棉花对盐胁迫的响应机制及缓解措施的研究进展

刘祎　崔淑芳　张海娜　钱玉源　王广恩　金卫平　李俊兰

摘要：盐分是阻碍作物生长发育的重要逆境之一。归纳了盐胁迫对棉花生长发育、产量和品质的影响；分析了棉花适应盐逆境、减轻伤害的自我调节和响应机制，包括渗透调节、膜脂调节、离子分布和分子机制；总结了耐盐品种选育、栽培管理技术和分子育种等缓解棉花盐胁迫的主要措施；最后提出棉花耐盐相关研究的方向：分子机理与生理机制相结合；常规栽培措施与理化手段相结合；遥感监测系统的开发与应用。

关键词：棉花；盐胁迫；响应机制；缓解措施

中图分类号：S562 文献标志码：A 论文编号：cjas15040008

0引言

盐渍地在世界各地分布很广，主要分布在澳大利亚、俄罗斯、中国、印度尼西亚、巴基斯坦等国家。土壤盐渍化是世界农业可持续发展的重要限制因素，并随着人类发展不断地加重扩大，已成为重要的环境问题之一。随着人口不断增长，耕地逐渐减少，粮食安全问题倍受重视，粮棉争地矛盾日益显现，盐碱地植棉在全国棉花生产体系中所占份额越来越大，地位越来越重要。根据第二次全国土地调查资料显示，中国盐渍地面积约5.25亿亩，其中约5000万亩分布于棉花优势产区。因此，深入研究其耐盐碱性，提高现有盐碱地棉田产量，逐步推进开发盐碱地植棉，对解决棉粮争地、改善和利用盐碱地等问题具有重要意义。棉花是耐盐的先锋作物，但耐盐能力有限，其种间耐盐性也有较大差异。盐胁迫对棉花生长发育乃至产量和品质的影响程度，不仅与棉花的生长发育特性、环境变化等因素有关，也取决于棉花对盐胁迫的适应性。目前，棉花耐盐的相关研究多集中在盐胁迫下的生理损伤、耐盐遗传机理和分子机理等方面。本研究就棉花对盐胁迫的响应机制及缓解的主要措施进行阐述，以期为今后相关的研究提供参考依据。

1盐胁迫对棉花生长发育和产量品质的影响

1.1盐胁迫对棉花生长发育的影响

通常，盐胁迫阻碍棉花根部和地上部的生长，导致侧根生长受到抑制，叶面皱缩且面积减少，茎部纤弱，地上和地下部的鲜物质量下降，其中，地上部尤为敏感。高盐胁迫会对光合、呼吸作用产生严重影响，阻碍氮、磷肥吸收利用。随着盐浓度增加，花铃数减少，落铃率增加，从而导致成铃减少。不同盐浓度对棉花生长发育的不同时期、不同器官都有影响。当0.2%<盐浓度<0.4%时，能促进种子萌发；当0.5%<盐浓度<0.7%时，生理机能、物质代谢受到影响，幼苗生长受限；当盐浓度>0.7%时，则显著抑制棉花的生长发育，导致产量下降、品质降低。盐胁迫使Na⁺大量积累，无机离子缺乏限制了水分，导致棉花营养失衡。在0.4%盐土壤环境中，耐盐品种出苗的耐盐胁迫能力强于感盐品种，并随播种时间的推迟，抑制作用越明显。生长过程中，盐胁迫影响叶绿素合成，光合作用受抑制，叶片中叶绿素含量和光合速率下降，Na⁺、脱落酸（ABA）含量上升，K⁺、玉米素核苷（ZR）含量降低，促进叶片的衰老，耐盐性好的品系叶绿素相对值降低幅度较小。较低NaCl浓度对棉花愈伤组织生长有促进作用，而高NaCl浓度对棉花愈伤组织有明显的抑制作用。

