综述：花青素介导的植物盐胁迫缓解及细胞内稳态维持机制

《Plant Growth Regulation》：Mechanisms of anthocyanin-mediated salt stress alleviation and cellular homeostasis in plants

本文聚焦土壤盐渍化问题，深入探讨花青素（Anthocyanin）在植物应对盐胁迫时的关键作用。详细阐述了盐胁迫对植物的影响机制，花青素缓解盐胁迫的多重方式，其生物合成的调控网络等，为培育耐盐作物提供重要理论依据。

　　

一、引言

在复杂多变的自然环境中，植物面临着诸多挑战，其中土壤盐渍化是一个日益严重的问题。随着气候变化和人类活动的影响，全球范围内盐渍化土壤面积不断扩大，对植物生长、作物产量和全球粮食安全构成了巨大威胁。据统计，全球超过 11 亿公顷的土壤受到盐渍化影响，预计到 2050 年，50% 的可耕地将面临高盐问题。

植物为了在盐渍化环境中生存，进化出了多种应对机制。而花青素作为植物体内的一种重要次生代谢产物，近年来受到了广泛关注。研究发现，花青素在植物应对盐胁迫过程中发挥着关键作用，它不仅能够清除活性氧（ROS），减轻氧化损伤，还参与调节离子平衡、维持细胞渗透压等生理过程，从而提高植物的耐盐性。因此，深入研究花青素介导的盐胁迫缓解机制，对于培育耐盐作物、保障全球粮食安全具有重要意义。

二、植物盐胁迫的机制

土壤中过量的水溶性盐，如钠离子（Na⁺）、氯离子（Cl^-）和硫酸根离子（SO₄^2-）等的积累，是导致植物盐胁迫的主要原因。这些盐分的来源既包括自然因素，如海岸线和沙漠地区的盐分积累，也有人为活动的影响，如不合理的灌溉、化肥使用和工业污染等。

盐胁迫对植物的影响是多方面的。首先，高盐环境会导致植物产生渗透胁迫，使得土壤水势降低，植物根系难以吸收水分，甚至会导致细胞内水分外流，从而抑制植物的生长和发育。其次，离子胁迫也是盐胁迫的重要危害之一，过量的 Na⁺和 Cl^-会在细胞内积累，干扰植物对其他营养离子的吸收和利用，破坏细胞内的离子平衡，进而影响植物的正常代谢和生理功能。此外，渗透胁迫和离子胁迫还会引发植物体内 ROS 的过量产生，导致氧化胁迫，对植物细胞造成严重的氧化损伤，影响植物的生长和生存。

三、花青素在作物耐盐性中的机制和功能

花青素是一类广泛存在于植物中的天然水溶性色素，属于黄酮类化合物。它由糖和花青素苷元分子组成，具有独特的化学结构，在植物的花、果实、茎、叶等器官中均有分布。花青素不仅赋予植物丰富的色彩，还具有多种重要的生理功能，如吸收紫外线、抗氧化等。在盐胁迫条件下，花青素的抗氧化作用尤为突出，它能够有效清除植物体内过量的 ROS，减轻氧化损伤，从而提高植物的耐盐性。

大量研究表明，花青素的积累与植物耐盐性之间存在密切关系。在不同的植物物种中，如花生、油菜、番茄等，花青素的积累能够增强植物的抗氧化能力，促进光合作用，维持叶绿素含量，调节离子平衡，从而提高植物对盐胁迫的耐受性。例如，在高花青素含量的番茄品种中，其对盐胁迫和干旱的抗性明显增强，这主要归因于花青素提高了植物的抗氧化活性，改善了离子稳态，并上调了与胁迫相关的基因表达。

四、花青素通过类黄酮生物合成途径的生物合成

花青素的生物合成是一个复杂的过程，通过类黄酮生物合成途径进行。该途径可以分为早期和晚期生物合成阶段，涉及多个关键酶和基因的参与。

在早期生物合成阶段，由苯丙氨酸通过苯丙烷途径转化为对香豆酰辅酶 A，然后在查尔酮合酶（CHS）的作用下，与丙二酰辅酶 A 缩合生成柚皮素查尔酮，再经过查尔酮异构酶（CHI）的催化，转化为柚皮素。随后，柚皮素在黄酮醇 3 - 羟化酶（F3H）、黄酮醇 3'- 羟化酶（F3’H）或黄酮醇 3’,5'- 羟化酶（F3’,5’H）的作用下，进一步转化为二氢山奈酚、二氢槲皮素或二氢杨梅素等中间产物。

