作物抗旱基因研究進展及在馬鈴薯抗旱種質(zhì)創(chuàng)新中的應(yīng)用

王曉斌，胡開明，范阿琪，趙鋒，張俊蓮，王蒂，白江平

（1.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅蘭州730070）

作物抗旱基因研究進展及在馬鈴薯抗旱種質(zhì)創(chuàng)新中的應(yīng)用

王曉斌1，2，胡開明1，2，范阿琪1，2，趙鋒1，2，張俊蓮1，3，王蒂1，2，白江平1，2

（1.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅蘭州730070）

整理并分析了近年來已經(jīng)公開發(fā)表的68個抗旱相關(guān)基因，其中包括轉(zhuǎn)錄因子，以及提高滲透物質(zhì)積累，具有解毒和抗氧化脅迫，控制作物生物大分子合成的基因，并對這些基因在作物抗旱中的作用機理及應(yīng)用進展進行了分析。得出轉(zhuǎn)錄因子主要是通過激活或者抑制下游與干旱相關(guān)基因的表達，與滲透調(diào)節(jié)相關(guān)的基因主要是維持細胞內(nèi)外滲透平衡，具有解毒和抗氧化脅迫的基因主要是通過清除活性氧的積累，與生物大分子合成有關(guān)的基因主要在逆境中可以產(chǎn)生一些逆境蛋白，從而提高作物耐逆性。同時整理并分析了利用基因工程改良馬鈴薯種質(zhì)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題。

作物；抗旱基因；功能基因；馬鈴薯；種質(zhì)

作物生長發(fā)育會受到各種生物脅迫與非生物脅迫的影響，生長發(fā)育受到抑制以及導(dǎo)致產(chǎn)量下降［1－2］。植物在長期進化過程中，產(chǎn)生了以適應(yīng)或抵御生物與非生物脅迫對植物體所造成傷害的能力，如通過脯氨酸和可溶性糖含量積累來響應(yīng)滲透性脅迫［1］。近年來，伴隨著分子生物學和生物技術(shù)的發(fā)展，植物抗旱機制的研究也不斷深入，已在水分代謝、物質(zhì)代謝、滲透調(diào)節(jié)和活性氧清除等方面取得了一定成果。尤其是隨著基因芯片和轉(zhuǎn)錄組學的發(fā)展，與植物干旱應(yīng)答響應(yīng)相關(guān)的基因已被大量發(fā)現(xiàn)，包括一些調(diào)控基因和可以提高滲透物質(zhì)積累、增加生物大分子的合成、能夠增強活性氧清除能力以及可以增強與植物抗旱有關(guān)酶合成的功能基因。

隨著全球氣溫升高和降雨量的減少，要求作物品種必須適應(yīng)干旱和高溫的生長條件，選育具有良好抗旱能力的作物新品種已變得十分重要。作物抗旱品種選育一般有兩條途徑：一是通過傳統(tǒng)育種方法選育；二是通過直接導(dǎo)入抗旱基因來提高抗旱性，進而選育抗旱品種。目前已經(jīng)有大量與抗旱有關(guān)的信號分子、轉(zhuǎn)錄因子和功能基因已成功轉(zhuǎn)入到植物中，并提高了植物的耐旱性。

馬鈴薯作為世界第四大作物，也是我國北方地區(qū)的主要栽培作物，近年來馬鈴薯的種植面積和區(qū)域有增加的趨勢，但是主要集中在干旱和半干旱地區(qū)，而這些地區(qū)降雨量少，水資源短缺，蒸發(fā)量大，因此干旱已成為該區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)的主要限制因素，所以加強馬鈴薯抗旱性研究、選育抗旱品種成為該區(qū)馬鈴薯研究的重要方向之一。

本文整理并分析了近年來已發(fā)表的并通過轉(zhuǎn)化驗證的可以提高植物抗旱性的功能基因以及轉(zhuǎn)錄因子，如提高滲透物質(zhì)積累、具有解毒和抗氧化脅迫及控制植物生物大分子合成的功能基因等及其應(yīng)用現(xiàn)狀，為今后創(chuàng)制適于半干旱地區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用的馬鈴薯抗旱新材料和新品種選育提供科學依據(jù)。

1 植物抗旱有關(guān)基因的研究現(xiàn)狀

根據(jù)Abraham Blum［3］的報道，目前已經(jīng)在487種植物中發(fā)現(xiàn)了104個與植物抗旱有關(guān)的基因，而通過轉(zhuǎn)化實驗驗證，在擬南芥和主要農(nóng)作物中與抗旱有關(guān)的基因有68個（表1）。

