小麥抗旱性鑒定及基因資源挖掘

毛虎德，杜琳穎，康振生

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小麥抗旱性鑒定及基因資源挖掘

毛虎德，杜琳穎，康振生

西北農(nóng)林科技大學/作物抗逆與高效生產(chǎn)全國重點實驗室，陜西楊凌 712100

小麥（L.）是全球最重要的糧食作物之一，在全球氣候變化和水資源緊缺的背景下，干旱缺水成為限制小麥生產(chǎn)最主要的逆境因子之一，選育抗旱節(jié)水品種是小麥應(yīng)對環(huán)境脅迫的重要途徑。小麥的抗旱性研究涉及多個方面，包括小麥不同生長時期抗旱指標的建立、抗旱基因的挖掘與鑒定、抗旱相關(guān)優(yōu)異等位基因的挖掘和利用、抗旱品種的篩選與評價等。從多個維度綜合研究小麥抗旱性，有利于理解小麥的生長適應(yīng)機制，加速抗旱品種的選育與推廣，從而應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，保障糧食安全。

植物根系能夠直接感受土壤環(huán)境中的水分、養(yǎng)分及機械阻力變化，從土壤中最大限度地獲取水分和營養(yǎng)，保證植物地上部分的正常生長[1]。解析小麥根系構(gòu)型與生長環(huán)境的關(guān)系，針對不同干旱環(huán)境精確地改良和選擇適當根系構(gòu)型，提高農(nóng)作物的抗旱性和水分利用效率，對遺傳改良培育節(jié)水抗旱小麥新品種具有重要意義。根系構(gòu)型主要由根的長度、直徑、分支、根毛和表面積等因素決定，近年來，在根系特征性狀的遺傳基礎(chǔ)、調(diào)控基因研究等方面取得了一系列成果[2-4]，其中，關(guān)于根系特征及其與產(chǎn)量的關(guān)系[5]、干旱脅迫對小麥根系特征的影響[6]、小麥根系性狀位點的挖掘與鑒定等具體層次的研究較多[7-9]，而宏觀全局層次、系統(tǒng)化多視角分析比較少見。本專題論文《小麥根系構(gòu)型及抗旱性研究進展》[10]綜述了目前根系構(gòu)型在調(diào)控小麥抗旱性方面的研究進展。通過系統(tǒng)介紹根向性生長，特別是根向重力性生長對植物根系結(jié)構(gòu)的塑造作用，總結(jié)了目前挖掘到參與根系向重力性生長的相關(guān)基因及其分子調(diào)控機制，闡述了根向性生長調(diào)控的根系構(gòu)型如何介導小麥對干旱脅迫的適應(yīng)；隨后，針對具體的根系表型，進一步綜述了在干旱脅迫條件下小麥如何通過調(diào)控根系發(fā)育來改變根系形態(tài)，包括增加根長、調(diào)控側(cè)根數(shù)量和根毛密度等，來增強小麥對土壤水分的吸收和對干旱環(huán)境的適應(yīng)；同時，系統(tǒng)總結(jié)了干旱脅迫條件下參與調(diào)控作物尤其小麥根系發(fā)育的相關(guān)基因及其分子調(diào)控機制。針對根系構(gòu)型解析的研究難點，歸納整理了可用于小麥根系二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)表型分析的技術(shù)，并展望了改良根系結(jié)構(gòu)在小麥抗旱育種中的應(yīng)用前景，討論了如何挖掘更多潛在的小麥根系構(gòu)型調(diào)控基因，以及解析相關(guān)基因的調(diào)控機理。

