鹽脅迫影響水稻生理特性及其調(diào)控機(jī)理研究進(jìn)展

余貝，武志海，符冠富

(1 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2 中國(guó)水稻研究所/水稻生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310006)

鹽漬土是地球陸地上分布十分廣泛的一類土壤，全世界約有不同程度的鹽漬化土地8.0×108hm2，占可耕地面積的10%[1]。受灌溉土地排水不足、地下水位上升和全球變暖等問(wèn)題的影響，受鹽漬危害的農(nóng)業(yè)用地范圍預(yù)計(jì)將進(jìn)一步擴(kuò)大，已成為制約全球糧食安全的主要非生物脅迫之一。目前，我國(guó)稻田土壤鹽堿化程度日益擴(kuò)大和蔓延，嚴(yán)重影響水稻安全生產(chǎn)[2－3]。有研究[4]表明，鹽堿地種植水稻能夠有效改善土壤板結(jié)情況，提高鹽堿地利用效率。然而，水稻是典型的糖生植物，對(duì)鹽脅迫比較敏感[5]，因此探索水稻耐鹽生理響應(yīng)、分析其耐鹽調(diào)控機(jī)理、選育耐鹽堿品種及研發(fā)提高水稻耐鹽能力的栽培技術(shù)，對(duì)保證我國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近些年來(lái)，對(duì)水稻耐鹽脅迫的研究主要集中于離子脅迫與滲透脅迫兩方面，其中對(duì)下游調(diào)節(jié)基因與信號(hào)通路的探究尤為深入，這對(duì)探析水稻鹽脅迫調(diào)控機(jī)理具有重要意義。雖然耐鹽脅迫研究已取得顯著成果，但仍然難以滿足生產(chǎn)的需求。本文主要概述鹽脅迫影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育、生理特性及其調(diào)控機(jī)理研究的最新進(jìn)展，為進(jìn)一步探究水稻的耐鹽調(diào)控機(jī)理及相應(yīng)栽培技術(shù)的研發(fā)提供參考。

1 鹽脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量品質(zhì)的影響

1.1 鹽脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響

水稻不同生育階段對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)存在較大的差異，其中秧苗期所受的影響最嚴(yán)重。有研究[6]表明，水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期遭受鹽脅迫，易出現(xiàn)節(jié)間伸長(zhǎng)受抑、莖稈縮短、莖粗變細(xì)等現(xiàn)象。鹽脅迫還會(huì)導(dǎo)致葉尖枯黃、葉片卷曲。隨著鹽脅迫增強(qiáng)，葉長(zhǎng)、葉寬隨之下降，葉面積指數(shù)(LAI)減少，嚴(yán)重干擾水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)[7]。為應(yīng)對(duì)鹽脅迫，水稻等作物可采用根尖避開土壤中高濃度鹽離子區(qū)域的負(fù)向向性生長(zhǎng)降低土壤高鹽環(huán)境對(duì)植物的損傷。據(jù)報(bào)道[8]，根系具有較強(qiáng)的可塑性，輕度脅迫會(huì)誘導(dǎo)側(cè)根生長(zhǎng)，重度脅迫下側(cè)根生長(zhǎng)則嚴(yán)重受抑。研究[9]表明，鹽脅迫可激活A(yù)BA 依賴的蛋白激酶SnRK2.6，磷酸化修飾微管結(jié)合蛋白SP2L，調(diào)控微管排布重定向，引導(dǎo)纖維素微纖絲的排布，控制根尖轉(zhuǎn)換區(qū)的向異性細(xì)胞擴(kuò)張，驅(qū)動(dòng)根部細(xì)胞卷曲產(chǎn)生根部避鹽性。然而，水稻根系表面積、根體積、根系活力及根的質(zhì)量均隨著鹽濃度升高而下降[10]。