在擬南芥中現(xiàn)已證實可以提高抗旱的基因有15種，其中絕大數(shù)是轉(zhuǎn)錄因子，屬于功能基因的較少。水稻中可以增強抗旱能力的基因有14個，其中轉(zhuǎn)錄因子5個，其余為功能基因，Yuka Kitomi等［4］研究表明，干旱脅迫可誘導(dǎo)DRO1功能基因的表達，使得水稻根系伸長和根在地下的空間分布變大，也可誘導(dǎo)ZFP252［5］功能基因的表達，可以消除活性氧積累，使水稻抗旱性增強；小麥中與抗旱有關(guān)的基因有9個，其中4個為DREB類和NAC類轉(zhuǎn)錄因子，其余為功能基因；大麥中發(fā)現(xiàn)HvCBF4可以提高其抗旱能力［6］；玉米中找到與植物抗旱有關(guān)的基因7個，ZmbZIP72［7］和ZmDREB2A［8］屬于轉(zhuǎn)錄因子，其余為功能基因，主要與ABA途徑有關(guān)；棉花中主要與抗旱有關(guān)的基因是DREB類轉(zhuǎn)錄因子和MPK（促分裂原蛋白激酶）類基因；大豆中可以提高其抗旱能力的基因主要是轉(zhuǎn)錄因子類和GST（谷胱甘肽S－轉(zhuǎn)移酶）等功能基因；目前，在馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)與抗旱有關(guān)的基因僅有SnRK2、WRKY1和DREB1，相對而言，花生、番茄、辣椒和西瓜等作物抗旱基因的發(fā)掘還比較少。

表1 擬南芥與主要農(nóng)作物中與抗旱有關(guān)的基因Table 1 The drought tolerantgene in Arɑbidopsis thɑliɑnɑand crops

2 植物抗旱基因的分類與作用機理

根據(jù)抗旱基因在植物體中發(fā)揮的作用不同，可以將抗旱基因分為功能基因和調(diào)控基因，其中功能基因主要包括滲透調(diào)節(jié)基因、具有解毒和抗氧化脅迫的基因和生物大分子合成基因以及激活蛋白激酶活性的功能基因，調(diào)控基因包括MYC／MYB、DREB、WRKY、bZIP和NAC類調(diào)控因子。

2.1 植物抗旱基因的聚類分析

通過聚類分析可以推測未知基因的功能，為抗旱基因的挖掘以及抗旱品種的選育提供科學依據(jù)。Abraham Blum等［3］收集整理，目前已在擬南芥和主要作物中發(fā)現(xiàn)78個基因可以增強植物抗旱性，根據(jù)這些基因的作用機理，可將其分為兩大類，即功能基因和調(diào)控基因，功能基因編碼的蛋白質(zhì)對逆境中的植物直接起保護作用，調(diào)控基因編碼的蛋白質(zhì)在信號傳導(dǎo)途徑和對逆境脅迫基因表達過程中起調(diào)控作用。利用MEGA5.05對68個調(diào)控基因和功能基因的編碼序列分別進行聚類分析（圖1，圖2）。

圖1 植物抗旱相關(guān)調(diào)控基因的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of plant drought-tolerant related regulatory genes

圖2 與植物抗旱相關(guān)功能基因的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of plant drought-tolerant function gene

聚類結(jié)果（圖1）表明，這些調(diào)控基因可以聚為兩大類（順時針方向），第一大類調(diào)控基因主要是三大轉(zhuǎn)錄因子家族NAC、AP2／ERF和TFIIIA－type zinc finger和bZIP家族，其中AP2／ERF占絕大數(shù)。又可以分為4個小類，即AtNAC6到TɑNAC6；TɑDREB3到ZmCBF3；GmDREB2到TɑDREB3C；GhDREB3到StCBF3；以及OsNAC69、ZmbZIP72、OsWRKY11、Os-ZFP252、TɑDREB2和AtDREB3。其中，NAC家族屬于ABA依賴型，主要控制氣孔關(guān)閉，調(diào)節(jié)細胞膜內(nèi)外滲透壓相對平衡以及誘導(dǎo)生物大分子的合成；AP2／ERF家族主要調(diào)控氣孔的關(guān)閉和脯氨酸含量的積累；TFIIIA－type zinc finger家族的調(diào)控基因主要是誘導(dǎo)脯氨酸和可溶性糖含量的積累；bZIP家族屬于ABA依賴型，然而bZIP72和ZFP252屬于bZIP家族的調(diào)控因子，ZFP252主要是通過調(diào)控脯氨酸和可溶性糖的積累來增強植物的抗旱能力。第二大類主要包括AREB、WRKY和MYB家族的調(diào)控基因，其功能主要是通過減少葉片的萎蔫和水分的丟失，以及增加氣孔的密度和調(diào)節(jié)氣孔的開閉提高植物的耐受性。

