在植物學頂級期刊Molecular Plant、Nature Plants上發表論文，這個實驗室總結植物鹽堿脅迫及其相關指標

鹽堿脅迫已成為僅次于干旱脅迫的第二大阻礙作物正常生長發育的非生物影響因素，嚴重威脅著土地的利用率和生物產量。植物在遭受到鹽堿脅迫后，植物的組織、器官發育與分化受到阻礙，生長速度緩慢，幼苗根系生長受阻，植株矮化，嚴重影響植物健康生長和產量形成 。本文將從鹽堿脅迫的概述、鹽堿脅迫對植物的影響、 植物響應鹽堿脅迫的適應性反應等方面展開，幫助大家更好地了解鹽堿脅迫。

01

什么是鹽堿脅迫

土壤鹽堿化依據土壤中鹽類成分可以分為鹽土和堿土兩類。鹽土中的主要成分 為 氯化鈉（ NaCl） 和 硫酸鈉 （ Na 2 SO 4） ， 由此引起的脅迫為鹽脅迫；堿土中的主要成分為 碳酸氫鈉（ NaHCO 3 ）和（ Na 2 CO 3 ），由此引起的脅迫為堿脅迫。

鹽脅迫、堿脅迫為本質上既有關聯又有區別的兩種不同的非生物脅迫，往往相伴發生，其中鹽脅迫主要對植物造成離子脅迫、滲透脅迫和營養脅迫，而堿脅迫下，植物除受到鹽脅迫外，還受到高pH脅迫。高pH脅迫會降低土壤養分溶解度，尤其是鐵離子的溶解性受到抑制，產生缺鐵癥，葉片缺綠黃化。

鹽堿脅迫不僅改變土壤中K+、Ca2+等有效營養離子成分，降低土壤滲透勢，而且打亂離子間動態平衡，致使植物生理代謝紊亂、生長受到抑制進而影響其產量和品質。

02

鹽堿脅迫對植物的影響

鹽堿脅迫是一種多因子共同作用的 （關于脅迫的分類詳見 ） ，可通過多個途徑抑制植物的生長發育，從而引起各種生理和代謝的異常，具體如下：

• 抑制植物種子萌發

種子萌發指成熟種子在合適的環境下先激活體內的新陳代謝系統，消耗存儲的營養物質，合成新的細胞，促使種子萌發。種子萌發階段中細胞內的生命活動旺盛，是植物生活周期中最關鍵也是最易被環境影響的一環。相同濃度的鹽堿脅迫下植物種子的耐受程度遠低于植物幼苗的耐受程度。如在三種不同鹽分脅迫下，細葉百合種子的耐受性與其幼苗相比較弱。

• 滲透脅迫

當植物幼苗生長于高鹽度土壤時，高鹽度會造成植物細胞滲透失衡引起的水分虧缺，影響植物的正常的生命活動，使植物生物量下降。滲透脅迫不僅會影響植物幼苗的生長，還會造成植物種子吸水受阻，影響植物種子萌發。

• 氧化脅迫

植物正常生長時體內的活性氧生成與消除處于平衡狀態，而生長于鹽堿環境下的植物體內因積累過多的活性氧（ROS），平衡狀態被打破，引起植物體內代謝紊亂，生理活動異常。細胞膜是細胞與外界進行物質交換的媒介，當細胞間隔中過量積累活性氧時，細胞膜結構會被破壞，使細胞無法進行正常的物質交換并生成一些有害物質如丙二醛（MDA）等。MDA是植物細胞內膜脂過氧化的產物，其含量的多少可以證明植物受到的氧化脅迫程度，常被用作鹽堿脅迫下植物的損傷指標。

• 離子脅迫

鹽堿土壤中通常會含有大量的鈉離子與氯離子，這些離子的存在會影響植物吸收鉀、氮和磷等營養元素，造成植物營養虧損。Na+是土壤鹽堿化主要的毒害離子。大量的Na+被吸收進入植物根系和地上部分，引起植物體內離子含量不平衡，對植物細胞造成嚴重的毒害作用，形成離子脅迫。Na+的大量積累還會擾亂胞內的各種酶促過程，影響植物正常的代謝活動和生命活動。