1.2 鹽脅迫對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

水稻生殖生長(zhǎng)期包括穗分化期、開花期及籽粒灌漿期，是決定水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵階段，也是水稻鹽敏感時(shí)期之一。此時(shí)發(fā)生鹽脅迫將顯著降低水稻產(chǎn)量，降幅隨著脅迫程度提高而增加[11]。朱家騮等[12－13]認(rèn)為，孕穗期鹽脅迫處理對(duì)水稻株高、有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)性狀及產(chǎn)量影響最大，其次是拔節(jié)期和抽穗期。水稻孕穗期和抽穗期遭受鹽脅迫，將導(dǎo)致穗粒數(shù)減少，結(jié)實(shí)率與千粒質(zhì)量下降，致使減產(chǎn)甚至絕收[14]。李紅宇等[15]認(rèn)為，鹽脅迫直接影響水稻幼穗一次枝梗數(shù)及二次枝梗數(shù)，其中對(duì)二次枝梗的影響更為明顯。鹽脅迫下，水稻產(chǎn)量降低主要與每穗粒數(shù)明顯減少有關(guān)，其中以二次枝梗數(shù)、二次枝?？偭?shù)和二次枝梗總粒質(zhì)量降幅最大。楊福等[16]的研究也得出類似的結(jié)論，即鹽脅迫對(duì)有效穗數(shù)無(wú)顯著影響，但二次枝梗數(shù)、二次枝梗上穎花數(shù)和實(shí)粒數(shù)卻顯著減少。在結(jié)實(shí)率及千粒質(zhì)量方面，韋還和等[11]研究表明，中鹽和高鹽脅迫下，南粳9108 和鹽稻12 的結(jié)實(shí)率和粒質(zhì)量均顯著低于對(duì)照。翟彩嬌等[17]研究也發(fā)現(xiàn)鹽脅迫顯著降低水稻結(jié)實(shí)率及千粒質(zhì)量，其中以二次枝梗的粒質(zhì)量降幅最大。對(duì)此，韋還和等[11]認(rèn)為主要與鹽脅迫下花藥長(zhǎng)度、寬度、體積、花藥開裂率、花粉活力以及穎花長(zhǎng)度與寬度的降低有關(guān)。也有研究[18]顯示，鹽脅迫降低穎花數(shù)和成穗率，但結(jié)實(shí)率有所增加。這可能與品種耐鹽性、鹽脅迫處理方法及鹽濃度等相關(guān)。

1.3 鹽脅迫對(duì)水稻品質(zhì)的影響

鹽脅迫不僅會(huì)影響稻米產(chǎn)量，也會(huì)影響稻米品質(zhì)。一般情況下，隨著鹽脅迫程度增加，稻米堊白粒率、蛋白質(zhì)含量呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致稻米評(píng)價(jià)值降低，食味品質(zhì)下降[19－20]。肖丹丹等[21]認(rèn)為，低鹽濃度(0.10%)下，水稻籽粒中的直鏈淀粉含量顯著降低，稻米的糙米率、精米率和整精米率增加，稻米淀粉黏滯特性峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度增加，米飯的外觀、黏度、平衡度和食味值優(yōu)于對(duì)照處理；在中、高鹽濃度(0.20%～0.35%)下，稻米的加工品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和稻米淀粉黏滯特性明顯降低。張治振等[22]認(rèn)為，雖然稻米品質(zhì)會(huì)隨著鹽脅迫程度的上升而降低，但低鹽脅迫處理下的變化趨勢(shì)不明顯。高鹽濃度脅迫條件下，不同水稻品種的加工品質(zhì)及食味品質(zhì)差異顯著，精米率、整精米率、食味值等指標(biāo)整體顯著下降；外觀品質(zhì)中的堊白度無(wú)顯著差異，長(zhǎng)寬比、堊白粒率整體顯著下降[23]。稻米品質(zhì)變劣的主要原因可能是高鹽脅迫下稻米的蛋白質(zhì)含量、支鏈長(zhǎng)鏈比例、糊化溫度較高，而直鏈淀粉含量、支鏈短鏈比例較低[24]。