1.2盐胁迫对棉花产量和品质的影响

棉花干物质生产受土壤盐分影响显著，高盐度条件下棉花生育进程滞后，生殖生长与营养生长不协调，造成脱落率增加，经济产量下降。土壤盐度显著影响棉花对N、P和K养分的吸收、积累、分配，在子棉、铃壳中的吸收量与盐度呈负相关。棉花成苗率，株高，果枝数，单铃重，单株最大叶面积，霜前花率，整齐度指数和断裂比强度均随着灌溉水盐度的增加而降低，并且通过马克隆值对纤维品质产生负面影响。棉花耐盐性与铃重、纤维长度呈极显著正相关；与种仁蛋白质含量、马克隆值呈显著负相关，盐胁迫后，蛋白质含量均降低。适当范围浓度的盐可作为营养成分，提高种子产量，但是Na⁺的大量摄入会导致叶片早熟或早衰，产种量骤减，不同基因型的棉纤维性状受到的影响也是多种多样。

2棉花对盐胁迫的响应机制

作物的耐盐特性不仅与植株体内盐分的吸收、运输、分配、排泄、膜功能和离子区域化作用相关，耐盐物质的合成和积累也是提高耐盐性的重要途径。棉花是非盐生植物，但是能够像盐生植物一样，通过不同的耐盐机制来抗拒盐胁迫，主要包括渗透调节、膜脂调节、离子分布和分子机制。

2.1渗透调节

受到盐胁迫时，外界渗透势低，植物体内细胞出现水分亏缺现象，即渗透胁迫，为保证水分的正常供应，细胞会积累某些可溶性物质来避免伤害。盐胁迫造成的渗透胁迫容易引起细胞脱水，棉株通过吸收大量无机盐，并将盐离子积累到液泡，以提高液泡溶液浓度，从而降低细胞水势，以适应盐胁迫造成的低水势，进而使植株在较高渗透条件下吸水，保持膨压，提高耐脱水性。但是，过多盐离子的积累会产生毒害作用。

2.2膜脂调节

盐胁迫下，植物细胞内Na⁺过量积累，导致活性氧产生，打破了清除系统的动态平衡，启动膜脂过氧化及脱脂作用，致使膜蛋白和膜脂损失，膜结构破坏，此时超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）和抗坏血酸（AsA）等活性在一定程度上发生变化，以维持膜结构和功能的稳定。人们通过对盐胁迫下植物体内抗氧化防御系统的大量研究，发现SOD、POD、AsA等清除活性氧的酶系和抗氧化物质协同作用共同抵抗盐胁迫诱导产生的氧化伤害，单一的抗氧化酶不足以防御这种氧化胁迫。受到盐胁迫，耐盐性棉花品种叶片的膜脂过氧化清除系统活性（包括POD、CAT、GR）大幅度上升，不耐盐型品种的指标不变或下降。杨艳兵等用0.3%NaCl胁迫处理中熟棉‘N181，幼苗叶片中保护酶活性及脯氨酸含量明显增加，丙二醛含量降低。Askim等提出，胁迫使CAT、POD活性降低，导致过氧化氢积聚和氧化应激引发脂质过氧化反应。耐盐型品种，可以保持SOD和AsA活性，同时脯氨酸含量会大大提高。棉花可以通过体内合成某些小分子有机物（例如：脯氨酸、葡萄糖和其它氨基酸等）、新的应激蛋白（或某种蛋白量的改变）来提高细胞的渗透压，以降低水势，以适应环境的变化。还可以通过降解体内蛋白质、淀粉，来提高渗透压，改变代谢过程，同时，有大量脯氨酸、可溶性糖的合成维持渗透压。不同耐盐级别品种的细胞质膜透性差异显著，耐盐性越强其叶片细胞质膜透性越小。耐盐性强的品种，苗期叶片内游离脯氨酸、可溶性糖、类胡萝卜素的含量，棉苗的过氧化物酶活性、叶绿素a、b、a+b含量及净光合速率均显著高于耐盐性弱的品种，丙二醛含量显著低于耐盐性弱的品种。

2.3离子分布

耐盐生理中，碳水化合物是主要的渗透调节剂，参与平衡液泡水势。有机酸同样是一类重要的有机物，可以作为一种渗透调节剂，还可以用来维持植物体内的离子平衡，通过中和过量Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子，一定程度上降低了阳离子毒害。Flowers等研究表明，由于盐生和非盐生植物的细胞质酶对Na⁺的敏感程度不同，因此Na⁺、CI的离子区域化分布是盐渍环境的适应结果。离子的区域化分布，液泡中Na⁺的浓度大于胞质中的浓度，盐胁迫时，Na⁺、Cl^-等离子积累在液泡中。在盐胁迫下棉花植株体内的ca²⁺、Na⁺、Cr含量随土壤盐度的增加而增加，根茎木质部及叶片的Na⁺含量随外界盐浓度的增大而迅速上升，尤以叶片中含量最高。耐盐型品种，体内的阳离子以Na⁺为主，并且有约90%积累在地上部。NaCl胁迫显著降低棉苗叶片和根系中Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺、P³⁺和Mn⁴⁺的含量。耐盐性强的品种苗期叶片内K⁺含量显著高于耐盐性弱的品种，Na⁺含量显著低于耐盐性弱的品种。

