文章编号：0439-8114（2016）11-2727-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.002
尽管植物在生长发育过程中需要必要的营养矿物元素，但是如果土壤中含有过量的可溶性盐则会对大部分植物造成伤害。目前，土壤盐渍化已经上升为一个全球性问题，应该引起人们的高度关注。据联合国教科文组织（UNESCO）和联合国粮农组织（FAO）不完全统计，全世界盐碱地面积约为9.54亿hm2。全国第二次土壤普查数据显示，中国盐渍土总面积约3 600万hm2，占全国可利用土地面积的4.88%，耕地中盐渍化面积达到920.9万hm2，占全国耕地面积6.62%[1]。然而随着盐碱地的不断增加，植物体内也形成了一定的防御措施。对于盐敏感植物来说，盐胁迫影响植物生长的原因主要是Na+毒害[2]。研究表明，植物消除Na+毒害的有效策略之一是通过细胞质膜Na+/H+逆向转运蛋白（Membrane Na+/H+ exchanger or antiporter）将Na+排出胞外或者通过液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白（Vacuolar Na+/H+ exchanger or antiporter）将细胞质中过多的Na+区域化在液泡中，这样一方面可以降低过多的Na+对细胞质的毒害，另一方面又可以将Na+作为一种有益的渗透调节剂来降低细胞的渗透势[3]，从而使植物更好地适应盐渍生境。因此，Na+/H+逆向转运蛋白在植物耐盐过程中扮演着重要的角色，对于更好地开发盐碱地以及提高农作物的产量具有非常重要的意义。目前，对于Na+/H+逆向转运蛋白的研究已经受到学术界的广泛关注，成为植物耐盐研究中的一个新亮点。
1 Na+/H+逆向转运蛋白的发现及拓扑结构
1.1 质膜Na+/H+逆向转运蛋白的发现及拓扑结构
目前，Na+/H+逆向转运蛋白已经在很多物种的膜系统中被发现。其中，植物质膜Na+/H+逆向转运蛋白最先是在大麦（Hordeum vulgare）根中被发现[4]，质膜Na+/H+逆向转运蛋白（SOS1）位于质膜上，该蛋白主要参与植物的Na+外排作用，是植物抵抗盐离子毒害的首个屏障。
在质膜Na+/H+逆向转运蛋白的氨基酸序列中，都存在一个特别保守的Na+结合区，但是与液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白不同，在质膜Na+/H+逆向转运蛋白中并没有发现氨氯吡脒（Na+通道阻断物）结合位点。植物质膜Na+/H+逆向转运蛋白的N端具有高度疏水性，并可能含有10～12个跨膜结构域，这些跨膜结构域与动物或微生物的Na+/H+逆向转运蛋白相当相似[5]。同时，质膜Na+/H+逆向转运蛋白还含有一个较长的（约700个氨基酸残基）亲水性C端，该结构面向细胞质，可以跟那些调控该蛋白活性的诸多蛋白相互作用，从而达到调节Na+/H+运输，适应盐渍环境的目的[6]（图1）。
1.2 液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白的发现及拓扑结构
1985年Blumwald等[7]首先在甜菜（Beta vulgaris）根部贮藏组织中发现了植物液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白（NHX1）。该蛋白分布于前液泡区的两极和液泡膜上，主要参与植物Na+的区域化作用，这样一方面可以降低过多的Na+对细胞质的毒害，另一方面又可以将Na+作为一种有益的渗透调节剂来降低细胞的渗透势，从而同样达到适应盐渍环境的目的。之后随着科研人员对液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白的不断探索，许多具有液泡膜Na+/H+交换活性的植物被陆续发现，如：滨藜（Atriplex patens）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、冰叶日中花（Mesembryanthemum crystallinum）、长春花（Catharanthus roseus）、棉花（Gossypium hirsutum）、甜菜（Beta vulgaris）、向日葵（Helianthus annvvs）等[8]。
Yamaguchi等[9]对拟南芥的拓扑学结构进行了分析（图2）。分析表明，AtNHX1可以分为12个跨膜区和一个较长的亲水C端结构域。跨膜区为疏水区域，含有Na+结合的重要残基，而且这些区域含有运输阳离子的结构，其中的3个疏水区TM3、TM5和TM6均为非跨膜结构。另外，拟南芥AtNHX1 N端面向于胞质，而C端亲水区则几乎都处于液泡腔内。
2 Na+/H+逆向转运蛋白的功能
2.1 质膜Na+/H+逆向转运蛋白的功能
