全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 17卷 第 6期
2005年 12月
Vol. 17, No. 6
Dec., 2005
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 2000 32）
收稿日期：2005-10-20　
基金项目：国家科技部(2002AA2Z1003); 国家自然科学基金(30170571); 上海市科学技术委员会(03DJ14016); 沪港安信
分子生物科学研究基金。
作者简介：高继平(1968 —)，男，博士研究生，助理研究员；林鸿宣(1960 —)，男，博士，研究员，* 通讯作者。
文章编号 ：1004-0374(2005)06-0563-03
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 N on a
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 1 1 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
·研究快讯 ·
564 生命科学 第17卷
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 +/ N a +比的植物耐盐性较
强 [ 1 6 ]。
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 S K C 1 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
565第6期 高继平，等：盘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
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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