水稻耐堿性研究進展

冷春旭 鄭福余 趙北平 劉海英 王玉杰

（黑龍江省農業科學院生物技術研究所 黑龍江省作物與家畜分子育種重點實驗室，哈爾濱 150028）

近年來，隨著我國社會經濟的飛速發展和工業化進程不斷推進，土壤鹽堿化程度逐漸加劇，嚴重制約了糧食生產。土壤鹽堿化是指在不利的氣候、水文、地形和土壤質地等自然條件下，易溶性鹽類在土壤中重新分配、過量累積和擴散形成的一種環境地質現象，不但造成耕地退化、土地荒漠化，擾亂生態系統而且嚴重制約和影響了農業生產及經濟發展［1］。截至2019年根據聯合國教科文組織（UNESCO）和糧農組織（FAO）不完全統計，我國鹽堿地面積為0.99億hm2，約占全世界鹽堿地面積（9.54億hm2）的10.3%［2］，主要分布在東北松嫩平原、黃淮海平原、西北干旱半干旱區和濱海等地。隨著人口不斷增加、氣候異常頻發、工業污染加劇、灌溉和施肥方式不當等因素影響，我國土壤鹽堿化程度不斷加重，農業的可持續發展受到嚴重的威脅［3］。

水稻作為一種中等鹽敏感作物常用來改良鹽堿地，提高土地利用效率。鹽堿地種植水稻不但可以通過灌水使土壤表層的鹽分逐漸下沉，連續種植3年后可進行水旱輪作進一步改良土壤結構［4］，而且水稻在地下的根系具有分泌有機酸和吸收環境中鹽分的作用，可以改善土壤板結情況［5］，使土壤結構變得疏松，提高土壤蓄水能力，避免發生次生鹽堿化［6］，與其他作物相比具有無可比擬的優越性。因此，研究鹽堿脅迫對水稻的危害機制，對開發和利用鹽堿地具有重要的意義。

鹽堿脅迫根據土壤中陰離子的不同分為鹽脅迫（以NaCl等中性鹽為主）和堿脅迫（以Na2CO3和NaHCO3為主），二者均能對作物造成滲透脅迫和離子毒害，從而影響水稻的正常生長發育，但堿脅迫由于具有較高pH值，使水稻遭受鹽分和高pH值雙重損傷，傷害作用比鹽脅迫更為嚴重和復雜，而且水稻應對兩種脅迫的機制也存在差異。國內外有關水稻耐鹽堿研究主要集中在鹽脅迫，對堿脅迫下水稻體內反應機理和調節機制的研究還很少［7-9］。因此，本文論述了堿脅迫對水稻生長發育和生理生化的影響、水稻耐堿機理及相關基因的研究，提出了水稻耐堿性的策略，以期為進一步挖掘和利用耐堿相關基因，通過分子育種手段培育耐堿水稻新品種提供理論參考。

1 堿脅迫對水稻生長發育的影響

堿脅迫對植物的危害既有緩慢的滲透脅迫和離子毒害，又有更嚴重的高pH值脅迫，與鹽脅迫相比對植物造成的損傷更嚴重。堿脅迫對水稻最普遍的效應就是抑制組織和器官的生長和分化，延緩發育進程，最終影響產量［10］。

1.1 堿脅迫對水稻種子萌發的影響

鹽堿脅迫均能抑制水稻種子萌發，離子毒害和滲透脅迫是主要影響因素［11］，堿脅迫由于具有較高pH值，對種子萌發的抑制程度大于鹽脅迫和滲透脅迫［12］。另外，堿脅迫與鹽脅迫相比，對種子芽的生長抑制更顯著［13］。

1.2 堿脅迫對水稻根系的影響

根系因與根際鹽溶液直接接觸成為受堿脅迫的主要器官。研究表明，水稻根系在堿性溶液中會變黃［14］。堿脅迫抑制水稻芽期根長的生長［15］，根系周圍的高pH會引起金屬離子和磷的積累沉淀，損壞根部組織結構，降低根系活力，導致根系細胞死亡，進而葉片萎蔫，不能進行正常的光合作用，從而失去生理功能。同時，高pH還會導致土壤中的營養元素如鐵和磷凝結成塊，根系不能正常吸收營養，影響水稻的正常生長［16］。堿脅迫下水稻幼苗的根長、根表面積、根體積、平均根直徑和根尖數均產生不同程度的下降，導致根系的吸收功能也隨之下降［17］。

1.3 堿脅迫對水稻生長的影響

水稻幼苗期對堿脅迫的反應較萌發期更為敏感［18］，葉片卷曲枯萎，株高降低，嚴重時會導致幼苗死亡［19］；較生殖期也更敏感，特別是2葉1心期是水稻苗期最敏感時期［20］。水稻的株高和生物量也隨堿脅迫濃度增加而大幅降低［21］，單株分蘗能力受到影響，整個生育進程延后，抽穗期延遲［22］，返青期延長3-7 d，分蘗期延緩［23］。

