水稻耐盐性遗传与基因克隆研究进展

李俊英，王加冕，代明笠，彭丹丹（ 长江大学农学院，湖北荆州434025）

欧晓雪，刘环，邱先进 （ 长江大学农学院，湖北荆州434025）

徐建龙 （中国农业科学院作物科学研究所，北京100081）

杨隆维，邢丹英 （长江大学农学院，湖北 荆州434025）

水稻是世界上最重要的粮食作物之一。它是全世界三分之一以上人口的主食，也是我国65%以上人口的主食，90%的水稻都在亚洲种植［1－2］。由于全球人口急剧增长，提高产量一直是育种工作的重心。得益于矮化育种和杂种优势利用，过去的半个世纪，大部分国家和地区水稻产量都成倍增长，有些地区增长甚至超过3倍［3］。但是，世界人口增长迅速，到21世纪50年代，全球预计增长23亿人口，粮食产量必须增长70%才能满足人们的基本需求［4］。要满足这个要求，除了增加粮食单产外，增加耕地面积是最简单有效的方法。根据FAO的统计，世界耕地面积为2.30×108hm2，其中19.5%为盐碱地，仅亚洲的盐碱地面积就有2.9×107hm2［5－6］。我国幅员辽阔，海岸线长，既有海滨盐碱地，又有内陆盐碱地［7］，盐碱地面积约2×107hm2，其中只有极少部分被改良利用。

水稻是一种对盐碱中度敏感的作物，土壤盐碱化是盐碱地区制约水稻高产稳产的主要因素，培育耐盐水稻品种，对扩大水稻的适应性和种植面积，提高水稻在盐碱地区的产量潜力，保障粮食安全具有十分重要的意义。为此，笔者对水稻耐盐性的差异、水稻耐盐性的生理基础和遗传基础、水稻耐盐QTL定位和基因克隆、水稻耐盐育种的研究进展进行了综述，以为进一步深入研究水稻耐盐的分子机理和选育耐盐水稻品种提供参考。

1 水稻耐盐性的差异

1.1 水稻耐盐性的品种间差异

水稻起源于淡水沼泽地区，对盐胁迫中等敏感。但是，水稻不同品种之间的耐盐性存在显著差异［8］。应存山等［9］利用13029份水稻种质资源进行了苗期耐盐性鉴定，结果表明，耐盐性呈严重的偏峰分布，种质间耐盐性差异显著；总体来说，籼稻的耐盐性优于粳稻，粘稻的耐盐性优于糯稻，水稻的耐盐性优于旱稻。张秀双等［10］等的研究表明，不同粳稻品种之间耐盐性存在差异。水稻耐盐性的品种差异，可能受品种的起源、所受的选择压和遗传背景等因素的影响。同时水稻耐盐性的品种差异，为改良水稻耐盐性，选育耐盐水稻品种，扩大水稻适应性提供了基础材料和基因资源。

1.2 水稻不同发育阶段耐盐性的差异

水稻发育是一个动态过程，不同时期的耐盐性有较大差异。研究表明，水稻在发育过程中的耐盐性呈现先下降后上升再下降的趋势。种子在萌发过程中表现为耐盐，幼苗对盐胁迫较为敏感，同一个品种在萌发期和幼苗期的耐盐性存在显著差异［11］。因此，目前国际上对水稻耐盐性的鉴定时期一般规定为三叶期。水稻发育从苗期到营养生长期，耐盐性逐渐增强，而到了生殖生长期后对盐胁迫又较为敏感［12］。因此，水稻对盐胁迫比较敏感的时期是苗期和生殖生长期。在改良水稻过程中，一定要注意选育这2个时期都耐盐的材料。

