黄瓜耐盐胁迫遗传育种研究进展

刘东让 董邵云 苗 晗 薄凯亮 张圣平 顾兴芳

（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

黄瓜（Cucumis sativusL.）又名胡瓜、青瓜，属葫芦科一年生草本植物，起源于喜马拉雅山南麓的印度北部地区，在世界各国广泛栽培。黄瓜也是我国主要蔬菜作物之一，2019年我国黄瓜总产量达7 033.9万t（FAO，2019），在全球蔬菜产业经济中占有重要地位。而黄瓜对盐胁迫十分敏感，过高的土壤含盐量会对黄瓜的生理生化活动及生长进程造成严重影响，进而降低其产量和品质，极大地影响经济效益（Baysal &Tipirdamaz，2007）。

随着全球盐碱地面积的不断扩大，全球已有超过9.5亿hm2的土地受到盐害的威胁，约占全球土地面积的7%（李建国 等，2012）。目前，我国盐碱地面积超过3 600万hm2，约占全国可利用土地的4.9%（张昆 等，2017）。此外，我国设施农业发展较快，连续重茬及半封闭的环境等因素导致了不同程度的土壤次生盐渍化，多数设施土壤表层盐分含量超过1.5 g·kg-1，严重影响了设施蔬菜作物的正常生长（余海英 等，2005）。盐碱地和设施生产中的盐胁迫会导致黄瓜种子活力下降，出芽后的幼胚侧根发育不全，黄瓜幼苗整体失水萎缩，地上部干鲜质量下降，叶片黄化枯萎，进而造成产量和品质显著下降（Chartzoulakis，1992；Ho &Adams，2006；Trajkova et al.，2006；程元霞，2018），严重制约了我国黄瓜产业的发展。因此，提高黄瓜的耐盐性具有重要意义。

本文主要综述了黄瓜种质资源耐盐性评价，盐胁迫对黄瓜生长发育及生理的影响，黄瓜耐盐性的遗传分析及相关基因的挖掘，以及提高黄瓜耐盐性的主要途径，同时就目前黄瓜耐盐胁迫育种研究中存在的主要问题及相应对策进行了讨论与展望。

1 黄瓜种质资源耐盐性评价

1.1 黄瓜耐盐性评价方法

建立准确、高效的黄瓜耐盐性鉴定体系，是筛选耐盐种质资源、培育耐盐品种的关键。目前黄瓜耐盐性的评价工作主要集中在芽期和苗期，芽期盐胁迫处理方法一般是使用培养皿在恒温箱中进行，而苗期处理方法主要有田间栽培法、营养液水培法、基质栽培法及组织培养法（潘俏 等，2018）。田间栽培法较为贴近生产实际，表型易鉴定，评价结果更为准确，但盐处理强度及外界环境等变量不易控制，且时间和工作量要求也相对较大；营养液水培法和基质栽培法最大的优点是处理条件可控，利于盐胁迫处理梯度设置和变量控制，但对幼苗的生长时期和植株状态要求较高，且一般用于少量材料的耐盐性评价；组织培养法利用细胞的全能性，可节省育苗时间，组培苗对盐胁迫也更为敏感，处理条件更易控制，但可鉴定的表型相对较少，且对试验技术和设备要求较高（李青 等，2017）。几种方法各有优劣，可根据试验材料的数量、试验目的和试验条件灵活搭配选用。

黄瓜耐盐性评价中常用的数据分析方法主要有隶属函数分析、聚类分析和主成分分析。隶属函数分析是指将各个指标的测定值转换为隶属函数u（x），根据多个指标隶属函数值的平均值来评价品种的耐盐性（董志刚 等，2008；徐慧妮 等，2011；曹齐卫 等，2014；潘俏 等，2018）。聚类分析是指根据多项指标数据，采用离差平方和法进行系统聚类，划分材料的耐盐性（朱进 等，2006a；董志刚 等，2008；曹齐卫 等，2014）。主成分分析是指将多个评价指标转换为几个代表性强的指标作为主成分，依据主成分贡献率计算品种主成分得分，根据综合得分评价品种耐盐性的强弱（李青等，2017）。门立志等（2013）和王喜涛（2014）通过调查黄瓜幼苗叶片受害程度进行耐盐分级，同时综合运用聚类分析、隶属函数分析和主成分分析法，批量完成了多个黄瓜品种的耐盐评价。王广印等（2004）和赵桂东等（2014）根据种子发芽率、发芽指数、活力指数及幼胚一级侧根数等4个发芽指标的综合得分对黄瓜种子的耐盐性进行评价，也是一种较为简便快速的黄瓜芽期耐盐性评价方法。