除此之外，鹽堿脅迫還對植物根系吸收 K+ 、 Mg 2+ 產生抑制。 K+ 作為一種植物生長過程中必備的營養元素。Na + 、K + 具有相似的結構，二者細胞膜上的轉運蛋白結構亦相似，因此當植物處于高Na + 環境時，Na + 會搶占K + 的通道蛋白進行轉運，從而使細胞內Na + 含量上升且K + 含量下降，引起植物營養元素虧缺，影響植物正常的生理代謝與生命活動，對植物造成離子毒害。

03

鹽堿脅迫下植物的抗鹽堿緩解機制

鹽堿脅迫不僅影響植物生長和發育，還會導致土壤功能惡化，降低作物生產力。在生長發育過程中，植物為了抵抗土壤環境的變化，會形成一系列調控機制來應對逆境。

①離子選擇性吸收和pH平衡

植物的正常生長代謝必須保持細胞內高K+低Na+的比例平衡。鹽堿脅迫下植物體內Na+含量急劇上升，K+含量減少，破壞了細胞內離子平衡。所以植物只能通過自身調解吸收積累有機酸和無機陰離子（Cl-、SO42-、NO3-）以平衡過多的Na+等陽離子，進而維持細胞內離子平衡和體內pH穩定，提高自身抗鹽堿能力。

②酶活性對膜系統的保護

植物在逆境脅迫下保護體系分為兩種。第一種為酶族保護體系，以過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）為主；第二種為非酶族保護體系，以抗壞血酸（ASA）、谷胱甘肽（GSH）等為主，并作為其主要氧化還原緩沖劑，在細胞的不同部位均有分布，調節細胞中活性氧的平衡。植物細胞中活性氧的清除需要依賴POD的作用，它能夠催化以H2O2為氧化劑的氧化還原反應，將H2O2還原為H2O，清除細胞內多余的H2O2，維持細胞膜的穩定性和完整性，從而大大提高植物耐鹽堿性。在鹽脅迫條件下，植物體內的SOD、POD、CAT等酶活性的增加以及活性氧自由基的清除對提高植物耐鹽堿性起非常重要的作用。

③滲透調節物質的積累

植物在鹽堿脅迫下，為了維持其正常生理代謝，除了參與抗鹽堿的K+、NO3-、Cl-等無機離子外，植物自身合成滲透調節物質脯氨酸、有機酸、甜菜堿等小分子有機物質，以這些物質為中介，通過調節細胞滲透壓的提高及水勢降低來響應鹽堿脅迫，提高植物的抗鹽堿能力，減少鹽堿脅迫對植物造成的傷害。

④誘導抗鹽堿有關基因表達

植物的耐鹽堿性屬于多基因協同表達的數量遺傳性狀，這些基因根據不同的鹽堿脅迫信號轉導途徑分為脫落酸途徑、Na+脅迫防御途徑、蛋白激酶途徑等。

04

案例分享

鹽脅迫激活CDK8-AHL10-SUVH2/9模塊動態調節擬南芥的耐鹽性

期刊名稱：

Nature Communications

影響因子：14.7

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57806-6

1.研究內容

土壤的鹽堿化導致作物減產甚至絕收，是全球農業面臨的重大挑戰。植物雖進化出離子平衡、滲透調節等防御機制，但鹽脅迫下基因表達的動態調控機制仍有很多是未知的。該研究提出了一個工作模型：在非脅迫條件下，細胞周期蛋白依賴性激酶8（CDK8）的激酶活性較低，AHL10-SUVH2/9復合物在鹽響應基因啟動子區域積累，抑制這些基因的轉錄。在鹽脅迫條件下，CDK8的激酶活性被激活，磷酸化AT-hook motif核定位蛋白10（AHL10），促使其降解，從而解除對鹽響應基因的轉錄抑制，增強植物的鹽耐受性。這一發現揭示了CDK8-AHL10-SUVH2/9模塊作為植物鹽脅迫響應的關鍵分子開關，通過動態調節鹽響應基因的轉錄來幫助植物適應高鹽環境。

2.研究結果

CDK8

正調節耐鹽性

據報道，

CDK8

在植物發育、免疫和干旱應激反應中發揮著重要作用。然而，它在鹽應激反應中的作用尚不清楚。為了探索這一點，首先研究了

CDK8

功能喪失突變引起的表型影響。對兩個不同的

CDK8

突變株系（

cdk8-1

cdk8-2

）進行鹽處理，并與野生型（WT）突變株進行比較。結果顯示

CDK8

突變株系中存在顯著的超敏反應。兩個突變系都表現出明顯的表型變化，在突變體中注意到主根明顯較短（圖1a、b）。另一方面，與WT相比，

CDK8

過表達系（

CDK8-YFP #6

CDK8-YFP#11

）具有更高的綠葉百分比和更長的主根（圖1a、b），表明

CDK8

可能在鹽應激反應中發揮作用。進一步研究

CDK8

表達對植物表面的影響在鹽分條件下存活，WT和過表達系都在土壤中受到鹽脅迫。大約70%的WT植物以及所有

CDK8

過表達轉基因植物能夠在鹽處理中成功存活。相比之下，大多數

CDK8

突變體無法承受脅迫（圖1c、d），這表明

CDK8

是耐鹽性的正調節因子。

圖1.

