谷子耐盐性研究进展及展望*

刘雯雯,乔匀周,杨 红,李永鹏,乔文君,董宝娣**,刘孟雨**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022; 2.中国科学院大学 北京 100049)

随着世界人口增长,可利用耕地不断减少,粮食安全受到严重威胁,其中土壤盐碱化问题尤为突出。土壤盐碱化是指土壤中积聚盐、碱且其含量超过正常耕作土壤水平,导致作物生长受到伤害的现象。全世界盐碱地面积为9.54 亿hm,包括pH 分别在7.1～8.5、8.5～9.5 和9.5 以上的轻度盐碱化、中度盐碱化和重度盐碱化土地在内。我国耕地中盐碱化面积达920.9 万hm,占全国耕地面积的6.62%,广泛分布于我国东部沿海地区、东北、华北、西北等干旱省份; 南方各省由于潮湿多雨,土壤中水分主要通过下行运动将可溶性盐输入海洋,因此盐碱土主要在沿海地区,其他地区很少。环渤海低平原区土壤瘠薄,盐碱化严重,作物生长受到严重制约。土壤盐分不仅会对植物产生渗透胁迫,引发离子毒害,还影响作物萌发、光合和呼吸、离子运输及养分吸收等多个过程在内的生长发育进程,最终导致产量降低。当土壤含盐量(干土)为0.3%～1.0%时,即土壤为弱盐渍土或中等盐渍土时,农作物的产量仅为正常产量的1/10～1/30。匡朴研究表明,山东省盐碱地玉米(L.)单产仅占全省玉米平均单产的70%,因此,筛选鉴定耐盐的作物品种,努力减少农作物在盐胁迫下产量和质量的损失至关重要。

谷子(L.Beauv)在种植业结构调整、地下水压采及粮食增产中具有重要作用。谷子种植地区主要为东北地区中西部、黄淮海平原中北部和东南部等干旱半干旱和盐碱地区。作为良地高产旱地保收的潜力作物,谷子除了抗旱,还具有耐瘠薄、强稳产性和广适应性等优势。谷子发芽只需吸收本身重量26%的水分,远低于玉米(48%)、小麦(L.)(45%)和高粱(L.Moench)(40%),对水分条件要求较低,而且谷子生育期耗水量在193～329 mm,蒸腾效率高于小麦、玉米。董宝娣等研究发现,在极端干旱致使玉米没有任何产量的环境中,谷子可以通过调整株高,缩短生育期来完成生命周期从而仍获得一定经济产量,属于典型的环境友好型作物。因此,可为我国缺水区种植结构调整提供新的战略选择。目前主要在谷子抗性资源鉴定、生理生化性状分析、栽培技术构建和少量耐盐基因功能分析及预测方面开展了耐盐性研究,相比持续开展的谷子抗旱性研究,谷子在盐碱地的栽培生理和栽培技术研究相对滞后,有关谷子在盐胁迫下的响应机制和调控机理研究还需系统深入探索。实际上一般常规谷子品种对盐分的敏感性较高,这使得盐胁迫相较于其他逆境因素,成为谷子在边际土地栽培过程中的突出限制因素。而杂交谷因优于常规品种的抗旱高产特征能有效缓解这种危害,因此,清楚理解并提高谷子在栽培技术、生理基础和分子机理方面的耐盐性,可进一步增强谷子在战略储备作物中的竞争力。为进一步系统梳理谷子耐盐性方面的研究进展,协同提升谷子耐旱耐盐碱能力,本文从谷子的耐盐性筛选指标及评价、盐胁迫下植株生长发育变化规律和生理生态响应以及谷子耐盐基因发掘等3 个方面进行综述。

1 谷子种质资源耐盐性鉴选评价

目前我国已鉴定的谷子种质资源约28 915 种,品(种)系间、同品种(系)不同生育时期的耐盐性都存在显著差异。在谷子种质资源鉴定方面,陈二影等和秦岭等对盐胁迫下种子性状指标进行综合评价。目前已鉴选出的高抗盐品种和盐敏感品种如表1所示。由于谷子不同生育阶段的盐敏感性不同,采用的鉴选方法和评价指标有差异,不同试验结果之间也存在显著差异,筛选出的品种少有重合。有关谷子耐盐性种质资源鉴选的研究方法,按照研究时期可分为萌发期、苗期和全生育期的盐胁迫鉴定法。由于萌发期最易受到外部环境影响,且萌发成功与否决定之后能否继续生长发育,因此大多数研究时期又主要集中于萌发期。鉴选标准与研究时期的分散性导致谷子种质资源耐盐鉴选评价体系难以完善。

