水稻耐盐性的遗传及育种研究进展

时间：2024-05-24

程保山　袁彩勇　罗伯祥

摘要：盐胁迫是影响水稻生长、造成水稻减产的重要环境因素之一，而提高水稻的耐盐能力是解决这一问题最直接、最有效的方法，这也是当前水稻育种研究工作中的热点。该文对水稻耐盐性的机理、水稻耐盐相关性状的QTL定位和耐盐基因克隆以及耐盐水稻育种进展的情况进行了综述，为耐盐水稻新品种的选育提供参考。

关键词：水稻；耐盐；遗传；育种；研究进展

中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）17-0045-04

Abstract：Salt stress is one of the main environmental factors for the growth of rice and the losses of rice yield.Improving the capacity of rice salt-tolerance is the most direct and effective method to solve this problem and a hot issue in current rice breeding research work.In this review，the progresses of the mechanism of salt-tolerance，mapping the QTLs conferring salt-tolerance，cloning slat-tolerant genes of importance and breeding salt-tolerant rice varieties were reviewed，which might provide an important reference for further studies and breeding of salt-tolerance in rice.

Key words：Rice；Salt tolerance；Genetic；Breeding；Progress

盐胁迫是限制水稻生长、造成水稻减产的重要环境因素之一，而土壤盐渍化是制约水稻安全生产的主要因素[1]。水稻在盐碱地种植会影响其个体形态的发育，严重时会造成水稻减产甚至死亡。我国盐碱土地约有2 000万hm2，其中江苏省沿海滩涂面积约为70万hm2，占全国滩涂面积的25%以上[2-3]。通过科学合理的水土管理和化学改良可以减轻盐分对水稻的盐害，但因费时、费力、见效少而不容易实现。因此，深入开展水稻耐盐性的研究，选育耐盐水稻品种，对于扩大水稻的种植区域、提高盐碱稻区水稻产量和保证盐碱稻作区粮食安全生产都具有十分重要的意义。

1 水稻耐盐性机理

水稻演化于淡水沼泽植物，是对盐分胁迫较敏感的一种作物[4]。水稻耐盐性是指水稻盐分胁迫能正常生产并形成一定产量的能力。盐分胁迫对水稻主要产生2种胁迫效应，即渗透胁迫效应和离子胁迫效应。渗透胁迫效应会造成水稻不易从外界吸收水分，同时也会造成过氧阴离子含量增加，对细胞膜造成伤害，离子胁迫效应使细胞钠离子富集，进一步导致水稻生长延缓，钠离子的富集也会造成Ca2+、K+等离子的吸收受到抑制，造成水稻细胞中电解质紊乱[5]。水稻对盐胁迫时反应主要包括：渗透调节、细胞膜的保护、离子的区隔化等。

1.1 渗透调节盐分胁迫对植物产生的伤害主要表现为细胞失水。植物避通过靠增加细胞中的溶质（可溶性小分子有机物质、蛋白质和无机离子）的含量来调节细胞内外的渗透压差，从而维持细胞内外水分的平衡。根据调节溶质的不同可分为有机渗透调节和无机渗透调节，有机渗透调节主要通过两种有机化合物进行调节：一种是小分子的有机化合物主要有可溶性碳水化合物、糖醇类、脯氨酸、甜菜碱和多胺类等，另一种是蛋白质，如水稻中的外源基因BADH、CMO等，它们可以明显提高水稻的吸水能力，但本身不会对水稻细胞造成伤害，是植物耐盐的重要原因。而参与无机渗透调节的主要是Na+、K+、Ca2+ 和Cl-等无机离子[6-7]。

1.2 细胞膜保护在盐分胁迫条件下，细胞质膜会受到盐离子胁迫影响而受到损伤，主要表现为细胞膜的通透性增大和过氧化作用增强[7]。植物在正常情况下的酶促反应、叶绿体和线粒体的电子传递过程和一些低分子有机物的自动氧化反应，都会产生O2-和H2O2等活性氧，但它们很快能被植物细胞内的SOD、POD、CAT和APX等酶和非酶氧化剂所清除，使活性氧产生和清除处于动态生理平衡之中，从而维持细胞膜结构的稳定[8-9]。

1.3 离子区隔化在盐分胁迫的条件下，水稻通过调节无机离子的吸收和区域化来减轻盐分胁迫对细胞造成的伤害。水稻以主动吸收的方式从周围的介质中吸收无机离子，主要有Na+、K+、Mg2+、Cl-、Ca2+等[8]。盐离子进入细胞后，大部分积累在液泡中，进行离子区隔化作用，从而通过降低细胞水势来进行渗透调节。这些途径普遍存在于盐生植物和一些栽培植物中[10]。

