馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫的生理和分子遺傳機(jī)理研究現(xiàn)狀與展望

張 輝，黃 月，邵雨晴，郝惠珍，喻尚藝，初永琦，楊 鑫，朱曉彪，侯華蘭，呂釗彥

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，安徽 合肥 230036）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）是典型的溫帶氣候作物，繼水稻、小麥和玉米之后的世界第四大糧食作物。由于近年來(lái)馬鈴薯種植區(qū)域向干旱地區(qū)擴(kuò)展[1]，氣候變暖條件下干旱逆境發(fā)生的頻率也逐年遞增[2]。中國(guó)北方溫帶地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的45%和世界產(chǎn)量的10%，該地區(qū)的馬鈴薯在生育后期因降雨的不穩(wěn)定性以及灌溉設(shè)備和技術(shù)的缺乏，經(jīng)常遭受長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的干旱脅迫[3]。

馬鈴薯不同生育期對(duì)水分的需求不同[4]。馬鈴薯能在土壤相對(duì)含水量下限為苗期55%、塊莖形成期76%、塊莖膨大期77%、淀粉積累期58%時(shí)正常生長(zhǎng)[5]。相對(duì)于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，馬鈴薯在結(jié)薯期對(duì)干旱脅迫更加敏感[6]，當(dāng)土壤相對(duì)含水量不足85%時(shí)影響馬鈴薯植株的生長(zhǎng)及生物產(chǎn)量[7]。干旱脅迫在很大程度上影響馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)等[8]。

中國(guó)在馬鈴薯耐旱性的生理生化基礎(chǔ)和分子遺傳機(jī)理方面的研究具有局限性，進(jìn)展仍十分緩慢。在干旱對(duì)馬鈴薯的影響研究方面，學(xué)者們的研究結(jié)果沒有一致定論，缺乏統(tǒng)一的抗旱鑒定標(biāo)準(zhǔn)。且不同生育時(shí)期干旱脅迫對(duì)馬鈴薯的影響報(bào)道較少。因此，有必要研究馬鈴薯耐旱性的生理機(jī)制，完善抗旱性鑒定指標(biāo)，培育抗旱性品種，以便為馬鈴薯提質(zhì)增效生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文就目前干旱脅迫對(duì)馬鈴薯生理及分子等方面的影響進(jìn)行歸類整理（圖1），提出研究面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，為發(fā)展抗旱和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)相結(jié)合的種植管理與品種選育技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

干旱脅迫下馬鈴薯的產(chǎn)量能綜合反映不同品種對(duì)干旱脅迫的耐性強(qiáng)弱。在馬鈴薯整個(gè)的生長(zhǎng)過(guò)程中，中度或重度干旱脅迫導(dǎo)致葉片水勢(shì)降低，水分利用效率降低，導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)降低[7]。干旱脅迫下馬鈴薯的產(chǎn)量取決于干旱脅迫的時(shí)期、持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度以及品種類型[8,9]。干旱脅迫對(duì)不同品種的影響程度存在一定差異。張佳[10]對(duì)不同馬鈴薯品種進(jìn)行干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)所有品種的生長(zhǎng)都受到明顯的抑制，然而不同品種受抑制程度表現(xiàn)出差異性。有研究表明，不耐旱的馬鈴薯品種經(jīng)輕度干旱脅迫后會(huì)提高其凈光合速率、干物質(zhì)積累和塊莖品質(zhì)[11]。干旱脅迫也能通過(guò)降低根系對(duì)肥料的吸收利用率，從而影響塊莖的品質(zhì)。

2 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的影響

干旱脅迫下根最大限度地伸長(zhǎng)生長(zhǎng)來(lái)保證植株獲得更深層的土壤水分[12,13]。植株在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)，根系總根長(zhǎng)會(huì)增長(zhǎng)[14]。不僅同一種植物的根干物質(zhì)含量、匍匐莖數(shù)量會(huì)因不同的干旱脅迫出現(xiàn)各不相同的變化趨勢(shì)[15,16]，而且不同馬鈴薯品種的根系對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)變化也不同。馬鈴薯根系干物質(zhì)含量會(huì)隨干旱程度的加劇而下降，但相對(duì)于不耐旱品種，耐旱馬鈴薯品種的根系干物質(zhì)含量下降幅度較小。有研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)，耐旱馬鈴薯品種的根與未受到脅迫時(shí)相比長(zhǎng)度變長(zhǎng)，不耐旱品種的根長(zhǎng)度不變，但根徑大小都減小[17]。由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性，干旱對(duì)馬鈴薯根系生長(zhǎng)的影響因素較多，但植株更加傾向于增加地上部對(duì)干旱的適應(yīng)性改變[16]。

大部分植物葉片在土壤相對(duì)含水量低于40%～50%時(shí)停止生長(zhǎng)[15]，而馬鈴薯低于60%時(shí)就停止生長(zhǎng)，可見馬鈴薯對(duì)干旱脅迫具有高度敏感性[18]。干旱條件下，馬鈴薯植株最先是葉片停止生長(zhǎng)，導(dǎo)致植株冠層較根部更容易受到干旱脅迫的影響[19]。干旱脅迫導(dǎo)致葉片面積[17,19]和綠葉數(shù)量[20]降低。馬鈴薯主莖的粗度[21]和高度[21,22]也會(huì)受干旱脅迫的影響。干旱減少了馬鈴薯冠層的有效光合面積，從而導(dǎo)致減產(chǎn)[23]。

