盘点那些提高作物耐盐性的方法（一）

本文内容速览随着全球气候变化加剧和不合理灌溉的持续影响土壤次生盐渍化问题日益突出许多地区的耕地盐碱化程度不断加重。传统手段在应对作物的高盐胁迫时逐渐显现出效果上限——部分作物的耐盐性改良已进入平台期单纯依靠农艺措施或常规育种难以实现突破性进展。因此借助现代生物学手段深入解析植物响应盐胁迫的分子机制、精准改良作物的耐盐能力对于拓展耕地资源、保障粮食安全具有重要的战略意义。接下来小远就带大家看看有哪些策略能够提高作物的耐盐性吧。01增强细胞壁当我们谈论植物如何“拒盐”时首先想到的往往是根系细胞膜的选择性吸收——将钠离子挡在门外。然而在离子进入细胞之前还有一道更早、更基础的防线细胞壁。植物细胞壁不仅是维持细胞形态的“骨架”更是抵御环境胁迫的第一道物理屏障。细胞壁是一个动态可塑的“智能屏障”——当感知到盐胁迫时植物会主动加固细胞壁通过物理阻挡和电荷吸附双重机制将钠离子拒于“门”外。2025年10月中国农业科学院郑军团队联合美国康奈尔大学华健团队在New Phytologist杂志上发表了题为“A CBL-interacting protein kinase ZmCIPK12 confers salttolerance in maize”的研究论文该研究发现ZmCIPK12通过磷酸化提高ZmPPase4蛋白的稳定性进而调控细胞壁增厚最终增强玉米耐盐性。作者前期通过查阅文献锁定与耐盐性有关的玉米CIPK家族Chen et al., 2011; Chen et al., 2021通过转录组分析发现在盐胁迫下ZmCIPK12是玉米 CIPK 家族中表达最显著的基因随后作者创制了ZmCIPK12突变体zmcipk12-1、zmcipk12-2和过表达材料OE1、OE2并进行表型观察。在正常条件下突变体与野生型无明显差异但在200mM NaCl处理下突变体表现出更严重的萎蔫表型且鲜重和干重显著降低。此外突变体的Na含量和Na/K比值显著高于野生型而K含量无显著差异。同时过表达材料在盐胁迫下具有更高的耐盐性表现为更高的鲜重、干重以及更低的Na含量和Na/K比值图1。上述结果表明ZmCIPK12正向调控玉米耐盐性。图1 野生型WT、zmcipk12、和ZmCIPK12过表达OE植物在正常和盐处理下的表型分析(Li et al., 2025)。a响应于盐胁迫的ZmCIPKs的转录组学分析数值表示盐处理下的基因表达与正常条件下的基因表达的比率b两个纯合CRISPR/Cas9敲除系在ZmCIPK12的靶位点中具有插入或缺失的基因模型zmcipk12-1和zmcipk12-2c正常和盐处理下WTB73-329、zmcipk12-1和zmcipk12-2的表型d-hWT和zmcipk12在正常和盐胁迫条件下的地上部鲜重、干重、Na含量、K含量、Na/K比值iZmCIPK12 OE株系的相对表达水平jZmCIPK12 OE植株在正常和盐处理条件下的表型k-o地上部鲜重、干重、Na含量、K含量、Na/K比值。作者后续通过一系列分子实验证实ZmCIPK12与可溶性无机焦磷酸酶4ZmPPase4相互作用并通过磷酸化增强ZmPPase4的蛋白稳定性。随后作者创制了ZmPPase4突变体zmPPase4-1、zmPPase4-2其表型与zmcpk12相似正常条件下突变体与野生型生长也无差异在200mM NaCl处理下zmppase4突变体枯萎程度显著重于野生型地上部鲜重与干重显著降低且地上部Na含量及 Na/K比值显著升高K含量无明显变化表现出盐敏感表型图2。图2 正常和盐胁迫条件下zmPPase4突变体的表型(Li et al., 2025)。