2 水稻耐盐性的分子基础

2.1 水稻耐盐性状的QTL定位水稻耐盐性受多基因控制，属于典型的数量性状，在目前的水稻种质资源耐盐性的遗传分析中，除了在个别突变体和转基因植株中发现有单个主基因控制的耐盐性状以外[23]，大多数水稻耐盐性状均受多个基因控制。近年来，水稻功能基因组学和分子标记技术的发展以及水稻基因组测序的完成，为水稻耐盐性相关基因的挖掘和定位提供了很好的契机。目前，已利用AFLP、RFLP、SSR等分子标记手段从在水稻l2条染色体上定位的耐盐QTL已有70多个[22]，其中以第1、2、6、7号染色体上定位的耐盐性QTL居多，第10、11染色体上最少；其中有一部分为主效QTL，对表型变异的贡献率最大可达到48.5%；检测到的以与苗期耐盐性相关的QTL居多。

Zhang等在水稻第7染色体上检测到1个耐盐相关QTL[11]。林鸿宣等在盐胁迫条件下在第5染色体上的RG13位点定位了1个与幼苗存活天数相关的QTL，其表型贡献率达到11.6%[12]。龚继明利用窄叶青8号粳稻京系17的DH群体检测到一个主效QTL-std和7个微效QTL，其中QTL-std位于第1染色体的RG612和C131之间，贡献率达15.6%[13]。顾兴友等以耐盐性品种Pokkali和盐敏感品种Peta构建的BC1群体，定位了4个影响苗期耐盐性QTL，分别分布在第5、6、7和9染色体上；12个影响成熟期耐盐性QTL，分布在7条染色体的1或2个连锁区间上[14]。Prasad等在第6染色体上定位了7个耐盐性相关的QTL[15]，Koyama等对水稻植株茎中的Na+、K+吸收量等5个性状进行了QTL分析，共定位了11个与耐盐性有关的QTL[16]。Lin等利用耐盐品种Nona Bokra和盐敏感品种越光为亲本的F2：3群体，对水稻苗期耐盐性进行了QTL定位，共定位了11个影响8个耐盐相关性状的QTL，其中与幼苗存活率有关的3个QTL，分别分布在第1、6和7染色体上，其中两个为主效QTL，即SNC7和SKC1，两者的贡献率分别达48.5%和40.1%[17]。孙勇等利用IR64/Tarmom molaii构建的回交导入系群体对水稻苗期耐盐性进行QTL定位，共定位了23个影响6个水稻苗期耐盐相关性状QTL，分别位于第1、2、3、4、6、7、9、10、11、12染色体上，其中有12个QTL与前人在不同群体中定位同一个或相邻染色体区间，在位于第2染色体RM240-RM112区间定位了1个影响地上部所有4个耐盐相关性状的主效QTL[18]。汪斌等利用H359和Acc8558构架重组自交系群体对水稻苗期耐盐性进行了QTL定位。共定位了13个QTL，分别位于第1、2、5、6、7和12染色体上，对表型变异的总贡献率达到60.88%，其中位于第1染色体qSC1b的效应最大，表型变异贡献率达45%[19]。Lee等利用密阳23和Gihobyeo构建的RIL群体在0.5%和0.7%NaCl两种盐分浓度下定位了2个耐盐性的QTL，分别位于第1染色体和第3染色体，两种盐浓度下贡献率分别达35.5%和36.9%[20]。Zang等利用IR64和Binam构建的回交导入系群体共定位了13个影响水稻耐盐性的QTL，分别位于第1、2、3、6、8和11染色体[21]。Cheng等利用秀水09和IR2061构建的双向回交导入群体定位到26个影响水稻苗期耐盐性的主效QTL，分别位于除第6和第8染色体的所有染色体上[22]。汪斌等在R401辐射诱变的M2群体筛选到了1个耐盐突变体，结合集团分离分析法将将该基因定位在InDel标记ID26847和ID27253之间，约2.3cM的区间内，与两标记分别相距1.2cM和1.1cM[23]。

