水稻耐盐育种研究进展

王诗宇，毛 艇，张丽丽，李 鑫，刘 研，赵一洲，倪善君，钟顺成，王柏秋，张 战*

（辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010）

植物在动态环境中生长，经常会遇到干旱、高盐度、寒冷、高温等非生物胁迫。其中，盐胁迫已经成为最严重的环境胁迫之一。 盐胁迫是全世界农作物生产的主要制约条件[1]，是影响作物产量和品质的重要因素之一[2-4]。 土壤盐分是一个全球性问题，影响了超过20%的耕地，而且这一比例预计将会不断增加[5]。 高盐地下水灌溉、沿海地区海水的释放以及干旱半干旱地区离子淋溶不足而导致的盐分积累是造成土壤盐分过高的主要原因[6]。盐胁迫对作物的影响包括引发渗透性应激反应、离子毒性和营养缺乏， 这些不利影响使作物生长受到抑制最终减产。 盐度对植物生长的不利影响具体包括：由于土壤密实度和硬度增加，植物无法建立有效的根系[7]；由于可用水量少而引起的渗透胁迫；由于盐分阻塞了氮、磷、钾和钙等营养物质的吸收，导致植株营养缺乏；基因组成被认为是植物对盐分耐受性重要因素之一， 据报道许多耐盐基因受盐分胁迫的调节[8]，虽然不同的谷类作物因其基因组成而在抵抗不同压力方面的潜力各不相同， 但它们的产量和品质在盐胁迫环境下都会受到很大的影响[9]。

水稻（Oryza sativaL.）是世界上大部分人的主食，是世界许多地区尤其是亚洲、拉丁美洲和非洲的重要粮食作物。它被归类为盐敏感的作物，是最易受盐胁迫的植物， 其盐度阈值为3.0 dS/m（FAO）， 在其生长发育的不同阶段表现出耐盐程度的变化。 据报道，在生殖和灌浆阶段，水稻的抗盐性比营养期和萌发期的更高[10-11]。 但无论在任何时期， 水稻的产量和品质都会受到盐分胁迫的不利影响[12-15]。 提高水稻的耐盐性将增加盐碱地的潜力，确保粮食安全。

1 耐盐水稻品种的选育

水稻对盐碱的耐受性定义为在盐（碱）浓度为0.3%的盐碱地上生长的能力。 选育优良的耐盐水稻品种被认为是利用盐碱地最经济可行和环保的方法。经过多年的努力，育种家们已经寻找、收集、评估和选育了许多耐盐水稻资源。锡兰（现代的斯里兰卡） 是第一个进行耐盐水稻品种筛选和栽培的国家，1939 年引入了第一个耐盐水稻品种Pokka[16]。 随后，印度和菲律宾育成了一系列耐盐水 稻 品 种，Kala Rata 1-24、Nona Bokra、Bhura Rata、SR 26B、Chin.13 和349 Jhona[17-21]。 中国从1950 年开始水稻的耐盐育种研究工作[4]。 在众多育种家的努力下， 我国也育成了一大批耐盐水稻品种。 辽宁省盐碱地利用研究所在20 世纪70 年代启动了耐盐水稻育种计划， 培育了一系列耐盐粳稻品种，如辽盐2 号、盐丰47、盐粳927、盐粳218 等。 江苏沿海地区农业科学研究所从20 世纪80 年代开始对耐盐水稻种质资源进行鉴定和评价， 从1,300 多份种质资源中获得61 份耐盐品种。 其他育种机构使用现有的耐盐种质和常规育种方法获得了大量耐盐水稻品种，如长白6 号、冀粳84 号和津源101 等[22]。

2 盐胁迫期间水稻的总体信号传导途径

水稻可能的耐盐机制包括离子稳态和区室化、离子运输和吸收、渗透调节、用于活性氧解毒的抗氧化酶的激活以及激素调节[23-27]，这些机制会引起渗透和离子胁迫。渗透应激信号通过ABA 依赖性或ABA 非依赖性途径转导。 ABA 依赖性途径包括丝裂原活化蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinases，MAPKs）级联、钙依赖性蛋白激酶（CDPK）、受体样激酶（RLK）、SNF1 相关蛋白激酶（SnRK）、 转 录 因 子 （OsRAB1、MYC/MYB 和OsNAC/SNAC）和小RNA。 ABA 非依赖性途径包括转录因子（OsDREB1 和OsDREB2）和胁迫相关基因（OsPSY1，OsNCEDs）。离子胁迫通过Ca2+/PLC途径、盐超敏感（SOS）和钙调素（CaM）途径发出信号，Ca2+由Ca2+传感器（OsCBL4）、类钙调磷酸酶B亚基互作蛋白激酶（OsCIPK24）感应，后者依次激活Na+/H+反向转运体 （OsSOS1）、H+/Ca+反转运体（OsCAX1）、 液泡H+/ATP 酶、 液泡Na+/H+交换器（OsNHX1）和抑制K+/Na+转运蛋白（OsHKT1）来维持盐胁迫下的离子稳态[28]。