圖2顯示提高植物抗旱能力的功能基因可以聚為五大類（從順時針方向看），即第一類StSnRK2.2到TɑRLK；第二類AtCKI1到Tɑsrg6；第三類ZmCKI1到ZmABP9；第四類GsGST到GbRLK；第五類GhMPK16到GhMPK3。第一類主要是擬南芥、馬鈴薯和棉花中的SnRK2家族基因，該家族的基因主要通過減少葉片水分散失，增加葉片的相對含水量，從而提升植物細胞對逆境的忍受能力；而該類中CDPK家族的基因主要是通過下游的調(diào)節(jié)途徑，增加植物對冷、干旱的忍受能力；第二類主要是擬南芥、水稻、小麥和棉花中的可以提高抗旱能力的功能基因，可以被ABA和干旱所誘導(dǎo)；第三類主要是ABP和ABI5類基因，與bZIP調(diào)控因子有著密切聯(lián)系。ABP（abscisic acid（ABA）－responsive element binding protein）主要是通過根系伸長和氣孔關(guān)閉促進植物保水能力的提高，ABI5（ABA－insensitive 5）屬于ABA非敏感性基因，在逆境脅迫中起到負調(diào)控作用；第四類主要是RLK（receptor－like protein kinases）和GST（glutathione S－transferase）二類基因，RLK主要是通過ABA途徑減少植物體內(nèi)水分丟失，從而增強植物的抗旱能力，GST通過激活谷胱甘肽S－轉(zhuǎn)移酶的活性，促使植物根系的伸長和延緩生長發(fā)育來提高植物的耐受性；最后一類主要是MPK（mitogen－activated protein kinase）基因，通過增加抗氧化酶的活性，減少或清除活性氧的積累，增加脯氨酸含量和減少水分的丟失來增強植物的耐旱性。

2.2 植物抗旱基因的作用機理分析

植物受到干旱脅迫會誘導(dǎo)產(chǎn)生多種不良反應(yīng)，如滲透壓的改變，活性氧的積累，因此植物體必須迅速啟動對這些不良反應(yīng)的應(yīng)答才能存活下來。根據(jù)徐立明，Yang［62］等的研究，植物對干旱脅迫應(yīng)答主要是通過滲透調(diào)節(jié)、活性氧清除、生物大分子物質(zhì)的合成以及新陳代謝的改變來實現(xiàn)（圖3）。滲透調(diào)節(jié)主要是通過增加細胞溶質(zhì)濃度，降低滲透勢，保持膨壓，維持細胞中的水分平衡和細胞各種生理活動的正常進行；干旱脅迫會引起植物細胞膜及內(nèi)膜系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生顯著改變，導(dǎo)致植物體內(nèi)積累大量的活性氧，植物在長期進化過程中形成可以清除活性氧積累的小分子物質(zhì)；植物生長在水分短缺的環(huán)境中，體內(nèi)生物大分子蛋白合成和合成速率減少，體內(nèi)原有的一些蛋白質(zhì)的合成受到抑制，與此同時植物體會合成一些新蛋白質(zhì)（即逆境誘導(dǎo)蛋白），如胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白、水通道蛋白和滲調(diào)蛋白，逆境誘導(dǎo)蛋白對處于逆境中的植物起保護作用，可以提高植物耐逆境的能力；干旱脅迫對植物新陳代謝的影響主要是影響植物體的光合作用和氣孔開閉和密度。

圖3 干旱脅迫下的遺傳路徑Fig.3 A genetic pathway under drought stress

2.2.1 調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄因子又稱反式作用因子（Trans－acting factor）是指可以結(jié)合在某基因上游特異核苷酸序列上的蛋白質(zhì)，從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子根據(jù)其表達特點的不同可以分為兩種，一種是組成型轉(zhuǎn)錄因子，在任何時候都可以表達；另一種是誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子，只有逆境脅迫才可誘導(dǎo)其表達，進而誘導(dǎo)其下游功能基因的表達。干旱脅迫可以誘導(dǎo)植物體內(nèi)的組成型轉(zhuǎn)錄因子被磷酸化所激活，通過信號傳導(dǎo)以及蛋白激酶磷酸化和去磷酸化的級聯(lián)反應(yīng)進而誘導(dǎo)下游基因的表達，提高植物的耐旱性。轉(zhuǎn)錄因子在植物干旱脅迫中發(fā)揮極其重要作用，植物體內(nèi)含有大量的轉(zhuǎn)錄因子。目前研究發(fā)現(xiàn)可以響應(yīng)并提高植物抗旱性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子有MYC／MYB、DREB、WRKY、bZIP和NAC。

