盐胁迫下甜菜光合特性和微观结构研究进展

李 志，崔泽远，耿 贵，王宇光，於丽华

(黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080))

0 引言

土壤盐渍化已成为全球环境和农业经济的主要威胁之一[1]，土壤盐渍化会使农业生产力、水质、土壤生物多样性和土壤侵蚀的下降。土壤受到盐分影响会降低缓冲和过滤污染物能力和遏制农作物吸收水分能力和微量元素作用，可聚集对植物有毒害的离子，并使土壤结构退化。当前全球盐渍土总面积为3.97亿公顷，在灌溉土地中约19.5%为盐渍土，旱地农业中超2%的土壤受到盐分影响并且受害范围在不断持续上升[2-3]。土壤盐渍化是指土壤底层或地下水上升到地表，经水分蒸发后使盐分积累在土壤表层的现象或过程。土壤盐渍化形成的原因有自然因素(气候变化，地下水位过高，地形分布)和人为因素(不合理灌溉，过量施用农药、化肥)等[4-5]。土壤盐渍化日益严重，对全球农业经济发展造成了威胁。

盐胁迫可使土壤溶液渗透势降低，从而造成植物生理层面的干旱，抑制植物种子萌发和根系吸收，严重导致根部细胞的水分渗出，从而使植物在整个生长发育过程中受到生理干旱的影响。盐分聚集在表土时会伤及根、茎交界处的组织，植物体内常积累大量盐类，破坏了原生质使蛋白质合成受阻，导致含氮的中间代谢产物累积过量，进而对植物生长产生抑制作用。盐分也会影响糖类代谢过程，造成植物细胞质壁分离现象出现。而且在高盐浓度下气孔保卫细胞的淀粉形成过程受阻，气孔不能关闭，消耗大量能量和水分，致使植物干旱枯萎[6]。

光合作用是反映植物的生物产量和生长发育的生理代谢过程之一，也是受胁迫影响敏感的生理过程之一[7]。研究发现，盐胁迫对植物任何发育阶段的光合作用组织造成不可逆转的损伤[8]。盐胁迫诱导植物光合作用减弱的原因主要与这些因素变化相关，包括光合相关酶活性的变化、叶绿素合成受到抑制、破坏光合结构、限制电子传递以及气孔开闭影响CO2的供应[9-10]。

甜菜(BetavulgarisL.)是苋科、甜菜属，二年生作物，属于C3作物，具有较强的耐盐性，是我国重要的经济作物和糖料作物之一[11]。研究发现，甜菜的耐盐能力明显高于玉米大豆、小麦等作物[12-14]，当盐浓度到达140 mmol/L时仍能保持正常生长[15]；在盐胁迫条件下，光合能力随盐浓度的增加呈先升高后降低的趋势，而且随盐处理时间延长，甜菜的光合作用能力有所提高[16]，但其机理尚不明确。对甜菜的气体交换和叶绿素合成方面研究发现，低盐处理可使甜菜的气体导度、胞间CO2浓度、净光合速率和叶绿素含量增加，但高盐处理下这些指标显著下降[17]。

植物碳同化是指在光合作用暗反应中将CO2的固定并还原在有机物质中储存的过程。人们将植物光合作用碳同化途径分为C3途径、C4途径和景天酸代谢途径(CAM)三种，而根据不同的碳同化途径可分为C3植物、C4植物和景天科植物，主要区别在于叶片结构和代谢过程，光合作用强弱[18]。不良环境会引起植物代谢途径的改变[19]，但针对盐胁迫下甜菜的碳同化途径过程是否会发生变化研究甚少。

盐胁迫可导致植物的外部形态发生变化、生理生化和分子水平改变、光合作用受到抑制、影响采光复合物的形成和植物体内信号传导等。因此，本文主要针对盐胁迫对甜菜外部形态、微观结构和光合系统等方面变化进行综述。