2 鹽脅迫對(duì)水稻生理特性的影響

2.1 鹽脅迫對(duì)水稻光合作用的影響

光合作用及呼吸作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需能量的來(lái)源，也是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[25]。而鹽脅迫可嚴(yán)重削弱水稻葉片的光合作用能力，主要表現(xiàn)為土壤鹽分過(guò)高導(dǎo)致水稻植株葉片氣孔限制[26]及光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)供體與電子傳遞受損[27]，活性氧過(guò)量積累，致使光合作用結(jié)構(gòu)的過(guò)氧化損傷[28]，葉綠體類囊體垛疊部分減少[29]。李海波等[30]研究表明，NaCl 脅迫下，隨著光照強(qiáng)度的升高，耐鹽性不同的水稻品種凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)和氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)均呈上升趨勢(shì)，其中耐鹽品種的Pn增加了14.87%，而鹽敏感品種的Pn則下降了17.91%。氣孔因素與非氣孔因素均能增強(qiáng)耐鹽水稻品種的光合作用，但氣孔因素會(huì)抑制鹽敏感水稻品種的光合作用。進(jìn)一步的研究[31]發(fā)現(xiàn)，0～1 g/kg NaCl 脅迫下，鹽敏感水稻光合速率降低是非氣孔因素導(dǎo)致的，而2～4 g/kg NaCl處理下主要由氣孔因素造成；0～2 g/kg 鹽濃度下，耐鹽水稻光合速率降低是非氣孔因素導(dǎo)致的，3～4 g/kg 鹽濃度處理下是由氣孔因素導(dǎo)致的。鹽脅迫主要通過(guò)干擾葉綠體類囊體膜蛋白抑制光合作用[29，32]。在葉綠素?zé)晒鈪?shù)方面，鹽脅迫可顯著降低粳稻種質(zhì)的最大熒光產(chǎn)量(Fm)、原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)，非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)(NPQ)；實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(YⅡ)、表觀光合電子傳遞速率(ETR)，其中鹽敏感品種降幅明顯高于鹽鈍感品種[33]。有研究[34]認(rèn)為，鹽脅迫下，PSⅡ結(jié)構(gòu)的損害主要發(fā)生在葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP 曲線)中葉綠素?zé)晒馍仙淖盥A段(I－P 相位)，鹽脅迫導(dǎo)致電子從光合作用中心質(zhì)體醌(QA－)向泛醌(QB－)傳遞過(guò)程受阻，QA－大量累積，破壞還原型質(zhì)體醌(Plastoquinone，PQ)庫(kù)，致使PQs 和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)蛋白復(fù)合體失活。張?jiān)弃Q等[35]通過(guò)計(jì)算水稻幼苗葉片量子產(chǎn)額與效率，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下水稻放氧復(fù)合體(Oxygen－evolving complex，OEC)遭到破壞以及供體側(cè)電子傳遞受到抑制，導(dǎo)致PSⅡ末端電子受體還原的量子產(chǎn)額減少，PSⅡ反應(yīng)中心的能量通量遭到破壞。

2.2 鹽脅迫對(duì)水稻呼吸作用的影響

呼吸代謝是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，可為植物的生命活動(dòng)(如生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)、蛋白質(zhì)合成等)提供能量和進(jìn)行生物合成(如氨基酸、脂肪、植物激素、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)、核酸等)的原料[36]。鹽脅迫下，燕麥根系總呼吸速率隨生育時(shí)期的推進(jìn)呈先降低后升高趨勢(shì)，糖酵解(Embden－Meyerhof－Parnas pathway，EMP)途徑呼吸速率表現(xiàn)為鹽敏感品種高于鹽鈍感品種，分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別提高83.3%、120.3%、3.3%和63.9%；鹽敏感品種抽穗期三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid cycle，TCA)途徑呼吸速率較鹽敏感品種提高88.9%，而鹽鈍感品種分蘗期磷酸戊糖(Pentose phosphate pathway，PPP)途徑呼吸速率較鹽敏感品種顯著提高48.1%[37]。另外在愈傷組織中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，0～100 mM NaCl 鹽脅迫下，愈傷組織總呼吸速率、交替氧化酶速率及細(xì)胞色素合成能力顯著提高，在150～300 mM NaCl 鹽脅迫下則顯著降低[38]。鹽脅迫下，生成的活性氧會(huì)誘導(dǎo)番茄抗氰呼吸的運(yùn)行，加強(qiáng)底物代謝[39]?？子⒄涞萚40]將高粱DNA 片段導(dǎo)入小麥后，發(fā)現(xiàn)小麥耐鹽性提升，抗氰呼吸運(yùn)行加強(qiáng)，認(rèn)為抗氰呼吸在小麥鹽脅迫適應(yīng)中起重要作用。此外，Che－Othman 等[41]發(fā)現(xiàn)，鹽處理的小麥葉片表現(xiàn)出較高的呼吸速率和廣泛的代謝物變化，即TCA 循環(huán)酶丙酮酸脫氫酶復(fù)合體和2－氧戊二酸脫氫酶復(fù)合體對(duì)鹽脅迫比較敏感，但c－氨基丁酸(GABA)分流可在鹽處理下被激活。總而言之，鹽脅迫下，線粒體呼吸及TCA 循環(huán)相關(guān)活性的增強(qiáng)可為植物的鹽脅迫適應(yīng)過(guò)程包括離子外排、滲透調(diào)節(jié)及活性氧清除提供充足能量[42－43]。

3 水稻鹽脅迫的主要傷害特征

鹽脅迫主要指鹽土中過(guò)量的Na＋、Cl－等在植物和細(xì)胞水平上影響植物根系對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，干擾植物各種生理代謝活動(dòng)，抑制植物正常生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致植物早衰甚至死亡。