表1 谷子耐盐性鉴选内容Table 1 Contents of salt tolerance evaluation of foxtail millet

大多数研究者进行萌发期耐盐性鉴定主要是利用培养皿试验,分析不同浓度盐溶液下发芽率、芽长、根长及其相对值和盐害率等指标的差异性。不同的研究者使用的盐溶液类型、确定的适宜盐浓度和鉴定指标有一定差异(表1)。多数研究者用于试验的盐溶液类型主要为NaCl 溶液,鉴选浓度一般为100～250 mmol·L,根据发芽状况的相对值和盐害率等各指标差异性确定耐盐性的鉴选指标。也有研究者选用混合盐碱溶液进行耐盐性鉴定,如郭瑞锋等利用NaSO∶NaCl∶NaHCO∶NaCO=4∶1∶4∶1 的混合盐碱溶液,以20 份山西谷子为材料进行萌发期的耐盐性试验,确定60～100 mmol·L的混合盐碱溶液浓度为鉴选受试谷子的适宜盐浓度范围,有效鉴定指标为发芽与活力指数、根长与芽长相对值,及盐碱害指数; 另有陈二影等在NaCl∶NaHCO=4∶1 混合盐碱胁迫下对53 份谷子品种进行萌发期的耐盐鉴定试验,发现此混合盐碱溶液鉴选谷子耐盐的适宜浓度为100 mmol·L,相对发芽率、根长盐害率、芽长盐害率和根冠比盐害率在划分耐盐性等级方面具有显著差异性,被确定为有效鉴定指标。可以看出,与单一NaCl 溶液胁迫下的谷子萌发试验确定的盐最适浓度范围100～250 mmol·L相比,混合盐碱胁迫下的最适筛选浓度较低,有效鉴定指标都较为常规。虽然不同研究者确定鉴选指标有一定差异,但是相对发芽率、根长和芽长的相对盐害率均被确定为有效鉴选指标。

对谷子其他时期的耐盐鉴选试验鲜少报道,且主要集中于苗期。部分研究在谷子萌发期试验基础上延长至幼苗期,通过观察鉴定谷子苗期在盐胁迫下的生长指标差异从而筛选耐盐品种,对谷子苗期初期的根长、芽长、株高、盐害率及相对值进行测定,初步鉴定其苗期耐盐性。与培养皿试验不同,有的研究者苗期进行的耐盐性试验是盆栽试验,盐胁迫溶液为NaCl 溶液,其测定指标侧重于生理指标。袁雨豪等对2 个谷子品种进行1% NaCl胁迫,发现气孔状态、叶表面变化、叶绿体超微结构变化、相对电导率及叶绿素荧光参数可以作为筛选谷子苗期耐盐性的有效指标。秦岭等对3 个谷子品种进行0.5%的NaCl 胁迫,筛选出生物量和活性氧清除系统酶类等指标来鉴定耐盐性谷质。对全生育期进行盐处理的试验比较少,陈二影等在3.20 g·kg的盐碱地条件下,选取8 个谷子品种进行大田处理的谷子耐盐性试验,发现盐害影响产量主要通过降低或减少穗重、单穗粒重、干物质重和地上部含水量对产量造成危害,这4 个指标可鉴定大田尺度下谷子的耐盐碱性。

从以上分析可知,在大量的谷子耐盐性鉴选试验中,由于研究品种与试验条件等差异,不同研究人员确定的有效鉴选指标重合度并不高,并且,盐胁迫下谷子生理生化性状虽有研究,但并没有将其列为筛选指标。少量指标无法全面筛选优质耐盐谷种,因此扩大筛选指标范围,明确并综合运用更多具有广泛应用性的主要鉴定指标,是亟待解决的问题。