2.4分子机制

盐胁迫下，质膜和液泡膜的ATP酶/H⁺泵产生逆向转运质子驱动，通过Na⁺/H⁺逆向转运蛋白将细胞质中的Na⁺泵入液泡，缓解盐胁迫造成的危害。棉花的耐盐性强弱因基因型而异，基因型间的耐盐性差异与丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、类胡萝卜素含量和保护酶活性以及盐离子在叶片中积累量的差异有关㈣。棉花是较耐盐植物，V-PPase（焦磷酸酶）在盐胁迫下起到离子区隔化的作用，而植物的逆境胁迫与DNA甲基化有重要关系。在盐胁迫下，DNA甲基化变异在根中发生的更为频繁，几乎以甲基化降低为主。李春贺利用miRNA基因芯片杂交技术，miRNA家族作用的靶基因分析，miRNAs参与植物逆境条件下的信号传导，很可能对棉花的耐盐机制有重要作用。何林池等发现亲缘关系很近而耐盐水平差异显著的‘中棉所35和‘中棉所12存在点突变和插入/缺失，说明这些SNP/InDel可能对耐盐性状有重要的调控功能。通过KEGG分析，耐盐品系显著富集的信号通路是抗原加工过程，而盐敏感品系显著富集的是生物碱合成途径㈣。另外，LEA蛋白基因、水通道蛋白基因、K⁺通道蛋白及其基因、盐激蛋白及其基因等，也在棉花耐盐响应机制中发挥重要作用。

3缓解盐胁迫的主要措施

3.1耐盐品种的鉴定筛选及培育

3.1.1鉴定筛选耐盐种质资源的评价和筛选也是耐盐育种的基础和前提条件。目前，已知的耐盐性检测方法有盐池鉴定法、发芽率和出苗率估测法、生物学性状比较法、离子比值法、整体植株鉴定法、花粉萌发率测定法、多标记组合鉴定法等。

盐池鉴定法是比较传统的耐盐性鉴定方法。叶武威将土壤基质含盐量0.4%作为棉花耐盐性鉴定的浓度，统计施盐10天后的相对成活苗率（salinity-resistance index，SRI%），将耐盐性分为4级（表1）。刘雅辉等采用盐池原土鉴定法，在土壤全盐含量0.4%和0.1%（对照）胁迫下，通过调查幼苗长势、盐害症状、二叶期的株高和叶片数，对棉苗分类并计算盐害指数，确立了以盐害指数为分级指标的棉花苗期耐盐性评价标准。沈法富等以大田单株棉花盐害症状为耐盐性的分级标准（表2）。幼苗期是鉴定棉花耐盐性的重要阶段，种子相对发芽率、相对棉苗干物质质量、相对株高、K⁺/Na⁺和Ca²⁺/Na⁺等相对指标可用来辅助鉴定棉花萌发期耐盐性。利用水培的方法对其整体植株进行耐盐性鉴定，棉花叶片总面积和叶片鲜重减少百分率可以反映棉株整体的耐盐性。利用液滴培养技术对花粉耐盐性进行鉴定，棉花花粉粒萌发的百分率也是反映其耐盐性的可靠指标。随着生物技术不断进步，分子标记的出现给耐盐性研究带来新思路、新方法。张丽娜等采用SSR技术，初步制定出多标记组合鉴定法，用于棉花耐盐分子标记辅助鉴定。

3.1.2耐盐品种选育全国以中国农业科学院棉花研究所为主的抗逆性鉴定中心，培育出一批常规抗旱、耐盐新品种（系），并成功地在中国旱区、盐碱地进行推广种植。沈法富等利用Hayman的方法进行试验，表明耐盐和敏盐品种的一般配合力效应差异达极显著，耐盐×敏盐为棉花耐盐育种的最佳组合。棉花的耐盐性存在着加性和显性效应，以加性效应为主，耐盐性呈不完全显性，受一对主效基因控制。结合F₂代的狭义遗传力效应，可以在F₂选择改良棉花的耐盐性。辛承松等以双价抗虫棉品种‘SGK321和普通陆地棉品种‘石远321（SY321）为材料，通过试验表明选用耐盐性强的亲本并注重耐盐性选择是培育耐盐抗虫棉品种的有效途径。

