野生大豆耐鹽堿種質(zhì)鑒定及其機制研究進展

魏志園，楊 杰，王 宇，俎天嬌，喬亞科，李桂蘭，張 鍇，*

(河北科技師范學(xué)院 a農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，b園藝科技學(xué)院；河北 秦皇島，066600)

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)耕地面積愈發(fā)緊張。我國作為農(nóng)業(yè)大國，合理開發(fā)利用耕地是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要途徑。近年來，土壤鹽漬化問題越來越受到人們關(guān)注。據(jù)報道，鹽堿化土壤約占我國耕地的20%，充分利用鹽堿地資源成為解決耕地不足問題的關(guān)鍵，因而培育耐鹽堿作物新品種成為農(nóng)業(yè)發(fā)展重要目標[1]。

野生大豆是國家第一批重點保護野生植物，多生于鹽堿地和鹽堿灘涂，是典型的耐鹽植物[2]。我國野生大豆資源非常豐富，除新疆、青海、海南外，野生大豆在全國各地均有分布[3]。但是，近年來由于自然環(huán)境和人為因素影響，野生大豆成為漸危物種，亟需保護與利用。同時，野生大豆作為栽培大豆近緣種，二者沒有生殖隔離，因而挖掘利用野生大豆優(yōu)異資源進而培育栽培大豆新品種已成為當(dāng)前大豆育種重要途徑之一。另外，野生大豆在鹽堿土壤區(qū)生存能力較強，其耐鹽堿生理機制復(fù)雜。因此，揭示野生大豆耐鹽堿生理及其分子機制，對于充分利用其種質(zhì)資源培育栽培大豆新品種也具有重要意義。

1 野生大豆耐鹽堿種質(zhì)資源鑒定與篩選

對野生大豆資源耐鹽堿鑒定篩選，應(yīng)用較為廣泛的是在實驗室鑒定或者田間鑒定，于野生大豆植株萌發(fā)期或苗期對其進行鹽堿脅迫處理并統(tǒng)計評價，鑒定指標包括種子相對發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚根相對長度及苗期相對鹽害級別、耐鹽指數(shù)等，也有學(xué)者采用全生育期形態(tài)學(xué)指標以及產(chǎn)量等作為鑒定標準[4,5]。唐俊源[6]對我國11個沿海省(直轄市、自治區(qū))906份野生大豆資源進行耐鹽堿性鑒定，篩選出284份耐鹽材料，占比高達31.27%，為我國耐鹽堿野生大豆種質(zhì)資源利用提供了重要材料。王敏等[7]通過室內(nèi)發(fā)芽試驗結(jié)合大田鑒定，對650份野生大豆進行耐鹽堿篩選，獲得耐鹽堿野生大豆資源3份。符楊磊[8]對冀東地區(qū)349份野生大豆進行耐鹽堿鑒定，篩選到高耐鹽堿野生大豆2份。

同時，葛瑛等[9]利用采集于鹽堿地345份野生大豆，經(jīng)不同濃度鹽堿脅迫，自播種開始進行耐鹽堿鑒定，篩選出耐鹽堿材料3份。段建興[10]在盆栽和大田2種生境下對野生大豆進行耐鹽堿鑒定，獲得適宜在鹽堿土播種的野生大豆-5755。肖鑫輝等[11]對895份野生大豆株系進行全生育期耐鹽堿鑒定，經(jīng)評價其形態(tài)和農(nóng)藝性狀指標，篩選出高耐鹽堿野生大豆種質(zhì)15份；同時發(fā)現(xiàn)，全生育期耐性鑒定中的株系材料在發(fā)芽出苗階段耐鹽堿占比高達70%，而存活到成熟期的僅占14.1%[12]。由上可見，我國具有豐富的高耐鹽堿野生大豆資源，進一步開發(fā)利用這些資源對于大豆耐鹽堿育種具有重要意義。

盡管目前已有學(xué)者針對不同野生大豆開展耐鹽堿資源鑒定和篩選等工作，但也存在諸如耐鹽堿鑒定方式和指標存在差異等問題。據(jù)分析，目前野生大豆耐鹽堿鑒定方式主要分為室內(nèi)鑒定和田間鑒定，室內(nèi)鑒定具有時間短、容量大、重復(fù)性強、環(huán)境影響小等優(yōu)點，但其篩選品種是否能夠用于實際生產(chǎn)尚需進一步確定；田間鑒定方式接近大田生產(chǎn)實際，鑒定結(jié)果具有較高實際應(yīng)用價值，但該鑒定方法易受種植方式和外界氣候條件影響[13]；因此，結(jié)合田間和室內(nèi)鑒定的優(yōu)點進行野生大豆耐鹽堿鑒定應(yīng)該是今后的研究重點[14]。