2 盐胁迫下谷子生理生态响应

2.1 地上-地下农艺性状响应

根系作为土壤中与盐接触的最直接器官,盐浓度过高导致根部细胞水势降低,产生渗透胁迫、离子失衡和毒害,使其无法正常吸收运输营养元素。盐胁迫下作物根长、根面积等生长参数受盐胁迫影响而下降,根系结构成分改变,主根和侧根的生长速度均有减缓,对养分的吸收能力下降,因此整体形成受抑制。谷子根系盐胁迫的相关研究主要集中在萌发期。其中,根长受盐害影响最大。陈二影等研究不同盐碱浓度下谷子萌发指标发现,根长的盐害率均值为77.6%。盐胁迫对根系细胞内pH 也有一定影响,抗盐品种pH 变化小于盐敏感品种。李小波等用150 mmol·LNaCl 溶液对‘豫谷2 号’(抗盐)和‘安04’(盐敏感)进行盐胁迫,测定谷子根组织细胞的荧光强度,发现细胞内pH 与绿色荧光通道和蓝色荧光ECFP 通道的荧光强度比值呈正相关关系,盐敏感品种‘安04’根细胞内pH 提高7.28%,比抗盐品种增加6.15%。表明谷子耐盐品种根细胞内pH 自我调节能力强于盐敏感品种,受外界环境影响变化较小。有关盐分对谷子根系其他参数的影响研究相对较少,谷子根系在盐胁迫下的形态参数及根系活力等生理生态响应规律少见报道。

盐胁迫抑制谷子地上部组织的生长发育,进而影响产量。目前研究均表明,盐胁迫条件下,谷子成株期地上部各农艺性状一般均受到不同程度的抑制,影响幅度与盐胁迫程度和品种抗盐性显著相关。作物植株株高和生物量干重的下降幅度随盐浓度升高而增加。张艳亭研究发现谷子株高及其地上部含水量与盐处理浓度均呈负相关关系,在0.1%～0.3% NaCl 胁迫下,盐敏感品种‘济谷16’株高比对照分别下降11.69%和16.91%,在0.5%～0.7% NaCl胁迫下,敏感品种‘鲁谷1 号’株高分别降低20.01%和26.17%。徐心志等研究发现在NaCl 胁迫下,谷子幼苗株高和生物量随盐含量增加而降低,而在NaSO和NaHCO下则表现为“低浓度盐胁迫促进生长,高浓度盐胁迫抑制生长”。其中,0.4%的NaHCO对干物质量影响最大,较对照下降37.0%。陈二影等对8 个谷子品种在含盐量为3.2 g·kg的盐碱地田间试验中发现,各品种产量因穗重、单穗粒重、干物质重和地上部含水量受盐害影响均呈现显著降低趋势,其变异系数分别为13.5%、13.5%、3.1%和6.0%,产量盐害率为20.7%～63.4%,且与开花期地上部含水量和花前转运同化物质对籽粒的贡献率均呈显著负相关。张笛研究发现盐胁迫对谷子农艺指标影响程度不同。盐胁迫对谷子的影响最主要的是产量构成因素(单穗重、穗单粒重),其次是穗部性状(穗长、码行数、码粒数),最后是形态指标(株高、茎粗)。

2.2 生理生化指标响应

光合作用是植物利用光能,合成有机物,释放氧气并为自身生长发育提供能量的过程,对植物生长至关重要。盐胁迫下谷子叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均有降低。盐胁迫下谷子幼苗主要通过降低蒸腾作用、呼吸作用、叶绿素含量和气孔开度来适应盐胁迫条件。其原因可能是盐胁迫引起渗透胁迫,致使水分和养分吸收受阻,气孔开度降低、CO进入叶肉细胞速率下降导致。高昆等研究发现,‘豫谷18’幼苗的净光合速率伴随着复合盐浓度(0～0.9%)的升高而下降,主要与气孔导度和蒸腾速率下降有关,其中,0～0.3%盐胁迫时蒸腾速率、气孔导度下降较快,0.6%～0.9%时下降趋势减缓。盐胁迫下光合速率下降品种间存在显著差异。耐盐品种‘公矮6’ ‘龙谷35’等在盐胁迫条件下光合、蒸腾和气孔导度降低幅度基本都在10%以内,受抑制程度较小,而盐敏感品种‘晋谷35’ ‘红粘谷’ ‘嫩选15’在相同盐分胁迫条件下,下降幅度基本都在40%以上,受抑制程度较大。不同类型盐成分对叶片光合特性影响也有一定差异。徐心志等选取中性盐(NaCl、NaSO)和碱性盐(NaHCO),研究了盐胁迫对‘豫谷17’苗期生长、叶绿素含量和光合特性的影响,发现叶绿素受NaCl 影响最大,0.2%和0.4%处理下分别比对照下降24.1%和34.0%; 不同类型盐成分处理的谷子叶片净光合速率()均随盐含量增加而降低,盐含量为0.2%和0.4%时,NaCl 处理下降33.5%和59.1%,NaSO和NaHCO处理分别下降47.8%、80.2%和38.9%、85.5%。也有研究认为盐胁迫降低光合作用主要是Na通过破坏气孔、叶绿体结构和功能以及降低酶活来影响光合作用。

