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《生命科学》 2005, 17(6): 563-
水稻耐盐机理研究的重要进展——耐盐数量性状基因SKC1的研究
高继平,林鸿宣*
中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所,上海200032


      土壤的盐渍化是限制农作物生长,造成作物减产最严重的非生物胁迫之一。据统计,世界上的盐碱地面积超过十亿公顷,其中,我国的盐碱土地面积达到了一亿公顷。而在我国的现有耕地中,至少有八百万公顷的土地由于不当的灌溉和施肥,导致土壤中盐分积累,不同程度地影响了作物的产量。通过遗传改良提高作物的抗逆性是解决这一农业问题的最有效途径之一。因此,需要从基因的角度认识自然界中作物耐盐的机制,这将有助于通过分子育种方法提高农作物抵御盐胁迫的能力,对未来农业的发展有着重要的意义。
      水稻是全世界最重要的农作物之一,也是我国最重要的粮食作物。水稻功能基因组的研究是国际上十分关注的领域,竞争非常激烈。我国近几年来加大这方面的支持力度,经科学家们的不懈努力,我国在水稻功能基因组研究上取得了世界瞩目的成果[1~2]。最近,我国在水稻重要功能基因研究中又取得了突破性进展,我们与美国加州大学伯克利分校栾升教授合作,成功克隆了与水稻耐盐相关的数量性状基因SKC1,并阐明了该基因的生物学功能和作用机理[ 3]。这对认识作物的耐盐机理以及育种改良均具有重要意义。
1 耐盐相关的数量性状基因座(QTL)
      作物的抗逆性和许多重要的农艺性状,如产量、生育期等一样,由多个基因共同控制,性状的表型表现为连续的分布,表型与基因型之间没有明确的对应关系,这样的性状称为数量性状。控制数量性状的基因在基因组中的位置称为数量性状基因座(quantitative trait locus, QTL)。
      利用覆盖整个基因组的分子标记进行遗传连锁分析,可以确定控制数量性状的QTL在染色体上的位置,并可计算各个QTL的效应。经过进一步的精细定位可以将这样的QTL分解为单个的孟德尔因子,用单基因的方式将其克隆。数量性状的遗传基础复杂,而且容易受环境因素的影响,所以数量性状的研究难度很大,目前被克隆的QTL屈指可数。
       植物的耐盐性也是多基因控制的数量性状,利用QTL定位策略来解析复杂的耐盐性状,可以揭示耐盐基因的自然变异,是研究植物耐盐机理的重要新途径。应用分子标记连锁分析,已经有人在几个水稻群体中进行了耐盐性QTL的初步定位[4~8],但这些QTL的效应都比较小,没有发现主效的QTL。
      近年来,我们将高度耐盐的籼稻品种Nona Bokra(Oryza sativa L. ssp. Indica var. Nona Bokra)与盐敏感的优质粳稻栽培品种越光(Oryza sativa L. ssp. Japonica var Koshihikari)杂交,用F2群体构建了分子标记连锁图谱,结合用140mM NaCl 处理对应F3株系的幼苗,定位了11个与耐受盐胁迫有关的QTL:3个与幼苗生存天数相关的QTL和8个与K+、Na+浓度相关的QTL。其中SKC1是一个在盐胁迫下维持地上部钾离子浓度(Shoot K+ Content)的QTL,位于水稻1号染色体。SKC1对表型变异的贡献率达到40.1%,是一个主效QTL[9]。这些结果为克隆Nona Bokra中的耐盐QTL奠定了基础。
2 钾、钠离子运输与植物耐盐
     阳离子大量元素钾是植物中含量最丰富的营养元素,在细胞内的浓度非常高,可达100~150 mM [10]。K+在植物细胞伸长、叶片运动、向性运动、保持代谢的动态平衡、萌发、渗透调节、气孔运动和耐受盐胁迫的过程中都起着重要作用[11~12]。在细胞质中,许多酶的活性能被K+激活而被Na+抑制[13]。
     由土壤中高浓度的Na+引发的盐胁迫包括渗透胁迫、离子毒害和离子不平衡或营养缺乏[14]。盐胁迫会引起植物的各种生理生化变化,如光合作用降低、能耗增加、营养物质摄取受阻、活性氧的增多和代谢毒物的积累等。这些变化导致植物生长发育受抑制,植株最终因碳饥饿而死亡。
植物对盐的耐受能力主要取决于对Na+毒害作用的适应能力,以及本身K+的营养状况。盐胁迫对植物的伤害主要是Na+大量进入细胞后对细胞的毒害造成的,土壤中高浓度的Na+会破坏K+和其他金属元素的吸收,引起渗透胁迫和氧化胁迫[15]。在正常的生理状况下,Na+作为微量元素被植物吸收。在盐胁迫时,大量的Na+从根部进入植物体内,使Na+浓度增高;而K+的吸收受到抑制,K+浓度下降。为保证正常的生理活动,植物需要在整体水平和细胞水平尽量维持高K+、低Na+的状态。因此,植物的耐盐性与维持体内K+、Na+平衡的能力密切相关,具有高K+/Na+比的植物耐盐性较强[16]。
      水稻的耐盐研究也证实:相对于盐敏感的水稻品种,盐胁迫后耐盐水稻品种的叶片中K+含量较高、Na+含量较低,具有较高的K+/Na+比率[17]。因此,克隆SKC1这个控制盐胁迫时钾离子浓度的主效QTL,对了解水稻的耐盐机理非常重要。
