我国玉米耐盐种质研究现状与展望

沈丹丹　程文　王志武　卢增斌　赵苏娴　丁照华 　张恩盈

摘要：盐胁迫是影响玉米生长发育和产量的重要外部因素。玉米在盐胁迫下会产生一系列生理生化变化，创制改良耐盐种质是提高玉米耐盐性的有效手段。本文系统综述了近年来我国玉米育种中耐盐性研究的相关进展，主要包括玉米耐盐碱种质鉴定、玉米耐盐机理、耐盐玉米种质筛选等，以期为玉米耐盐种质创制和遗传育种提供重要参考。

关键词：玉米；耐盐性；耐盐碱种质鉴定；耐盐机理

中图分类号：S513 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）11-0163-05

Abstract Salt stress is an important external factor that affects the growth and yield of maize. Under salt stress，a series of physiological and biochemical changes occurred in maize. Breeding improved salt-tolerant germplasms is an effective means to improve the salt tolerance of maize. In this article，we systematically summarized the recent advances of salt tolerance in maize breeding in China， including the identification of saline-alkali-tolerant germplasms， the salt tolerant mechanism， and the screening of salt-tolerant germplasms， in order to provide important references for developing salt-tolerant maize germplasm and genetic breeding.

Keywords Maize； Salt tolerance； Saline-alkali-tolerant germplasm identification； Salt resistant mechanism

土壤盐渍化是限制我国农业发展的主要障碍之一。我国的盐渍化土地总面积约9 913×104 hm2，主要集中分布于西北、华北和东北的干旱和半干旱地区[1]，是全世界盐渍土面积第三大国[2]。近年来，由于化肥的不当施用，人为引起的土壤次生盐渍化问题也日趋严重。

玉米（Zea mays L.）是世界上最重要的粮食作物之一，全世界种植面积超过1.41×108 hm2[3，4]。盐渍化环境会引起盐胁迫，相比棉花等作物，玉米对盐胁迫更为敏感，在盐浓度小于0.24%条件下可正常生长，致死临界含盐量为0.485%，属中度盐敏感植物[5]。玉米耐盐性是一个复杂的遗传性状，受多个基因/QTL控制，加之盐碱地盐碱度分布不匀等特点，玉米耐盐种质创制和品种选育研究相对滞后，且进展缓慢。因此，加强对玉米种质耐盐性的遗传改良，进而选育耐盐品种是玉米育种的一个重要方向。

1 玉米耐盐碱生理生化特性

土壤盐碱化会导致玉米生长受阻，也会引起玉米一系列的生理及代谢物变化。Pitann等[6]的研究表明，盐胁迫会使玉米地上部分生长受到抑制。玉米质外体的酸化作用会受盐胁迫影响，盐胁迫会抑制质膜上ATPase的H+泵活性，pH值上升，细胞壁合成及代谢相关酶活性下降，进而影响玉米地上部分生长。Nawaz等[7]在玉米不同生长阶段施用三种浓度的外源甘氨酸甜菜碱（0、50、100 mmol/L），表明盐胁迫不仅降低玉米植株的新鲜度和干生物量的累积，而且影响叶片水势、叶片渗透势和叶片扩张潜力。而外源施用甜菜碱（GB）能改善盐胁迫对玉米生长造成的不利影响，而且在营养生长阶段施用GB比生殖生长阶段更有效地改善盐胁迫对玉米品种的不利影响。

盐胁迫对根的生长也有显著影响，可使根变短变粗，侧根及根毛减少，节根条数增多以及根重下降。Munns[8]指出，盐胁迫对玉米造成水分和盐离子毒害，玉米植株吸收过多的Na+，进一步导致离子失衡、光合作用减慢以及根系生长受到抑制。王宁[9]进行盐胁迫对根系的影响研究，表明盐浓度在40 mmol/L时根系生长最好。商学芳[10]研究证明，在盐胁迫条件下，玉米根系活力均明显降低。

