基礎研究提升傳統作物谷子和黍稷的科研創新水平

刁現民

（中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081）

·專題導讀·

基礎研究提升傳統作物谷子和黍稷的科研創新水平

刁現民

（中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081）

谷子（Setaria italica Beauv.）和黍稷（Panicum miliaceum L.）是中國起源的古老農作物，栽培歷史超過8 000年，粟（谷子）、黍（黍稷、糜子）、稻（水稻Oryza sativa L.）、麥（小麥Triticum aestivum L.）、菽（大豆Glycine max (Linn.) Merr.）被稱為中國傳統農耕文明的“五谷”[1-2]，而谷子和黍稷在“五谷”中位列重要位置，可見這兩種作物對中華文明發展的重要性。考古學證據的積累證明，黍稷的馴化早于谷子，在8 000以前的新石器時代黍稷就已經在黃河流域廣泛栽培；而谷子的馴化略晚于黍稷，在距今6 000—7 000年前被廣泛栽培。已有證據表明，這兩個作物均起源于中國北方的黃河流域，在水稻尚未傳到北方，小麥尚未引入中國的農耕文化形成早期，對中華文明的形成起到了決定性作用，因此，谷子和黍稷被譽為中華民族的哺育作物[3-4]，數千年來它們一直是中國北方旱作生態農業的主栽作物。隨著小麥的引入特別是玉米（Zea mays L.）和甘薯（Dioscorea esculenta (Lour.) Burkill）引入中國后，谷子和黍稷的栽培面積逐漸減小，但仍然在旱作農業中占有重要地位，是干旱半干旱地區的主要作物。谷子黍稷均抗旱性突出，早在1927年，美國學者SHANTZ等[5]研究證明谷子和黍稷是禾谷類作物中水分利用效率最高的環境友好作物。隨著世界范圍的水資源減少和生態環境日益惡化，以及對水肥高消耗主栽作物所存在的環境惡化問題認識的加深，大家重新認識到谷子和黍稷在環境友好型可持續農業中的重要性，特別是谷子和其近緣野生種青狗尾草（Setaria viridis），因其小的二倍體基因組和易于實驗室操作的株型，正在迅速發展成為世界廣泛關注的抗旱耐逆研究和C4光合作用研究的模式作物[6-7]。

由于谷子和黍稷只是北方旱作區的區域經濟重要作物，研究投入和團隊力量有限，這兩個作物的基礎研究同主要農作物水稻、玉米、小麥相差很遠，在國家級刊物上發表的正規論文一年也沒有幾篇，基礎研究極為薄弱。在國家產業技術體系、國家科技支撐計劃和國家自然科學基金的資助下，谷子和黍稷的基礎研究有了顯著提升。谷子野生祖先青狗尾草、農家品種和育成品種的群體結構得到了解析[8-11]，促進了谷子和黍稷資源研究和育種水平的提升。《中國農業科學》本期以谷子黍稷專題形式發表谷子和黍稷基礎研究的5篇文章，報道了從品種資源多樣性、抗旱耐逆、營養高效和主要病害抗性資源鑒定等方面的工作進展，說明中國谷子和黍稷的基礎研究近年來已有較大的起色。

中國有著豐富的黍稷資源，雖然已構建了黍稷的核心種質[12]，并且也開展了一些資源的多樣性研究和分類，但主要是依據農藝表型性狀[13]，覆蓋較廣范圍資源基于基因組變異的遺傳多樣性分析尚未見報道。本期專題發表的連帥等作者利用SSR標記對黍稷資源多樣性的研究，分析了來自國內外的192份黍稷地方品種和野生種質，資源的地理來源廣泛；所用SSR標記覆蓋整個基因組，較全面地解析了黍稷基因組變異的本底，基本清楚了10個地理群黍稷資源的遺傳關系。該工作對于黍稷資源管理、育種和遺傳研究雜交組合配置，以及黍稷的起源分析有重要參考價值。黑穗病是黍稷的最主要病害，本期發表的周瑜等作者的工作，不僅為讀者提供了黍稷黑穗病抗性鑒定的新結果，更給出了抗病品種和感病品種在接種病菌后的苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）等活性變化，得出了拔節期和灌漿期PAL活性、抽穗期和灌漿期抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）活性、抽穗期谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）活性、灌漿期的還原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）等在抗病品種和感病品種間存在顯著差異，可作為鑒定黍稷對黑穗病抗性的生理生化指標的結果，這對黍稷抗病育種和資源鑒定有重要參考意義，是對黍稷資源抗黑穗病鑒定[14]研究的發展和深入。

谷子是公認的抗旱耐逆營養高效作物，傳統的谷子抗旱耐逆研究主要是資源的抗旱耐鹽鑒定[15-16]，雖然近年來發表了幾篇抗旱相關QTL發掘和表達分析的文章[17-18]，但從單基因水平分析的研究還很少。本期谷子糜子專題發表了秦玉海等在谷子耐逆相關基因SibZIP42轉錄因子的功能分析研究結果，證明SibZIP42轉基因擬南芥株系相對于野生型在種子萌發時期耐鹽性顯著提高，在種子萌發后期SibZIP42轉基因株系相比于野生型對ABA處理的敏感性增強，說明SibZIP42可能是通過ABA信號途徑正向調控植物的耐鹽性。《中國農業科學》本期發表的陳二影等利用79個夏谷品種對苗期氮素利用效率分析，發現不同谷子品種苗期氮效率差異顯著，且西北春谷類型品種間氮素吸收效率差異最大，華北夏谷類型品種間氮素利用效率差異最大，為深入研究谷子的氮素營養機理和克隆氮素營養高效相關基因提供了基礎，也是在谷子營養高效資源鑒定方面的首篇文章。谷瘟病是谷子的主要病害，而且近年來有愈發嚴重的趨勢[19]，本期谷子黍稷專題發表的李志江等作者在谷瘟病方面的工作不僅鑒定出了多個高抗谷瘟病的抗源品種，而且構建了谷瘟病菌生理小種鑒別的谷子標準品種體系，對今后的谷瘟病小種鑒定和谷子不同產區小種類型分析和抗病育種與栽培有指導意義。

作為中國最早馴化的作物，谷子和黍稷是中國傳統農耕文化的重要載體作物。谷子和黍稷的抗旱耐逆性強，合成干物質需水少[5]，被稱為應對未來日益干旱環境的戰略儲備作物和環境友好作物[20]。近年來，谷子和野生祖先青狗尾草正在迅速發展成為禾谷類耐逆和C4光合作用研究新的模式作物[6]，這些都增加了谷子和黍稷的世界關注度。中國是谷子和黍稷的遺傳多樣性中心，擁有最豐富的遺傳資源[2]，也是世界上谷子和黍稷栽培面積最大的國家，中國的谷子和黍稷基礎研究理應走在國際前列，為國家糧食安全和農作物及膳食多樣性發展作出貢獻。谷子方面中國的基礎研究進展已獲得國際高度關注，并于2014年在北京召開了首屆國際谷子遺傳學會議[6]。《中國農業科學》本期谷子黍稷專題發表的5篇文章，必將進一步促進谷子和黍稷的基礎研究工作，提升中國在相關領域的國際競爭力。

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Basic Research Promoting Scientific Innovation for Traditional Chinese Cereals, Foxtail Millet and Common Millet

DIAO Xian-min
(Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)