葡萄响应盐胁迫的研究进展

牛帅科，董宣，赵艳卓，陈展，宣立锋，张志超，杨丽丽，王广海*

（1.河北省农林科学院石家庄果树研究所，河北石家庄 050064；2.中粮华夏长城葡萄酒有限公司，河北秦皇岛 066600)

据报道，全球超过20%的农业用地受盐胁迫危害[1]。2019年联合国粮食及农业组织（FAO）报告显示，我国的盐碱地约有1亿公顷[2]，主要位于东北、西北、华北和长江中上游地区[3]，而这些地区恰好是我国葡萄的主栽区域。此外，由于环境的逐渐恶化，加上灌溉水质量不均和不合理施肥等，均加剧了盐胁迫对葡萄生长的影响。当葡萄面临盐胁迫时，会因渗透势提高，使植株水分吸收受到抑制，加上Na+、Mg2+、Cl-等过高积累引起的离子毒性[4-5]，最终影响葡萄的产量与品质。因此，本文探讨了葡萄对盐胁迫的响应，综述近年来此方面的研究进展，以期为葡萄抗盐栽培技术开发和耐盐品种选育提供理论依据。

1 盐胁迫对葡萄生长发育的影响

由于葡萄根系直接与土壤接触，当发生盐胁迫时，根系首先感知胁迫信号，表现为根细胞膜的通透性增加，渗透势降低，根系活性降低，在这一过程中还会伴随自身能量物质的消耗[6-7]。当盐胁迫超过一定阈值后，会进一步抑制地上部的生长[8]。研究发现，葡萄的根冠比与盐胁迫程度呈负相关，说明葡萄根系相较于地上部分对盐胁迫更加敏感[9]。同时发现，降低根组织密度可以减少呼吸作用和养分需求，降低维持代谢的能量，提高根表面积/根干质量的比值（Specific Root Area，SRA），所以，SRA往往用来衡量盐胁迫对根系的影响程度[10]。前人研究表明，盐胁迫显著提升葡萄、橄榄及圣柳等[9-11]植物的SRA值。此外，根系可以通过调节细胞结构响应盐胁迫过程，当发生盐胁迫时，植物根系表皮的木栓化程度增加，形成疏水性屏障，从而降低离子和水分吸收[12]。如转录因子WRKY9能够调控CYP94B3和CYP86B1的表达，提高根部木栓化程度，进而增强拟南芥对盐胁迫的耐受性[13]。杨雪等[14]研究发现，盐胁迫能够诱导‘克瑞森无核’和‘1103P’葡萄组培苗根部栓质层厚度增加。

盐胁迫往往会影响葡萄叶片的组织结构。叶绿体是进行光合作用的主要场所，其完整性是保障葡萄叶片能够正常进行光合作用的关键因素。由于叶绿体对盐胁迫极其敏感，当葡萄面临盐胁迫时，会抑制叶绿体色素合成酶的活性，使叶绿体膜系统受损，加快叶绿素的分解，从而影响叶绿体功能，因此，叶片中叶绿素含量能够体现葡萄遭受盐胁迫的损害程度[8]。秦岭等[15]研究发现，盐胁迫导致葡萄叶片的表皮细胞、栅栏组织与海绵组织的厚度增加，使类囊体肿胀，叶绿素含量降低。李学孚等[16]发现，随着盐胁迫程度的增强，‘鄞红’葡萄叶片的栅栏组织形状逐渐不规则，海绵组织与栅栏组织细胞数量降低，且细胞间隙增大，叶绿体结构异常，叶绿素含量随胁迫程度增强而降低。

近几年来围绕盐胁迫对葡萄果实品质的影响开展了一系列研究。孙红等[17]利用不同浓度的NaCl对葡萄叶片进行喷施后发现，中浓度（50 mmol•L-1）处理后果实的可溶性固形物与花青素含量明显提高，高浓度（100 mmol•L-1）则不利于可溶性固形物和花青素的积累，同时证明了无论何种程度的盐胁迫均不利于果实芳香物质的积累。对局部根系进行适度NaCl处理后能够显著提高葡萄果实可溶性固形物含量，降低可滴定酸含量，并提高果实中香气物质的种类与浓度[18]。赵攀等[19]对‘赤霞珠’果穗喷施NaCl后发现，盐处理会抑制果实的成熟，不利于果实品质的提高。孙洋等[20]利用0.3%的NaCl溶液对转色期的‘摩尔多瓦’葡萄进行灌溉处理后发现，盐处理提高了果实的可溶性固形物及可滴定酸含量，降低了花青素的积累。以上研究表明，合理利用盐胁迫能够在一定程度上提高葡萄果实的品质。