CDK8

正向調節耐鹽性。（a）在含或不含0.1M NaCl的?MS平板上生長的WT、

CDK8-1

CDK8

-2和

CDK8

-YFP轉基因幼苗的根。（b）在（a）中WT、

cdk8-1

cdk8-2

CDK8-YFP

轉基因幼苗的相對主根長比。（c）土壤中生長的WT、

cdk8-1

cdk8-2

CDK8-YFP

轉基因幼苗的耐鹽表型。（d）與（c）相關的生存率。（e）免疫印記顯示鹽應激下CDK8蛋白的豐度。從用0.2M NaCl處理指定時間的

CDK8-YFP

轉基因植物中提取總蛋白質。使用肌動蛋白作為對照。（f）鹽處理下

CDK8

激酶活性的分析。使用抗硫代磷酸酯抗體檢測

CDK8

的磷酸化。使用Image J軟件測量每個帶的強度。（g）在含有或不含有0.1M NaCl的?MS平板上生長的WT、

cdk8-1

CDK8-MYC/cdk8-1

CDK8-KD-MYC/cdk -1

轉基因幼苗的根生長（n=15）。（h）在（g）中WT、

cdk8-1

CDK8-MYC/cdk8-1

CDK8-KD-MYC/cdk8-1

轉基因幼苗的相對主根長度比。值為平均值±SD（n=15）。通過單向方差分析，不同的字母表示統計學上的顯著差異，

P

<0.01。

AHL

10負調節耐鹽性

檢測了WT、

ahL10

AHL10-GFP

轉基因植株在鹽脅迫下種子萌發和幼苗階段的表型。與WT相比，

ahL10

突變體表現出更強的耐鹽性，導致更高的子葉綠化率和更長的 主根長度(圖2a，b)。相比之下，

AHL10-GFP

轉基因植株對鹽處理高度敏感，表現出子葉綠化率降低和主根長度縮短(圖2a，b)。此外，還測試了它們在土壤條件下的耐鹽性。如圖2c，d所示，超過80%的

hL10

突變植株在土壤中鹽處理后存活，而只有不到60%的WT和20%的

AHL10-GFP

轉基因植株存活。為了進一步驗證這些發現，利用CRISPR-Cas9創建了兩個新的

ahL10

突變系(

ahl10-cri#1

ahl10-cri#7

)，分別具有1-bp缺失和1-bp插入(圖2e)。將它們轉移到鹽平板后，與WT相比,新的

ahl10

突變系具有更強的耐鹽性和更長的根長(圖2f，g)，進一步表明

AHL10

在鹽脅迫反應中具有負面作用。

圖2. AHL10負調節耐鹽性。（a）在含或不含0.1M NaCl的? MS平板上生長的WT、

ahl10

AHL10-GFP

轉基因幼苗（#48和#61）的根。（ b）在（a）中WT、

ahl10

AHL10-GFP

轉基因幼苗的相對主根長比。（ c）土壤中生長的WT、

ahl10

AHL10-GFP

轉基因幼苗的耐鹽表型。（d）與（c）相關的生存率。（e）

AHL10-CRISPR

類型示意圖。（f）WT、

ahl10-cri #1

ahl10-cri #7

轉基因植物在有或不有0.1M NaCl的? MS平板上的根生長。（g）在（f）中WT、

ahl10 cri #1

ahl10-cri #7

轉基因幼苗的相對主根長度比。值為平均值± SD（n=15）。通過單向方差分析，不同的字母表示統計學上的顯著差異檢驗，

P

<0.01。

CDK8

AHL10

調節鹽脅迫響應基因的轉錄分析

