馬鈴薯抗旱性研究進(jìn)展

劉維剛，唐 勛，付 學(xué)，張歡歡，朱存蘭，張 寧，司懷軍*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）是重要的非谷類糧食作物，全球種植面積約為1 930萬hm2，年總產(chǎn)量近4億t，僅次于水稻、小麥和玉米[1]。馬鈴薯作為糧菜兼用作物，營養(yǎng)豐富，食用形式多種多樣。除直接食用外，馬鈴薯也是重要的動(dòng)物飼料和工業(yè)原料。馬鈴薯屬環(huán)境敏感型作物，外界環(huán)境的變化是馬鈴薯生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的主要限制因素。自然環(huán)境下，馬鈴薯在生長過程中時(shí)刻面對多種環(huán)境脅迫，包括非生物脅迫（干旱、熱害、高鹽等）和生物脅迫（病蟲害），嚴(yán)重影響其產(chǎn)量與質(zhì)量[2,3]。由于馬鈴薯根系短而疏淺導(dǎo)致輸水能力有限，因此馬鈴薯特別容易受到外界環(huán)境刺激的影響。溫度、干旱和鹽脅迫被認(rèn)為是影響馬鈴薯生長和產(chǎn)量的主要不可控因素[4]，而干旱影響尤為嚴(yán)重。干旱可分為極端性和間歇性兩種情況。在極端干旱期間，土壤水的可利用量逐漸減少，造成作物過早死亡，從而導(dǎo)致作物大幅度減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)；間歇性干旱是有限時(shí)期灌溉不足的結(jié)果，間隔多次發(fā)生，不一定是致命的，這種干旱往往造成作物減產(chǎn)。干旱的原因包括降雨不足、土壤鹽漬化、生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水與農(nóng)業(yè)用水競爭[5]。全球變暖將進(jìn)一步加劇干旱蒸發(fā)量的增加，更為嚴(yán)峻的是專家預(yù)測到2100年極端干旱地區(qū)的比例將從1%增至30%。而到2069年左右全球范圍內(nèi)因?yàn)楦珊祵?dǎo)致的馬鈴薯減產(chǎn)達(dá)18%～32%[6]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國馬鈴薯的種植面積已經(jīng)超過500多萬hm2，年產(chǎn)量超過1億萬t，位居世界之首[7]。

干旱影響馬鈴薯的營養(yǎng)生長，從而影響株高、葉片大小、葉片數(shù)量以及光合速率，還能直接影響塊莖的產(chǎn)量和品質(zhì)[8]。馬鈴薯的抗旱性是復(fù)雜的數(shù)量性狀，受微效多基因和多變環(huán)境的共同調(diào)控[9]，是眾多因素綜合調(diào)控的結(jié)果。由于馬鈴薯是同源四倍體作物，研究難度較大，且抗旱性狀受多種機(jī)制調(diào)控，多種因素的影響，研究面臨眾多瓶頸，很難取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。目前，關(guān)于馬鈴薯抗旱性的研究主要集中在表型的改變、抗旱生理生化指標(biāo)的變化、光合作用的改變上，而對抗旱相關(guān)基因的作用機(jī)理和抗旱性機(jī)制的研究較少。本文系統(tǒng)總結(jié)了近年來馬鈴薯在干旱脅迫響應(yīng)的研究進(jìn)展，為后續(xù)馬鈴薯抗旱基礎(chǔ)研究和選育抗旱性新品種提供理論依據(jù)。

