水稻耐盐碱生理机制与遗传改良的研究进展

林 兵， 赵步洪

(1.江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农学院，江苏扬州 225009； 2.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏扬州 225007)

水稻(L.)是世界上最主要的粮食作物之一，全球有一半以上人口以水稻为主食，也是一种对盐害中度敏感的作物。耐盐碱水稻(saline alkali tolerant rice)是指能在盐碱(通常指NaCl和NaCO)集聚含量较高的土地里生长发育，对高盐碱浓度的环境有较好的耐性的水稻。盐碱危害是一个影响全世界各种作物生长发育的不容忽视的问题，对作物的危害贯穿其整个生育期。水稻对盐碱危害表现为中度敏感作物，其对碱性盐(NaCO)危害的敏感程度要大于中性盐(NaCl)，而目前大多数的研究主要集中在中性盐(NaCl)上，碱性盐(NaCO)对水稻危害研究相对较少。据相关统计，盐碱危害对作物产量形成的影响高达40%以上，而我国盐碱土地和滩涂面积为2 400万hm左右。我国自古以来就是一个农业大国，地大物博。现如今，随着时代的迅速发展以及我国人口的不断增加，我国可用于耕作的土地面积却不断减少，现代化的耕作制度及灌溉方式的失当对盐碱化土地的滋生影响颇大。针对面积如此庞大的盐碱地，其资源的开发、利用以及研究耐盐碱水稻生理特性、培育耐盐碱水稻成为目前一个热点话题。

作为水稻生理研究不可或缺的一部分，水稻耐盐碱性生理在国际上一直广泛受到科研工作者的重视，在耐盐碱性水稻的遗传改良方面做了大量工作。本文从盐碱胁迫的调节机制、外源物质对盐胁迫的影响、数量性状位点(QTL)定位、种质资源筛选与鉴定、品种选育等方面概述了水稻耐盐碱胁迫生理机制和遗传改良方面取得的研究进展，讨论了存在的问题和今后研究的重点，以期为耐盐碱水稻品种的选育和减轻盐碱危害提供参考。

1 水稻耐盐碱胁迫的生理机制

盐碱胁迫在作物漫长的发育进程中主要表现为离子失衡和渗透胁迫，能够造成植物基因结构的改变，发芽延缓，生长受抑制和光合能力下降等。当外界中的无机盐离子进入植物细胞达到一定浓度时，则会对植物产生毒害作用，致使质膜破坏，透性增大，选择性吸收功能丧失，大量无机离子涌入植株体系，导致植株体系内环境紊乱，代谢失调，甚至植物死亡。无机盐离子主要通过根系的吸收、跨膜运输以及转运蛋白运载等方式进入植株体内从而影响植物生长发育的各个进程。植物须应对这2种胁迫才能在盐碱环境中完成正常生长发育。

1.1 无机离子吸收调节机理

水稻各部位中Na和K含量是影响水稻耐盐碱能力的一个关键因素，在水稻生理研究上，常用K/Na的相对含量来判断水稻耐盐碱性强弱，通常来说，K/Na的比值越大，植株耐盐性越强。由于不同部位的K/Na比值差异较大，所以水稻耐盐性不能用K/Na指标一概而论。植株绿叶等幼嫩组织的K/Na较大，因此在植物离子运输平衡时应首先保证其绿叶等幼嫩组织的K/Na较高，使植株盐害程度降低，并且在衡量植株盐害试验中，应选择在适宜的盐胁迫下，结合植株实际受害情况，以K/Na为参考，综合评判植株的耐盐性。徐芬芬等研究表明，每个水稻生长阶段的根系生物量均表现为NaCO处理的碱害低于NaCl处理，NaCO胁迫对侧根的生长危害较NaCl更大，但在同一Na浓度下，侧根的长度、直径以及数量等指标均表现为NaCO胁迫盐害低于NaCl胁迫。盐胁迫下，水稻株系中不同器官的Na和K积累量存在显著性差异，其差异性主要表现在根系，根系聚集Na能力较强，叶片、叶鞘则吸收较多的K，而盐敏感型品种则通过根系吸收Na和K来调节Na/K的稳态，减少渗透胁迫，从而维持植株的正常生理代谢活动。耐盐品种相比于盐敏感型品种积累了更多的生物量，通过对作物体内盐分“稀释”来缓解盐胁迫，从而抑制了Na向地上部运输。