另外，葛瑛等[9]在野生大豆芽期進行耐鹽堿鑒定，結(jié)果表明鹽堿敏感和耐鹽堿材料之間的發(fā)芽率差異顯著，并且發(fā)現(xiàn)植物個體發(fā)育的不同階段耐鹽堿性存在差異。羅慶云等[15]認為野生大豆一旦通過苗期的鹽堿敏感階段，之后能較順利完成發(fā)育各階段。肖鑫輝等[12]認為苗期的鑒定結(jié)果不能反映其真實鹽堿耐性，對植株全生育期的耐鹽堿鑒定結(jié)果更加可靠。

綜上，目前我國學(xué)者已對野生大豆耐鹽堿種質(zhì)資源進行較大規(guī)模鑒定，并篩選到一批耐性優(yōu)異的野生大豆資源，但也存在優(yōu)異資源利用程度不高及耐鹽堿鑒定標準不統(tǒng)一等問題，故亟需一套統(tǒng)一的鑒定標準，以提高鑒定效率，方便比較不同試驗結(jié)果。更為重要的是，對篩選到的高耐野生大豆材料應(yīng)加快其育種應(yīng)用，培育高耐鹽堿栽培大豆新品種。

2 野生大豆耐鹽堿生理機制研究

2.1 鹽堿脅迫下野生大豆體內(nèi)活性氧的平衡機制

正常情況下，野生大豆體內(nèi)活性氧系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)受到鹽堿脅迫時，其體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除機制被破壞，打破系統(tǒng)平衡，影響其正常生長發(fā)育，造成植株損傷[16]。據(jù)報道，野生大豆體內(nèi)活性氧調(diào)節(jié)機制對抵抗外界鹽堿脅迫具有重要作用。一般來說，野生大豆體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)酶類主要包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)、過氧化氫酶(catalase，CAT)及過氧化物酶(peroxidase，POD)等，而非酶類主要包括類胡蘿卜素(carotenoid，CAr)、谷胱甘肽(glutataione，GSH)及抗壞血酸(ascorbic acid，ASA)等[17]。另外，膜脂過氧化物丙二醛(malondialdehyde, MDA)也可反映細胞過氧化水平[18]。

鹽堿脅迫下野生大豆體內(nèi)過氧化物增幅較小，這與SOD，CAT和POD等抗氧化酶類的調(diào)節(jié)作用有關(guān)。野生大豆材料的耐鹽堿性與過氧化物含量成負相關(guān)，在鹽堿脅迫下，野生大豆體內(nèi)SOD，CAT和POD含量顯著升高[19]，但在出現(xiàn)脅迫時其響應(yīng)速度有所差異[20]，脅迫前、中、后期響應(yīng)速度較高的分別是SOD，POD，CAT[21]。非酶類活性氧清除物的含量在一定范圍內(nèi)隨著其耐鹽能力的提高而升高[22]。劉浩然[23]研究發(fā)現(xiàn)野生大豆可以通過增加SOD和POD含量、降低MDA含量提高植株抗鹽性。MDA是脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，能夠反映細胞過氧化水平。在鹽堿脅迫下，野生大豆植株內(nèi)MDA含量有上升趨勢[24]，但與栽培大豆相比，野生大豆體內(nèi)MDA含量增幅較低[25]。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)噴施適當(dāng)濃度的α-萘乙酸(1-naphthlcetic acid, NAA)可以降低野生大豆氧化性損傷，維持膜系統(tǒng)穩(wěn)定[26]。吳楊等[27]研究證實2，4-表油菜素內(nèi)酯(2,4-epibrassinolide, EBR)可以提高鹽堿脅迫下的大豆抗氧化酶活性并降低大豆體內(nèi)的活性氧水平。此外，添加水楊酸(salicylic acid, SA)也能增強大豆幼苗中SOD和POD活性，提高還原型GSH含量，減輕鹽堿脅迫對植物的危害[28]。以上研究結(jié)果說明，野生大豆體內(nèi)活性氧平衡機制對其鹽堿耐性有重要作用。同時，在實際應(yīng)用中噴施外源輔助因子提高植株耐鹽堿能力，對降低鹽堿脅迫危害有重要意義。

2.2 脯氨酸及可溶性糖對野生大豆耐鹽堿脅迫的作用

可溶性糖和游離在植物體中的脯氨酸對維持細胞滲透壓有重要作用[29]。在干旱、鹽堿等脅迫條件下，植物體內(nèi)大量積累的脯氨酸及可溶性糖，作為植物細胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，起到穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)、降低細胞酸性、解除氨毒等作用[30]。另一方面，脯氨酸在調(diào)節(jié)細胞氧化還原狀態(tài)等方面也起一定作用[31]。野生大豆在鹽脅迫處理后，脯氨酸和可溶性糖含量會隨著鹽濃度的升高而增加，但是其含量在升高到一定水平后即不再升高甚至降低。張美云等[32]研究發(fā)現(xiàn)在鹽堿脅迫處理后，野生大豆植株體內(nèi)由于缺乏碳源，脯氨酸的合成受到影響，其含量的增加趨勢減弱甚至消失。李姝睿等[33]研究發(fā)現(xiàn)在鹽堿脅迫條件下，野生大豆體內(nèi)可溶性糖含量也存在類似現(xiàn)象，當(dāng)可溶性糖濃度上升到一定程度時便不再增加甚至開始下降。由于大豆葉片在進行呼吸作用時存在糖消耗，同時處于鹽脅迫中，運輸?shù)礁康目扇苄蕴且矞p少，這可能是可溶性糖含量下降的原因。

