董波濤

摘 要：基因工程改良為提高植物耐鹽性提供了一種可行的方法，但由于目前對鹽生植物的耐鹽機(jī)制認(rèn)識不足，難以選擇合適的轉(zhuǎn)基因作物。通過高通量測序?qū)}生植物和非鹽生植物進(jìn)行全基因組和轉(zhuǎn)錄組比較，是確定鹽生植物和非鹽生植物耐鹽性差異最有效方法。

關(guān)鍵詞：基因工程;鹽生植物;耐鹽性

中圖分類號 Q948.11? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）14-0035-02

Saline-Alkali Agriculture and Plant Salt Tolerance Gene Engineering

DONG Botao

（Agricultural and Rural Bureau of Binzhou，Binzhou 256603， China）

Abstract： Genetic engineering improvement provides a feasible method to improve salt tolerance of plants， but it is difficult to select suitable transgenic crops due to the lack of understanding of salt tolerance mechanism of halophytes. Genome-wide and transcriptome-based comparisons between halophytes and non-halophytes by high-throughput sequencing are the most effective methods for determining differences in salt tolerance between halophytes and non-halophytes.

Key words： Genetic engineering; Halophytes; Salt tolerance

土壤鹽堿化已成為影響作物生長及產(chǎn)量的重要因子之一，關(guān)于植物對鹽分適應(yīng)能力的研究已成為全球關(guān)注的熱點，如何提高植物的耐鹽能力已成為研究的重中之重。高等植物對鹽分脅迫的適應(yīng)是一個綜合的生物調(diào)節(jié)過程，需要各種生理生化過程的協(xié)同作用，而非某種單一的過程就能夠使植物成功地抵御鹽逆境[1]。基因工程為改良植物的耐鹽性提供了一種可行的方法，但由于目前對鹽生植物耐鹽機(jī)制的認(rèn)識不足，難以選擇合適的轉(zhuǎn)基因作物。通過高通量測序技術(shù)對鹽生植物和非鹽生植物進(jìn)行全基因組和轉(zhuǎn)錄組比較，是確定鹽生植物和非鹽生耐鹽性差異的首選遺傳決定因素最有效的方法。

1 改良耐鹽性工程的可行策略

1.1 通過基因工程提高植物耐鹽性 基因工程作為傳統(tǒng)育種、標(biāo)記輔助育種、種間雜交的一種選擇，被認(rèn)為是提高耐鹽性的一種有前景的方法[2]。然而，正確選擇轉(zhuǎn)基因目的基因需要詳細(xì)了解鹽生植物的耐鹽分子機(jī)制，這是目前缺乏的。模式植物擬南芥與耐鹽相關(guān)重要基因已被明確。此外，編碼質(zhì)膜質(zhì)子泵的基因也被認(rèn)為是必不可少的，因為它們編碼的蛋白質(zhì)會產(chǎn)生被動和二次的主動離子運輸所需的電勢和質(zhì)子梯度[3-4]。

1.2 鹽生植物的遺傳育種 研究鹽生植物耐鹽性的機(jī)制是選擇合適的轉(zhuǎn)基因植物的必要條件。目前，已經(jīng)從鹽生植物中選取目的基因在擬南芥或其他甜土植物中過量表達(dá)，顯著地減輕了轉(zhuǎn)基因宿主鹽脅迫。但這些基因在鹽生植物中對耐鹽性的貢獻(xiàn)是否大于非鹽生植物中同源基因的貢獻(xiàn)還不清晰[5]。截至目前，沒有文獻(xiàn)表明同源鹽生植物和非鹽生植物蛋白之間的任何結(jié)構(gòu)差異會對宿主的耐鹽性產(chǎn)生顯著不同的貢獻(xiàn)[6]。

1.3 耐鹽基因的鑒別 鑒定真正耐鹽基因的第一步，需要使用轉(zhuǎn)錄組學(xué)在鹽生植物和非鹽生植物之間產(chǎn)生不同耐鹽性的基因進(jìn)行比較。除了擬南芥和相關(guān)的鹽生植物鹽芥之外，這種比較在總體上不具備普適性[7]。盡管鹽芥能夠在海水的鹽濃度下生存，但就其生長/抑制的閾值水平而言，其肯定不是最耐鹽的鹽生植物。與特定的鹽生植物不同的是，鹽芥對多種應(yīng)激具有耐受性，并且具有典型的耐受性的低生長速率。一般來說，由于序列差異存在各種缺陷，需利用異種雜交平臺進(jìn)行跨物種的轉(zhuǎn)錄組比較。這些問題通過使用高通量技術(shù)來避免，最好是與全基因組測序相結(jié)合[8-9]。即使是來自不同種群的植物的種內(nèi)全轉(zhuǎn)錄組或蛋白質(zhì)組的比較，也往往會產(chǎn)生數(shù)千個差異表達(dá)的基因或蛋白質(zhì)，絕大多數(shù)可能與目的特性無關(guān)[10-11]。因此，能夠比較從非鹽生植物和同源鹽生植物雜交中選出的具有最大耐鹽水平的近等基因系是很有必要的。

2 鹽堿化農(nóng)業(yè)與植物耐鹽工程

2.1 高耐鹽作物的篩選與馴化 鹽堿化農(nóng)業(yè)指的是作物種植中使用和灌溉半咸水或鹽水。例如，海蓬子等已經(jīng)成為良好的、有吸引力的美味咸味蔬菜作物，這種蔬菜作物可以用微咸水和海水灌溉，表現(xiàn)出高耐鹽性[12]。藜麥也是一種很有希望的鹽生作物[13-14]。無論馴化與否，利用耐鹽原生鹽生植物進(jìn)行鹽堿化農(nóng)業(yè)仍是一種現(xiàn)實而有成效的途徑。