最近研究表明，干旱顯著降低了‘Karaka’‘Moonlight’和‘Russet Burbank’3 個(gè)品種的葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI），除了‘Karaka’，其他2 個(gè)品種的LAI 在受到干旱脅迫初期就開始下降。在植株生長(zhǎng)初期葉面積減少，導(dǎo)致干物質(zhì)含量下降。在對(duì)馬鈴薯品種‘Desirée’和‘Karú’的研究中發(fā)現(xiàn)干旱要比高溫對(duì)產(chǎn)量的影響更大，這是由于干旱對(duì)葉面積持續(xù)期（Leaf area duration,LAD）的影響導(dǎo)致的[24]。LAI 或者LAD 對(duì)植株的影響是不可逆的。所有試驗(yàn)結(jié)果均表明，LAD、LAI等影響因子互相作用，共同作用于塊莖生長(zhǎng)。但由于品種間冠層特性不同，品種間LAI表現(xiàn)不同。

干旱脅迫的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)不同品種的影響不同。由于晚熟品種通常較早熟品種需要更長(zhǎng)的時(shí)間形成相應(yīng)的冠層指數(shù)，對(duì)馬鈴薯進(jìn)行干旱脅迫時(shí)，晚熟品種正好是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)較強(qiáng)[25]。也有研究表明，晚熟品種在后期遭遇干旱脅迫后會(huì)推遲形成冠層的時(shí)間，并通過(guò)延長(zhǎng)形成時(shí)間來(lái)增加冠層面積以降低干旱脅迫對(duì)植株的影響，從而使植物能更大程度地恢復(fù)到原來(lái)生長(zhǎng)狀態(tài)。同時(shí)也有研究表明，干旱脅迫下晚熟品種的LAD 相對(duì)較長(zhǎng)，這也可以解釋晚熟品種能有較高的產(chǎn)量。因此，不同的研究因試驗(yàn)條件和品種的差異，得出的結(jié)論有一定的差異，目前沒有較一致的品種抗旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

3 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯生理生化特性的影響

3.1 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯光合特性的影響

植株在受到干旱脅迫時(shí)，潛在光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量、葉面積、生物量、產(chǎn)量等指標(biāo)與常規(guī)對(duì)照相比差異顯著。在干旱脅迫下，植物保衛(wèi)細(xì)胞失水，引起氣孔關(guān)閉，從而影響光合速率[26]。干旱脅迫下小麥[27]、水稻[28]等作物的根系合成的脫落酸（Abscisic acid，ABA）是根系向地上部信息輸送的重要分子，同時(shí)也是氣孔導(dǎo)度的重要調(diào)控因子。在適度干旱脅迫下，馬鈴薯根系A(chǔ)BA 含量會(huì)隨著土壤水分的變化而變化。有研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯處于中度干旱脅迫時(shí)維管束木質(zhì)部中的ABA 含量與根系中ABA 含量變化呈線性相關(guān)，氣孔導(dǎo)度也隨之變化。這一結(jié)果表明，根系與地上部之間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)氣孔導(dǎo)度的變化有重要影響。但是，在嚴(yán)重干旱脅迫下，ABA 與氣孔導(dǎo)度的相關(guān)性卻不顯著[29]。這說(shuō)明馬鈴薯在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)應(yīng)還有其他未知調(diào)控氣孔的機(jī)制。

輕度干旱脅迫下，葉綠素含量升高，而氣孔導(dǎo)度降低，凈光合速率下降，說(shuō)明在輕度干旱脅迫下，葉綠素含量增加可能是非功能性葉綠素含量增加而與碳同化無(wú)關(guān)。中度和重度干旱脅迫下，葉綠素含量（SPAD）都升高，且其含量與馬鈴薯品種耐旱性呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在中度和重度干旱脅迫下，葉綠素含量可以作為抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)[30]。尹智宇等[31]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫后，不同馬鈴薯品種葉片的光合作用受到影響，其受損害程度因品種而異，但受到脅迫后的不同品種馬鈴薯的葉片氣孔導(dǎo)度（Stomatal conductance，Gs）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）、凈光合速率（Net photosynthesis rate，Pn）、胞間CO2濃度（Internal CO2，Ci）均較對(duì)照組降低。

在干旱脅迫下，葉片水分含量是影響光合性能的一個(gè)重要因素。壓力-容積參數(shù)如滲透失水勢(shì)（Ψtlp）、細(xì)胞滲透勢(shì)（πo）、體積彈性模量（ε）、葉子電容等與光合作用和葉片碳含量有關(guān)。不同馬鈴薯品種在干旱脅迫下的氣孔行為不同，導(dǎo)致電子通量變化不同，而葉片電子通量的多少?zèng)Q定干旱脅迫下葉片是否能保持正常光合作用[32]。同時(shí)也有研究表明，在干旱脅迫下，植株葉片氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致二氧化碳同化率和蒸騰速率下降，從而抑制光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，造成產(chǎn)量降低[33]。