2 水稻耐盐性的生理基础

水稻耐盐性是指水稻在土壤盐分胁迫下继续生存和形成产量的能力。高盐环境主要对水稻产生2种胁迫，即渗透胁迫和离子胁迫。渗透胁迫使水稻难以从外界吸收水分，离子胁迫使细胞中大量积累钠离子，进一步导致水稻生长延缓［13］。水稻要想在盐胁迫环境下生长而不受影响，就必须克服这2种胁迫［14］。水稻在长期的进化选择过程中，逐步进化出适应这2种胁迫的方法。

2.1 渗透调节

高盐胁迫对水稻产生的危害主要是使细胞脱水。由于高盐环境渗透势低，细胞内渗透势高，两者之间形成较强的渗透势差。细胞不仅不能从外界环境中吸收水分，反而会将自身的水分散失到高盐环境中，导致细胞脱水。因此，渗透调节能力是水稻耐盐的最基本特征之一［15］，水稻耐盐性的强弱在很大程度上取决于水稻细胞自身的渗透调节能力的强弱［16］。在高盐胁迫下，水稻幼苗能通过自身合成和积累渗透调节物质，例如脯氨酸、可溶性糖、果糖、蔗糖、多胺等有机渗透调节物质和Na＋、K＋、Ca2＋和Cl－等无机离子，这些亲水性渗透调节物质可以保护细胞蛋白质、蛋白复合体和膜结构免遭降解和破坏，使细胞行使正常的生理功能，适应外界高盐环境，从而提高水稻的耐盐性［17－20］。

2.2 离子调节

离子调节是通过调节细胞内外无机离子的相对浓度来调节细胞内膨压、pH和离子强度，从而稳定细胞大小、维持细胞内微环境的稳定。其中用于离子调节最重要的无机离子是Na＋和K＋。水稻中柱薄壁细胞控制Na＋向地上部的转运，减少对地上部的盐害［21］；而木质部主要抑制Na＋转运，促进K＋转运，导致地上部K＋／Na＋上升，增强水稻的耐盐性［22－23］。因此，在改良水稻耐盐性过程中，要选择对K＋高吸收的品种；盐碱地区水稻生产过程中，可以适当增施钾肥，对提高水稻耐盐性也有所帮助。

3 水稻耐盐性的遗传基础

水稻的耐盐性十分复杂，是典型的数量性状，受多基因控制，且受环境影响很大，遗传力变幅很大［24］。Jones等［25］认为水稻苗期耐盐性可能由少数几个基因控制，遗传变异主要来源于加性效应和显性效应，以加性效应为主，没有发现上位性互作。Albar等［26］认为水稻苗期苗高、地上部Na＋和Cl－含量、茎叶干重、根部干重主要表现为加性效应为主，遗传力较高；而根长和根部Na＋、Cl－含量主要表现为显性效应，且遗传力较低。前人对水稻苗期耐盐性遗传研究较多，基本都认为耐盐性主要由加性效应和显性效应决定，易受环境影响，遗传力较低。一般F1耐盐性介于双亲之间，很少发生超亲分离现象；在转基因和突变体中存在单个基因控制耐盐性状的现象［27］。

4 水稻耐盐性的分子基础

4.1 水稻耐盐性QTL定位

近年来，分子生物学的发展为水稻耐盐性的遗传基础提供了便利，尤其是近几十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，为水稻耐盐性基因的挖掘和定位提供了很好的契机。不同的研究者利用不同的遗传群体，定位了很多影响水稻耐盐性的QTL。

