植物盐胁迫响应机制的研究进展

植物盐胁迫响应机制的研究进展

盐是影响植物生长发育的重要因素。浓度高的盐可能会导致植物死亡。土壤盐碱化会严重影响农业的安全生产和健康发展,是当今世界较为严重的生态环境与社会经济问题之一。目前,全球盐碱土壤面积约为9.6亿hm2,我国约有1亿hm2,而且由于近年来全球气候的变化、对环境保护的力度不够以及对土地的不合理使用,全球土壤盐碱化日趋严重。解决土壤盐碱化问题,除了加强环境保护、合理利用土地、采用水利改良和化学改良等方法之外,培育耐盐碱的植物品种,尤其是明确植物的耐盐机制,并利用分子生物学技术来提高植物的耐盐能力,显得尤为重要。本文就植物耐盐反应及bZIP转录因子在高盐逆境下的作用与响应作一综述。1对植株的影响在盐胁迫下,植物体内被迫积累盐离子,盐离子过量造成毒害,植物细胞内自由基平衡被打破,改变了植物细胞膜的成分、通透性、运输能力,导致细胞膜的功能和结构受到损伤[2~4],严重影响植物细胞和组织的正常功能。植物体内基因表达也发生了变化,植株会随着环境的变化产生相应的胁迫蛋白,对胁迫环境产生一定的适应能力。土壤中盐分过多时,高浓度盐降低了土壤的水势,产生了渗透胁迫,直接影响细胞的代谢和植物对营养物质的吸收,最终导致酶合成受抑制、有毒物质积累等,严重影响植物的正常生长发育。此时,细胞通过积累一些渗透调节物质来提高溶质浓度,从而降低植株体内水势。在高盐条件下,植株体内因缺水而致叶片气孔关闭、光合作用受阻,使得呼吸作用与光合作用无法达到平衡,呼吸作用会短暂增强,之后减弱。2生物免疫因子转录因子(Transcriptionfactors,TFS)是一类参与真核细胞转录调控的,存在于动、植物细胞核内的蛋白分子。它能与真核基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性结合,并且能激活或抑制转录过程。根据转录因子结构域的特点,转录因子可以分为碱性亮氨酸拉链(Basicregion/leucinezippermotif,bZIP)、MADS-Box、MYB、AP2/EREBP等。当植物受到外界刺激时,其体内会产生一系列的信号传导,最后通过转录因子对植物抗性基因和相关防御体系的诱导,改变植物对环境的适应[9~13]。bZIP转录因子是一类真核生物中分布最广,也是最保守的一类蛋白。在人类、植物、动物以及微生物中均有发现。bZIP家族成员参与植物生长、衰老、损伤、花发育、种子成熟等植物生理过程。目前,已经从高等植物中分离出了调控植物耐盐、耐寒、抗旱、耐病原胁迫以及植物生长发育等相关的转录因子。bZIP转录因子具有共同的特点:(1)含有能与特异DNA相结合的碱性结构域;(2)bZIP转录因子的N末端含有酸性激活区;(3)bZIP转录因子以二聚体的形式结合DNA,亮氨酸拉链区与碱性区相连,共同参与寡聚化作用;(4)bZIP转录因子识别核心为ACGT作用元件,如TACGTA的A盒,GACGTC或CACGTG的C盒等。3植物bfig蛋白的分类Jakoby等通过对拟南芥中发现的大量bZIP转录因子分析,根据bZIP转录因子的碱性结构域以及其他保守结构域,将75个拟南芥的bZIP转录因子基因家族成员分为10个亚家族:A、B、C、D、E、F、G、H、I和S类。B、F亚家族报道很少,A、C、D、E、G、H、I、S亚家族都各有各的特点,但同一类亚家族成员具有相同的结构域和其他保守结构域,因此,它们具有类似的功能。根据与DNA结合的专一性,Izawa等将植物的bZIP蛋白分为4个基本类型:(1)选择G框的植物bZIP蛋白;(2)选择C框的植物bZIP蛋白;(3)对G框和C框同样有选择的植物bZIP蛋白;(4)不能与DNA构成二聚体的植物bZIP蛋白。4对植物的抗盐作用研究表明,bZIP转录因子对高盐逆境中植物的生理过程有积极的响应,能显著提高植物的耐盐能力。