谷子抗旱研究進(jìn)展

張雁明，劉曉東，馬建萍，溫琪汾，韓淵懷

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030031；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031；4.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，山西太原030031）

谷子（Setaria italica（L.）Beauv）起源于我國，是傳統(tǒng)的抗旱作物。其根系發(fā)達(dá)，葉片細(xì)窄，水分利用率高，蒸騰系數(shù)小[1]，因此，耐旱性強(qiáng)。在我國，谷子的種植區(qū)域主要集中在北方干旱、半干旱地區(qū)，其中，河北省、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)是種植面積較大的3個(gè)省（區(qū)）[2]，這些地區(qū)都面臨著嚴(yán)重的干旱問題。目前，全球水資源緊缺，而我國所面臨的水資源匱乏問題更加嚴(yán)峻。谷子種植的區(qū)域約占我國國土面積的1/2，這些干旱、半干旱地區(qū)地下水已嚴(yán)重超采，一些地區(qū)已出現(xiàn)地面下沉、河水?dāng)嗔鞯默F(xiàn)象[3]。日益嚴(yán)重的全球缺水威脅使得谷子在旱作和持續(xù)農(nóng)業(yè)中的作用更加突出[4]。

谷子抗旱早已被人們熟知和接受，但是，谷子抗旱相關(guān)基因研究較少，難以闡明抗旱的分子機(jī)制。同時(shí)，谷子也并不是在任何時(shí)期都抗旱，萌發(fā)期遇干旱就會(huì)明顯推遲種子的萌發(fā)時(shí)間，降低種子萌發(fā)率，延緩植株生長；孕穗期如遇干旱則會(huì)出現(xiàn)秕谷，影響產(chǎn)量。所以，有必要對谷子抗旱基因以及抗旱的分子機(jī)理進(jìn)行研究，探索干旱敏感時(shí)期的基因表達(dá)，明確谷子抗旱的分子機(jī)制，進(jìn)而為分子育種提供依據(jù)。

1 植物抗旱的分子機(jī)制

植物遭遇干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞能夠感受并傳遞干旱刺激，通過3個(gè)步驟對干旱做出反應(yīng)：（1）感知并傳遞干旱脅迫信號(hào)；（2）誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)與調(diào)控；（3）通過基因產(chǎn)物的保護(hù)措施，最終實(shí)現(xiàn)對干旱的適應(yīng)或抗性。

植物對干旱信號(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)是受多條途徑共同調(diào)控的，可分為依賴ABA（脫落酸）途徑和非依賴ABA這2條途徑[5]（圖1）。植物在干旱脅迫下，一方面組織會(huì)產(chǎn)生大量的應(yīng)激激素脫落酸，通過相應(yīng)的途徑激活相應(yīng)的蛋白激酶，然后活化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，隨之誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)，致使基因產(chǎn)物積累，最終做出抗旱反應(yīng)；另一方面干旱脅迫不通過ABA介導(dǎo)，直接被細(xì)胞膜上的滲透感受器所感知，激發(fā)信號(hào)傳遞，激活相應(yīng)蛋白激酶，完成后續(xù)過程[5]。

在植物完成抗旱調(diào)控的途徑中發(fā)揮作用的有2類基因[6]（圖2），一類是功能基因，另一類是調(diào)節(jié)基因。相對應(yīng)的基因產(chǎn)物也有2類：一類是功能蛋白，直接保護(hù)植物免受干旱損傷，包括水通道蛋白和合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的關(guān)鍵酶等；另一類是調(diào)節(jié)蛋白，在信號(hào)傳遞和基因表達(dá)中起調(diào)節(jié)作用，例如轉(zhuǎn)錄因子和蛋白激酶等[6]。

2 谷子抗旱鑒定的方法和指標(biāo)

日益嚴(yán)峻的干旱問題使得谷子抗旱性狀的篩選和品種選育的任務(wù)更為迫切，在萌發(fā)期和苗期鑒定耐旱的方法和指標(biāo)已有報(bào)道[7]。

谷子萌發(fā)期鑒定耐旱性的方法主要是使用高滲溶液（PEG6000和甘露醇）模擬水分脅迫，分別對根長、發(fā)芽率、芽長和相對發(fā)芽率、芽生長抑制率、相對含水量、水勢、存活率等指標(biāo)進(jìn)行測定，但到目前為止，對于滲透劑濃度與鑒定指標(biāo)的選擇并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有研究表明，谷子萌發(fā)期耐旱性鑒定的脅迫條件可以為-0.75 MPa PEG6000和-1.00 MPa甘露醇，快速鑒定谷子萌發(fā)期抗旱性的指標(biāo)為相對萌發(fā)率與相對根長[8-9]。