1.2 黄瓜耐盐性评价结果

黄瓜种质资源的耐盐性评价需要借助具体的评价指标（表1），由于评价指标的多样性，黄瓜种质资源的耐盐性尚未有十分准确的界定标准，只能结合有关报道，初步认定部分种质的耐盐性（表2）。其中津春4、津研4、07-6、07-9、07-10等5个品种在不同试验中的评价结果存在差异，这可能是不同的评价方法造成的。此外，邱岸（2013）对111个不同生态类型的黄瓜种子进行盐胁迫处理，结果显示黄瓜的耐盐性为欧美加工型＞华南无刺型＞华南浅绿（白）型＞华北密刺型。曹齐卫等（2014）对不同生态类型的143个黄瓜品种进行耐盐性鉴定，认为耐盐性依次为欧美加工型和欧洲温室型＞华南型＞华北型。

表1 黄瓜耐盐性鉴定评价指标

表2 黄瓜品种耐盐性评价结果

2 盐胁迫对黄瓜生长发育和生理的影响

2.1 盐胁迫对黄瓜生长发育的影响

研究黄瓜的耐盐反应是评价黄瓜耐盐性的基础，对于黄瓜耐盐品种的选育具有重要意义。不同程度的盐胁迫对不同生长发育时期的黄瓜影响不同，目前对黄瓜耐盐反应的研究主要集中在黄瓜的发芽期、幼苗期及成株期。

研究表明，大部分黄瓜品种的发芽势、发芽率和相对发芽率随着盐浓度的增加而降低，相对伤害率随着盐浓度的增加而加大（邱岸 等，2013；沈季雪和蒋景龙，2017）。而毕静静等（2012）、程李香等（2012）和王喜涛（2014）分别在30、25 mmol·L-1和50 mmol·L-1的低盐浓度胁迫下，发现个别黄瓜品种出现了发芽率和发芽势显著上升的情况。

盐胁迫对黄瓜幼苗期的伤害主要表现在黄瓜幼苗生长受到明显抑制，株高、茎粗、根长、叶片数、最大叶长、最大叶宽及植株干质量、鲜质量和含水量等均不同程度降低，且随着盐浓度及处理时间的增加，叶片也会表现出明显的黄化症状，植株萎蔫及死亡速度显著加快（沈季雪 等，2016；程元霞，2018）。此外，王素平等（2006）和朱进等（2006b）均发现25 mmol·L-1盐浓度是盐敏感黄瓜幼苗是否受剧烈盐伤害的参考临界值，而耐盐黄瓜品种的幼苗则在50 mmol·L-1浓度盐胁迫下才会表现出显著的盐害反应。

黄瓜成株期耐盐性的研究，主要集中在对黄瓜产量及品质的影响两方面。研究发现当盐浓度超过0.91 g·L-1时，盐浓度每上升0.7 g·L-1，黄瓜产量降低15.9%（Chartzoulakis，1992）。Ho和Adams（2006）的研究表明3.85 g·L-1的盐浓度是黄瓜果实干质量下降的临界值。Trajkova等（2006）的研究表明，在2.1 g·L-1和3.5 g·L-1盐浓度下，黄瓜产量随盐浓度增加而降低，同时发现果实可溶性固形物的含量显著增加。吕慧娟（2006）以耐盐黄瓜品种中农12号为材料，发现在盐浓度＜2.97 g·L-1时，黄瓜果实的可溶性糖、膳食纤维以及VC含量随着盐浓度的升高而显著增加。黄远（2010）发现在30 mmol ·L-1和60 mmol·L-1盐胁迫下，盐敏感黄瓜品种津春2号的果实中可溶性糖含量也上升。因此，虽然盐胁迫会降低黄瓜的产量，但会在一定程度上提高部分黄瓜品种的品质，然而，不同黄瓜品种的各项品质指标变化存在差异，需要进一步探究。

