甜高粱耐鹽堿、寒冷、鋁毒脅迫遺傳改良研究進(jìn)展

趙文光，吳則東

甜高粱耐鹽堿、寒冷、鋁毒脅迫遺傳改良研究進(jìn)展

趙文光1，吳則東2，3*

（1.甘肅省武威市涼州區(qū)金羊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，甘肅武威733000；2.黑龍江大學(xué)農(nóng)作物研究院/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所，哈爾濱150080；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北方糖料作物資源與利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080）

綜述了甜高粱抗非生物脅迫的耐鹽堿性、耐寒冷性、耐鋁毒性的遺傳改良研究進(jìn)展，以期為我國(guó)甜高粱遺傳育種、品種改良提供參考。

甜高粱；非生物脅迫；鹽堿；寒冷；鋁毒；遺傳改良

隨著人口的增長(zhǎng)和人類對(duì)物質(zhì)需求的增加，人類對(duì)自然改造加強(qiáng)，全球不論是人類還是植物的生態(tài)生存環(huán)境越來越下降。甜高粱作為最有發(fā)展前途的能源作物，不可避免地面對(duì)生物的和非生物的脅迫。因此，增強(qiáng)甜高粱的抗逆性對(duì)于可持續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的，其中從遺傳角度培育甜高粱內(nèi)在的抗脅迫能力是根本途徑。甜高粱可用于育種的遺傳和基因組資源已具有一定基礎(chǔ)，因此有望運(yùn)用涉及傳統(tǒng)育種和分子生物學(xué)等多學(xué)科方法改良其抗性[1]。本文回顧世界上非生物脅迫中耐鹽堿性、耐寒性、耐鋁毒性的遺傳改良研究進(jìn)展，以期為我國(guó)甜高粱遺傳育種、品種改良提供參考。

1 甜高粱耐鹽堿性的遺傳改良

鹽堿脅迫影響植物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力。在高濃度的NaCl脅迫下，甜高粱其主要的生理生化過程，如光合作用、蛋白質(zhì)合成、能量和脂質(zhì)代謝被抑制；有趣的是，在甜高粱莖中的糖含量保持不變，甚至在幾個(gè)耐鹽品種中還有增加[2]。對(duì)兩個(gè)甜高粱自交系（耐鹽品系M-81E和鹽敏感品系Roma）的轉(zhuǎn)錄譜進(jìn)行分析，以研究0 mM或150 mM的NaCl脅迫下高糖含量的分子機(jī)制。鑒定的兩個(gè)品系M-81E和Roma分別為864和930個(gè)控制植物與受鹽脅迫的差異表達(dá)基因，這些基因的多數(shù)參與光合作用、固碳、淀粉和蔗糖代謝。與Roma品系相比，M-81E品系維持光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)光合電子傳遞的重要基因，受到鹽脅迫的影響較小。此外，鹽脅迫下M-81E品系，表現(xiàn)為基因編碼NADP+蘋果酸酶和蔗糖合成酶基因上調(diào)與基因編碼轉(zhuǎn)化酶下調(diào)；在Roma品系卻相反。耐鹽基因型M-81E導(dǎo)致鹽脅迫下糖含量增加的原因是：保護(hù)光合系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，提高光合產(chǎn)物的積累，促進(jìn)蔗糖合成酶的生產(chǎn)并抑制蔗糖分解[2-3]。耐鹽性強(qiáng)的M-81E抗性酶系統(tǒng)活力均比314B高，表現(xiàn)為更強(qiáng)的活性氧清除能力。314B品系在鹽堿脅迫下葉片大面積變黃，中脈厚度、株高和莖基周長(zhǎng)下降的程度均比M-81E大。用SSH方法成功構(gòu)建了蘇打鹽堿脅迫下差異表達(dá)基因的cDNA文庫(kù)。103個(gè)ESTs（81.1%）可以找到已知的同源序列，另有24個(gè)ESTs（18.9%）未獲得同源匹配。其中只有48個(gè)ESTs（占46.6%）有功能注釋，而55個(gè)ESTs（占53.4%）功能未知或?yàn)榧俣ǖ鞍住Ｔ邴}堿脅迫下，多種功能基因被誘導(dǎo)表達(dá)，涉及植物的光合作用、物質(zhì)代謝（包括碳水化合物、脂肪、氨基酸、輔酶和無機(jī)離子等）和能量代謝、細(xì)胞壁與細(xì)胞膜的組成、水通道、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子等[4]。

