生物技术通报 | 植物响应盐碱胁迫的分子机制研究进展

文摘   科学   2024-11-08 16:32   北京  

植物响应盐碱胁迫的分子机制研究进展

冯凯月,赵鑫焱,李子妍,邱江明,曹一博

DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0410

盐胁迫是自然界中常见的非生物胁迫之一。我国主要粮食作物,如水稻(Oryza sativa L.)、玉米(Zea mays L.)、小麦(Triticum aestivum L.)等均为甜土植物,对盐碱胁迫敏感。培育耐盐碱作物是应对土壤盐碱化的有效措施,挖掘响应盐碱胁迫的关键基因和种质资源,深入研究植物耐盐碱应答的分子机制,对合理应对土壤盐碱化,确保我国农业高质量发展具有重要意义。
盐碱土也称盐渍土,是对不同程度盐化和碱化土壤的统称。土壤表层含盐量超过0.6%即属于盐土,而土壤表层含盐量不超过0.5%,并含有一定量Na2CO3,pH在8.5以上的土壤属于碱化土。盐胁迫是指以NaCl、Na2SO4为主的中性盐对植物造成的胁迫,而以Na2CO3和NaHCO3为主的碱性盐对植物造成的胁迫称为碱胁迫。中性盐胁迫会降低土壤水势,产生渗透胁迫,导致植物根系吸水困难,造成生理干旱。Na+、Cl-积累过量还会导致离子毒害,引起包括氧化胁迫在内的一系列次生胁迫。与中性盐胁迫相比,碱性盐胁迫还会使植物根系周围的pH值升高,导致大部分磷酸盐和金属离子形成沉淀,抑制离子吸收,营养物质的可利用率显著下降。已有的研究表明,相同盐浓度下,碱性盐对植物生长的抑制明显高于中性盐。近十年,研究人员利用正向遗传学和反向遗传学的手段已鉴定出多个响应植物盐碱胁迫的关键基因,并对其作用机制进行了解析。
近日,《生物技术通报》在线发表了题为植物响应盐碱胁迫的分子机制研究进展的文章本文综述了植物响应中性盐胁迫引起的渗透胁迫、离子毒害和氧化胁迫,碱性盐胁迫引起的碳酸氢盐和碳酸盐胁迫,以及高pH胁迫的分子机制研究进展,并总结了目前已用于耐盐碱作物培育的数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)和关键基因,以期加深对植物响应盐碱胁迫分子机制的认识,为培育优良耐盐碱作物提供思路。

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本文主要包括以下几部分内容:    

1 植物响应中性盐胁迫的分子机制

1.1 植物对中性盐胁迫的感知

1.2 ABA介导的渗透调节

1.3 Na+的吸收和转运调控

1.4 K+、Cl-的吸收和转运调控

1.5 活性氧稳态维持

2 植物响应碱性盐胁迫的分子机制

2.1 植物对碱性盐胁迫的感知

2.2 碱性盐胁迫应答
2.3 质膜H+-ATPase介导的根际pH调控

3 耐盐碱基因在作物改良中的应用

4 展望






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为了适应盐碱胁迫,植物进化出了一系列复杂的应答机制,包括避免离子毒害、维持渗透平衡、抵御氧化胁迫、高pH胁迫、碳酸氢盐和碳酸盐胁迫等,它们协同调控了植物的耐盐碱性。近年来,已有多个植物响应中性盐胁迫的关键基因被鉴定,但植物响应碱性盐胁迫分子机制仍不清楚,仍有许多关键问题需要解决。例如,(1) 盐碱胁迫除了引起渗透胁迫、离子毒害和氧化胁迫等次生胁迫外,还会引起高pH胁迫和碳酸盐(HCO3-/CO32-)胁迫,目前植物感知渗透胁迫、Na+和胞外pH变化的受体已被报道,但植物如何感知HCO3-/CO32-的变化仍不清楚。此外,除了位于质膜上的Na+受体GIPC外,胞质和细胞器中是否也存在感知Na+的受体仍有待研究。(2) 中性盐胁迫下,Na+转运蛋白在维持Na+稳态、促进植物耐盐的过程中发挥重要功能。碱性盐胁迫下,高pH会加重Na+对植物的毒害,与中性盐胁迫相比,是否有仅在碱性盐胁迫下发挥功能的Na+转运蛋白,Na+的吸收和转运调控机制是否存在差异?(3) 如何利用对植物耐盐碱应答分子机制的认知来提高实际生产中作物的耐盐碱性仍面临巨大的挑战。


在未来的研究中,利用表型组学、基因组学等多组学联合分析对耐盐碱QTL进行高通量的筛选和鉴定,利用高效基因编辑和基因组选择技术完成多个优异等位基因聚合可能是实现高产、多抗新种质创制的有效策略。













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