1 干旱對馬鈴薯生長發(fā)育及農(nóng)藝性狀的影響

1.1 干旱對馬鈴薯植株的影響

干旱引起植物的第一個(gè)脅迫癥狀通常是對芽的快速抑制，在較小程度上是影響根的生長，緊接著是部分或完全的氣孔關(guān)閉，伴隨著光合作用、蒸騰作用和二氧化碳吸收的減少（圖1）。如果不能緩解，干旱將導(dǎo)致植物生殖發(fā)育中斷，葉片過早衰老、枯萎、干燥和死亡[10,11]。因此，干旱對于馬鈴薯農(nóng)藝性狀的影響是最直接最明顯的。馬鈴薯屬淺根系作物，根系的發(fā)育對馬鈴薯的生長發(fā)育至關(guān)重要。馬鈴薯不同品種根系大小及其結(jié)構(gòu)存在明顯的差異，在干旱脅迫下，根系越發(fā)達(dá)，抗旱性越強(qiáng)，對其產(chǎn)量的影響越小[12]。干旱脅迫下根長和面積與塊莖產(chǎn)量之間的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，根越長越大的馬鈴薯品種表現(xiàn)出更高的耐旱性[13]。此外，根系拉力對馬鈴薯根系在土壤中的長度、深淺、密度以及對水分吸收能力等有影響[14]，根系拉力越大的品種抗旱性越強(qiáng)。在幼苗期干旱對馬鈴薯生長的影響最嚴(yán)重，而且隨著干旱時(shí)間的延長馬鈴薯莖粗、株高會明顯降低甚至?xí)霈F(xiàn)萎焉。輕度干旱脅迫能夠增加馬鈴薯株高[15]，在干旱脅迫下晚熟品種的株高往往比早熟品種的株高更高[16]。干旱脅迫對于馬鈴薯的葉面積指數(shù)及莖葉結(jié)構(gòu)也有影響。水分脅迫下葉面積減少，導(dǎo)致輕微缺水的植物葉綠素濃度增加，會影響光同化物、干物質(zhì)的產(chǎn)生以及塊莖產(chǎn)量[17]。葉面積指數(shù)越大，品種越抗旱，這對于維持馬鈴薯的產(chǎn)量具有重要的意義[18]。鄭植尹和王芳[19]在對‘青薯9號’和‘閩薯1號’的抗旱特性研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，水分脅迫對馬鈴薯植物學(xué)性狀（株高、莖粗、葉面積等）的影響較為嚴(yán)重，這與張瑞玖等[20]的研究結(jié)果基本一致。干旱條件下，馬鈴薯冠層在調(diào)節(jié)蒸散、干物質(zhì)分配和塊莖產(chǎn)量方面具有重要作用[21]。干旱脅迫時(shí)馬鈴薯生長速率和最大冠層蓋度對塊莖形成和塊莖膨大有不利的影響。干旱脅迫下，生長速率、最大冠層蓋度對塊莖膨大的影響大于對塊莖形成的影響[22]。

1.2 干旱對馬鈴薯塊莖的影響

干旱脅迫對馬鈴薯的最嚴(yán)重影響之一是阻止匍匐莖分化和塊莖形成。干旱嚴(yán)重影響塊莖品質(zhì)和產(chǎn)量水平，阻礙植株的營養(yǎng)生長和生殖生長（圖1）。產(chǎn)量是馬鈴薯抗旱強(qiáng)弱的綜合體現(xiàn)。干旱引起的塊莖產(chǎn)量損失在很大程度上取決于干旱持續(xù)時(shí)間、嚴(yán)重程度和生長周期。干旱引發(fā)馬鈴薯塊莖的缺陷，如塊莖破裂、空心、內(nèi)部褐斑、繼發(fā)性生長、畸形并顯著增加α-茄堿和α-查卡寧糖生物堿的含量，可能導(dǎo)致包括誘發(fā)癌癥在內(nèi)的多種健康問題[13]。干旱脅迫能夠使塊莖單株產(chǎn)量、單株塊莖數(shù)、單位面積產(chǎn)量、收獲指數(shù)和結(jié)薯率均降低[15,23,24]。在塊莖形成時(shí)期，干旱對于馬鈴薯的產(chǎn)量和塊莖數(shù)產(chǎn)生較為直接的影響，這是由于該時(shí)期需要大量的營養(yǎng)物質(zhì)及水分，干旱影響葉片的蒸騰、植株葉片數(shù)和植株的生長。

圖1 干旱脅迫對馬鈴薯生長發(fā)育及光合作用的影響Figure 1 Effects of drought stress on potato growth and photosynthesis