3.2 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)和膜穩(wěn)定性的影響

細(xì)胞膜是阻止外來(lái)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的屏障，既能保證胞內(nèi)正常的生理代謝反應(yīng)，又能調(diào)節(jié)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，從而保持正常的滲透壓[31]。在干旱脅迫下，植株細(xì)胞膜透性增加，可溶性蛋白、電解質(zhì)等物質(zhì)外滲，造成組織浸出液的電導(dǎo)率增大[34]。并在持續(xù)干旱脅迫下，細(xì)胞膜會(huì)受到不可逆的傷害。同時(shí)，由于細(xì)胞膜透性增加，細(xì)胞膜過(guò)氧化作用使細(xì)胞中丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量增加，從而膜脂過(guò)氧化程度加劇，細(xì)胞膜受損情況加重。這是因?yàn)楦珊得{迫下，細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，內(nèi)含物驟縮，染色質(zhì)凝聚并邊緣化，同時(shí)細(xì)胞壁變厚出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象[35]。不同馬鈴薯品種在干旱脅迫下，MDA 含量都與抗旱系數(shù)呈極顯著的正相關(guān)[36]。說(shuō)明MDA 含量在一定水平上可作為評(píng)價(jià)馬鈴薯耐旱性的生理指標(biāo)[37]。

干旱脅迫對(duì)線粒體、葉綠體有不同程度的損傷，其中葉綠體受損最為嚴(yán)重。干旱脅迫后，線粒體脊減少，外形變長(zhǎng)，核膜破裂。而葉綠體基粒變形、排列混亂、變膨脹，內(nèi)囊體腔變小，在葉綠體受損嚴(yán)重情況下，解體現(xiàn)象出現(xiàn)。由于葉綠體對(duì)水分虧缺反應(yīng)敏感，且葉綠體受損程度因品種而異，說(shuō)明葉綠體受損程度也可作為馬鈴薯品種抗旱性鑒定指標(biāo)之一[38]。干旱脅迫因增加葉片中柵欄組織和海綿層的厚度從而導(dǎo)致葉片厚度的增加，同時(shí)使根系皮層厚度增加、薄壁細(xì)胞組織厚度減少。

3.3 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)是植物適應(yīng)干旱脅迫的重要生理指標(biāo)，主要有脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（Soluble protein，SP）、可溶性糖（Soluble sugar，SS）[39]。在干旱脅迫下，這些物質(zhì)能使細(xì)胞溶質(zhì)濃度升高，脯氨酸能通過(guò)調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞的水勢(shì)來(lái)改變細(xì)胞的滲透勢(shì)[30,40]；但干旱脅迫下，可溶性蛋白含量增加的變幅程度因品種而異[41]。李健[42]認(rèn)為，葉片中可溶性蛋白含量對(duì)于馬鈴薯適應(yīng)干旱環(huán)境具有重要意義，其含量增幅越大，馬鈴薯的抗旱性越強(qiáng)。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（Non-structural carbohydrate，NSC）在塊莖中的含量與干旱脅迫程度呈正相關(guān)，且在輕度干旱脅迫下塊莖淀粉含量高于對(duì)照組，而塊莖蔗糖含量隨干旱脅迫程度的加劇卻呈降低趨勢(shì)[43]。

過(guò)氧化物酶（Peroxidase，POD）和超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等抗氧化酶在馬鈴薯抗旱逆境中起重要作用[44]?？寡趸赶到y(tǒng)在植物處于逆境時(shí)主要發(fā)揮清除細(xì)胞內(nèi)多余活性氧的作用，在植物受到逆境脅迫時(shí)抗氧化酶活性會(huì)迅速升高，及時(shí)對(duì)多余活性氧做出應(yīng)激反應(yīng)。當(dāng)植物處于干旱脅迫時(shí)，脯氨酸含量也會(huì)發(fā)生變化，其含量變?yōu)樵紨?shù)值的10 倍，脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體在脯氨酸應(yīng)答干旱脅迫過(guò)程中起著關(guān)鍵的橋梁作用[45]。

