耐盐碱水稻研究现状、问题与建议

来源：BioArt植物

我国有3500多万亩沿海滩涂和15亿亩内陆盐碱地，是我国不可多得的土地后备资源，综合利用潜力巨大。水稻作为沿海滩涂和盐碱地改良的首选粮食作物，国内外学者对耐盐碱水稻开展了广泛研究。耐盐碱水稻是指能在盐（碱）浓度0.3%以上的盐碱地生长、亩产量在300公斤以上的水稻品种。本文对耐盐水稻种质资源筛选、耐盐基因/QTL的定位与克隆、耐盐水稻鉴定与评价方法、耐盐水稻新品种选育及其配套栽培技术研究进行综述，指出耐盐碱水稻研究存在的问题，提出进一步加强耐盐碱水稻研究的建议。耐盐碱植物是指适于在盐碱地环境下生长，对较高的盐碱浓度有较好抗（耐）性的植物。水稻属于中度盐敏感作物，从生产应用出发，我们所说的耐盐碱水稻是指能在盐（碱）浓度0.3%以上的盐碱地生长、亩产量在300公斤以上的水稻品种。我国现有内陆盐碱地总面积近15亿亩【1】，滩涂总面积3500多万亩【2】。盐碱地是我国不可多得的土地后备资源，综合利用潜力巨大。同时，土壤盐渍化和次生盐渍化致使耕地资源遭到破坏、农业生产蒙受巨大损失，已成为世界性的生态问题。开发利用好沿海滩涂以及现有内陆的盐碱地资源是保障耕地面积的有效途径。水稻作为沿海滩涂和盐碱地改良的首选粮食作物，进行水稻耐盐碱机理研究，通过遗传改良来提高水稻耐盐碱能力，培育耐盐碱新品种并推广应用，是培育新的经济增长极，保障粮食安全的重要举措【3-5】。一、国内外研究与应用现状国外最早开展耐盐水稻品种筛选和培育工作的是斯里兰卡，1939年培育出抗盐的水稻品种 Pokkali【6】。印度1944～1945年制定了耐盐水稻的杂交育种计划【7】，此后巴西【8】、日本【9】、比利时【10】、美国【11】、英国【12】、澳大利亚【13】等国也相继开展了水稻的耐盐性研究。国际水稻研究所（IRRI）于1975年实施了“国际水稻耐盐观察圃计划”，一些耐盐品系在轻盐渍化土壤（电导率4.2-7.7 mmhos/cm）上种植，产量比不耐盐品系增加1.5 t/ha【14】。我国的水稻耐盐性研究始于上世纪50年代，80年代开展全国稻麦抗盐碱协作研究，“七五”期间国家启动水稻种质资源的耐盐性鉴定，开展了全国范围内的大协作，取得了一定的进展。1．耐盐水稻种质资源筛选国际水稻研究所【15】、中国农业科学院【16】、中国水稻研究所【17】都先后进行水稻种质资源进行耐盐性鉴定，筛选出一批耐盐性水稻资源。然而，由于农艺性状较差等原因，这些筛选出来的耐盐资源大多没能在耐盐水稻育种实践中得以有效利用，更没有进入盐碱地区进行生产应用。江苏省农业科学院从上世纪70年代就开展水稻种质资源耐盐性鉴定与评价工作，先后对2000多份国内外水稻种质资源进行了耐盐性鉴定与评价，鉴定筛选出80-85、筑紫晴、红芒香梗福、白谷子、竹系26、乌咀子等一批有应用价值的耐盐水稻种质【18】。江苏沿海地区农业科学研究所从上世纪80年代初开展耐盐水稻研究，采用人工模拟盐池（盆钵）和沿海滩涂盐土实地进行耐盐水稻种质资源的鉴定、筛选、利用研究，先后引进、搜集耐盐水稻种质资源1300多份，鉴定、筛选耐盐水稻核心种质61份，耐盐性达0.3～0.6%水平【19】。1986年11月，湛江陈日胜在海滩边发现了一株野生水稻，经多年繁殖、筛选，育成“海稻86”，具有一定的耐盐性【20】。