在遺傳水平上已培育了對(duì)外在脅迫的適應(yīng)性能力。例如，在鈉脅迫下，甜高粱高親和力鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因家族成員SbHKT1、SbHKT4，可保持最佳的Na+/K+平衡功能。耐鹽甜高粱在Na+脅迫下SbHKT1、SbHKT4表達(dá)強(qiáng)烈上調(diào)（與較好的Na+/K+平衡比相關(guān)），而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[5]。為明析種子萌發(fā)期和幼苗期耐鹽遺傳機(jī)制，以改善甜高粱耐鹽性，從Shihong 137×L-Tian的181個(gè)重組自交系（RIL）鑒定了38個(gè)耐鹽QTL。鹽脅迫下苗期6個(gè)主效QTL的表型變異超過10%[6]。這表明，甜高粱萌發(fā)期和幼苗期的耐鹽性的遺傳機(jī)制是不同的，需要做進(jìn)一步的研究，以確定甜高粱發(fā)育過程中不同的生長(zhǎng)階段耐鹽性遺傳位點(diǎn)。P5CS是脯氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶，植物體內(nèi)脯氨酸含量與P5CS基因的表達(dá)量具有相關(guān)性。在高鹽脅迫下，甜高粱根和葉中SbP5CS1～2表達(dá)量最高點(diǎn)分別在4h和8h。SbP5CS1的誘導(dǎo)量顯著高于SbP5CS2，且主要在成熟器官中表達(dá)，而SbP5CS2則在各個(gè)組織中均有表達(dá)。推測(cè)SbP5CS1可能是脅迫誘導(dǎo)基因，主要負(fù)責(zé)在逆境環(huán)境下甜高粱體內(nèi)脯氨酸的積累，而SbP5CS2可能是持家基因，主要負(fù)責(zé)植物正常生長(zhǎng)所必需的脯氨酸的供給。將SbP5CS1轉(zhuǎn)化到擬南芥，結(jié)果轉(zhuǎn)基因擬南芥具有更高的脅迫耐受性，比正常生長(zhǎng)和鹽脅迫條件下野生型積累更多的脯氨酸，說明在植物體內(nèi)超表達(dá)SbP5CS1可有效提高植物抗逆性[7]。

在不利環(huán)境中，植物啟動(dòng)一系列涉及多種蛋白激酶的信號(hào)傳導(dǎo)過程，如Ca2+蛋白激酶和蔗糖非發(fā)酵型相關(guān)激酶（SnRKs）。鈣調(diào)磷酸酶B蛋白（CBL）是一種新型的Ca2+傳感器家族，雖無蛋白激酶（CIPK）活性，卻可激活CIPKs傳遞Ca2+信號(hào)[8]。鈣調(diào)磷酸酶B蛋白（CBL）與蛋白激酶（CIPK）相互作用是特異性絲氨酸/蘇氨酸通過與CBLs相互作用將Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)，二者的相互作用轉(zhuǎn)導(dǎo)不同脅迫信號(hào)的關(guān)鍵成分。在擬南芥，CBL1和CBL9交互作用AtCIPK23調(diào)節(jié)鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AKT1，AtCIPK11則負(fù)向調(diào)節(jié)高pH脅迫[9-10]。在水稻的幼苗期，OsCIPK3、OsCIPK12和OsCIPK15基因超表達(dá)增強(qiáng)寒冷、干旱和鹽耐性[11]。玉米，ZmCBL4鹽不敏感突變體已被鑒定[12]。這些研究表明，在不同的植物中都存在CBL-CIPK途徑來應(yīng)對(duì)脅迫。在甜高粱中，已有32個(gè)CIPK基因（SbCIPKs）被鑒定了。在N端激酶域一個(gè)保守的蔗糖非發(fā)酵1（SNF1）和C端NAF基序（CBL-CIPK相互作用必需的具有保守氨基酸N、A、F的24氨基酸域）使用序列分析鑒定了所有的SbCIPK。脅迫和輕度順式作用元件在甜高粱CIPK啟動(dòng)子區(qū)也被確定了。實(shí)時(shí)PCR分析顯示甜高粱幼苗在Na2CO3脅迫下32個(gè)SbCIPK表現(xiàn)不同的表達(dá)模式。據(jù)此表達(dá)模式，6個(gè)SbCIPK1、4、11、23、26和30被強(qiáng)烈誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄，比對(duì)照表達(dá)至少高10倍。有趣的是，在正常生長(zhǎng)條件下這6個(gè)CIPKs具有不同的表達(dá)模式，但都在葉片特異表達(dá)，而SbCIPK1和SbCIPK11在苗期、拔節(jié)期和成熟期的轉(zhuǎn)錄水平較高；SbCIPK4和SbCIPK23在苗期和成熟期呈高表達(dá)；SbCIPK26在拔節(jié)期呈高表達(dá)；SbCIPK30在成熟期高表達(dá)。說明在甜高粱葉功能和堿脅迫反應(yīng)存在不同的關(guān)系。系統(tǒng)酵母雙雜交試驗(yàn)證明了多種SbCIPK和SbCBL之間特殊的相互作用關(guān)系[13]。甜高粱CBL家族基因的表達(dá)具有組織特異性，SbCBL06、SbCBL08 mRNA相對(duì)表達(dá)水平在幼葉中最高，而其他6個(gè)SbCBL基因mRNA相對(duì)表達(dá)水平均在成熟葉片中最高；SbCBL基因家族對(duì)Na2CO3脅迫響應(yīng)呈現(xiàn)出不同的表達(dá)模式，SbCBL01、SbCBL07主要在幼苗根部呈現(xiàn)持續(xù)的上調(diào)表達(dá)，SbCBL06主要在幼苗葉片中響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)大部分SbCBL均有與之對(duì)應(yīng)的受逆境脅迫誘導(dǎo)的EST序列，推斷該家族基因在抵抗逆境方面可能起重要作用。SbCBL08含有兩個(gè)EF-hand保守結(jié)構(gòu)域，其它SbCBL中均含有3個(gè)典型的EF-hand，并且在SbCBL01、SbCBL04～05和SbCBL08中具有N-豆蔻?；Y(jié)構(gòu)域（MGXXXS/T）。該家族基因啟動(dòng)子區(qū)均含有多種與逆境脅迫及植物激素相關(guān)的順式作用元件。將SbCBL01及多個(gè)能夠響應(yīng)Na2CO3脅迫的SbCIPK基因構(gòu)建到pDEST22與pDEST32載體共轉(zhuǎn)化酵母細(xì)胞，SbCBL01蛋白可能與SbCIPK24和SbCIPK30蛋白互作。已將SbCBL01基因克隆，得到6個(gè)T1代的轉(zhuǎn)基因株系[14]。

