作物耐盐性状研究进展

1、作物耐盐性状研究进展王为，潘宗瑾，潘群斌(江苏沿海地区农业科学研究所，江苏 盐城224002)摘 要：阐述了作物耐盐性含义、耐盐种类、耐盐机理、耐盐性的鉴定技术和指标，并浅析了提高耐盐性的栽培措施。重点综述了耐盐品种的选育，包括分子标记辅助选择聚合育种(水稻、小麦、大豆)、转基因育种(棉花、大麦)、分子设计育种等。最后对作物耐盐性状研究进行了展望。关键词：作物；耐盐；盐胁迫；分子育种；研究进展 基金项目：江苏省“十一五”高技术研究项目(BG2006307)；江苏省农科院科研基金项目(6210713)。 作者简介：王为(1980-)，男，在读博士，研究方向：棉花分子育种与种质资源学。通

2、讯作者：潘群斌。  江苏省盐城市是沿海开发的重中之重，海岸线长 528 km，占江苏省总长度的56，拥有滩涂面积453万hm2 以上，约占全省的70，并且每年还以6667hm2以上的速度不断向外淤长。所以，加快沿海盐土改良的进程，促进滩涂资源的合理利用，对全省特别是沿海经济的发展具有重要的意义。目前用得较多的方法是引淡水种植水稻、引淡水养殖水产品等，而沿海一带淡水资源严重缺乏，所以开发利用速度较慢，迫切需要寻找一种快速利用的途径。而选育耐盐作物，提高现有栽培作物的耐盐能力不失为一个好方法，所以有必要了解耐盐性含义、耐盐种类、耐盐机理、耐盐性的鉴定技术和指标，提高作物耐盐性的相关栽培措

3、施。尤其是耐盐品种的选育，包括分子育种和常规育种。本文就以上这些问题做了系统的阐述和概括，重点综述了耐盐分子育种：分子标记辅助选择聚合育种(水稻、小麦、大豆)、转基因育种(棉花、大麦)、分子设计育种等。以期为从事作物耐盐研究人员提供参考。 l 耐盐性含义和耐盐机制种类由于土壤中可溶性盐类过量对作物造成的盐害，称为盐害或盐胁迫，包括渗透胁迫和离子效应两种类型。前者由于土壤中可溶性盐过多，土壤渗透势增高而水势降低，造成作物的吸水困难，即生理干旱；后者由于离子的拮抗作用，吸收盐类过多而排斥了对另一些营养元素的吸收，影响正常的代谢作用。作物对盐害的耐性称为耐盐性，把碳酸钠与碳酸氢钠为主的土壤

4、称为碱土，把氯化钠与硫酸钠为主的土壤称为盐土，实际上难以绝对划分，把盐分过多的土壤称为盐碱土，简称盐土，相应的对耐盐碱性称为耐盐性1。 耐盐机制可分为6种：拒盐型、聚盐型、泌盐型、稀盐型、避盐型、活性氧清除等2。拒盐型植物借助细胞膜对离子的选择性吸收功能，以及根部发达的双层或三层内皮层结构，拒绝过量的有害离子进入体内。聚盐型 (渗透调节型)植物通过在细胞内大量积累无机盐离子 通过增加无机离子(主要是Na +)或有机物质(脯氨酸、甜菜碱等)提高细胞的渗透压，以保持体内的水分，这类植物又具有离子区域化功能，将吸收的大量有害离子输送到特定位置，即液泡中贮存，细胞质中盐分含量仍不高。我国科学家赵彦修、

5、张慧两位教授从盐生植物碱蓬中克隆了“Na+H+逆向转运蛋白”基因，它编码的蛋白质能使碱蓬在细胞形成“离子区域化”，解除钠离子的毒害3。泌盐型植物具有排钠泵、盐腺等能有效的将盐离子不断排出体外，从而减少或避免盐分的伤害。稀盐型植物通过吸收水分降低体内的盐分浓度，维持正常生长。避盐型植物通过一些生物学特性来避开盐分的伤害。如生长周期极短、提早成熟或延迟发育、将根扎得很深，透过盐层吸水深等。有活性氧清除系统的植物通过SOD(超氧化物歧化酶)、POD(过氧化物酶)、CAT (过氧化氢酶)将活性氧清除出去，免受盐胁迫。2 耐盐性的鉴定技术和指标耐盐鉴定技术有直接鉴定法，如发芽鉴定(发芽率、 发芽势)、形