2 干旱對馬鈴薯光合作用的影響

光合作用對馬鈴薯的抗旱性具有重要的作用（圖1）。相對葉綠素含量（SPAD值）可用于評價(jià)作物不同品種的耐旱性，有關(guān)馬鈴薯的光合作用研究表明，干旱脅迫下葉片SPAD值的增加并沒有增加凈光合速率，而塊莖干物質(zhì)含量因干旱脅迫影響有所降低[25]。研究表明，水分脅迫會影響馬鈴薯的光合作用特性，且葉片凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（Transpiration，Tr）、氣孔導(dǎo)度（Stomatal conductance，Gs）、SPAD值、葉面積和產(chǎn)量都是對照＞中度處理＞嚴(yán)重處理[23]。后來研究表明，水分脅迫通過SPAD值、Gs、胞間CO2濃度（Intercellular CO2concentration，Ci）的變化來間接影響葉片Pn和Tr，從而影響馬鈴薯的光合作用機(jī)制，甚至影響馬鈴薯的產(chǎn)量[26]。分根交替干旱能夠增強(qiáng)馬鈴薯葉片的光合作用機(jī)制，如增加葉片的光合能力、光合最大勢能和光量子利用效率[27,28]，同時(shí)提高了過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）和超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）的活性以增強(qiáng)對植物的保護(hù)[29]。類胡蘿卜素既是光合色素又是一種重要內(nèi)源抗氧化劑，對光合結(jié)構(gòu)也具有一定保護(hù)作用[30]，因此類胡蘿卜素對于光合作用具有重要的意義。干旱脅迫下馬鈴薯葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著降低，而增施氯化鉀顯著減輕干旱脅迫下二者降低的幅度，這說明噴施氯化鉀能夠增加馬鈴薯體內(nèi)二者含量。同樣地，干旱脅迫下幼苗葉片Pn、Tr、Gs均有顯著降低，而噴施氯化鉀能夠提高干旱脅迫下葉片中的Pn、Tr、Gs，同時(shí)提高水分利用效率（Water use efficiency，WUE），這表明干旱脅迫下，氯化鉀通過提高作物的光合作用能力及水分利用效率從而增強(qiáng)馬鈴薯的抗旱性[31]。植物中光合作用和碳分配高度相關(guān)。光合作用產(chǎn)生的同化物通過碳分配反饋光合作用的速率。干旱通過光合作用、木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸及誘導(dǎo)糖合成來干擾碳分配和碳積累。干旱脅迫影響馬鈴薯的氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量，從而影響碳分配和最終的塊莖產(chǎn)量[32]。非生物脅迫導(dǎo)致敏感品種的光合碳同化減少更大，這與較低的葉片Tr和PSⅡ有關(guān)[33]。繁殖期缺水會減少馬鈴薯的碳積累，減少從營養(yǎng)組織到塊莖的碳再活化，并減少塊莖數(shù)量和塊莖大小[34]。

3 干旱脅迫對馬鈴薯代謝的影響

干旱主要影響植物的滲透調(diào)節(jié)、質(zhì)膜的過氧化反應(yīng)以及抗氧化保護(hù)酶等方面。滲透調(diào)節(jié)是細(xì)胞為了保證能在低水勢情況下吸收水分并通過降低結(jié)合水的自由能從而降低細(xì)胞內(nèi)水勢的機(jī)制。干旱甚至造成生物膜損傷從而使膜系統(tǒng)損壞和瓦解、透性增加、色素喪失、離子外漏等，生物膜損傷嚴(yán)重時(shí)可威脅到植株的生命。雖然馬鈴薯的水分利用效率高于谷類作物（小麥，水稻，玉米）[21]，但由于其根系疏淺，且在水分脅迫后難以恢復(fù)，從而導(dǎo)致馬鈴薯塊莖品質(zhì)下降和產(chǎn)量減少。干旱脅迫會引起植物內(nèi)環(huán)境的變化，原有的代謝平衡被打破，導(dǎo)致有害物質(zhì)如活性氧（Reactive oxygen species，ROS）、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）的大量積累，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，引起體內(nèi)代謝紊亂。為了維持體內(nèi)的環(huán)境平衡，植物會啟動(dòng)自身防御和清除系統(tǒng)來應(yīng)對干旱脅迫（圖2）。其中，脯氨酸（Proline，Pro）、MDA、SOD、POD、CAT是馬鈴薯中研究最多的生理生化指標(biāo)。

3.1 干旱脅迫影響MDA和Pro含量

MDA和Pro含量的變化是反映植物抗旱性的重要標(biāo)志。植物在遭受干旱脅迫時(shí)，體內(nèi)MDA含量的增加降低了自身細(xì)胞的滲透勢，而Pro含量的增加有助于調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透勢而維持水分平衡（圖2）。Pro除了參與蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜的穩(wěn)定外，還充當(dāng)中間氮儲存器，并在細(xì)胞再水化過程中充當(dāng)碳和能量的來源。一般情況下，在干旱脅迫時(shí)馬鈴薯體內(nèi)的MDA增加降低了自身細(xì)胞的滲透勢，而Pro在葉片內(nèi)含量的增加，能夠調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透勢以維持水分平衡，從而起到保護(hù)作用[26,35]。Pro含量在不同品種間的變化也存在差異，在干旱敏感品種中比在耐旱品種中增加得更早。有研究表明，Pro積累與塊莖重量呈負(fù)相關(guān)，這表明Pro可能是一種脅迫指標(biāo)，而不是一種脅迫的保護(hù)劑[36]。