（1）MYB／MYC類轉(zhuǎn)錄因子

MYB／MYC類轉(zhuǎn)錄因子是植物轉(zhuǎn)錄因子中最大一個家族，是一類主要依賴于ABA調(diào)控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄因子［63］。現(xiàn)已報道MYB／MYC能夠廣泛參與植物的多種反應(yīng)，如植物的次生代謝、生長發(fā)育、細胞形態(tài)發(fā)生、植物生長的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、生物和非生物脅迫應(yīng)答，但MYB／MYC類轉(zhuǎn)錄因子與植物抗逆相關(guān)性研究較少。水稻MYB3R－2基因的表達可以增強擬南芥對于干旱的適應(yīng)性［64］，而擬南芥中的AtMYB60和AtMYB44［9］可以提高抗旱基因的表達，能夠有效調(diào)節(jié)氣孔的運動，減小氣孔開放和水分散失。

（2）DREB類轉(zhuǎn)錄因子

DREB（dehydration response element block）類轉(zhuǎn)錄因子是AP2／ERF類基因家族中的一員，是一類對干旱起應(yīng)答反應(yīng)的結(jié)合蛋白，在干旱脅迫下可以調(diào)控多個與抗旱有關(guān)基因表達。對于DREB類轉(zhuǎn)錄因子研究最早的是Stockinger［65］，他們從擬南芥的cDNA文庫中分離得到可以編碼DREB蛋白的CBF1和DREB1A。到目前為止對于DREB研究已深入到小麥、水稻、玉米、馬鈴薯等多種作物中，其中擬南芥的DREB1在水稻中超量表達可以增加水稻的抗旱能力；大豆的GmDREB2［17］在擬南芥中也可以得到表達，并且可以通過增加葉片中脯氨酸含量來增強植物對于干旱的適應(yīng)性。擬南芥的DREB2A、棉花的GhDREB［19］可以在轉(zhuǎn)基因小麥中表達并改善小麥對于逆境的適應(yīng)；小麥中的TɑDREB2和TɑDREB3［16］可以避免逆境對植物的損害；玉米的ZmDREB2A［8］基因主要是通過控制與LEA合成有關(guān)基因來提高植物抗旱性。

（3）WRKY類轉(zhuǎn)錄因子

WRKY類轉(zhuǎn)錄因子是目前研究最多的一類轉(zhuǎn)錄因子，主要通過控制WRKY蛋白與啟動子W－Box區(qū)域的特異性結(jié)合來調(diào)控基因表達，生物脅迫和非生物脅迫可以誘導(dǎo)WRKY類轉(zhuǎn)錄因子的表達調(diào)控，目前對于WRKY類轉(zhuǎn)錄因子的研究主要集中在對植物生長發(fā)育過程中調(diào)控以及在生物與非生物脅迫下的調(diào)控作用［66］?，F(xiàn)已報道多個WRKY類轉(zhuǎn)錄因子參與了植物的抗旱響應(yīng)，在水稻中熱處理可以誘導(dǎo)OsWRKY11基因的過量表達使得水稻萎蔫的葉片慢慢變綠，可以減少葉片水分丟失，增強抗旱性，存活率提高［21］；Luo等［67］將野生大豆中的GsWRKY20基因?qū)氲綌M南芥中，其主要是通過控制氣孔的閉合和氣孔的密度來提高植株對干旱的耐受性；Okay等［68］研究發(fā)現(xiàn)在小麥中存在著多個WRKY的基因，包括TɑWRKY16、Tɑ－WRKY17、TɑWRKY19－C、TɑWRKY24、TɑWRKY59、TɑWRKY61和TɑWRKY82，這些基因都與小麥抗旱等多種抗逆性有著密切聯(lián)系。

（4）bZIP類轉(zhuǎn)錄因子

堿性亮氨酸拉鏈（basic region／leucine zippermotif，bZIP）類轉(zhuǎn)錄因子是目前研究最多的轉(zhuǎn)錄因子基因之一，在植物抗病、抗旱、抗寒和抗鹽等發(fā)面發(fā)揮著重要的作用。Ying等［69］發(fā)現(xiàn)玉米的ZmbZIP72基因主要是通過減少葉片水分丟失，增加脯氨酸積累，減少滲透物質(zhì)外滲以及增加植物在逆境下的存活率來提高擬南芥的抗旱性，同時在水稻中也發(fā)現(xiàn)bZIP72［70］可提高水稻干旱的耐受力；Gao等［71］研究發(fā)現(xiàn)大豆GmbZIP1基因可以提高大豆的抗旱性，主要是通過控制ABA和氣孔的開閉來實現(xiàn)。