3.2栽培管理技术

通过播前种子处理、地膜覆盖、灌溉耕作和施加外源物质等方法，对提高棉花耐盐性均有一定的改良效果。

3.2.1种子处理播前对种子进行选择和处理，在一定程度上可以提高棉花耐盐性。研究表明，播前将种子在不同盐浓度溶液中处理，可提高棉花抗盐性。在盐分胁迫下，利用适当浓度范围的缩节胺、腐胺、2-氯-6-（三氯甲基）吡啶、CaCl₂浸种可以提高棉种发芽率、发芽势，降低平均发芽时间。部分种类及浓度的氨基酸能缓解盐胁迫对棉籽萌发及棉花幼苗生长的抑制作用，而对脯氨酸的生成有不同程度的抑制作用。

3.2.2耕作方式覆膜可有效的改善植株生长，提高耐盐性，增加皮棉产量。董合忠等提出在黄河三角洲及其生态相似的棉花产区，播前30天覆地膜可以提高土壤温度，延迟盐分积累，有效增加产量。将双膜和精量播种技术紧密联系，可以显著改善出苗情况，以及低盐和低温等不利因素。与平作种植方式相比，上盖地膜下埋秸秆、高垄覆膜，促进长势，有利于提高棉花干物质质量和氮、磷、钾的积累量。土壤盐分随灌溉水盐度的增加而增高，适宜盐度和灌溉量的微咸水滴灌对棉花生长、产量以及水氮利用率影响不大，高盐度的咸水灌溉会导致棉花产量显著降低。Wang等在新疆南部进行田间试验表明，生长期进行膜下滴灌用淡水和淡盐水，收获后用淡水漫灌可以避免土壤盐渍化。周丽等以典型荒漠区原生盐碱荒地及开垦农田为研究对象，长期的耕作可以改变土壤可溶性盐分在土层中的分布，经过多年开垦利用后，盐荒地土壤可溶性盐分和pH均显著降低。

3.2.3外源施加施加氮肥、磷肥，可以改善棉株的耐盐性。施加酸碱平衡护理剂、盐碱土改良剂，可以调节酸碱平衡，改善土壤团粒结构，提高土壤肥力，对盐碱地减轻盐碱危害有明显效果，增产效果明显。采用黄腐酸作为化学改良剂改良膜下滴灌盐碱地后，土壤pH、易溶盐总量、SO₄^2-、HCO^3-、Mg²⁺、Cl^-、Ca²⁺、K⁺、Na⁺均呈明显降低趋势，棉花长势、产量等均优于试验区外对照。使用硫磺粉进行改良盐碱地的研究也是基于硫杆菌的作用，可以降低土壤的pH，改善养分状况，促进了棉花植株的生长。在盐碱地定植胶囊KlebsiellaoxytocaRs-5、施用假单细胞菌Pseudomonas putidaRs-198http：//www.sciencedirect.com/science/arficle/pii/S1164556309001046-corl#corl、拉乌尔菌RaoultellaplanticolaRs_2提高棉花发芽势和苗期耐盐性。低浓度的冠菌素和缩节安处理减少植株内活性氧的含量同时增加植物光合能力以减轻棉花在盐胁迫下的伤害。适当的SNP可以促进棉花生长，提升盐胁迫下抗氧化防御系统的能力。增施磷肥也可以提高棉花的抗盐性。

3.3分子辅助育种

随着基因与克隆技术的发展，棉花生长发育机理的进一步明确，转基因种质资源创新体系的建立和完善，将会发掘更多的耐盐基因，并有更多基因转移到棉花中，不断的培育综合性状优良的转基因棉花新品种（系）。