1.4 堿脅迫對水稻產量的影響

堿脅迫嚴重影響水稻的生長發育，阻礙生育進程，進而影響水稻的產量構成因素，使水稻減產。研究表明隨著鹽堿度的增加，總穎花數、千粒重和成穗率大幅下降［24］，穗粒數也隨之降低［25-26］，由一次、二次枝梗數和一次、二次枝梗粒數構成的穗重也下降［27］。

堿脅迫不但影響稻米產量，也會影響稻米品質。研究表明稻米的堊白粒率隨土壤鹽堿度程度的升高而增大，造成米質下降［26］，蛋白質含量升高，稻米評價值降低，從而導致食味品質下降［28］。

2 堿脅迫對水稻生理生化的影響

2.1 堿脅迫對光合作用的影響

光合作用為植物的生長發育提供能量和物質基礎，堿脅迫主要通過降低光合速率影響水稻光合作用，主要包括4個方面。第一，堿脅迫可引起氣孔關閉，降低蒸騰速率，減少CO2的攝入［29］；第二，堿脅迫可破壞葉肉的類囊體結構，使類囊體膜膨脹，葉綠體基粒消失，損傷光系統I和光系統II的活性，削弱光合同化力［30-31］；第三，堿脅迫可不同程度抑制光合作用相關酶活性包括暗反應過程和光合產物轉運過程中的相關酶［32］；第四，堿脅迫下造成離子毒害，損傷光合器官和光系統［33］。

2.2 堿脅迫對水稻體內離子含量的影響

堿脅迫可極大程度的破壞離子平衡、嚴重干擾植物對礦質元素的吸收，造成營養元素比例失調和新陳代謝紊亂。植物的耐鹽堿能力與K+/Na+比相關，耐鹽堿品種通過自身調節，減少Na+積累，提高K+/Na+比從而提高了耐鹽堿性［34］。除此之外Zn2+、Mg2+和Ca2+的含量也高于野生型，較強的Zn2+對質膜起到一定的保護作用，較高的Mg2+含量能有效維持正常的光合作用［35］，較高的Ca2+含量具有維持細胞膜完整性的作用，減少堿脅迫對細胞的傷害［36］。

2.3 堿脅迫對水稻細胞膜透性的影響

鹽堿脅迫下細胞質膜滲透增加是堿害的重要特征之一。研究表明，鹽堿濃度升高，細胞膜透性增加，致使細胞內大量的小分子有機物質和電解質滲透到細胞外，細胞內分子結構和功能均被破壞，內環境代謝紊亂［6］。水稻不同生長發育階段對滲透調節的響應不同，營養生長時期對鹽堿脅迫強度敏感，隨著濃度的增加，滲透調節響應增強，進入生殖生長期敏感性下降［30］。

3 水稻耐堿的機理

為抵御鹽堿脅迫，水稻形成了一些調節適應機制，其中包括滲透調節、離子平衡、抗氧化保護和激素調節等。

3.1 滲透調節

滲透調節能力是作物耐鹽堿的基本特征之一。在堿脅迫條件下，水稻為了保持細胞質、液泡及胞外環境的滲透勢平衡，必需在細胞質中積累和合成一些對細胞沒有毒害作用的滲透調節物質，以平衡細胞質與液泡的滲透勢［6］。參與滲透調節的物質主要分兩類：一類是由外界環境進入到細胞內的無機離子如K+等［35］，另一類是細胞內合成的有機溶質，如多元醇（甘露糖、海藻糖）、含氮化合物（脯氨酸、甜菜堿）及有機酸（蘋果酸）等［37］。脯氨酸是水溶性最強的氨基酸，其功能包括細胞內的滲透調節劑、還原劑、能量來源、羥基自由基清除劑、細胞內酶的保護劑、N素儲藏物質和調節氧化還原電勢等。水稻幼苗在受到堿脅迫時其葉片和根部的脯氨酸含量均顯著參與細胞的滲透調節［38］。

3.2 離子平衡

鹽堿脅迫能引起水稻細胞內的離子紊亂，打破原有的Na+、Cl-離子平衡。耐堿水稻通過3種途徑實現離子平衡：第一種利用Na+/H+逆向轉運蛋白從質膜中排除Na+或減少Na+的進入；第二種利用液泡膜上的Na+/H+逆向轉運蛋白將Na+置于液泡中進行區隔化；第三種分泌Na+［39-40］。研究表明可采用分蘗期葉片Na+/K+來指示水稻對鹽堿脅迫的離子響應［33］。