2.2 非鹽生作物的耐鹽性工程 未來在非鹽生作物中進(jìn)行耐鹽工程是有可能的[15]。為此，必須首先了解鹽生植物的生理特性，并確定影響鹽生植物和非鹽生植物的耐鹽性差異的關(guān)鍵過程和基因。然而，除了少數(shù)例外，任何耐鹽工程的成功都可能取決于選擇合適的基因啟動子[16]。很明顯，基因的生理功能往往嚴(yán)重依賴于其產(chǎn)物在器官、組織和細(xì)胞水平上的識別，特別是在轉(zhuǎn)運基因的情況下。因此，也有可能大多數(shù)候選耐鹽基因過表達(dá)的結(jié)果實際上是人為的，因為這種35S調(diào)控的轉(zhuǎn)基因的器官、組織或細(xì)胞特異性的表達(dá)模式將與自然基因有很大的不同。如上所述，這可能會強(qiáng)烈干擾基因產(chǎn)物的功能，從而影響宿主植物的耐鹽表型。

2.3 鹽堿化農(nóng)業(yè)的發(fā)展前景 改善耐鹽作物，如水稻、小麥、番茄和土豆的分子鹽耐受性尚未實現(xiàn)工程。然而，在人口快速增長和農(nóng)業(yè)淡水供應(yīng)減少的情況下，獲得這種高耐鹽作物的需求仍然存在[17]。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，鹽漬化農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的市場開發(fā)仍處于起步階段，市場開發(fā)力度有限。鹽堿化農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的市場開發(fā)需要大規(guī)模、高效的手段，包括機(jī)械播種、栽培、收獲和加工等。這些目標(biāo)可以通過馴化本地鹽生植物和非鹽生作物的耐鹽基因工程來實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張金林，李惠茹，郭姝媛，等.高等植物適應(yīng)鹽逆境研究進(jìn)展[J].草業(yè)學(xué)報，2015，24（12）：220-236.

[2]ASHRAF M，AKRAM N A.Improving salinity tolerance of plants through conventional breeding and genetic engineering：An analytical comparison[J].Biotechnology Advances，2009，27（6）：744-752.

[3]MOLLER I S，GILLIHAM M，JHA D，et al.Shoot Na+ exclusion and increased salinity tolerance engineered by cell type-specific alteration of Na+ transport in Arabidopsis[J].The Plant Cell，2009，21（7）：2163-2178.

[4]FLWOERS T J，COLMER T D.Salinity tolerance in halophytes[J].New Phytologist，2010，179（4）：945-963.

[5]ALEMAN F，NIEVS-CORDONES M，MARTINEZ V，et al.Differential regulation of the HAK5 genes encoding the high-affinity K+ transporters of Thellungiella halophila and Arabidopsis thaliana [J].Environmental and Experimental Botany，2009，65（2-3）：263-269.

[6]LI W，WANG D，JIN T，et al.The vacuolar Na+/H+ antiporter gene SsNHX1 from the halophyte Salsola soda confers salt tolerance in transgenic alfalfa （Medicago sativa L.）[J].Plant Molecular Biology Reporter，2011，29（2）：278-290.

[7]INAN G.Salt cress.A halophyte and cryophyte arabidopsis relative model system and its applicability to molecular genetic analyses of growth and development of extremophiles[J].Plant Physiology，2004，135（3）：1718-1737.

[8]COLMER T D，F(xiàn)LOWERS T J.Flooding tolerance in halophytes[J].New Phytologist，2008，179（4）：964-974.

[9]VOS A C，BROEKMAN R，GUERRA C C，et al.Developing and testing new halophyte crops：A case study of salt tolerance of two species of the Brassicaceae，Diplotaxis tenuifolia and Cochlearia officinalis[J].Environmental and Experimental Botany，2013，92：154-164.

[10]MORTEL J E，Laia Almar VILLANUEVA L A，SCHAT H，et al.Large expression differences in genes for iron and zinc homeostasis，stress response，and lignin biosynthesis distinguish roots of arabidopsis thaliana and the related metal hyperaccumulator Thlaspi caerulescens[J].Plant Physiology，2006，142（3）：1127-1147.

[11]TUOMAINEN M，TEVAHAUTA A，HASSINEN V，et al.Proteomics of Thlaspi caerulescens accessions and an inter-accession cross segregating for zinc accumulation[J].Journal of Experimental Botany，2010，61（4）：1075-1087.

[12]VENTURA Y，SAGI M.Halophyte crop cultivation：The case for Salicornia and Sarcocornia[J].Environmental & Experimental Botany，2013，92：144-153.

[13]KOYRO H W，EISA S S.Effect of salinity on composition，viability and germination of seeds of Chenopodium quinoa Willd[J].Plant and Soil，2008，302：79-90.

[14]ADOLF V I，JACOBSEN S E，SHABALA S，et al.Salt tolerance mechanisms in quinoa （Chenopodium quinoa Willd.）[J].Environmental and Experimental Botany，2013，92：43–54.

[15]RUAN C J，TEXERIRA S J A，MOPPER S，et al.Halophyte improvement for a salinized World[J].Critical Reviews in Plant Sciences，2010，29：329–359.

[16]GARG A K，KIM J K，OWENS T G.Trehalose accumulation in rice confers high tolerance to abiotic stresses[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2002，99：15898–15903.

[17]ROZEMA J，F(xiàn)LOWERS T J.Crops for a salinized world[J].Science，2008，322：1478–1480.

（責(zé)編：張宏民）