關(guān)于外源輔助因子對野生大豆脯氨酸和可溶性糖含量的影響，劉愛榮等[34]研究發(fā)現(xiàn)大豆植株經(jīng)外源SA處理后，2種不同鹽濃度脅迫下葉片可溶性糖含量分別上升了12.6%和9.2%，脯氨酸含量分別上升了30.0%和18.8%，且在低鹽濃度脅迫條件效果更明顯。關(guān)洪斌等[35]分析了不同濃度海水脅迫及外源SA處理下綠豆幼苗葉片可溶性糖含量、莖脯氨酸含量的變化，發(fā)現(xiàn)在海水脅迫下噴施較高濃度外源SA可提高葉片可溶性糖含量，且外源SA處理對綠豆莖中脯氨酸含量增加的效果比可溶性糖含量更明顯。因此，SA在一定程度上可以緩解鹽堿脅迫對大豆造成的危害[36]。

2.3 鹽堿脅迫下野生大豆體內(nèi)離子滲透平衡機制

2.4 鹽堿脅迫下野生大豆體內(nèi)pH平衡機制

3 野生大豆耐鹽堿相關(guān)基因鑒定

野生大豆具有較強的抗逆能力，這與其體內(nèi)抗性基因有關(guān)。耐鹽堿基因的挖掘可揭示其在耐鹽過程中的分子功能，有利于闡明植株耐鹽機理。越來越多的學(xué)者注重挖掘野生大豆耐鹽堿相關(guān)基因，為充分利用野生大豆資源奠定基礎(chǔ)。野生大豆耐鹽堿相關(guān)基因鑒定已有一定進展，表1為目前已鑒定的野生大豆耐鹽堿基因。但是，野生大豆的耐鹽堿機制目前還不清楚，一些耐鹽堿基因轉(zhuǎn)化植株的耐鹽堿能力沒有顯著提高。因此，對野生大豆的耐鹽堿機制還需進一步研究。

野生大豆是栽培大豆育種重要的種質(zhì)資源，耐鹽堿基因的挖掘為栽培大豆耐鹽堿研究提供了優(yōu)異基因來源，加速了大豆抗性育種工作進程。利用基因工程技術(shù)將野生大豆的耐鹽基因轉(zhuǎn)入普通栽培大豆體內(nèi)，最終培育成含有耐鹽性的大豆品種，不僅能定向改變生物的特性，還能縮短育種周期[46]，這對利用野生大豆優(yōu)異基因資源改良栽培大豆具有重要意義。

表1 目前已鑒定的野生大豆耐鹽堿基因

4 展 望

鹽堿脅迫嚴重制約農(nóng)業(yè)發(fā)展，利用耐鹽堿植物提高鹽堿土利用率具有重要意義。野生大豆具有較強耐逆能力且種質(zhì)資源豐富，目前已篩選的大批耐鹽堿野生大豆種質(zhì)有極高利用價值。一方面可以進行耐鹽堿基因克隆及功能分析，加快大豆耐鹽堿機制解析；另一方面可將這些耐性種質(zhì)作為中間材料或耐鹽堿基因的直接供體，利用雜交技術(shù)或基因工程等育種手段，將耐鹽堿基因?qū)氲皆耘啻蠖蛊贩N中，育成綜合性狀優(yōu)良的新品種，這對于大豆生產(chǎn)具有重要意義。

針對野生大豆耐鹽堿性研究中不足，今后的研究方向應(yīng)集中在以下幾個方面：

(1)田間鑒定和實驗室鑒定各有優(yōu)缺點，如何把田間鑒定和實驗室鑒定結(jié)合起來提高鑒定效率是今后鑒定研究的重點方向之一。

(2)為提高鑒定效果，統(tǒng)一鑒定標準很有必要，這樣可以方便比較不同研究者的試驗結(jié)果。

(3)加強外源輔助因子(如水楊酸)對野生大豆耐鹽堿能力的研究，降低鹽堿脅迫危害。

(4)利用現(xiàn)代生物技術(shù)如cDNA微列陣、cDNA芯片、蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)、基因轉(zhuǎn)座子標簽、T-DNA標簽等，可以對大量基因進行系統(tǒng)分析。加強對野生大豆耐鹽堿基因的挖掘，野生大豆鹽堿脅迫中離子平衡調(diào)節(jié)、抗氧化、有機酸分泌等相關(guān)基因的功能鑒定，為栽培大豆耐鹽堿新品種培育打下良好的基礎(chǔ)。