叶绿体对盐胁迫较为敏感，盐胁迫使其结构易遭受破坏。王丽燕[11]、许兴[12]等发现，盐胁迫下玉米叶绿体的双层膜有一定损伤，基粒片层之间的连接出现断裂。同时NaCl会增强叶绿素酶的活性，加速叶绿素分解，PSⅠ和PSⅡ被破坏，尤其是PSⅡ，都直接损伤光合系统。

玉米受到盐胁迫时，通过体内ABA的累积、气孔关闭进而改善水分缺失[13]。盐胁迫导致叶片气孔关闭，使CO2的光合碳同化受到抑制，影响光合作用。此时为维持正常呼吸，玉米细胞体内的营养物质会处于负增长状态，进而导致玉米生长受到抑制，出现减产甚至死亡。

为适应盐胁迫环境，玉米进化出多种调节机制，以保证其正常生长发育。如将过多的盐离子隔离在根、液泡和质外体中，避免盐胁迫产生的盐离子毒害；吸收可溶性糖、甜菜碱、游離氨基酸和有机酸等有机溶质，维持细胞内外渗透势平衡，减少盐胁迫导致的渗透失衡；通过提高细胞内SOD、POD、CAT等酶活性相关基因的表达水平，提高其清除活性氧的能力，减少盐胁迫造成的氧化效应。

2 耐盐玉米种质鉴定

种质资源是玉米育种的基础和关键。我国玉米耐盐碱品种少，归因于玉米的盐敏感特性、耐盐玉米种质匮乏、耐盐种质鉴定体系不成熟等诸多因素。玉米耐盐性是一个复杂的遗传性状，目前普遍认为是由多基因控制的数量性状[14]，筛选和创制难度较大，鉴定技术体系不统一。

2.1 常规鉴定

常规鉴定玉米盐碱耐受性主要是通过表型指标和生理生化指标筛选，一般来说，表型指标更直观更可靠。常用表型指标主要包括盐胁迫下玉米的存活能力、玉米相对生长量、玉米绝对生长和产量；生理指标主要包括细胞质膜透性（透性小，外渗物质少，耐盐性强）、体内渗透剂含量、叶绿素含量、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化产物丙二醛（MDA）、组织的肉质性（肉质化程度高，抗盐性强）、组织水势。

通常鉴定玉米盐胁迫耐受性的方法为：采用Na2CO3溶液和NaCl溶液模拟盐胁迫环境，在不同盐浓度下进行种子萌发，在试验过程中测定生理生化指标，获得不同玉米自交系的盐耐受性鉴定结果。

张春宵[15]进行的种子萌发和幼苗胁迫试验，于后期测定生理生化指标并以其为依据开展的耐盐种质鉴定，耗时短、成本低。刘学等[16]用5种不同评价方法对9个耐盐性不同的玉米自交系进行苗期耐盐性鉴定，表明最适宜的筛选指标是苗情、株高變化率和干重变化率。张春宵等[17]也研究证明，大田鉴定结果与苗期耐盐碱能力综合评价分级基本吻合。贾丹莉等[18]明确了耐盐碱杂交种筛选的临界盐浓度是300 mmol/L。杨书华等[19]认为，25 mmol/L的Na2CO3溶液和100 mmol/L的NaCl溶液是玉米耐盐碱筛选的合适浓度，在这个浓度下，各项生理指标与对照组差异达到极显著水平。另据研究表明，植物在受到干旱和盐胁迫时发生的很多生理反应相同或相似，产生抵御胁迫的措施也相同。

玉米盐耐受性是多基因控制的复杂性状，且在不同发育时期差异显著，还受到外界其它环境（如光照、空气湿度等）的影响。目前，玉米耐盐性鉴定中对盐浓度的界定以及表型筛选指标的选择并没有统一的标准。

2.2 分子生物学鉴定

现代生物技术的发展有效提高了育种效率。玉米耐盐碱QTL定位、分子标记、关联分析以及转基因等技术方法在玉米耐盐碱研究中的应用，加快了玉米耐盐碱种质的筛选和鉴定步伐。