在盐胁迫条件下,植物体内清除活性氧的保护酶活性增强,从而清除体内过多的活性氧,以减少对植物的伤害。秦岭等研究发现谷子叶片中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等清除活性氧的保护酶系统在盐胁迫下的活性随胁迫天数先上升后下降。张笛研究发现在一定的盐胁迫下谷子叶片中的SOD、POD 和CAT活性与对照相比均有增强,3 种抗氧化酶活性的变化程度为: SOD＞CAT＞POD。抗氧化酶活性的变化程度在不同品种间存在显著性差异,耐盐性强的谷子品种酶活性上升幅度显著大于耐盐性弱的品种,活性氧清除能力更强。丙二醛(MDA)可以间接反映膜系统受盐胁迫程度。有研究发现在较低浓度的100 mmol·LNaCl 胁迫下,谷子耐盐品种与盐敏感品种的MDA 含量没有显著差异; 而在较高浓度的250 mmol·LNaCl 胁迫下,耐盐品种的MDA 含量几乎保持不变,但盐敏感品种由于膜系统受伤害严重MDA 含量增加到两倍以上。激素对盐胁迫下谷子的特定效用少有报道,但研究发现脱落酸(ABA)可诱导植物脯氨酸的大量积累,从而维持细胞膜结构的稳定性,提高保护酶的活性; 植物生长激素(IAA)、赤霉素(GA)等也能够缓解盐胁迫对植物的伤害,此研究结果可作为盐胁迫下谷子激素研究的基础。

盐胁迫导致谷子生长发育改变是各项生理生化反应综合作用的结果,目前谷子在耐盐方面的研究主要集中在种质资源的鉴选和生理生态分析方面(表2),而谷子耐盐抗盐的基因发掘和调控网络还有很大的提升空间。

表2 盐胁迫影响谷子生理生化指标Table 2 Physiological and biochemical indexes of foxtail millet affected by salt stress

3 谷子部分耐盐基因发掘

植物的耐盐性属于数量性状遗传,受多基因调控。近年来通过反向遗传学及转录组分析鉴定了大量与盐胁迫直接相关或参与盐胁迫过程的基因。

目前已通过双向电泳及遗传转化等手段发现直接参与了谷子盐胁迫相关的过程。基因是耐盐谷子中最显著的由盐处理诱导的蛋白质基因,Sreenivasulu 等研究发现盐胁迫下基因在RNA 水平和蛋白质水平上表达均上调,这与盐胁迫下在柑橘(Blanco)中蛋白水平上调和大麦(L.)、豌豆(L.)中cDNA水平升高的研究结果一致。提高谷子耐盐性主要是通过清除有机过氧化物和脂质过氧化物来对抗盐介导的氧化膜损伤,保护细胞免受氧化应激影响。与之功能相似的基因还有,通过间接解毒细胞活性氧(ROS),降低脂质过氧化引起的细胞毒性。Wang 等通过对谷子基因的表达分析,发现在渗透胁迫、NaCl 和外源ABA 胁迫下表达上调,并在启动子的-793 bp 到-77 bp区域中鉴定出10 个含有ABRE-ACGT 核心的顺式元件,进一步通过GUS 报告基因试验表明启动子受到ABA 的激活,且转基因谷子种子在ABA溶液中的发芽率比野生型高。所有这些结果表明,盐胁迫和干旱胁迫下的激活可能依赖于ABA。ABRE 作为受ABA 诱导表达的主要顺式作用元件,被鉴定可以和转录因子结合。与之相对应的是,许多物种中的基因也被报道参与盐胁迫,例如玉米、水稻(L.)、葡萄(L.)和番茄(Miller)基因。谷子中与上述基因具有同源性的、、和在干旱或盐胁迫下也上调表达,表明这些基因在谷子抵御干旱和盐胁迫等逆境过程中发挥重要作用。另有秦玉海等通过构建植物表达载体,转化拟南芥[(L.) Heynh.]并检测转拟南芥的耐盐性及对ABA 处理的敏感性,发现与野生型相比,转基因拟南芥株系在种子萌发时期耐盐性显著提高,可能通过ABA 信号途径正向调控植物的耐盐性。