3.3 抗氧化保護

鹽堿脅迫能夠導致水稻體內產生大量的活性氧發生氧化脅迫，而抗氧化保護是水稻抵御鹽堿傷害的主要手段之一。植物的抗氧化系統包括以超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸氧化物酶（APX）等為主的酶促系統和以谷胱甘肽、抗壞血酸等為主的非酶促防御系統［6］。研究表明，堿脅迫與鹽脅迫相比需增加體內抗壞血酸的含量減輕更多的活性氧對水稻造成的氧化損傷［41］。

3.4 激素調節

脫落酸（ABA）作為植物的五大激素之一，在調控植物應對各種逆境脅迫中發揮著重要的作用，其耐鹽堿機理為在高鹽堿環境下加速植物體內ABA的積累，誘導ABA響應元件基因表達使植物產生抗性［10］。研究表明，ABA可在鹽堿脅迫下促進水稻葉片的生長，提高蒸騰效率和耐鹽堿性［42］。當水稻幼苗受到堿脅迫時，以ABA對水稻幼苗進行24 h浸根處理后顯著提高了水稻幼苗的成活率和生物量，其原因是ABA增加了相對含水量（Relative water content，RWC），降低了細胞膜損傷程度（Membrance injury，MI）和Na+/K+比值［10］。田間實驗顯示，ABA處理可提高蘇打鹽堿地水稻秧苗素質，有效減緩水稻返青期秧苗受傷害程度，增強水稻根系的發根力、提高分蘗數，增加水稻產量等［43］。

4 水稻耐堿相關基因研究進展

水稻耐堿研究經歷了2個階段，早期集中在堿脅迫條件下水稻生理指標的測定，現階段集中在耐堿基因的克隆和功能鑒定及QTL定位。

4.1 耐堿基因的克隆和功能鑒定

目前，相對水稻耐鹽作用機理及相關基因的研究報道而言，水稻耐堿性狀相關基因的研究鮮少報道。謝國生等［44］克隆了VB12不依賴型蛋氨酸合成酶基因（VB12-independent methionine synthase gene），該基因全長2 740 bp編碼765個氨基酸，當水稻受到Na2CO3脅迫時，其轉錄活性明顯增強，與水稻的堿適應性密切相關。Guo等［45］從水稻耐堿突變體alt1（alkaline tolerance 1）中克隆了一個位于細胞核中的OsALT1基因，該基因編碼Snf2家族染色質重構ATP酶的核心亞基，是水稻耐堿性的一個負調控基因，主要參與活性氧的產生、清除和DNA修復過程。alt1突變體通過增強抗氧化損傷的防御作用提高對堿脅迫的耐受性。Guan等［46］研究表明鋅指蛋白OsLOL5基因在堿脅迫條件下參與了氧化調控，通過激活活性氧的解毒途徑提高水稻的耐堿性。Wang等［47］利用CRISPR/Cas9系統獲得無機焦磷酸酶OsPPa6基因突變體，突變體的無機磷、ATP、葉綠素、蔗糖和淀粉、凈光合速率、可溶性糖和脯氨酸顯著降低，而丙二醛、滲透勢和Na+/K+比顯著增加，說明OsPPa6基因是水稻重要的滲透調節因子。李寧等［48］對295個粳稻品種進行苗期耐堿度的全基因組關聯分析發現，1個新的耐堿基因LOC_Os03g26210（OsIRO3），該基因編碼bHLH型轉錄因子，是水稻缺鐵反應負調控因子。

4.2 水稻堿脅迫下的QTL研究進展

迄今為止，水稻耐堿基因的挖掘和利用明顯落后于鹽脅迫研究，且多數研究還停留在QTL定位階段。梁正偉等［49］在不同濃度堿脅迫下利用BC4F10群體檢測到7個QTL。程海濤等［50］利用DH-1群體檢測到與發芽勢和相對堿害率相關的10個主效QTL。祁棟靈等［51］在Na2CO3脅迫下，以高產106/長白9號雜交組合的200個F2：3株系進行QTL定位檢測，獲得與發芽率相關的QTL 7個，與發芽率相對堿害率相關的QTL 6個。Qi等［52］利用F2：3群體定位耐堿相關QTL 19個。鄒德堂等［53］以F2：3代180個家系為作圖群體進行耐堿性QTL檢測，共檢測到16個QTL。李寧等［54］以堿敏感的母本與強耐堿的父本雜交衍生的F2：3群體進行苗期耐堿性QTL定位，共檢測到分布在第5、7和11號染色體的3個QTL。