2 甜高粱耐寒冷性的遺傳改良

溫帶地區(qū)早期土壤溫度低于15℃限制甜高粱的發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)。由于春季低溫時(shí)間長(zhǎng)延長(zhǎng)了早期發(fā)育時(shí)期，因此培育甜高粱幼苗快速生長(zhǎng)是溫帶氣候一個(gè)重要的育種目標(biāo)，這將會(huì)使甜高粱種植區(qū)擴(kuò)大到溫帶和需要早種植的地區(qū)[2]。在中國(guó)，高粱地方品種，在寒冷條件下雖然其出苗率高和幼苗活力強(qiáng)，但其農(nóng)藝性狀差。甜高粱抗早期低溫性與種子發(fā)芽、出苗和生長(zhǎng)勢(shì)有關(guān)，有15個(gè)此方面的QTL已被鑒定[15-17]。Niegel為鑒定增強(qiáng)甜高粱耐寒的基因組區(qū)域，先使用CT19（耐寒）×TX430（冷敏感）雜交的220個(gè)重組自交系（RIL）群，在早期寒冷和最佳條件下由復(fù)合區(qū)間作圖法（CIM）確定QTL；用來自M81-E（冷敏感）×ISCV-700（耐寒型）的210重組自交系甜高粱對(duì)QTLs進(jìn)行驗(yàn)證。在低溫和最佳條件下測(cè)定萌發(fā)、出苗、幼苗發(fā)育和生存能力。再用差異表達(dá)研究對(duì)低溫和最佳條件下的親本和4個(gè)重組自交系（兩個(gè)耐冷、兩個(gè)冷敏感）進(jìn)行鑒定，用RNA測(cè)序檢測(cè)甜高粱基因組區(qū)域的差異表達(dá)[18]。利用分子標(biāo)記輔助選擇這些理想的基因組區(qū)域可滲入到骨干品系中以改善甜高粱早期性能。母株胚胎成熟期保存的信使RNA、蛋白和DNA的完整性質(zhì)量在萌發(fā)表型起重要的作用，含硫氨基酸代謝途徑是種子開始萌動(dòng)到發(fā)芽能夠正常進(jìn)行的一個(gè)關(guān)鍵的生化決定因素[19]。因此，寒冷脅迫下分子量對(duì)種子萌發(fā)及活力有望為種子質(zhì)量提供新的標(biāo)記，可用于育種和/或生物技術(shù)方法提高甜高粱的生物量。此外，高呼吸速率和較高的發(fā)芽率呈正相關(guān)，具有較高的呼吸速率的品種可能更抗早期低溫[20]。因此，選擇較高的呼吸速率可提高甜高粱早期活力（發(fā)芽、伸長(zhǎng)和生長(zhǎng)率）。甜高粱根莖的形成特性是遺傳的，與越冬能力是相關(guān)的。弄清楚控制越冬的遺傳機(jī)制可控制越冬來創(chuàng)造多年生甜高粱。這些越冬甜高粱類型可以擴(kuò)大生物量生產(chǎn)期并降低生產(chǎn)成本，可用于提高生物燃料的生產(chǎn)。甜高粱根莖和越冬由7個(gè)QTL控制，QTL由BTx623×S.propinquum圖譜群被鑒定，越冬后再生與根莖和分蘗有關(guān)[2，21]。