隨為了理解

CDK8

調節鹽脅迫響應的分子機制，用蒸餾水和NaCl處理的WT和

cdk8-1

突變體幼苗進行RNA測序（RNA-seq）。在WT中，5673個基因被鑒定為鹽脅迫響應基因，在鹽脅迫后，WT和

cdk8

突變體之間有2155個基因表現出差異表達模式，其中1194個基因重疊，我們將它們歸類為

CDK8

調節的鹽敏感基因。

CDK8

調控超過20%的鹽響應基因（圖3a），其中約一半的基因也受到

AHL10

的調控。 CD

K8

調節的鹽響應基因熱圖中，約有73.3%（875個）受到

CDK8

的正調節，而26.7%（319個）受到

CDK8

的負調節（圖3b）。GO富集分析進一步確定，這些CDK8調節的鹽反應基因主要富集在對化學物質、刺激和對脅迫的反應中（圖3c）。最近的研究確定了幾個與鹽應激反應有關的關鍵基因，包括

MYB108

MYB15

BHLH92

ANAC40

ANAC4248-51

。值得注意的是，鹽處理后

CDK8

突變體中這些基因以及

DREB2A

和幾種

ETHYLENE RESPONSIVE FACTOR（ERF）

TFs表達下降（圖3d）。RT-qPCR被用來進一步驗證，鹽誘導的

DREB2A

MYB15

ANAC040

的表達在

cdk8-1

cdk8-1 ahl10

雙突變體中均被顯著抑制（圖3e）。這種抑制表明

CDK8

在調節鹽響應基因的轉錄中具有正調控作用。還研究了與鹽脅迫相關的離子相關蛋白的表達模式，特別是在WT，

cdk8

ahl10

突變體中的

SOS1

HKT1

NHX1

，鹽脅迫顯著誘導了

SOS1

NHX1

的表達，但不誘導

HKT1

的表達。

AHL10

是一個屬于

AHL

(AT-Hook Motif Nuclear Localized)家族的轉錄因子。正常情況下，

AHL10

會抑制鹽脅迫響應基因的表達，而磷酸化會加速其被蛋白酶體清除，以解除其對基因表達的抑制。為了進一步確定AHL10在鹽脅迫響應中的作用，檢測了表達

AHL10

不同變體的植物中選定的鹽脅迫響應基因的表達模式。利用RT-qPCR分析表明，鹽脅迫下

ahl10

AHL10pro：AHL

10S314D 轉基因植物中的響應基因

DREB2A

MYB15

ANAC040

的 表達上調。相比之下，這些基因在

AHL10pro：AHL

10 S314 和

AHL10pro：AHL

10S314A 轉基因植物中的表達水平與在WT中觀察到的相同。這些結果進一步表明，鹽誘導的 AHL10 磷酸化和隨后的降解在積極調控鹽脅迫響應基因的表達中起著關鍵作用。利用

AHL10-GFP

轉基因植物進行染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）。第一次重復中，總共發現了14584個不同的基因組區域與

AHL10

蛋白密切相關。第二次重復，在相同的實驗條件下發現了16657個

AHL10

結合峰。這兩個獨立數據集之間的密切一致性為我們結果的有效性和重復性提供了高度的可信度（圖4a）。值得注意的是，超過70%的這些峰位于啟動子區域（圖4b）。這些峰與總共12803個基因相關，其中10941個基因能夠推定

