水稻耐鹽性的遺傳及育種研究進展

程保山　袁彩勇　羅伯祥

摘 要：鹽脅迫是影響水稻生長、造成水稻減產的重要環境因素之一，而提高水稻的耐鹽能力是解決這一問題最直接、最有效的方法，這也是當前水稻育種研究工作中的熱點。該文對水稻耐鹽性的機理、水稻耐鹽相關性狀的QTL定位和耐鹽基因克隆以及耐鹽水稻育種進展的情況進行了綜述，為耐鹽水稻新品種的選育提供參考。

關鍵詞：水稻；耐鹽；遺傳；育種；研究進展

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 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

鹽脅迫是限制水稻生長、造成水稻減產的重要環境因素之一，而土壤鹽漬化是制約水稻安全生產的主要因素[1]。水稻在鹽堿地種植會影響其個體形態的發育，嚴重時會造成水稻減產甚至死亡。我國鹽堿土地約有2 000萬hm2，其中江蘇省沿海灘涂面積約為70萬hm2，占全國灘涂面積的25%以上[2-3]。通過科學合理的水土管理和化學改良可以減輕鹽分對水稻的鹽害，但因費時、費力、見效少而不容易實現。因此，深入開展水稻耐鹽性的研究，選育耐鹽水稻品種，對于擴大水稻的種植區域、提高鹽堿稻區水稻產量和保證鹽堿稻作區糧食安全生產都具有十分重要的意義。

1 水稻耐鹽性機理

水稻演化于淡水沼澤植物，是對鹽分脅迫較敏感的一種作物[4]。水稻耐鹽性是指水稻鹽分脅迫能正常生產并形成一定產量的能力。鹽分脅迫對水稻主要產生2種脅迫效應，即滲透脅迫效應和離子脅迫效應。滲透脅迫效應會造成水稻不易從外界吸收水分，同時也會造成過氧陰離子含量增加，對細胞膜造成傷害，離子脅迫效應使細胞鈉離子富集，進一步導致水稻生長延緩，鈉離子的富集也會造成Ca2+、K+等離子的吸收受到抑制，造成水稻細胞中電解質紊亂[5]。水稻對鹽脅迫時反應主要包括：滲透調節、細胞膜的保護、離子的區隔化等。

1.1 滲透調節 鹽分脅迫對植物產生的傷害主要表現為細胞失水。植物避通過靠增加細胞中的溶質（可溶性小分子有機物質、蛋白質和無機離子）的含量來調節細胞內外的滲透壓差，從而維持細胞內外水分的平衡。根據調節溶質的不同可分為有機滲透調節和無機滲透調節，有機滲透調節主要通過兩種有機化合物進行調節：一種是小分子的有機化合物主要有可溶性碳水化合物、糖醇類、脯氨酸、甜菜堿和多胺類等，另一種是蛋白質，如水稻中的外源基因BADH、CMO等，它們可以明顯提高水稻的吸水能力，但本身不會對水稻細胞造成傷害，是植物耐鹽的重要原因。而參與無機滲透調節的主要是Na+、K+、Ca2+ 和Cl-等無機離子[6-7]。

1.2 細胞膜保護 在鹽分脅迫條件下，細胞質膜會受到鹽離子脅迫影響而受到損傷，主要表現為細胞膜的通透性增大和過氧化作用增強[7]。植物在正常情況下的酶促反應、葉綠體和線粒體的電子傳遞過程和一些低分子有機物的自動氧化反應，都會產生O2-和H2O2等活性氧，但它們很快能被植物細胞內的SOD、POD、CAT和APX等酶和非酶氧化劑所清除，使活性氧產生和清除處于動態生理平衡之中，從而維持細胞膜結構的穩定[8-9]。

1.3 離子區隔化 在鹽分脅迫的條件下，水稻通過調節無機離子的吸收和區域化來減輕鹽分脅迫對細胞造成的傷害。水稻以主動吸收的方式從周圍的介質中吸收無機離子，主要有Na+、K+、Mg2+、Cl-、Ca2+等[8]。鹽離子進入細胞后，大部分積累在液泡中，進行離子區隔化作用，從而通過降低細胞水勢來進行滲透調節。這些途徑普遍存在于鹽生植物和一些栽培植物中[10]。