5 提高水稻耐堿的途徑

5.1 采取合適的栽培措施

幼苗期采用低鹽堿鍛煉提高種子和秧苗的耐堿能力［55］，插秧后本田調酸，減低鹽堿度，同時施用有機肥提高水稻體外的K+含量，增加K+/Na+比，緩解滲透脅迫的壓力［56］，另外適當增施Ca、P、S和Si等肥料，可提高水稻的耐鹽堿能力［57-59］。建立標準化田間工程，采用淹灌或者間歇灌溉方式壓鹽洗堿改良鹽堿稻田［60］，利用明渠或暗管排水脫鹽，改善土壤通透性，增強水稻根系活力［61］。研究表明，水稻苗期施用土壤改良劑，土壤中的全鹽、Cl-、pH值顯著下降，緩解水稻秧苗受到的鹽堿危害，稻田施用土壤改良劑，提高了保苗率，水稻分蘗能力增強，干物質積累增加，后期產量高［62］。研究表明施用鹽堿土壤改良劑可以提高水稻分蘗能力、植株長勢，增加抗赤枯病的能力，提高單穗粒和單穗重，從而提高水稻單產水平［63］。

5.2 選育耐鹽堿品種

耐鹽堿水稻品種的來源主要通過常規育種和分子育種兩種途徑獲得。目前在水稻耐鹽堿品種選育中仍以常規育種為主，廣東湛江的陳日勝于1986年11月發現了1株野生水稻，經過多年繁殖、篩選，育成“海稻86”，具有較好的耐鹽堿性［64］。遼寧鹽堿地利用研究所自1984年開展耐鹽堿水稻研究以來，先后育成鹽81-210、抗鹽100號、鹽粳228等多個耐鹽堿品種（組合）［65］。江蘇沿海地區農業科學研究所、廣東農業科學院水稻研究所、江蘇省農科院等多個國內研究機構先后利用常規育種技術育成長白10號、鹽城156、廣鹽1號等多個耐鹽堿水稻品種［66］。

近年來，隨著分子生物學和各種組學以及測序技術的迅猛發展，特別是耐堿相關QTL和基因的廣泛發掘，形成了一批分子育種新技術，包括分子標記輔助育種技術、轉基因、全基因組選擇、細胞工程育種等［67］。海南大學與湖南省水稻研究所合作，以高耐鹽野生蘆葦DNA作物基因供體，應用花粉管通道技術導入普通水稻中，培育出具有強耐鹽堿特性的水稻新種質。江蘇省農科院等團隊通過分子標記輔助選擇與常規育種技術相結合，將耐鹽堿、抗病、優質和高產基因聚合到優良水稻品種中，育成南粳9108、鹽稻12號、遼粳1305和京寧29等耐鹽堿品種［66］。袁隆平團隊利用遺傳工程技術，選育出可供產業化推廣、鹽度不低于1%，海水灌溉條件下，能正常生長且產量能達到200-300 kg/畝的水稻品種。2019年，該耐鹽堿稻品種在國內外主要鹽堿地進行了百畝至千畝示范種植成功［68］。堿基因導入優良品種，培育高產優質耐堿水稻新品種，對合理開發現有堿土資源，具有重要的學術價值和應用前景。

6 展望

我國鹽堿地資源豐富，約80%的鹽堿地可開發為耕地，綜合利用潛力巨大。水稻作為鹽堿地改良的首選糧食作物，發展鹽堿地水稻生產是保障我國糧食安全生產的重要舉措之一。目前研究者關注的重點是水稻耐鹽資源的鑒定、基因克隆與功能研究，對水稻耐堿方面的研究較少。因此，開展水稻耐堿研究，對發揮水稻品種的生產潛力，進一步擴大水稻種植面積，提高人民生活水平以及改善生態環境具有十分重要的意義。

水稻耐堿性是多種生理性狀的綜合表現，是由多基因控制的數量性狀，雖然水稻的耐堿能力與滲透脅迫、離子毒害和高pH值脅迫密切相關，但其具體遺傳調節機制還不清楚。如在堿脅迫條件下，參與滲透調節的因子有哪些？具體信號傳遞過程是怎樣的？多個耐堿基因是如何協作調控整個網絡的？這些問題都是需要進一步研究去解決的。利用突變體來分離目的基因已成為水稻新基因挖掘的有效途徑之一，缺乏耐堿突變體是目前耐堿相關基因研究較少的原因之一。因此，有必要加強水稻耐堿突變體的篩選鑒定，建立水稻耐堿突變體庫，進行基因的克隆和功能分析。此外，隨著測序技術的發展，特別是全基因組關聯分析（Genome-wide aassociation study，GWAS）技術廣泛地應用于水稻復雜性狀的解析，可對水稻不同生長發育時期的耐堿性進行GWAS分析，以鑒定同時控制多個生長階段耐堿性的優異基因用于水稻耐堿新品種培育。

綜上所述，充分利用現代分子生物技術，深入開展水稻耐堿生理和分子機制研究，加強耐堿種質資源的鑒定篩選和基因的發掘，通過多種手段將耐