aZmPPase4靶位点缺失的两个纯合CRISPR/Cas9敲除株系红色箭头表示ZmPPase4中的靶位点黑色箭头表示用于检测zmPPase4突变体的引物BWT、zmppase4-1和zmppase4-2的PCR扩增结果c在对照和盐胁迫条件下生长的WT、zmppase4-1和zmppase4-2植物的表型比较d-h正常和盐处理条件下WT和zmppase4的鲜重、干重、Na含量、K含量、Na/K比值。透射电子显微镜TEM分析显示在盐胁迫下zmppase4-1和zmppase4-2突变体的细胞壁显著变薄而ZmCIPK12过表达株系的细胞壁则显著增厚。这些结果表明ZmCIPK12和ZmPPase4在盐胁迫下通过调节细胞壁厚度增强耐盐性图3。图3 ZmPPase4和ZmCIPK12影响叶片厚壁组织细胞壁厚度(Li et al., 2025)。a-f正常和盐胁迫条件下WT、zmppase4-1和zmppase4-2的厚壁细胞壁的透射电子显微镜TEM图像gWT和zmppase4植物中厚壁组织细胞壁厚度的统计分析h-mWTB73-329、zmcipk12-1和zmcipk12-2在正常和盐胁迫条件下厚壁组织细胞壁的TEM图像nWTB73-329和zmcipk12植物中厚壁组织细胞壁厚度的统计分析(o-t正常和盐胁迫条件下WTB73和ZmCIPK12过表达系厚壁组织细胞壁的TEM图像uWTB73和ZmCIPK12过表达植物中厚壁组织细胞壁厚度的统计分析。02增强疏水屏障植物根系通过木栓质薄层SL沉积和凯氏带CS的发育形成疏水屏障是植物耐盐胁迫的关键Balasubramaniam et al., 2023。CS主要限制质外体运输而SL影响跨细胞运输这些屏障通过减少从根到土壤的水分流失和限制Na被动流入根中柱来赋予盐胁迫耐受性。2025年9月韩国首尔大学Nam-Chon Paek团队联合仁川大学Kiyoon Kang团队在The Plant Journal杂志上发表题为“ONAC005 enhances salt stress tolerance by promoting suberin deposition in root endodermis”的研究论文该研究发现ONAC005正调控根中疏水屏障的形成从而增强水稻的盐胁迫耐受性。作者前期通过系统发育分析发现ONAC005是耐盐基因ONAC106的直系同源基因为了进一步探究ONAC005是否响应盐胁迫进行实时荧光定量PCRRT-qPCR实验。结果显示ONAC005的表达受NaCl和ABA显著诱导尤其在根组织中响应迅速而在叶片中无显著变化图4。图4ONAC005的表达谱(Kim et al., 2025)。A-C将野生型WT幼苗在½MS固体培养基上培养10天然后将WT幼苗在补充200mM NaCl的½MS液体培养基中培养通过风干AB进行脱水胁迫或在补充100μM ABA、10mM ACC、100μM 6-BAP、100μM GA3、100μM IAA的½MS液体培养基中培养0、1、3和6小时。从AC根和B地上部中提取总RNA将在½MS液体培养基中孵育的10天龄WT幼苗用作模拟对照通过逆转录-定量聚合酶链反应RT-qPCR测定ONAC005的转录水平。随后作者创制了ONAC005的功能缺失突变体onac005-1/2/3和过表达株系ONAC005-OE并进行表型观察结果发现盐处理后突变体存活率低Na积累多离子泄漏多MDA含量高ROS积累多相反过表达株系存活率高Na积累少离子泄漏少MDA低ROS少图5。这些表型分析结果有力地证明了ONAC005是水稻耐盐性的一个正向调控因子。图5 ONAC005增强盐胁迫耐受性(Kim et al., 2025)。