3.4 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯源庫(kù)糖代謝特性的影響

源-庫(kù)理論認(rèn)為，源制造或輸出同化物。植株的功能葉是最大的源端，其主要作用是進(jìn)行糖類化合物的合成。干旱脅迫下，合成糖類的關(guān)鍵酶（磷酸果糖脂酶）活性被抑制[46]，同時(shí)，干旱脅迫使馬鈴薯葉片葉綠素的生物合成速率降低，葉綠素蛋白復(fù)合體、光合電子傳遞鏈上的蛋白復(fù)合體PSII 等源的活性呈不同程度的降低趨勢(shì)，使庫(kù)的輸入占比減少，從而降低塊莖的產(chǎn)量。代謝庫(kù)是指貯藏或消耗同化產(chǎn)物的場(chǎng)所，對(duì)于馬鈴薯而言，塊莖是主要的庫(kù)器官，其塊莖產(chǎn)量的大小是衡量庫(kù)大小的重要指標(biāo)。不同碳組織接收糖的能力取決于他們的庫(kù)強(qiáng)[47]。而庫(kù)強(qiáng)與蔗糖合成酶（Sucrose synthase，SuSy）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophosphorylase，AGPase）等淀粉合成關(guān)鍵酶的活性有關(guān)，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致這些酶活性降低[48]。干旱脅迫通過(guò)影響植株光合作用、木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸來(lái)影響碳的分配。在植物中，糖在源庫(kù)組織之間的轉(zhuǎn)運(yùn)形式主要是蔗糖分子或棉子糖系列寡糖（Raffinose family oligosaccharides，RFOs）[49]。淀粉在碳分配過(guò)程中被轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)化為蔗糖，淀粉的儲(chǔ)存和再轉(zhuǎn)化與光合蔗糖的合成相互影響，是糖最后輸出到吸收組織的最終物質(zhì)[50]。所以在植株受干旱脅迫期間，如何使成熟葉片糖有效輸出是提高塊莖產(chǎn)量的一個(gè)關(guān)鍵因素[51]。干旱脅迫對(duì)高淀粉品種影響較大，在干旱脅迫下，其直鏈淀粉、支鏈淀粉、粗淀粉含量要比低淀粉品種降低得更多。在馬鈴薯塊莖形成期對(duì)其進(jìn)行干旱脅迫，馬鈴薯生長(zhǎng)受阻，不利于光合產(chǎn)物向塊莖分配，造成馬鈴薯塊莖中干物質(zhì)含量、還原糖含量的下降[52]。在蘇亞拉其其格等[53]研究中，不同的干旱脅迫均會(huì)阻礙蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)，影響單薯重。但李鑫等[11]研究表明，馬鈴薯經(jīng)輕度干旱脅迫后，凈光合速率、干物質(zhì)積累和塊莖品質(zhì)會(huì)升高。

4 馬鈴薯響應(yīng)干旱脅迫的分子遺傳機(jī)制

4.1 馬鈴薯耐干旱相關(guān)基因的挖掘及解析

馬鈴薯抗旱性狀是以基因加性作用為主的多基因遺傳性狀，抗旱調(diào)節(jié)過(guò)程是多信號(hào)途徑參與的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程。解析包括表觀遺傳調(diào)控和經(jīng)典遺傳調(diào)控機(jī)制在內(nèi)的植物響應(yīng)干旱脅迫的分子機(jī)制，對(duì)于提高馬鈴薯耐旱性研究具有重要意義。目前，在一些作物耐旱性的研究中，已公開發(fā)表了68 個(gè)抗旱相關(guān)基因，其中調(diào)控基因MYB 類轉(zhuǎn)錄因子、DREB 類轉(zhuǎn)錄因子、NAC 類轉(zhuǎn)錄因子和功能基因P5PCs、MIPs1與馬鈴薯抗旱有關(guān)。在干旱脅迫誘導(dǎo)下，ABRE∕MYC∕CAAT-BO和MYB作用元件通過(guò)DNA 甲基化來(lái)調(diào)控馬鈴薯以響應(yīng)干旱脅迫[54]。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析，篩選出的StEPF1、StSTOMAGEN基因在植株遭遇干旱脅迫時(shí)，通過(guò)調(diào)控氣孔密度來(lái)增強(qiáng)光合作用，進(jìn)而提高馬鈴薯的抗旱能力[55]。同時(shí)，馬鈴薯中關(guān)于抗旱的轉(zhuǎn)錄因子也大量被發(fā)現(xiàn)，如TAS14[56]、Aux∕IAA 轉(zhuǎn)錄因子[57]、NAC 轉(zhuǎn)錄因子[58]等。此外，有研究證明StDRO1[59]、StCDPK22[60]、stRFP2[61]等基因在調(diào)控抗旱性方面也具有十分重要的意義。但與馬鈴薯耐旱性相關(guān)基因的研究主要集中在葉片蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子、滲透調(diào)節(jié)等相關(guān)方面上，對(duì)于根系的相關(guān)基因研究甚少。

