水稻耐鹽育種研究進(jìn)展

王詩宇，毛 艇，張麗麗，李 鑫，劉 研，趙一洲，倪善君，鐘順成，王柏秋，張 戰(zhàn)*

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

植物在動態(tài)環(huán)境中生長，經(jīng)常會遇到干旱、高鹽度、寒冷、高溫等非生物脅迫。其中，鹽脅迫已經(jīng)成為最嚴(yán)重的環(huán)境脅迫之一。 鹽脅迫是全世界農(nóng)作物生產(chǎn)的主要制約條件[1]，是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一[2-4]。 土壤鹽分是一個全球性問題，影響了超過20%的耕地，而且這一比例預(yù)計將會不斷增加[5]。 高鹽地下水灌溉、沿海地區(qū)海水的釋放以及干旱半干旱地區(qū)離子淋溶不足而導(dǎo)致的鹽分積累是造成土壤鹽分過高的主要原因[6]。鹽脅迫對作物的影響包括引發(fā)滲透性應(yīng)激反應(yīng)、離子毒性和營養(yǎng)缺乏， 這些不利影響使作物生長受到抑制最終減產(chǎn)。 鹽度對植物生長的不利影響具體包括：由于土壤密實度和硬度增加，植物無法建立有效的根系[7]；由于可用水量少而引起的滲透脅迫；由于鹽分阻塞了氮、磷、鉀和鈣等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導(dǎo)致植株營養(yǎng)缺乏；基因組成被認(rèn)為是植物對鹽分耐受性重要因素之一， 據(jù)報道許多耐鹽基因受鹽分脅迫的調(diào)節(jié)[8]，雖然不同的谷類作物因其基因組成而在抵抗不同壓力方面的潛力各不相同， 但它們的產(chǎn)量和品質(zhì)在鹽脅迫環(huán)境下都會受到很大的影響[9]。

水稻（Oryza sativaL.）是世界上大部分人的主食，是世界許多地區(qū)尤其是亞洲、拉丁美洲和非洲的重要糧食作物。它被歸類為鹽敏感的作物，是最易受鹽脅迫的植物， 其鹽度閾值為3.0 dS/m（FAO）， 在其生長發(fā)育的不同階段表現(xiàn)出耐鹽程度的變化。 據(jù)報道，在生殖和灌漿階段，水稻的抗鹽性比營養(yǎng)期和萌發(fā)期的更高[10-11]。 但無論在任何時期， 水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)都會受到鹽分脅迫的不利影響[12-15]。 提高水稻的耐鹽性將增加鹽堿地的潛力，確保糧食安全。

1 耐鹽水稻品種的選育

水稻對鹽堿的耐受性定義為在鹽（堿）濃度為0.3%的鹽堿地上生長的能力。 選育優(yōu)良的耐鹽水稻品種被認(rèn)為是利用鹽堿地最經(jīng)濟(jì)可行和環(huán)保的方法。經(jīng)過多年的努力，育種家們已經(jīng)尋找、收集、評估和選育了許多耐鹽水稻資源。錫蘭（現(xiàn)代的斯里蘭卡） 是第一個進(jìn)行耐鹽水稻品種篩選和栽培的國家，1939 年引入了第一個耐鹽水稻品種Pokka[16]。 隨后，印度和菲律賓育成了一系列耐鹽水 稻 品 種，Kala Rata 1-24、Nona Bokra、Bhura Rata、SR 26B、Chin.13 和349 Jhona[17-21]。 中國從1950 年開始水稻的耐鹽育種研究工作[4]。 在眾多育種家的努力下， 我國也育成了一大批耐鹽水稻品種。 遼寧省鹽堿地利用研究所在20 世紀(jì)70 年代啟動了耐鹽水稻育種計劃， 培育了一系列耐鹽粳稻品種，如遼鹽2 號、鹽豐47、鹽粳927、鹽粳218 等。 江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所從20 世紀(jì)80 年代開始對耐鹽水稻種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定和評價， 從1,300 多份種質(zhì)資源中獲得61 份耐鹽品種。 其他育種機(jī)構(gòu)使用現(xiàn)有的耐鹽種質(zhì)和常規(guī)育種方法獲得了大量耐鹽水稻品種，如長白6 號、冀粳84 號和津源101 等[22]。