在晚期生物合成阶段，二氢黄酮醇在二氢黄酮醇 4 - 还原酶（DFR）的作用下，被还原为无色花青素，然后在花青素合酶（ANS/LDOX）的催化下，氧化生成不稳定的花青素阳离子，最后在 UDP - 葡萄糖黄酮 - 3-O - 糖基转移酶（UFGT）的作用下，与葡萄糖等单糖结合，形成稳定的花青素。花青素合成后，会通过囊泡介导的转运、谷胱甘肽 S - 转移酶（GST）样蛋白介导的转运或黄酮类 / H⁺反向转运体介导的转运等机制，被运输到细胞液泡中储存。

五、胁迫条件下花青素积累和调控的机制

花青素的积累和调控受到多种因素的影响，包括发育阶段、环境因素和激素信号通路等。在盐胁迫等逆境条件下，植物体内的 ROS 水平会升高，ROS 作为信号分子，能够激活相关的信号通路，诱导花青素的合成和积累。

转录因子在花青素的合成调控中起着关键作用，其中 MYB、bHLH 和 WD40 转录因子形成的 MBW 复合物，是调控花青素生物合成结构基因表达的核心。此外，bZIP 转录因子也参与了花青素的合成调控过程。在拟南芥中，MYB 转录因子与 bHLH 基因和 WD40 蛋白相互作用，形成 MBW 复合物，激活花青素生物合成结构基因的表达，促进花青素的积累。

多种激素信号通路也参与了花青素积累的调控。脱落酸（ABA）作为一种重要的植物激素，在植物应对盐胁迫过程中发挥着关键作用。盐胁迫和水分缺乏会导致植物体内 ABA 水平升高，ABA 通过激活蔗糖非发酵 1 相关蛋白激酶（SnRK2s），进而调节离子运输、基因转录和 ROS 产生等过程。在花青素合成方面，ABA 能够诱导相关转录因子的表达，促进花青素生物合成基因的表达，从而增加花青素的积累。例如，在蓝莓中，ABA 诱导的 VcSnRK2.3 能够调节花青素生物合成关键基因的表达，促进花青素的积累。

茉莉酸（JA）也是一种重要的植物激素，在植物应对盐胁迫和其他逆境过程中发挥着重要作用。JA 信号通路能够诱导 Jasmonate Zim-domain（JAZ）蛋白的降解，从而解除对花青素生物合成相关转录因子的抑制，促进花青素的积累。在草莓中，JAZ1 与 YAB1 的相互作用对花青素的合成起着重要的调节作用。

盐超敏感（SOS）信号通路在植物应对盐胁迫过程中，不仅能够调节离子平衡，还与花青素的积累密切相关。SOS3 信号能够激活 Anthocyanin Impaired-Response（AIR1）基因，编码一种 bZIP 转录因子，该转录因子能够调节花青素生物合成途径中相关基因的表达，促进花青素的积累，从而将盐胁迫响应与花青素生物合成联系起来。

六、花青素介导的盐胁迫缓解机制

花青素在缓解植物盐胁迫方面具有多种机制。首先，花青素可以通过调节渗透调节物质的生物合成和积累，实现渗透调节作用。在盐胁迫条件下，花青素能够诱导脯氨酸、甘氨酸甜菜碱和可溶性糖等渗透调节物质的合成和积累，这些渗透调节物质能够降低细胞的渗透势，保持细胞的水分平衡，保护细胞结构和功能，维持酶的活性，稳定蛋白质，从而提高植物的耐盐性。例如，在转基因烟草中，花青素能够诱导代谢变化，提高植物对高盐诱导的渗透胁迫的耐受性。

其次，花青素具有强大的抗氧化能力，能够直接清除盐胁迫产生的过量 ROS，通过自身的抗氧化作用，捐赠电子，将自由基转化为较不活泼的分子，从而减轻氧化损伤。同时，花青素还能够增强抗氧化酶的活性，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等，间接参与 ROS 的解毒过程，维持细胞的氧化还原平衡。许多研究表明，花青素能够上调编码这些抗氧化酶的基因表达，从而增强植物的抗氧化防御系统。

此外，花青素还参与调节离子稳态，通过调节离子转运蛋白和通道的表达和活性，确保植物细胞内离子的平衡分布。花青素能够影响 Na⁺/H⁺逆向转运体的表达和活性，促进 K⁺离子的吸收，维持细胞内 K⁺/Na⁺平衡，减少 Na⁺离子的积累，从而减轻离子胁迫对植物的伤害。

