油菜耐鋁毒機制研究進展

陳明　韓德鵬　肖小軍　李亞貞　呂偉生　王馨悅　黃天寶　熊 文　肖國濱　鄭偉

摘要 鋁毒已成為酸性土壤中影響作物生長和產量提升最主要的限制因子之一。油菜是我國重要的油料作物，主要種植在土壤酸化較為嚴重的長江流域各省區。油菜是對鋁毒較為敏感的作物之一，但耐鋁性機制尚不清楚。綜述鋁毒的產生、鋁毒對作物生長的影響、作物耐鋁毒機制以及油菜耐鋁性相關研究進展，為耐鋁高產油菜新品種培育研究提供參考。

關鍵詞 油菜；鋁毒；QTL定位；耐鋁基因

中圖分類號 S 565.4文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2023）15-0007-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.002

Progress on the Mechanism of Aluminum Tolerance in Rapeseed

CHEN Ming，HAN De-peng，XIAO Xiao-jun et al

（Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources，National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement，Jinxian，Jiangxi 331717）

Abstract Aluminum toxicity in acidic soil has become one of the main factors limiting crop growth and yield.Rapeseed is an important oil crop in China，which is mainly planted in the provinces and regions of the Yangtze River Basin where soil acidification is more serious.Rapeseed is one of the crops sensitive to aluminum toxicity，but the mechanisms of aluminum tolerance are still poorly understood.This paper reviewed the production of aluminum toxicity，the effect of aluminum toxicity on crop growth，the mechanism of crop aluminum tolerance，and the research progress on aluminum tolerance of rapeseed，and provide reference for the cultivation of new varieties of aluminum tolerant and high yielding rapeseed.

Key words Rapeseed;Al toxicity;QTL mapping;Aluminum resistance genes

油菜是我國栽培面積最大的油料作物，常年種植面積約700萬hm2、總產約1 300萬t，面積和產量均居世界前列［1-2］。然而我國人口眾多，隨著經濟的快速發展和人民生活條件的日益改善，食用油消費快速增長，供需矛盾持續加劇。2017年我國植物油消費總量為3 565萬t，其中國產植物油僅為1 100萬t，自給率不足1/3，供給嚴重不足狀態與日俱增［3］。尤其是在當前新冠肺炎疫情和復雜國際形勢雙重背景下，中國大豆等油料進口的不確定性將長期存在。油菜是我國第一大植物食用油源和第二大飼用蛋白源，平均每年提供約500萬t優質菜籽油和800萬t高蛋白飼用餅粕［4］。因此，穩定和發展油菜生產以應對全球市場波動，從而保障我國食用油安全和飼用蛋白的有效供給有著重大的戰略性意義。

目前，全球30%左右的可耕作土壤已發生酸化，主要處在熱帶和亞熱帶地區，并且土壤酸化面積和風險有進一步增加的趨勢［5］。近年來，由于環境污染、酸雨沉降及化肥不合理施用等導致我國耕地土壤酸化問題日益嚴重［6］。研究表明［7-8］，酸性土壤中鋁的毒性已經成為影響全球作物產量的一個主要因素。當土壤pH<5.0時，結合態鋁解離成有毒離子態從而減少土壤中養分利用率，根系生長受到抑制，作物生長緩慢，葉片黃化卷曲易老化、壞死等缺素癥狀［9-10］。我國油菜主要種植在南方，南方土壤酸化現象更加明顯，且酸化面積不斷擴大、強度仍在加劇。油菜最適宜生長土壤pH為6～7，屬于中等耐鋁的作物［11］。目前，我國南方酸性土壤pH多數低于5.5，其中很大一部分介于4.5～5.0，嚴重的甚至小于4.5［12］。研究表明，當土壤pH小于5.8，鋁濃度大于15 mg/kg時油菜就會受到鋁毒脅迫，導致產量明顯下降［13］。因此，鋁毒危害已成為限制我國南方油菜產量提升的最主要限制因素。