2.2 盐胁迫对黄瓜生理生化特性的影响

植物在高盐环境中会受到两种类型的胁迫，一种是渗透势的变化导致水分吸收减少而引起的植物失水，另一种是由于土壤有毒离子如Na+的积累而引起的离子毒性（Gong et al.，2020）。这两种胁迫对黄瓜生理生化指标的影响主要通过渗透调节、光合作用、氧化胁迫及其他作用途径（图1）。渗透调节途径主要指盐胁迫引起的黄瓜丙二醛（MDA）积累，细胞膜透性增大，胞内的电解质及其他小分子物质大量外渗，相对电导率增大（沈季雪 等，2016；张环宇，2018；赖伟 等，2020），地上部和地下部Na+/K+、Na+/Ca2+比值均显著升高（燕飞等，2014；刘云芬 等，2019），脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖类和可溶性蛋白等渗透调节物质增加（邵俏赛，2015）。光合作用途径主要指盐胁迫导致黄瓜光合色素（叶绿素和类胡萝卜素）、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）等光合指标下降（Baker，1991；束胜 等，2012；Shu et al.，2012a）。氧化胁迫途径主要指盐胁迫下黄瓜中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）和转谷氨酰胺酶（TGase）等抗氧化酶的活性提高，且随着盐浓度的增加呈现先上升后下降的趋势（Naliwajski &Skodowska，2014；张海军，2016；赖伟 等，2020；姚佳丽 等，2020；Shu et al.，2020）。其他作用途径包括黄瓜生理结构的改变，叶绿体变形，基质类囊体片层结构垛叠程度下降，淀粉粒变小且数量减少，出现大量嗜锇颗粒（童辉 等，2012；Shu et al.，2012b），以及ABA和IAA等激素水平的上升（李晓辉，2014；孙士涛，2017；Chen et al.，2017）。

图1 盐胁迫对黄瓜生理生化特性的影响

3 黄瓜耐盐性的遗传分析及相关基因的挖掘

黄瓜耐盐性是由多基因控制的，遗传规律非常复杂。李艳茹和司龙亭（2011）以黄瓜耐盐自交系和不耐盐自交系为亲本，构建6世代群体，采用数量性状主基因+多基因模型分析法，发现黄瓜幼苗耐盐性遗传受1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因控制。王喜涛（2014）以黄瓜幼苗地上部鲜质量为指标，发现耐盐性在F2分离群体中符合正态分布，表明黄瓜耐盐性属于多基因控制的数量性状，符合加性-显性遗传模型，主要由基因加性效应控制。Liu等（2021）发现黄瓜幼苗盐害指数在重组自交系（recombinant inbred lines，RILs）群体中也呈正态分布，认为黄瓜幼苗耐盐性属于多基因控制的数量性状。

目前黄瓜耐盐性相关基因挖掘及分子响应机制方面的研究较少，缺乏耐盐分子标记和基因定位研究。Liu等（2021）通过评价RILs群体的苗期耐盐性，检测到1个与盐害指数相关的主效QTL，该位点位于6号染色体上，这是目前首个报道控制黄瓜苗期耐盐性的QTL。其他研究主要集中在盐胁迫处理下，已知耐盐相关基因在黄瓜中转录水平的变化（表3）。这些基因在黄瓜中的表达变化与其在拟南芥中的变化趋势基本一致，推测SOS（saltoverly-sensitive，超盐敏感）、ABA等调控途径在黄瓜耐盐响应中的作用机制与拟南芥类似，需要进一步验证。转录因子方面，王立伟（2017）发现与拟南芥盐响应蛋白AtGT-3b同源的黄瓜转录因子CsGT-3b，可以与CsSAMs基因启动子的盐诱导元件GT-1互作，通过调控CsSAM基因的表达来响应盐胁迫。朱永兴（2016）利用RNA-seq技术对盐胁迫处理下的黄瓜根系和叶片进行转录组深度测序，发现ERF（ethylene responsive factor）、WRKY和MYB（v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）等205个转录因子在盐胁迫下存在差异表达。白雪（2020）发现在盐胁迫下，WRKY转录因子家族基因CsWRKY46的表达量在黄瓜叶片和根部均显著上调。李巧丽（2020）发现NaCl胁迫处理6 h后，转录因子家族基因MYB108、ERF4、ABCG3和ABCI7的表达量显著上调，而WRKY19和WRKY54则在NaCl处理48 h后显著上调，说明黄瓜中存在复杂的转录调节网络来应对外界盐胁迫。