2 鹽脅迫期間水稻的總體信號傳導(dǎo)途徑

水稻可能的耐鹽機(jī)制包括離子穩(wěn)態(tài)和區(qū)室化、離子運輸和吸收、滲透調(diào)節(jié)、用于活性氧解毒的抗氧化酶的激活以及激素調(diào)節(jié)[23-27]，這些機(jī)制會引起滲透和離子脅迫。滲透應(yīng)激信號通過ABA 依賴性或ABA 非依賴性途徑轉(zhuǎn)導(dǎo)。 ABA 依賴性途徑包括絲裂原活化蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinases，MAPKs）級聯(lián)、鈣依賴性蛋白激酶（CDPK）、受體樣激酶（RLK）、SNF1 相關(guān)蛋白激酶（SnRK）、 轉(zhuǎn) 錄 因 子 （OsRAB1、MYC/MYB 和OsNAC/SNAC）和小RNA。 ABA 非依賴性途徑包括轉(zhuǎn)錄因子（OsDREB1 和OsDREB2）和脅迫相關(guān)基因（OsPSY1，OsNCEDs）。離子脅迫通過Ca2+/PLC途徑、鹽超敏感（SOS）和鈣調(diào)素（CaM）途徑發(fā)出信號，Ca2+由Ca2+傳感器（OsCBL4）、類鈣調(diào)磷酸酶B亞基互作蛋白激酶（OsCIPK24）感應(yīng)，后者依次激活Na+/H+反向轉(zhuǎn)運體 （OsSOS1）、H+/Ca+反轉(zhuǎn)運體（OsCAX1）、 液泡H+/ATP 酶、 液泡Na+/H+交換器（OsNHX1）和抑制K+/Na+轉(zhuǎn)運蛋白（OsHKT1）來維持鹽脅迫下的離子穩(wěn)態(tài)[28]。

3 耐鹽基因/QTL 的定位和克隆

水稻耐鹽性是一個由數(shù)量性狀基因座控制的復(fù)雜性狀[29]，受多個基因控制，并且表現(xiàn)出不同的生理機(jī)制。 在不同的水稻品系中檢測到了許多耐鹽基因，但只有幾個主要的耐鹽水稻QTL/基因通過基因組學(xué)方法進(jìn)行了鑒定[30-35]， 如qSKC1[36]、qSNC3、Saltol[37]和OsRR22[38]。qSKC1是一個主要QTL， 它編碼鹽脅迫下水稻的鈉轉(zhuǎn)運蛋白。qSE3編碼一個K+轉(zhuǎn)運蛋白OsHAK21，在鹽分脅迫下促進(jìn)水稻的種子發(fā)芽和幼苗的生長[39]。qST1和qST3分別位于1 號和3 號染色體上， 在水稻的幼苗期賦予了其耐鹽性。OsRR22編碼一種B 型反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白，作為一種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)基因，參與滲透反應(yīng)和根部維管組織細(xì)胞之間的離子轉(zhuǎn)運。 最近的研究進(jìn)展也確定了其它一些水稻耐鹽性的主要基因， 包 括OsAKT1、OsKCO1、OsNRT1、OsCLC1、OsADS31和OsTPC1等。 盡管有些QTL 已經(jīng)滲入到一些大量推廣的高產(chǎn)水稻品種中以提高其耐鹽性， 但水稻耐鹽是一個由多個基因組合控制的復(fù)雜性狀， 它們在鹽脅迫期間的功能途徑并沒有協(xié)調(diào)地聯(lián)系起來，還無法解釋非常復(fù)雜的耐鹽現(xiàn)象，所以改良的速度是緩慢的。因此，鑒定與耐鹽性有關(guān)的其它基因?qū)⒂兄诒碚魑粗哪望}性機(jī)制并促進(jìn)育種應(yīng)用。