為緩解鋁毒對油菜生長的危害，目前生產中一般是向土壤中施入生石灰、有機物料、生物炭等堿性物質來緩解土壤酸度解除鋁毒害，進而提高油菜產量［11，14-15］，但此類方法僅能改良表層土壤酸性，不僅生產成本高，難以大面積應用，而且由于向土壤中輸入了堿性物質和其他元素，可能會引發新的環境問題。目前通過對油菜苗期耐鋁形態和生理指標的鑒定研究，表明油菜對鋁脅迫的耐受能力存在較大的基因型差異，也據此篩選了一些較為耐鋁的油菜品種［16］，這為緩解油菜鋁毒脅迫提供了一條更為經濟有效的途徑。然而，要真正從根本上解決鋁毒對油菜生長的脅迫，需要從分子水平探測控制油菜耐鋁性的基因位點和重要候選基因，進而通過生物技術手段改良和提高油菜耐鋁性，最終培育出耐鋁高產的油菜新品種。

1 鋁毒的產生及其對植物的毒害

自然條件下的土壤酸化是一個十分緩慢的過程，然而近幾十年來，由于環境污染導致的酸雨沉降和不合理的農業生產（過量施用氮肥、單一施用化肥和連作），我國土壤酸化進程顯著加快［17-18］。尤其是我國長江中下游地區，20世紀80年代該區平均pH為5.37，至2010年農作物耕地土壤平均pH下降至5.14以下［19］。20世紀80年代我國酸性土壤的面積約為1 126.67萬hm2，而21世紀初我國酸性土壤（pH<5.5）面積達到1 506.67萬hm2，增幅為33.7%［20］。

鋁是土壤中最為豐富的金屬元素，一般以不溶性硅酸鹽或氧化物形式存在于土壤中，它的存在形態與土壤pH緊密相關［21］。當pH<5.5時，可交換性鋁［主要是A13+、Al（OH）2+和Al（OH）2+］將從硅酸鹽或氧化物中釋放出來對作物產生毒害［22-23］；當pH<5.0時，鋁主要以有毒害作用的Al3+形式存在［9］，而Al3+是制約作物生長的重要因素之一［24］。隨著土壤酸化的逐步加劇，金屬鋁活性增強，對作物有毒害作用的Al3+含量增加，從而抑制作物的正常生長，導致作物產量和品質降低。

作物的根直接與土壤接觸，土壤中Al3+主要作用于根系，抑制其生長發育。研究表明，鋁脅迫30～120 min就可觀察到作物根系的伸長受到明顯抑制［25］。Al3+毒害根尖，主根變粗變短，根尖膨大變褐，呈不規則鉤狀，側根和根毛減少甚至消失，進而影響作物根系對水分、養分的吸收［26-27］。作物受鋁毒害的另一癥狀是株高降低、節間變短，生物量下降，葉片生長畸形、萎黃，從而影響正常光合作用［28-30］。

2 植物的耐鋁毒生理機制

植物的耐鋁毒生理機制一般被分為外部鋁排除機制和內部鋁耐受機制2種類型，前者解除鋁毒的部位位于質外體，后者位于共質體［7］。外部鋁排除機制主要是根系分泌蘋果酸、檸檬酸和草酸等通過多藥與有毒化合物外排轉運體（multidrug and toxic compound extrusion，MATE）、蘋果酸轉運體（aluminum-activated malate transpoeter，ALMT）等轉運至細胞外，螯合質膜外活性Al3+，降低活性Al3+濃度，從而緩解鋁毒對根系的損傷［31-32］，除此之外，羥肟酸等苯并惡嗪類家族的一些次級代謝物具有類似作用［33］。其中，MATE基因家族成員廣泛分布在動植物體內，能夠轉運陽離子染料、多種抗生素和藥物［34-36］。內部鋁耐受機制主要是在細胞質中有機酸、酚類和其他化合物和Al3+形成對細胞無毒的螯合物，將鋁離子隔離在液泡或其他儲存細胞器中，減少鋁的毒性［31］。