目前，玉米耐盐碱 QTL定位相关研究报道不多。Ma等[20]调查了玉米重组自交系群体的161个个体在盐胁迫下的耐盐等级、发芽率、含水量、地上部分鲜重和干重、地上部分钾离子含量等，用约3 000个SNP标记进行QTL定位，共发现8个主效QTL，定位到的QTL分别在第1、3、5号染色体上；同时对玉米F2群体的163个个体进行10个耐盐相关性状鉴定，发现了14个能解释表型变异10%以上的QTL。Luo等[21]利用盐胁迫下成熟玉米株高（SPH）和株高耐盐指数（生理盐水与对照株间株高比，PHI）评价成熟玉米植株的耐盐性，将株高耐盐指数的主效QTL定位在第1号染色体，在该QTL的置信区间内确定了两个参与离子稳态的候选基因。

利用全基因组关联分析（GWAS）可快速获得与盐胁迫相关的基因或QTL。陈婷婷[22]选用364份玉米自交系组成的关联作图群体，利用56万个SNP标记信息进行全基因组关联分析，检测到4个与存活天数和死叶率显著关联的SNP。后续对第5号染色体与耐盐性显著关联的SNP标记位点进行LD分析，将关联区间限制在100 kb区间内，包含有6个候选基因。

3 耐盐碱种质

3.1 种质资源

基于玉米的盐敏感特性，以及我国耐盐玉米种质资源匮乏等现状，搜集、鉴定、筛选和创制耐盐种质，对丰富我国玉米种质资源库具有重要意义。徐立华等[23]以玉米骨干自交系齐319、鲁原341、lx9801、U8112的幼胚为外植体，在含有浓度梯度NaCl的培养基上筛选，得到耐盐愈伤组织，并分化出可自交结实的幼苗植株，继而通过水培、沙培、盐碱地种植培养筛选获得耐盐突变体，为玉米耐盐育种提供了新的种质资源。张林等[24]通过对50份玉米自交系筛选得到高度耐盐碱玉米自交系3份，分别为PHBA6、PHP76和PHR62，耐盐碱玉米自交系11份。杨晓杰[25]对118份玉米自交系不同时期的耐盐性差异进行比较，综合主要农艺性状的表现筛选出DL、A71、PHB1M、A92和WM33共5个耐盐性强的玉米自交系，06NY-25、Mo17、郑32、南引26和农M1共5个盐敏感玉米自交系。

郭嘉等[26]依据Gen Bank数据库中发表的枯草芽孢杆菌cspB基因序列人工优化合成了cspB基因序列，构建表达载体，通过农杆菌介导法将cspB基因转入玉米自交系Hi-Ⅱ中，获得转cspB基因玉米材料，其耐盐性得到显著提高。郝德荣等[27]利用SSR分子标记，结合系谱资料，将157份自交系划为6个类群，其中具有通系5血缘（类群Ⅰ）、泰国糯玉米种质血缘（类群Ⅲ）及旅大红骨、黄早四等血缘（类群Ⅵ）的自交系耐盐性较强，是开展玉米耐盐碱育种的重要种质类群。

3.2 耐盐碱基因资源

盐耐受性是多基因控制的复杂性状，相关基因的分离和定位相对困难，目前仅有少数玉米耐盐碱相关基因被分离出来。刘岩等[28]将大肠杆菌糖醇代谢关键基因——6磷酸山梨醇脱氢酶基因转入玉米，得到耐盐性较强的转基因玉米植株，另外发现一些转录调控因子与抗逆性相关，通过这些转录因子的超表达可以激活多个下游的功能基因获得持久的抗逆性。范旭红[29]通过农杆菌介导法和花粉管通道法将无选择标记的耐盐基因胆碱单加氧酶（CMO）和甜菜碱醛脱氢酶（BADH）转入玉米自交系吉农201、吉农030中，获得了具有生物安全性的转CMO和BADH基因玉米后代。陈婷婷[22]研究发现，GRMZM2G110881在200 mmol/L盐处理后表达量上调了35倍，属于盐诱导表达基因。王炳才[30]发现HKT1 在植物盐胁迫响应中起重要作用，可以作为提高作物耐盐性的潜在遗传靶位点。