（5）NAC類轉(zhuǎn)錄因子

NAC類轉(zhuǎn)錄因子是植物所特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，在植物生長發(fā)育、側(cè)根和分生組織形成，激素調(diào)節(jié)和抵抗逆境脅迫等方面發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)已研究表明，NAC類轉(zhuǎn)錄因子參與干旱、高鹽應(yīng)答基因表達，在植物抗旱、高鹽等非生物脅迫中發(fā)揮重要作用［72］。目前已報道在水稻中含有3個與抗旱相關(guān)的基因OsNAC6／SNAC2［5］和ONAC045［73］；Xue等［31］證實TɑNAC69基因可以增加小麥的抗旱性。

2.2.2 功能基因植物在受到逆境脅迫時通過誘導(dǎo)一些可以改變細胞內(nèi)外滲透壓，清除活性氧積累以及合成一些可以提高植物抗旱能力的生物大分子功能基因的表達以及激活蛋白激酶基因的表達。

（1）滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因

植物體在受到干旱脅迫時，可誘導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達，參與植物主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、可溶性糖、甜菜堿和甘露醇含量的增加。

①脯氨酸合成酶相關(guān)基因

植物長期處于干旱脅迫環(huán)境中，會引起體內(nèi)脯氨酸含量的增加。脯氨酸含量的積累不僅對植物質(zhì)膜起到保護性作用，而且脯氨酸的偶極性可以保護膜蛋白結(jié)構(gòu)的完整性，從而減少植物體內(nèi)水分丟失。截至當前發(fā)現(xiàn)能夠增加脯氨酸含量的基因包括P5CS［74］、hrf1［44］、以及MtCɑMP1［75］，它們具有相似的功能，都能夠在干旱脅迫下促進脯氨酸的積累，從而達到抗旱目的。

②可溶性糖合成酶相關(guān)基因

植物處于干旱脅迫時，體內(nèi)可溶性糖含量會大量積累?？扇苄蕴堑姆e累可以降低細胞的滲透勢，對細胞內(nèi)酶活性起到一定保護作用。AtCBF4是促進植物體內(nèi)可溶性糖含量積累和增強植物抗旱性的主要基因。AtCBF4是在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，并將其成功地轉(zhuǎn)入到大豆中，發(fā)現(xiàn)大豆植株在受到干旱脅迫時細胞中可溶性糖含量明顯增加［76］；何美敬等［77］在花生中研究發(fā)現(xiàn)AhSuSy（蔗糖合酶）可以增加根中的蔗糖含量，從而能夠增強植物的抗旱性。

③甜菜堿合成相關(guān)基因

甜菜堿作為一種小分子滲透物質(zhì)，植物處于干旱脅迫時，植物體內(nèi)甜菜堿會出現(xiàn)大量積累，甜菜堿積累有助于保持細胞內(nèi)外滲透勢平衡，同時甜菜堿大量積累也有助于蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。甜菜堿生物合成受到膽堿單加氧酶和甜菜堿醛脫氫酶活性的影響，因此對于生物體內(nèi)控制滲透物質(zhì)甜菜堿含量的基因，一般是通過控制這兩種酶的活性來控制甜菜堿積累。現(xiàn)已研究表明，控制這兩種酶活性的基因有CMO基因和BADH基因。Luo D等［78］發(fā)現(xiàn)水稻中含有CMO和BADH基因。目前對于甜菜堿醛脫氫酶的研究雖有相關(guān)報道，但主要集中于對耐鹽性的研究，對抗旱機理的研究相對較少。

④甘露醇合成有關(guān)基因

與甘露醇生物合成相關(guān)基因1－磷酸甘露醇脫氫酶（mtl D）來源于煙草。Abebe等研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)入mtl D基因的小麥植株與野生型的小麥相比體內(nèi)甘露醇的含量明顯增加，并且對干旱和耐鹽性的耐受力明顯增強。