Lin等［28］利用Nona Bokra和Koshihikari构建的F2及F3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，其中位于第7染色体中部检测到1个同时影响4个性状的QTL簇，这个QTL簇对地上部Na＋含量效应最大，能解释表型变异的48.5%。汪斌等［29］利用H359和Acc8558构建的重组自交系（RIL）群体共检测到13个影响水稻耐盐性的QTL，分别位于第1、2、5、6、7和12染色体，共解释60.88%的表型变异。其中位于第1染色体189.4～195.0cM的qSC1b效应最大，能解释耐盐性表型变异的15.39%。孙勇等［30］利用IR64与Tarom Molaii构建的BC2F8回交导入系（IL）群体共检测到23个影响6个水稻苗期耐盐性相关性状的QTL，分别位于除第5、8和10染色体的所有染色体上。这23个QTL中的12个与前人定位于同一个或相邻区间。位于第2染色体RM240－RM112区间检测到1个同时影响4个耐盐相关性状的主效QTL簇。Lee等［31］利用Milyang23和Gihobyeo构建的RIL群体在0.5%和0.7%NaCl 2种盐浓度下定位到了2个影响耐盐性的QTL，分别位于第1染色体和第3染色体，2种盐浓度下分别解释表型变异的35.5%和36.9%。位于第1染色体的耐盐QTL有利基因来源于Gihobyeo，而位于第3染色体的耐盐QTL有利基因来源于Milyang23。Zang等［32］利用IR64和Binam构建的IL群体共定位到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。Cheng等［33］利用Xiushsui09和IR2061构建的双向IL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。此外，他们还检测到21对影响水稻耐盐性的上位性互作对。76%的QTL在相同亲本构建的RIL群体中能检测出来。汪斌等［34］在R401辐射诱变的后代中筛选得到了1个耐盐突变体，结合BSA法将该耐盐基因精细定位在位于第6染色体的1个2.3cM的区间内。

这些已定位的QTL为分子育种改良水稻耐盐性提供了良好的基因资源，尤其是在多个群体中均检测到和已经精细定位的QTL。可以针对这些QTL设计紧密连锁的分子标记，利用分子标记辅助选择转移和聚合有利等位基因，改良现有品种的耐盐性。另外，对于这些QTL，要进一步精细定位和克隆，为弄清水稻耐盐性形成的分子机理奠定基础。

4.2 水稻耐盐性基因克隆

水稻耐盐性十分复杂，目前大部分都处于QTL定位阶段，克隆的基因很少。水稻中利用自然变异克隆的唯一一个耐盐基因是SKC1。高继平等［35］利用Nona Bokra与Koshihikari构建的F2群体，定位到第1染色体控制K＋含量的主效QTL，并命名为SKC1。Ren等［36］通过构建SKC1的次级分离群体，将该QTL精细定位于7.4kb的区间。之后他们通过转基因验证最终克隆了该基因。SKC1编码Na＋载体蛋白，定位于细胞膜上，在Na＋循环中起重要作用，也与离子长距离运输有关。SKC1中4个碱基的替换，导致水稻耐盐性的提高。SKC1编码蛋白特异转移Na＋而非K＋，K＋含量的变化是由于Na＋的竞争引起的。当水稻处于高盐环境中时，地上部会积累大量Na＋，而SKC1编码蛋白能将过量的Na＋转运至根部，从而减轻Na＋毒害，提高水稻耐盐性。Huang等［37］从中花11的EMS突变体库中筛选得到了1个耐盐突变体，并利用图位克隆的方法克隆了耐盐基因DST。该基因是耐盐性的负调控因子，编码1个转录因子，含有1个C2H2类锌指结构域。DST编码蛋白2个氨基酸的变异显著降低了该基因的转录激活活性。该基因功能丧失后导致氧化氢代谢基因的表达量下降，增加过氧化氢在保卫细胞中的积累，使气孔关闭，减少水分蒸发，达到耐盐的目的。Hu等［38－39］从IRAT109的cDNA文库中分离了2个耐盐基因SNAC1和SNAC2，这2个基因都受到高盐诱导表达。这2个基因都编码具有反式激活活性的NAC转录因子。这2个基因的超表达植株中，许多逆境相关基因都上调表达。Cheng等［40］利用反向遗传学的方法克隆了一个耐盐基因OsNAP。OsNAP定位于细胞核，是NAC家族成员。它具有转录激活活性，受高盐诱导表达。与SNAC1和SNAC2相似的是，这个基因超表达后也会引起许多逆境相关基因上调表达。