2 盐胁迫对葡萄生理生化的影响

2.1 盐胁迫对光合作用的影响

在植物面临盐胁迫时，往往通过气孔或非气孔因素抑制叶片的光合作用。当叶片的净光合速率、胞间CO2浓度、光化学猝灭系数等指标随着气孔导度的降低而降低时，主要为气孔因素导致；而当胞间CO2浓度先降后升、非光化学猝灭系数逐渐升高，但光合速率降低时，转变为非气孔因素，此时的盐胁迫会降解光系统PSII反应中心的放氧复合体，损伤叶绿体，抑制叶片光合作用的电子传递过程[21-22]。研究发现，随着盐胁迫程度增加，‘鄞红’葡萄叶片的气孔导度、净光合速率显著降低，且呈线性关系，在胁迫后期胞间CO2浓度升高，推测这主要为非气孔因素导致[16]。

2.2 盐胁迫对离子平衡的影响

一般情况下盐胁迫往往是由土壤中Na+及Cl-的过量积累所引发[23]，Na+与K+可以通过相同的转运体进入植物细胞，导致两者形成竞争关系[24]。K+在植物体内发挥多种功能，如参与渗透调节、蛋白质合成、调节酶活性、维持细胞膨压和保障光合作用，因此，维持细胞内Na+、K+平衡是决定植物在盐胁迫下生存能力的关键因素[25]。Lupo等[9]利用NaCl对‘SO4’‘瑞克特’‘1103P’砧木进行处理后发现，葡萄叶片中Na+含量显著低于Cl-，而在根中这种差异并不明显，认为根与茎中的Na+贮存能力是葡萄耐受盐胁迫的关键因素，正因如此，葡萄叶片中的Na+/K+值不适合作为评判耐受盐胁迫指标，但根系Na+/K+值可作为长期盐胁迫下葡萄的耐盐性指标。

2.3 盐胁迫对葡萄活性氧（ROS）的影响

由于盐胁迫提高了细胞的渗透势，及Na+、Cl-等的过量积累，这就会增加植物体内ROS含量。ROS可以作为信号分子发挥作用，但过量的ROS会引发氧化胁迫，破坏蛋白质、DNA和细胞脂质等生物大分子物质，从而对植物细胞造成损伤[26]。在这一过程中，丙二醛（MDA）是膜脂过氧化产物，其含量能够体现植株的损伤程度[27]。为了平衡ROS造成的危害，葡萄能够通过体内的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等物质清除过量的ROS[28]。付晴晴等[29]对盆栽砧木苗进行100 mmol•L-1NaCl胁迫处理发现，A34具有较强的耐盐性，其根系活力降低幅度以及O2产生速率、H2O2和MDA含量的升高幅度均较小，盐胁迫后的抗氧化酶活性表现快速升高然后小幅降低的趋势。Aazami等[30]发现，利用壳聚糖基水杨酸纳米复合材料对土壤进行处理后，能够显著降低葡萄在盐胁迫下MDA含量，并显著提高SOD、POD、CAT及APX等的活性，进而提高葡萄对盐胁迫的耐受性。除酶类物质外，一些代谢产物也具有清除ROS的能力。研究表明，盐胁迫能够诱导植物花青素的积累，增强对ROS的清除能力，进而降低其对盐胁迫的敏感性[31]。Souid等[32]研究表明，盐胁迫能够促进葡萄白藜芦醇及其衍生物的合成，从而提高抗氧化能力。

2.4 盐胁迫对葡萄激素的影响

植物激素如赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）、乙烯（Eth）、油菜素内酯（BR）等在植物不同发育阶段、不同组织或环境条件下发挥复杂且高效的作用[33-34]，植物能够通过调控多种激素的合成、运输和代谢过程应答盐胁迫[35]。