3.3 功能标记

印志同等[31]共检测到9个标记位点分别与5个耐盐性状显著关联，并在1号染色体上检测到与单株存活率、存活时间都极显著相关的标记umc2012。杨姗等[32]得到4个耐盐相关的SSR标记umc1416、umc1349、umc2295和umc1686。任凤阳[33]选用172份玉米自交系为材料，发现盐胁迫条件下与相对发芽率、相对活力指数、综合指标关联SNP标记分别为15、8、11个，与综合指标（Y）相关联的标记PZE-106037681、SYN36744、PZE106033224等8个标记具有AA、GG两种基因型，标记PZE-1080064469、PZE105160612、PZE-106026117具有AA、AG、GG三种基因型。

4 展望

盐碱地是我国可供开发利用的宝贵资源，农业开发利用潜力巨大。盐碱地开发利用的主要途径是土壤改良和耐盐品种的选育。而耐盐玉米种质资源的挖掘与创新利用是耐盐品种选育的基础和关键。耐盐种质的创新和利用主要集中于以下几个方面：

（1）融合多种技术方法的精准鉴定技术体系构建，可挖掘现有种质材料，进而为耐盐碱种质创制提供技术方法。

（2）对现有玉米资源深度精准挖掘，筛选创制突变体，开展玉米耐盐生理机制和耐盐基因挖掘研究。

（3）突破常规技术局限，利用分子生物技术手段，在全基因组序列的基础上开展大规模分子靶点的发掘，通过分子标记辅助选择将耐盐碱基因转入优良玉米自交系，获得耐盐碱的优良玉米自交系。

突破耐盐碱种质创制与育种技术瓶颈，完善并建立现代生物育种技术、耐盐碱鉴定技术与常规育种技术相结合的耐盐碱育种技术体系，系统开展耐盐碱玉米种质创制和新品种选育，具有重要的现实意义。

参 考 文 献：

[1] 杨真，王宝山. 中国盐渍土资源现状及改良利用对策[J]. 山东农业科学，2015，47（4）： 125-130.

[2] 李志杰，孙文彦，马卫萍，等. 盐碱土改良技术回顾与展望[J]. 山东农业科学，2010（2）：73-77.

[3] International Grains Council. Grain Market：report of IGC Grain-sconference[R].London：IGC，2012.

[4] Leekheen H，Theodore H，Steve E，et al. Validating the FAO AquaCrop model for irrigated and water deficient field maize[J]. Agronomy Journal，2009，101（3） ：488-498.

[5] Bao Y X，Zhao R，Li F F，et al. Simultaneous expression of spinacia oleracea chloroplast choline monooxygenase （CMO）and betainealdehyde dehydrogenase（BADH） genes contribute to dwarfism in transgenic lolium perenne[J]. Plant Molecular Biology Reporter，2011，29（2）：379-388.

[6] Pitann B，Schubert S，Muhling K H. Decline in leaf growth under salt stress is due to an inhibition of H+-pumping activity and increase in apoplastic pH of maize leaves[J]. Journal Plant Nutrition Soil Science，2009，172（4）：535-543.

[7] Nawaz K，Ashraf M. Improvement in salt tolerance of maize by exo-enous application of glycinebetaine：growth and water relations[J]. Pakistan Journal of Botany，2007，39（5）：1647-1653.

[8] Munns R. Comparative physiology of salt and water stress[J]. Plant Cell and Environment，2002，25（2）：239-250.

[9] 王寧. 不同玉米品种苗期对盐胁迫的生物学响应及耐性机制研究[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2009.

[10]商学芳. 不同基因型玉米对盐胁迫的敏感性及耐盐机理研究[D]. 泰安：山东农业大学，2007.