3.1 離子脅迫

植物細(xì)胞內(nèi)維持高K＋低Na＋穩(wěn)態(tài)對(duì)保持細(xì)胞溶質(zhì)酶活性、維持膜電位和滲透壓以調(diào)節(jié)細(xì)胞體積非常重要。土壤中的高鹽分會(huì)誘導(dǎo)植物發(fā)生離子脅迫，導(dǎo)致其生長(zhǎng)受到抑制及代謝水平改變等[43]。離子脅迫源于植物根系對(duì)Na＋、Cl－的吸收增加，直接導(dǎo)致植物細(xì)胞膜與細(xì)胞器的損傷[10]。一般情況下，水稻細(xì)胞會(huì)吸收K＋并排出Na＋[44]。鹽脅迫下，高親和力K＋轉(zhuǎn)運(yùn)體(HKT)及其同系物HKT1 作為Na＋-K＋協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)體會(huì)產(chǎn)生低親和力的Na＋吸收[45－47]，在吸收K＋時(shí)也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞中Na＋積累，抑制Na＋-K＋協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)體的活性[48]。此外，水稻受到鹽脅迫后，Na＋可以通過(guò)質(zhì)外體泄漏到蒸騰流中進(jìn)入植物，導(dǎo)致地上部分Na＋積累[49]。當(dāng)Na＋在葉肉細(xì)胞中積累到較高水平后，水稻對(duì)K＋、Mg2＋和Ca2＋的吸收減少，導(dǎo)致植物基礎(chǔ)代謝紊亂，死亡率增加[50]。

3.2 滲透脅迫

土壤中過(guò)量的可溶性鹽會(huì)降低植物根表面的水勢(shì)，導(dǎo)致植物不能充分吸水[51]，形成生理干旱，延緩水稻種子的新陳代謝進(jìn)程，限制種子萌發(fā)，影響細(xì)胞擴(kuò)張和側(cè)芽發(fā)育[52]。滲透脅迫發(fā)生后，植物會(huì)發(fā)生應(yīng)激生理反應(yīng)，造成細(xì)胞膨壓降低、質(zhì)膜收縮和細(xì)胞壁形態(tài)改變[53]。此外，滲透脅迫易引起脫落酸(ABA)積累，導(dǎo)致植物氣孔導(dǎo)度、生物量與產(chǎn)量降低[54]。同時(shí)，滲透脅迫還會(huì)影響植物的氧化還原平衡，導(dǎo)致植物細(xì)胞中產(chǎn)生過(guò)量的活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，出現(xiàn)氧化脅迫[55]。

3.3 氧化脅迫

ROS 是植物有氧呼吸代謝的副產(chǎn)物，主要來(lái)源于線粒體、葉綠體的電子傳遞過(guò)程[56]。正常環(huán)境情況下，ROS 的產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，對(duì)植物無(wú)害，但在鹽脅迫等逆境條件下，植株中的ROS會(huì)大幅度增加，已有的抗氧化系統(tǒng)不能維持ROS 平衡，從而進(jìn)攻蛋白質(zhì)氨基酸殘基的金屬結(jié)合位點(diǎn)與巰基，導(dǎo)致蛋白質(zhì)迅速降解，部分酶活性受到影響[44－57]。此外，ROS 過(guò)度積累還會(huì)造成膜脂過(guò)氧化，進(jìn)一步引起DNA 斷裂，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生基因突變，引起氧化脅迫[58]。

3.4 營(yíng)養(yǎng)失衡

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)是水稻植株適應(yīng)逆境脅迫的重要因素。鹽脅迫下，離子平衡及氮素代謝均會(huì)受到干擾[59－60]。水稻葉片中的鉀離子濃度與耐鹽性顯著相關(guān)[61]，鉀離子含量不足或分配不當(dāng)均會(huì)影響水稻對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)[62]。此外，鹽脅迫還會(huì)影響植物對(duì)磷的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[63－64]。研究[65]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫處理后，水稻葉片中的碳水化合物含量、蔗糖合成酶與蔗糖磷酸合成酶活性短暫上升后下降，與氮代謝相關(guān)的酶活性及銨態(tài)氮含量顯著下降。水稻植株中氮磷鉀含量均能影響能量的產(chǎn)生及利用[66]。鹽脅迫影響氮磷鉀的代謝，進(jìn)而干擾能量的產(chǎn)生及利用，最終會(huì)影響水稻對(duì)鹽脅迫的耐受性。一般情況下，用于生長(zhǎng)的能量定義為生長(zhǎng)相關(guān)能量成本(GAEC)，而其他過(guò)程能量成本被稱為非生長(zhǎng)相關(guān)維持(NGAM)。正常情況下，植物中產(chǎn)生的能量在GAEC 與NGAM 間分配，鹽脅迫則導(dǎo)致GAEC 與NGAM 發(fā)生能量競(jìng)爭(zhēng)[67]。有限能量水平下，鹽脅迫處理的水稻能量減少，消耗增加，偏向于將更多能量分配到GAEC，致使植株能量失衡，最終造成減產(chǎn)，甚至植株死亡。