谷子苗期鑒定耐旱性的方法主要是采用反復(fù)干旱法和模擬干旱脅迫法。反復(fù)干旱法以反復(fù)干旱后的平均存活率作為評價(jià)抗旱性依據(jù)，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5級(jí)：一級(jí)為高度抗旱，存活率在80%以上；二級(jí)為抗旱，存活率為70%～80%；三級(jí)為中抗，存活率為50%～70%；四級(jí)為低抗，存活率為40%～50%；五級(jí)為不抗，存活率在40%以下[10]。通過對苗期反復(fù)干旱法與全生育期鑒定谷子品種資源的耐旱性比較，證實(shí)反復(fù)干旱法的鑒定結(jié)果與全生育期鑒定結(jié)果一致，且反復(fù)干旱法的操作較全生育期簡便，可代替全生育期進(jìn)行鑒定[11-12]。溫琪汾等[10]對山西省谷子種質(zhì)資源進(jìn)行抗旱性鑒定，為生產(chǎn)利用篩選出6份品種，能夠達(dá)到既高產(chǎn)又抗旱且適應(yīng)性廣的要求，其中，晉谷20號(hào)是最適宜山西省干旱地區(qū)種植的高產(chǎn)抗旱品種。模擬干旱脅迫法主要使用脅迫劑PEG6000，Prasad等探索谷子苗期抗旱不同基因表達(dá)時(shí)，使用20%PEG6000來模擬干旱進(jìn)行試驗(yàn)[13]。

谷子孕穗期對干旱敏感，主要是用可溶性糖、丙二醛含量和超氧化物歧化酶活性相對值作為其孕穗期抗旱性鑒定指標(biāo)，相對葉綠素含量和相對光合速率可以作為抗旱性的光合指標(biāo)，因這些指標(biāo)與谷子的抗旱性密切相關(guān)[14]。

全生育期抗旱鑒定采用干旱池模擬干旱條件，可以用相對根冠比、相對單穗粒質(zhì)量、灌漿期光合速率、蒸騰速率指標(biāo)來鑒定谷子全生育期抗旱性，這些指標(biāo)與谷子的抗旱相關(guān)性間極顯著；其他一些指標(biāo)可以作為輔助指標(biāo)鑒定抗旱性，如相對根干質(zhì)量、相對單穗質(zhì)量、相對株高和氣孔導(dǎo)度[7，15]。

谷子的抗旱和耐旱性可以用多種形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)來評價(jià)，但是，在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中，谷子的抗旱性是靠產(chǎn)量高低來衡量，所以，產(chǎn)量是最能代表谷子抗旱性的抗旱育種指標(biāo)。孫寶成等[16]用抗旱指數(shù)作為最佳鑒定指標(biāo)，對1 200份來自國家種質(zhì)庫內(nèi)的谷子種質(zhì)進(jìn)行了抗旱性鑒定與評價(jià)，鑒定出5個(gè)不同等級(jí)的抗旱性種質(zhì)，分別有 116，242，39，385，66 份；王軍等[17]在連續(xù)自然干旱的條件下研究晉谷27的產(chǎn)量，表現(xiàn)出穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的趨勢，為抗旱品種。

3 谷子抗旱的分子水平研究

國內(nèi)外學(xué)者通過抑制性差減雜交法以干旱和澆水條件下谷子材料構(gòu)建差減文庫，鑒定EST標(biāo)簽，同時(shí)，對其中干旱誘導(dǎo)表達(dá)的基因在干旱脅迫不同時(shí)間后的表達(dá)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)抗旱品種Mar51的1 949個(gè)UniESTs中有140個(gè)ESTs受干旱逆境誘導(dǎo)表達(dá)，而37個(gè)ESTs受干旱抑制表達(dá)；而抗旱品種Prasad的327個(gè)UniESTs中有9個(gè)ESTs在干旱逆境條件下的表達(dá)量是原來的3.5倍，86個(gè)ESTs是原來的2.7倍[17-18]。