目前,通过对拟南芥、番茄、烟草、水稻、大豆等植物的研究均发现bZIP具有抗盐作用。Choi等首次从拟南芥中克隆得到了bZIP转录因子ABF/AREB,其成员分别有:ABF1、ABF2/AREB1、ABF3、ABF4/AREB2,其中ABF2/AREB1、ABF3和ABF4/AREB2主要参与高盐、干旱、热、ABA以及氧化胁迫的应答反应。bZIP转录因子通过在分子水平上的响应,通过减少毒害物质积累,保护膜的完整性来提高植株的耐盐能力。在Hsieh等的研究中,在高盐浓度条件下,与野生型番茄相比,只有含SlAREB1的转基因番茄能正常生长及开花结果,转基因番茄植株内的丙二醛含量明显低于野生型对照。大豆中已经鉴定出的bZIP基因中,1/3以上的基因能对高盐、干旱、ABA、低温中的至少一种植物逆境有响应。其中,大豆的GmbZIP132和GmbZIP1基因能显著提高转基因植株的耐盐能力。玉米的ABP9和ZmbZIP72基因也可显著提高耐盐能力,Ying等将玉米ZmbZIP72转录因子转到拟南芥中,提高了拟南芥的耐盐性。将辣椒基因CAbZIP1转入拟南芥中,转基因植株的耐盐性和抗旱性均得到提高。刚毛柽柳是一种根系发达、生命力极强、极耐盐碱、耐干旱瘠薄的柽柳科树种,它的bZIP基因有很强的抗盐能力。Wang等将刚毛柽柳的ThbZIP1基因转入烟草,在不同高盐浓度条件下,转基因植株的长势、POD和SOD活性及可溶性糖含量均高于野生型植株。Ji等将刚毛柽柳的ThbZIP1基因转入拟南芥,在正常条件下生长,转基因植株与野生型植株并没有差异,但是,在干旱胁迫、高盐和甘露醇的胁迫下,含ThbZIP1的转基因植株的根部长势、鲜质量、种子萌发均明显比野生型植株提高,并且,在盐胁迫条件下,转基因植株参与正、负调控的基因也明显增加,研究表明,高盐条件能高度诱导ThbZIP1基因的表达,它通过有效清除活性氧自由基和积累可溶性渗透物质来提高植物耐盐能力。在水生植物中,bZIP基因也有一定的抗盐作用。Xiang等发现,水稻基因OsbZIP23的超表达能显著提高水稻的耐盐性、抗旱性和ABA敏感性,在对照植株中,水稻的耐盐性、抗旱性和ABA敏感性也随之明显降低,这表明OsbZIP23基因在水稻的耐盐、抗旱过程中起到了非常重要的作用。水稻中OsABF1和OsABF2也能大大提高植株在高盐条件下的适应能力。Cheng等的研究表明,莲藕中对盐有隔离和功能性特征响应的转录因子LrbZIP能提高植株耐盐能力,它的表达能让植株在250mmol/LNaCl处理下正常生长长达18h。在高盐处理条件下,通过对转基因植株和对照植株的根部生长、叶绿素含量和电解质渗出率的比较发现,转基因植株表现出更高的承受能力。另外,植物在逆境中对bZIP转录因子的超表达可提高植物光合作用的能力,通过提高植物的光合作用,从而提高植物的抵抗能力,间接地增强植物对高盐等逆境的抗性。如拟南芥的ABP9在植物光合过程中起着重要的作用。植物在不同的发育阶段,bZIP转录因子对耐盐性的调控也有所不同。在苗期和抽薹期,对大豆GmbZIP44、GmbZIP62、GmbZIP78超表达能提高植株耐盐能力。5抗逆性和抗性分析植物耐盐机制相当复杂,在盐胁迫条件下,植物能有效协调自身调节机制来达到抗盐、拒盐的功能,但由于土壤盐碱化加重,植物自身的调节体系已经无法满足正常生长的要求。通过对植物耐盐机制的了解和研究,结合bZIP转录因子对植物抗性的研究,可以得到bZIP类转录因子的转基因耐盐作物,从而提高作物的耐盐能力。近年来,对bZIP转录因子的基因克隆及其功能研究和对bZIP转录因子在抗逆过程中的作用机理的研究进展明显,bZIP转录因子在植物耐盐性方面取得的进展已经有效增强了作物耐盐的效果。但目前bZIP转录因子中各个