1.2 植物根系对无机离子的吸收与调控

植物的根是最先感知土壤盐碱度的器官，Na首先为根所吸收，然后输送至茎、叶等幼嫩部位。目前水稻是通过何种方式来感应盐胁迫，什么是水稻的盐感受器，尚缺乏研究。根分生组织位于根尖，Wu研究发现，耐盐小麦品种根分生组织区胞质Na含量显著高于盐敏感品种，耐盐小麦在根分生组织区细胞胞质溶胶中缓冲或耐受钠离子增加的能力更强；从耐盐小麦品种中去除根分生组织区，结果叶肉细胞中的Na浓度被改变，并导致盐敏感性表型改变。Chen等报道了水稻钾转运蛋白()基因家族成员钾转运体()在K缺乏或盐胁迫环境下各种组织中表达上调，特别是在根和茎的顶端分生组织、根的表皮、中柱以及茎的维管束中。以上结果表明根分生组织可能是根用来感受盐胁迫的一个区域。植物对Na的吸收主要与膜系统上可用于生物膜内外化学物质转换和信号传递的转运蛋白有关，包括H-ATPase、Na/H转运蛋白和通道蛋白等。这些蛋白质不仅运输矿物质营养，还提高耐盐性，离子稳态由膜转运蛋白维持，如盐过度敏感(SOS1)、Na/H交换剂(NHX1)、H-ATPase、高亲和力K转运蛋白(HAK和HKT)；HKT亚家族Ⅱ作为 Na-K 共转运子发挥功能，阻止植物受到盐度胁迫。HKTs被细分为2个亚家族，亚家族Ⅰ结构的第1个孔域中有1个甘氨酸残基，由Na选择性转运蛋白组成，亚家族Ⅱ在第1个孔结构域中有丝氨酸残基代替甘氨酸，由Na和K均可渗透的转运蛋白组成。SOS1和HKT1蛋白是糖生植物和盐生植物用来耐高盐度胁迫最重要的转运蛋白，SOS1将钠离子输出到根外，并促进其进入木质部，从而保护根免受盐胁迫的损伤；而HKT1样蛋白从木质部卸载Na，并帮助将Na隔离到木质部薄壁细胞中，但目前这两者对Na的装载与卸载的协同作用还缺乏研究。Demidchik等研究表明，NSCC(非选择性阳离子通道)是Na进入植物根系的主要途径。Alqahtani等研究报道，PQL(酵母PQ环)编码蛋白是由NSCCs提出来的，当在烟叶表皮和稳定的拟南芥转化体中瞬时过度表达时，绿色荧光蛋白标记的PQL蛋白定位于胞内膜结构，与未受盐胁迫的植物相比，盐胁迫增加了茎组织中、和的表达；拟南芥和大麦中的PQLs定位于内膜室，最有可能是液泡膜，和是位于液泡膜上的对Ca敏感、对电压不敏感的NSCC。Zepeda-Jazo等研究表明，NORC(非选择性外向整流电导)在耐盐基因型中的表达较低，由于NORC能够介导K流出和Na流入，认为限制其活性可能对盐胁迫下的植物生长有益。