据调查，该品种为当地种植数百年的地方品种。目前国内多个科研单位正在利用海稻86开展耐盐机理与育种研究。2015年，江苏省农业科学院与中国农科院作物所、中国水稻研究所、南京农业大学、扬州大学、海南大学等多个单位承担了国家科技支撑计划“耐盐水稻新品种选育及配套栽培技术研究”，在广泛引进、收集国内外耐盐水稻种质资源的基础上，提出并采取“实验室﹢人工盐池﹢沿海盐碱地”的“全生物量测定法”，以“耐盐指数”评价水稻耐盐性。对搜集引进的7058份资源和3000多份不同世代育种材料进行耐盐性鉴定，筛选出耐盐分浓度0.3%以上的各类材料534份，鉴定出南粳9108、盐稻12等14个在0.3%盐分浓度下表现较好的品种，以及在 pH>9 的土壤中表现良好的长白九等资源，每年配制杂交组合1000余份，创建耐盐遗传群体912个、耐盐高代育种材料8000余份。2．耐盐基因/QTL的定位与克隆关于水稻耐盐基因或QTL的鉴定，国内外已有大量研究报道。多数研究者利用全基因组QTL分析策略鉴定耐盐性相关位点，检测到一大批耐盐QTL，为耐盐基因克隆奠定了基础。近年来，随着水稻功能基因组研究的不断深入和水稻重测序技术的快速发展，人们开始利用耐盐/盐敏感突变体鉴定和关联作图分析等手段来鉴定耐盐基因，并取得了较大进展。井文等（2017）统计了47篇水稻耐盐QTL分析研究论文，共检测到964个耐盐相关QTL[21]。其中幼苗期耐盐QTL 514个，占一半以上；种子萌发期耐盐QTL 31个、营养生长期耐盐QTL 149个、生殖生长期耐盐QTL 270个。各生长发育时期的耐盐QTL在水稻12条染色体上均有分布。在有表型贡献率统计的759个耐盐QTL中，单个QTL可提供的表型贡献率为0.02%~81.56%；表型贡献率在20%以上的QTL有167个，占总QTL数目的 22.0%。由于检测到的大多数水稻耐盐QTL的表型贡献率较小，精细定位和克隆难度较大，所以相关研究一直进展较慢。目前报道的精细定位或图位克隆的QTL主要有位于水稻第1染色体上的 qSKC-1 和 Salto1【22,23】。3. 耐盐水稻鉴定与评价方法研究国际水稻研究所于1979年提出了“形态伤害评价法”水稻耐盐鉴定标准和方法，但这套基于生长和受害症状的分级标准之间很难准确区分，调查过程以人为定性观察为主【24】。另外，由于不同材料死叶和植株枯死速度存在时间上的差异，因此，这套简单的鉴定指标体系不能完整准确地反映水稻对盐的响应程度。1982年，我国在“全国水稻耐盐鉴定协作方案”中提出了“水稻单茎（株）评定分级法”耐盐鉴定标准，该法基本上也属于目测法，人为误差较大，难以准确鉴定【25】。中国农业科学院作物品种资源研究所等单位提出并采用“发芽指标法”的水稻耐盐鉴定方法【26】。该方法采用发芽势、发芽率、发芽指数和相对盐害率等指标进行评价，根据相对盐害率大小分1-9级进行评价，但该方法不能对水稻进行整个生育期的鉴定。辽宁省盐碱地利用研究所提出的“盐害度法和相对耐盐力法”鉴定标准，通过评价相同品种不同盐渍处理之间或盐渍处理与淡水对照相比的受害程度和不同品种在相同处理中的不同耐盐力【27】。该方法能够准确反映品种内盐害程度和品种之间的耐盐性差异，应用比较方便。但按照这个评价标准和鉴定方法也不能实现水稻全生育期耐盐性鉴定。