水通道蛋白（Aquaporins，AQPs），也稱水孔蛋白，是細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)水等中性分子的特異通道蛋白，能調(diào)節(jié)胞間乃至植物整株的水分平衡。已有研究表明，馬鈴薯水通道蛋白StPIP1基因的表達(dá)與植株遭受不同程度的干旱脅迫相關(guān)[62]。在干旱脅迫下，能過(guò)量表達(dá)StPIP1基因的馬鈴薯可通過(guò)降低膜的受損程度，使?jié)B透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累增多，光合速率、氣孔導(dǎo)度提高，蒸騰速率降低，從而對(duì)干旱逆境表現(xiàn)出一定的抗性[63]。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用能在一定程度上提高馬鈴薯的抗旱性。研究發(fā)現(xiàn)，AtCDPK1基因能通過(guò)提高馬鈴薯的可溶性糖和脯氨酸的含量以增強(qiáng)保水能力來(lái)應(yīng)對(duì)外界干旱脅迫[64]。同時(shí)，對(duì)于同一品種而言，轉(zhuǎn)基因的馬鈴薯材料還具有較高水平的POD、SOD。通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將擬南芥CPD和DWF4導(dǎo)入馬鈴薯，能使CPD和DWF4基因編碼的油菜素內(nèi)脂的限速酶C-3 氧化酶、C-22 羥化酶表達(dá)增強(qiáng)，從而提高馬鈴薯抗旱性[65]。植物在干早脅迫下會(huì)產(chǎn)生多種逆境響應(yīng)蛋白，脫水素（Dehydrin，DNT）是胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白（Late embryogenesis abundant proteins，LEA）第二家族成員，具有廣泛的生物學(xué)功能，在干旱條件下能發(fā)揮清除羥基自由基防止膜脂過(guò)氧化的作用，還可作為分子伴侶結(jié)合DNA∕RNA 以保護(hù)體內(nèi)蛋白質(zhì)[66]。也有研究表明，轉(zhuǎn)錄出的mRNA 的修飾在抗逆方面也起重要作用[67]。白少星[68]研究表明，在脅迫條件下StSf-2及StDH基因的mRNA 在同一時(shí)期生長(zhǎng)的馬鈴薯葉片中的積累量明顯高于對(duì)照組，說(shuō)明StSf-2及StDH基因在水分脅迫下可能參與了調(diào)節(jié)馬鈴薯抗旱性的過(guò)程。張麗莉等[38]研究表明，在干旱脅迫誘導(dǎo)下馬鈴薯StAREB基因表達(dá)顯著上調(diào)，在整個(gè)脅迫過(guò)程中基因表達(dá)量都處于較高水平，且與干旱誘導(dǎo)的差異蛋白相關(guān)基因在抗旱性強(qiáng)的品種中顯著上調(diào)表達(dá)基因數(shù)量多于不抗旱品種。范敏等[69]研究結(jié)果表明，F(xiàn)3H、FLS和HYD-1基因參與了馬鈴薯抗旱調(diào)控過(guò)程，但在不同的品系中這些基因參與調(diào)控的機(jī)制可能不同。武新娟等[70]通過(guò)同源序列法在馬鈴薯抗旱品種中克隆出部分Fe-SOD基因片段，這段基因序列與其他植物中相似性高，這一結(jié)果表明今后也可利用同源序列法，克隆其他與馬鈴薯抗旱相關(guān)蛋白基因，為培育馬鈴薯抗旱轉(zhuǎn)基因品種奠定基礎(chǔ)。植物在受到逆境刺激后，植物體通過(guò)信號(hào)分子對(duì)相關(guān)抗逆蛋白基因和蛋白的表達(dá)，使自身形態(tài)和生理生化指標(biāo)產(chǎn)生一定變化。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，影響馬鈴薯產(chǎn)量形成的生理特性和植株生長(zhǎng)發(fā)育各環(huán)節(jié)對(duì)干旱的響應(yīng)機(jī)制可能具有相對(duì)獨(dú)立的遺傳基礎(chǔ)，應(yīng)采用功能基因組學(xué)技術(shù)分別對(duì)馬鈴薯耐旱性遺傳和生理分子機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究。

4.2 馬鈴薯耐旱性的分子遺傳機(jī)理

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)、功能基因組學(xué)技術(shù)、高通量測(cè)序技術(shù)、基因工程等新興技術(shù)逐漸成熟，為探明作物耐旱性的生理分子機(jī)制提供了有力工具。對(duì)所有與干旱脅迫相關(guān)的研究進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，干旱脅迫能從轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白功能、DNA 甲基化等多個(gè)方面對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，且目前已鑒定出包括磷酸肌醇代謝通路、糖酵解與糖異生、谷胱甘肽代謝通路、MAPK 信號(hào)通路、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等多個(gè)響應(yīng)干旱脅迫的主要代謝通路。干旱脅迫下，玉米的WRKY 轉(zhuǎn)錄因子家族在響應(yīng)干旱脅迫時(shí)可能發(fā)揮著關(guān)鍵作用[71]。對(duì)于較不耐旱馬鈴薯品種的DEGs上游1 500 bp 啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)行順式作用原件和甲基化CpG 島分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下參與植物谷胱甘肽代謝的GST基因通過(guò)DNA 去甲基化來(lái)降低啟動(dòng)子區(qū)ABRE和CAAT-box作用元件的甲基化水平，進(jìn)而激活該基因的表達(dá)以應(yīng)對(duì)干旱脅迫[72]。在馬鈴薯的半乳糖醛酸轉(zhuǎn)移酶（Galacturonyltransferase，GAUT）家族基因中共鑒定出6 個(gè)相關(guān)干旱脅迫的差異表達(dá)基因，其發(fā)揮的具體作用值得進(jìn)一步深入研究。

ABA 對(duì)于植物根系在響應(yīng)干旱脅迫時(shí)起重要作用，研究表明9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶（Nine-cis-epoxycarotenoid dioxygenase，NCED）是ABA 合成的限速酶，能與其他激素共同作用來(lái)應(yīng)對(duì)干旱脅迫。水稻、小麥能通過(guò)根系構(gòu)型的變化來(lái)應(yīng)對(duì)干旱脅迫，這些作物的DRO1基因通過(guò)不同的發(fā)育模式來(lái)調(diào)控作物應(yīng)對(duì)干旱脅迫。現(xiàn)階段，小麥的DRO1基因、馬鈴薯中StDRO1基因?qū)Ω珊得{迫的響應(yīng)已有了初步研究[73,74]。