5 水稻耐盐育种

水稻耐盐种质资源筛选、水稻耐盐性的生理基础和遗传基础研究为水稻耐盐育种提供了种质材料、鉴定指标、基因资源和标记基础。

目前，常规育种仍然是水稻耐盐育种的主要方法。通过种质资源耐盐鉴定，已经筛选出了一大批具有耐盐性的种质资源［41］。将生产上大面积推广的高产优质品种与这些耐盐种质资源杂交，以盐胁迫下叶片与叶鞘中Na＋含量的比值、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性的变化作为指标，通过杂交选育法和回交选育法育成了一大批耐不同盐浓度的高产优质新品种，为扩大水稻种植区域做出了巨大贡献［42－47］。

近年来，随着水稻分子生物学、分子标记技术和转基因技术的发展，育种家开始将这些技术应用到耐盐育种当中。田少华等［48］以4个水稻品种为研究材料，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。后来，许多研究者通过诱变的方法育出了一批耐盐新品种或新品系［49－50］。此外，许多研究者通过农杆菌介导法或基因枪法直接将耐盐基因或反义RNA 转入水稻品种，提高其耐盐性［51－52］。

6 展望

水稻的耐盐性遗传基础十分复杂，受多基因控制，且易受环境影响。在生理上，可以通过离子调节和渗透调节等方法提高水稻耐盐性；在育种中，可以筛选耐盐种质资源，通过杂交选育和回交选育的方法培育耐盐水稻新品种。近年来，随着水稻分子生物学、分子标记技术和转基因技术的发展，越来越多水稻耐盐QTL被鉴定出来，与其紧密连锁的分子标记也随之开发；研究者甚至克隆了一些耐盐基因，为新技术培育水稻耐盐品种提供了基因资源和标记资源。另外，培育耐盐的绿色超级稻是未来水稻的一大趋势［3］，只是目前为止转基因育种备受争议。相信在不久的将来，随着水稻分子生物学的进一步深入，越来越多的新技术、新方法将在水稻耐盐分子育种中得到应用，育种家一定能克服目前的障碍和困难，培育高产、优质、耐盐的水稻新品种，为扩大水稻适应性、提高水稻产量、改良水稻品质和解决未来粮食危机贡献力量。

［1］ 金连登，罗玉坤，朱智伟，等.对新世纪初我国稻米产业发展对策的若干思考 ［J］.中国稻米，2001，（3）：5－8.

［2］ Kumar K，Kumar M，Kim S R，et al.Insight into genomics of salt stress response in rice ［J］.Rice，2013，6：27.

［3］ Zhang Q F.Strategy of developing green super rice ［J］.Proc Natl Acad Sci，2007，104：16402－16409.

［4］ FAO.High level expert forum－how to feed the world in 2050 ［M］.Economic and Social Development Department，Food and Agricultural Organization of the United State，Rome，2009－10－12～13.

［5］ Ponnamperuma F N，Bandyopadhya A K.Soil salinity as a constraint on food production in the humid tropics［A］.Soil related constraints to food production in the tropics［C］.International Rice Research Institute，Los Baños，the Philippines，203－216.

［6］ Munns R.The impact of salinity stress［EB／OL］.Http：／／www.plantstress.com／Articles／index.asp，2013－01－05.

［7］ 李继开.水稻抗盐育种前途光明 ［J］.盐碱地利用，1992，（3）：10－12.

［8］ 汪宗立，刘晓宗，王志霞.水稻耐盐性的胜利基础Ⅰ：盐逆境下水稻品种间水分关系和渗透调节的差异 ［J］.江苏农业学报，1986，2（3）：1－10.

［9］ 应存山.中国稻种资源 ［M］.北京：中国农业科技出版社，1993：79－80.

［10］ 张秀双，魏晓敏，杨丽，等.水稻不同品种耐盐籼稻研究初报 ［J］.垦殖与稻作，2006，（4）：53－55.