3 油菜耐鋁研究進展

3.1 鋁毒對油菜的毒害

研究表明，鋁脅迫顯著抑制了油菜種子萌發、根系生長、養分吸收和光合作用，提高了滲透調節物質的積累以及保護酶活性。黃邦全等［37］研究表明，鋁毒抑制油菜根生長的同時地上部生長也受到了抑制。劉麗屏［38］的研究表明，鋁脅迫提高了油菜根尖細胞壁多糖組分含量，進而提高了根尖鋁積累量和細胞壁的剛性、降低細胞壁的伸展性，從而使得根細胞的伸長明顯受到抑制。劉強等［39］研究表明，鋁毒脅迫導致油菜種子的發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數均下降，且隨著鋁處理濃度的升高抑制作用越明顯，當超過一定濃度后，芽易霉變死亡，根系生長基本停滯。王志穎等［40］研究表明，鋁脅迫對油菜根系傷害大于葉片，隨著鋁濃度的增大，根尖代謝酶活性增加，葉片光能利用率下降。周楠［41］的研究結果表明，油菜根系分泌物在鋁毒脅迫下先增加，鋁毒得到一定的緩解，隨著鋁濃度增加和鋁脅迫時間延長，根系分泌物的分泌能力有所減弱，從而使根際土壤微生物數量、土壤生化強度和土壤酶活性有所降低。崔雪梅等［42］研究表明，油菜幼苗在鋁毒脅迫下葉片中的總葉綠素含量、葉綠素a和葉綠素b的含量均隨著鋁處理濃度的增加而減少，處理濃度越大，葉綠素含量下降越明顯，油菜光合作用受到影響越大。郜歡歡等［43］研究表明，油菜根對鋁毒脅迫最敏感，此外地上部生物量、芽長、發芽勢、發芽率也均受到不同程度的毒害。韓德鵬等［44］研究表明，鋁毒脅迫顯著抑制了油菜根系生長，細胞質膜的完整性被破壞，油菜幼苗通過蛋白質和脯氨酸含量的積累以及保護酶活性的增強來抵抗鋁脅迫。熊潔等［45］研究表明，隨著鋁濃度增加和鋁脅迫時間延長，油菜總根長、總根表面積、總根體積、總根尖數等根系指標以及根莖粗、株高、根干質量、地上干物質量等生長指標和油菜地上部和根系的N、P、K、Ca、Mg、Fe等營養元素含量均下降。

3.2 油菜耐鋁毒相關基因研究

隨著分子生物學的快速發展，分子標記遺傳圖譜被廣泛應用于數量性狀基因的研究。近年來，科研人員運用分子標記技術，采用全基因組關聯分析（genome-wide association study，GWAS）和QTL（quantitative trait locus）定位等技術手段，對多種作物關鍵性狀遺傳機制進行了研究，并取得重大進展，油菜耐鋁毒遺傳機制也成為研究熱點。目前盡管在植物中開展了一系列耐鋁遺傳位點發掘和耐鋁基因鑒定研究，明確了植物耐鋁性是受多基因、多途徑控制的復雜性狀，但這些研究多集中于耐鋁性較強的禾本科作物或擬南芥等模式作物［31］。油菜作為中度耐鋁作物，其耐鋁性相關遺傳研究一直以來并未引起足夠關注，油菜耐鋁相關性狀定位研究不多，而介導油菜耐鋁性的功能基因目前也僅有少數幾個被發掘，這極大限制了油菜耐鋁遺傳資源的挖掘與利用。