（2）具有解毒和抗氧化脅迫的基因

干旱脅迫對植物影響是多方面的，其中氧化損傷是很重要的一個負面影響。研究發(fā)現(xiàn)，植物受到干旱脅迫時植物體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）會出現(xiàn)積累的情況，比如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等大量的積累，能夠有效抵抗氧化損傷所引起的傷害?，F(xiàn)已證實可以清除活性氧以避免或減輕對植物損害的基因包括ABP9［53］、GbMPK3［79］以及ZFP245（鋅指蛋白245）［80］。ABP9是在玉米中發(fā)現(xiàn)在擬南芥中得到表達，ABP9可以對活性氧積累起到一定的清除作用，從而減少活性氧的積累；GbMPK3是在煙草中發(fā)現(xiàn)的促分裂原蛋白激酶，可以增加抗氧化酶的活性，從而可以減少活性氧的積累；ZFP245（鋅指蛋白245）可以清除活性氧的積累，從而增強植物對干旱的忍受能力。

（3）生物大分子合成相關(guān)基因

植物對干旱脅迫響應(yīng)主要通過一些蛋白質(zhì)的含量變化來適應(yīng)，這些蛋白質(zhì)主要包括胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白（Late embryogenesis abundant protein，LEA）、水通道蛋白（Aquaporin，AQP）和滲調(diào)蛋白（OSM），這些蛋白質(zhì)在植物抗逆生理中發(fā)揮著極其重要作用。

胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白（LEA）與植物抗旱關(guān)系最為密切，主要在植物胚胎發(fā)育后期產(chǎn)生，并隨著種子成熟其含量逐漸增加。植物在干旱和滲透脅迫條件下，胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白得以豐富表達，可以增強植物的抗旱性。

水通道蛋白（AQP）是植物體內(nèi)一系列分子量為26～34 kD、具有強選擇性和能夠高效轉(zhuǎn)運水分子的膜蛋白，也是一種對脅迫起保護作用的膜蛋白。

滲調(diào)蛋白（OSM）屬于一種陽離子蛋白，最早是在煙草懸浮細胞中獲得，隨后在番茄和馬鈴薯等茄科類作物中發(fā)現(xiàn)，其在生物脅迫和非生物脅迫下都可以誘導(dǎo)與滲調(diào)蛋白相關(guān)基因的表達。

（4）蛋白激酶

蛋白激酶在逆境脅迫下主要激活不同的磷酸化途徑介導(dǎo)外界環(huán)境信號感知和傳遞，調(diào)控下游基因表達，啟動相應(yīng)生理生化過程來提高植物耐受性。截至目前，參與植物逆境脅迫相關(guān)的蛋白激酶主要有GUDK（Growth under drought kinase）、MAPK（Mitogen－activated protein kinase）、RLK（Receptor－like kinase）、CDPK（Calcium and calmodulin－dependent protein kinase dependent和SnRK（Sucrose non－fermenting－1－related protein kinase）五類。

①受體類胞質(zhì)激酶

受體類胞質(zhì)激酶是一類受干旱誘導(dǎo)的蛋白激酶，Niu等［81］研究發(fā)現(xiàn)GUDK主要通過磷酸化來激活Os－AP37基因的表達，提高水稻的耐旱性，實現(xiàn)了在干旱條件下水稻產(chǎn)量的提高。

②促分裂素原活化蛋白激酶

MAPK是蛋白激酶中的一個大家族，屬于絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶。MAPK家族包括分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）、分裂原激活蛋白激酶激酶（MAPK kinase，MAPKK）和分裂原激活蛋白激酶激酶激酶（MAPK kinase，MAPKKK）。Xiong等［82］研究發(fā)現(xiàn)水稻中OsMAPK5蛋白激酶能夠正向調(diào)節(jié)逆境的耐受性。

③受體蛋白激酶

受體蛋白激酶是一類跨膜蛋白激酶，在非生物脅迫和植物的生長、發(fā)育過程中發(fā)揮著極其重要作用。根據(jù)Chen等［83］的研究結(jié)果水稻的OsSIK2受體蛋白激酶可以明顯增強轉(zhuǎn)基因株系抗旱能力；Yang L等［84］研究證實大豆GsCBRLK主要是通過誘導(dǎo)蛋白表達水平或激活蛋白酶活性來提高植物的耐受性，Yang等從野生大豆中篩選出新的受體蛋白激酶GsLRPK，將其成功地導(dǎo)入到擬南芥中并證實擬南芥的抗旱力明顯提高，Sun X等［85］也得到同樣的結(jié)果。