随着土壤盐渍化面积的不断扩大，植物面临着严峻的高浓度Na+的挑战。植物本身消除Na+毒害的有效策略之一是通过细胞质膜Na+/H+逆向转运蛋白将Na+排出胞外。随着对该蛋白的不断深入了解，大多数研究表明，Na+/H+逆向转运蛋白对Na+的跨膜转运常常需要借助于H+-ATPase[3]。在植物体内，质膜H+-ATPase利用水解ATP所产生的能量将H+从细胞质中泵出，从而产生跨膜的H+电化学势梯度，进而驱动质膜Na+/H+逆向转运蛋白将胞内过量的Na+泵出细胞，以此来降低胞质内的Na+水平，减轻Na+对细胞质的毒害作用。大量研究发现，酵母中去除Na+毒害的机制可能与植物相同，它们的Na+/H+逆向转运蛋白是一致的[10]。拟南芥以及水稻的SOS1在缺失Na+外排功能的酵母突变体中超表达后，都显著降低了其对Na+的敏感性[11]，由此可见，SOS1可以通过介导质膜上的Na+/H+交换，从而将细胞内的Na+外排出细胞以减少Na+在胞内的积累。
质膜Na+/H+逆向转运蛋白除了具有Na+外排作用还有其他的功能。Garciadeblas等[12]的研究表明，在SOS1介导的Na+外排过程中，K+可能会替代H+与Na+发生交换，在外排Na+的同时吸收K+，从而调控细胞K+的稳态平衡。Oh等[13]发现一旦SOS1活性受抑制后，液泡膜上与Ca2+转运相关的基因表达丰度会显著上调，可见SOS1蛋白也会影响植物细胞中Ca2+的转运。
2.2 液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白的功能
通过对酵母质膜Na+-ATPase功能缺失突变体pma1进行的研究结果表明，面对盐胁迫时酵母除了限制Na+内流这一策略外，还存在胞内的Na+区域化机制[14]。这一功能是通过液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白完成的。液泡的H+-ATPase（V-ATPase）和H+-PPiase可以产生跨液泡膜的H+电化学势梯度，为Na+/H+逆向转运蛋白提供驱动力，进而进行离子的电化学运输，实现盐的区隔化。H+-ATPase是决定植物耐盐能力的关键因素之一，通常情况下，盐胁迫初期液泡膜H+-ATPase基因表达增强，从而使其酶活性和泵运质子能力增强[15]。
Ohnishi等[16]在研究日本牵牛时发现，InNHX2除了赋予牵牛植株耐盐性外，还参与了花瓣的pH调节。Apse等[17]研究发现，AtNHX1不但可以影响Na+/H+和K+/H+交换活性，而且可以影响植物的发育。
3 Na+/H+逆向转运蛋白的表达调控
依据高等植物Na+/H+逆向转运蛋白对盐胁迫的响应形式不同，可将其分为3种[8]。第一种是无论是否有盐处理植株都不表现出Na+/H+逆向转运活性，这可能是由于其体内不含有Na+/H+逆向转运蛋白基因，或者尽管体内有这种蛋白存在，但是不能被激活所导致的。这一类植物往往是盐敏感的甜土植物，如中型车前（Plantago media）；第二种则是无论是否有盐处理植株都表现出Na+/H+逆向转运活性，即Na+/H+逆向转运活性是组成型表达的，只不过在盐处理的情况下其活性会更高，这可能是由于盐胁迫促使Na+/H+逆向转运蛋白合成增加而形成的。这一类植物主要是盐生植物，如菊芋；第三种是只有在盐处理的作用下才能检测到Na+/H+逆向转运活性，即Na+/H+逆向转运活性是诱导型表达的，耐盐的甜土植物多为这种类型，如大麦、向日葵和车前草。
Na+/H+逆向转运蛋白基因的表达还有组织特异性[18]。有学者在研究碱蓬SsNHX1时发现，在盐处理的情况下，SsNHX1在叶中的表达量要比在根中的高。对于獐茅、杨树的研究也纷纷证实了这一点。
4 Na+/H+逆向转运蛋白的分子克隆及序列分析
4.1 质膜Na+/H+逆向转运蛋白的分子克隆及序列分析
随着1992年Jia等[19]首次在粟酒裂殖酵母中克隆到了质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因SOD2之后，很多科研人员开始关注质膜Na+/H+逆向转运蛋白的分子克隆，并获得了很多编码该蛋白的基因。Prior等[20]于1996年在啤酒酵母中克隆得到了质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因NHA1；Watanabe等[21]在鲁氏接合酵母中克隆得到了Na+/H+逆向转运蛋白基因Z-SOD2；Iwaki等[22]在鲁氏接合酵母中克隆得到了Na+/H+逆向转运蛋白基因Z-SOD22；之后番茄的SlSOS1、集胞藻的SynNhaP、大叶补血草的LgSOS1、蓝藻的ApNhaP也都相继克隆出来。目前大多数研究发现，高等植物的质膜Na+/H+逆向转运蛋白是单基因编码的，由此可以推测，多数植物的质膜Na+/H+逆向转运蛋白可能是一个单基因家族[11]。