1 盐胁迫对甜菜形态结构的影响

盐胁迫会对植物种子萌发、生长发育造成有害影响，依据植物对盐度耐性可分为盐生植物和糖生植物，盐生植物可通过改变自身形态、生理指标及形态结构等方面适应盐环境，然而大部分作物是对盐分敏感的糖生植物，在盐胁迫下糖生植物的生长和发育均会受到不利影响[20-21]。

植物对盐渍的适应机理主要分为避盐机理和耐盐机理。前者通过某些方式将植物细胞内部的盐分控制在可承受范围内，避免盐分过多对植物细胞造成伤害[22]。其中泌盐方式通过部分植物特殊结构(盐腺、囊泡)将盐分排泄到茎叶表面，再被雨水冲刷掉。稀盐方式主要是植物自身吸收大量水分来稀释植物内的盐分浓度，而拒盐是植物根部细胞质膜对Na+的透性较差[23-26]。耐盐性植物可通过渗透调节、内源激素响应、抗氧化防御调节、离子区隔化和改变碳同化途径等方式适应细胞内的盐分[27-28]。

1.1 盐胁迫对甜菜外部形态的影响

植物的外部形态结构可直观体现盐胁迫对植物的影响[29]。在相关研究中，低浓度盐可促进植物生长发育，提高抗盐生理指标。高浓度盐会抑制植物根系吸收水分和养分，从而造成渗透胁迫和离子胁迫。渗透胁迫是指当外部盐分浓度升高，抑制植物水分吸收、细胞扩张和生长发育[20]，而当Na+等有毒离子在植物体内积累过多，会导致叶片黄化和细胞死亡以及降低光合作用相关代谢活动[31]。

低盐促进细胞膜渗透调节和微量Na+对呼吸酶有一定激活作用，植物种子的发芽率、发芽势和活力指数增加，而高盐浓度破坏了植物细胞的完整性，种子萌发受到抑制[32-34]。因此，大量研究表明低盐可促进种子萌发，而当超过此浓度种子萌发就会受到严重抑制[35-37]。而王建丽[38]研究发现，籽粒苋种子会随盐浓度增加，种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均呈下降趋势。

盐胁迫会抑制植物的地上部生长，随盐浓度升高，植物的株高呈下降趋势，而茎粗呈先升高再降低的趋势，地上部干鲜重会受到抑制，叶片面积扩展速率减缓，限制光合作用速率，叶片逐渐增厚、失绿，叶尖和叶片边缘焦黄[39-42]。郭茜茜[43]等研究表明盐胁迫下辣椒的株高和茎粗均受到抑制，且随胁迫时间的延长表现越来越明显。

植物根系是最早承受外界环境变化的器官[44]，盐胁迫显著降低了植物根长、根表面积、根直径、根体积、根尖数目，侧根发育及根系活力受到抑制，根系颜色也由原来的乳白色变成褐色，也有研究发现，部分植物的根系的长度和面积会有所增加[45-49]。

甜菜的种子萌发率、生物量、叶部形态指标、根系形态指标是体现受伤害的重要指标[50]。研究表明，低盐可提高甜菜种子发芽率、发芽势，高盐处理甜菜种子萌发率会呈下降趋势[51]。随盐分浓度的提高，甜菜叶片失绿，叶片明显增厚，株高、叶面积、干鲜物质量呈现先增加后减少的趋势[52]。低浓度盐可促进甜菜根系生长伸长，增加根系体积和表面积，而高浓度盐下抑制根系各指标生长[53]。

1.2 盐胁迫对植物微观结构的影响

细胞是生物体基本的结构和功能单位，当植物发生生理生化变化必然会体现在细胞结构上，而生物膜系统的超微结构改变更是膜功能变化的直接体现者。植物在遭受到外界环境胁迫时，在根、茎、叶等结构上表现出一系列变化以适应环境，各部位器官的解剖结构变化与植物的耐盐性密切相关[54-55]。