盐胁迫诱导植物ABA的合成，而ABA具有调节叶片气孔的关闭、抑制植物侧根的形成、参与葡萄萌芽、加速果实成熟、促进胞内保护性蛋白的合成等多种功能[36-38]。Upreti等[39]发现，盐胁迫提高了葡萄砧木中ABA的合成，并且不同砧木的抗盐能力与体内ABA合成能力成正比。ABA往往通过受体蛋白PYR/PYL的介导，诱导一系列含有ABA响应原件（ABRE）的基因表达来抵抗盐胁迫[40]。如VaPYL4能够提高转基因拟南芥对盐胁迫的耐受性[41]。

盐胁迫抑制根系的生长与生长素合成减少相关[42]。生长素通过受体蛋白Transport Inhibitor Response 1（TIR1）和Auxin Signalling F-box（AFB）的介导与转录抑制因子Auxin/Indoleacetic acid（AUX/IAA）发生互作，形成SCFTIR1/AFB复合体，将其泛素化并降解，解除对Auxin Response Factors（ARFs）的抑制作用，激活由生长素诱导的基因表达，进而调节植物的生长发育与胁迫响应过程[43]。研究发现，盐胁迫会下调TIR1和AFB2的表达[44]。tir1、afb2突变体提高了拟南芥对盐胁迫的耐受性，推测生长素合成的减少，减缓了在盐胁迫下的根系生长，可能是植物适应盐胁迫的重要机制[45]。

研究表明盐胁迫会增强植物茉莉酸（JA）的积累，而JA能够直接或间接调控如蔗糖转化酶、核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶、精氨酸脱羧酶及抗氧化酶等酶类的活性，来响应盐胁迫过程[12]。作为JA信号的受体Coronatine Insensitive 1（COI1）通过结合Jasmonate ZIM-domain（JAZ）蛋白，使其泛素化并被降解，释放与JAZ结合的一些转录因子活性，从而激活响应JA信号基因的表达[46]。Ismail等[47]研究发现，外源施加JA可以缓解盐胁迫对葡萄细胞生长的抑制作用，葡萄中JAZ1-3基因的表达随着盐胁迫程度增加，呈现先升高后降低的趋势。应用茉莉酸甲酯（MeJA）能够增强盐胁迫下葡萄的CAT、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、APX活性，降低叶片中Na+与Cl-含量，提高葡萄对盐胁迫的耐受性[48]。

除此之外，盐胁迫提高了植物中乙烯、水杨酸的积累。乙烯、水杨酸通过调控细胞膜渗透性，维持体内离子平衡，增强抗氧化酶的活性；盐胁迫降低了细胞分裂素、赤霉素的含量，从而提高植物对盐胁迫的耐受性[12,35,49]。

3 葡萄响应盐胁迫的分子机制研究

当葡萄面临盐胁迫时，分子水平调节是较为基础且关键的步骤，探索葡萄盐胁迫状态下的分子调控机制，能够为揭示葡萄耐盐机理提供坚实的理论依据，为耐盐品种的选育提供候选基因。近年来许多研究人员通过转录组测序技术挖掘出很多葡萄应答盐胁迫的基因，如Upadhyay等[50]对盐胁迫下‘无核白’的叶片进行测序，挖掘出343个差异性表达的基因。Guan等[51]分析发现，盐胁迫下葡萄叶片中差异表达基因与抗逆防御代谢途径相关，如ROS清除、离子运输、热激蛋白、病程相关蛋白、激素信号等。Daldoul等[52]通过对野生葡萄根的生理指标与转录组进行检测发现，在盐胁迫前期，主要以糖酵解代谢和类黄酮生物合成等非酶类物质响应ROS的积累，随着盐胁迫时间增加，主要影响木质素、异黄酮、单萜、热激蛋白、半乳糖、淀粉等物质合成和抗氧化酶类系统。

迄今为止，在葡萄中已经挖掘出许多响应盐胁迫的转录因子。如VvMYC2[53]提高了转基因拟南芥在盐胁迫下的萌发率。通过提高SOD、POD、CAT等抗氧化酶类活性，VvWRKY2[54]、VlWRKY3[55]、VvWRKY30[56]、VvNAC17[57]提高了转基因烟草或拟南芥对盐胁迫的耐受性。转VvWRKY28提高了拟南芥在盐胁迫下ABA信号通路关键基因NCED3和SnRK2.4、抗氧化酶基因CAT2和SOD1、脯氨酸合成关键基因P5CS1及SOS途径中SOS2的表达，进而提高了拟南芥在盐胁迫下的存活率[58]。盐胁迫下，过表达VvMYB62降低了拟南芥叶片中的Na+/K+，增强植株耐盐性[59]。葡萄生长素原初响应基因VvIAA18，增强了烟草中应答盐胁迫关键基因的表达与抗氧化酶类物质活性，提高了烟草对盐胁迫的耐受性[60]。