2 水稻耐鹽性的分子基礎

2.1 水稻耐鹽性狀的QTL定位 水稻耐鹽性受多基因控制，屬于典型的數量性狀，在目前的水稻種質資源耐鹽性的遺傳分析中，除了在個別突變體和轉基因植株中發現有單個主基因控制的耐鹽性狀以外[23]，大多數水稻耐鹽性狀均受多個基因控制。近年來，水稻功能基因組學和分子標記技術的發展以及水稻基因組測序的完成，為水稻耐鹽性相關基因的挖掘和定位提供了很好的契機。目前，已利用AFLP、RFLP、SSR等分子標記手段從在水稻l2條染色體上定位的耐鹽QTL已有70多個[22]，其中以第1、2、6、7號染色體上定位的耐鹽性QTL居多，第10、11染色體上最少；其中有一部分為主效QTL，對表型變異的貢獻率最大可達到48.5%；檢測到的以與苗期耐鹽性相關的QTL居多。

Zhang等在水稻第7染色體上檢測到1個耐鹽相關QTL[11]。林鴻宣等在鹽脅迫條件下在第5染色體上的RG13位點定位了1個與幼苗存活天數相關的QTL，其表型貢獻率達到11.6%[12]。龔繼明利用窄葉青8號粳稻京系17的DH群體檢測到一個主效QTL-std和7個微效QTL，其中QTL-std位于第1染色體的RG612和C131之間，貢獻率達15.6%[13]。顧興友等以耐鹽性品種Pokkali和鹽敏感品種Peta構建的BC1群體，定位了4個影響苗期耐鹽性QTL，分別分布在第5、6、7和9染色體上；12個影響成熟期耐鹽性QTL，分布在7條染色體的1或2個連鎖區間上[14]。Prasad等在第6染色體上定位了7個耐鹽性相關的QTL[15]，Koyama等對水稻植株莖中的Na+、K+吸收量等5個性狀進行了QTL分析，共定位了11個與耐鹽性有關的QTL[16]。Lin等利用耐鹽品種Nona Bokra和鹽敏感品種越光為親本的F2：3群體，對水稻苗期耐鹽性進行了QTL定位，共定位了11個影響8個耐鹽相關性狀的QTL，其中與幼苗存活率有關的3個QTL，分別分布在第1、6和7染色體上，其中兩個為主效QTL，即SNC7和SKC1，兩者的貢獻率分別達48.5%和40.1%[17]。孫勇等利用IR64/Tarmom molaii構建的回交導入系群體對水稻苗期耐鹽性進行QTL定位，共定位了23個影響6個水稻苗期耐鹽相關性狀QTL，分別位于第1、2、3、4、6、7、9、10、11、12染色體上，其中有12個QTL與前人在不同群體中定位同一個或相鄰染色體區間，在位于第2染色體RM240-RM112區間定位了1個影響地上部所有4個耐鹽相關性狀的主效QTL[18]。汪斌等利用H359和Acc8558構架重組自交系群體對水稻苗期耐鹽性進行了QTL定位。共定位了13個QTL，分別位于第1、2、5、6、7和12染色體上，對表型變異的總貢獻率達到60.88%，其中位于第1染色體qSC1b的效應最大，表型變異貢獻率達45%[19]。Lee等利用密陽23和Gihobyeo構建的RIL群體在0.5%和0.7%NaCl兩種鹽分濃度下定位了2個耐鹽性的QTL，分別位于第1染色體和第3染色體，兩種鹽濃度下貢獻率分別達35.5%和36.9%[20]。Zang等利用IR64和Binam構建的回交導入系群體共定位了13個影響水稻耐鹽性的QTL，分別位于第1、2、3、6、8和11染色體[21]。Cheng等利用秀水09和IR2061構建的雙向回交導入群體定位到26個影響水稻苗期耐鹽性的主效QTL，分別位于除第6和第8染色體的所有染色體上[22]。汪斌等在R401輻射誘變的M2群體篩選到了1個耐鹽突變體，結合集團分離分析法將將該基因定位在InDel標記ID26847和ID27253之間，約2.3cM的區間內，與兩標記分別相距1.2cM和1.1cM[23]。

