野生稻基因渐渗解锁水稻耐盐新机制：跨代表型与隐藏基因的奥秘

当前水稻育种面临诸多挑战，尤其是在应对盐胁迫方面。研究人员以野生稻（Oryza rufipogon）和栽培稻（Oryza sativa）为材料开展耐盐性研究。结果发现通过基因渐渗能产生超亲效应，还确定了相关 QTL 和基因。这为水稻耐盐育种提供了新方向。

　　随着全球气候变化和环境恶化，水稻生产面临着诸多挑战，其中盐胁迫对水稻的影响尤为严重。据统计，超过 20% 的灌溉土地受到盐渍化的影响，预计到 2050 年，亚洲种植水稻的可耕地中，将有多达 50% 受到盐渍化的威胁。传统的水稻育种方式，主要是基于绿色革命的遗传范式，已难以满足在盐胁迫等环境压力下保证水稻可持续产量的需求。

过去几十年，水稻耐盐育种主要聚焦于从 Aus 地方品种 Pokkali 中导入 SalTol 数量性状位点（QTL） 。然而，SalTol QTL 的有效性高度依赖于遗传背景和发育阶段，且随着研究的深入，其对提高水稻耐盐性的作用已达到瓶颈，无法再带来显著的提升。因此，寻找新的耐盐机制和基因资源成为水稻育种领域亟待解决的问题。

在此背景下，来自国外的研究人员开展了一项旨在揭示野生稻（Oryza rufipogon）基因组中隐藏的耐盐功能，并探究其在导入栽培稻（Oryza sativa）基因组背景后所产生的生理变化的研究 。该研究成果发表在《Current Plant Biology》上，为水稻耐盐育种提供了新的思路和方向。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：

1. 构建和筛选群体：利用 upland tropical japonica 品种 Curinga（CUR）与O. rufipogon Griff. IRGC 105491（RUF）杂交构建包含 48 个染色体片段代换系（CSSL）的群体，同时以 IR29 x Pokkali 衍生的具有 SalTol 耐盐性的重组自交系（如 FL478、FL510）作为表型参照。
2. 表型测定：对 CSSL 群体进行盐胁迫处理，测定多项生理指标，包括标准评价得分（SES）、电解质渗漏指数（ELI）、气孔导度、叶绿素含量等，以评估植株的耐盐性。
3. 基因分析技术：运用单核苷酸多态性（SNP）标记对 RUF 基因组片段的渗入进行定位，并通过 QTL 分析确定与耐盐性状相关的基因组区域；利用 RNA 测序（RNA-Seq）技术分析转录组变化，挖掘差异表达基因及相关通路。