［11］ 郭望模，傅亚萍，孙宗修.水稻芽期和苗期耐盐指标的选择研究 ［J］.浙江农业科学，2004，（1）：30－33.

［12］ Kbar，宋景芝，王明珍.在盐土上发展水稻的前景 ［J］.国外农业科技，1982，（5）：21－24.

［13］ 杨晓华，彭晓珏，杨国华，等.水稻OsRab7耐盐功能的初步鉴定与其表达载体的构建 ［J］.武汉植物学研究，2008，26（1）：1－6.

［14］ 赵可夫.植物对盐胁迫的适应 ［J］.植物学通报，2002，37（6）：7－10.

［15］ 余叔文，汤章城.植物生理学与分子生物学 ［M］.北京：科学出版社，1998：752－769.

［16］ Bahaji A，Aniento F，Cornejo M J.Uptake of an endocytic marker by rice cells：variations related to osmotic and saline stress ［J］.Plant Cell Physiology，2003，44：1100－1111.

［17］ Dubey R S，Singh A K.Salinity induces accumulation of soluble sugars and alters the activity of sugar metabolising enzymes in rice plants［J］.Biologia Plantarum，1999，42：233－239.

［18］ 瞿礼嘉，顾红雅，胡萍，等.生物技术导论 ［M］.北京：高等教育出版社，1998：268－269.

［19］ Sivritepe H O，Eris A，Sivritepe N.The effect of NaCl priming on salt tolerance in melon seedlings ［J］.Acta Horticulture，1999，492：77－84.

［20］ 邴雷，赵宝存，沈银柱，等.植物耐盐性及耐盐相关基因的研究进展 ［J］.河北师范大学学报（自然科学版），2008，32（2）：243－248.

［21］ 郑少玲，严小龙.盐胁迫下不同水稻基因型根中Na＋和Cl－分布 ［J］.华南农业大学学报，1996，17（4）：24－28.

［22］ Baba T，Fujiyama H.Short－term response of rice and tomato to NaCl stress in relation to ion transport ［J］.Soil Sci Plant Nutr，2003，49：513－519.

［23］ Hussain N，Ali A，Sawar G，et al.Mechanism of salt tolerance in rice ［J］.Pedosphere，2003，13：233－238.

［24］ 祁祖白，李宝健，杨文广，等.水稻耐盐性遗传初步研究 ［J］.广东农业科学，1991，（1）：18－21.

［25］ Jones M P.Genetic analysis of salt tolerance in mangrove swamp rice ［A］.Jones M P.Rice genetics proceeding of international rice genetics symposium ［C］.IRRI，Philippines，1985，5：41－122.

［26］ Akbar M，Khush G S，HilleRisLambers D.Genetics of salt tolerance in rice ［A］.Jones M P.Rice genetics proceeding of international rice genetics Symposium ［C］.IRRI，Philippines，1985，5：399－409.

［27］ Guo Y，Chen S L，Zhang G Y，et al.Salt－tolerance rice mutant lines controlled by a major effect gene were obtained by cell engineering technique ［J］.Acta Genetica Sinica，1997，24：122－126.

［28］ Lin H X，Zhu M Z，Yano M，et al.QTLs for Na＋and K＋uptake of the shoots and roots controlling rice salt tolerance ［J］.Theor Appl Genet，2004，108：253－260.

［29］ 汪斌，兰涛，吴为人.盐胁迫下水稻苗期Na＋含量的QTL定位 ［J］.中国水稻科学，2007，21（6）：585－590.

［30］ 孙勇，臧金萍，王韵，等.利用回交导入系群体发掘水稻种质资源中的有利耐盐QTL ［J］.作物学报，2007，33（10）：1611－1617.

［31］ Lee S Y，Ahn J H，Cha Y S，et al.Mapping QTLs related to salinity tolerance of rice at the young seedling stage ［J］.Plant Breeding，2007，126：43－46.