江苏沿海地区农业科学研究所在水稻的萌芽成苗期、分蘖期、孕穗期三个盐敏感期分别在实验室、人工模拟盐池及沿海滩涂盐土实地，采用“全生物量测定法”，以耐盐指数（水稻品种在盐环境下与无盐环境下全生物量干物重百分率）对水稻品种的耐盐性进行评价【28】。该方法已获得国家发明专利。江苏省农业科学院初步探明 1% 的盐浓度为进行水稻芽期耐盐性鉴定的最适浓度；0.5%的盐浓度为进行水稻苗期耐盐性鉴定的最适浓度；1.0% 的盐浓度为进行水稻孕穗期耐盐性鉴定的最适浓度；0.3%的盐浓度为进行水稻全生育期耐盐性鉴定的最适浓度【3】。利用其相关研究结果，制定了江苏省地方标准《水稻品种（系）耐盐性鉴定技术规程》（DB32/T 1857-2011）。在此基础上，江苏省农业科学院与中国农科院作物所、中国水稻研究所等多个单位承担的国家科技支撑计划，提出并采取“实验室﹢人工盐池﹢沿海盐碱地”的“全生物量测定法”，以“耐盐指数”评价水稻耐盐性，制定了全生育期耐盐性鉴定技术标准。4. 耐盐水稻新品种选育研究水稻耐盐品种培育已有70多年的历史。主要通过耐盐种质的筛选鉴定和人工杂交或回(复)交等方法将耐盐性状（基因）导入到优良水稻品种中，再通过多年多代的盐胁迫筛选鉴定，选育综合性状优良的耐盐品种，并在生产上大面积推广应用。1939年斯里兰卡育成世界第一个抗盐水稻品种Pokkali，其耐盐性可达0.3%以上，1945年获得推广，亩产可达300公斤以上【6】。印度、菲律宾先后育成 Kalarata 1-24、Bhurarata、SR 26B、Chin.13、349 Jhona 等耐盐水稻品种，在盐份土壤种植表现较好【7】。孟加拉育成了BRI、BR203-26-2、Sail等耐盐水稻品种【29】。国际水稻研究所育成的CSR23可在pH值2~10的条件下生长，亩产300kg，还通过分子标记辅助选择，选育出IRRI112、IRRI113、IRRI124、IRRI125、IRRI126 和 IRRI128等耐盐品种【30】。日本【9】、韩国【31】、俄罗斯【32】等国家也纷纷育成了耐盐碱水稻品种。我国东部沿海省份开展水稻耐盐碱新品种选育较早，利用独特的沿海地理位置及土壤含盐量相对较高的优势，进行耐盐种质筛选和品种选育，取得了较大进展。辽宁盐碱地利用研究所从上世纪50年代就开展耐盐碱水稻研究，利用优良品系在人工盐池进行抗盐鉴定等方法，培育出多个耐盐碱水稻品种。1984年来先后育成耐盐水稻品系盐81-210、抗盐100号、盐粳29、盐丰47、盐粳228等耐盐品种(组合)【33】。辽宁省水稻研究所利用生产上大面积推广的粳稻品种辽粳9号、辽星1号、盐丰47等为轮回亲本，用已推广的耐盐品种长白10号和耐盐品系Y17为供体亲本，育成5个耐盐品系。江苏沿海地区农业科学研究所从上世纪70年代从事耐盐水稻育种研究，1987年育成耐盐中籼稻盐城156通过江苏审定，此后又育成盐稻10号、盐稻12号等耐盐中粳稻品种【29】。其中，中籼稻品种盐城156在土壤盐分0.3-0.4%的沿海滩涂种植具有良好的丰产性，已在江苏沿海稻区累计推广种植600多万亩。广东农业科学院水稻研究所通过引进长白九、盐丰188、吉粘15、辽盐-9、盐粳10号、抗盐100、盐丰47、辽盐2号、盐糠、抗盐1号等耐盐种质，与本地耐盐材料玉香油占杂交，创制耐盐新种质10余份。