水稻耐碱性研究进展

冷春旭 郑福余 赵北平 刘海英 王玉杰

（黑龙江省农业科学院生物技术研究所 黑龙江省作物与家畜分子育种重点实验室，哈尔滨 150028）

近年来，随着我国社会经济的飞速发展和工业化进程不断推进，土壤盐碱化程度逐渐加剧，严重制约了粮食生产。土壤盐碱化是指在不利的气候、水文、地形和土壤质地等自然条件下，易溶性盐类在土壤中重新分配、过量累积和扩散形成的一种环境地质现象，不但造成耕地退化、土地荒漠化，扰乱生态系统而且严重制约和影响了农业生产及经济发展［1］。截至2019年根据联合国教科文组织（UNESCO）和粮农组织（FAO）不完全统计，我国盐碱地面积为0.99亿hm2，约占全世界盐碱地面积（9.54亿hm2）的10.3%［2］，主要分布在东北松嫩平原、黄淮海平原、西北干旱半干旱区和滨海等地。随着人口不断增加、气候异常频发、工业污染加剧、灌溉和施肥方式不当等因素影响，我国土壤盐碱化程度不断加重，农业的可持续发展受到严重的威胁［3］。

水稻作为一种中等盐敏感作物常用来改良盐碱地，提高土地利用效率。盐碱地种植水稻不但可以通过灌水使土壤表层的盐分逐渐下沉，连续种植3年后可进行水旱轮作进一步改良土壤结构［4］，而且水稻在地下的根系具有分泌有机酸和吸收环境中盐分的作用，可以改善土壤板结情况［5］，使土壤结构变得疏松，提高土壤蓄水能力，避免发生次生盐碱化［6］，与其他作物相比具有无可比拟的优越性。因此，研究盐碱胁迫对水稻的危害机制，对开发和利用盐碱地具有重要的意义。

盐碱胁迫根据土壤中阴离子的不同分为盐胁迫（以NaCl等中性盐为主）和碱胁迫（以Na2CO3和NaHCO3为主），二者均能对作物造成渗透胁迫和离子毒害，从而影响水稻的正常生长发育，但碱胁迫由于具有较高pH值，使水稻遭受盐分和高pH值双重损伤，伤害作用比盐胁迫更为严重和复杂，而且水稻应对两种胁迫的机制也存在差异。国内外有关水稻耐盐碱研究主要集中在盐胁迫，对碱胁迫下水稻体内反应机理和调节机制的研究还很少［7-9］。因此，本文论述了碱胁迫对水稻生长发育和生理生化的影响、水稻耐碱机理及相关基因的研究，提出了水稻耐碱性的策略，以期为进一步挖掘和利用耐碱相关基因，通过分子育种手段培育耐碱水稻新品种提供理论参考。

1 碱胁迫对水稻生长发育的影响

碱胁迫对植物的危害既有缓慢的渗透胁迫和离子毒害，又有更严重的高pH值胁迫，与盐胁迫相比对植物造成的损伤更严重。碱胁迫对水稻最普遍的效应就是抑制组织和器官的生长和分化，延缓发育进程，最终影响产量［10］。

1.1 碱胁迫对水稻种子萌发的影响

盐碱胁迫均能抑制水稻种子萌发，离子毒害和渗透胁迫是主要影响因素［11］，碱胁迫由于具有较高pH值，对种子萌发的抑制程度大于盐胁迫和渗透胁迫［12］。另外，碱胁迫与盐胁迫相比，对种子芽的生长抑制更显著［13］。

1.2 碱胁迫对水稻根系的影响

根系因与根际盐溶液直接接触成为受碱胁迫的主要器官。研究表明，水稻根系在碱性溶液中会变黄［14］。碱胁迫抑制水稻芽期根长的生长［15］，根系周围的高pH会引起金属离子和磷的积累沉淀，损坏根部组织结构，降低根系活力，导致根系细胞死亡，进而叶片萎蔫，不能进行正常的光合作用，从而失去生理功能。同时，高pH还会导致土壤中的营养元素如铁和磷凝结成块，根系不能正常吸收营养，影响水稻的正常生长［16］。碱胁迫下水稻幼苗的根长、根表面积、根体积、平均根直径和根尖数均产生不同程度的下降，导致根系的吸收功能也随之下降［17］。

1.3 碱胁迫对水稻生长的影响

水稻幼苗期对碱胁迫的反应较萌发期更为敏感［18］，叶片卷曲枯萎，株高降低，严重时会导致幼苗死亡［19］；较生殖期也更敏感，特别是2叶1心期是水稻苗期最敏感时期［20］。水稻的株高和生物量也随碱胁迫浓度增加而大幅降低［21］，单株分蘖能力受到影响，整个生育进程延后，抽穗期延迟［22］，返青期延长3-7 d，分蘖期延缓［23］。