[11]王丽燕，赵可夫. 玉米幼苗对盐胁迫的生理响应[J]. 作物学报，2005，31（2）：264-266.

[12]许兴，李树华，惠红霞，等. NaCl胁迫对小麦幼苗生长、叶绿素含量及Na+、K+吸收的影响[J]. 西北植物学报，2002，22（2）：278-284.

[13]孙验玲，徐远超，李帅，等. 玉米耐受盐胁迫的调控机理研究进展[J]. 山东农业科学， 2016，48（11）：157-163.

[14]Maas E V，Hoffman G J，陈秀玲，等. 作物耐盐性：现有资料的评价[J]. 土壤学进展，1983（3）：29-33.

[15]张春宵. 玉米耐盐碱鉴定技术体系构建与耐盐碱种质筛选[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2010.

[16]刘学，周璇，曾兴，等. 玉米芽期和苗期耐盐性鉴定方法的比较分析[J]. 玉米科学， 2015，23（1）：115-121.

[17]张春宵，袁英，刘文国，等. 玉米杂交种苗期耐盐碱筛选与大田鉴定的比较分析[J]. 玉米科学，2010，18（5）：14-18.

[18]贾丹莉，杨治平，郭军玲，等. 6种玉米品种耐盐性筛选[J]. 中国农学通报，2017， 33（11）：1-8.

[19]杨书华，张春宵，朴明鑫，等. 69份玉米自交系的苗期耐盐碱性分析[J]. 种子，2011，30（3）：1-6.

[20]Ma Y，Shabala S，Li C，et al. Quantitative trait loci for salinity tolerance identified under drained and waterlogged conditions and their association with flowering time in barley （Hordeum vulgare. L）[J]. PLoS One，2015，10（8）：e0134822.

[21]Luo M J，Zhao Y X，Zhang R Y，et al. Mapping of a major QTL for salt tolerance of mature field-grown maize plants based on SNP markers[J]. BMC Plant Biology， 2017，17（1）：140.

[22]陈婷婷. 玉米苗期耐盐性光合机制及耐盐基因挖掘研究[D]. 扬州：扬州大学，2016.

[23]徐立华，阴卫军，周柱华，等. 细胞工程技术培育玉米耐盐自交系[J]. 作物杂志， 2006（4）：26-28.

[24]张林，杨剑飞，于立伟，等. 玉米苗期耐盐碱鉴定体系优化及50份美国自交系耐盐碱性鉴定[J]. 種子，2016，35（5）：94-98.

[25]杨晓杰，李旭业，王海艳，等. 玉米自交系耐盐种质的筛选及耐盐性评价[J]. 玉米科学，2014，22（4）：19-25.

[26]郭嘉，孙传波，杨向东，等. 转cspB基因玉米获得及其耐盐碱性分析[J]. 分子植物育种，2017，15（1）：145-149.

[27]郝德荣，程玉静，徐辰武，等. 玉米耐盐种质筛选及群体遗传结构分析[J]. 植物遗传资源学报，2013，14（6）：1153-1160.

[28]刘岩，王国英，刘俊君，等. 大肠杆菌gutD基因转入玉米及耐盐转基因植株的获得[J]. 中国科学（C辑），1998，28（6）：542-547.

[29]范旭红.BADH和CMO基因的无选择标记表达载体转化玉米的研究[D]. 长春：吉林农业大学， 2007.

[30]王炳才. 玉米苗期耐盐性的全基因组关联分析[D]. 武汉：华中农业大学，2017.

[31]印志同，杨庆华，倪正斌，等. 糯玉米芽苗期耐盐性鉴定及相关分子标记筛选[J]. 江苏农业学报，2012，28（2）：278-283.

[32]杨姗，张春宵，金峰学，等. 玉米自交系耐盐鉴定相关SSR标记的开发[J]. 分子植物育种，2015，13（6）：1239-1247.

[33]任凤阳. 玉米自交系萌发特性的评价及SNP关联分析[D]. 泰安：山东农业大学，2014.