液泡中的Na/H反向转运蛋白(NHXs)在细胞酸碱度和钠、钾稳态中起重要作用，可以将胞质内的Na排出，稳定离子含量，提高水稻的耐盐性。如Zeng等观察到，从不育且耐盐的菊芋中鉴定出的2个NHX同源物或的表达提高了水稻的耐盐性，而在钾限制的盐胁迫或一般养分缺乏条件下，一般表达，但不表达，可提高水稻产量、收获指数和总养分吸收。NHX可以调节Na的区室化流出，从而降低Na的毒性，石榴NHX基因家族中基因中存在多种参与非生物胁迫的顺式作用元件，qRT-PCR(实时定量PCR技术)分析表明，在盐胁迫下具有组织特异性表达模式，在细胞中对维持Na/K平衡起到重要作用，与Na的吸收与转运有关，在根中表达水平相对较低，在叶中表达水平较高。相关研究还表明，过量表达的转基因植株具有较大的K液泡库，但是在盐胁迫下没有观察到Na积累增强，有足够的能力保留细胞内K和抵抗盐胁迫，这表明NHX蛋白可能是H连接的K转运蛋白的候选蛋白，促进了液泡膜对K的主动吸收，维持了液泡中Na和K的平衡以及胞质中K的分配。

1.3 渗透调节机制

在逆境条件(如盐碱、干旱)下，植物体内的游离脯氨酸的含量会显著增加，并会伴随启动一些相关基因的表达，以此来增强植株对逆境的忍受能力。渗透调节机制是衡量植株耐盐碱能力的一种重要方式。在盐胁迫条件下，脯氨酸的积累在植物维持正常代谢过程中起到关键性作用，通常表现为在细胞内积累大量的渗透物质，以降低细胞的渗透势。随着外界盐浓度的增加，脯氨酸含量显著上升，过氧化物酶(POD)含量则呈下降趋势。在20世纪末贺道耀等成功分离出耐羟基脯氨酸(Hyp)愈伤变异体，该变异体富含高脯氨酸，其含量比原型高2.6倍，随盐浓度的增加，变异体的脯氨酸增加量也比原型更显著，耐盐性较原型强。曲雪萍等研究表明，种子萌发期和幼苗期高脯氨酸变异系杂交株系耐盐能力比原型品种要强，同时也证明出高脯氨酸变异系的高脯氨酸含量和耐盐能力是可遗传的。盐胁迫会导致植物丙二醛大量积累，破坏细胞膜的通透性，对于耐盐性强的品种，丙二醛含量积累相对较少，但是当盐浓度增加时，也会导致丙二醛积累量增加，细胞质膜受损后细胞膜透性增加，渗透调节是植物维持稳定内环境的重要机制。其中，渗透调节物质脯氨酸含量则是体现植物耐盐性强弱的重要生理指标。

1.4 激素调节作用

在水稻抵抗盐碱胁迫的过程中，其内源激素可直接对植株的生长发育起调节作用。在传统的5类植物激素中，生长素(IAA)、赤霉素(GA)、细胞分裂素(CTK)属于促进植物细胞生长的激素，而脱落酸(ABA)和乙烯(ETH)属于抑制细胞生长的激素。王培培通过研究PLD(植物磷脂酶)和PA(植物磷脂酶水解产物磷脂酸)对PID(植物激酶蛋白)活性的调控及其耐盐性的影响发现，在盐胁迫条件下，PLDα1和PLDδ被激活，产生信号分子PA，提高了质膜PIN2(磷酸化质膜蛋白)转运IAA的活性，从而促进了IAA的生物合成和植物的盐应答。高添乐等通过喷施GA对玉米的鲜质量、叶绿素含量、CAT(过氧化氢酶)活性以及SOD(超氧化物歧化酶)等活性的变化进行研究，发现通过喷施GA能够有效地缓解盐胁迫对植物各种生理指标的抑制作用。廖祥儒等研究发现，CTK缓解盐胁迫可能与植物细胞内HO清除酶类的刺激作用有关，但CTK对CAT和POD的具体作用相关研究较少，其作用机制仍需深入研究。Zhang等研究报道，棉花中编码的膜联蛋白基因，在受到外源植物激素ABA和盐胁迫时表现强烈上调，结果揭示通过调控ABA积累、协调离子来增强棉花耐盐性的功能。Khan等研究发现，乙烯对解除种子休眠没有显著作用，对盐胁迫起到了一定的缓解作用。