4 水稻鹽脅迫下的調(diào)控機(jī)理

4.1 離子穩(wěn)態(tài)維持

4.1.1 細(xì)胞低Na＋環(huán)境的調(diào)控

鹽脅迫下維持細(xì)胞的高K＋、低Na＋環(huán)境，需要在控制胞漿Na＋積累的同時(shí)保持胞液K＋的生理濃度。目前主要采取以下兩種策略來(lái)維持鹽脅迫下水稻胞漿中的低Na＋環(huán)境。

第一種是限制Na＋內(nèi)流。Na＋主要通過(guò)非選擇性陽(yáng)離子通道(NSCC)從土壤快速流入水稻根皮層細(xì)胞質(zhì)，然后通過(guò)高親和力K＋轉(zhuǎn)運(yùn)體同系物1(HKT1)的作用進(jìn)行下一步的轉(zhuǎn)運(yùn)。限制NSCC 對(duì)Na＋的吸收能夠維持細(xì)胞中Ca2＋的穩(wěn)態(tài)，由Ca2＋激活鹽過(guò)度敏感2－鹽過(guò)度敏感3(SOS2－SOS3)復(fù)合體下調(diào)HKT1 表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)SOS2－SOS3 復(fù)合體能激活Ca2＋/H＋反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(CAX)、液泡型質(zhì)子泵(V－ATP 酶)和焦磷酸酶(PPase)下游通路，并通過(guò)鹽過(guò)度敏感1(SOS1)將Na＋輸送出細(xì)胞質(zhì)[68－70]。也有研究[71]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫處理24 h 后，大麥耐鹽品種與鹽敏感品種的Na＋流入差異不明顯，但耐鹽品種胞漿Na＋積累更少。

第二種策略是定位于細(xì)胞膜的Na＋/H＋逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體(NHX)和液泡Na＋區(qū)域化。研究[72]表明，糖生植物與鹽生植物的NHX1 為同種疏水蛋白，但鹽生植物的NHX1基因表達(dá)量是糖生植物的5 倍。NHX1基因?qū)胨颈憩F(xiàn)出了較強(qiáng)的耐鹽性狀，而NHX1的激活由SOS2－SOS3 復(fù)合體調(diào)控[73]。雖然目前未能在水稻上克隆出NHX1基因，但OsHKT1；5可在水稻木質(zhì)部薄壁組織中表達(dá)，主要作用是維持木質(zhì)部汁液中Na＋和K＋的逆向流動(dòng)，卸載胞漿中的Na＋[47]，也能維持細(xì)胞內(nèi)Na＋/K＋比率和細(xì)胞液中的K＋含量，該作用類似于NHX1[47，74－75]。

4.1.2 SOS 途徑與GIGANTEA

鹽超敏感(Saltoversensitive，SOS)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是植物應(yīng)對(duì)鹽脅迫的第一道防線[76]。雖然有研究[53]認(rèn)為SOS 途徑的調(diào)控整合與植物對(duì)鹽脅迫的耐受機(jī)制仍不清楚，但Kim 等[76]認(rèn)為開花時(shí)間基因GIGANTEA(GI)是植物SOS 途徑的主要組成部分。GI 是一種植物特異性核蛋白，在開花時(shí)間調(diào)節(jié)、晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)及糖轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)傳遞等生理過(guò)程中發(fā)揮作用[77]。Munns[78]研究表明，鹽脅迫會(huì)損傷水稻新生葉片，降低光合性能，延遲開花及種子成熟。Kim等[76]研究認(rèn)為，植物中GI 能與SOS2 相互作用；正常情況下，GI 與SOS2 形成復(fù)合物，抑制SOS2－SOS3復(fù)合物調(diào)控的SOS1 的激活；鹽脅迫下，GI 降解，開花延緩，SOS2 與SOS3 形成復(fù)合物激活SOS1 維持細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)。

4.2 滲透平衡恢復(fù)

水稻為應(yīng)對(duì)鹽脅迫誘導(dǎo)的滲透脅迫，會(huì)在體內(nèi)合成氨基酸及其衍生物、季銨鹽類及可溶性碳水化合物類等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在細(xì)胞水平促進(jìn)滲透平衡，保持細(xì)胞膨壓和正常新陳代謝活動(dòng)[79]。研究[53]表明，所有的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)都具有相同特征，即可不以抑制代謝反應(yīng)為代價(jià)降低細(xì)胞中的滲透勢(shì)，而生成的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)除了調(diào)節(jié)滲透壓之外，還可作為蛋白質(zhì)、大分子聚集體和膜的滲透保護(hù)劑、抗氧化劑以及信號(hào)分子。其中蔗糖是最值得關(guān)注的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。據(jù)報(bào)道[80]，并非所有可溶性糖都能作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，但蔗糖與葡萄糖不僅能在維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用，還能作為細(xì)胞呼吸底物[81]。更為重要的是，鹽脅迫誘導(dǎo)的滲透脅迫還會(huì)增加胞質(zhì)溶膠中的Ca2＋及肌醇1，4，5－三磷酸(IP3)濃度[82]，作為脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的二級(jí)信使調(diào)控植物細(xì)胞內(nèi)的滲透平衡[49]。

