水稻耐鹽研究進展及展望

蔣子凡

摘 ? ?要：土地鹽堿化是世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)面臨的重大問題之一。全面了解鹽脅迫對植物的危害性以及植物鹽脅迫響應機制，將為增強作物耐鹽能力提供研究基礎(chǔ)。水稻作為全球最重要的糧食作物之一，日益嚴重的土地鹽堿化制約了其產(chǎn)量與品質(zhì)。綜述鹽脅迫條件對水稻生長發(fā)育、生理生化產(chǎn)生的影響以及目前對于水稻耐鹽相關(guān)基因的研究，以期通過分子生物技術(shù)培育耐鹽水稻新品種，實現(xiàn)水稻種植面積和總產(chǎn)量提高，保障糧食安全。

關(guān)鍵詞：水稻;耐鹽性;數(shù)量性狀基因座

文章編號：1005-2690（2022）09-0010-03 ? ? ? 中國圖書分類號：S511 ? ? ? 文獻標志碼：B

在世界范圍內(nèi)，鹽漬土面積約8.33億hm2，占總耕地面積的1/5。而且隨著人類活動范圍不斷擴大、極端氣候增多、淡水資源不斷減少等問題日益嚴重，鹽漬土面積還在不斷擴大[1]。水稻作為世界第二大糧食作物，全世界大約有1/3的人口以稻米為主食。深入了解耐鹽機理、提高水稻的耐鹽能力，能夠提高對于鹽漬土地的利用率，提升經(jīng)濟效益，對緩解世界糧食危機具有重大意義。

造成土壤鹽分過高的原因有很多，目前已知高鹽地下水灌溉、沿海地區(qū)海水釋放等因素導致土地鹽分積累[2]。鹽脅迫對于作物的傷害主要是脫水、滲透性應激反應、積累離子毒害和離子不平衡，最終導致作物缺乏營養(yǎng)。這些傷害會抑制作物生長，造成減產(chǎn)甚至死亡。土壤中鹽分過多會導致土壤板結(jié)，植物難以建立根系。土壤含水量減少，水勢降低，引起滲透脅迫，造成植物水分虧欠，影響作物吸收營養(yǎng)物質(zhì)，導致植株營養(yǎng)缺乏。

已有研究表明，許多基因在鹽脅迫下可發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，提升作物耐鹽性。雖然不同作物的抗逆能力不同，但在鹽脅迫下作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都會受不同程度的影響。

水稻耐鹽性是指在鹽害環(huán)境下水稻對抗外界鹽脅迫的能力。鹽害是指鹽脅迫對植物的傷害，包括原初鹽害和次生鹽害。水稻作為世界重要糧食作物之一，在其生長發(fā)育的不同階段表現(xiàn)出不同的耐鹽能力。鹽脅迫的影響貫穿了水稻生長的各個時期：萌發(fā)期降低種子發(fā)芽率，延遲種子發(fā)芽時間;孕穗期影響幼穗分化，造成分蘗數(shù)減少，分蘗時間變長，影響種子灌漿，降低水稻的產(chǎn)量和品質(zhì);在生殖和灌漿階段，水稻的耐鹽性高于營養(yǎng)期和萌發(fā)期。無論在任何時期受到鹽脅迫，都會對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。目前，人們多從土壤改良、農(nóng)藝措施、栽培手段、品種選育等方面減少鹽脅迫對水稻種植的影響。

1 鹽脅迫對水稻發(fā)育及生理的影響

1.1 對水稻生長發(fā)育的影響

研究表明，水稻是中度鹽敏感作物[3]。鹽脅迫會導致水稻生長發(fā)育減緩，隨著鹽濃度提高，水稻組織器官的生長分化緩慢。溫度、鹽分、光照、水分等外部環(huán)境條件在種子萌發(fā)階段會產(chǎn)生不同程度的影響，其中以鹽脅迫為主。鹽脅迫會延緩水稻返青時間，推遲水稻分蘗的時間，減少有效分蘗數(shù)，使成穗率降低，導致產(chǎn)量下降，并且脅迫強度越大產(chǎn)量越低。隨著鹽濃度不斷提升，種子發(fā)芽階段的發(fā)芽率、發(fā)芽勢不斷降低，苗期的芽長、根長、鮮重指標等隨鹽濃度上升而下降。同時，鹽濃度上升會使種子發(fā)芽時間變長。

作物根系能夠從土壤中吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)，是植物不可或缺的器官之一，在植物生長全過程發(fā)揮重要作用。植物根系的生長情況會直接影響植物的生長態(tài)勢和產(chǎn)量高低。鹽脅迫環(huán)境對水稻根系產(chǎn)生的傷害是不可逆轉(zhuǎn)的。鹽脅迫下，水稻根系的長度、表面積、體積、干物質(zhì)重量等各項指標與對照組相比均有顯著下降，根系活力、吸水能力下降，對水稻整體生長產(chǎn)生不利影響。