其中，新品种“广盐1号”通过广东省品种审定，还创制了全生育期耐盐的长芒1号。海南大学通过外源基因组DNA导入和耐盐作物筛选的技术，获得了耐盐性强的豇豆、辣椒、番茄和茄子4种蔬菜作物。并与湖南省水稻研究所合作，采用高耐盐野生植物芦苇DNA作为基因供体，通过花粉管通道导入普通水稻，培育出具有强耐盐特性的水稻新种质。2012年进一步与江苏省农业科学院和江苏沿海地区农业科学研究所合作，在江苏盐城沿海滩涂试种海湘030、海湘016、海湘121等多个水稻品系，在0.3%盐分浓度的盐碱地种植，海湘030的亩产达400公斤，受到广泛关注【34】。由于大多数耐盐碱QTL尚未被精细定位，缺乏紧密连锁的分子标记，很难被应用于分子标记辅助选择（MAS）育种实践。目前在MAS育种中被广泛应用的主要是耐盐 QTLSaltol 和耐盐基因SKC1【20,29】，位于第8染色体上的2个耐盐 QTL 正逐渐受到关注。MAS 与传统育种相比至少可以将种质改良时间缩短4~7年，随着耐盐基因的陆续定位和克隆，MAS 在水稻耐盐碱新品种培育方面将具有越来越大的应用前景。近年来，借助分子生物学的方法和技术，耐盐水稻转基因研究取得了较大的发展。在国家科技支撑计划的资助下，江苏省农科院等单位，通过分子标记辅助选择与常规育种技术相结合，建立耐盐、优质、抗病、高产多基因聚合育种技术体系，将优质、抗病、高产、耐盐基因聚合到优良水稻品种中，育成适宜沿海滩涂种植的耐盐水稻品种南粳9108、盐稻12号、固广油占、辽粳1305、京宁29号等进行大面积推广，在江苏顺泰农场、宁夏暖泉农场、辽宁盘锦大洼营口等地展示耐盐新品种（组合）62个，核心区和示范区平均亩产均超过500公斤。2017年江苏、宁夏、广东、山东、辽宁等地辐射盐稻12号、南粳9108等近20万亩，取得了显著的社会经济效益。近年来，由袁隆平院士领衔的青岛海水稻研究发展中心致力于海水稻研发。中心通过基因测序技术，筛选出天然抗盐、抗碱、抗病基因，通过杂交与分子育种技术，计划在三年内选育出可供产业化推广、亩产300公斤以上的水稻品种。据报道，目前已经取得阶段性成果，2016年试验种植材料亩产突破500公斤，2017年小面积测产最高亩产达到621公斤。2018年筛选出176份优良材料在全国五大典型盐碱地试种。2017年起，海水稻研究中心组织开展国家耐盐水稻联合体试验，分北方中早粳晚熟组、黄淮粳稻组和南方沿海籼稻组3组，在全国沿海滩涂及盐碱地不同生态区设置18个试点对首批25个参试品种进行了试验鉴定。筛选出16个品种进入2018年试验，其中9个进入生产试验，新增23个品种进入2018年区域试验。5. 耐盐水稻配套栽培技术研究绝大部分盐碱地直接利用种植水稻都比较困难，需要经过盐土改良的过程。国外盐碱地种植水稻主要在欧洲的西班牙、意大利、法国等国家的水稻产区，集中在地中海沿岸稻田，盐碱含量较高。水稻种植主要采用水直播，在选用耐盐水稻品种的基础上，在保持稻田一定深度的水层，并实施动态流水灌溉达到洗盐碱压盐碱的效果。同时，水稻种子萌发期低氧会造成出苗率低的情况。欧洲盐碱地水稻种植耗费大量水稻种子和淡水，对于我国缺乏淡水资源的盐碱地区并不适用。上世纪80年代以来，国内研究学者一直寻求生物治理、农艺耕作和土壤管理改良盐碱地的可持续措施。