3.2 干旱脅迫影響抗氧化性酶的活性

POD、SOD、CAT能夠控制、減少或清除細(xì)胞內(nèi)活性氧的水平和過氧化產(chǎn)物，減輕對細(xì)胞的危害，維持體內(nèi)的相對平衡和健康（圖2）。POD活性在馬鈴薯幼苗時(shí)期變化不大，但隨著干旱脅迫時(shí)間延長，其活性在第6 d達(dá)到最大值，這表明植物體內(nèi)通過分泌POD酶來響應(yīng)干旱脅迫[37]。CAT是分解過氧化氫的關(guān)鍵酶，在干旱脅迫下植物體內(nèi)的CAT活性增加以清除H2O2從而減少對植株的損害[38]。有研究表明，馬鈴薯中CAT活性隨著干旱脅迫程度的增加而增加[39]，由于半干旱地區(qū)馬鈴薯的適應(yīng)性，其在不同程度的干旱脅迫下CAT活性變化不大。總之，在干旱前期SOD、POD、CAT活性隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加而增大，這是馬鈴薯應(yīng)激保護(hù)反應(yīng)，但隨著干旱程度的進(jìn)一步增強(qiáng)，馬鈴薯體內(nèi)水分嚴(yán)重失衡，超出其自身調(diào)節(jié)的范圍，則SOD、POD、CAT受到破壞導(dǎo)致其活性降低。此外，王天等[40]研究表明，可通過施用適量的磷肥增強(qiáng)抗氧化酶活性和根系活力從而提高馬鈴薯植株的抗旱性。

圖2 干旱脅迫對馬鈴薯生理生化指標(biāo)的影響Figure 2 Effects of drought stress on biochemical and physiological indexes of potato

4 馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫的分子機(jī)制研究

馬鈴薯已經(jīng)進(jìn)化出了各種分子機(jī)制，通過生理和生化反應(yīng)到基因表達(dá)和代謝途徑的變化來應(yīng)對抗干旱脅迫（圖3）。

圖3 馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫的分子機(jī)制Figure 3 Molecular mechanism of potato response to drought stress

4.1 脫落酸信號通路參與調(diào)控馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)