研究发现，绝大多数植物质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因都含有约3 410～3 500个核苷酸序列的开放阅读框（Open reading frame，ORF），通常可以编码1 129～1 169个氨基酸残基，相对分子质量估计为127 ku[23]。马清等[11]通过对十几种植物质膜Na+/H+逆向转运蛋白的氨基酸序列进行比较发现，不同植物之间，它们的质膜Na+/H+逆向转运蛋白存在一定的差异性，尤其是在单子叶与双子叶植物之间，这可能是由于它们在进化上的某种分异性所导致的。
4.2 液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白的分子克隆及序列分析
自Apse等[3]于1999年首次在拟南芥中克隆得到液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因AtNHX1之后，相关研究人员相继在其他植物中分别克隆到了编码液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白的基因，如Hamada等[24]在北滨藜中克隆得到了Na+/H+逆向转运蛋白基因AgNHX1；Wu等[25]在棉花中克隆得到了GhNHX1；吕慧颖等[26]在番杏中克隆得到了TtNHX1；Zorb等[27]在玉米中成功克隆得到了6个Na+/H+逆向转运蛋白基因ZmNHX1、ZmNHX2、ZmNHX3、ZmNHX4、ZmNHX5及ZmNHX6；Yu等[28]在小麦中克隆得到了TaNHX2；Hanana等[29]在葡萄中克隆得到了VvNHX1。到目前为止，在甜菜、互花米草、柑橘、甘蓝型油菜、獐毛、芦苇、月季紫、珍珠栗以及木榄等中也都已经成功克隆出了NHX基因[30]。
许多研究表明，绝大多数植物液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因都含有约1 410～1 668个核苷酸序列的开放阅读框，大约编码470～556个氨基酸残基，其分子质量大概从47～179 ku不等[30]。由此可以推测，不同植物液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白分子质量存在一定差异性，这可能是由于它们在进化上的多样性导致的。通过对液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因进行序列分析[24，26，27]，结果表明液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白是一个高度异源的蛋白群体，它们有可能是从不同的祖先蛋白经过趋同进化而来。
5 Na+/H+逆向转运蛋白的转基因研究进展
随着对Na+/H+逆向转运蛋白的不断探索，越来越多的研究发现，对Na+/H+逆向转运蛋白进行过量表达可以明显提高植株的耐盐性。1999年Apsem等[3]将AtNHX1基因转入到拟南芥中并在其体内进行过量表达，结果显示转基因植株在200 mmol/L的NaCl中可以正常生长发育，之后将AtNHX1基因分别转入到番茄、油菜、棉花以及猕猴桃中，结果发现其转基因植株都能在200 mmol/L的NaCl处理下正常生长并结实，其中转基因棉花还出现了产量增加并产生更多棉纤维的现象[31]。此外，在小麦中过量表达AtNHX1不仅提高了转基因植株的耐盐性，而且获得了更高的产量。目前，过量表达大豆、珍珠栗、碱蓬、水稻、盐角草等的Na+/H+逆向转运蛋白NHX基因所得到的转基因植株也都表现出耐盐性增强的现象[2]。
研究者分析认为，同时过量表达多个基因可能会赋予转基因植物更强的耐盐性[30]。2006年Zhao等[32]将碱蓬SsNHX1以及拟南芥AVP1同时在水稻中进行过量表达，结果得到的转基因植株比单独过量表达的转基因植株具有更强的耐盐性，诸多科学家的研究也都得到了类似的答案。因此，通过转基因和育种技术相结合的方法来培育抗旱耐盐作物新品种是可行的。
6 展望
土壤盐渍化已经成为一个全球性重要的环境问题，在严重的盐碱地区，植物几乎不能生存，盐分过多会使植物受到生理干旱、离子毒害、生理代谢紊乱等多种危害，从而给农业生产造成了重大损失。在植物耐盐过程中，Na+/H+逆向转运蛋白无疑起到了至关重要的作用。它不仅可以降低Na+的毒害，而且是保持细胞离子均衡以及调节细胞渗透势的关键因子。随着土壤盐渍化问题日益加重，利用分子生物学手段来克隆耐盐基因，并将其转移到非抗盐的作物中，以培育出耐盐的转基因新品种显得尤为重要。这不仅可以在一定程度上开发利用盐碱土地，而且对于提高农作物的产量具有非常重要的意义。
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