除转录因子外，葡萄中通过不同途径来响应盐胁迫的基因逐渐被挖掘。过表达VvSNAT1增强了拟南芥褪黑素合成和ROS清除能力，进而提高对盐胁迫的耐受性[61]。通过调节离子转运体及通道、渗透调节物质的积累和膜稳定性，VvKCS11提高了拟南芥的耐盐性[62]。盐超敏感（Salt Overly Sensitive，SOS）信号转导途径是经典的抗盐信号通路，通过该途径的调节能够阻止细胞内Na+的过度积累，SOS3是启动该通路的关键蛋白，Ma等[63]对葡萄中SOS3家族的9个基因进行了鉴定，并发现在葡萄根、茎或叶片中SOS3家族基因受盐胁迫的诱导绝大部分上调表达。葡萄芪合酶VvSTS36在ABA信号介导下及对ROS的调控下，提高了拟南芥对盐胁迫的耐受性[64]。通过可变剪接形式改变VvPMA1的N端长度，能够调节葡萄根质膜的H+-ATP酶活性，从而响应盐胁迫[65]。

4 缓解葡萄盐胁迫的栽培技术研究

为了应对盐胁迫，在葡萄生产过程中使用对盐胁迫高抗的砧木是目前最有效、最直接的应对方式，因此，对于耐盐砧木的筛选已成为重点研究方向之一。此外，近年来还研发出许多缓解葡萄盐害的其他栽培措施。研究发现，工程纳米颗粒是一种具有独特物理化学特性的超小颗粒，合理使用能够提高农业投入品（如肥料、杀虫剂、生长调节剂等）功效[66]，有效缓解盐胁迫对植物的危害。在盐胁迫下，特定的工程纳米颗粒可以携带相应化合物或营养物质，通过增强植物调节自身生理活动提高耐盐性。Li等[67]利用90 μg•mL-1多壁纳米碳管溶液对葡萄幼苗进行处理，明显降低幼苗叶片MDA含量，并提升SOD、POD、CAT、脱氢抗坏血酸还原酶（Dehydroascorbate Reductase, DHAR）、APX等抗氧化酶类活性，提高葡萄对盐胁迫耐受性。另外，有报道表明，应用氧化石墨烯负载脯氨酸衍生物、壳聚糖基水杨酸、腐胺-碳量子点及氧化铈等[68-70,30]纳米复合材料均能够提高葡萄的抗氧化能力，增强葡萄对盐胁迫的耐受性。除纳米材料外，还有许多方式被证明能够缓解盐胁迫对葡萄的危害，Soylemezoglu等[71]研究发现，Si能够降低盐胁迫下‘1103P’叶片中Na+含量。Liu等[72]将含有盐分的灌溉水进行磁化处理后，能够显著提高葡萄叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，提高净光合速率、气孔导度及蒸腾速率。王渌等[73]发现，磁化水能够有效缓解盐胁迫对葡萄茎、叶生长的抑制作用。

5 展望

近年来土壤盐碱化的面积与程度持续增加，已成为影响葡萄产业发展的重要问题之一。培育耐盐品种，筛选耐盐砧木，研发缓解盐胁迫栽培技术是解决这一问题的主要手段。

目前，对葡萄耐盐机理的研究尚不充分，在分子水平，需要进一步解析耐盐基因的作用机制与调控通路，开发葡萄中耐盐基因的分子标记，为葡萄抗盐品种的选育提供候选基因及分子标记辅助育种手段。在生理层面，需要对葡萄在盐胁迫过程中的调节机制（如激素调节、离子调节、抗氧化调节等）进行综合并深入探讨，充分把握葡萄响应盐胁迫的规律，从而完善筛选抗盐葡萄品种的评判体系，以及作为改良和创新缓解葡萄盐胁迫栽培技术的理论基础。