1.4 碱胁迫对水稻产量的影响

碱胁迫严重影响水稻的生长发育，阻碍生育进程，进而影响水稻的产量构成因素，使水稻减产。研究表明随着盐碱度的增加，总颖花数、千粒重和成穗率大幅下降［24］，穗粒数也随之降低［25-26］，由一次、二次枝梗数和一次、二次枝梗粒数构成的穗重也下降［27］。

碱胁迫不但影响稻米产量，也会影响稻米品质。研究表明稻米的垩白粒率随土壤盐碱度程度的升高而增大，造成米质下降［26］，蛋白质含量升高，稻米评价值降低，从而导致食味品质下降［28］。

2 碱胁迫对水稻生理生化的影响

2.1 碱胁迫对光合作用的影响

光合作用为植物的生长发育提供能量和物质基础，碱胁迫主要通过降低光合速率影响水稻光合作用，主要包括4个方面。第一，碱胁迫可引起气孔关闭，降低蒸腾速率，减少CO2的摄入［29］；第二，碱胁迫可破坏叶肉的类囊体结构，使类囊体膜膨胀，叶绿体基粒消失，损伤光系统I和光系统II的活性，削弱光合同化力［30-31］；第三，碱胁迫可不同程度抑制光合作用相关酶活性包括暗反应过程和光合产物转运过程中的相关酶［32］；第四，碱胁迫下造成离子毒害，损伤光合器官和光系统［33］。

2.2 碱胁迫对水稻体内离子含量的影响

碱胁迫可极大程度的破坏离子平衡、严重干扰植物对矿质元素的吸收，造成营养元素比例失调和新陈代谢紊乱。植物的耐盐碱能力与K+/Na+比相关，耐盐碱品种通过自身调节，减少Na+积累，提高K+/Na+比从而提高了耐盐碱性［34］。除此之外Zn2+、Mg2+和Ca2+的含量也高于野生型，较强的Zn2+对质膜起到一定的保护作用，较高的Mg2+含量能有效维持正常的光合作用［35］，较高的Ca2+含量具有维持细胞膜完整性的作用，减少碱胁迫对细胞的伤害［36］。

2.3 碱胁迫对水稻细胞膜透性的影响

盐碱胁迫下细胞质膜渗透增加是碱害的重要特征之一。研究表明，盐碱浓度升高，细胞膜透性增加，致使细胞内大量的小分子有机物质和电解质渗透到细胞外，细胞内分子结构和功能均被破坏，内环境代谢紊乱［6］。水稻不同生长发育阶段对渗透调节的响应不同，营养生长时期对盐碱胁迫强度敏感，随着浓度的增加，渗透调节响应增强，进入生殖生长期敏感性下降［30］。

3 水稻耐碱的机理

为抵御盐碱胁迫，水稻形成了一些调节适应机制，其中包括渗透调节、离子平衡、抗氧化保护和激素调节等。

3.1 渗透调节

渗透调节能力是作物耐盐碱的基本特征之一。在碱胁迫条件下，水稻为了保持细胞质、液泡及胞外环境的渗透势平衡，必需在细胞质中积累和合成一些对细胞没有毒害作用的渗透调节物质，以平衡细胞质与液泡的渗透势［6］。参与渗透调节的物质主要分两类：一类是由外界环境进入到细胞内的无机离子如K+等［35］，另一类是细胞内合成的有机溶质，如多元醇（甘露糖、海藻糖）、含氮化合物（脯氨酸、甜菜碱）及有机酸（苹果酸）等［37］。脯氨酸是水溶性最强的氨基酸，其功能包括细胞内的渗透调节剂、还原剂、能量来源、羟基自由基清除剂、细胞内酶的保护剂、N素储藏物质和调节氧化还原电势等。水稻幼苗在受到碱胁迫时其叶片和根部的脯氨酸含量均显著参与细胞的渗透调节［38］。

3.2 离子平衡

盐碱胁迫能引起水稻细胞内的离子紊乱，打破原有的Na+、Cl-离子平衡。耐碱水稻通过3种途径实现离子平衡：第一种利用Na+/H+逆向转运蛋白从质膜中排除Na+或减少Na+的进入；第二种利用液泡膜上的Na+/H+逆向转运蛋白将Na+置于液泡中进行区隔化；第三种分泌Na+［39-40］。研究表明可采用分蘖期叶片Na+/K+来指示水稻对盐碱胁迫的离子响应［33］。