5大类传统植物激素能对植物抵抗盐胁迫产生一定的影响，除此之外，一些外源激素的调控也可对盐胁迫下的植物生长产生影响。如褪黑素(MT)是一类广泛存在于动植物体内的吲哚类化合物。在盐胁迫下，喷施MT可显著增强植物对N、P、K的吸收，减少Na的积累，维持植株体系内的离子稳态，从而显著地提高了水稻的耐盐性；水杨酸(邻羟基苯甲酸，SA)作为一种内源信号传导物质，施用一定浓度时，可通过增加可溶性糖促进盐胁迫下大豆种子的萌发，维持植株体系稳态。大量研究表明，通过施用不同种类、适宜浓度的外源激素，植株能对盐碱等逆境胁迫的抗性有一定的促进作用。

2 水稻耐盐碱的遗传改良

2.1 水稻数量性状位点分子标记

水稻耐盐碱性是由多个遗传数量性状位点控制的复杂性状，是多个耐盐碱性生理的集中体现。水稻种植在盐碱地会直接导致产量急剧下降，甚至直接导致水稻无法正常生长或死亡。因此深入研究水稻耐盐碱性遗传机理，对进一步培育耐盐碱水稻、扩大我国耕地面积、提高粮食安全生产具有重要意义。通过高密度分子标记连锁图等对耐盐基因进行定位(QTL)是水稻耐盐碱分子育种不可或缺的步骤之一。多年来，研究学者在分子标记技术层面成果颇丰，对耐盐碱水稻的研究可定位到整个生育期的耐盐QTL，但主要集中在芽期和苗期。武琦等以小白粳子×空育131为亲本组合，以200个RIL株系为作图群体，在盐碱胁迫条件下对水稻芽期的相对根长、相对苗数、相对苗高以及地上部的Na、K浓度等指标进行测定，结果检测出4个与相对根长、相对苗数、相对苗高相关的QTL位点，其中位于第12号染色体RM27462～RM1302区间与相对根长有关的基因的贡献率最大，为11.41%。而李佳锐等以相同群体材料对盐碱胁迫下水稻的地上部Na、K含量以及Na/K等耐盐碱性状进行QTL分析，结果共检测出15个QTL位点，其中在盐胁迫下与地上部Na浓度有关的位于第9号染色体RM160～RM24315区间的的QTL贡献率最大，高达28.00%；在碱胁迫中，与地上部Na浓度有关的位于第8号染色体RM547～RM22750区间的的QTL贡献率最大，可达14.99%。王雪莹以泸恢99×沈农265为亲本材料，报道了碱胁迫下在1号、7号和5号、9号染色体上分别检测出了2条与苗期相对根长、相对苗数有关的QTL，在2号、9号染色体上获得了与相对苗高有关的QTL，其中控制苗高的基因位于RM3700B～RM7424A区间，贡献率最大，为14.60%。黎明辉等以Koshi×Nona为亲本，在第9号、11号染色体上获得了2个关于发芽率的耐盐基因QTL，其中位于M9-15引物附近的贡献率为6.94%，为主效QTL。程海涛等在以CJ06×TN1为亲本的杂交后代的200余个纯合二倍体(DH)群体中，检测出3个与相对发芽率、相对发芽指数有关的耐碱QTL(、、)，它们对表型贡献率分别为6.59%、4.15%、4.72%，如表1所示。以上结果表明，水稻耐盐碱性遗传机理复杂，目前对于水稻耐盐碱遗传分析多以苗期、芽期为主，大多数定位到的耐盐碱QTL的贡献率较小，精度不足。