3 甜高粱耐鋁毒性的遺傳改良

在酸性土壤中，鋁溶解成離子形式（Al3+），尤其是當(dāng)土壤pH值低于5的場(chǎng)合。鋁的離子形式對(duì)植物的毒性非常大，通過抑制細(xì)胞分裂或細(xì)胞伸長(zhǎng)（或二者同時(shí)作用）限制了根的生長(zhǎng)。這樣，根對(duì)水和營(yíng)養(yǎng)的吸收就受到影響，結(jié)果植株的生長(zhǎng)發(fā)育就受到嚴(yán)重阻礙。因此，鋁的毒性是熱帶和亞熱帶地區(qū)甜高粱生產(chǎn)的主要限制因素[2，22]。除了自然發(fā)生的酸性土壤，農(nóng)業(yè)活動(dòng)也可能降低土壤pH值，由于鋁的毒性導(dǎo)致產(chǎn)量損失。闡明甜高粱耐鋁性的遺傳和分子機(jī)制有望促進(jìn)耐鋁品種的培育。利用定位克隆方法，得到了一個(gè)鋁誘導(dǎo)檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的編碼基因MATE（多藥物和有毒化合物排出家族），被確定為甜高粱的耐鋁主效位點(diǎn)AltSB在3號(hào)染色體上[23]。這些標(biāo)記很快就被育種家將最有利的等位基因SbMATE整合到甜高粱種質(zhì)資源，目前正在酸性土壤中進(jìn)行測(cè)試。類似的結(jié)果在玉米ZmMATE1的表達(dá)得到證實(shí)，通過3份的靶基因或由一個(gè)未知的分子機(jī)制控制的，調(diào)解耐鋁性的QTL定位于6號(hào)染色體上（qALT6）[24]。在AltSB調(diào)控區(qū)多態(tài)性可能對(duì)多數(shù)等位基因產(chǎn)生影響，在耐性基因型根尖中AltSB的表達(dá)增強(qiáng)了。此外，可誘導(dǎo)鋁AltSB的表達(dá)與通過增強(qiáng)根中檸檬酸滲出而誘導(dǎo)耐鋁性。這些信息可以讓科學(xué)家鑒定優(yōu)良的AltSB單倍型，可通過分子育種和生物技術(shù)等手段納入到酸性土壤育種計(jì)劃，從而有助于酸性土壤為主的發(fā)展中國(guó)家提高作物產(chǎn)量[23]。

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Research Progress on Genetic Improvement of Sweet Sorghum Tolerance to Salt-alikali,Cold and Aluminum Toxicity Stress

ZHAO Wen-guang1,WU Ze-dong2,3*
(1.Agricultural Technology Service Station of Jinjiang Town,Liangzhou District,Wuwei,Gansu 733000;2.Crop Academy of Heilongjiang University/Sugar Beet Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080;3.Key Laboratory of North Sugar Crop Resource and Utilization,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080)

The research progress on genetic improvement of sweet sorghum tolerance to abiotic stress,such as salt-alkali,cold and aluminum toxicity stress were reviewed,in order to provide references for genetic breeding and strain improvement of sweet sorghum in China.

sweet sorghum;abiotic stress;salt-alkali;cold;aluminum toxicity;genetic improvement

S435.665

：B

：1007－2624（2017）03－0060－03

10.13570/j.cnki.scc.2017.03.022

2017-02-05

趙文光（1979-），甘肅武威人，農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣、蔬菜病蟲害防治、蔬菜栽培、溫室管理工作。

吳則東（1972-），男，黑龍江依蘭人，副研究員，博士，從事作物遺傳及分子育種研究。E-mail：331056376@qq.com