脫落酸（Abscisic acid，ABA）是一種普遍存在于植物中的信號分子，用于關(guān)閉氣孔并誘導(dǎo)多種與脅迫相關(guān)基因的表達(dá)。ABA參與植物的生長發(fā)育、種子休眠、果實(shí)發(fā)育[41,42]，也參與對非生物脅迫的響應(yīng)，如干旱。在干旱脅迫下，馬鈴薯中ABA通過調(diào)控氣孔的閉合來影響地上地下干物質(zhì)的分配，從而調(diào)控馬鈴薯的產(chǎn)量[43,44]。適度干旱能夠增加根、匍匐莖與葉片中ABA含量，外源高濃度（5和10 μmol/L）ABA能促進(jìn)馬鈴薯結(jié)薯數(shù)和薯重的增加[45]。因此，研究馬鈴薯中ABA在干旱脅迫下的調(diào)控機(jī)理具有重要的意義。干旱脅迫能夠刺激植物ABA的合成。ABA能夠誘導(dǎo)應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá)，并且與干旱相關(guān)基因的表達(dá)是通過ABA依賴性和ABA非依賴性機(jī)制來控制的[46]。Schafleitner等[47]認(rèn)為馬鈴薯植株對干旱脅迫的耐受能力是受DREB1A（脫水反應(yīng)元件結(jié)合蛋白）的上調(diào)表達(dá)調(diào)控的，該序列是控制ABA依賴性基因表達(dá)的主要順式作用元件。后來，Watanabe等[48]將AtDREB1a轉(zhuǎn)基因馬鈴薯與非轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)DREB1a轉(zhuǎn)基因品系的耐旱性明顯增強(qiáng)。研究表明，ABF是ABA信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，屬bZIP轉(zhuǎn)錄因子，他們與ABA反應(yīng)元件（ABRE）結(jié)合，調(diào)控非生物脅迫期間ABA信號傳導(dǎo)，也在調(diào)控馬鈴薯塊莖的形成過程中發(fā)揮重要作用[49]。過表達(dá)AtABF4基因的馬鈴薯植株能夠增強(qiáng)耐鹽性和耐旱性，并增加塊莖產(chǎn)量[50]。StABF1基因在ABA、干旱、鹽脅迫和冷脅迫下被誘導(dǎo)，這表明StABF1基因可能是馬鈴薯中依賴ABA信號通路而響應(yīng)脅迫的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[51]。9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶（9-cis epoxycarotenoid dioxygenase，NCED）是植物中ABA生物合成途徑的關(guān)鍵限速酶，該基因的表達(dá)模式直接影響ABA代謝。PEG-6000模擬干旱脅迫處理4個(gè)品種，干旱敏感型品種中的ABA含量明顯高于其他3個(gè)品種，ABA含量與StNCED1表達(dá)量之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系（R＞0.7）[52]。水分脅迫下，吲哚乙酸（Indoleaceticacid，IAA）含量降低，ABA含量升高，IAA/ABA比值降低，影響根系正常發(fā)育、水分和養(yǎng)分的吸收及出苗[53]。辣椒（Capsicum annuum）的CaBZ1基因編碼bZIP轉(zhuǎn)錄因子，該基因的表達(dá)受到鹽、滲透脅迫和ABA誘導(dǎo)。過表達(dá)CaBZ1基因的馬鈴薯植株增加了ABA含量，且與脅迫相關(guān)基因（如CYP707A1、CBF和NAC類基因）的表達(dá)量上升，增強(qiáng)對干旱脅迫的耐受性[54]。StCDF1可通過ABA依賴性方式調(diào)節(jié)氣孔開放從而影響馬鈴薯植株的抗旱性[55]。對‘鄂馬鈴薯3號’的轉(zhuǎn)錄組測序表明，在干旱脅迫下，ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)核心因子蛋白激酶StSnRK2.4和StSnRK2.8與轉(zhuǎn)錄因子StAREB2的基因呈現(xiàn)差異性表達(dá)[56]。后來對SnRK2基因家族的鑒定和表達(dá)分析也表明，SnRK2的表達(dá)與干旱脅迫緊密相關(guān)[57]。

4.2 其他信號通路參與調(diào)控馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)

研究表明，MAPK信號通路深度參與調(diào)控植物對干旱脅迫的響應(yīng)。同樣地，MAPK信號對馬鈴薯干旱脅迫的響應(yīng)具有重要的調(diào)控作用。馬鈴薯在聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）、甘露醇處理下其光合作用和氣孔導(dǎo)度受StMAPK3調(diào)控，這就表明StMAPK3是干旱/滲透脅迫的調(diào)節(jié)因子[58]。對15個(gè)馬鈴薯MAPKs的表達(dá)量分析表明，StMAPK11在干旱條件下明顯上調(diào)。后續(xù)研究表明，StMAPK11通過抗氧化活性和光合作用增強(qiáng)馬鈴薯植物的抗旱性[59]。此外，stu-miR856的表達(dá)降低可能會驅(qū)動(dòng)2個(gè)StMAPK基因家族成員的過表達(dá)，這可能有助于調(diào)節(jié)馬鈴薯植株適應(yīng)干旱脅迫[60]。對耐旱和干旱敏感品種的RNA-seq分析，共篩選到22個(gè)馬鈴薯干旱響應(yīng)基因，其中包含絲裂原活化蛋白激酶激酶激酶15（MAPKKK15），MAPKKK15已被證明在干旱條件下在轉(zhuǎn)錄水平上被激活[61]。

4.3 泛素蛋白酶體途徑參與調(diào)控馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)

泛素蛋白酶體系統(tǒng)（Ubiquitin-proteasome system，UPS）作為蛋白質(zhì)的翻譯后修飾機(jī)制，深度參與調(diào)控馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)。在對PEG處理下的馬鈴薯蛋白質(zhì)組泛素化分析表明，共檢測到200個(gè)Lys的泛素化修飾，通過比較發(fā)現(xiàn)共有25個(gè)是泛素的差異化修飾位點(diǎn)[62]。后來研究表明，U-box型泛素連接酶StPUB27通過調(diào)控氣孔導(dǎo)度負(fù)調(diào)節(jié)馬鈴薯的抗旱性[63]。RING-finger型E3連接酶StRFP2通過影響Pro、MDA含量和CAT活性提高馬鈴薯植株的保水能力，從而正調(diào)控馬鈴薯的抗旱性[64]。對泛素結(jié)合酶E2的基因家族鑒定和表達(dá)分析表明，多個(gè)E2基因與馬鈴薯抗逆脅迫有關(guān)[65]。干旱脅迫可誘導(dǎo)StUBC12基因呈現(xiàn)差異性表達(dá)[66]。