表1 水稻耐盐性和耐碱性QTL

2.2 耐盐碱种质资源的鉴定与利用

我国拥有大量的盐碱地，合理地将盐碱土地用于农业生产主要包括2种措施：盐碱地改良和耐盐碱水稻种质资源的利用。由于对盐碱地进行土壤改良成本过大，所以耐盐碱水稻种质资源利用的相关研究在农业生产中地位突出。水稻对盐碱的耐性在其各生育时期都不一样，有研究表明，在芽期和苗期水稻对盐碱的抗性相对较强。早在20世纪80年代，就陆续有研究者在已有的种质资源中鉴定筛选出了耐盐碱水稻一系列品种。由于水稻耐盐碱性是由多基因调控的庞杂性状，衡量水稻耐盐碱的相关指标比较丰富且复杂，因此耐盐碱水稻品种的筛选工作目前还不够深入和全面。如袁杰等选取409份水稻种质资源在新疆进行水培种植，对其进行耐盐性鉴定和水稻苗期耐盐性相关指标的测定，结果鉴定筛选出7份极耐盐和167份高效耐盐水稻种质资源；李姝晋等选用13份(编号为Ru23～Ru35)俄罗斯优质水稻品种进行盐胁迫试验，对水稻幼苗的苗高、叶数及幼苗存活率等指标进行测定，结果筛选出的Ru23品种耐盐性最强，而Ru26、Ru28、Ru29等属于盐敏感型品种；方先文等于2003年就前人鉴定出的38份水稻种质资源进行筛选工作，分别进行了发芽率试验，结果表明，浓度高的盐溶液能显著降低种子的发芽率，但品种间存在显著差异，高浓度盐溶液限制了极耐盐品种幼苗高度的增长，但其品种间无显著差异。对盐碱土地进行改良，成本高，效益低，试验管理难度大；从现有的种质资源中筛选出优质、耐盐碱性强的品种不仅成本低、高效而且还可提高水稻产量，筛选出的耐盐碱品种可对盐碱土地实行“以稻治碱”，为后续水稻育种和栽培生理研究提供良好的试验材料。

2.3 耐盐碱水稻品种的选育

除对已有的种质资源进行鉴定，筛选出耐盐、优质、高产的水稻品种外，耐盐碱水稻品种的培育是另一个极为重要的研究方向。水稻耐盐品种的选育自20世纪中叶就陆续有科研工作者开始研究，其研究方法以常规育种为主，即从现有的耐盐种质鉴定筛选，选出合适的亲本，再利用人工杂交和回交等方法将耐盐基因导入优质品种中培育新品系，然后再通过多年的盐胁迫试验鉴定筛选，选育出耐盐、优质、高产等综合性状优良的耐盐品种，并在生产上推广应用。

1939年，斯里兰卡育成了全球首个强耐盐胁迫的水稻品种Pokkali，其耐盐性可达0.3%以上，单位面积产量可达300 kg/667 m以上。国际水稻研究所(IRRI)研发的BR11-SalTol和BRRI dhan28-SalTol等水稻品种已在菲律宾等沿海地区进行了大田试验，具有耐盐性强和产量较高的特点。Reddy等利用具有耐盐性的品种进行杂交，培育出具有耐盐性的优良品种，并鉴定出5个与K/Na比值相关的分子标记，分别为5个SSR标记(以特异引物PCR为基础的分子标记技术)，有助于耐盐性水稻品种的鉴定。

我国耐盐碱水稻育种工作最早是从东部沿海等省份开展的，此项工作充分利用了沿海地理位置和含盐量高等优势，并在育种工作中取得了较高成就。石玉海等早期对400多份种质资源进行筛选，初步获得了一批较好的耐盐碱品种，并再以其作为亲本抗源，进行符合育种要求的有性杂交以及筛选工作，从获得的后代耐盐碱水稻材料中选出耐盐碱性强的定型品种，其中表现较好的品种有吉89-45和吉90-84等。陈香兰等通过组织培养方式将水稻去壳后脱分化处理好形成愈伤组织，进行继代培养，形成119份组培水稻材料(D水稻)，进而将D水稻进行盐碱地实地种植筛选，从中选择出7份耐盐碱性等综合性状指标较好的水稻新品系，结果表明，674-4为最耐盐碱、优质、高产的品系。张俊国等以长白9号为母本、秋田小町为父本进行杂交，在F代中选拔优良单株，然后在选种圃选出稳定优良的系统吉96-117，经过耐盐性试验鉴定，最后选育出优质、高产、耐盐性强的吉丰8号(吉96-117，吉97-8)，连续2年参加省生产试验，2年平均产量7 983 kg/hm，与对照品种相比增产0.93%。李景鹏等采用系谱法从后代中选育出农艺性状良好、优质、高产、高抗稻瘟病、耐盐碱品种东稻12，经1年生产试验，产量可达8 978.1 kg/hm，2017年该品种通过吉林省农作物品种审定委员会审定，适宜在吉林省等中熟稻地区种植。