在水稻整個生長周期中，不同生長階段有不同的鹽敏感度[4]。水稻品種、生長發(fā)育階段、器官以及生長地區(qū)等不同，都會使水稻的耐鹽性產(chǎn)生差異。整個生育期中，水稻幼苗時期的鹽敏感度最強。后期的生殖生長時期，水稻的耐鹽性隨生長時間推移有所下降。鹽脅迫使水稻植株綠葉面積下降，加快葉片葉綠素降解，使植株凈光合速率下降，抑制生長發(fā)育。

1.2 對水稻生理調(diào)節(jié)的影響

鹽脅迫對水稻滲透調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)、養(yǎng)分調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)系統(tǒng)均產(chǎn)生影響。在滲透調(diào)節(jié)過程中，土壤的高鹽分使大量鹽離子在自身聚集，造成植物外界離子濃度上升、土壤滲透勢升高。在正常生長過程中，植物細胞內(nèi)滲透勢應保持高于土壤滲透勢的狀態(tài)，才能保證植物正常吸收營養(yǎng)和水分以維持生長。在鹽脅迫條件下，由于土壤中鹽離子積累過多，土壤滲透勢升高，植物根系吸水困難，表現(xiàn)出失水，最終造成植物萎蔫甚至死亡[5]。對于正常生長的水稻，鹽分在體內(nèi)保持平衡;而鹽脅迫會導致水稻細胞膜透性變大，使細胞間物質(zhì)交換失衡，造成代謝紊亂，有毒物質(zhì)在水稻體內(nèi)不斷積累。植物處于鹽分脅迫環(huán)境下時，Na+、Cl-等離子過多，不斷進入植物組織細胞內(nèi)部造成富集。當離子累積到植物無法通過自身調(diào)節(jié)維持平衡后，植物的正常生理代謝會產(chǎn)生問題，造成植物體內(nèi)的離子失衡，最終形成離子毒害。研究顯示，Na+濃度過高會導致植物對K+的吸收減少，而細胞內(nèi)K+是多種酶的催化劑，參與植物的光合作用，鹽脅迫影響植物體內(nèi)K+參與代謝反應，影響植物生長[6]。

植物正常生長離不開微量元素的參與，Ca2+、K+以及N都緊密地參與植物生長的各個過程。K+不僅能夠作為催化劑參與蛋白質(zhì)與糖的合成，同時影響氣孔開閉，控制植物光合作用，調(diào)動植物光合活力;Ca2+作為重要的信使離子，可以調(diào)節(jié)鈣調(diào)蛋白，影響根部K+吸收效率;N能夠維持水稻正常生長及品質(zhì)水平。鹽脅迫使得植物體內(nèi)具有過多的鹽離子，從而抑制對其他微量元素的吸收，造成植物體內(nèi)養(yǎng)分組成失衡，抑制植物生長。在正常環(huán)境下，植物體內(nèi)的ROS（Reactive Oxygen

Species）的產(chǎn)生與清除處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，這是由于植物自身存在過氧化酶系統(tǒng)和抗氧化劑，例如超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）等都對ROS的清除有著不可替代的作用。在鹽脅迫環(huán)境中，土壤中的Na+和Cl-進入植物體內(nèi)，在植物體內(nèi)過量積累，使ROS的動態(tài)平衡遭到破壞，而ROS的強氧化性會對植物細胞膜結(jié)構(gòu)造成不可逆的降解和破壞，還會破壞蛋白質(zhì)、生物大分子等結(jié)構(gòu)，使水稻的正常膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[7]。

鹽脅迫對植物體內(nèi)激素產(chǎn)生影響，使赤霉素、脫落酸、細胞分裂素等植物激素產(chǎn)生失衡，影響水稻及物質(zhì)積累，減緩生長速率。

2 水稻耐鹽相關(guān)基因及其對水稻育種的應用

水稻耐鹽性作為數(shù)量性狀由多基因控制，遺傳機制較為復雜。在已有的研究中，除以突變體和轉(zhuǎn)基因植株為材料的試驗發(fā)現(xiàn)耐鹽性狀可由單個主基因控制外，大多數(shù)水稻耐鹽性狀均由多個基因同時控制。近年來，水稻功能基因組學和分子標記技術(shù)不斷發(fā)展，水稻基因組測序逐漸完善，科學技術(shù)發(fā)展為水稻耐鹽性相關(guān)基因的挖掘和定位提供了基礎(chǔ)。目前，通過對各類分子標記的利用，在水稻的各條染色體上均定位到與耐鹽性狀相關(guān)的QTL，但其分布不同，其中第2、6號染色體上定位到的較多，第10、11號染色體上較少，且檢測到的QTL多與苗期耐鹽性有關(guān)。