4.4 轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)

目前，已鑒定出植物中許多響應(yīng)非生物脅迫的轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factors，TFs），包括MYB、bZIP、WRKY、AP2/EREBPs和bHLHs。眾多轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)。研究表明，NF-Y轉(zhuǎn)錄因子與植物的抗旱性有關(guān)。StNFYA7過表達(dá)增強(qiáng)植株耐旱性，與減少葉片水分流失有關(guān)[67]。StNF-YC9通過增強(qiáng)光合作用速率、抗氧化酶活性和Pro積累以及降低馬鈴薯植株中MDA的積累，在馬鈴薯耐旱性中發(fā)揮重要作用[68]。StNFYB3.1的過表達(dá)導(dǎo)致馬鈴薯對ABA反應(yīng)增強(qiáng)氣孔關(guān)閉，推測StNFYB3.1通過調(diào)控ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉從而提高馬鈴薯植株水分利用效率和耐旱性[69]。在馬鈴薯中共鑒定出233個(gè)MYB基因，多個(gè)受干旱脅迫誘導(dǎo)表達(dá)。如StMYB030（AtMYB44同源基因）在干旱脅迫處理下顯著上調(diào)[70]。R1型MYB樣轉(zhuǎn)錄因子（StMYB1R-1）在馬鈴薯中表達(dá)通過調(diào)節(jié)水分流失增強(qiáng)植株的耐旱性，表明StMYB1R-1作為轉(zhuǎn)錄因子參與干旱相關(guān)基因的激活[71]。R2R3-MYB型轉(zhuǎn)錄因子StMYB12A/C和miR858參與馬鈴薯苯丙素途徑黃酮醇的代謝，這表明StMYB12A/C和miR858可能是馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫的調(diào)節(jié)因子[72]。在馬鈴薯品種‘Desiree’中沉默CBP80基因，可增強(qiáng)ABA過敏性氣孔關(guān)閉，增加葉氣孔和毛狀體密度。同時(shí)，miR159的水平降低，其靶基因MYB33和MYB101表達(dá)量升高。這表明CBP80可通過依賴ABA介導(dǎo)的氣孔閉合來響應(yīng)干旱脅迫，這可能是通過調(diào)節(jié)miR159、MYB33和MYB101的表達(dá)水平來實(shí)現(xiàn)的[73]。后來證實(shí)，MYB33、MYB65和MYB101轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)ABA信號通路影響擬南芥和馬鈴薯對干旱的反應(yīng)。因此，缺乏CBP80/ABH1會影響miR159的生物合成，導(dǎo)致MYB轉(zhuǎn)錄因子增加從而改善馬鈴薯對干旱的反應(yīng)[74]。在馬鈴薯中異源過表達(dá)擬南芥的bZIP轉(zhuǎn)錄因子可增加塊莖產(chǎn)量、改善塊莖質(zhì)量并增強(qiáng)植株的耐鹽和耐旱性[50]。韓悌倩[75]對具有抗旱性有差異的2個(gè)馬鈴薯品種轉(zhuǎn)錄組測序分析，共篩選到6個(gè)Aux/IAA轉(zhuǎn)錄因子，qRTPCR驗(yàn)證表明在干旱脅迫下，其表達(dá)量在根中呈現(xiàn)差異性表達(dá)。這表明，Aux/IAA轉(zhuǎn)錄因子可能通過調(diào)控根部的發(fā)育響應(yīng)干旱脅迫。

4.5 miRNA參與調(diào)控馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)