1.2.1 盐胁迫对甜菜显微结构的影响

叶片是植物最重要的组成部分，由表皮、叶肉和叶脉三部分组成[56]。植物在受到盐胁迫后，叶片的表皮细胞、栅栏组织及海绵组织细胞的厚度及排列分布会发生变化。郭爱华[57]在研究盐胁迫对荞麦叶片解剖结构影响时发现，随盐浓度升高，叶片的栅栏组织和海绵组织显著加厚，表皮细胞体积减小，数目增多。罗达[54]等研究发现不同品种平欧杂种榛叶片厚度、表皮细胞厚度、栅栏组织和海绵组织厚度均随盐胁迫浓度增加呈现出先增加再降低，栅栏组织细胞伸长、层数增多，排列紧密。盐胁迫会导致大部分植物叶片厚度增厚，减少叶片蒸腾作用，提高保水能力，以提高植物抗性。但一些植物在盐胁迫下叶片厚度减小，叶片变薄与盐胁迫导致叶片失水有关，栅栏组织变薄，从而导致整个叶片变薄[58-59]。

气孔是植物表皮特有的结构，主要存在于叶片下表皮，在碳同化、蒸腾作用、呼吸作用中起重要作用，是空气和水蒸气的通路，对植物生长发育起重要意义[60-61]。植物的气孔性状主要包括气孔密度、气孔大小、气孔指数和气孔形状等，可影响植物与外界环境进行水分、气体交换和光合作用[62]。大量研究表明，盐胁迫对植物气孔性状变化有明显影响[63-64]。盐胁迫会导致气孔开度、大小和密度呈先增加后减少的趋势[47,66]，而有研究发现，盐胁迫下植物的气孔密度却显著减少，气孔空间分布规则程度降低[67-68]。

植物茎部由表皮、皮层、木质部、韧皮部和维管柱等结构组成，盐胁迫下小花碱茅茎的维管束数目增多且靠近茎边缘分布，排列不规则，髓腔占比增加，导管的运输能力也显著提高[69-70]。盐胁迫使根系外部形态结构发生改变，细胞内结构也会随之发生改变。习林杰[71]研究表明，根系在遭受盐胁迫时，根系形成层厚度增加，维管组织细胞发育不规则，排列混乱。KOYRO等[72]研究表明，经过盐处理后高粱根部的内皮层细胞壁增厚，盐胁迫使根表皮和皮层细胞线粒体的数量增加。植物可通过增厚内皮层、增加细胞壁表皮细胞来抵抗盐胁迫。盐胁迫促进根尖分化，木质部导管数和直径增加，提高植物根系吸收水分和养分[73-74]。

与其他植物相似，盐胁迫下甜菜叶片的韧皮部细胞变得细长，木质部组织细胞缩小，直径变小。甜菜的表皮细胞、栅栏组织和海绵组织厚度均有所增加[75]。於丽华[76]等研究表明在高盐胁迫下甜菜叶片气孔大多数闭合，气孔形状由原来的圆形变成椭圆形，气孔密度减小。叶柄的薄壁细胞面积增加，细胞间隙变大，木质部、韧皮部以及维管束直径减少。甜菜根系在盐胁迫下可通过增厚表皮细胞壁和增加通气组织，木质部导管数目增加[74]。

1.2.2 盐胁迫对植物超微结构的影响

植物超微结构变化主要是植物细胞的质壁、线粒体、叶绿体等结构状况。在正常生长培养条件下，植物细胞的细胞膜应紧贴细胞壁，完整且平滑，细胞壁与原生质体的界限清晰可鉴；叶绿体紧贴细胞壁单行排列，呈椭圆形，具有双层膜，结构规则且完整，类囊体腔小且扁平，叶绿体基粒和基质片层丰富，片层结构良好，排列紧密[77-78]；线粒体位于叶绿体之间或叶绿体与质膜的连接处，呈比较规则的球形或椭球形，双层膜结构清晰，形态饱满，内嵴清晰可见[79]。细胞核核膜清晰可见，核仁位于细胞核中央，呈圆形。

