盐芥耐盐机制的组学研究
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摘要 综述了盐生模式植物盐芥耐盐机制研究的组学研究进展，对盐芥耐盐转录组学、蛋白质组学、代谢组学的研究进行了详细的分析和探讨，系统生物学研究方法将促进植物耐盐机制的深入认知。
关键词 盐芥；耐盐；组学研究
中图分类号 S184 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2012）20-0228-02
盐胁迫是自然界中主要的非生物胁迫之一，植物进化出复杂的耐盐机制来适应盐渍环境[1]。多年来，人们利用模式植物拟南芥从生命的不同层次针对植物耐盐性进行了诸多的研究，但作为甜土植物的拟南芥与盐生植物的耐盐性存在很大差异，因而在植物耐盐机理研究上受到局限。盐芥（Thellungiella salsuginea/halophila）是一种与拟南芥亲缘关系非常近的盐生植物，可以在500 mmol/L NaCl的高盐生境下完成生活史，耐盐能力远强于只能耐受100 mmol/L NaCl的拟南芥[2]。盐芥也具有类似于拟南芥的生活周期短、基因组结构小、易于遗传操作、便于转化、利于进行基因组分析的优点，成为植物耐盐研究理想的模式植物。随着盐芥耐盐分子机制研究的不断深入，研究人员开始利用转录组学、蛋白质组学和代谢组学等大规模、高通量的“功能基因组学”技术来认知复杂信号网络调控下的生理代谢过程，为从整体上认知盐芥耐盐机制提供了新的思路。
1 盐芥的转录组学研究
在盐芥的研究当中，转录组的研究方法主要应用了表达序列标签、全长cDNA文库构建和生物芯片等技术。
表达序列标签（express sequence tags，EST）是鉴别基因序列和预测基因功能的有力工具[3]。Wang et al[2]通过EST分析证实了Bressan et al[4]提出的观点：盐芥与拟南芥在cDNA水平有90%～95%的序列一致性。同时，Wang et al[2]还发现至少8类基因的表达与盐胁迫相关，占到了测序EST总量的18.89%，其功能涉及渗透调节物质合成、胁迫蛋白、活性氧清除、跨膜运输与离子平衡、膜流动性、信号物质、转录调节和代谢。Zhang et al[5]以盐胁迫盐芥幼苗为材料构建了一个cDNA文库并获得了946个EST，在最终获得的679个非重复序列中仅7%为盐芥独有，功能分析发现125个EST和103个非重复序列与盐胁迫相关，其功能涉及胁迫蛋白、抗氧化酶、转运体与离子平衡、代谢、膜流动性、信号物质和转录因子。
Taji et al[6]利用cDNA文库技术构建了胁迫条件下盐芥cDNA文库。通过全长测序和功能预测发现盐芥和拟南芥在大多数类群上基因数量没有明显差异，但涉及物质转运、非生物胁迫应答、细胞分化等方面的基因表达量为拟南芥的1.5倍以上，说明这些基因是盐芥耐盐能力强于拟南芥等甜土植物的关键。随后，Taji et al[7]又挑选了涉及非生物胁迫的1 047个基因进行全长测序并与拟南芥的同源基因进行比较，发现这些基因的5’非编码区和3’非编码区与拟南芥同源基因相似度较低（分别为57%和61%），这部分序列可能参与了盐芥胁迫耐受机制中翻译后调控过程。
根据盐芥与拟南芥在cDNA水平具有高度一致性这一特点，研究人员开展了一系列利用拟南芥生物芯片研究盐芥基因表达模式的工作。Taji et al[8]发现大量已知的生物和非生物胁迫诱导基因在盐芥非胁迫状态下亦有高水平的表达，包括Fe-SOD、P5CS、PDF1.2、AtNCED、P-protein、b-gluc-osidase和SOS1。与之相似，Inan et al[9]也发现了盐芥在非胁迫状态下盐胁迫防御基因的高水平表达。这些结果都说明，在非胁迫条件下，盐芥为应对胁迫进行着预期性准备。Gong et al[10]利用DNA芯片研究了拟南芥和盐芥在盐胁迫下基因表达模式的异同，差异基因分析表明拟南芥需要合成大量蛋白质进行全面防御，而盐芥诱导的基因主要参与蛋白质折叠、转录后调控和蛋白重分配。
除了采用Shangdong生态型作为研究材料外，盐芥Yukon生态型和突变体也被引入到研究中。Wong et al[11]利用盐芥Yukon生态型的EST制作cDNA芯片，并检测了这一生态型在应对盐胁迫、低温胁迫、干旱模拟和复水时的基因表达模式。Oh et al[12]成功构建了盐芥thsos1 RNA干涉突变体并比较了其与野生型盐芥（Shangdong生态型）在盐胁迫下基因表达模式的差异。
美国能源部联合基因组研究中心（US Department of Energy Joint Genome Institute）已于2011年完成了盐芥的基因组标准草图测序，测序结果被公布在http：///。此外Dassanayake et al[13]完成了另外一种盐芥属植物Thellungiella parvula的基因组草图测序，并将组装获得的约137.09 Mb序列在NCBI上。这些基因组序列信息将对认识植物耐盐分子机制、发现耐盐关键因子、培育耐盐作物起到了推动作用。
