谷子抗旱研究進展

張雁明，劉曉東，馬建萍，溫琪汾，韓淵懷

（1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801；2.農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質創(chuàng)制重點實驗室，山西太原030031；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，山西太原030031；4.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(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，葉片細窄，水分利用率高，蒸騰系數(shù)小[1]，因此，耐旱性強。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?。▍^(qū)）[2]，這些地區(qū)都面臨著嚴重的干旱問題。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)地下水已嚴重超采，一些地區(qū)已出現(xiàn)地面下沉、河水斷流的現(xiàn)象[3]。日益嚴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，谷子抗旱相關基因研究較少，難以闡明抗旱的分子機制。同時，谷子也并不是在任何時期都抗旱，萌發(fā)期遇干旱就會明顯推遲種子的萌發(fā)時間，降低種子萌發(fā)率，延緩植株生長；孕穗期如遇干旱則會出現(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理進行研究，探索干旱敏感時期的基因表達，明確谷子抗旱的分子機制，進而為分子育種提供依據(jù)。

1 植物抗旱的分子機制

植物遭遇干旱脅迫時，細胞能夠感受并傳遞干旱刺激，通過3個步驟對干旱做出反應：（1）感知并傳遞干旱脅迫信號；（2）誘導相關基因的表達與調(diào)控；（3）通過基因產(chǎn)物的保護措施，最終實現(xiàn)對干旱的適應或抗性。

植物對干旱信號的傳遞和轉導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，一方面組織會產(chǎn)生大量的應激激素脫落酸，通過相應的途徑激活相應的蛋白激酶，然后活化相關的轉錄因子，隨之誘導相關基因表達，致使基因產(chǎn)物積累，最終做出抗旱反應；另一方面干旱脅迫不通過ABA介導，直接被細胞膜上的滲透感受器所感知，激發(fā)信號傳遞，激活相應蛋白激酶，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。相對應的基因產(chǎn)物也有2類：一類是功能蛋白，直接保護植物免受干旱損傷，包括水通道蛋白和合成滲透調(diào)節(jié)物質的關鍵酶等；另一類是調(diào)節(jié)蛋白，在信號傳遞和基因表達中起調(diào)節(jié)作用，例如轉錄因子和蛋白激酶等[6]。

2 谷子抗旱鑒定的方法和指標

日益嚴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更為迫切，在萌發(fā)期和苗期鑒定耐旱的方法和指標已有報道[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、存活率等指標進行測定，但到目前為止，對于滲透劑濃度與鑒定指標的選擇并沒有統(tǒng)一的標準。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干旱法和模擬干旱脅迫法。反復干旱法以反復干旱后的平均存活率作為評價抗旱性依據(jù)，評價標準分為5級：一級為高度抗旱，存活率在80%以上；二級為抗旱，存活率為70%～80%；三級為中抗，存活率為50%～70%；四級為低抗，存活率為40%～50%；五級為不抗，存活率在40%以下[10]。通過對苗期反復干旱法與全生育期鑒定谷子品種資源的耐旱性比較，證實反復干旱法的鑒定結果與全生育期鑒定結果一致，且反復干旱法的操作較全生育期簡便，可代替全生育期進行鑒定[11-12]。溫琪汾等[10]對山西省谷子種質資源進行抗旱性鑒定，為生產(chǎn)利用篩選出6份品種，能夠達到既高產(chǎn)又抗旱且適應性廣的要求，其中，晉谷20號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時，使用20%PEG6000來模擬干旱進行試驗[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，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，因這些指標與谷子的抗旱性密切相關[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、相對單穗粒質量、灌漿期光合速率、蒸騰速率指標來鑒定谷子全生育期抗旱性，這些指標與谷子的抗旱相關性間極顯著；其他一些指標可以作為輔助指標鑒定抗旱性，如相對根干質量、相對單穗質量、相對株高和氣孔導度[7，15]。

谷子的抗旱和耐旱性可以用多種形態(tài)指標和生理指標來評價，但是，在具體的生產(chǎn)實踐中，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。孫寶成等[16]用抗旱指數(shù)作為最佳鑒定指標，對1 200份來自國家種質庫內(nèi)的谷子種質進行了抗旱性鑒定與評價，鑒定出5個不同等級的抗旱性種質，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建差減文庫，鑒定EST標簽，同時，對其中干旱誘導表達的基因在干旱脅迫不同時間后的表達量進行研究，發(fā)現(xiàn)抗旱品種Mar51的1 949個UniESTs中有140個ESTs受干旱逆境誘導表達，而37個ESTs受干旱抑制表達；而抗旱品種Prasad的327個UniESTs中有9個ESTs在干旱逆境條件下的表達量是原來的3.5倍，86個ESTs是原來的2.7倍[17-18]。

目前，國內(nèi)學者已經(jīng)克隆到谷子DnaJ蛋白基因（SiDnaJ）[19]、谷子干旱應答元件結合蛋白基因（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酶的活性進行調(diào)節(jié)，當細胞受到熱休克和干旱等應激刺激時，Hsp70-DnaJ分子伴侶配對發(fā)揮作用，維持細胞正常存活，保護植株免于凋亡[24]；谷子干旱應答元件結合蛋白（DREB）轉錄因子參與干旱脅迫的應答，介導非依賴ABA轉導途徑的滲透脅迫信號傳遞，可以與干旱應答元件（DRE）特異結合，激活一系列靶基因的表達，DREB轉錄因子在谷子抗旱反應中發(fā)揮著至關重要的作用[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)子誘導相關防衛(wèi)基因表達，啟動防御功能[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)過程中的關鍵酶，在干旱脅迫早期高頻表達，與抗逆代謝可能存在內(nèi)在關系[22，25]；谷子磷脂酶D是一類跨膜信號轉導酶，干旱脅迫時能夠激活細胞膜重建防御干旱，防止細胞衰老[26]。在擬南芥中過量表達谷子磷脂酶D基因（SiPLDa1）后，轉基因植株在干旱脅迫條件下與野生型進行對比，結果發(fā)現(xiàn)，轉基因植株具有很高的生物量和葉片相對含水量、較低的電導率和較高的存活率，增強了原本不抗旱的擬南芥的抗旱性[22]。

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

4 小結

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個獨立基因與逆境誘導相關[27]，水稻在干旱應激條件下有5 000多個相關基因表達[28]，在其他植物中也鑒定出大量的干旱誘導基因，而在抗旱性極強的谷子中發(fā)現(xiàn)和鑒定的與干旱相關的基因屈指可數(shù)，這需要國內(nèi)外學者繼續(xù)加大對谷子抗旱性進行研究，發(fā)掘谷子抗旱基因，深入了解谷子抗旱機制。

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

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

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