4.3 氧化脅迫清除

氧化脅迫是鹽脅迫傷害水稻植株的重要特征，因而過(guò)量ROS 等有毒物質(zhì)的清除是提高水稻適應(yīng)鹽脅迫的重要途徑之一。植物具有酶促和非酶促兩類保護(hù)系統(tǒng)[83]。酶促保護(hù)系統(tǒng)由超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶與非特異性過(guò)氧化物酶三者協(xié)同作用，使生物體內(nèi)ROS 含量維持在較低水平[84]。非酶促保護(hù)系統(tǒng)則與植物體內(nèi)形成的一系列小分子抗氧化物質(zhì)有關(guān)，如抗壞血酸。研究[85]表明，隨著鹽脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，水稻葉片中抗氧化酶含量與抗壞血酸含量呈先上升后降低的趨勢(shì)。除此之外，植物體中的熱休克蛋白70(HSP70)也可清除逆境下植物中過(guò)量的活性氧。同時(shí)，線粒體呼吸鏈中的交替呼吸酶(AOX)途徑還可以通過(guò)消耗過(guò)量的還原力來(lái)抑制ROS 的生成[58]。

4.4 營(yíng)養(yǎng)失衡的調(diào)節(jié)

眾所周知，營(yíng)養(yǎng)平衡能提高水稻包括耐鹽性在內(nèi)的抗逆性。鹽脅迫下，增施氮磷鉀能有效提高水稻對(duì)鹽的適應(yīng)性，但耐鹽性與品種及環(huán)境有關(guān)。另外，外源鈣離子同樣可提高水稻耐鹽性，可能與鈣離子能影響水稻鹽脅迫應(yīng)急反應(yīng)有關(guān)。如前所述，營(yíng)養(yǎng)平衡主要通過(guò)調(diào)節(jié)能量代謝減緩鹽脅迫的傷害。鹽脅迫下，水稻葉片光合作用受到嚴(yán)重影響，但呼吸增加，致使碳水化合物嚴(yán)重缺乏，最終導(dǎo)致植株死亡。與此同時(shí)，糖饑餓激活蔗糖非發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶1(SnRK1)，以減少能量的消耗，即SnRK1 與雷帕霉素靶蛋白(mTOR)核化形成的復(fù)合物(mTORC1)的相關(guān)調(diào)控蛋白(RAPTOR)相互作用并磷酸化，下調(diào)雷帕霉素靶點(diǎn)(Target of Rapamycin，TOR)活性，減少合成代謝，誘導(dǎo)分解代謝，從而確保能量合理利用和重新分配[86]。此外，鹽脅迫誘導(dǎo)脫落酸迅速積累激活蔗糖非發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶2(SnRK2s)使RAPTOR 磷酸化，抑制TOR 活性，植物生長(zhǎng)停滯，將能量用于抗逆性的形成[87－88]。有研究[89]揭示了鹽脅迫誘導(dǎo)的水稻糖饑餓使SnRK1 生成的機(jī)制，即SRN1－Tre6P(海藻糖－6－磷酸)－SnRK1 調(diào)控途徑。Figueroa 等[90]研究表明，Tre6P 可通過(guò)抑制SnRK1的酶活性提高植物固定碳的可利用率，促進(jìn)碳水化合物的合成與積累。與此同時(shí)，受糖誘導(dǎo)激活表達(dá)的SRN1 抑制Tre6P 去磷酸化生成海藻糖，進(jìn)一步抑制SnRK1 的活性[79]。此外，Shabala 等[5]研究還表明，鹽脅迫下水稻K＋的外流可能作為能量的“代謝開關(guān)”，調(diào)控及優(yōu)化能量的分配。

5 提升水稻抗鹽脅迫能力的途徑

5.1 土壤改良

目前，耐鹽水稻的種植利用與土壤改良已經(jīng)成為我國(guó)沿海開發(fā)過(guò)程中急需解決的問(wèn)題[91]。目前，主要從鹽土改良與種植方式改良兩個(gè)方面著手研究提高水稻耐鹽脅迫能力的栽培技術(shù)。鹽土一般有機(jī)質(zhì)含量低、質(zhì)地黏重、pH 值偏高，不適宜水稻生長(zhǎng)[92]。針對(duì)這些問(wèn)題，可在泡田洗鹽的前提下，采取深耕翻耕、客土改土[92]、整地[93]等關(guān)鍵鹽土改良技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鹽脅迫條件下水稻高產(chǎn)的目的。

