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，是在雙子葉植物和單子葉植物中耐鹽性改善貢獻(xiàn)最大的基因[57]。在棉花中過(guò)量表達(dá)小麥TaNHX2，提高了轉(zhuǎn)基因棉花的抗旱和耐鹽性[92]，在向日葵和茄子中過(guò)表達(dá)TaNHX2基因，均提高了轉(zhuǎn)基因向日葵和茄子對(duì)高含量Na＋、K＋的耐性和生長(zhǎng)性能[93，94]。在多種植物如大豆[95]、中林美荷楊[96]、紫花苜蓿[97]等中過(guò)量表達(dá)TaNHX2，都在一定程度上提高了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽能力。Yang等[98]研究結(jié)果表明，與野生型相比，過(guò)表達(dá)AtNHX1和AtNHX3任一基因的轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)均對(duì)鹽脅迫表現(xiàn)出高抗性，在100 mmol/L NaCl脅迫下積累了更多的Na＋和K＋，并且在水分脅迫下葉片中的電解質(zhì)泄漏減少。在其他植物如水稻[99]、大豆[87]、番茄[100]、綠豆[101]等中過(guò)表達(dá)擬南芥液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因后，都能一定程度上增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株對(duì)高鹽的耐受性，在鹽脅迫下，長(zhǎng)勢(shì)顯著優(yōu)于野生型。此外，在玉米中過(guò)表達(dá)堿蓬SsNHX1，提高了葉片中K＋/Na＋比值，且種子發(fā)芽率顯著提高(79%)，表明轉(zhuǎn)基因玉米的耐鹽性增強(qiáng)[102]。過(guò)表達(dá)鳶尾屬I(mǎi)lNHX的煙草，鹽脅迫條件下，組織中維持了較高的K＋/Na＋比值，同時(shí)降低了葉綠素?fù)p失和脂質(zhì)過(guò)氧化，從而提高煙草耐鹽性[103]。過(guò)量表達(dá)紅樹(shù)林植物Avicennia的AoNHX1提高了水稻和擬南芥的耐鹽性[104]。鹽生植物鹽爪爪液泡膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白KfNHX1通過(guò)調(diào)節(jié)胞間離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)離子和pH平衡，從而提高轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐鹽性，具有提高植物耐鹽性的潛力[19]。

植物的耐鹽性狀由多個(gè)基因調(diào)控，通過(guò)共表達(dá)相關(guān)基因增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽性也是一種理想手段。共表達(dá)AtNHX1和SOS1可以使轉(zhuǎn)基因擬南芥耐受高達(dá)250 mmol/L的NaCl處理，并且可顯著降低熱鹽復(fù)合脅迫造成的產(chǎn)量損失，證實(shí)了兩個(gè)基因疊加過(guò)表達(dá)可顯著提高對(duì)多重脅迫耐受性的假設(shè)[105]。Maach等[106]通過(guò)分析鹽脅迫下LeNHX2和SlSOS2共表達(dá)對(duì)番茄果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因植株的產(chǎn)量、pH值和可溶性固體總量(TSS)顯著提高，表明，LeNHX2和SlSOS2的共表達(dá)提高了鹽脅迫下番茄的產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)。

4.2 質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提高植物耐鹽性的應(yīng)用

關(guān)于質(zhì)膜Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在提高植物耐鹽性方面的應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少，大多是研究其在擬南芥或煙草中的耐鹽表現(xiàn)。過(guò)表達(dá)陸地棉(Gossypium hirsutumL.)GhSOS1降低了轉(zhuǎn)基因植株的MDA含量和Na＋/K＋比值，從而提高了擬南芥對(duì)鹽脅迫的耐受性[38]。AtSOS1在煙草中過(guò)表達(dá)后，鹽脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)維持較高的K＋/Na＋比值，從而提高轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)鹽害的抗性[107]。在煙草中過(guò)表達(dá)SbSOS1基因，促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，除了Na＋外排到質(zhì)膜外，SbSOS1蛋白還有助于維持不同器官Na＋含量的變化，并間接影響其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性，進(jìn)而使煙草具有高耐鹽性[108]。此外，Yang等[109]的研究表明，PtSOS2基因在木本植物白楊中過(guò)表達(dá)，與野生型對(duì)比，其能在高鹽條件下表現(xiàn)更強(qiáng)的生長(zhǎng)特性，是培育耐鹽樹(shù)木的理想候選基因。OsSOS1基因在水稻中過(guò)表達(dá)，通過(guò)對(duì)葉綠素含量、細(xì)胞膜透性、細(xì)胞活力等指標(biāo)的研究，表明過(guò)表達(dá)OsSOS1的轉(zhuǎn)基因水稻植株具有較好的耐鹽性[110]。

5 展望

土壤鹽堿化是制約全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素，土壤修復(fù)雖然能快速改善土壤鹽堿化程度，但這種改善并不是永久的，如果缺少對(duì)修復(fù)后的土壤進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，很容易形成二次污染[111]，因而研究和培育耐鹽堿作物對(duì)于鹽堿地的利用是一條較為經(jīng)濟(jì)、有效的途徑。在鹽脅迫下，Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)于維持植物細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)有著重要的作用。目前，盡管已經(jīng)有了一些關(guān)于Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因研究的相關(guān)報(bào)道，并且都不同程度提高了作物對(duì)于鹽脅迫的耐受性，但仍需進(jìn)一步了解Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能機(jī)制和不同產(chǎn)物的相互作用，挖掘更多優(yōu)良的耐鹽基因資源，利用基因工程技術(shù)培育出耐鹽的轉(zhuǎn)基因新品種，對(duì)于增加鹽堿地的利用、提高作物整體產(chǎn)量具有重要意義。