6、态鉴定(出苗率、盐害级别、苗期死叶率、相对生长量)和产量鉴定等；间接法有脯氨酸、甜菜碱、糖醇、多胺物质、钠钾离子含量的测定和酶活性的测定以及 花粉萌发试验等。按照耐盐试验的地点分为水培、盐池、重盐碱大田。耐盐实验的对象又可分为群体、个体和单株和细胞。品种耐盐指标：耐盐系数、耐盐力(生物耐盐力、农业耐盐力)4。群体耐盐指标：发芽率、发芽势、盐害指数、成活苗率、相对成活苗率。目前，国内学术界一般把土壤基质含盐量达04作为棉花耐盐鉴定的通用浓度5。叶武威等6采用盐池鉴定法，统计各材料在施盐10 d后(3叶期)的相对成活苗率(以生长点活为标准)来判断棉花的耐盐性，将棉花的耐盐性分为4级，即不耐(0-4

7、99)、耐(500 一749)、抗(750 一899)、高抗(>90)。单株耐盐指标：地上部/根系钠钾离子含量、盐害级别、苗期死叶率、相对生长量、花粉萌发率等。沈法富等7以大田单株棉花盐害症状为耐盐性的分级标准，0级：生长发育正常，真叶无盐害症状；1级：生长发育基本正常，1片真叶表现盐害或2片真叶叶尖干枯；2级：节间缩短，2片以上真叶干枯或脱落；3级：节间极短，3片以上真叶干枯或仅保留心叶呈绿色；4级：植株死亡或临近死亡。3 对耐盐机制的研究近年来，国内外在植物耐盐分子方面的研究成果与最新进展主要是分离和鉴定了耐盐应答反应相关酶蛋白功能基因。Na+H+反向转运蛋白、K+ 转运体 HAK、

8、高亲和性转运体HKT等通过调控植物体内离子跨膜转运，重建体内离子平衡来抵御盐渍伤害。胆碱单加氧酶 (CMO)和甜菜碱醛脱氢酶(BADH)基因、卜磷酸甘露醇脱氢酶(MTLD)和6一磷酸山梨醇脱氢酶(CUTD)基因以及海藻糖合成酶基因等，通过合成渗透保护物质维持细 胞的渗透势、清除体内活性氧和稳定蛋白质的高级结构 来保护植物免受盐渍胁迫伤害。植物细胞中的超氧化物 歧化酶(SOD)、过氧化氢酶、抗坏血酸一谷光苷肽循环中 的酶等在清除细胞内过多的活性氧方面起重要作用。水 通道蛋白基因与晚期胚胎发生丰富蛋白(LEA蛋白)基 因参与多种胁迫的应答，它们与保持细胞水分平衡相关。 另外，与离子或渗透胁迫信号转

9、导相关受体蛋白、顺式作 用元件、转录因子、蛋白激酶及其它调控序列可以启动或 关闭某些胁迫相关基因，使这些基因在不同的时间、空间 协调表达，以维持植物正常的生长和发育8-11。 植物在应对逆境胁迫时，从时间、空间上构成了严密的结构，基因表达的转录水平、转录后水平以及蛋白质 水平等调控手段构成了协调复杂的网络。尽管我们对植 物如何感知环境胁迫信号仍知之甚少，但近年来发现的 几条重要的胁迫信号转导途径以及高通量的基因表达分 析和大量胁迫相关基因的分离，已为我们勾画出这一复 杂网络的轮廓。植物生长在盐渍环境中，其根系表皮和 皮层细胞膜上的受体蛋白首先感知胁迫信号，并通过第 二信使将信号传递到不同的细胞

10、和细胞的不同层面，并 激活相关的蛋白激酶。这些激酶或直接靶向胁迫应答基 因或抑制其表达，或通过激活或抑制一些转录因子的表 达来实现对下游胁迫应答效应基因的调控。除了信号转导途径中的信号组分外，定位于不同细 胞层面上的胁迫效应基因包括与离子转运和重建离子平 衡有关的基因、参与渗透保护物质生物合成的基因、与水 分胁迫相关的基因和与细胞排毒、抗氧化相关的酶基因等。另外，还有一些基因虽然不受胁迫信号转导途径的 直接调控，但在维持胁迫环境中植物正常的生长起关键 作用，如参与细胞分裂与生长的基因、参与细胞能量代谢 的基因、与植物光合作用、水分蒸腾相关的基因等。所有 这些基因并非孤立地在盐胁迫应答中起作用，

11、而是通过 信号网络的整合作用，协调一致地发挥作用，使植物在盐 渍胁迫下，保持细胞和整个植物体内的离子平衡：保持细 胞与环境及细胞问的水分和渗透平衡；维护蛋白质、核酸 生物大分子的结构和生物学功能：保持生理代谢、能量代 谢平衡。因此，无论是耐盐机制研究，还是耐盐转基因育 种研究，都不能脱离这个网络。近年来的研究发现，一些 小的非编码RNA可能在植物对环境胁迫应答中起调控 作用，这表明植物的耐盐机制更为复杂，我们目前对植物 耐盐机制的认识仅仅是个开始12。 通过栽培措施也可提高耐盐性13 ：培肥、中耕、水旱 轮作、地膜覆盖、灌水洗盐、淤泥压盐等。另外，还有化学 物质改良(如石膏)、种子处理(如VB