花青素还能够调节多种盐胁迫相关的信号通路，如 ABA、JA、水杨酸（SA）和乙烯等信号通路，优化植物的整体胁迫响应策略。在 ABA 信号通路中，花青素通过调节关键转录因子的活性，促进 ABA 调节的气孔关闭、渗透调节和胁迫响应基因的表达，从而提高植物的耐盐性。在 SA 和 JA 信号通路中，花青素通过清除 ROS，防止氧化损伤，维持信号通路的完整性，增强植物对盐胁迫的适应性。花青素还与乙烯信号通路相互作用，调节乙烯的水平和敏感性，提高植物对盐胁迫的适应能力。

七、盐胁迫下花青素生物合成的遗传调控

花青素的生物合成受到一个复杂的基因网络调控，该网络对各种环境条件，包括盐胁迫，具有高度的响应性。在盐胁迫条件下，花青素生物合成相关基因的表达会被上调，作为一种保护机制。

花青素生物合成途径中的关键酶，如 CHS、CHI、F3H、DFR 和 ANS 等，由结构基因编码，这些结构基因的表达受到转录因子的调控。在众多转录因子中，来自 MYB、bHLH 和 WD40 家族的转录因子起着核心作用，它们形成的 MBW 复合物能够激活花青素生物合成所需的关键结构基因的表达。例如，在拟南芥中，MYB 转录因子 PAP1 在盐胁迫下对花青素生物合成的调控起着关键作用，bHLH 转录因子 TT8 与 MYB 蛋白相互作用，增强胁迫条件下花青素的积累，WD40 蛋白 TTG1 则是 MBW 复合物在类黄酮生物合成途径中正常发挥功能所必需的。

除了转录因子的调控，表观遗传修饰在盐胁迫下花青素生物合成的调控中也起着重要作用。表观遗传修饰包括组蛋白修饰、DNA 修饰和非编码 RNA 等，这些修饰能够在不改变 DNA 序列的情况下，调节基因的表达，为植物应对环境变化提供了一种灵活的响应机制。例如，DNA 启动子区域的低甲基化会影响花青素生物合成基因的表达，组蛋白修饰能够调节染色质结构和基因表达，促进花青素的生物合成，特定的 microRNAs 能够靶向花青素生物合成基因的转录本，在盐胁迫条件下调节其表达。

八、花青素在作物改良中的转化潜力

花青素在作物改良方面具有巨大的潜力，尤其是在应对盐渍化等由气候变化加剧的胁迫时。作为天然的抗氧化剂和胁迫缓解剂，花青素为培育耐盐作物提供了一种有前景的策略。此外，花青素对人体健康具有多种益处，如预防糖尿病、炎症、癌症等，这也增加了对富含花青素植物的市场需求。

通过对花青素生物合成和调控机制的深入了解，研究人员可以利用现代生物技术，如基因工程和分子育种，来提高作物中花青素的含量和稳定性，增强作物的耐盐性。例如，通过过表达花青素相关基因和调控转录因子，如 MYB75、DFR、F3H、PAP1 和 TT8 等，已经在番茄、水稻和烟草等多种作物中成功提高了花青素的产量，并增强了作物对盐胁迫的耐受性。利用 CRISPR/Cas9 介导的基因编辑技术，能够精确地修饰花青素生物合成相关基因，进一步提高作物的耐盐性和品质。

然而，要将花青素在作物改良中的潜力充分发挥出来，还需要进行大量的田间试验和农艺研究，以验证富含花青素作物在实际盐渍化环境中的性能，确保其在可持续农业中的实际应用。这些研究将为培育具有更高花青素含量和更强耐盐性的作物品种提供重要的理论和实践依据，为保障全球粮食安全做出贡献。

九、花青素应用面临的挑战及提高花青素稳定性的策略

尽管花青素在植物应对盐胁迫和作物改良方面具有重要作用，但在其应用过程中仍面临一些挑战，其中花青素的稳定性是一个关键问题。花青素的稳定性受到多种因素的影响，包括植物物种、遗传因素、环境条件等。不同植物物种积累花青素的能力存在显著差异，这主要是由于遗传因素对花青素生物合成途径的调控不同，导致不同植物在面对相同胁迫时，花青素的积累水平和稳定性不同。环境因素，如光照、温度、pH 值和氧气水平等，也会对花青素的合成、积累和稳定性产生重要影响。例如，较低的温度和蓝光照射可以促进某些植物中花青素的合成，而高温和紫外线照射则可能加速花青素的降解；酸性条件有利于花青素的稳定，而碱性环境则会促进其降解。