但在盐胁迫下植物细胞结构会发生明显变化，水稻随盐胁迫浓度和时间增加，叶绿体数目会明显减少，叶绿体老化加快，基粒片层和基质片层逐渐解体，嗜锇颗粒数量和体积逐渐增加[80]。ZAHRA[81]研究大麦在盐胁迫下，叶绿体逐渐呈现圆形而非长椭圆形，叶绿体不再紧挨细胞壁，向中心开始移动，基粒片层减少，类囊体高度膨胀，嗜锇颗粒和淀粉粒增多增大。在中度盐条件下增加了核仁和液泡的数量和大小，在重度盐条件下细胞核结构不规则，液泡发生破裂，细胞核缩短、核仁颗粒分布在细胞核和细胞质中。谢植彩[82]等研究盐胁迫对乌拉尔甘草影响发现线粒体数目增多，在重度盐胁迫时线粒体出现变形、中空、内嵴模糊等现象，双层膜系统模糊、结构失去完整性，与周围基质无明显界限，空泡化严重。姜艳丽等[83]对棉花超微结构研究发现，在NaCl胁迫下棉花根部细胞中线粒体数量增多、内外膜受到破坏，嵴减少甚至模糊。马晓蓉等[84]发现，随盐胁迫加重，叶绿体双层膜结构被破坏，幼根中线粒体结构被破坏，双膜模糊甚至破裂，大多数嵴模糊并出现空泡现象。关于盐胁迫条件下，植物自身的形态结构变化比较复杂，但植物的结构是基础，只有明确植物结构在盐胁迫下的变化，才能更好的认识植物耐盐机理。但针对盐胁迫下甜菜的研究主要集中于生理、蛋白分子及基因等层面，而甜菜的各器官超微结构变化甚少研究。

2 盐胁迫对甜菜光合系统机制的影响

由于盐胁迫引起植物结构发生改变，尤其对于盐胁迫下叶绿体的影响，从而影响植物的光合作用系统。光合作用是几乎所有生物物质代谢和能量代谢的基础，对自然界生物生存有非常重要意义。光合作用的意义包括制造有机物、维持大气中氧气和二氧化碳含量稳定、促进生物进化等[85]。因此了解甜菜的光合特性和光合作用机制，对进一步研究甜菜的耐盐机制提供理论基础。

2.1 盐胁迫对甜菜气体交换参数的影响

当植物受到外界不良环境影响时，其光合作用会受到抑制。盐胁迫对植物气体交换有影响，其中包括净光合速率、蒸腾强度、气孔导度、胞间二氧化碳浓度以及水分利用效率[86-88]。前期研究发现，随盐浓度增加，植物叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均呈现先升高再降低的趋势[89-91]。盐胁迫降低植物叶片净光合速率的原因主要包括气孔因素[92]和非气孔因素[93]。盐胁迫可诱导气孔关闭，盐环境导致叶片中盐离子含量升高，而钾离子含量减少，造成叶片失水。气孔关闭或开放减小，造成胞间CO2浓度下降，抑制RuBP羧化酶效率，引起光合速率下降[94]。研究发现，随盐浓度增加，甜菜叶片的光合作用受到抑制，甜菜气孔关闭及抗氧化酶活性下降等，从而致使甜菜叶片的气孔导度、蒸腾速率、净光合速率和胞间二氧化碳浓度显著下降[95]。但目前对于盐胁迫下植物净光合速率下降的原因尚未达成一致。