通过对比耐盐与不耐盐的谷子品种在盐胁迫下的遗传转录组发现和参与了谷子的干旱胁迫响应以及脱水应答过程。基因对不同胁迫均可以产生响应,干旱和盐处理下响应较为明显,其表达量在6 h 分别达到未处理时的38 倍和15 倍。250 mmol·LNaCl 胁迫下诱导的表达量最高值为对照的9.96 倍,对逆境的响应明显。已有研究结果表明(表3),众多谷子基因广泛参与萌芽期与苗期非生物逆境胁迫应答,同已有其他作物在逆境应答方面的基因研究结果是一致的,但由于不同逆境之间存在信号交叉,同一基因应答逆境的信号系统比较复杂,更多谷子耐盐基因只确定与盐胁迫有关,更深入的反应机理需要对基因功能进一步解析获悉。

表3 谷子耐盐相关基因克隆与功能分析Table 3 Cloning and functional analysis of salt tolerance related genes in foxtail millet

4 谷子耐盐性研究重点方向

面对我国盐碱地面积不断扩大的严峻形势,结合2019年中央一号文件提出的扩大轮作休耕试点,明确盐碱荒地的充分利用对我国粮食安全具有重要意义。谷子作为耐逆性强、生育期宽泛的补充性杂粮作物,未来耐盐性研究重点主要集中在以下3 个方面。

4.1 建立综合谷子种质资源耐盐鉴选评价体系

谷子耐盐性状是一个多基因控制的数量性状,由于耐盐调控机理的复杂性和多尺度性,尽管目前在谷子的耐盐性研究中开展了萌发期和整个生育期农艺性状和一定生理生化鉴选指标的研究。但是,多数采用直接鉴定法集中研究在谷子萌发期和苗期,利用一些简单的萌发指标进行鉴选,或利用生理生态指标的变化间接鉴选谷子种质资源的耐盐性强弱。可是,各农艺性状和生理生化性状对盐胁迫的响应程度最终以产量形式体现,只用苗期指标来评价鉴选谷子的耐盐性有一定的局限性。因此,应该加强谷子整个生育期生长发育和产量性状以及生理生化指标对盐胁迫响应的研究,深入加强谷子表型组学与环境的互作研究,把不同生育期的主要鉴选指标和评价方法结合起来进行综合评价。根据谷子耐盐性迥异,明确种植区域,为不同类型或不同程度的盐碱荒地充分利用提供品种理论和技术支撑。

4.2 深入开展谷子耐盐调控机理研究

谷子作为杂粮作物,过去对其生长发育过程中的耐逆性、尤其是耐盐的生理机制研究相对薄弱。大部分相关研究也是参考水稻等其他农作物展开,研究方法和结论可能存在种间差异。因此,应加强谷子耐盐碱遗传规律的研究、耐盐基因的克隆及其功能和调控网络的解析,特别是基于关联分析、连锁分析、比较遗传学等方法的谷子或野生近缘种耐盐碱等优异基因的发掘和利用,在提升谷子耐盐性的同时,也为禾谷类作物如小麦、玉米、水稻分子设计育种提供优异的基因资源,从而提升谷类作物的整体抗逆性。

4.3 进一步研发谷子耐盐栽培技术体系

大田栽培生产是所有谷子抗(耐)盐材料研究的终极目的。由于受土壤盐碱不均匀分布性、气候、天气等多变性、水盐胁迫伴生性、地域差异性等多因素影响,谷子田间耐盐碱研究鲜见报道。因此,应加强谷子耐盐栽培技术体系研发和谷子耐盐碱评价指标体系建设,建立鉴选耐盐碱平台,筛选培育高抗盐谷子品种; 利用土壤调理剂、混合有机物料添加等增加土壤有机质、创建肥沃耕层以协同活化谷子耐盐阈值; 通过播期、垄作、秸秆覆盖等耕作栽培措施,创建适水减蒸抑盐高效生产技术; 研发相应的配套农机具,实现农机农艺一体化技术体系,提升谷子耐盐高效栽培的就绪度,促进谷子在边际土地的推广应用。