5.2 品種選育

水稻的遺傳改良是提高水稻抗鹽脅迫能力的重要手段之一。在生產(chǎn)上，耐鹽水稻一般指能在鹽濃度0.3%以上的鹽地生長(zhǎng)、單產(chǎn)達(dá)4 500 kg/hm2以上的水稻品種。近年來(lái)，我國(guó)多個(gè)科研院所在耐鹽水稻品種篩選方面進(jìn)行了大量的研究。朱家騮等[12]在舟山對(duì)32 個(gè)推廣面積較大的水稻品種進(jìn)行不同鹽濃度處理，發(fā)現(xiàn)隨著土壤含鹽量增加，水稻株高、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量均有較大幅度下降，其中甬優(yōu)12、桂晶絲苗、甬優(yōu)1540、玉香油占的耐鹽堿性最強(qiáng)。2022 年，曹良子等[94]以118 份高世代水稻種質(zhì)資源和6 份黑龍江省主栽水稻品種為材料，在黑龍江省肇源縣鹽堿地新開墾的水稻田中進(jìn)行耐鹽堿篩選試驗(yàn)，通過(guò)綜合比較篩選出9 份在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)時(shí)期均具有耐鹽堿能力的水稻新種質(zhì)資源。研究[95]表明，于2021 年通過(guò)國(guó)家品種審定委員會(huì)審定的中科鹽4 號(hào)適宜在江蘇省、山東沿黃稻瘟病輕發(fā)的麥茬地區(qū)和沿海地區(qū)土壤含鹽量0.5%以下的鹽堿地淡水灌溉種植。

在分子育種方面主要有分子標(biāo)記及轉(zhuǎn)基因育種。分子標(biāo)記輔助選擇育種是利用與基因緊密連鎖的分子標(biāo)記來(lái)選擇對(duì)應(yīng)性狀的方法[96]，而轉(zhuǎn)基因育種是通過(guò)導(dǎo)入外源片段來(lái)改變水稻基因的表達(dá)，從而改變水稻表型的方法[97]。研究[98]表明，鹽脅迫下鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴型蛋白激酶OsDMI3 上調(diào)時(shí)，水稻鹽脅迫顯著增加。另外，過(guò)量表達(dá)OsSDG721的轉(zhuǎn)基因水稻植株表現(xiàn)出耐鹽堿脅迫的表型[99]。因此，無(wú)論常規(guī)育種或分子育種，均能培育出具有強(qiáng)耐鹽性的水稻品種。

5.3 栽培技術(shù)

栽培技術(shù)是指根據(jù)作物的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)及當(dāng)?shù)氐臈l件，綜合運(yùn)用農(nóng)業(yè)科學(xué)研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，控制和滿足作物的生長(zhǎng)發(fā)育，從而保證和不斷提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的技術(shù)措施。肥水耦合技術(shù)、微生物技術(shù)及納米化學(xué)控制技術(shù)可能是未來(lái)提升水稻耐鹽性的重要途徑。

5.3.1 肥水耦合技術(shù)

水稻耐鹽性與根系發(fā)育程度有關(guān)，延遲幼苗移栽時(shí)間能提高水稻的耐鹽脅迫能力[100]。移栽前施氮能改善土壤狀況，也能有效緩解鹽脅迫對(duì)水稻幼苗的傷害[94]。張振華[100]的研究表明，延后移栽、施氮移栽與帶土移栽均能提升水稻幼苗的存活率，其中帶土移栽的幼苗移栽后6 d 的存活率可達(dá)80.6%。目前，生產(chǎn)中可通過(guò)水分、養(yǎng)分的調(diào)節(jié)增強(qiáng)水稻耐鹽性。肥水耦合技術(shù)是指農(nóng)業(yè)中水分與土壤礦物元素的雙體系相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果或現(xiàn)象[19]。劉曉亮等[101]通過(guò)比較不同肥水耦合處理對(duì)鹽堿地種植的吉粳511 農(nóng)藝性狀的影響，認(rèn)為不同肥料和水分組合處理水稻的每穗粒數(shù)差異顯著，其中225 kg/hm2氮肥施加耦合常規(guī)灌溉效果最佳。李仙岳等[102]研究表明，施用控釋氮肥能提高耕層土壤速效氮含量，當(dāng)鹽漬化地區(qū)種植的小麥灌水量為47.72～52.28 mm、控釋氮肥施用量為159.2～199.5 kg/hm2時(shí)可達(dá)到增產(chǎn)節(jié)肥節(jié)水效果。