5 展 望

5.1 通過(guò)干旱鍛煉提高馬鈴薯抗旱性

馬鈴薯生長(zhǎng)的各個(gè)時(shí)期在處于各種非生物脅迫時(shí)會(huì)面臨高風(fēng)險(xiǎn)的損害。對(duì)植物生長(zhǎng)前期進(jìn)行輕度脅迫，植物會(huì)發(fā)生一系列生理與形態(tài)變化，這使植物在再次遭受脅迫時(shí)，能及時(shí)響應(yīng)以應(yīng)對(duì)脅迫。這被一些研究人員稱之為植物的脅迫記憶能力，即包括生理形態(tài)的適應(yīng)性變化、保護(hù)蛋白、轉(zhuǎn)錄水平和甲基化機(jī)制。已有大量研究表明，前期的輕度非生物脅迫會(huì)影響植物再次遭受脅迫時(shí)響應(yīng)的速度[75]。這些過(guò)程可以出現(xiàn)在種子萌發(fā)過(guò)程、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程、生殖生長(zhǎng)過(guò)程等植物生命周期中[25]。

馬鈴薯等作物能通過(guò)干旱鍛煉的方法增強(qiáng)植株的耐旱能力[76]。因此，對(duì)馬鈴薯進(jìn)行抗旱鍛煉也是一種提高其耐干旱能力的方法。此外，汪波[77]研究表明，在馬鈴薯塊莖膨大期進(jìn)行輕度干旱后復(fù)水處理，其與未經(jīng)輕度干旱后復(fù)水處理相比產(chǎn)量和水分利用效率分別提高了6.3%和17.5%，表現(xiàn)出超補(bǔ)償效應(yīng)，這一結(jié)果說(shuō)明植物在通過(guò)適當(dāng)?shù)母珊靛憻捄螅梢栽鰪?qiáng)源的供應(yīng)能力。當(dāng)植物經(jīng)歷干旱鍛煉后，抗氧化酶及非酶抗氧化物質(zhì)抗壞血酸（Ascorbic acid，ASA）、谷胱甘肽（Glutathione，GSH）含量顯著提升，根系滲透勢(shì)低于未經(jīng)前代干旱鍛煉的植株。同時(shí)，輕度的干旱鍛煉能提高淀粉與蔗糖轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶活性，從而提高庫(kù)活力，并表現(xiàn)為單薯重的提高；在對(duì)葉片光合作用的影響方面，經(jīng)干旱鍛煉的小麥的FV∕FM，PSII 活性顯著高于未經(jīng)干旱鍛煉的植株，說(shuō)明對(duì)植物上一代進(jìn)行干旱鍛煉在很大程度上可以緩解干旱脅迫對(duì)小麥PSII 的影響，從而獲得較高的凈光合速率。譚曉榮等[78]發(fā)現(xiàn)，循環(huán)干旱鍛煉能提高植株在干旱脅迫下谷胱甘肽和抗壞血酸的含量，緩解由干旱脅迫引起的膜損傷，最終提高其抗旱性。對(duì)小桐子幼苗進(jìn)行干旱鍛煉可通過(guò)提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量從而提高抗旱性[79]。徐超華等[80]對(duì)煙草進(jìn)行控水-半萎蔫-復(fù)水-恢復(fù)循環(huán)模式的干旱鍛煉，在隨后的干旱脅迫20 d期間，經(jīng)過(guò)鍛煉的煙草較對(duì)照組表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐旱性。其原因可能是循環(huán)干旱鍛煉提高了光合系統(tǒng)的活性。由于前期干旱鍛煉提高了植株再次應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)激素的響應(yīng)速度，使其更快地調(diào)節(jié)脅迫響應(yīng)通路，生理、生化等方面做出更快的響應(yīng)[33]。在對(duì)木薯的研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)木薯進(jìn)行前期干旱鍛煉可以提高激素和可溶性糖含量，從而增強(qiáng)其抗旱性[81]。因此，干旱鍛煉對(duì)提高馬鈴薯抗旱性是一種可行的措施。