3.3 抗氧化保护

盐碱胁迫能够导致水稻体内产生大量的活性氧发生氧化胁迫，而抗氧化保护是水稻抵御盐碱伤害的主要手段之一。植物的抗氧化系统包括以超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸氧化物酶（APX）等为主的酶促系统和以谷胱甘肽、抗坏血酸等为主的非酶促防御系统［6］。研究表明，碱胁迫与盐胁迫相比需增加体内抗坏血酸的含量减轻更多的活性氧对水稻造成的氧化损伤［41］。

3.4 激素调节

脱落酸（ABA）作为植物的五大激素之一，在调控植物应对各种逆境胁迫中发挥着重要的作用，其耐盐碱机理为在高盐碱环境下加速植物体内ABA的积累，诱导ABA响应元件基因表达使植物产生抗性［10］。研究表明，ABA可在盐碱胁迫下促进水稻叶片的生长，提高蒸腾效率和耐盐碱性［42］。当水稻幼苗受到碱胁迫时，以ABA对水稻幼苗进行24 h浸根处理后显著提高了水稻幼苗的成活率和生物量，其原因是ABA增加了相对含水量（Relative water content，RWC），降低了细胞膜损伤程度（Membrance injury，MI）和Na+/K+比值［10］。田间实验显示，ABA处理可提高苏打盐碱地水稻秧苗素质，有效减缓水稻返青期秧苗受伤害程度，增强水稻根系的发根力、提高分蘖数，增加水稻产量等［43］。

4 水稻耐碱相关基因研究进展

水稻耐碱研究经历了2个阶段，早期集中在碱胁迫条件下水稻生理指标的测定，现阶段集中在耐碱基因的克隆和功能鉴定及QTL定位。

4.1 耐碱基因的克隆和功能鉴定

目前，相对水稻耐盐作用机理及相关基因的研究报道而言，水稻耐碱性状相关基因的研究鲜少报道。谢国生等［44］克隆了VB12不依赖型蛋氨酸合成酶基因（VB12-independent methionine synthase gene），该基因全长2 740 bp编码765个氨基酸，当水稻受到Na2CO3胁迫时，其转录活性明显增强，与水稻的碱适应性密切相关。Guo等［45］从水稻耐碱突变体alt1（alkaline tolerance 1）中克隆了一个位于细胞核中的OsALT1基因，该基因编码Snf2家族染色质重构ATP酶的核心亚基，是水稻耐碱性的一个负调控基因，主要参与活性氧的产生、清除和DNA修复过程。alt1突变体通过增强抗氧化损伤的防御作用提高对碱胁迫的耐受性。Guan等［46］研究表明锌指蛋白OsLOL5基因在碱胁迫条件下参与了氧化调控，通过激活活性氧的解毒途径提高水稻的耐碱性。Wang等［47］利用CRISPR/Cas9系统获得无机焦磷酸酶OsPPa6基因突变体，突变体的无机磷、ATP、叶绿素、蔗糖和淀粉、净光合速率、可溶性糖和脯氨酸显著降低，而丙二醛、渗透势和Na+/K+比显著增加，说明OsPPa6基因是水稻重要的渗透调节因子。李宁等［48］对295个粳稻品种进行苗期耐碱度的全基因组关联分析发现，1个新的耐碱基因LOC_Os03g26210（OsIRO3），该基因编码bHLH型转录因子，是水稻缺铁反应负调控因子。

4.2 水稻碱胁迫下的QTL研究进展

迄今为止，水稻耐碱基因的挖掘和利用明显落后于盐胁迫研究，且多数研究还停留在QTL定位阶段。梁正伟等［49］在不同浓度碱胁迫下利用BC4F10群体检测到7个QTL。程海涛等［50］利用DH-1群体检测到与发芽势和相对碱害率相关的10个主效QTL。祁栋灵等［51］在Na2CO3胁迫下，以高产106/长白9号杂交组合的200个F2：3株系进行QTL定位检测，获得与发芽率相关的QTL 7个，与发芽率相对碱害率相关的QTL 6个。Qi等［52］利用F2：3群体定位耐碱相关QTL 19个。邹德堂等［53］以F2：3代180个家系为作图群体进行耐碱性QTL检测，共检测到16个QTL。李宁等［54］以碱敏感的母本与强耐碱的父本杂交衍生的F2：3群体进行苗期耐碱性QTL定位，共检测到分布在第5、7和11号染色体的3个QTL。