2.2 水稻耐盐基因的克隆水稻耐盐性比较复杂，目前大多数都处于QTL定位阶段，克隆的基因较少。Hu等从早稻IRA109的cDNA文库中分离了2个耐盐基因SNAC1和SNAC1，这2个基因都编码具有反式激活活性的NAC转录因子，受到高盐环境诱导表达。在这2个基因的过表达植株中，许多逆境相关基因都上调表达[24]。Huang等从EMS诱变的中花11突变体库中筛选得到了1个耐盐突变体，并通过图位克隆的方法克隆了耐盐基因DST，该基因是水稻耐盐性的负调控因子，它编码含一个C2H2类型锌指结构域的蛋白质，是一个新型的核转录因子。该蛋白的2个氨基酸的变异显著地降低了DST的转录激活活性。当其功能缺失时可直接下调过氧化氢代谢相关基因（如过氧化物酶基因）的表达，降低清除过氧化氢的能力进而增加过氧化氢在保卫细胞中的积累，促使叶片气孔关闭，减少水分蒸发，最终提高水稻的抗旱耐盐能力[25]。高继平等利用Nona Bokra与越光构建的F2群体，在第1染色体上定位了名为SCK1的控制K+含量的主效QTL[26]。Ren将该QTL精细定位于第1染色体上7.4Kb的区间，并通过图位克隆的方法克隆了该基因，SKC1基因编码了含554个氨基酸的Na+载体蛋白，定位于细胞膜上，参与调解水稻体内的Na+、K+离子平衡；当水稻处于高盐分胁迫时，SKC1编码的载体蛋白可已将地上部富集的Na+转运到根部，从而减轻Na+对水稻地上部分的伤害。提高水稻的耐盐能力[11]。Cheng等通过反向遗传学的方法克隆了一个耐盐基因OsNAP，其属于NAC家族成员，具有转录激活活性，受高盐环境诱导表达，该基因过表达后也会引起许多逆境相关基因上调表达[27]。

3 耐盐水稻的选育

3.1 水稻耐盐种质的直接利用或常规选育目前，水稻耐盐育种仍以常规育种为主，通过水稻耐盐种质资源耐盐筛选和鉴定，已经筛选出了一些具有耐盐性的种质资源[28]。利用杂交和回交选育方法将这些种质资源的耐盐相关基因导入到生产上大面积推广的水稻品种中，育成了一系列耐盐性不同的水稻品种，并在生产上得到应用，如窄叶青8号、辽盐2号、东农363、长白6号、长白7号、特三矮2号、长白10号、绥粳5号等耐盐品种[29-35]，为扩大水稻的适应性和提高水稻产量作出巨大的贡献。

3.2 生物技术与常规育种相结合近年来，随着组织培养技术和转基因技术的发展，育种家开始将这些技术应用到水稻的耐盐育种当中。田少华等利用EMS技术结合高盐培养基作为培养条件，确定了诱发耐盐突变的最佳诱变剂量和盐胁迫水平[36]。金成海等通过组组织培养获得体细胞无性系后代，经过筛选、鉴定，育成耐盐、优质水稻品种长白13[37]。顾红艳等选用津原101幼穗为接种材料，在NaCl胁迫下，通过组织培养获得耐盐株系，经过进一步的鉴定，育成国审耐盐抗旱新品种津原85[38]。林秀峰等研究表明转入BADH基因在水稻中能够正常表达且耐盐性也明显高于对照[39]。郭龙彪等将5个耐盐基因分别转入了无耐盐性的水稻品种，并结合常规育种，创造耐盐新种质200多份[40]。

4 展望与建议

4.1 深入开展水稻耐盐机制的研究目前，大多数学者认为水稻的耐盐能力主要取决于渗透调节和无机离子的吸收运输调节，但具体如何调节还不清楚。如在盐分胁迫下，哪些调节因子参与渗透调节中物质的积累？最初的信号接受和传递过程是什么？多个耐盐基因之间是如何互作和调控网络等？只有弄清盐碱胁迫如何影响水稻不同的生长发育进程，才能为耐盐育种设计有效可靠的选择方法，从杂交后代分离群体中迅速而准确地选择目标植株。

4.2 加强水稻耐盐QTL定位和克隆尽管近年来已鉴定出大量的水稻耐盐QTL，但QTL定位的区间较大，定位群体多数是用特殊种质资源作为亲本构建的，存在着复杂的QTL互作和QTL与遗传背景之间的上位性互作，导致定位到的耐盐性状QTL无法直接的应用于水稻品种耐盐性状改良。随着通过高密度遗传图谱的构建、作图群体的改进、定位统计方法的完善以及新型分子标记的开发，大量的耐盐QTL定位和克隆工作将会不断的展开，为聚合耐盐基因，培育具有多个耐盐基因的水稻新品种，提高水稻耐盐性奠定基础。

4.3 积极开展水稻耐盐碱种质的筛选、鉴定和创新从现有的种质资源中积极筛选具有强耐盐碱能力的水稻种质，特别是野生稻和地方品种资源的筛选与鉴定，通过常规杂交和分子育种的方法，将耐盐基因转入综合性状优良的水稻品种之中，创制耐盐性较高的水稻新种质，为水稻耐盐育种提供丰富的种质资源。

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