④鈣依賴而鈣調(diào)素不依賴的蛋白激酶

鈣依賴而鈣調(diào)素不依賴的蛋白激酶參與植物非生物脅迫應(yīng)答調(diào)控過程主要是通過磷酸化激活或者抑制下游蛋白活性。Zou J J等［86］研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫能夠誘導(dǎo)擬南芥AtCPK8的過量表達，過表達AtCPK8轉(zhuǎn)基因株系與野生型相比具有更強的耐旱能力；Wei S等［87］研究發(fā)現(xiàn)水稻中過表達OsCPK9主要是通過促進氣孔關(guān)閉提高水稻的抗旱性。

⑤蔗糖非酵解蛋白激酶

植物SnRK參與調(diào)控干旱、高鹽、低溫、疾病和碳代謝過程。Umezawa等［40］研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因擬南芥SnRK與野生型相比抗旱性明顯增強；Wang等［49］研究發(fā)現(xiàn)TɑSnRK2.10過表達可以提高小麥的耐受性，主要是通過減少植物水分的丟失，提高小麥在干旱條件下的產(chǎn)量；Babatunde Bello［58］研究發(fā)現(xiàn)SnRK2過表達可以增強棉花的耐旱性，主要是通過減少水分流失，調(diào)節(jié)膨壓，提高相對含水量實現(xiàn)的；可以提高植物的耐逆性已經(jīng)被Mao等［61］在馬鈴薯研究中得以證實。

3 馬鈴薯抗旱相關(guān)基因的挖掘與利用前景

馬鈴薯是一種典型的溫帶氣候性作物，其對干旱脅迫反映十分敏感，因此干旱是影響馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的主要環(huán)境因子，隨著分子生物學和現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外研究者對馬鈴薯抗旱性研究也越來越多，主要是利用現(xiàn)代生物技術(shù)手段以及利用基因芯片技術(shù)和轉(zhuǎn)錄組學來提高馬鈴薯的抗旱性。

根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，可以增強馬鈴薯抗旱能力的基因主要分為調(diào)控基因和功能基因兩大類。第一類調(diào)控基因包括：（1）MYB類轉(zhuǎn)錄因子MYB1R－1［88］，利用反向Northern雜交分析證實StMYB1R－1過表達可以提高馬鈴薯的抗旱能力，但是對其它農(nóng)藝性狀沒有顯著的影響；（2）DREB類轉(zhuǎn)錄因子DREB1A、DREB1B［89］，過表達DREB1的甜馬鈴薯與野生型相比根明顯伸長，抗旱性有顯著地提高，主要是干旱脅迫誘導(dǎo)DREB1基因的表達促使馬鈴薯根系伸長；利用PCR方法成功從擬南芥中克隆獲得了轉(zhuǎn)錄因子DREB1A［89］基因以及誘導(dǎo)性啟動子rd29A，通過DNA重組技術(shù)構(gòu)建載體并通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法對馬鈴薯進行遺傳轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明轉(zhuǎn)入DREB1A基因的馬鈴薯品種“隴薯10號”的抗旱性明顯增強；以煙草花葉病毒35S作為啟動子并通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法對馬鈴薯進行遺傳轉(zhuǎn)化，過表達的DREB1B［90］馬鈴薯與野生型相比抗旱抗寒性明顯增強，主要是與增加了脯氨酸的含量以及減少了馬鈴薯體內(nèi)的水分丟失、提高相對含水量有關(guān)；（3）NAC類轉(zhuǎn)錄因子NAC2［91］，StNAC2基因在馬鈴薯葉、莖、塊莖、花和根均有表達，NAC2不僅可以被創(chuàng)傷、鹽和干旱所誘導(dǎo)，而且也可以被馬鈴薯晚疫病致病因子所誘導(dǎo)。

第二類功能基因包括：（1）滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因脯氨酸合成基因P5CS（二氫吡咯－5－羧化物合成酶）［92］，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法對“東農(nóng)303”馬鈴薯微型薯進行遺傳轉(zhuǎn)化，與野生型馬鈴薯微型薯相比脯氨酸含量有顯著提高，抗旱和抗鹽能力有明顯提高；甜菜堿合成基因BADH［93－94］，通過根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將甜菜堿醛脫氫酶（BADH）基因?qū)腭R鈴薯栽培品種“甘農(nóng)薯2號”中，經(jīng)PCR、Southern和Northern雜交證明BADH基因已整合到馬鈴薯基因組中并在轉(zhuǎn)基因植株中轉(zhuǎn)錄和表達，與野生型相比馬鈴薯栽培種“甘農(nóng)薯2號”相比BADH酶活性顯著提高；（2）蛋白激酶MIPS1（肌醇－1－磷酸合酶）［95］，MIPS1是肌醇生物合成的限速酶，通過實時定量PCR表明過表達的MIPS1提高了甜馬鈴薯的抗旱能力；利用PCR和DNA重組技術(shù)，克隆AtCDPK1［96］，構(gòu)建載體，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法進行遺傳轉(zhuǎn)化馬鈴薯微型薯‘費烏瑞它’，通過RT－PCR分析證實，該基因在‘費烏瑞它’的植株中均可以正常表達；毛娟等［73］通過實驗證實SnRK2在不同的處理和不同的馬鈴薯品種中的表達是有差異的。

