油菜耐铝毒机制研究进展

陈明　韩德鹏　肖小军　李亚贞　吕伟生　王馨悦　黄天宝　熊 文　肖国滨　郑伟

摘要 铝毒已成为酸性土壤中影响作物生长和产量提升最主要的限制因子之一。油菜是我国重要的油料作物，主要种植在土壤酸化较为严重的长江流域各省区。油菜是对铝毒较为敏感的作物之一，但耐铝性机制尚不清楚。综述铝毒的产生、铝毒对作物生长的影响、作物耐铝毒机制以及油菜耐铝性相关研究进展，为耐铝高产油菜新品种培育研究提供参考。

关键词 油菜；铝毒；QTL定位；耐铝基因

中图分类号 S 565.4文献标识码 A文章编号 0517-6611（2023）15-0007-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.002

Progress on the Mechanism of Aluminum Tolerance in Rapeseed

CHEN Ming，HAN De-peng，XIAO Xiao-jun et al

（Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources，National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement，Jinxian，Jiangxi 331717）

Abstract Aluminum toxicity in acidic soil has become one of the main factors limiting crop growth and yield.Rapeseed is an important oil crop in China，which is mainly planted in the provinces and regions of the Yangtze River Basin where soil acidification is more serious.Rapeseed is one of the crops sensitive to aluminum toxicity，but the mechanisms of aluminum tolerance are still poorly understood.This paper reviewed the production of aluminum toxicity，the effect of aluminum toxicity on crop growth，the mechanism of crop aluminum tolerance，and the research progress on aluminum tolerance of rapeseed，and provide reference for the cultivation of new varieties of aluminum tolerant and high yielding rapeseed.

Key words Rapeseed;Al toxicity;QTL mapping;Aluminum resistance genes

油菜是我國栽培面积最大的油料作物，常年种植面积约700万hm2、总产约1 300万t，面积和产量均居世界前列［1-2］。然而我国人口众多，随着经济的快速发展和人民生活条件的日益改善，食用油消费快速增长，供需矛盾持续加剧。2017年我国植物油消费总量为3 565万t，其中国产植物油仅为1 100万t，自给率不足1/3，供给严重不足状态与日俱增［3］。尤其是在当前新冠肺炎疫情和复杂国际形势双重背景下，中国大豆等油料进口的不确定性将长期存在。油菜是我国第一大植物食用油源和第二大饲用蛋白源，平均每年提供约500万t优质菜籽油和800万t高蛋白饲用饼粕［4］。因此，稳定和发展油菜生产以应对全球市场波动，从而保障我国食用油安全和饲用蛋白的有效供给有着重大的战略性意义。

目前，全球30%左右的可耕作土壤已发生酸化，主要处在热带和亚热带地区，并且土壤酸化面积和风险有进一步增加的趋势［5］。近年来，由于环境污染、酸雨沉降及化肥不合理施用等导致我国耕地土壤酸化问题日益严重［6］。研究表明［7-8］，酸性土壤中铝的毒性已经成为影响全球作物产量的一个主要因素。当土壤pH<5.0时，结合态铝解离成有毒离子态从而减少土壤中养分利用率，根系生长受到抑制，作物生长缓慢，叶片黄化卷曲易老化、坏死等缺素症状［9-10］。我国油菜主要种植在南方，南方土壤酸化现象更加明显，且酸化面积不断扩大、强度仍在加剧。油菜最适宜生长土壤pH为6～7，属于中等耐铝的作物［11］。目前，我国南方酸性土壤pH多数低于5.5，其中很大一部分介于4.5～5.0，严重的甚至小于4.5［12］。研究表明，当土壤pH小于5.8，铝浓度大于15 mg/kg时油菜就会受到铝毒胁迫，导致产量明显下降［13］。因此，铝毒危害已成为限制我国南方油菜产量提升的最主要限制因素。

为缓解铝毒对油菜生长的危害，目前生产中一般是向土壤中施入生石灰、有机物料、生物炭等碱性物质来缓解土壤酸度解除铝毒害，进而提高油菜产量［11，14-15］，但此类方法仅能改良表层土壤酸性，不仅生产成本高，难以大面积应用，而且由于向土壤中输入了碱性物质和其他元素，可能会引发新的环境问题。目前通过对油菜苗期耐铝形态和生理指标的鉴定研究，表明油菜对铝胁迫的耐受能力存在较大的基因型差异，也据此筛选了一些较为耐铝的油菜品种［16］，这为缓解油菜铝毒胁迫提供了一条更为经济有效的途径。然而，要真正从根本上解决铝毒对油菜生长的胁迫，需要从分子水平探测控制油菜耐铝性的基因位点和重要候选基因，进而通过生物技术手段改良和提高油菜耐铝性，最终培育出耐铝高产的油菜新品种。