Liu等［46］研究發現，1個與鋁脅迫相關的Alp基因，該基因是編碼排出多藥及毒性復合物的轉運蛋白家族MATE基因家族成員，且可促進檸檬酸的分泌進而增強植株的耐鋁性。王瑞莉等［47］以182份油菜自交系種子為材料，對油菜種子萌發期5個性狀進行耐鋁評價，采用SNP分子標記技術定位鋁脅迫下相關性狀QTL及篩選抗性基因，共檢測出23個與鋁脅迫相關的QTL位點，并篩選到耐鋁基因30個，這些基因主要與有機酸分泌、轉運蛋白、氧化應激、逆境蛋白等有關。王瑞莉等［48］還在油菜種子萌發期結合RNA-seq分析和QTL定位，通過整合RNA轉錄組測序和鋁毒脅迫下油菜萌發期根系相關性狀的QTL定位結果，共篩選出44個差異表達基因（10個下調和34個上調），這些基因也主要與轉運蛋白、氧化應激、滲透調節、細胞壁修飾、激素信號傳導等功能有關。Gao等［49］以169份油菜品種（品系）為材料，利用GWAS對19 949個全基因組覆蓋的甘藍型油菜種子萌發2個性狀的候選基因進行了鑒定，鑒定出59個與鋁耐受相關的候選基因，這些基因主要與有機酸的生長調節、生長調節物質、氧化應激、碳氮代謝有關。吳家怡等［50］以112份油菜重組自交系種子為材料，通過測定油菜鋁毒脅迫下苗期光合能力、葉綠素熒光相關性狀并定位其QTL、篩選相關候選基因，共檢測到47個可能與抗鋁脅迫及光合相關的候選基因，這些基因主要與有機酸分泌、金屬離子轉運、激素調節、氧化應激以及葉綠體自身調節、磷元素攝入調節等有關。Zhou等［51］在耐鋁甘藍型油菜種質FDH188（Al-tolerant line，ATL）、鋁敏感甘藍型油菜種質FDH152（Al-sensitive line，ASL）鋁處理6 h、24 h轉錄組分析中，僅BnaMATE43b均呈差異表達模式，且在ATL中表達水平高于ASL；結合GWAS和RNA-seq分析定位甘藍型油菜與鋁毒脅迫相關的重要候選基因BnaMATE43b。

4 展望

油菜對鋁毒的耐性是受微效多基因控制的數量性狀，目前雖有較多與油菜耐鋁相關的候選基因，但均未進行功能驗證，且目前對油菜耐鋁毒研究多限于油菜種子萌發期或者苗期，相關耐鋁毒基因功能還需通過分子輔助方法或轉基因技術在油菜其他生育期進行試驗研究，對其進行更完善的補充和驗證。因此，今后有必要通過篩選耐鋁毒差異較大的油菜品種作為親本，構建分離群體，對控制油菜耐鋁性狀進行單個QTL分解，采用圖位克隆手段分離與耐鋁相關的基因，進一步揭示油菜耐鋁毒機制。

參考文獻

［1］ ?劉成，黃杰，冷博峰，等.我國油菜產業現狀、發展困境及建議［J］.中國農業大學學報，2017，22（12）：203-210.

［2］ 王漢中.以新需求為導向的油菜產業發展戰略［J］.中國油料作物學報，2018，40（5）：613-617.

［3］ 劉成，馮中朝，肖唐華，等.我國油菜產業發展現狀、潛力及對策［J］.中國油料作物學報，2019，41（4）：485-489.

［4］ 國家統計局.2020中國統計年鑒［M］.北京：中國統計出版社，2020.

［5］ HUYNH V B，REPELLIN A，ZUILY-FODIL Y，et al.Aluminum stress response in rice：Effects on membrane lipid composition and expression of lipid biosynthesis genes［J］.Physiol Plant，2012，146（3）：272-284.

［6］ 周曉陽，徐明崗，周世偉，等.長期施肥下我國南方典型農田土壤的酸化特征［J］.植物營養與肥料學報，2015，21（6）：1615-1621.

［7］ PONTIGO S，GODOY K，JIMENEZ H，et al.Silicon-mediated alleviation of aluminum toxicity by modulation of Al/Si uptake and antioxidant performance in ryegrass plants［J］.Front Plant Sci，2017，8：1-15.

［8］ TENG W C，KANG Y C，HOU W J，et al. Phosphorus application reduces aluminum toxicity in two Eucalyptus clones by increasing its accumulation in roots and decreasing its content in leaves［J］.PLoS One，2018，13（1）：1-20.

［9］ BALKOVIC′ J，KOLLAR J，SIMONOVIC′ V，et al.Plant assemblages respond sensitively to aluminium solubility in acid soils［J］.Community Ecol，2014，15（1）：94-103.

［10］ JONES D L，RYAN P R.Aluminum toxicity［M］//THOMAS B，MURRAY B G，MURPHY D J.Encyclopedia of applied plant sciences.Amsterdam：Elsevier，2017：211-218.

［11］ 武際，郭熙盛，王文軍，等.施用白云石粉對黃紅壤酸度和油菜產量的影響［J］.中國油料作物學報，2006，28（1）：55-58.