下面来详细看看研究结果：

1. CSSL 群体耐盐性变异：研究人员观察到 CSSL 群体在所有耐盐参数上存在广泛变异，如 SES 与 ELI、Na⁺含量等呈正相关，与地上部重量、K⁺含量等呈负相关 。通过这些相关性分析，发现 Na⁺浓度和 ELI 是衡量盐胁迫伤害程度的主要指标。
2. 筛选极端耐盐和敏感株系：基于 7 天盐胁迫后的 SES，研究人员筛选出 6 个比耐盐亲本 RUF 更耐盐的 CSSL 株系和 10 个比敏感亲本 CUR 更敏感的株系 。最终选择 CR1、CR17（极端耐盐）和 CR41（极端敏感）进行深入表型分析和基因组分析。长期死亡试验进一步验证了这些株系的耐盐性分类，结果表明 CR1、CR17 和阳性对照 FL478 在盐胁迫下存活时间较长，而 CR41 和敏感亲本 CUR 存活时间较短。
3. 复杂的耐盐机制：通过欧几里得层次聚类分析，研究人员根据表型将 CSSL 分为八个不同的分支 。结果显示，RUF 可能含有多个隐秘遗传成分，这些成分在与受体基因组背景互补时，可能产生正向（增强）或负向（抑制）效应。而 CR1 和 CR17 的极端耐盐性可能是由于特定 RUF 基因组片段渗入所形成的独特耐盐属性组合（正向互补效应），CR41 的敏感性则可能源于其独特的属性（负向互补效应）。
4. 盐胁迫对植物生长的影响：比较盐胁迫 14 天后各株系的根长和生物量，发现 CR1、CR17 和 FL478 在盐胁迫下地上部长度减少最少，而 CR41 地上部长度减少最多 。在根生长方面，RUF、CR17、CR41 和 FL510 受盐胁迫影响较小，其他基因型则有适度减少。在地上部和根鲜重方面，所有基因型在盐胁迫下均显著降低，但 CR1 的地上部鲜重减少最少，CR41 和 CUR 减少最多。在地上部干重方面，CR1 受盐胁迫影响不显著，CR41 减少最多。
5. 气体交换参数的变化：盐胁迫影响了植株的气体交换参数，如水分利用效率（WUE）、蒸腾速率、光合速率等 。CR1 的 WUE 相对变化最大，CR41 变化最小。所有基因型的叶片蒸腾和光合速率均显著降低，但不同株系的变化幅度存在差异。此外，RUF、CR1 和 CR17 在盐胁迫下细胞内 CO₂浓度增加，而 FL478、FL510、CUR 和 CR41 则降低，这表明这些株系在应对盐胁迫时可能存在不同的碳代谢机制。
6. Na⁺和 K⁺含量变化：对七个基因型进行长期盐胁迫处理并分析其组织中 Na⁺和 K⁺浓度变化，发现 CR41 在 7 天时 Na⁺浓度增加最多，FL478 在耐盐基因型中 Na⁺浓度最低 。随着时间推移，所有基因型的 Na⁺浓度均增加。在 K⁺浓度方面，CR17 在各时间点的相对变化较为独特，RUF 的 K⁺浓度增加最少。Na⁺/K⁺比的变化趋势与 Na⁺浓度相似，CR41 和 CUR 在早期具有最高的 Na⁺/K⁺比，而 CR17 在耐盐 CSSL 中始终保持较低的 Na⁺/K⁺比变化。
7. QTL 分析和基因渗入：QTL 分析确定了五个与耐盐性状相关的基因组区域，这些区域解释了地上部重量、K⁺浓度、Na⁺/K⁺比和气孔导度等性状的部分变异 。同时，研究人员还对 RUF 渗入到 CSSL 中的基因进行了定位和分析，发现不同株系间存在独特和共享的渗入基因，这些基因涉及多个生化途径，进一步揭示了O. rufipogon基因渗入对水稻耐盐性和敏感性的复杂影响。
8. 转录组特征：主成分分析（PCA）显示，CSSL 的转录组特征受时间点（盐胁迫持续时间）和基因型的影响 。敏感亲本 CUR 表现出较高程度的基因上调，敏感 CSSL CR41 则普遍下调，而耐盐亲本 RUF 和耐盐 CSSL 在各时间点的上调和下调基因比例几乎相等。通过对差异表达基因的分析，研究人员确定了与耐盐性或敏感性相关的关键基因和通路。
9. 关键通路分析：在 CR1 中，持续下调的基因富集于木质素生物合成和代谢等过程，持续上调的基因与细胞分裂素代谢、系统获得性抗性等过程相关 。CR17 中，虽然注释基因较少，但相关基因富集于一些氨基酸代谢和次生代谢过程。CR41 中，下调基因与细胞周期相关过程有关，上调基因则涉及细胞锰离子稳态、铁稳态等过程。
10. eQTL 分析：研究人员鉴定出多个与耐盐性状相关的假定表达数量性状位点（eQTL），如在 CR1 中，编码细胞分裂素脱氢酶和 MYB 转录因子的基因与地上部重量相关，编码跨膜蛋白的基因与气孔导度相关；在 CR41 中，一些基因的表达变化与 Na⁺/K⁺比和气孔导度相关 。这些 eQTL 可能通过调控相关生理过程影响水稻的耐盐性。
11. 隐秘基因功能：研究发现一些来自 RUF 的基因在导入 CUR 基因组背景后，表现出非亲本的表达模式，这些基因可能具有隐秘功能 。例如，在 CR1 中，一些基因参与木质素和果胶的代谢平衡，影响水稻的耐盐性；在 CR17 和 CR41 中，也鉴定出了可能与耐盐性或敏感性相关的隐秘基因。
12. 耐盐性的遗传稳定性：将 CR1 和 CR17 与 CUR 杂交，F₂群体的 SES 呈现正态分布，表明 RUF 渗入产生的新型耐盐表型能够稳定遗传 。这意味着通过基因渗入获得的耐盐性是由多个基因或位点的特定组合（正向互补效应）所决定的。

综合研究结论和讨论部分，该研究具有重要意义。研究人员通过种间杂交和基因渗入的方法，成功揭示了野生稻基因组中隐藏的耐盐功能，发现了新的耐盐机制和相关基因，这些机制和基因与传统的 SalTol 机制不同 。研究确定的两个耐盐染色体片段代换系（CSSL）为提高水稻在盐渍化农业生态系统中的适应性提供了宝贵资源。然而，该研究仅在 japonica cv. Curinga 这一单一栽培稻遗传背景下进行，未来还需在更多不同的栽培稻背景（如 indica 和其他 japonica 品种）中进行验证，以确定这些发现的广泛适用性。这项研究为水稻耐盐育种开辟了新的途径，有望推动水稻育种领域的发展，提高水稻在盐胁迫环境下的产量和品质，保障全球粮食安全。