MicroRNAs（miRNAs）是一類非編碼內(nèi)源性小RNA（長20～24個(gè)核苷酸），在轉(zhuǎn)錄后水平負(fù)調(diào)節(jié)真核生物的基因表達(dá)，參與調(diào)控植物的生長發(fā)育，生物和非生物脅迫。對干旱處理下馬鈴薯的sRNA高通量測序表明，共有1 338個(gè)miRNA有差異表達(dá)，miRNA的靶基因涉及轉(zhuǎn)錄因子（HD-Zip、SPL和SPL）、抗旱相關(guān)的功能蛋白等，這表明miRNA在馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫過程中扮演重要的角色[76]。研究表明，miR171（stu-miRNA171a/b/c）、miR159、miR164、miR166、miR390、miR395、miR397、miR398、miR408和miR482、miR811、miR814、miR835、miR4398等miRNAs家 族 響 應(yīng) 干 旱 脅迫[73,77-79]。干旱脅迫下，miR159通過調(diào)控其靶基因R2R3MYB（StGAMyb-like1、StGAMyb-like2.1和StGAMyb-like2.2）響應(yīng)干旱脅迫[80]。通過生物信息學(xué)和qRT-PCR分析表明，miR172、miR396a、miR396c和miR4233可能調(diào)節(jié)P5CS基因，而miR2673和miR6461可能分別調(diào)節(jié)P5CR和ProDH基因以響應(yīng)干旱脅迫[81]。Stu-mi164通過調(diào)控其靶基因StNAC262的豐度降低馬鈴薯對滲透脅迫的抗性[82]。

4.6 其他調(diào)控因子參與馬鈴薯對干旱脅迫的響應(yīng)

此外，其他的許多酶/基因也參與了馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫。用擬南芥誘導(dǎo)型啟動(dòng)子rd29A驅(qū)動(dòng)甜菜堿醛脫氫酶（Betaine aldehyde dehydrogenase，BADH）基因并轉(zhuǎn)化馬鈴薯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下轉(zhuǎn)化植株相比非轉(zhuǎn)化植株（NT）鮮重增加了17%～29%，此外，轉(zhuǎn)化植株在干旱脅迫下葉片相對電導(dǎo)率更低，使用基因工程技術(shù)增強(qiáng)這一途徑能夠成功提高許多植物的干旱耐受性[83]。類似的研究表明，與對照相比，轉(zhuǎn)BADH基因的馬鈴薯植株提高了對鹽及干旱的抗性[84]。海藻糖是一種具有調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。海藻糖和海藻糖-6-磷酸（Trehalose-6-phosphate，T6P）分別由海藻糖-6-磷酸磷酸酶（Trehalose 6-phosphate phosphatase，TPP）和海藻糖-6-磷酸合成酶（Trehalose-6-phosphate synthase，TPS）催化合成。將TPS1基因轉(zhuǎn)化到馬鈴薯中，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植株的相對含水量和光合作用速率明顯高于對照組而氣孔導(dǎo)度低于非轉(zhuǎn)化植株，這表明海藻糖的積累有利于提高馬鈴薯的耐旱性[84]。馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫往往與植物激素有關(guān)。色胺途徑（TAM pathway）中的YUCCA是IAA生物合成的關(guān)鍵酶。研究表明，過表達(dá)YUCCA家族成員AtYUC6的馬鈴薯植株能夠增強(qiáng)耐旱性，同時(shí)降低葉中活性氧的水平[85]。StRcd1基因在干旱脅迫誘導(dǎo)下表達(dá)，這表明StRcd1在干旱脅迫下發(fā)揮重要的作用[86]。馬鈴薯DRO1參與響應(yīng)干旱脅迫，并與株高、根長、葉綠素含量和SOD活性的調(diào)控密切相關(guān)[87]。StCDPK28可通過降低MDA、H2O2含量，增加CAT、SOD和POD活性，提高馬鈴薯植株的抗旱能力[88]。異源表達(dá)AtCDPK1增強(qiáng)了馬鈴薯的保水能力以提高植株的抗旱性[89]。StPIPs的表達(dá)改善了植物的整體水分關(guān)系，并有助于維持光合作用和氣孔導(dǎo)度，最大限度地減少碳饑餓并增強(qiáng)整個(gè)植株對干旱脅迫的耐受性[90]。表皮模式因子2（EPF2）是氣孔發(fā)育的負(fù)調(diào)節(jié)因子，過表達(dá)EPF2提高了植株的光合速率、光系統(tǒng)II效率和瞬時(shí)水分利用效率，增強(qiáng)了植株的抗旱能力[91]。