表3 植物耐盐相关基因在盐胁迫下黄瓜转录水平上的分析

此外，有研究以黄瓜、拟南芥和烟草为材料，通过转基因的方式分析验证耐盐相关基因在黄瓜中的功能（表4），这对于研究黄瓜的耐盐反应及通过基因工程培育黄瓜耐盐品种具有重要意义。

表4 黄瓜耐盐相关基因的转化分析

4 提高黄瓜耐盐性的途径

4.1 嫁接

嫁接是目前提高黄瓜耐盐性应用最为广泛、有效的途径，现阶段主要使用南瓜作为砧木。它可以从渗透调节、光合作用、抗氧化酶调节及内源激素调节等多个途径综合提升黄瓜对盐胁迫的响应强度，进而提高黄瓜的耐盐性。渗透离子方面，南瓜砧木具有较高的Na+外排和根系保留能力，可降低Na+向地上部的转运，同时促进植株对K+、Ca2+和Mg2+的吸收，改善离子含量比例，从而提高黄瓜的耐盐性（王永传，2006；Huang et al.，2013；Sun et al.，2018）。渗透调节物质方面，在盐胁迫下嫁接黄瓜中游离脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质含量均高于自根黄瓜（姜涛 等，2008）。此外，王丽萍等（2012）发现白籽南瓜砧木嫁接可调节黄瓜植株体内氮素代谢，提高渗透调节能力，有效地缓解盐胁迫对黄瓜植株的伤害。光合作用方面，以南瓜为砧木的嫁接黄瓜植株净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和叶绿素含量等光合作用指标均显著高于黄瓜自根植株（王永传，2006；杨立飞 等，2006；姜涛 等，2008）。抗氧化酶调节方面，高俊杰等（2008）发现在盐胁迫下，嫁接黄瓜叶片Cu/Zn-SOD mRNA、Mn-SOD mRNA和CAT mRNA的相对表达量均高于自根黄瓜，SOD、Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和CAT活性也均高于自根黄瓜，而嫁接黄瓜叶片MDA含量和电解质渗漏率均低于自根黄瓜，说明嫁接黄瓜具有较高的活性氧清除系统，可以减少活性氧物质的危害，提高其耐盐性。内源激素调节方面，杨立飞（2007）的研究结果表明，NaCl胁迫下，嫁接植株脱落酸（ABA）含量一直表现为上升趋势，而自根植株则表现为先上升后下降，嫁接植株积累ABA较快，并且在盐胁迫初期表现明显，嫁接苗对盐胁迫有较快的感知性，通过信号转导，快速启动一系列抗逆相关基因的表达，调控植株应答逆境环境。

4.2 化学物质或外源激素诱导

使用化学物质提高植物的耐盐性也是一种较为常用的方法。研究表明，氯化胆碱、氯化钙、过氧化氢、富氢水以及一定量的微量元素等外源物质可以在一定程度上缓解黄瓜的盐胁迫伤害，促进黄瓜种子萌发与幼苗生长（张永平，2011；马宗琪 等，2012；张海那，2018；朱利君 等，2019；马嘉伟 等，2020）。施用外源腐胺、亚精胺等多胺可有效缓解盐胁迫对黄瓜种子和幼苗的伤害，提高其耐盐性（杜静，2016；张铖锋 等，2019；王丹怡 等，2020）。外源NO可以显著缓解盐胁迫对黄瓜幼苗生长的抑制，同时可以显著提高幼苗的可溶性蛋白含量，增强SOD、POD、CAT的活性，从而减轻黄瓜幼苗盐胁迫下造成的氧化损伤，提高黄瓜的耐盐性（樊怀福，2007；张爱慧 等，2011）。

外源激素对提高植物的耐盐性也有一定的作用，在盐胁迫下对黄瓜幼苗外施ABA、水杨酸（SA）、表油菜素内酯（EBL）及赤霉素（GA）等激素，可以缓解相对电导率、叶绿素和丙二醛含量的变化，提高光合作用，同时增加POD和SOD的活性，从而提高黄瓜的耐盐性（钟新榕 等，2005；安亚虹，2016；张环宇，2018；Miao et al.，2020）。此外，孙彤彤等（2019）使用温汤浸种的方法，发现外源SA浸种、油菜素内酯（BR）浸种以及SA+BR复配浸种3种处理方式，均提高了盐胁迫下黄瓜幼苗净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度，其中SA+BR复配浸种的作用效果介于两个单剂处理之间。