AWT、onac005-1和ONAC005过表达株系的盐胁迫表型B-DWT、onac005-1和ONAC005过表达株系恢复培养后的存活率EFWT、onac005-1和ONAC005过表达株系的离子渗漏和丙二醛含量。GH二氨基联苯胺和氮蓝四唑染色结果。盐胁迫对植物的主要毒害作用之一是过量Na的积累。研究团队通过电感耦合等离子体光谱法ICP-OES测定了不同材料在盐胁迫下根和地上部的Na和K含量。结果显示盐处理后onac005突变体的根和地上部积累了显著高于野生型的Na。相反ONAC005-OE株系的Na积累量则显著低于野生型而各材料间的K含量没有显著差异图6。图6onac005-1和ONAC005-OE株系中Na和K的积累(Kim et al., 2025)。 A-D将WT、onac005-1和ONAC005-OE株系在长日照条件下在YS中水培生长2周将2周龄的onac005-1和ONAC005-OE系分别在补充有120mM NaCl的YS中孵育5天和8天测量Na和K的含量。为了探明ONAC005如何限制Na积累研究团队将目光投向了其在根部的表达部位。通过构建启动子-GUS报告系统他们发现ONAC005主要在根的中柱和内皮层中表达这正是形成凯氏带和木栓质层的关键组织图7。随后利用荧光染料对根部横切面进行染色观察结果发现在盐胁迫下onac005突变体的根部内皮层木栓质沉积和凯氏带的形成均受到严重抑制。与之形成鲜明对比的是ONAC005-OE株系的木栓质沉积和凯氏带结构不仅完整甚至比野生型更加致密和连续图8。这些结果表明ONAC005通过促进木栓质沉积和凯氏带发育增强了根的疏水屏障限制Na从根部向地上部的运输和积累进而增强耐盐性。图7ONAC005在水稻根中柱区的优势表达(Kim et al., 2025)。 A-D用GUS组织化学染色法检测了2周龄的转基因水稻幼苗的GUS活性AGUS染色的整个根左和放大区域右的图像B-D在基部、中部和顶端区域观察到的GUS染色的根的横切面。图8onac005-1和ONA005-OE2根中木栓质薄层SL和凯氏带CS的差异沉积(Kim et al., 2025)。ABWT、onac005-1和ONAC005-OE2幼苗在长日照条件下在YS中水培生长2周随后用120mM NaCl处理1周。A切片用荧光黄088染色之后再用苯胺蓝复染B在半硫酸小檗碱染色之后用苯胺蓝复染。cmx中央后木质部en内皮层mx后木质部pe周皮层。03离子拮抗作用在盐胁迫环境下过量的Na和Cl-不仅引发渗透胁迫还会通过离子毒害干扰植物正常的代谢过程进而抑制生长发育。离子拮抗作用是植物应对盐胁迫的重要生理机制之一其通过维持营养离子的平衡吸收降低有害离子的积累从而缓解盐害。2025年1月南京农业大学张群团队在The EMBO Journal杂志上发表了题为“A phosphorylation-regulated NPF transporter determines salt tolerance by mediating chloride uptake in soybean plants”的研究论文该论文精准鉴定到与大豆耐Cl-特性紧密关联的转运蛋白GmNPF7.5揭示了大豆Cl-转运蛋白调控植株耐盐性的全新分子机制。作者通过全基因组关联研究和转录组学分析鉴定到大豆负责Cl-转运的关键蛋白GmNPF7.5天然SNP变异导致两种单倍型GmNPF7.5HapA和GmNPF7.5HapB图9。图9 盐胁迫下大豆过量Cl-积累相关基因GmNPF7.5的鉴定及单倍型分析(Wu et al., 2025)。