1 铝毒的产生及其对植物的毒害

自然条件下的土壤酸化是一个十分缓慢的过程，然而近几十年来，由于环境污染导致的酸雨沉降和不合理的农业生产（过量施用氮肥、单一施用化肥和连作），我国土壤酸化进程显著加快［17-18］。尤其是我国长江中下游地区，20世纪80年代该区平均pH为5.37，至2010年农作物耕地土壤平均pH下降至5.14以下［19］。20世纪80年代我国酸性土壤的面积约为1 126.67万hm2，而21世纪初我国酸性土壤（pH<5.5）面积达到1 506.67万hm2，增幅为33.7%［20］。

铝是土壤中最为丰富的金属元素，一般以不溶性硅酸盐或氧化物形式存在于土壤中，它的存在形态与土壤pH紧密相关［21］。当pH<5.5时，可交换性铝［主要是A13+、Al（OH）2+和Al（OH）2+］将从硅酸盐或氧化物中释放出来对作物产生毒害［22-23］；当pH<5.0时，铝主要以有毒害作用的Al3+形式存在［9］，而Al3+是制约作物生长的重要因素之一［24］。随着土壤酸化的逐步加剧，金属铝活性增强，对作物有毒害作用的Al3+含量增加，从而抑制作物的正常生长，导致作物产量和品质降低。

作物的根直接与土壤接触，土壤中Al3+主要作用于根系，抑制其生长发育。研究表明，铝胁迫30～120 min就可观察到作物根系的伸长受到明显抑制［25］。Al3+毒害根尖，主根变粗变短，根尖膨大变褐，呈不规则钩状，侧根和根毛减少甚至消失，进而影响作物根系对水分、养分的吸收［26-27］。作物受铝毒害的另一症状是株高降低、节间变短，生物量下降，叶片生长畸形、萎黄，从而影响正常光合作用［28-30］。

2 植物的耐鋁毒生理机制

植物的耐铝毒生理机制一般被分为外部铝排除机制和内部铝耐受机制2种类型，前者解除铝毒的部位位于质外体，后者位于共质体［7］。外部铝排除机制主要是根系分泌苹果酸、柠檬酸和草酸等通过多药与有毒化合物外排转运体（multidrug and toxic compound extrusion，MATE）、苹果酸转运体（aluminum-activated malate transpoeter，ALMT）等转运至细胞外，螯合质膜外活性Al3+，降低活性Al3+浓度，从而缓解铝毒对根系的损伤［31-32］，除此之外，羟肟酸等苯并恶嗪类家族的一些次级代谢物具有类似作用［33］。其中，MATE基因家族成员广泛分布在动植物体内，能够转运阳离子染料、多种抗生素和药物［34-36］。内部铝耐受机制主要是在细胞质中有机酸、酚类和其他化合物和Al3+形成对细胞无毒的螯合物，将铝离子隔离在液泡或其他储存细胞器中，减少铝的毒性［31］。

3 油菜耐铝研究进展

3.1 铝毒对油菜的毒害

研究表明，铝胁迫显著抑制了油菜种子萌发、根系生长、养分吸收和光合作用，提高了渗透调节物质的积累以及保护酶活性。黄邦全等［37］研究表明，铝毒抑制油菜根生长的同时地上部生长也受到了抑制。刘丽屏［38］的研究表明，铝胁迫提高了油菜根尖细胞壁多糖组分含量，进而提高了根尖铝积累量和细胞壁的刚性、降低细胞壁的伸展性，从而使得根细胞的伸长明显受到抑制。刘强等［39］研究表明，铝毒胁迫导致油菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数均下降，且随着铝处理浓度的升高抑制作用越明显，当超过一定浓度后，芽易霉变死亡，根系生长基本停滞。王志颖等［40］研究表明，铝胁迫对油菜根系伤害大于叶片，随着铝浓度的增大，根尖代谢酶活性增加，叶片光能利用率下降。周楠［41］的研究结果表明，油菜根系分泌物在铝毒胁迫下先增加，铝毒得到一定的缓解，随着铝浓度增加和铝胁迫时间延长，根系分泌物的分泌能力有所减弱，从而使根际土壤微生物数量、土壤生化强度和土壤酶活性有所降低。崔雪梅等［42］研究表明，油菜幼苗在铝毒胁迫下叶片中的总叶绿素含量、叶绿素a和叶绿素b的含量均随着铝处理浓度的增加而减少，处理浓度越大，叶绿素含量下降越明显，油菜光合作用受到影响越大。郜欢欢等［43］研究表明，油菜根对铝毒胁迫最敏感，此外地上部生物量、芽长、发芽势、发芽率也均受到不同程度的毒害。韩德鹏等［44］研究表明，铝毒胁迫显著抑制了油菜根系生长，细胞质膜的完整性被破坏，油菜幼苗通过蛋白质和脯氨酸含量的积累以及保护酶活性的增强来抵抗铝胁迫。熊洁等［45］研究表明，随着铝浓度增加和铝胁迫时间延长，油菜总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数等根系指标以及根茎粗、株高、根干质量、地上干物质量等生长指标和油菜地上部和根系的N、P、K、Ca、Mg、Fe等营养元素含量均下降。