3 水稻耐盐碱性生理研究存在的问题与展望

3.1 水稻耐盐碱的生理机制与指标

粮食安全生产始终是一个不容忽视的关键性问题。我国拥有大面积的盐碱土地和滩涂土地，无法直接种植农作物，多年来，众多科研工作者致力于植物耐盐碱机制的研究，并已取得了许多成果。而水稻耐盐碱性是一个复杂的生理过程，关于水稻耐盐的生理生化机制还不清楚，相关指标还不明确。K在逆境下维持植物的正常生长发育过程中起到关键作用，植物基因家族成员作为质膜H/K共转运体发挥调节化学渗透作用，但目前对HAK蛋白研究得还不够深入，与其他蛋白的互作效应以及在逆境中的协同调控研究较少，因此下一步研究需结合基因编辑、分子育种等技术深入探讨其作用机理，促进植物对K的吸收，阻隔Na进入，扩大液泡的“储存”空间，提高耐盐碱性。水稻根系是植株对盐胁迫的感应器官，目前针对水稻是如何感应盐胁迫、什么是其感应位点的研究还不够全面，盐碱胁迫与根系组织的作用机理是下一步的研究重点。

3.2 水稻耐盐碱基因定位及分子标记改良

传统意义上的QTL定位指的是分子标记与目标性状QTL连锁的关系，通过构建作图群体，确定QTL与分子间的交换律与QTL 的具体位置，但此种方式时间长并且可用于检测的等位基因较少，且目前水稻耐盐碱基因定位多以某一生育时期(芽期、苗期)为主，耐盐基因定位研究多于耐碱基因，存在定位的精度不足、评价指标单一、贡献率不够高、贡献率高的QTL不稳定等缺陷。因此今后的研究重点应着重创新与完善耐盐碱性综合评价指标的基因定位，利用突变体等措施分离水稻耐盐碱基因来探寻新基因，QTL定位需多年重复鉴定提高其稳定性，可结合幼苗期与生殖期协同观察，进行耐盐碱性性状的精准表型鉴定。

3.3 减轻水稻盐碱胁迫的综合调控技术

深入研究减轻水稻盐碱胁迫的栽培技术，是提高盐碱水稻产量的一个重要内容。盐碱土地透水性差，当水层达到一定深度时，易造成根部缺氧，积水过多，营养不足，造成发芽势、发芽率低等情况，很难获得高产。保水缓释肥可以促进盐胁迫下的幼苗根系生长，提高水分利用效率，增加气孔导度，提高幼苗耐盐性。水源是种植耐盐碱水稻的前提，盐碱土地平整后即要建设良好的灌排水系统，开沟排水，采用淡水灌溉，淡水不仅有利于作物生长，还对盐碱地的改良起到促进作用，泡田洗盐，淡水洗盐次数应根据土壤盐碱程度而定。ABA广泛分布于高等植物中，被称为植物中的逆境激素，在植物应对盐碱胁迫时可以起到关键性作用。ABA预处理可以有效缓解盐碱胁迫对幼苗的总根长、根数、根表面积、根体积的限制作用，降低质膜的损伤程度和Na/K，提高幼苗的存活率，减少气孔导度和秧苗期水分蒸发，还可以在后期促进水稻生殖生长。外源施用Si可以显著提高盐胁迫下水稻的生物量、根系氧化力以及根和茎中营养元素的含量，降低水稻叶片中的丙二醛(MDA)含量。关于水稻耐盐碱性的激素调控及其他化学物质的调节的研究较少。今后需要在选用耐盐碱水稻品种的基础上，从耕作方式、水分管理、肥料运筹和化学调控等方面深入研究改良盐碱土、提高水稻的耐盐碱性及产量与品质的综合调控技术，并阐明其调控原理。