［32］ Zang J P，Sun Y，Wang Y，et al.Dissection of genetic overlap of salt tolerance QTLs at the seedling and tillering stages using backcross introgression lines in rice ［J］.Science in China Series C：Life Sciences，2008，51：583－591.

［33］ Cheng L R，Wang Y，Meng L J，et al.Identification of salt－tolerant QTLs with strong genetic background effect using two sets of reciprocal lines in rice ［J］.Genome，2012，55：1－11.

［34］ 汪斌，刘婷婷，张淑君，等.水稻苗期耐盐突变体的遗传分析及基因定位 ［J］.遗传，2013，35（9）：1101－1105.

［35］ 高继平，林鸿宣.水稻耐盐机理研究的重要进展一耐盐数量性状基因SKC1的研究 ［J］.生命科学，2005，17（6）：563－565.

［36］ Ren Z H，Gao J P，Li L G，et al.A rice quantitative trait locus for salt tolerance encodes a sodium transporter ［J］.Nature Genetics，2005，37：1141－1146.

［37］ Huang X Y，Chao D Y，Gao J P，et al.A previously unknown zinc finger protein，DST，regulates drought and salt tolerance in rice via stomatal aperture control［J］.Genes Development，2009，23：1805－1817.

［38］ Hu H H，Dai M Q，Yao J L，et al.Overexpression a NAM，ATAF，CUC（NAC）transcription factor enhances drought resistance and salt tolerance in rice ［J］.Proc Natl Acad Sci，2006，103：12987－12992.

［39］ Hu H H，You J，Fang Y J，et al.Characterization of transcription factor gene SNAC2conferring cold and salt tolerance in rice ［J］.Plant Mol Biol，2008，67：169－181.

［40］ Chen X，Wang Y F，Lv B，et al.The NAC family transcription factor OsNAPconfers abiotic stress response through the ABA pathway ［J］.Plant Cell Physiol，2014，55：604－619.

［41］ 胡时开，陶红剑，钱前，等.水稻耐盐性的遗传和分子育种的研究进展 ［J］.分子植物育种，2010，8（4）：629－640.

［42］ 晏斌，汪宗立.水稻苗期体内Na＋的分配与品种耐盐性 ［J］.江苏农业学报，1994，10（1）：1－6.

［43］ 汪宗立，李建坤.立稻耐盐性的生理研究IV：盐渍对超氧物歧化酶和过氧化氢酶活性的影响 ［J］.江苏农业学报，1994，6（2）：1－6.

［44］ 许雷.水稻新品种辽盐2号的选育及其高产栽培 ［J］.盐碱地利用，1990，（4）：5－9.

［45］ 许文会，高熙宗原.水稻耐盐性品系的选育 ［J］.延边农学院学报，1992，14（2）：128－135.

［46］ 许雷.辽盐系列水稻新品种效益显著 ［J］.农业科技通讯，1995，（1）：9－10.

［47］ 张锦伟，谭学林，许键.不同浓度NaCl溶液对水稻不同品种（系）幼苗生长的影响 ［J］.植物遗传资源学报，2004，5（1）：100－104.

［48］ 田少华，梁竹青，高明尉，等.诱变与组织培养箱结合诱发水稻耐盐突变的初步研究 ［J］.核农学报，1988，2（2）：65－72.

［49］ 陈香兰，王春艳，吕晓波，等.应用组织培养方法选育耐盐碱水稻新品种 ［J］.生物技术，1992，2（5）：26－28.

［50］ 顾红艳，于福安，魏天权，等.耐盐水稻新品种津原85选育及栽培技术 ［J］.农业科技通讯，2007，（1）：20－21.

［51］ 李荣田，张忠明，张启发.RHL基因对粳稻的转化及转基因支柱的耐盐性 ［J］.科学通报，2002，47（8）：613－617.

［52］ 支立峰，陈明清，余涛，等.p5cs转化水稻细胞系的研究 ［J］.湖北师范学院学报（自然科学版），2005，25（4）：39－43.