2.2 水稻耐鹽基因的克隆 水稻耐鹽性比較復雜，目前大多數都處于QTL定位階段，克隆的基因較少。Hu等從早稻IRA109的cDNA文庫中分離了2個耐鹽基因SNAC1和SNAC1，這2個基因都編碼具有反式激活活性的NAC轉錄因子，受到高鹽環境誘導表達。在這2個基因的過表達植株中，許多逆境相關基因都上調表達[24]。Huang等從EMS誘變的中花11突變體庫中篩選得到了1個耐鹽突變體，并通過圖位克隆的方法克隆了耐鹽基因DST，該基因是水稻耐鹽性的負調控因子，它編碼含一個C2H2類型鋅指結構域的蛋白質，是一個新型的核轉錄因子。該蛋白的2個氨基酸的變異顯著地降低了DST的轉錄激活活性。當其功能缺失時可直接下調過氧化氫代謝相關基因（如過氧化物酶基因）的表達，降低清除過氧化氫的能力進而增加過氧化氫在保衛細胞中的積累，促使葉片氣孔關閉，減少水分蒸發，最終提高水稻的抗旱耐鹽能力[25]。高繼平等利用Nona Bokra與越光構建的F2群體，在第1染色體上定位了名為SCK1的控制K+含量的主效QTL[26]。Ren將該QTL精細定位于第1染色體上7.4Kb的區間，并通過圖位克隆的方法克隆了該基因，SKC1基因編碼了含554個氨基酸的Na+載體蛋白，定位于細胞膜上，參與調解水稻體內的Na+、K+離子平衡；當水稻處于高鹽分脅迫時，SKC1編碼的載體蛋白可已將地上部富集的Na+轉運到根部，從而減輕Na+對水稻地上部分的傷害。提高水稻的耐鹽能力[11]。Cheng等通過反向遺傳學的方法克隆了一個耐鹽基因OsNAP，其屬于NAC家族成員，具有轉錄激活活性，受高鹽環境誘導表達，該基因過表達后也會引起許多逆境相關基因上調表達[27]。

3 耐鹽水稻的選育

3.1 水稻耐鹽種質的直接利用或常規選育 目前，水稻耐鹽育種仍以常規育種為主，通過水稻耐鹽種質資源耐鹽篩選和鑒定，已經篩選出了一些具有耐鹽性的種質資源[28]。利用雜交和回交選育方法將這些種質資源的耐鹽相關基因導入到生產上大面積推廣的水稻品種中，育成了一系列耐鹽性不同的水稻品種，并在生產上得到應用，如窄葉青8號、遼鹽2號、東農363、長白6號、長白7號、特三矮2號、長白10號、綏粳5號等耐鹽品種[29-35]，為擴大水稻的適應性和提高水稻產量作出巨大的貢獻。

3.2 生物技術與常規育種相結合 近年來，隨著組織培養技術和轉基因技術的發展，育種家開始將這些技術應用到水稻的耐鹽育種當中。田少華等利用EMS技術結合高鹽培養基作為培養條件，確定了誘發耐鹽突變的最佳誘變劑量和鹽脅迫水平[36]。金成海等通過組組織培養獲得體細胞無性系后代，經過篩選、鑒定，育成耐鹽、優質水稻品種長白13[37]。顧紅艷等選用津原101幼穗為接種材料，在NaCl脅迫下，通過組織培養獲得耐鹽株系，經過進一步的鑒定，育成國審耐鹽抗旱新品種津原85[38]。林秀峰等研究表明轉入BADH基因在水稻中能夠正常表達且耐鹽性也明顯高于對照[39]。郭龍彪等將5個耐鹽基因分別轉入了無耐鹽性的水稻品種，并結合常規育種，創造耐鹽新種質200多份[40]。

4 展望與建議

4.1 深入開展水稻耐鹽機制的研究 目前，大多數學者認為水稻的耐鹽能力主要取決于滲透調節和無機離子的吸收運輸調節，但具體如何調節還不清楚。如在鹽分脅迫下，哪些調節因子參與滲透調節中物質的積累？最初的信號接受和傳遞過程是什么？多個耐鹽基因之間是如何互作和調控網絡等？只有弄清鹽堿脅迫如何影響水稻不同的生長發育進程，才能為耐鹽育種設計有效可靠的選擇方法，從雜交后代分離群體中迅速而準確地選擇目標植株。

4.2 加強水稻耐鹽QTL定位和克隆 盡管近年來已鑒定出大量的水稻耐鹽QTL，但QTL定位的區間較大，定位群體多數是用特殊種質資源作為親本構建的，存在著復雜的QTL互作和QTL與遺傳背景之間的上位性互作，導致定位到的耐鹽性狀QTL無法直接的應用于水稻品種耐鹽性狀改良。隨著通過高密度遺傳圖譜的構建、作圖群體的改進、定位統計方法的完善以及新型分子標記的開發，大量的耐鹽QTL定位和克隆工作將會不斷的展開，為聚合耐鹽基因，培育具有多個耐鹽基因的水稻新品種，提高水稻耐鹽性奠定基礎。

4.3 積極開展水稻耐鹽堿種質的篩選、鑒定和創新 從現有的種質資源中積極篩選具有強耐鹽堿能力的水稻種質，特別是野生稻和地方品種資源的篩選與鑒定，通過常規雜交和分子育種的方法，將耐鹽基因轉入綜合性狀優良的水稻品種之中，創制耐鹽性較高的水稻新種質，為水稻耐鹽育種提供豐富的種質資源。

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（責編：張宏民）