A盐胁迫下地上部Cl-含量的全基因组关联分析研究GWAS结果水平实线表示GWAS显著性阈值B观察值与预期P值的分位数-分位数图C盐胁迫下的差异表达基因DEG和与Cl-含量相关的数量性状位点QTL的韦恩图D盐胁迫DEG和与Cl-含量相关的QTL的定量逆转录聚合酶链反应qRT-PCR分析EproGmNPF7.5GUS转基因毛状根的β-葡萄糖醛酸酶GUS染色。左图显示了包含根冠、细胞分裂区、伸长区和成熟区的根尖区右图显示了根的中部F显示Cl-含量QTL区域的曼哈顿图GGmNPF7.5的基因结构和两种单倍型H两种单倍型之间相对Cl-含量的比较。GmNPF7.5HapA以一种依赖于 pH 的方式介导Cl-或NO3-的吸收并且对Cl-的通透性高于NO3-其增加了Cl-的积累和盐损伤而GmNFP7.5HapB在不影响NO3-通透性的情况下降低了Cl-转运活性。此外大豆GmPI4Kγ4 激酶可通过磷酸化修饰GmNPF7.5特异性抑制其对 Cl-的转运活性却并不干扰对 NO3-的转运效能有效削减 Cl-在植株体内的累积量大幅提升大豆耐盐水平图10。图10 GmNPF7.5表达受GmPI4Kγ4介导的盐胁迫响应模型(Wu et al., 2025)。正常条件下GmNPF7.5定位于细胞膜上介导植物对Cl-和NO3-的吸收当大豆受到盐胁迫时过量的Cl-诱导了GmNPF7.5的表达。在含有Val579残基的单倍型中GmNPF7.5HapA介导Cl-吸收增加Cl-积累导致离子毒性和盐敏感性而在含有Ile579残基的单倍型中GmNPF7.5HapB丧失Cl-透性但保留NO3-转运活性从而抑制Cl-积累增强耐盐性。在盐胁迫下GmPI4Kγ4的表达也被激活它磷酸化GmNPF7.5并抑制其Cl-转运活性。这一机制抑制了GmNPF7.5诱导的Cl-积累从而增强了大豆对盐胁迫的耐受性。04液泡隔离2025年1月瑞士洛桑大学Anders Meibom团队联合Niko Geldner团队在Nature杂志上发表了题为“Elemental cryo-imaging reveals SOS1-dependent vacuolar sodium accumulation”的研究论文。该研究通过新型冷冻纳米二次离子质谱CryoNanoSIMS技术发现植物在盐胁迫下会通过SOS1蛋白将钠离子“锁进”液泡中颠覆了其仅作为“排钠泵”的传统认知。该研究团队发现钠的分布随浓度变化而转变。在低盐胁迫下钠主要富集于细胞壁此时SOS1突变体sos1胞质钠积累增加表明SOS1通过质膜外排钠的功能在中度盐胁迫下野生型细胞的钠大量进入液泡而sos1突变体中的钠无法进入液泡反而在细胞质中大量积累图11在高盐胁迫下野生型细胞仍能将钠有效隔离于液泡维持细胞质低钠、高钾状态而sos1突变体细胞质中钠激增钾显著下降图12。以上结果说明在盐胁迫下植物通过液泡隔离主导钠解毒且SOS1是液泡钠积累的关键因子。图11 轻度和中度盐胁迫下拟南芥野生型和sos1突变体根分生组织中Na、K和Ca的相关cryoSEM和CryoNanoSIMS图谱(Ramakrishna et al., 2025)。a在无Na培养基对照上生长的WT幼苗的代表性图像其特征在于盐胁迫实验前背景Na水平低b用2.5mM NaCl处理2h轻度盐胁迫的WT幼苗的根分生组织;cWT和sos1幼苗的根分生组织用25mM NaCl孵育4h中度盐胁迫d在无Na培养基对照中生长后和用25mM NaCl处理4 h后WT和sos 1左中分生组织细胞的液泡和细胞质中23Na的平均计数率还显示了WT和sos1右中单个分生组织细胞内23Na的液泡/细胞质计数率比eWT和sos1中分生组织细胞的液泡和胞质中39K的相应平均计数率左。