4.3 生物诱导

黄瓜生长环境中的部分微生物也可以提高黄瓜的耐盐性。研究表明丛枝菌根真菌（AMF）可显著促进盐胁迫下黄瓜幼苗体内渗透调节物质的积累，提高抗氧化酶活性，有效降低体内膜脂过氧化水平，缓解盐胁迫对植株的伤害，从而增强黄瓜幼苗对盐胁迫的耐性（韩冰 等，2011）。李咏梅（2015）发现在盐胁迫下，BBS（Bacillussp.AR156+Bacillussp.SM21+Serratiasp.XY21）家族各菌株或者菌株合剂的菌体对黄瓜生长都有一定的促进作用。李华山等（2017）将农杆菌DF-2接种到黄瓜幼苗上，使其获得了更高的耐盐性。钱兰华等（2019）研究表明属于巨大芽孢杆菌的B7菌株显著提高了黄瓜耐盐促生能力，有一定的应用前景。韩泽宇（2019）通过将高效耐盐菌株NX-3与黄瓜幼苗生长的优势促生菌NX-48复配成菌液，有效提高了黄瓜幼苗的耐盐性，促进其生长发育。

5 问题与展望

盐胁迫严重影响黄瓜的生长发育，培育耐盐品种是提高黄瓜耐盐性最根本的方法。目前黄瓜已完成全基因组测序，对于黄瓜的耐盐反应也已有较多不同层次的研究。同时，随着科技的不断进步，转录组、蛋白质组、代谢组等组学，以及cDNA芯片、EST文库测序、高通量测序、CRISPR/Cas9等技术的不断成熟，也为黄瓜耐盐胁迫育种的研究提供了更为高效的理论和技术支持。黄瓜耐盐胁迫育种研究工作今后需要聚焦以下方面。

①黄瓜耐盐种质资源的鉴定和筛选。耐盐种质资源的挖掘是黄瓜耐盐胁迫育种的物质基础，黄瓜种质资源丰富，但绝大部分并未经过耐盐鉴定，不利于育种工作的开展。此外，准确、高效的黄瓜耐盐性鉴定和筛选体系也尚未建立，导致部分品种在不同试验中的评价结果存在差异。因此，应在广泛收集国内外黄瓜种质资源的基础上，进一步建立可靠高效的黄瓜耐盐性鉴定体系，对种质资源进行各个生长时期的耐盐性鉴定，挖掘耐盐种质。

② 黄瓜成株期耐盐性的研究。目前黄瓜耐盐性研究主要集中在芽期和苗期，然而随着设施生产的普及，人工催芽和基质育苗等措施可以有效避免黄瓜在芽期和苗期受到盐胁迫的影响，但黄瓜成株期出现的盐害问题则较难解决，亟待进一步研究。因此，以产量和品质为主要目标性状，鉴定和筛选黄瓜成株期的耐盐品种，对于培育高产、优质的黄瓜耐盐新品种具有重要意义。

③黄瓜耐盐相关基因的挖掘及黄瓜耐盐机理的解析。目前已有研究表明黄瓜耐盐性属于多基因控制的数量性状，但尚未克隆到相关耐盐基因，黄瓜的耐盐机理也未见报道。因此，通过数量性状位点（QTL）定位和全基因组关联分析（GWAS）等方法挖掘黄瓜耐盐胁迫相关候选基因，并结合生物信息学和多组学分析黄瓜的耐盐机理，将是黄瓜耐盐研究的重点。

④ 基因工程在黄瓜耐盐胁迫育种中的应用。通过转基因和基因编辑等方式可以准确验证黄瓜耐盐相关基因的功能，同时可以通过对目的耐盐基因的精准编辑来快速培养耐盐新品种。转基因和基因编辑等技术在黄瓜中已成功应用，但目前黄瓜耐盐相关基因的转化多集中于将外源耐盐性基因导入黄瓜，基因敲除以及通过基因工程培育黄瓜耐盐新品种的研究相对较少。加强基因工程在黄瓜耐盐胁迫育种中的应用，可以极大地加快黄瓜耐盐胁迫育种的进程，具有广阔的发展前景。