4 現(xiàn)代生物技術(shù)與耐鹽水稻育種

水稻是模型農(nóng)作物， 因為其基因組相對較小（430 MB），有助于基因組測序，水稻參考基因組的發(fā)表和下一代測序（NGS）技術(shù)的發(fā)展為探索全基因組遺傳變異和以高效方式進(jìn)行基因分型提供了可能[40-42]。 全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）是鑒定性狀相關(guān)基因座中有價值的自然變異， 以及數(shù)量性狀和復(fù)雜性狀（包括與生長、耐鹽性和營養(yǎng)品質(zhì)有關(guān)的）候選基因等位基因變異的有力方法[43]。 與傳統(tǒng)的QTL 連鎖分析相比，GWAS 基于自然群體的高密度變異， 可以在同一位點檢測到多個等位基因[44]。 在基于微型核（25 個國家，>200 個品種）的GWAS 研究中，使用700 K 單個甘酸多態(tài)性（SNP）水稻芯片， 已經(jīng)鑒定出22 個候選基因和20 個數(shù)量性狀核苷酸（QTN），它們分別與發(fā)芽和幼苗階段的11 種不同的耐鹽性狀相關(guān)[45]。 在使用50 K SNP 芯片的另一項研究中， 在雙親群體中總共獲得了6,068 個多態(tài)性SNP， 其中共有11 個理想QTN 和23 個不理想QTN 與耐鹽性狀相關(guān)。 近年來，CRISPR/Cas9 作為一項快速發(fā)展的基因組編輯技術(shù)， 徹底改變了植物育種的基礎(chǔ)以及應(yīng)用研究。 CRISPR/Cas9 系統(tǒng)依賴于經(jīng)過基因工程改造的核酸酶，也稱“分子剪刀”，在基因組中特定位置產(chǎn)生位點特異性雙鏈斷裂（DSB），誘導(dǎo)生物體通過非同源末端連接（NHEJ）或同源重組（HR）來修復(fù)DSB，因為這個修復(fù)過程容易出錯，從而導(dǎo)致靶向突變，具有省時、高效的特點，還能有效地避免累贅連鎖效應(yīng)。 使用CRISPR/Cas9 系統(tǒng)進(jìn)行基因組編輯已在水稻耐鹽育種中得到了成功證明。 轉(zhuǎn)基因方法也是水稻耐鹽育種的有力工具。 根據(jù)育種目標(biāo)，從供體生物中分離目的基因，經(jīng)DNA 重組和遺傳轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入受體植物，且不改變受體植物的其他優(yōu)良性狀。 轉(zhuǎn)基因通過多種途徑來提高水稻的耐鹽性，例如控制有機(jī)溶質(zhì)、離子運輸、程序性細(xì)胞死亡（PCD）、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄因子（TF）參與高鹽脅迫的應(yīng)對機(jī)制。同時，標(biāo)記輔助育種以導(dǎo)入耐鹽QTL、 程序化耐鹽基因的表達(dá)等其他現(xiàn)代生物技術(shù)都是提高水稻耐鹽性快速有效的方法。

5 展望

使用傳統(tǒng)的育種方法， 科學(xué)家培育出了一系列耐鹽水稻品種，但改良的速度仍是緩慢的。已從不同的水稻基因型中分離并驗證了許多鹽敏感基因，許多QTL 和水稻鹽分GWAS 的報告等現(xiàn)代生物技術(shù)在水稻耐鹽育種方面也取得了初步成功，提高了水稻耐鹽育種的效率。 但仍需要更多的努力來確定哪些基因最適合用于耐鹽育種計劃和轉(zhuǎn)基因品種開發(fā)。