3.2 油菜耐铝毒相关基因研究

随着分子生物学的快速发展，分子标记遗传图谱被广泛应用于数量性状基因的研究。近年来，科研人员运用分子标记技术，采用全基因组关联分析（genome-wide association study，GWAS）和QTL（quantitative trait locus）定位等技术手段，对多种作物关键性状遗传机制进行了研究，并取得重大进展，油菜耐铝毒遗传机制也成为研究热点。目前尽管在植物中开展了一系列耐铝遗传位点发掘和耐铝基因鉴定研究，明确了植物耐铝性是受多基因、多途径控制的复杂性状，但这些研究多集中于耐铝性较强的禾本科作物或拟南芥等模式作物［31］。油菜作为中度耐铝作物，其耐铝性相关遗传研究一直以来并未引起足够关注，油菜耐铝相关性状定位研究不多，而介导油菜耐铝性的功能基因目前也仅有少数几个被发掘，这极大限制了油菜耐铝遗传资源的挖掘与利用。

Liu等［46］研究发现，1个与铝胁迫相关的Alp基因，该基因是编码排出多药及毒性复合物的转运蛋白家族MATE基因家族成员，且可促进柠檬酸的分泌进而增强植株的耐铝性。王瑞莉等［47］以182份油菜自交系种子为材料，对油菜种子萌发期5个性状进行耐铝评价，采用SNP分子标记技术定位铝胁迫下相关性状QTL及筛选抗性基因，共检测出23个与铝胁迫相关的QTL位点，并筛选到耐铝基因30个，这些基因主要与有机酸分泌、转运蛋白、氧化应激、逆境蛋白等有关。王瑞莉等［48］还在油菜种子萌发期结合RNA-seq分析和QTL定位，通过整合RNA转录组测序和铝毒胁迫下油菜萌发期根系相关性状的QTL定位结果，共筛选出44个差异表达基因（10个下调和34个上调），这些基因也主要与转运蛋白、氧化应激、渗透调节、细胞壁修饰、激素信号传导等功能有关。Gao等［49］以169份油菜品种（品系）为材料，利用GWAS对19 949个全基因组覆盖的甘蓝型油菜种子萌发2个性状的候选基因进行了鉴定，鉴定出59个与铝耐受相关的候选基因，这些基因主要与有机酸的生长调节、生长调节物质、氧化应激、碳氮代谢有关。吴家怡等［50］以112份油菜重组自交系种子为材料，通过测定油菜铝毒胁迫下苗期光合能力、叶绿素荧光相关性状并定位其QTL、筛选相关候选基因，共检测到47个可能与抗铝胁迫及光合相关的候选基因，这些基因主要与有机酸分泌、金属离子转运、激素调节、氧化应激以及叶绿体自身调节、磷元素摄入调节等有关。Zhou等［51］在耐铝甘蓝型油菜种质FDH188（Al-tolerant line，ATL）、铝敏感甘蓝型油菜种质FDH152（Al-sensitive line，ASL）铝处理6 h、24 h转录组分析中，仅BnaMATE43b均呈差异表达模式，且在ATL中表达水平高于ASL；结合GWAS和RNA-seq分析定位甘蓝型油菜与铝毒胁迫相关的重要候选基因BnaMATE43b。

4 展望

油菜对铝毒的耐性是受微效多基因控制的数量性状，目前虽有较多与油菜耐铝相关的候选基因，但均未进行功能验证，且目前对油菜耐铝毒研究多限于油菜种子萌发期或者苗期，相关耐铝毒基因功能还需通过分子辅助方法或转基因技术在油菜其他生育期进行试验研究，对其进行更完善的补充和验证。因此，今后有必要通过筛选耐铝毒差异较大的油菜品种作为亲本，构建分离群体，对控制油菜耐铝性状进行单个QTL分解，采用图位克隆手段分离与耐铝相关的基因，进一步揭示油菜耐铝毒机制。

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基金项目 国家自然科学基金地区科学基金项目（32160463，31860392）。

作者简介 陈明（1984—），女，江苏盐城人，高级农艺师，硕士，从事作物遗传育种研究。*通信作者，研究员，博士，硕士生导师，从事油料作物栽培、育种研究。

收稿日期 2022-08-24