目前，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)克隆到谷子DnaJ蛋白基因（SiDnaJ）[19]、谷子干旱應(yīng)答元件結(jié)合蛋白基因（SiDREB）[20]、谷子12氧代植二烯酸還原酶基因 （SiOPR1）[21]、3- 磷酸甘油醛脫氫酶基因（GAPDH）[22]和谷子磷脂酶 D 基因（SiPLDa1）[23]的cDNA序列。DnaJ蛋白在谷子抗旱調(diào)控途徑中屬于調(diào)節(jié)蛋白，是一類重要的分子伴侶，主要針對熱休克蛋白70（Hsp70）ATP酶的活性進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)細(xì)胞受到熱休克和干旱等應(yīng)激刺激時(shí)，Hsp70-DnaJ分子伴侶配對發(fā)揮作用，維持細(xì)胞正常存活，保護(hù)植株免于凋亡[24]；谷子干旱應(yīng)答元件結(jié)合蛋白（DREB）轉(zhuǎn)錄因子參與干旱脅迫的應(yīng)答，介導(dǎo)非依賴ABA轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的滲透脅迫信號(hào)傳遞，可以與干旱應(yīng)答元件（DRE）特異結(jié)合，激活一系列靶基因的表達(dá)，DREB轉(zhuǎn)錄因子在谷子抗旱反應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[20]；谷子12氧代植二烯酸還原酶參與茉莉酸的生物合成，催化相應(yīng)底物經(jīng)過一系列還原、氧化生成茉莉酸，谷子在受到干旱脅迫后，茉莉酸作為激發(fā)子誘導(dǎo)相關(guān)防衛(wèi)基因表達(dá)，啟動(dòng)防御功能[21]；谷子3-磷酸甘油醛脫氫酶是糖酵解、糖異生及光合作用碳固定循環(huán)過程中的關(guān)鍵酶，在干旱脅迫早期高頻表達(dá)，與抗逆代謝可能存在內(nèi)在關(guān)系[22，25]；谷子磷脂酶D是一類跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)酶，干旱脅迫時(shí)能夠激活細(xì)胞膜重建防御干旱，防止細(xì)胞衰老[26]。在擬南芥中過量表達(dá)谷子磷脂酶D基因（SiPLDa1）后，轉(zhuǎn)基因植株在干旱脅迫條件下與野生型進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株具有很高的生物量和葉片相對含水量、較低的電導(dǎo)率和較高的存活率，增強(qiáng)了原本不抗旱的擬南芥的抗旱性[22]。

國外學(xué)者Prasad等利用自己的實(shí)驗(yàn)室篩選出的抗旱品種和敏感品種對谷子抗旱分子機(jī)制進(jìn)行探索，已克隆得到已知和未知的干旱誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)的基因，如14-3-3，WD-40，MIPS等。同時(shí)，對關(guān)鍵抗旱基因在不同脅迫處理下的基因表達(dá)進(jìn)行了研究，探索了關(guān)鍵基因的表達(dá)模式。

4 小結(jié)

隨著全球氣候的不斷異常變化，植物抗逆性研究越來越受到重視，植物抗旱基因研究也在不斷發(fā)展。擬南芥中有約8 000個(gè)獨(dú)立基因與逆境誘導(dǎo)相關(guān)[27]，水稻在干旱應(yīng)激條件下有5 000多個(gè)相關(guān)基因表達(dá)[28]，在其他植物中也鑒定出大量的干旱誘導(dǎo)基因，而在抗旱性極強(qiáng)的谷子中發(fā)現(xiàn)和鑒定的與干旱相關(guān)的基因屈指可數(shù)，這需要國內(nèi)外學(xué)者繼續(xù)加大對谷子抗旱性進(jìn)行研究，發(fā)掘谷子抗旱基因，深入了解谷子抗旱機(jī)制。

前人對于谷子抗旱的研究存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為研究結(jié)果集中體現(xiàn)為幾個(gè)生理性狀指標(biāo)，用幾個(gè)特定的指標(biāo)來闡明抗旱機(jī)理難以反映真實(shí)情況；同時(shí)，試驗(yàn)條件的模擬與自然界中真實(shí)的干旱情況并不一致，造成研究結(jié)果與田間實(shí)際脅迫條件不符。所以，深入探索谷子抗旱機(jī)理仍具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。

谷子全基因組測序的完成，以及基因組學(xué)和功能基因組學(xué)研究的不斷深入[29-30]，將推動(dòng)谷子抗旱基因的發(fā)掘和抗旱分子機(jī)制研究，進(jìn)而促進(jìn)分子育種、抗旱新品種的選育。

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