AHL10

結合位點。GO分析還揭示了

AHL10

的推定靶基因中豐富的生物學功能，對化學物質、刺激和脅迫的反應強烈。此外，與

AHL10

結合相關的主要分子功能包括DNA結合TF活性、轉錄調節活性、轉錄因子等。這些發現表明，

AHL10

結合基因可能是應激反應轉錄調節的組成部分。此外，還確定了五個由保守的連續T堿基組成的

AHL10

結合 單元（圖4c）。這些結果表明 AHL10 蛋白優先與含有富含AT區域的基序結合。鑒于已經證明

CDK8

AHL10

可以差異調節耐鹽性，為了更深入了解這兩種蛋白質可能協調的鹽響應基因，使用維恩圖將受

CDK8

調控的鹽脅迫響應基因與

AHL10

潛在靶基因，以及啟動子中含有MARs的基因進行比對分析（圖4d）。鹽響應基因

DREB2A

ANAC040

MYB15

的啟動子包含 MARs 和潛在的富含AT的基序，這些基序是

AHL10

的推定結合位點（圖4e）。

另外，發現

HisAHL10

MBP-CDK8

共孵育時檢測到“super-shift”（圖4 f），表明

AHL10

CDK8

可能形成復合物，增強對鹽響應基因的調節作用。

AHL10-CDK8

復合物的形成可能表明這些蛋白質通過調節基因表達來響應鹽脅迫。為了評估

AHL10

在調節這些鹽響應性基因中的轉錄作用，進行雙重熒光素酶報道基因檢測。采用三種特定的報道構建體：

DREB2Apro:LUC、ANAC040pro:LUC

MYB15pro:LUC

，使用

35Spro：AHL10-GFP

35Spro：CDK8-YFP

作為效應子。（圖4g）結果表明，

AHL10-GFP

效應子的共表達顯著抑制了與三個報道基因相關的LUC活性，表明

AHL10

對鹽響應基因激活具有強烈的抑制作用。相反，

CDK8-YFP

效應子的表達導致

AHL10-GFP/CDk8

轉基因幼苗中三種報道構建體的LUC活性顯著增強。在

CDK8

突變體中，有或沒有鹽酸的啟動子的

AHL10

富集水平上沒有發現顯著差異（圖4J）。這些結果表明，

CDK8

會干擾其目標啟動子的

AHL10

富集。

圖3.

CDK8

調節的鹽響應基因的轉錄組分析。（ a）火山圖代表WT-NaCl-0 h與WT-NaCl-3 h和WT-NaCl-3 h與CDK8-NaCl-3 h比較組中DEGs的倍數變化。紅色和黃色點分別代表上調和下調的基因（

P

<0.05）?；尹c代表沒有顯著變化的基因。（b）

CDK8

調節的DEGs維恩圖和熱圖。（ c）基因GO分析顯示了

CDK8

調節的鹽響應基因的前15個富集途徑。（d）受

CDK8

調節的鹽響應轉錄因子的熱圖分析。（e）經過或不經過NaCl處理的WT、

hdk 8-1

ahl10

hdk 8-1 ahl10

突變體植物中

DREB2A

MYB15

ANAC040

的相對表達水平。

ACTIN2

用作對照。WT處理中指定基因的表達設定為1。數據代表三次重復的平均值±SD。不同的字母表示通過雙向方差分析（Tukey多重比較檢驗，

P

<0.01）后存在統計上的顯著差異。

圖4.

AHL10

介導的

DREB2A

ANAC040

MYB15

的轉錄抑制。 （a）ChIP-seq分析鑒定了

AHL10

富集峰。（ b）SlVOZ 1結合峰在整個擬南芥基因組中的分布。（c）

AHL10

的五個富集結合基序。（d）

AHL10-CDK8

共同調節的目標基因維恩圖。（e）

DREB2A

ANAC040

MYB15

啟動子中MARs和潛在

AHL10

結合位點的示意圖。紅線表示MARs；藍色框表示啟動子；紅色箭頭表示MARs上AT位置。（f）EMSA顯示

AHL10

與FAM標記的富含AT的探針的結合。（g）反式激活試驗的效應子和報告構建體的示意圖。（h）LUC/REN比顯示

CDK8

AHL10

介導的

DREB2A

ANAC040

MYB15

的轉錄抑制。（i）和（j）ChIP-qPCR顯示用和不用NaCl處理下WT、AHL10-GFP/WT和

AHL10 GFP/CDk8

幼苗中

AHL10

DREB2A

MYB15

ANAC040

啟動子的MARs富集。

3.研究小結

鹽脅迫對農業具有毀滅性的影響，但調節鹽響應基因轉錄的關鍵調控轉錄因子仍然很復雜，在植物中難以捉摸。在這里，我們發現，鹽脅迫實質上誘導了

CDK8

的激酶活性，這對于其調節耐鹽性具有至關重要的積極作用。

CDK8

被鑒定為在絲氨酸314處磷酸化AHL10，從而導致其在鹽脅迫下降解。因此，

AHL10

被發現對耐鹽性負面影響。轉錄組分析進一步表明，

CDK8

調節超過20%的鹽響應基因，其中一半由

AHL10

共同調節。此外，

AHL10

被發現將SUVH 2/9轉移到鹽相應基因啟動子MARs中富含AT的DNA序列，抑制鹽響應基因。因此，本研究確定

CDK8-AHL10-SUVH 2/9

模塊作為控制響應于鹽脅迫的轉錄動力學的關鍵分子開關。

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參考文獻：

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[4] 關秀玲, 申健. 植物響應鹽堿脅迫的生理和分子機制研究進展[J]. 江蘇農業科學, 2024, 52(21): 10-16.

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