还显示了生长后WT和sos1中单个分生组织细胞内39K的液泡胞质计数率比率右淡紫色。图12 高盐胁迫下拟南芥WT和sos1突变体以及水稻WT根分生组织中Na、K和Ca的相关cryoSEM和CryoNanoSIMS图谱(Ramakrishna et al., 2025)。a用100mM NaCl处理4h的WT和sos1的表皮细胞的代表性图像其中WT胞质溶胶中低Na水平的维持与sos1胞质溶胶中Na的强烈积累形成对比bWT和sos1中根表皮分生组织细胞在100mM NaCl上处理4h后的23Na左和39K右的细胞溶质计数率比cWT和sos1中分生组织细胞胞质中23Na和39K的平均计数率左和相应的平均胞质Na/K比右其中WT胞质中维持低Na水平与sos1中强烈的胞质Na积累相反与WT相比sos1中胞质K显著降低d盐胁迫下水稻根分生组织表皮细胞的代表性图像。通过两个独立的基因组融合构建SOS1-GFP和SOS1-mCitrine和互补验证研究发现SOS1不仅在质膜有信号更大量积累于内膜系统——定量数据显示细胞内信号强度是质膜的约2.5倍。共定位实验证实SOS1与晚期内体标记物RABF2A/RABF2B共定位和共迁移与液泡膜标记物VAMP711显著共定位但与早期内体/Golgi标记物VHA-a1无关联图13。上述结果表明SOS1在内膜系统将钠泵入内体腔内体运送到液泡融合最终实现钠的液泡隔离。图13 钠/质子逆向转运蛋白SOS1的亚细胞定位(Ramakrishna et al., 2025)。aSOS1-GFP在拟南芥根表皮细胞中的定位b在质膜和细胞内部测量的SOS1-GFP信号的定量以及SOS1-GFP信号的相应比率cSOS1蛋白在根表皮细胞中没有与反式高尔基体网络标记VHA-a1共定位dSOS1-GFP显示与mCherry-RABF2BARA7的部分关联。eSOS1-GFP与mCherry-RABF2ARHA1的部分结合fSOS1-GFP绿色与液泡膜标记mCherry-VAMP711洋红色显示出显著的共定位。05盐腺外排盐腺是植物表皮上的一种特殊结构由多个细胞组成能够将体内过多的盐分主要是钠离子主动分泌到体外避免盐离子在叶片中积累造成毒害。2025年11月山东师范大学陈敏团队在ThePlant Journal杂志上发表了一篇题为“LbNAC55 improves the salt tolerance of Limonium bicolor by regulating the salt gland development”的研究论文。该研究揭示了LbNAC55-LbFLZ13模块在调控二色补血草盐腺发育与耐盐性的新机制深化了对植物耐盐机制的理解。作者前期在二色补血草中鉴定到一个特有的、参与盐腺发育调控的基因LbNAC55之后作者创制了LbNAC55过表达OE以及沉默株系TRV::LbNAC55进行表型分析。与野生型WT相比过表达株系盐腺密度和盐分泌能力增加Na含量降低抗氧化酶活性增强氧化损伤减轻图14沉默株系盐腺密度和分泌能力下降Na积累增多抗氧化能力减弱图15。上述结果表明LbNAC55正调控盐腺发育和耐盐性。图14LbNAC55过表达OE二色补血草叶片的表型、盐分泌和耐盐性分析(Zhang et al., 2025)。A野生型WT和OE中盐腺的观察BOE株系中盐腺数量的统计C叶盘分泌的液滴D盐腺分泌的液体体积E单个盐腺每小时分泌的Na含量F在用200mM NaCl处理7天后WT和OE株系的叶片染色GK使用NMT测量净Na通量360秒H-J在0和200mM NaCl下OE株系和WT的叶中的抗氧化酶活性L-N0和200mM NaCl处理对双色百合WT和OE株系叶片中离子含量的影响。