5 提高水稻耐碱的途径

5.1 采取合适的栽培措施

幼苗期采用低盐碱锻炼提高种子和秧苗的耐碱能力［55］，插秧后本田调酸，减低盐碱度，同时施用有机肥提高水稻体外的K+含量，增加K+/Na+比，缓解渗透胁迫的压力［56］，另外适当增施Ca、P、S和Si等肥料，可提高水稻的耐盐碱能力［57-59］。建立标准化田间工程，采用淹灌或者间歇灌溉方式压盐洗碱改良盐碱稻田［60］，利用明渠或暗管排水脱盐，改善土壤通透性，增强水稻根系活力［61］。研究表明，水稻苗期施用土壤改良剂，土壤中的全盐、Cl-、pH值显著下降，缓解水稻秧苗受到的盐碱危害，稻田施用土壤改良剂，提高了保苗率，水稻分蘖能力增强，干物质积累增加，后期产量高［62］。研究表明施用盐碱土壤改良剂可以提高水稻分蘖能力、植株长势，增加抗赤枯病的能力，提高单穗粒和单穗重，从而提高水稻单产水平［63］。

5.2 选育耐盐碱品种

耐盐碱水稻品种的来源主要通过常规育种和分子育种两种途径获得。目前在水稻耐盐碱品种选育中仍以常规育种为主，广东湛江的陈日胜于1986年11月发现了1株野生水稻，经过多年繁殖、筛选，育成“海稻86”，具有较好的耐盐碱性［64］。辽宁盐碱地利用研究所自1984年开展耐盐碱水稻研究以来，先后育成盐81-210、抗盐100号、盐粳228等多个耐盐碱品种（组合）［65］。江苏沿海地区农业科学研究所、广东农业科学院水稻研究所、江苏省农科院等多个国内研究机构先后利用常规育种技术育成长白10号、盐城156、广盐1号等多个耐盐碱水稻品种［66］。

近年来，随着分子生物学和各种组学以及测序技术的迅猛发展，特别是耐碱相关QTL和基因的广泛发掘，形成了一批分子育种新技术，包括分子标记辅助育种技术、转基因、全基因组选择、细胞工程育种等［67］。海南大学与湖南省水稻研究所合作，以高耐盐野生芦苇DNA作物基因供体，应用花粉管通道技术导入普通水稻中，培育出具有强耐盐碱特性的水稻新种质。江苏省农科院等团队通过分子标记辅助选择与常规育种技术相结合，将耐盐碱、抗病、优质和高产基因聚合到优良水稻品种中，育成南粳9108、盐稻12号、辽粳1305和京宁29等耐盐碱品种［66］。袁隆平团队利用遗传工程技术，选育出可供产业化推广、盐度不低于1%，海水灌溉条件下，能正常生长且产量能达到200-300 kg/亩的水稻品种。2019年，该耐盐碱稻品种在国内外主要盐碱地进行了百亩至千亩示范种植成功［68］。碱基因导入优良品种，培育高产优质耐碱水稻新品种，对合理开发现有碱土资源，具有重要的学术价值和应用前景。

6 展望

我国盐碱地资源丰富，约80%的盐碱地可开发为耕地，综合利用潜力巨大。水稻作为盐碱地改良的首选粮食作物，发展盐碱地水稻生产是保障我国粮食安全生产的重要举措之一。目前研究者关注的重点是水稻耐盐资源的鉴定、基因克隆与功能研究，对水稻耐碱方面的研究较少。因此，开展水稻耐碱研究，对发挥水稻品种的生产潜力，进一步扩大水稻种植面积，提高人民生活水平以及改善生态环境具有十分重要的意义。

水稻耐碱性是多种生理性状的综合表现，是由多基因控制的数量性状，虽然水稻的耐碱能力与渗透胁迫、离子毒害和高pH值胁迫密切相关，但其具体遗传调节机制还不清楚。如在碱胁迫条件下，参与渗透调节的因子有哪些？具体信号传递过程是怎样的？多个耐碱基因是如何协作调控整个网络的？这些问题都是需要进一步研究去解决的。利用突变体来分离目的基因已成为水稻新基因挖掘的有效途径之一，缺乏耐碱突变体是目前耐碱相关基因研究较少的原因之一。因此，有必要加强水稻耐碱突变体的筛选鉴定，建立水稻耐碱突变体库，进行基因的克隆和功能分析。此外，随着测序技术的发展，特别是全基因组关联分析（Genome-wide aassociation study，GWAS）技术广泛地应用于水稻复杂性状的解析，可对水稻不同生长发育时期的耐碱性进行GWAS分析，以鉴定同时控制多个生长阶段耐碱性的优异基因用于水稻耐碱新品种培育。

综上所述，充分利用现代分子生物技术，深入开展水稻耐碱生理和分子机制研究，加强耐碱种质资源的鉴定筛选和基因的发掘，通过多种手段将耐