基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)的研究加快了對馬鈴薯抗旱機(jī)理的研究進(jìn)程。對馬鈴薯StIgt、HSP90基因家族的全基因組鑒定和表達(dá)分析表明，在干旱/PEG脅迫下呈現(xiàn)差異性的表達(dá)，這就表明HSP90、StIgt在響應(yīng)干旱脅迫過程中發(fā)揮著重要作用[92,93]。李鵬程等[94]研究表明，DNA的甲基化與響應(yīng)馬鈴薯干旱脅迫的相關(guān)表型有關(guān)。對馬鈴薯耐旱品種和干旱敏感品種在干旱脅迫的差異表達(dá)分析表明，共有23個(gè)基因在干旱脅迫下表達(dá)譜明顯不同，這些基因包括碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、MAPKKK15、SCPL19、nsLPT[61]。Sprenger等[95]比較干旱敏感型品種（‘Milva’和‘Alegria’）和耐旱品種（‘Desiree’和‘Saturna’）在溫室和田間的轉(zhuǎn)錄組測序表明，在干旱脅迫下分別有54個(gè)基因均上調(diào)表達(dá)，48個(gè)基因均下調(diào)表達(dá)，包括HSP20、HSP70、ABA受體PYL4、MAPK激酶、PERK1激酶、受體激酶等。章玉婷等[96]對耐旱馬鈴薯品種‘寧蒗182’的蛋白組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)12個(gè)差異表達(dá)蛋白，包括光合系統(tǒng)及線粒體保護(hù)、脅迫響應(yīng)信號傳導(dǎo)、運(yùn)輸相關(guān)蛋白等。張麗莉[97]對3個(gè)馬鈴薯品種蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，有16個(gè)與抗旱有關(guān)的差異表達(dá)蛋白。

上述研究表明，馬鈴薯的抗旱與ABA信號通路、MAPK激酶、受體激酶、熱激蛋白等有關(guān)。

5 展望

5.1 關(guān)注光合作用對馬鈴薯抗旱性的影響

在過去研究中，對于馬鈴薯的抗旱性研究主要集中在產(chǎn)量、植物表型、光合作用及呼吸速率，對光合作用的機(jī)制研究較少。盡管大多數(shù)研究表明在干旱條件下增強(qiáng)光合作用可以顯著改善植物的生長，但其對塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)的影響在很大的程度上仍然未知。因此，未來的研究仍需側(cè)重于在干旱脅迫下光合作用與馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)的作用關(guān)系。

5.2 確定馬鈴薯中關(guān)鍵耐旱性調(diào)控因子

盡管在2011年完成了對馬鈴薯基因組的測序工作，但對于關(guān)鍵耐旱性調(diào)控因子的挖掘并未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。目前對馬鈴薯耐旱性的研究僅停留在采用基因工程技術(shù)揭示基因的功能，缺乏系統(tǒng)、快速、有效的鑒定手段，且研究內(nèi)容較為單一。因此，認(rèn)為利用生物信息學(xué)初步篩選馬鈴薯關(guān)鍵耐旱性調(diào)控因子，構(gòu)建其互作網(wǎng)絡(luò)，建立完整的馬鈴薯耐旱性調(diào)控因子庫，最終確定核心調(diào)控因子應(yīng)作為重點(diǎn)研究對象。

5.3 解析馬鈴薯抗旱性分子新機(jī)制

由于馬鈴薯廣泛種植在缺水地區(qū)，而且隨著全球氣候變暖可能會進(jìn)一步加劇干旱的嚴(yán)重性。因此，了解馬鈴薯中抗旱性分子精確調(diào)控機(jī)制對于提高馬鈴薯產(chǎn)量至關(guān)重要。雖然目前已經(jīng)鑒定了少量的馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫基因的功能，但對這些基因作用網(wǎng)絡(luò)，分子機(jī)制認(rèn)識尚淺。在今后的研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注核心調(diào)控因子的作用機(jī)制，從而解析馬鈴薯抗旱的分子新機(jī)制。

5.4 定向改良馬鈴薯抗旱性，培育耐旱新品種

糧食安全關(guān)乎國民生計(jì)。馬鈴薯對中國的糧食安全戰(zhàn)略具有至關(guān)重要的作用。如何利用分子技術(shù)定向改良馬鈴薯的抗旱性，培育耐旱、高品質(zhì)的新品種成為馬鈴薯育種的主要方向之一。因此，解析馬鈴薯抗旱分子機(jī)制，建立關(guān)鍵調(diào)控因子的互作網(wǎng)絡(luò)，利用定點(diǎn)編輯技術(shù)，獲得優(yōu)良性狀的馬鈴薯品種可能是有效的方式之一。通過人工智能設(shè)計(jì)育種方案，建立有效的育種模型，選擇高效、準(zhǔn)確、省時(shí)的育種方式，從而構(gòu)建具有培育耐旱新品種的育種體系。