全球有超過(guò)150億畝的鹽漬化土壤因鹽堿度過(guò)高而不能被有效利用，不合理的施肥灌溉、海水倒灌和氣候變化將進(jìn)一步加劇鹽堿土地面積的擴(kuò)張，土壤鹽漬化已成為影響農(nóng)作物種植和威脅糧食安全最重要的環(huán)境因素之一。中國(guó)有鹽堿地約15億畝，相當(dāng)于現(xiàn)有耕地面積的近八成，約5億畝具有開(kāi)發(fā)潛力，培育耐鹽堿農(nóng)作物，開(kāi)發(fā)鹽堿地土壤改良劑，提高鹽堿地產(chǎn)能，是解決我國(guó)糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
3月7日，山東大學(xué)丁兆軍教授和山東省葡萄研究院李科副研究員團(tuán)隊(duì)在Plant Physiology雜志（中科院1區(qū)TOP，IF6.5）上發(fā)表題為Methionine-mediated trade-off between plant growth and salt tolerance的研究論文，揭示了鹽脅迫通過(guò)誘導(dǎo)甲硫氨酸合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控植物耐鹽和生長(zhǎng)平衡的分子機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了外源甲硫氨酸在提高作物耐鹽中的關(guān)鍵作用。
當(dāng)植物面臨鹽脅迫時(shí)，會(huì)采取一種聰明的策略來(lái)平衡生長(zhǎng)和耐鹽性，一方面通過(guò)激活鹽脅迫反應(yīng)以提高植物的耐鹽性，另一方面，植物通過(guò)抑制根系的快速生長(zhǎng)減少能量消耗，重新分配細(xì)胞能量用于提高植物的耐鹽性，根系生長(zhǎng)降低也能減少鹽分的吸收。在正常條件下，低水平的ROS和ABA維持了細(xì)胞內(nèi)生理水平的甲硫氨酸合成基因HMTs/MSs的表達(dá)和甲硫氨酸的含量，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)根系生長(zhǎng)的基因被激活，而與耐鹽相關(guān)的基因被抑制。在高鹽條件下，ROS和ABA信號(hào)被激活，導(dǎo)致HMTs/MSs的表達(dá)增加，甲硫氨酸的合成顯著增加。一方面，甲硫氨酸通過(guò)降低細(xì)胞周期、生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素信號(hào)阻礙根系的生長(zhǎng)。另一方面，甲硫氨酸激活A(yù)BA合成、轉(zhuǎn)運(yùn)體和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，提高細(xì)胞內(nèi)ABA水平，增加鹽響應(yīng)基因的表達(dá)提高植物的耐鹽性。甲硫氨酸恢復(fù)正常水平后，根系的生長(zhǎng)恢復(fù)到正常，表明甲硫氨酸在維持生長(zhǎng)和耐鹽性之間發(fā)揮平衡作用。
氨基酸促進(jìn)植物生長(zhǎng)和抗逆的功能已經(jīng)廣為人知，但是目前對(duì)不同氨基酸的具體功能、最佳使用濃度以及調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然有限。通常認(rèn)為，氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)、激素等生物大分子的基本組成部分，補(bǔ)充外源氨基酸可以增加氨基酸的供應(yīng)并減少內(nèi)源氨基酸合成對(duì)細(xì)胞能量的消耗，或者某些氨基酸，如脯氨酸，在維持細(xì)胞的滲透平衡方面發(fā)揮作用。該研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫下，甲硫氨酸合成基因的表達(dá)被激活，導(dǎo)致鹽脅迫下甲硫氨酸含量的增加，甲硫氨酸又能激活A(yù)BA合成，增加細(xì)胞內(nèi)ABA水平。鹽脅迫下內(nèi)源ABA含量的增加以及外源ABA對(duì)鹽耐受性的積極作用被大家熟知。然而，ABA在農(nóng)業(yè)中的直接應(yīng)用引發(fā)了成本和安全性方面的擔(dān)憂。研究人員提出了一個(gè)有趣的替代方案，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用甲硫氨酸代替ABA。重要的是，氨基酸的多功能性、豐富的原料來(lái)源、低廉的成本和安全性，基于這些特性的氨基酸定制應(yīng)用將對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。
山東大學(xué)博士研究生史本慧和山東省葡萄研究院李科副研究員為論文的共同第一作者。山東大學(xué)丁兆軍教授和田會(huì)玉教授為論文的通訊作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的碩士研究生徐蕊，山東大學(xué)的張鳳博士，于子鵬副研究員參與了此項(xiàng)工作。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，山東省泰山學(xué)者專項(xiàng)基金；國(guó)家自然科學(xué)基金，山東省自然科學(xué)基金，山東農(nóng)業(yè)科學(xué)院高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)基金，山東省葡萄研究院科研引導(dǎo)基金的資助。（撰稿：李科 核稿：趙紅軍）