孫勇等（2007）[8]利用IR64/Tarmom molaii構(gòu)建了高代回交導入系群體，在140 mmol/L NaCl脅迫條件下，對水稻苗期進行耐鹽性QTL定位，共定位了23個與水稻苗期耐鹽相關(guān)性狀QTL，分別位于第1、2、3、4、6、7、9、10、11、12號染色體上，分別與苗期存活天數(shù)、苗期葉片鹽害級別及地上部Na+、K+濃度等有關(guān)。汪斌等（2007）[9]利用H359和Acc8558構(gòu)建了重組自交系群體并構(gòu)建相應遺傳圖譜，以鹽處理后幼苗地上部Na+含量為指標，對水稻苗期耐鹽性進行了QTL定位，共定位了13個QTL，分別位于第1、2、5、6、7、12號染色體上，總貢獻率達到60.88%。邢軍等（2015）[10]以東農(nóng)425與長白10為親本構(gòu)建重組自交系（RIL），利用102對SSR標記構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，在140 mmol/L NaCl鹽脅迫處理條件下，對水稻苗期地上部和根部的Na+、K+濃度及Na+/K+等性狀進行測定，共檢測到5個相關(guān)的QTL。

由于水稻耐鹽性的機制比較復雜，目前大多數(shù)研究都處于QTL定位階段，克隆到的基因較少。轉(zhuǎn)錄因子OsDREB2A使Na+和K+的轉(zhuǎn)運蛋白活性增加，強化水稻植株的滲透調(diào)節(jié)，減少鹽脅迫的傷害[11]。以過表達OsDREB2A轉(zhuǎn)基因水稻植株為材料，與WT相比植物鮮重增加、根系生長速率提高、氣孔關(guān)閉和幼苗存活率提高，過表達OsDREB2A基因具有脅迫保護作用[12]。HE Y等（2018）[13]利用韭菜青與IR26構(gòu)建了染色體片段置換系群體，通過經(jīng)典圖位克隆的方法在3號染色體上克隆到了候選基因qSE3，該基因在高鹽脅迫下可以控制水稻種子萌發(fā)和幼苗生長;qSE3促進水稻種子萌發(fā)過程中K+和Na+的吸收，誘導ABA積累和ABA信號通路基因表達，抑制ROS在種子中的積累，提高了種子萌發(fā)過程中的耐鹽特性。

3 展望

對鹽害土壤的控制、改良以及培育新的耐鹽品種是提高水稻耐鹽性的最直接的方法。在短期內(nèi)，可以通過農(nóng)藝設(shè)施改造、化肥增施以及應用生長調(diào)節(jié)劑等手段減緩鹽害影響，例如選取耐鹽水稻品種，改良農(nóng)田灌溉體系，提升水稻種植手段，增施N肥、K肥等微肥以及赤霉素等生長調(diào)節(jié)劑。長遠來看，隨著土壤鹽漬化問題的日益嚴重，培育水稻耐鹽品種己成為目前研究的熱門課題。

世界范圍內(nèi)對于水稻的耐鹽機理方面已有大量研究，但大多數(shù)研究都集中在耐鹽種質(zhì)資源的篩選及耐鹽基因定位方面。作為復雜數(shù)量性狀，水稻耐鹽性受多微效基因控制，在不同的生育階段甚至是不同的環(huán)境均會有不同表現(xiàn)。目前，研究人員以不同的水稻品種為材料，已經(jīng)定位到了眾多與耐鹽相關(guān)QTL并進行了驗證，但由于試驗品種和生長階段的不同，涉及的基因以及調(diào)控機制也有所差異。所以接下來的研究需要以多方法、多途徑為導向，在綜合考慮下對水稻的耐鹽機制進行深度解析，同時前期研究還需要不斷開展，以期挖掘耐鹽的主效基因或更多QTL，在理論上為水稻耐鹽新品種培育提供堅固的基石。海稻86作為目前我國公認的耐鹽水稻優(yōu)秀種質(zhì)資源，在鹽土環(huán)境的種植生長中，其苗期耐鹽性明顯高于普通水稻。以海稻86為材料，將其和滇粳優(yōu)1號組合構(gòu)建F2群體，定位到一個主效QTL位于水稻第一條染色體，同時構(gòu)建了水稻片段替換系和滲入系，進行驗證后證實qST1.1確實與海稻86的耐鹽性具有聯(lián)系[14]。

水稻耐鹽生理與生化研究在不斷深入，從細胞、組織到整個植株耐鹽機理有更多問題需要探究。對于水稻苗期耐鹽性評價，最常用的生態(tài)指標之一是耐鹽級別。該指標簡便、直觀，適用于大批量的耐鹽性評價，但受環(huán)境影響較大。為進一步研究水稻耐鹽生理和生化機制，鹽脅迫下水稻幼苗不同器官的Na+、K+含量及其比值不斷被應用于研究中。鹽脅迫是影響植物光合的重要因素之一。高濃度鹽脅迫會引起氣孔關(guān)閉、降低CO2的固定率、降低光能吸收與轉(zhuǎn)換。在高濃度鹽脅迫下，最大光化學速率Fm、初始熒光FO以及植物體內(nèi)的Fv/Fm、qP、qN等參數(shù)均可作為植物抗逆指標。

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