2.2 盐胁迫对甜菜叶绿素和叶绿素荧光的影响

植物的色素主要是由叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素组成。叶绿素是植物光合作用的主要色素，因此，叶绿素含量变化可体现光合作用的强弱。田翁由[96]等对樱桃在盐胁迫下叶片叶绿素含量变化研究中发现，随盐浓度增加，叶片的叶绿素a、叶绿素a+b的含量均是先升高后降低，而叶绿素b的含量是逐渐下降的。高盐浓度随叶绿素合成造成破坏使叶绿素含量降低[97]。朱玉雪[98]等研究表明，随盐浓度和处理时间增加，藜麦仍具有调节叶绿素含量的能力，而且高盐浓度破坏了叶绿素合成系统，提高了叶绿素酶的活性，促进叶绿素分解，致使叶绿素的含量降低。

叶绿素荧光是由自然光被激发产生的叶绿素，与光合作用密切相关，叶绿素荧光和光合作用是消耗叶片吸收能量的重要途径，因此，可用荧光参数反映出环境因子对光合作用的影响。研究发现，高盐胁迫下植物叶片潜在光合系统Ⅱ活性(Fv/Fo)、潜在最大光能转换效率(Fv/Fm)、实际光能转换效率(Yield)、电子传递效率(ETR)和光化学猝灭系数(qP)产生受到抑制，而非辐射能量耗散(NPQ)随着盐胁迫的增强,表现出先升高后降低的趋势[99-100]。盐胁迫影响植物的的光合特性，致使植物光合系统PSⅡ反应中心失活，降低植物的光合作用速率[101]。

程然然[13]研究表明甜菜的叶绿素含量均随盐度增加而逐渐减低，而甜菜的光饱和点随盐浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，在低浓度盐下提高了甜菜的光合能力，高盐抑制了对光能利用能力。此外，甜菜qP和φPSII的变化趋势与净光合速率抑制先上升后下降，表明了盐胁迫会影响甜菜的光能利用，对光系统反应中心造成破坏。

2.3 盐胁迫对植物碳同化相关酶的影响

盐胁迫对植物光合作用的影响涉及到碳同化过程，大量研究表明盐胁迫可显著性抑制植物的碳同化能力，即高盐胁迫下植物细胞中积累大量的盐离子导致离子胁迫和氧化胁迫，从而阻碍光合色素合成、扰乱电子传递、抑制CO2固定和破坏光合结构[102]。与碳同化相关酶包括卡尔文循环限速酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)、Rubisco活化酶(RCA)、磷酸甘油酸激酶(PGK)、甘油醛磷酸脱氢酶(GAPDH)和烯醇式丙酮酸磷酸羧化酶(PEPC)等，其中Rubisco和PEPC分别是参与植物C3和C4光合作用的两种重要酶[103]。NaCl影响盐地碱蓬光合作用研究下发现，在高盐胁迫胁迫下Rubisco和RCA活性呈显著下降趋势，但PGK和GAPDH活性随盐浓度升高而逐渐增强[104]。研究表明植物的光合作用关键酶Rubisco活性会随盐分增加而逐渐降低，而且会降低C3循环的中间产物的生成，抑制吸收CO2速率，影响植物的光合作用[105-107]。

赵慧杰[108]研究发现，在盐度影响下甜菜的RuBPcase活力逐渐下降，而盐浓度在140 mmol/L时可提高甜菜体内的PEPC和MDH活性，在280 mmol/L时甜菜的PEPC和MDH活性与正常对照的活性低，并且从相关蛋白组研究发现，甜菜的甜菜磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶家族蛋白表达量在低盐胁迫下发生上调，因此，学者推测甜菜幼苗的代谢过程在经盐度影响下会发生改变，使得甜菜具有耐盐碱性[109]。

3 展望

盐胁迫下植物的形态结构、细胞结构和生理生化等均会呈现适应性变化，维持自身生长发育。只有明确植物结构在盐胁迫下的变化，才能更好的认识植物耐盐机理，通过盐度对甜菜外部形态、解剖结构、光合系统机制、光合色素含量、碳同化相关酶活性变化的影响研究，为进一步探究甜菜的碳同化途径提供理论依据，为改善盐碱地甜菜生长寻找新途径和方法，增加对盐渍土的开发和利用，促进农业经济可持续发展。