图15 LbNAC55沉默的二色补血草叶片的表型、盐分泌和耐盐性分析(Zhang et al., 2025)。ATRV::0株系和LbNAC55沉默株系的盐腺观察BTRV::0株系和LbNAC55沉默株系的盐腺数量统计C叶盘分泌液滴;D单个盐腺每小时分泌的Na含量E盐腺分泌的液体体积F-HTRV::0株系和LbNAC55沉默株系叶片中的Na含量、K含量和Na /K比值I用200mM NaCl处理7天后TRV::0株系和LbNAC55沉默株系的二氨基联苯胺和氮蓝四唑染色J-L在0和200mM NaCl下TRV::0株系和LbNAC55沉默株系叶片中的超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性。为了探索LbNAC55的作用机制作者通过酵母双杂筛库筛选并验证到一个互作蛋白LbFLZ13随后作者创制了LbFLZ13沉默株系TRV::LbFLZ13以及双沉默株系TRV::CO并进行表型分析。沉默LbFLZ13株系表型与TRV::LbNAC55类似盐腺密度下降泌盐能力减弱抗氧化能力降低图16。双沉默株系表型更为严重说明二者具有协同作用图17。图16LbFLZ13沉默二色补血草叶片的表型、盐分泌和耐盐性分析(Zhang et al., 2025)。ATRV::0株系和LbFLZ13沉默株系的盐腺观察BTRV::0株系和LbFLZ13沉默株系的盐腺数量统计C叶盘分泌液滴D盐腺分泌的液体体积E单个盐腺每小时分泌的Na含量F-H叶片中的超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性I用200mM NaCl处理7天后TRV::0株系和LbFLZ13沉默株系的氮蓝四唑染色。图17LbNAC55和LbFLZ13沉默二色补血草叶片的表型和盐分泌分析(Zhang et al., 2025)。 ATRV::0株系和普通沉默株系盐腺的观察BTRV::0株系和普通沉默株系盐腺数量的统计C叶盘分泌液滴D盐腺分泌液的体积E-GTRV::0株系和沉默株系在200mM NaCl下叶片中Na含量、K含量和Na /K比值。之后作者通过实时荧光定量实验发现在过表达株系中盐腺发育正调节因子和离子运输相关基因表达上调负调节因子表达下调而在沉默株系中这些基因的表达变化趋势相反图18。上述结果表明LbNAC55-LbFLZ13模块可能通过调控下游关键基因的表达来影响盐腺的发育和泌盐功能进而提高二色补血草的耐盐性图19。图18 与盐腺发育A-C、离子转运D和囊泡转运EF相关的基因在过表达和沉默系中的表达模式分析(Zhang et al., 2025)。图19 二色补血草耐盐性LbNAC55-LbFLZ13调控模型(Zhang et al., 2025)。由于篇幅的原因本次的推文就先给大家介绍到这里了剩下的部分微毛排盐、皮孔排盐、SOS通路排盐以及信号调控后续再为大家详细展开。简单回顾一下本期内容小远梳理了提高作物耐盐性的不同策略——拒盐、锁盐以及排盐中的盐腺排盐。其中“拒盐”侧重于通过增强细胞壁、强化疏水屏障以及离子拮抗作用从源头上减少盐分进入“锁盐”则聚焦于通过液泡区隔化将钠离子“关进”液泡实现细胞内盐害隔离而“盐腺排盐”则依托植物表皮的特殊结构主动将盐分分泌到体外。这些从物理屏障到分子泵、从组织结构到主动外排的多元策略共同构成了作物应对盐胁迫的综合防御体系希望能够给各位读者提供一点耐盐研究新思路。ReferencesChen X, Chen G, Li J, Hao X, et al. 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