先后进行了盐碱地土壤改良、水分管理、耐盐水稻品种高产形成特性与生育规律的研究【35-39】。在国家科技支撑计划的支撑下，扬州大学等单位针对沿海滩涂盐碱地水稻高产栽培中，土壤肥力低、盐分变化大、易返盐，水稻前期盐害难活棵易僵苗、中期盐害慢长不长易死株，后期盐害易早衰早枯死的技术难题，重点研究盐碱地稻田降盐控盐脱盐与地力培育提升技术、耐盐水稻高产优质形成定量化诊断指标与方法、水稻壮秧培育与栽后高成活率立苗早发壮株技术、定量化降盐控盐灌排技术，水肥耦合控盐的精确施肥技术。成功构建“耐盐大麦(小麦、绿肥)—水稻”种植制度，建立新垦盐碱地降盐控盐和地力培育技术配套关键技术，开发2个盐碱改良、壮秧培育的物化产品。集成的技术体系在0.2%-0.3%盐分的盐碱地示范，耐盐碱水稻品种亩产550公斤以上；盐分0.3%-0.6%的盐碱地亩产400公斤，比现有盐土水稻生产技术增产15-20%，在盐碱地综合利用方面具有极大的应用前景。二、存在问题1、水稻耐盐机理尚不清楚尽管研究者已对水稻对耐盐碱开展了大量研究，但由于其机制十分复杂，许多重要问题仍有待探索，还要继续加强基础研究，彻底弄清水稻盐碱胁迫机理，更好地指导农业生产实际。2、耐盐性水稻鉴定标准不统一一是鉴定时间不统一。研究表明，水稻对盐胁迫的耐性在不同生长发育时期有所不同。其中幼苗期和生殖生长期是两个盐敏感时期，而种子萌发期和营养生长期植株耐盐性相对较强【34】。因此，大多数研究是在水稻幼苗期进行耐盐性鉴定。但幼苗期耐盐不等于生殖生长期耐盐，许多材料苗期耐盐性很强，但不能抽穗，或抽穗很迟，有的即使能抽穗，但结实率不高，产量很低，缺乏生产利用价值。为此，我们制定了以产量为目标的全生育期耐盐性鉴定标准。二是评价指标不统一。水稻耐盐性是一个复杂的综合性状，其评价指标多种多样，不同生长发育时期耐盐性的评价指标也有所不同。采用不同时期、不同指标鉴定的耐盐材料，其耐盐性无法相互比较。从生产利用角度考虑，有必要建立以产量为目标的相关性状耐盐性评价指标。3、可供育种利用的耐盐基因不多迄今已检测到的近1000个耐盐相关QTL中，绝大部分QTL的表型贡献率较小，表型贡献率在20%以上的QTL有167个，占总 QTL 数目的22.0%【35】。由于检测到的大多数水稻耐盐 QTL 的表型贡献率较小，精细定位和克隆难度较大，所以相关研究一直进展较慢。这些基因/QTL 难以在育种上利用。目前在育种上利用的耐盐 QTL 主要是位于水稻第1染色体上的qSKC-1和Salto1两个位点【36】。4、育种方法有待进一步突破由于水稻耐盐性是多种耐盐生理生化反应的综合表现，是由多个基因控制的数量性状，遗传基础复杂，采用传统育种方法改良水稻耐盐性的难度较大，进展缓慢。利用分子标记辅助选择和基因工程技术可以加快水稻耐盐品种培育的进程，但单个基因或相关的少数几个基因的导入很难获得能够在大田生产中利用的耐盐品种。因此，要培育有应用价值的耐盐水稻品种可能需要同时导入多个关键基因，对其耐盐调控网络中的多条途径进行遗传改良。这就需要在育种方法上有所突破。三、意见和建议水稻耐盐性是多种生理性状的综合表现，是由位于不同染色体上的多个基因控制的。因此通过转基因培育有应用价值的品种可能需要同时转入多个基因，但其遗传的稳定性等还有待于进一步的研究。