3 耐盐基因/QTL 的定位和克隆

水稻耐盐性是一个由数量性状基因座控制的复杂性状[29]，受多个基因控制，并且表现出不同的生理机制。 在不同的水稻品系中检测到了许多耐盐基因，但只有几个主要的耐盐水稻QTL/基因通过基因组学方法进行了鉴定[30-35]， 如qSKC1[36]、qSNC3、Saltol[37]和OsRR22[38]。qSKC1是一个主要QTL， 它编码盐胁迫下水稻的钠转运蛋白。qSE3编码一个K+转运蛋白OsHAK21，在盐分胁迫下促进水稻的种子发芽和幼苗的生长[39]。qST1和qST3分别位于1 号和3 号染色体上， 在水稻的幼苗期赋予了其耐盐性。OsRR22编码一种B 型反应调节蛋白，作为一种转录因子调节基因，参与渗透反应和根部维管组织细胞之间的离子转运。 最近的研究进展也确定了其它一些水稻耐盐性的主要基因， 包 括OsAKT1、OsKCO1、OsNRT1、OsCLC1、OsADS31和OsTPC1等。 尽管有些QTL 已经渗入到一些大量推广的高产水稻品种中以提高其耐盐性， 但水稻耐盐是一个由多个基因组合控制的复杂性状， 它们在盐胁迫期间的功能途径并没有协调地联系起来，还无法解释非常复杂的耐盐现象，所以改良的速度是缓慢的。因此，鉴定与耐盐性有关的其它基因将有助于表征未知的耐盐性机制并促进育种应用。

4 现代生物技术与耐盐水稻育种

水稻是模型农作物， 因为其基因组相对较小（430 MB），有助于基因组测序，水稻参考基因组的发表和下一代测序（NGS）技术的发展为探索全基因组遗传变异和以高效方式进行基因分型提供了可能[40-42]。 全基因组关联研究（GWAS）是鉴定性状相关基因座中有价值的自然变异， 以及数量性状和复杂性状（包括与生长、耐盐性和营养品质有关的）候选基因等位基因变异的有力方法[43]。 与传统的QTL 连锁分析相比，GWAS 基于自然群体的高密度变异， 可以在同一位点检测到多个等位基因[44]。 在基于微型核（25 个国家，>200 个品种）的GWAS 研究中，使用700 K 单个甘酸多态性（SNP）水稻芯片， 已经鉴定出22 个候选基因和20 个数量性状核苷酸（QTN），它们分别与发芽和幼苗阶段的11 种不同的耐盐性状相关[45]。 在使用50 K SNP 芯片的另一项研究中， 在双亲群体中总共获得了6,068 个多态性SNP， 其中共有11 个理想QTN 和23 个不理想QTN 与耐盐性状相关。 近年来，CRISPR/Cas9 作为一项快速发展的基因组编辑技术， 彻底改变了植物育种的基础以及应用研究。 CRISPR/Cas9 系统依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变，具有省时、高效的特点，还能有效地避免累赘连锁效应。 使用CRISPR/Cas9 系统进行基因组编辑已在水稻耐盐育种中得到了成功证明。 转基因方法也是水稻耐盐育种的有力工具。 根据育种目标，从供体生物中分离目的基因，经DNA 重组和遗传转化，转入受体植物，且不改变受体植物的其他优良性状。 转基因通过多种途径来提高水稻的耐盐性，例如控制有机溶质、离子运输、程序性细胞死亡（PCD）、信号转导和转录因子（TF）参与高盐胁迫的应对机制。同时，标记辅助育种以导入耐盐QTL、 程序化耐盐基因的表达等其他现代生物技术都是提高水稻耐盐性快速有效的方法。

5 展望

使用传统的育种方法， 科学家培育出了一系列耐盐水稻品种，但改良的速度仍是缓慢的。已从不同的水稻基因型中分离并验证了许多盐敏感基因，许多QTL 和水稻盐分GWAS 的报告等现代生物技术在水稻耐盐育种方面也取得了初步成功，提高了水稻耐盐育种的效率。 但仍需要更多的努力来确定哪些基因最适合用于耐盐育种计划和转基因品种开发。