2 盐芥的蛋白质组学研究
由于转录后调控、翻译后调控和蛋白质亚细胞转移等情况的存在，mRNA水平不能完全反映蛋白质的表达水平。蛋白质组学技术通过解析、比较环境信号作用前后的蛋白质表达谱差异，从整体上分析对应于环境信号的各类代谢途径的响应与变化，并识别出与环境信号相关的特异蛋白，从而可以系统地解释环境信号所引发的生理代谢变化。Gao et al[14]对盐芥幼苗进行长期NaCl处理，鉴定获得14个差异表达蛋白，这些蛋白不仅包括胁迫响应蛋白，还包括能量传递、物质代谢、RNA加工和蛋白质降解等功能的蛋白，表明盐芥的长期盐耐受过程中至少包括了增强防御系统、调节能量代谢和维持RNA结构等生物学活动。Zhou et al[15]利用基于2-DE的磷酸化蛋白质组学方法系统研究了盐芥根在盐胁迫下磷酸化蛋白质组的差异表达，鉴定出的20个磷酸化蛋白参与了信号传递、活性氧清除、离子运输、能量代谢等多种生物学过程，这些过程的变化是通过可逆的蛋白质磷酸化反应进行调控的。Pang et al[16]应用比较蛋白质组学技术系统研究了拟南芥和盐芥在NaCl胁迫下可溶性蛋白和膜蛋白表达变化，与代谢相关的蛋白对维持盐逆境下拟南芥的生长与代谢具有重要的作用，而蛋白合成、蛋白质翻译加工及降解相关蛋白可能在盐芥的抗盐机制中发挥重要的作用。
3 盐芥的代谢组学研究
植物体内代谢途径极其复杂，在适应环境的过程中，需要不断调节自身复杂的代谢网络来维持系统内部的正常动态平衡。对这种动态进行监测与全面分析，可以揭示植物对环境因子或胁迫的应答机制，代谢组学研究技术的出现和发展为这方面的研究提供了一个平台[17]。
Gong et al[10]运用GC-MS技术结合生物芯片比较了盐芥与拟南芥在盐胁迫下代谢物的异同，在非胁迫状态下盐芥无机磷酸盐、糖类和有机酸的水平比拟南芥高，在盐胁迫条件下，拟南芥葡萄糖、脯氨酸显著增加，而盐芥主要代谢物显著增加的同时，苹果酸和柠檬酸含量出现小幅下降。代谢组学的研究结果说明盐芥即使在非胁迫情况下就为可能面对的胁迫环境进行了代谢物的准备。
Oh et al[12]比较了thsos1 RNA沉默突变体和野生型盐芥（Shangdong生态型）在盐胁迫下代谢物的整体差异，旨在论证盐芥SOS1基因在耐盐机制中的作用。试验发现在thsos1-4中脯氨酸含量无法达到野生型的水平，柠檬酸、苹果酸等参与三羧酸循环的有机酸积累的水平也较低，仅天冬氨酸的含量高于野生型。thsos1-4根中己糖和蔗糖的含量明显低于野生型，同时又积累了大量棉籽糖和海藻糖，叶片当中的己糖和蔗糖的含量与野生型相当，在盐胁迫下又含有较高的果糖、半乳糖和蔗糖。结果表明，由于抑制SOS1基因的表达使得盐芥在应对盐胁迫时发生的代谢物变化被抑制或取消，说明SOS1基因在盐芥响应盐胁迫过程中的重要作用。
Arbona et al[18]研究了盐芥与拟南芥在干旱和盐胁迫下次生代谢产物的异同。研究发现盐芥比拟南芥有更高的基础代谢水平（脯氨酸与次生代谢物），这被认为是为耐受环境胁迫进行的准备。而当遭遇胁迫时，拟南芥的代谢物变化是受到激素调控的而盐芥则不存在脯氨酸与次生代谢物的必然联系。
Lugan et al[19]比较了盐芥和拟南芥在渗透胁迫下的代谢组变化，旨在研究胁迫耐受、代谢组、水分平衡和生长状态之间的关系。通过全面定量分析有机和无机溶质，作者发现无论在盐芥还是拟南芥中，亦无论是否处于胁迫状态下，总可溶物质都是相对稳定的，这说明在胁迫下，这2种植物并没有进行渗透调节，其渗透势的降低是由被动失水造成的。盐芥的代谢物组成决定了其通过耐受被动失水应对渗透胁迫。
4 结语
综合上述盐芥组学研究成果，从整体上对盐芥的胁迫响应机制有了如下几点基本认识：①在无胁迫条件下，盐芥对可能面对的环境胁迫进行各个层次上的预期性准备；②发生环境胁迫时，盐芥能够精确地应对不同类别的胁迫条件，使用有针对性的应对策略以保存能量和资源争取更大的生存机会；③盐芥应对环境胁迫的机制与拟南芥大部分是一致的，造成盐芥具有更强耐受能力的可能原因，一是盐芥特异性基因的表达，二是基因表达过程中转录后调控、翻译后修饰的作用。
植物的耐盐机理，从植株水平到细胞水平、分子水平，是涉及多策略、多层次、多环节、多基因的复杂机制[20]。“组学”技术的应用帮助我们认识到盐芥在盐胁迫下不同层次生物分子的变化，发现新的基因和代谢途径。但要全面了解耐盐机制，则需上升到系统生物学的研究水平，用生物信息学整合基因组、转录组、蛋白质组和代谢组的大量数据，构建起系统化的分子网络结构和相互作用的动态模式，为最终培育耐盐植物、改良盐渍化土壤打下坚实的理论基础[21-22]。
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