5.2 完善干旱脅迫下馬鈴薯田間綜合防控措施

研究發(fā)現(xiàn)噴施6-芐氨基嘌呤（6-Benzylamino purine，6-BA）、ABA、α-萘乙酸（α-Naphthalene acetic acid，NAA）等植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑能提高植株體內(nèi)的激素含量和以ADP 焦磷酸化酶（ADPglucose pyrophosphorylase，ADPGase）為主的碳代謝酶活性，促進(jìn)光合產(chǎn)物在塊莖膨大期向塊莖的運(yùn)轉(zhuǎn)速率，并減緩干旱脅迫的影響，進(jìn)一步提高馬鈴薯產(chǎn)量[82]。對(duì)大豆、玉米噴施褪黑素、亞精胺以及在谷子上施用獨(dú)腳金內(nèi)酯發(fā)現(xiàn)，外施激素以及外源抗氧化酶等物質(zhì)可以調(diào)節(jié)植株體內(nèi)抗旱體系的動(dòng)態(tài)平衡，增強(qiáng)植株的抗旱性[83,84]。因此，噴施植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)馬鈴薯抗旱生產(chǎn)而言是一條可行的途徑。此外，精準(zhǔn)施肥、完善栽培管理機(jī)制對(duì)提高植株的抗性也有幫助。在掌握馬鈴薯耐旱性的生理及分子遺傳機(jī)制上，監(jiān)控小氣候環(huán)境，因地制宜，采取有效措施，也能降低干旱脅迫對(duì)馬鈴薯的影響。

5.3 建立高效耐旱馬鈴薯相關(guān)評(píng)價(jià)體系

目前馬鈴薯品種在干旱脅迫下指標(biāo)的變化不一致，評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一性。對(duì)117 份馬鈴薯材料的根長(zhǎng)、株高、葉片數(shù)、根數(shù)、莖鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量的耐旱系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，株高、根鮮質(zhì)量與各個(gè)性狀無(wú)相關(guān)性，即單個(gè)性狀不能有效地評(píng)價(jià)馬鈴薯抗旱性，需對(duì)多個(gè)抗旱鑒定指標(biāo)進(jìn)行疊加，才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)馬鈴薯的耐旱特性[85]。與此同時(shí)，耐旱性不同的馬鈴薯品種在獨(dú)立的田間和溫室試驗(yàn)對(duì)干旱脅迫的系統(tǒng)響應(yīng)存在顯著差異[86]，目前大部分抗旱鑒定只局限于試管苗和盆栽苗，需結(jié)合田間試驗(yàn)對(duì)抗旱指標(biāo)做精準(zhǔn)的鑒定。生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)于馬鈴薯的塊莖形成及產(chǎn)量影響至關(guān)重要，有關(guān)研究指出，生長(zhǎng)指標(biāo)中冠氣溫差、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度對(duì)干旱脅迫最為敏感，這些生長(zhǎng)指標(biāo)可以作為馬鈴薯抗旱性的鑒定指標(biāo)。此外，以形態(tài)、生理參數(shù)等綜合響應(yīng)指標(biāo)為基礎(chǔ)指標(biāo)對(duì)篩選和鑒定耐旱性馬鈴薯品種也是一條重要途徑[87]。余斌[88]以形態(tài)指標(biāo)參數(shù)響應(yīng)干旱脅迫指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)119 份馬鈴薯種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)鑒分型，發(fā)現(xiàn)所測(cè)性狀指標(biāo)中冠氣溫差、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度對(duì)干旱脅迫最為敏感，其耐旱系數(shù)與植株表型性狀及光合生理指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，表明冠氣溫差可作為馬鈴薯耐旱性鑒定指標(biāo)進(jìn)行應(yīng)用。脫落酸和環(huán)境脅迫誘導(dǎo)蛋白TAS14 在嚴(yán)重干旱條件下被高度誘導(dǎo)，也可作為植物感知脅迫水平的可靠生物標(biāo)志物。鄧珍[89]將200 個(gè)基因型分為五類，73 個(gè)基因型歸為耐旱性，86 個(gè)基因型歸為中等耐旱性，41 個(gè)基因型歸為不耐旱性，表明現(xiàn)代生物技術(shù)可根據(jù)QTLs 定位聚類分析法篩選耐旱性鑒定指標(biāo)。

有研究表明，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸[61]、可溶性蛋白[90]等含量變化可作為馬鈴薯抗旱性的鑒定指標(biāo)。脯氨酸含量變幅在一定程度上反映了植株的抗旱性，其在重度干旱脅迫下生理生化水平變化與抗旱性密切相關(guān)。由于不同馬鈴薯品種對(duì)干旱脅迫反應(yīng)機(jī)制不同，可溶性糖在干旱脅迫時(shí)的含量變化趨勢(shì)不同，可溶性糖含量作為抗旱指標(biāo)還需進(jìn)一步系統(tǒng)研究[37]。不同品種馬鈴薯對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)不同，SOD 活性并不與抗旱性有明顯的相關(guān)性[91]，且不同方式干旱脅迫試驗(yàn)中，POD的活性變化程度也不一致，也不能作為抗旱性的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。由于植物體內(nèi)各種生理變化之間的聯(lián)系研究也缺乏系統(tǒng)性，因此僅用簡(jiǎn)單的幾個(gè)生理指標(biāo)作為抗旱性鑒定指標(biāo)缺乏準(zhǔn)確性，因此，抗旱體系的構(gòu)建還需要進(jìn)一步完善。

5.4 發(fā)掘和培育耐旱新種質(zhì)