［12］ 于天一，孫秀山，石程仁，等.土壤酸化危害及防治技術研究進展［J］.生態學雜志，2014，33（11）：3137-3143.

［13］ LOFTON J，GODSEY C B，ZHANG H.Determining aluminum tolerance and critical soil pH for winter canola production for acidic soils in temperate regions［J］.Agron J，2010，102（1）：327-332.

［14］ 劉源，袁金華，錢薇，等.通過調節土壤氮素轉化提高有機物料對紅壤酸度的改良效果［J］.土壤，2012，44（5）：735-739.

［15］ 李秋霞，陳效民，靳澤文，等.生物質炭對旱地紅壤理化性狀和作物產量的持續效應［J］.水土保持學報，2015，29（3）：208-213，261.

［16］ 熊潔，鄒小云，陳倫林，等.油菜苗期耐鋁基因型篩選和鑒定指標的研究［J］.中國農業科學，2015，48（16）：3112-3120.

［17］ 劉莉，楊麗軍，白穎艷，等.土壤酸化的研究進展［J］.貴州農業科學，2017，45（10）：83-87.

［18］ 張玲玉，趙學強，沈仁芳.土壤酸化及其生態效應［J］.生態學雜志，2019，38（6）：1900-1908.

［19］ GUO J H，LIU X J，ZHANG Y，et al.Significant acidification in major Chinese croplands［J］.Science，2010，327（5968）：1008-1010.

［20］ 徐仁扣，李九玉，周世偉，等.我國農田土壤酸化調控的科學問題與技術措施［J］.中國科學院院刊，2018，33（2）：160-167.

［21］ 姜應和，周莉菊，彭秀英.鋁在土壤中的形態及其植物毒性研究概況［J］.草原與草坪，2004，24（3）：16-19，32.

［22］ MA J F.Syndrome of aluminum toxicity and diversity of aluminum resistance in higher plants［J］.Int Rev Cytol，2007，264：225-252.

［23］ RYAN P R，TYERMAN S D，SASAKI T，et al.The identification of aluminium-resistance genes provides opportunities for enhancing crop production on acid soils［J］.J Exp Bot，2011，62（1）：9-20.

［24］ WU L Y，GUO Y Y，CAI S G，et al.The zinc finger transcription factor ATF1 regulates aluminum tolerance in barley［J］.J Exp Bot，2020，71（20）：6512-6523.

［25］ BARCEL J，POSCHENRIEDER C. Fast root growth responses，root exudates，and internal detoxification as clues to the mechanisms of aluminium toxicity and resistance：A review［J］. Environ Exp Bot，2002，48（1）：75-92.

［26］ KOPITTKE P M，MOORE K L，LOMBI E，et al. Identification of the primary lesion of toxic aluminum in plant roots［J］. Plant Physiol，2015，167（4）：1402-1411.

［27］ PANDA S K，BALUSKA F.Aluminum stress adaptation in plants［M］.Cham，Switzerland： Springer International Publishing，2015：253-274.

［28］ 趙會娥，賀立源，章愛群，等.鋁脅迫對植物光合作用的影響及其機理的研究進展［J］.華中農業大學學報，2008，27（1）：155-160.

［29］ 邱婷，張屹，肖姬玲，等.土壤酸化及酸性土壤改良技術研究進展［J］.湖南農業科學，2016（10）：114-117，121.

［30］ 吳亞，陳思，張衛紅，等.多花黑麥草對鋁脅迫的生長生理響應［J］.植物科學學報，2018，36（5）：755-760.

［31］ KOCHIAN L V，PIEROS M A，LIU J P，et al.Plant adaptation to acid soils：The molecular basis for crop aluminum resistance［J］.Annu Rev Plant Biol，2015，66（1）：571-598.

［32］ RAHMAN R，UPADHYAYA H.Aluminium toxicity and its tolerance in plant：A review［J］.J Plant Biol，2021，64（2）：101-121.

［33］ ZHAO Z K，GAO X F，KE Y，et al.A unique aluminum resistance mechanism conferred by aluminum and salicylic-acid-activated root efflux of benzoxazinoids in maize［J］.Plant Soil，2019，437（1/2）：273-289.