如上所述，截至目前提高馬鈴薯抗旱能力的基因主要集中在DREB類的轉(zhuǎn)錄因子、滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因和蛋白激酶這些植物內(nèi)部分子機制的研究上，而干旱對植物形態(tài)的影響研究較少，尤其是對根系的研究。根系是植物吸收水分、營養(yǎng)的直接器官，其發(fā)達與否對提高植物耐旱性有至關(guān)重要的作用，因此加強植物根系的研究對于提高植物的抗旱能力有極其重要的作用。同時，馬鈴薯是以收獲塊莖為主的農(nóng)作物，培育具有發(fā)達根系的馬鈴薯新品種是提高馬鈴薯產(chǎn)量的前提。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果（表1）干旱脅迫下可以使植物根系伸長的基因有HARDY［4］、ATHB6［44］和Dro1［53］，擬南芥HARDY基因在水稻中過表達后通過根系體積的變大和根系數(shù)量的增多，增強轉(zhuǎn)基因水稻對干旱和高鹽脅迫的抗性，使轉(zhuǎn)基因植株水分利用效率提高、光合作用增加和蒸騰減弱；ATHB6在根中主要是通過控制主根和側(cè)根的細胞分裂來增強植物抗旱能力，轉(zhuǎn)入ATHB6基因的擬南芥與野生型相比耐受性明顯增強；Dro1的過表達可使水稻根系發(fā)達和根系空間結(jié)構(gòu)變大，有利于水稻吸收更多的水分，轉(zhuǎn)入Dro1基因的水稻與野生型相比抗旱能力明顯增強。

馬鈴薯是一種主要以收獲塊莖為主的作物，因此選育根系發(fā)達的馬鈴薯品系是培育高產(chǎn)馬鈴薯品種的首要條件，HARDY、ATHB6和Dro1功能基因在改變植物根系的長度、數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)和根系發(fā)達程度方面有著重要的作用，其在馬鈴薯中的功能值得進一步研究，為培育具有發(fā)達根系和抗旱能力的馬鈴薯新品種提供有效途徑。植物耐旱性機理的深入研究和基因資源將為馬鈴薯抗旱育種與種質(zhì)創(chuàng)新提供新的支撐點，相信不久的將來會有大量的抗旱基因?qū)?yīng)用到馬鈴薯生產(chǎn)實踐中。

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Progress of crop drought tolerant genem ining and the potential application of developing drought-tolerant potato breeding

WANG Xiao-bin1，2，HU Kai-ming1，2，F(xiàn)AN A-qi1，2，ZHAO Feng1，2，ZHANG Jun-lian1，3，WANG Di1，2，BAIJiang-ping1，2
（1.Gɑnsu Key Lɑb of Crop Improvement＆Germplɑsm Enhɑncement－Gɑnsu Provinciɑl Key Lɑb of Aridlɑnd Crop Science，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.College of Agronomy，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；3.College of Horticulture，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ）

This paper reviewed the function of68 drought-tolerantgenes reported that could enhance the osmotic accumulation，detoxification and antioxidant，bio-molecule.The results showed that the function of transcription factor mainly by activating or inhibiting the expression of downstream drought genes；osmotic genesmainlymaintained cell inside and outside osmotic balance；detoxification and antioxidantgenesmainly eliminated the accumulation of reactive oxygen species；the genes involved in biologicalmacromolecular synthesis can produce some adversity protein and enhanced crop resistance.In addition，existing problems are listed in order to provide a theoretical basis for the future in arid and semi-arid areas autopolyploid potato breeding drought-resistant crops.

crop；drought resistance gene；functional genes；potato；germplasm

S943.2；S532

：A

1000-7601（2017）01-0248-10

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.37

2016-01-05

國家自然科學基金（31460369）；甘肅科技基金（1308RJZA131，1308RJIA005）；中科院西部之光項目；蘭州科技研究項目（2013－4－156）

王曉斌（1990—），男，甘肅天水人，碩士，研究方向為作物遺傳育種。

白江平（1978—），男，甘肅天水人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事作物遺傳育種方面的研究。E-mail：baijp＠gsau.edu.cn。