5.3.2 微生物技術(shù)

利用微生物改良鹽堿地、減輕鹽脅迫對(duì)作物的危害，具有成本低、無(wú)污染且可被廣泛利用的特點(diǎn)，成為農(nóng)業(yè)研究中的熱點(diǎn)[103]。劉鵬等[104]研究表明，鹽脅迫下，水稻植株接種耐鹽芽孢桿菌菌株后幼苗株高、葉綠素含量及抗氧化酶活性顯著提升。袁東[105]分離了月季內(nèi)生植物促生菌，用于進(jìn)行水稻接種試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下水稻種子萌發(fā)時(shí)間變短，可溶性糖含量增加，滲透調(diào)節(jié)水平上升。此外，微生物改良鹽土也是目前的研究方向之一。據(jù)報(bào)道[106]，灑施生物菌劑能夠降低鹽堿地真菌和細(xì)菌群落的獨(dú)有分類單元OUT(Operational Taxonomic Units)數(shù)量，改善土壤的微生態(tài)環(huán)境，改善鹽堿土壤質(zhì)量；施用秸稈及菌劑可顯著降低鹽堿地土壤含鹽量及電導(dǎo)率，降低深層土壤pH 值，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[107]；芽孢桿菌GBW HF－98 能夠降低輕、中鹽度土壤中不同粒徑團(tuán)聚體比例，顯著降低pH、全鹽含量和土壤容重，促進(jìn)速效磷和速效鉀的釋放[108]。

5.3.3 納米化控技術(shù)

工程納米粒子(ENPs)具有尺寸小、化學(xué)成分穩(wěn)定、表面結(jié)構(gòu)折疊度高等特性[109]，近年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[110]。研究[111]表明，葉面噴施納米硅能夠顯著降低鹽脅迫對(duì)甜椒的傷害，顯著提高抗氧化酶的活性，顯著降低丙二醛與過(guò)氧化氫含量。在油菜幼苗葉面噴施納米氧化鋅和納米硒能夠顯著減輕鹽脅迫下植株受到的傷害，改善滲透平衡，降低ROS 積累，增強(qiáng)色素生物合成與抗氧化能力，降低細(xì)胞質(zhì)Na＋毒性，增加亞油酸和亞麻酸含量[112]。然而，目前ENPs 在調(diào)控水稻鹽脅迫方面的研究較少，其可行性與安全性仍有待評(píng)估，但這可能是提升水稻耐鹽脅迫的重要方向。

6 展望

土壤鹽堿化是一個(gè)日益嚴(yán)重的全球問(wèn)題，鹽分可阻礙植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，降低作物產(chǎn)量及品質(zhì)。水稻對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)比較復(fù)雜，響應(yīng)過(guò)程包括離子通道運(yùn)轉(zhuǎn)、信號(hào)傳遞、激素調(diào)節(jié)、能量代謝等。為改良鹽堿地現(xiàn)狀、保障糧食安全，近年來(lái)有關(guān)提升水稻耐鹽脅迫能力的研究眾多，但仍存在成本高昂、費(fèi)時(shí)等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)研究一般從3 個(gè)方面著手:一是土壤改良及栽種方式優(yōu)化；二是耐鹽水稻品種選育；三是外源化學(xué)調(diào)控措施。其中，土壤改良及栽種方式優(yōu)化存在成本高、見效慢、難以大面積推廣等問(wèn)題。耐鹽水稻品種選育是最為普遍的方式，但傳統(tǒng)育種周期長(zhǎng)，分子育種難推廣，致使耐鹽水稻育種進(jìn)程緩慢。此外，外源化學(xué)調(diào)控措施成本低、見效快，卻因水稻耐鹽機(jī)理研究的局限性而難以推出高效優(yōu)質(zhì)的新型試劑。近年來(lái)發(fā)展的微生物土壤改良技術(shù)及新型納米技術(shù)已經(jīng)為水稻耐鹽相關(guān)研究提供了新的方向。隨著對(duì)植物鹽脅迫調(diào)控機(jī)理的深入挖掘，與其密切相關(guān)的耐鹽水稻分子育種也會(huì)邁入一個(gè)新的維度，化學(xué)調(diào)控措施也將推陳出新?？傊?，研究耐鹽水稻調(diào)控機(jī)理、培育耐鹽堿水稻品種以及耐鹽、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)水稻栽培技術(shù)的研發(fā)，將是今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要需求，對(duì)我國(guó)耐鹽水稻的生產(chǎn)及糧食安全也具有重要意義。