3 SKC1的克隆与功能研究
      我们采用图位克隆的方法,经BC2F2群体精细定位、BC3F2群体高精度连锁分析,最终将SKC1定位在两个相距7.4 kb的分子标记之间[3]。在这7.4 kb的范围内只存在一个基因作为SKC1的候选基因。我们对该候选基因进行转基因遗传互补实验,将Nona Bokra的SKC1基因转到另一个对盐敏感的水稻品种中花11中,同样可以在140 mM NaCl胁迫下使转基因水稻地上部茎、叶片等组织的钾离子浓度保持在较高的水平,而且地上部的钠离子浓度显著低于空质粒的转基因对照。这些结果与遗传分析结果一致,证明我们成功克隆了QTL SKC1[3]。这是至今植物中第一个被克隆的耐盐相关QTL。
      SKC1编码的是一个HKT家族的离子转运蛋白(554个氨基酸),专一性地运输Na+,不参与K+、Li+等其他阳离子的运输[3]。HKT家族转运蛋白的离子运输活性各不相同,如小麦TaHKT1是钾/钠同向转运蛋白[18~19],而拟南芥AtHKT1与SKC1一样是钠离子转运蛋白[20]。SKC1在木质部周围的薄壁细胞中表达,盐胁迫时在根部的表达量显著提高而在地上部的表达没有变化[3]。
NSKC1 (Nona Bokra的SKC1蛋白)与KSKC1(越光的SKC1蛋白)之间有4个氨基酸发生置换,这种自然变异,是造成SKC1功能差异的分子基础。NSKC1和KSKC1都具有钠离子运输活性,但NSKC1的运输活性比KSKC1高约30%。在以感盐品种越光作为遗传背景的近等基因系NIL (SKC1)中,NSKC1替代了越光自身的KSKC1。NIL (SKC1)与越光相比,在盐胁迫下 NIL (SKC1)保持高K+/低Na+的离子平衡,并且幼苗的存活时间显著延长,耐盐能力提高[3]。
      检测木质部和韧皮部流液中K+、Na+的含量后发现,受盐胁迫时NIL (SKC1)的韧皮部中K+、Na+含量与越光没有差异,但木质部中K+浓度显著增加,而Na+浓度明显降低[3]。由此,推测SKC1的作用机理是:水稻受到盐胁迫时大量Na+通过木质部流液从根部向地上部运送,使大量Na+积累在地上部,而SKC1主动将Na+运出木质部,经过其他钠离子转运蛋白的运输将Na+从韧皮部运回到根部并排出体外,从而使地上部的Na+含量降低,减轻钠离子毒害;而植物体内K+与Na+的运输有竞争作用,Na+会抑制K+的吸收[21],当木质部Na+浓度降低时K+的运输增加,使因盐胁迫而降低的K+浓度部分恢复。因此,SKC1在盐胁迫下调节水稻地上部的钾/钠离子平衡即维持高钾、低钠的状态,从而增加水稻的耐盐性。
      虽然同为HKT家族的钠离子转运蛋白,单子叶植物水稻中SKC1的作用机理与双子叶植物拟南芥AtHKT1的作用机理完全不同。AtHKT1主要在韧皮部表达,受到盐胁迫时AtHKT1将地上部的Na+装入韧皮部筛管中,使Na+从地上部回流到根部,降低了地上部叶片和茎中Na+的浓度[20]。
4  研究的意义
      植物的耐盐性是多个生理过程综合作用的体现,包括在组织和细胞两个层次上都存在的钠离子的吸收和排出、离子间的平衡(尤其是钾/钠离子平衡)、离子的重新分布等。寻找钾、钠等离子的运输蛋白,了解它们在盐胁迫时的作用,是植物耐盐性研究领域中一个重要的研究方向。
植物中K+的吸收、转运与分配主要通过钾离子通道和转运蛋白完成。在植物中,钾离子通道包括两个家族:Shaker家族和KCO家族;钾离子转运蛋白也可分为两个家族:KUP/HAK/KT 家族和HKT家族。它们数量众多,功能各异,在拟南芥中已发现29个基因,分别控制K+在各组织中的运输[22]。
      参与植物Na+吸收、运输的离子通道和转运蛋白包括:非选择性阳离子通道[23]、单价阳离子通道[24]、Na+/H+逆向转运蛋白家族及HKT家族等。
      这些研究揭示了植物钾、钠离子转运系统中每个蛋白的作用及机理,但无法衡量单个蛋白的作用对整体钾、钠离子含量变化的效应大小。我们应用QTL定位和高代回交方法,把控制复杂性状的多个QTL分别分解成单个孟德尔遗传因子(基因)加以研究,首次证明了盐胁迫时水稻中控制地上部钾离子浓度的主要因子是一个HKT家族的钠离子转运蛋白[3]。
      水稻是已知拥有HKT家族成员最多的植物,在已完成全基因组测序的粳稻品种日本晴的基因组中共发现了七个HKT家族的转运蛋白[25]。而模式植物拟南芥只有一个HKT家族的转运蛋白AtHKT1,其他植物也都不超过两个。所以水稻是研究HKT离子转运系统如何进化并且在复杂真核生物中发挥功能的理想模型。
     SKC1的克隆和功能研究是我国水稻重要功能基因研究取得的突出成果之一,不仅有重要的学术意义,而且具有一定的应用前景。SKC1为水稻耐盐遗传育种研究提供了有利基因,通过分子标记辅助育种,可以将SKC1导入优良水稻栽培品种中,从而培育耐盐性好的水稻新品种。

[参 考 文 献]
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