为了提高花青素的稳定性，研究人员开发了多种策略。共色素化是一种有效的方法，通过与其他化合物结合，能够增强花青素的稳定性。例如，花青素与黄酮类化合物等共色素结合，可以形成更稳定的复合物，提高花青素的稳定性。酰化也是一种常用的方法，通过与有机酸或脂肪酸进行酰化反应，可以防止花青素的水解和氧化，显著提高其稳定性。此外，微胶囊化和脂质体系统等包封技术能够为花青素提供一个保护屏障，减少环境因素对其的影响，提高花青素的稳定性和货架期。这些策略的应用，有助于克服花青素稳定性方面的挑战，推动花青素在农业和食品等领域的广泛应用。

十、研究差距和未来方向

尽管目前在花青素介导的盐胁迫缓解机制方面已经取得了一定的研究进展，但仍存在许多未知领域，需要进一步深入研究。

在花青素缓解盐胁迫的调控机制方面，虽然已知花青素具有抗氧化和清除 ROS 的能力，但在不同盐度水平下，其介导耐盐性的精确调控机制仍不清楚。未来的研究应重点关注花青素在表观遗传调控中的潜在作用，例如通过 DNA 甲基化和组蛋白修饰等方式对基因表达的影响，以阐明盐胁迫响应过程中花青素合成的调控网络。

对于盐胁迫诱导花青素积累的调控机制，目前尚不确定花青素是直接响应盐胁迫而产生，还是通过其他信号通路间接介导其积累。因此，研究花青素与 ROS、ABA 等分子信号以及其他胁迫相关激素之间的相互作用，对于深入理解花青素在调节胁迫响应中的作用至关重要。同时，还需要研究花青素在胁迫条件下如何与其他代谢和生理过程相互整合。

在花青素与离子转运体的相互作用方面，虽然已知花青素能够调节离子转运体，如 Na⁺/H⁺逆向转运体，在维持盐胁迫下的离子平衡中发挥作用，但花青素影响离子转运体的精确分子机制仍不清楚。进一步研究这些相互作用在不同植物物种和不同盐度条件下的差异，将有助于深入理解花青素在维持离子稳态中的作用。

目前对花青素积累的长期影响研究较少，尤其是在多年生作物中。未来的研究应关注植物如何在长期盐胁迫下维持花青素介导的胁迫缓解作用，以及盐胁迫与其他胁迫，如干旱和高温等，对花青素积累及其在维持长期耐盐性中的综合影响。

虽然富含花青素的转基因植物已显示出提高的耐盐性，但仍存在一些挑战，如转基因性状的稳定性较低、花青素积累和耐盐性在世代间的变异性以及花青素对植物生长、发育和产量的潜在意外影响等。为了克服这些挑战，需要开发更有效的基因工程方法，如 CRISPR/Cas9 介导的基因编辑技术，并通过田间试验和农艺研究，评估这些植物在实际盐渍化环境中的性能和耐盐性。

为了全面理解花青素介导的盐胁迫缓解机制，整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学方法至关重要。通过综合分析这些不同层面的数据，能够深入了解花青素合成及其在耐盐性中的遗传、蛋白质和代谢网络，为培育更具耐盐性的作物品种提供更全面的理论支持。

十一、结论

土壤盐渍化是一个严重影响植物生长、作物产量和全球粮食安全的关键非生物胁迫问题。花青素作为植物体内的天然抗氧化剂，在缓解盐胁迫对植物的不利影响方面发挥着至关重要的作用。它能够清除 ROS、维持离子稳态、调节渗透平衡，从而帮助植物在盐渍化环境中更好地生长和发育。

花青素的生物合成受到结构基因和调控基因的精密调控，这些基因与 MYB、bHLH 和 WD40 等转录因子相互作用，形成复杂的调控网络。同时，激素信号通路和表观遗传修饰进一步调节花青素的合成，使其能够对环境胁迫做出快速响应。

通过先进的基因工程技术，特别是 CRISPR/Cas9 介导的基因编辑，已经成功培育出富含花青素的转基因植物，这些植物在盐渍化条件下表现出增强的抗氧化活性、减少的氧化损伤和更好的离子稳态，同时还具有营养和健康益处。然而，花青素应用仍面临一些挑战，如在不同环境条件下的积累变异性、稳定性问题以及长期过表达的影响等。

未来的研究应集中在利用多组学方法深入了解花青素的生物合成和胁迫响应机制，并通过田间试验验证其在实际盐渍化环境中的性能。通过充分挖掘花青素介导的胁迫缓解机制的潜力，有望培育出更具抗逆性的作物品种，不仅能够抵御盐渍化环境，还能为人类提供更丰富的营养和更高的经济效益，为实现可持续农业发展做出重要贡献。