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盐胁迫下植物细胞离子稳态重建的研究进展 根据联合国环境组织的估计，世界上约20%的耕地受到土壤盐渍的威胁。高盐环境可打破植物细胞的离子稳态,即主要由NaCl引起的盐胁迫不仅破坏了植物细胞中业已形成的Na+、Cl-平衡状态,而且也影响K+和Ca2+的胞内分布。越来越多的研究结果表明,在盐胁迫环境中,植物获得耐盐能力的一个重要策略是建立新的离子稳态。 离子稳态依赖于参与离子跨膜运输的膜转运蛋白:H+-ATPase、H+-PPase(焦磷酸酶)、Ca2+-ATPase、载体和各种离子通道蛋白来参与重建盐胁迫下细胞的离子稳态。利用蛋白质的生化功能分析和突变体功能互补等方法,目前已克隆和鉴定了许多参与重建膜内外离子稳态的膜蛋白。 1 h+-atpase基因 盐胁迫导致Na+大量涌入胞内,破坏了植物细胞原有的跨膜电化学势梯度。而K+等营养物质向胞质的运输和Na+向液泡内的区隔化等都必须依赖跨膜电化学势梯度提供驱动力。因此,重建跨膜电化学势梯度是细胞存活的必要条件。细胞膜H+-ATPase与液泡膜上H+-ATPase和H+-PPase 主要负责建立和维持胞质(-120～200 mV)和液泡(+50 mV)的跨膜电化学势梯度,从而驱动各种溶质的次级转运。 质膜H+-ATPase由多基因家族编码,各等位基因的表达可以特异地受到调控,这些调控因素包括时间、空间、化学条件及环境诱导因子。酵母基因PMA1所编码的在植物和真菌中高度保守的H+-ATPase通过调节细胞内H+浓度在耐盐中起到重要作用。最近对拟南芥质膜H+-ATPase基因AHA4突变体aha 4-1的研究表明,质膜H+-ATPase可决定植物耐盐性。AHA4主要在根内皮层和花中表达。AHA4突变,造成75 mol/L或110 mol/L NaCl胁迫下aha 4-1植株根及地上部分生长比野生型明显减小,并且其叶中Na+/K+比对照增加4～5倍。这些结果也充分表明AHA4调控Na+跨内皮层流动。 植物液泡膜H+-ATPase和H+-PPase水解ATP和焦磷酸把H+泵入液泡产生跨膜质子梯度。盐胁迫激活H+-ATPase酶活性和质子泵的H+转运能力,在液泡膜两侧建立质子梯度。这些激活包括蛋白丰度提高,动力学特征改变,亚基成分变化及表达调控的变化。本实验室对盐生植物碱蓬液泡膜H+-ATPase的研究表明,NaCl胁迫明显增加了碱蓬液泡膜H+-ATPase的水解活性和泵活性,促进了A、B、H、c亚基转录及蛋白表达的增加。 植物液泡膜H+-PPase参与H+向液泡内的转运,负责调控胞质pH和焦磷酸代谢。一般认为液泡膜H+-PPase由单基因编码,它的过量表达有可能增加质子驱动力从而提高植物的耐盐性。的确,异源表达拟南芥液泡膜H+-PPase恢复了盐敏感酵母突变体的耐盐性;过量表达拟南芥液泡膜H+-PPase AVP1明显增加了转基因植株跨液泡膜质子梯度,促进了AtNHX1所介导的Na+/H+逆向转运活性,将Na+区隔化至液泡,因而明显增加了转基因植株耐盐性及抗旱性。 2 盐渍化土壤中n和na+含量的测定 在正常生理条件下,植物胞质K+浓度相对较高 (100～150 mmol/L),而Na+浓度相对较低(1～10 mmol/L),有较高的K+/Na+比。K+涉及植物许多生理过程,包括酶活性调节、蛋白质合成及渗透调节等,并且是唯一一种植物所必需的以相对高浓度存在的阳离子。因此,保持胞质K+浓度,使其高于一特定值,对于植物的生长及耐盐性都是非常必要的。在盐渍化土壤中,Na+是一种主要的有害离子。因为许多细胞质酶活性对Na+都非常敏感,因而过高的Na+会对植物造成伤害。因此,在盐渍化土壤中,植物要想正常生长、发育,完成其生活史,必须保持一较低的胞质Na+浓度。要想保持低的胞质Na+浓度,植物细胞应限制Na+内流,增加Na+的外排,或者把其区隔化至液泡中。其简略的过程为:Na+通过Na+-K+共转运蛋白等通道大量“涌入”胞质,H+-ATPase、Na+/H+逆向转运蛋白等被激活,协调工作以驱动Na+外排和运入液泡,最终形成胞外、胞质、液泡三者间的离子平衡。 2.1 双向k+korc调节体 盐渍生境中,植物细胞质膜内负外正的膜电势和胞外Na+浓度的升高建立起的Na+电化学势梯度,都有利于Na+从外界环境到植物细胞内的被动运输。虽然植物对Na+的吸收机制目前还不清楚,但K+和Na+的水合半径非常相似,运输蛋白很难把它区分开,因而各种证据均显示Na+可竞争K+跨膜运输进入细胞。 一般认为K+运入植物细胞通过K+运输体。植物通过低亲和K+运输体及高亲和K+运输体从胞外介质中吸收K+。已确定的低亲和K+转运体大致可分为三种类型:内向整流K+通道KIRCs(K+inward rectifying channels)、