從根本上解決馬鈴薯抗旱能力提升問(wèn)題，需結(jié)合轉(zhuǎn)基因技術(shù)來(lái)培育抗旱性新品種。傳統(tǒng)的育種方法有誘變育種、雜交育種等，但育種時(shí)間較長(zhǎng)。與之相比，轉(zhuǎn)基因技術(shù)是一條有效的途徑?；蚓庉嬣D(zhuǎn)基因手段可創(chuàng)制新材料，這些材料能用于育種實(shí)踐。以往的研究大多以馬鈴薯耐旱性差異品種、灌溉模式、種植模式等方面為切入點(diǎn)來(lái)研究耐旱性，未來(lái)可以前期干旱鍛煉為切入點(diǎn)來(lái)研究馬鈴薯生育后期的耐旱性，研究前期干旱鍛煉對(duì)生育后期耐旱性增強(qiáng)的生理機(jī)理，挖掘到的耐旱性增強(qiáng)的關(guān)鍵候選基因可為馬鈴薯耐旱性育種提供新的理論依據(jù)和基因資源?，F(xiàn)已有聶利珍等[65]和聶利珍[92]研究表明，過(guò)表達(dá)CDPK1轉(zhuǎn)基因馬鈴薯材料在20%PEG 模擬干旱脅迫下葉片中脯氨酸含量較對(duì)照組提高了34%，MDA 含量降低了31%，其抗旱性能顯著提高。同時(shí)，轉(zhuǎn)CDPK1基因耐旱馬鈴薯材料的獲取也能進(jìn)行抗旱分子的機(jī)理研究。作物抗旱性的有效改善需要許多不同性狀的綜合協(xié)同作用，不同的組合適合不同的生長(zhǎng)環(huán)境。高通量精確表型平臺(tái)的發(fā)展為精確篩選耐旱基因提供了一個(gè)至關(guān)重要的新工具，結(jié)合創(chuàng)新篩選策略，可以幫助干旱相關(guān)基因的選擇和適合特定環(huán)境。同時(shí)，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和生物工程的研究成果無(wú)疑是對(duì)傳統(tǒng)育種的補(bǔ)充，并為培育耐旱馬鈴薯品種提供了另一條途徑。

5.5 完善抗、耐旱新機(jī)制

國(guó)內(nèi)在長(zhǎng)期的馬鈴薯育種中使用遺傳背景相近的種質(zhì)資源，從而造成現(xiàn)有栽培品種遺傳基礎(chǔ)狹窄、親緣關(guān)系近、選育品種類型相似等現(xiàn)象，可引進(jìn)國(guó)外的抗旱性野生馬鈴薯品種來(lái)解決這一問(wèn)題。在馬鈴薯產(chǎn)量形成的非關(guān)鍵期進(jìn)行低強(qiáng)度的干旱鍛煉，并于干旱敏感期進(jìn)行相對(duì)較大強(qiáng)度的干旱脅迫，系統(tǒng)分析馬鈴薯植株形態(tài)、葉片水分狀況、氣孔分布及形態(tài)特性、光合能力、葉片和根系中與逆境應(yīng)答相關(guān)生理及分子指標(biāo)，可以揭示馬鈴薯耐旱性增強(qiáng)的生理機(jī)理；并通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，挖掘耐旱性候選基因，運(yùn)用RNA 干擾沉默和基因過(guò)表達(dá)技術(shù)，對(duì)篩選到的關(guān)鍵候選基因進(jìn)行功能驗(yàn)證，能揭示干旱鍛煉增強(qiáng)馬鈴薯耐旱性的分子機(jī)理。

已有研究表明，通過(guò)分析栽培品種應(yīng)對(duì)干旱脅迫的早期響應(yīng)過(guò)程，可獲得馬鈴薯早期干旱應(yīng)答的關(guān)鍵候選基因。同時(shí)，在干旱脅迫下，迅速達(dá)到指數(shù)生長(zhǎng)和最大冠層覆蓋度對(duì)塊莖形成和塊莖膨大有負(fù)面影響；在干旱脅迫下，生長(zhǎng)速率、最大冠層覆蓋度和冠層曲線下面積（生長(zhǎng)季節(jié)的光合能力）對(duì)塊莖的膨大較塊莖的形成更重要。另外，馬鈴薯高產(chǎn)品種被鑒定為提高抗旱性的潛在材料。這些發(fā)現(xiàn)將有助于在氣候變化的情況下培育耐旱馬鈴薯品種。

就目前研究，雖已從不同角度探索植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)及適應(yīng)機(jī)理，但很難準(zhǔn)確地證實(shí)這些生理參數(shù)的變化可以從本質(zhì)上增強(qiáng)植物的耐旱特性。與大多數(shù)對(duì)植物的干旱脅迫的抗性研究相比，馬鈴薯在抗旱性方面研究缺乏系統(tǒng)性，且從馬鈴薯抗旱性研究本身來(lái)看，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究相對(duì)落后。國(guó)內(nèi)對(duì)于馬鈴薯抗旱性的研究大多是基礎(chǔ)性研究，且是研究1或2個(gè)環(huán)境因子對(duì)馬鈴薯的脅迫反應(yīng)，但影響馬鈴薯抗逆能力的因素較多；同時(shí)，有關(guān)分子水平上的抗旱性機(jī)理的研究相對(duì)較少。因此，在今后研究中可再進(jìn)一步完善馬鈴薯耐旱性形成的機(jī)理研究。