［34］ WANG L H，BEI X J，GAO J S，et al.The similar and different evolutionary trends of MATE family occurred between rice and Arabidopsis thaliana［J］.BMC Plant Biol，2016，16（1）：1-19.

［35］ SANTOS A L D，CHAVES-SILVA S，YANG L N，et al.Global analysis of the MATE gene family of metabolite transporters in tomato［J］.BMC Plant Biol，2017，17（1）：1-13.

［36］ UPADHYAY N，KAR D，DEEPAK M B，et al. The multitasking abilities of MATE transporters in plants［J］.J Exp Bot，2019，70（18）：4643-4656.

［37］ 黃邦全，薛小橋，白景華.不同油菜品種耐鋁性比較研究［J］.湖北大學學報（自然科學版），2001，23（4）：373-376.

［38］ 劉麗屏.鋁對甘藍型油菜細胞壁多糖的影響［D］.長沙：湖南農業大學，2007.

［39］ 劉強，龍婉婉，胡萃，等.鋁脅迫對油菜種子萌發和幼苗生長的影響［J］.種子，2009，28（7）：5-6，10.

［40］ 王志穎，劉鵬，李錦山，等.鋁脅迫對油菜生長及葉綠素熒光參數、代謝酶的影響［J］.浙江師范大學學報（自然科學版），2010，33（4）：452-458.

［41］ 周楠.鋁脅迫下油菜（Brassica napus L.）根系分泌物的分泌特性及其對根際環境的影響［D］.金華：浙江師范大學，2010.

［42］ 崔雪梅，簡君萌，李春生.鋁脅迫對油菜根系及葉片生理生化指標的影響［J］.江蘇農業科學，2015，43（12）：107-109.

［43］ 郜歡歡，葉桑，王倩，等.甘藍型油菜種子萌發期耐鋁毒特性綜合評價及其種質篩選［J］.作物學報，2019，45（9）：1416-1430.

［44］ 韓德鵬，劉星月，王馨悅，等.鋁脅迫對油菜根系形態和生理指標的影響［J］.核農學報，2019，33（9）：1824-1832.

［45］ 熊潔，丁戈，李書宇，等.鋁脅迫對不同耐鋁油菜品種苗期生長發育和養分吸收的影響［J］.華北農學報，2020，35（6）：165-171.

［46］ LIU J G，LI Y，WANG W，et al.Genome-wide analysis of MATE transporters and expression patterns of a subgroup of MATE genes in response to aluminum toxicity in soybean［J］.BMC genomics，2016，17（1）：1-15.

［47］ 王瑞莉，王劉艷，葉桑，等.鋁毒脅迫下甘藍型油菜種子萌發期相關性狀的QTL定位［J］.作物學報，2020，46（6）：832-843.

［48］ 王瑞莉，王劉艷，雷維，等.結合RNA-seq分析和QTL定位篩選甘藍型油菜萌發期與鋁毒脅迫相關的候選基因［J］.作物學報，2021，47（12）：2407-2422.

［49］ GAO H H，YE S，WU J Y，et al.Genome-wide association analysis of aluminum tolerance related traits in rapeseed（Brassica napus L.） during germination［J］.Genet Resour Crop Evol，2021，68（1）：335-357.

［50］ 吳家怡，袁芳，孟麗姣，等.鋁脅迫下甘藍型油菜苗期光合相關性狀的QTL定位及候選基因篩選［J］.作物學報，2022，48（11）：2749-2764.

［51］ ZHOU H W，XIAO X J，ASJAD A，et al.Integration of GWAS and transcriptome analyses to identify SNPs and candidate genes for aluminum tolerance in rapeseed （Brassica napus L.）［J］.BMC Plant Biol，2022，22（1）：1-17.

基金項目 國家自然科學基金地區科學基金項目（32160463，31860392）。

作者簡介 陳明（1984—），女，江蘇鹽城人，高級農藝師，碩士，從事作物遺傳育種研究。*通信作者，研究員，博士，碩士生導師，從事油料作物栽培、育種研究。

收稿日期 2022-08-24