目前适合我国沿海滩涂种植的耐盐水稻品种尤其是粳稻品种不多，而且产量水平较低，一定程度上限制了我国沿海滩涂的开发利用，迫切需要选育适合我国沿海滩涂种植的耐盐优质高产水稻新品种。1、深入开展耐盐机制研究植物耐盐机制的研究已开展了数十年，并取得了许多有价值的成果。虽然有学者认为，水稻的耐盐能力受渗透调节和无机离子的吸收调节，但具体调节遗传机制还不清楚。如在盐分胁迫下，哪些调节因子参与渗透调节中物质的积累？在盐胁迫下，哪些因子参与渗透调节物质的积累？最初的信号感受和传递过程是怎么样的？多个耐盐基因之间是如何互作和调控网络的？这些问题都需要进一步研究。2、加强耐盐种质资源的鉴定筛选与耐盐基因的发掘国内外研究者通过长期的工作，已鉴定出一批耐盐碱水稻种质。但由于鉴定时期不同、标准不统一，大多数耐盐种质难以在育种中利用。尽管人们已经鉴定到了近千个耐盐相关QTL，但由于多数定位群体的亲本组合中缺乏耐盐性强的水稻品种，且两亲本间耐盐性差异较小，导致鉴定到的QTL的表型贡献率较小，进一步的精细定位容易受到遗传背景的干扰，后续的基因精细定位和图位克隆工作进展缓慢。另一方面, 在大多数耐盐性QTL定位研究中，仅进行了单次或单年单点的表型鉴定工作，缺少对QTL稳定性的检测。鉴定到的一些表型贡献率较大（20%以上）的耐盐QTL，可能由于遗传稳定性较差，而难以被精细定位和克隆【21】。因此，不仅要选择强耐盐水稻品种来进行耐盐QTL定位，还要通过多次或多年多点试验来检测耐盐QTL的稳定性，筛选鉴定出遗传效应较大、且能够稳定表达的耐盐QTL。在目前的水稻耐盐基因定位和克隆工作中，大多数研究仅针对某一个生长发育时期进行评价，而将多个生长阶段结合起来比较分析的研究相对较少，有必要对水稻不同生长发育时期，尤其是较敏感的幼苗期和生殖生长期的耐盐碱性进行分析，以鉴定同时控制多个生长阶段耐盐性的优异基因用于水稻耐盐品种培育。利用突变体来分离耐盐基因已成为水稻耐盐新基因挖掘的有效途径之一，有必要加强水稻耐盐/盐敏感突变体的筛选鉴定和基因克隆工作，建立水稻耐盐/盐敏感突变体库。此外，随着关联分析，特别是GWAS技术被越来越广泛地应用于植物复杂性状的解析，在水稻耐盐基因挖掘工作中也应加强该方面的研究。3、加强耐盐碱水稻种质创新和新品种选育我国开展耐盐水稻新品种选育的研究取得了一定进展，但由于水稻品种尤其是粳稻品种具有特殊多样化的生态条件，适应性相对较窄。外地或国外的耐盐水稻品种一般在江苏省沿海滩涂的适应性均不强，主要表现生育期过短或过长、产量偏低等，同样江苏选育的耐盐水稻品种亦不适宜在辽宁等北方沿海滩涂及盐碱地种植。目前适合我国沿海滩涂种植的耐盐水稻品种尤其是粳稻品种不多。迫切需要选育适合我国不同生态区域的沿海滩涂种植耐盐高产优质多抗水稻新品种，包括适应于辽宁等内陆盐碱地种植的北方粳稻、适应于山东等黄河三角洲盐碱地种植的早熟中粳稻、适应于江苏连云港、盐城等沿海滩涂种植的中熟中粳稻、适应于江苏南通等沿海滩涂种植的迟熟中粳稻、适应于海南、广东等沿海滩涂种植的常规籼稻和杂交籼稻新组合。4、加强耐碱水稻研究目前研究者们大多关注与水稻耐盐性资源的鉴定、基因定位与克隆研究，对水稻耐碱性方面的研究还较少。我国有近15亿亩内陆盐碱地，这些地区淡水资源严重缺乏。因此，耐碱水稻是今后需要重点加强的研究方向。