12、6)等措施。 4 耐盐品种的选育 耐盐品种选育的方法有杂交和回交育种、远缘杂交、体细胞突变筛选、分子标记辅助选择聚合育种、转基因育种、分子设计育种等。 41 分子标记辅助选择聚合育种  在利用回交育种进 行前景选择的时候会产生不利基因，容易产生连锁累赘， 而分子标记辅助选择可以克服这一现象，同时可以进行 背景选择，还可以进行多基因聚合育种。而建立分子标 记连锁图谱、耐盐相关性状的QTL定位是基础和关键， 这也正是一些相关课题研究的切入点。 411 水稻 丁海嫒等14运用RAPD(随机扩增多态性 DNA)分子标记分析了水稻耐盐突变系的耐盐主效基因，认为水稻耐盐突变系的性状变异

13、虽呈现数量性状遗传特征，但不排除存在主效基因的可能。龚继明等15应用MAPMAKERQTL11和PLABQTL10软件将水稻耐盐主效基因Std定位于第1染色体的RQ612和C131之 间。林鸿宣等16利用“特三矮2号CB”组合构建了重组自交系群体(RI)，在NaC1胁迫强度12 dsm的培养液 中鉴定发现RI群体出现超亲分离现象。以60个RFLP (限制性片段长度多态性)标记检测142个纯系基因型，构建了一张覆盖11条染色体，含52个标记位点的连锁图。顾兴友等17对水稻耐盐性的数量性状位点进行了初步检测，从水稻12条染色体上共检出15个连锁标记， 在所涉及的基因组范围内存在4个影响苗期耐盐性的

14、 QTL。汪斌等18在水稻幼苗地上部 Na+含量性状中共 检测到13个 QTLs。孙勇19利用水稻回交导人系群体 发掘苗期叶片盐害级别、幼苗存活天数、地上部和根部的 K+、Na+浓度23个QTLs。高继平等20将高度耐盐的籼 稻品种Nona Bokra与盐敏感的优质粳稻栽培品种越光杂交，用F2群体构建了分子标记连锁图谱，用NaC1处理 对应F2：3株系的幼苗，定位了11个与耐受盐胁迫有关的 QTL，包括3个与幼苗生存天数相关的QTL和8个与K、Na浓度相关的QTL。其中SKC1是一个在盐胁迫下维持 地上部K浓度的QTL，位于水稻1号染色体。SKC1对表 型变异的贡献率达到401，是一个主效QT

15、L。这些结 果为克隆Nona Bokra中的耐盐QTL奠定了基础。目前， 已成功克隆了SKC1。这是至今植物中第一个被克隆的 耐盐相关QTL，SKC1的克隆和功能研究为我国水稻重要 功能基因研究取得了突破性进展。通过分子标记辅助育 种，可以将SKC1导入优良水稻栽培品种中，从而培育耐 盐性好的水稻新品种。 412 小麦 武玉清21采用SSR分子标记构建部分 遗传连锁图，使用水培法对F2:3 家系的发芽率、苗高、根 长及鲜重4个性状进行苗期耐盐性鉴定。赵宝存等22利用基因芯片研究小麦耐盐突变体盐胁迫条件下基因的 表达图谱，结果表明：小麦耐盐机理非常复杂，是大量基 因协调表达的结果，其中

16、盐诱导表达基因的作用非常重 要。索广力等23利用 RAPDBSA技术筛选了小麦耐 盐突变位点的分子标记。刘旭等24利用细胞遗传学材 料进行耐盐基因染色体定位。413 大豆 张海燕等25利用SSR研究了大豆耐盐 性种质资源遗传多样性及标记辅助鉴定。Lee等26在大豆连锁群上检测到一个苗期耐盐的主效 QTL，在大田实 验和温室鉴定可解释41和60的遗传变异，可解释2 个环境综合变异的79。用QTL两侧的SSR标记进行 了耐盐性的分子标记辅助选择。另外，罗庆云等27通过 P1 、P2 、F1 、F2和F2:3 共5个世代联合分析，结果表明：耐盐性遗传符合加性一显性一上位性多基因遗传模式。在