3.3.1棉花中耐盐基因的发掘刘章伟等运用cDNA-AFLP技术，获得了仅在旱地棉盐胁迫下特异表达的转录片段（TDF），这些盐诱导表达的基因主要涉及离子转运、活性氧清除、细胞信号传导、细胞分裂、转录调节、膜保护、渗透调节等功能蛋白。利用RACE结合RT-PCR技术获得陆地棉s一腺苷甲硫氨酸合成酶基因（GhSAMS），该基因的表达受盐胁迫诱导，在盐敏感材料中诱导被推迟。从棉花中克隆出苹果酸脱氢酶（Malatedehydrogenase，MDH）基因（GhMDH），该基因编码的蛋白酶具有脱氢酶活性。膜联蛋白基因GhAnnl、GhWRKY39的过表达，可提高棉花抗盐性。GhBI-1基因能够响应生物与非生物胁迫信号的诱导。陆地棉中亲环蛋白基因GhCyp1是耐盐胁迫的基因。目前已在棉花中发现的一些耐盐相关基因，有受高盐诱导的基因（GhGnT、GhCPK5、GhMPK2、GhCpyl、GhVP、GhDREB、GhPTACGhBI-1等），调控耐盐相关基因表达基因（GhEREB2、GhDBP1、GhDREB1、GhHB1、GhERF1、GhZFP1等），受ABA诱导的基因（GhMT3a、GhDREB1L、GhNAC1、GhDi19-1、GhCBF1、GhSRK2D等），调节离子运输，维持渗透压，促进水分吸收的基因（Lea、GhNHX1、GhTIP1、GhCNGC2、GaP5CS、GaTPS等），参与信号传导途径，清除活性氧的基因（GhPK1、Cu/ZnSOD等）等。

3.3.2转基因技术的应用利用转基因技术，将耐盐碱相关基因转入到棉花中，是增强棉花耐盐碱性的重要手段。在棉花品种‘YZ1中过表达水稻的SNAC1基因后，250mmol/LNaCl条件下水培，其根系发育生长旺盛，蒸腾速率降低，脯氨酸含量上升，丙二醛含量下降，其耐盐碱性得到了提高。棉花中转入来自滨藜属的nhaA基因，可以改善Na⁺和K⁺积累。试验表明，将山菠菜的AhC-MO基因、胆碱脱氢酶基因beta和突变的乙酰乳酸合成酶als基因等外源基因（表3）导入到棉花中，可以提高转基因植株的耐盐和耐低温能力。

4展望

长期以来，如何提高棉花的抗盐性，增加在盐逆境下的产量一直是人们关注的焦点。目前，对棉花的抗盐机制研究有限，更加深入系统的了解棉花抗盐机制，探明棉花对盐碱胁迫的反应机制和抗盐机理，是指导生物技术和其它措施改造棉花提高抗盐碱能力的前提。当今，学科间交叉网络的发展，给棉花的耐盐工作提出了新的思考和契机。

（1）分子机理与生理机制相结合。棉花耐盐性是一个复杂的数量性状，由多基因控制。随着转基因技术的不断深入和发展，部分转基因棉花获得了较好的经济和社会效益，但是耐盐转基因棉花研究方面，仍然存在着亟待解决的问题，例如：耐盐相关基因转化率过低，基因表达对耐盐能力改善的局限性，如何感知环境胁迫信号，并且如何进行调控等。可以通过对生理机制、分子机理和育种的结合应用，筛选、培育耐盐品种。李维江等研究表明，耐盐性因基因型而异，棕色棉和绿色棉耐盐性最强，因此，可以结合生产，选育实用性强的品种。

（2）常规栽培措施与理化手段相结合。通过抗盐锻炼、使用生长调节剂和改造盐碱土等传统栽培措施是提高棉花的抗盐能力的有效手段。研究表明，磁处理可以通过影响盐胁迫后植物细胞内离子转移和分布变化，进而引起与之相关的代谢酶类、生理活性发生改变，尝试提高盐渍环境下棉花种子的萌发率。

（3）遥感监测系统的开发与应用。林蔚等运用软件工程的思维，耦合了基于地面遥感手段构建的棉花功能叶水、盐状况监测模型和土壤介电常数模型，开发了具有监测滨海盐土棉田棉花和土壤水、盐状况功能的遥感监测系统。李静等通过对棉田土壤盐分的光谱反演研究，选择盐渍化光谱敏感的波段建立了盐分指数SI1，BI，SI2，NDSI，SI3监测棉田土壤盐渍化的模型，为土壤盐渍化遥感动态监测提供可能。