17、 高世代选择耐盐性植株的效率较高，从F2：3估计，南农88 31×Jackson组合的NaCl耐性微效基因遗传率为 8213；南农11382×南农8831组合的耐盐性微效 基因遗传率为6747。42 转基因育种421 棉花 沈法富等28采用微注射技术，把抗盐碱 罗布麻DNA导入鲁棉6号，对其后代经人工配制的盐碱 土筛选，育成了2个耐盐品系9111和9115，在含盐 量为051的滨海盐碱地种植，其皮棉产量分别比受体 亲本“鲁棉6号”增产1917和2378。陈翠霞等29利用花粉管通道法将耐盐碱的罗布麻DNA导入鲁棉6 号，并从后代中筛选出棉花耐盐变异体山农011，对山

18、农 011及其杂交后代进行的抗盐遗传和基因效应分析表 明：变异体的耐盐性是由核基因控制的，其遗传基因效应 以加性效应为主，并存在较大的加性互作效应。Li等30利用RTPCR(反转录聚合酶链式反应)、RACE(cDNA 末端快速扩增)技术将从盐地碱蓬中分离出耐盐基因，构建表达载体导入拟南芥中获得耐盐性。Chen等31将拟南芥中的耐盐基因转入荞麦获得表达。 棉花耐盐基因工程目的基因来源：通过基因克隆直 接从棉花野生近缘种和盐生植物(碱蓬、海蓬子、中山杉、补血草、牧草等)得到，另外，借助棉花耐盐品种通过 QTL精细定位再进图位克隆得到。野生近缘种和其它 盐生植物由于生殖隔离现象很难和主栽品种杂交，而

19、利 用转基因的办法打破生殖隔离，这一方法所获的目的基 因是在质量性状基因角度研究。当遗传转化率低、目标 基因沉默、基因漂移等原因使得转基因手段有一定弊端 时，那么从多基因角度利用分子标记辅助选择聚合育种 研究耐盐相关基因可以进行探索，而且棉花耐盐相关 QTL的定位、辅助选择研究目前鲜见报道。 422 大麦 在大麦上，用植物组织和细胞培养获得耐 盐突变体和耐盐机理研究已有许多报道。在细胞、组织 水平上的耐盐性变异筛选方法除了直接用NaC1、海水等 作为筛选压力外，也可以用PEG、Hyp、L一氮杂环丁烷一 乙一羧酸等作为选择压力。Ye等32人把花药培养技术 与杂交相结合，在盐胁迫培养基中筛选耐盐的

20、基因型，研 究发现，在用高盐的培养基筛选得到的后代中，没有发现 高敏感度的后代，而且全部为耐盐和中等耐性或超耐性的。43 分子设计育种 目前，大多数育种工作仍然建立在 表型选择和育种家的经验之上，育种效率低下，而且生物 信息数据库积累的数据量极其庞大，由于缺乏必要的数 据整合技术，可供育种工作者利用的信息却非常有限。 作物分子设计育种(品种分子设计)将在多层次水平上 研究植物体所有成分的网络互作行为和在生长发育过程 中对环境反应的动力学行为。继而使用各种“组学”数 据，在计算机平台上借助生物信息学和计算机软件以及 生物统计方法从分子标记、DNA、遗传图谱、QTL、基因数 据库对植物体的生长、发

21、育和对外界反应行为进行预测。 然后根据具体育种目标，构建品种设计的蓝图。最终结 合育种实践培育出符合设计要求的农作物新品种。设计育种的核心是建立以分子设计为目标的育种理论和技术 体系，通过各种技术的集成与整合，对生物体从基因(分子)到整体(系统)不同层次进行设计和操作，在实验室 对育种程序中的各种因素进行模拟、筛选和优化，提出最 佳的亲本选配和后代选择策略，实现从传统的经验育种到定向、高效的精确育种的转化，以大幅度提高育种效率33。Peleman和van der Voort34对“设计育种”(Breeding by design)这一名词进行了商标注册，他们认为分子设计 育种应当分3步进行：(

22、1)定位所有相关农艺性状的 QTL；(2)评价这些位点的等位性变异；(3)开展设计育 种。常规育种由于受到生殖隔离、连锁、环境互作三大因 素的干扰，很难育成有突破性的品种，这是经验育种的瓶 颈。作物分子设计育种是一个新的概念，与常规育种方 法相比，作物分子设计育种首先在计算机上模拟实施，考 虑的因素更多、更周全，因而所选用的亲本组合、选择途 径等更有效，更能满足育种的需要，可以极大地提高育种效率。遗传基因组学(Genetical genomics)是将微阵列技术 和数量性状座位(QTL)分析结合起来，全基因组水平上定位基因表达的QTL(eQTL)35，它为研究复杂性状的 分子机理和调控网络提供全新的手段。随着一些功能标 记不断被开发，生物信息学以及遗传基因组学的发展，将 分子标记辅助选择育种推向一个高级阶段一基因组设 计育种(品种分子设计)。值得指出的是，分子设计育种 在未来实施过程中