鑒定、篩選和培育抗旱小麥品種是解決干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)資源用水短缺、促進小麥產(chǎn)量提高的重要方法。迄今為止，有關(guān)春小麥苗期抗旱能力的鑒選工作已經(jīng)取得一些重要成果，如研究發(fā)現(xiàn)，最大根長、胚芽鞘長、根冠比、地上地下部干鮮質(zhì)量、苗高等多項指標被報道可以用于鑒定小麥抗旱性[11-15]。然而，單一指標不能全面、有效地評價各品種的抗旱性，而將多個苗期生長指標進行綜合評價來分析春小麥苗期抗旱性的研究較少。本專題論文《244份春小麥苗期抗旱性的鑒定》[16]以來自10個不同地區(qū)的244份春小麥品種（系）為試驗材料，利用控制含水量法進行苗期干旱脅迫，通過測定最大根長（maximum root length，MRL）、第一葉長（first leaf length，F(xiàn)LL）、第一葉寬（first leaf width，F(xiàn)LW）、胚芽鞘長（coleoptile length，CL）、地上部鮮重（shoot fresh weight，SFW）和地下部鮮重（root fresh weight，RFW）等13個苗期指標，利用描述統(tǒng)計法、隸屬函數(shù)法、主成分分析、聚類分析和相關(guān)性分析等方法對各春小麥品種（系）的抗旱性進行綜合評價，鑒定到22份高抗旱品種（系），并將不同抗旱等級的小麥群體之間進行方差分析，發(fā)現(xiàn)高抗旱和抗旱材料在第一葉形態(tài)、地上部干重、地下部鮮重和鮮重根冠比的抗旱系數(shù)與敏感和高敏感品種（系）之間有顯著差異，并通過分析綜合抗旱系數(shù)值與苗期抗旱系數(shù)的相關(guān)性，最終篩選出根部生物量（地下部鮮重和干重）作為苗期抗旱性鑒定的有效綜合指標。隨后，通過將苗期指標與成熟期株高、產(chǎn)量、千粒重等田間相關(guān)農(nóng)藝性狀進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，苗期胚芽鞘長、第一葉長和成熟期旗葉長、株高、穗長、小穗數(shù)和籽粒長呈極顯著正相關(guān)性，苗期整株生物量與籽粒千粒重呈極顯著正相關(guān)性。該研究成果為抗旱性春小麥種質(zhì)資源篩選及抗旱優(yōu)異種質(zhì)利用提供了參考。

小麥抗旱性是由多基因控制的數(shù)量性狀，與周圍環(huán)境存在互作效應(yīng)，具有較為復(fù)雜的遺傳基礎(chǔ)。挖掘并鑒定優(yōu)異抗旱新種質(zhì)、克隆抗旱新基因，對豐富我國小麥抗旱遺傳基礎(chǔ)，奠定小麥抗旱遺傳改良材料基礎(chǔ)具有重要意義。全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome- wide association study，GWAS）是一種在全基因組水平上鑒定與性狀相關(guān)聯(lián)的標記或基因的研究策略，為數(shù)量性狀基因挖掘和復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)解析提供了不可或缺的重要方法?；贕WAS等正向遺傳學分析，已經(jīng)鑒定和克隆了多個小麥抗旱性相關(guān)位點及抗旱基因[17-19]。然而，我國小麥遺傳基礎(chǔ)較為狹窄，基因同質(zhì)化較高，加強新抗旱種質(zhì)和基因的發(fā)掘與利用，對豐富我國小麥抗旱基因資源、擴寬遺傳基礎(chǔ)具有重要意義。本專題研究論文《ICARDA引進小麥苗期抗旱性的全基因組關(guān)聯(lián)分析》[20]以198份國際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心（ICARDA）引進的抗旱種質(zhì)為材料，以苗期干旱和正常條件下的地上部鮮重、地下部鮮重、生物量和根冠比4個性狀為表型鑒定，基于加權(quán)隸屬函數(shù)值（值）綜合評價各個品種的抗旱性，發(fā)現(xiàn)品系IR214的值最大，為優(yōu)異強抗旱種質(zhì)。隨后，該研究將鑒定到的抗旱性表型數(shù)據(jù)與660K SNP芯片結(jié)合，進行GWAS分析，共檢測到102個與4個性狀抗旱系數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點，表型變異解釋率為1.07%—38.70%；并基于基因組注釋信息，篩選到31個抗旱相關(guān)基因，結(jié)合根等不同組織的RNA-seq數(shù)據(jù)，篩選出4個抗旱候選基因，對差異表達的候選基因進行qRT-PCR驗證，鑒定到和2個關(guān)鍵抗旱候選基因；隨后以抗旱性最強品系IR214和干旱敏感品系IR36為材料對候選基因進行驗證，發(fā)現(xiàn)的位點是潛在的功能位點。該研究結(jié)果為小麥抗旱遺傳改良奠定了材料基礎(chǔ)，為其分子設(shè)計育種提供了有用的標記信息。

灌漿期是小麥籽粒形成的關(guān)鍵時期，水分脅迫影響籽粒中光合產(chǎn)物的積累，導致減產(chǎn)，是抗旱性研究中具有代表性的時期，對于該時期相關(guān)性狀的調(diào)查與評價尤為重要；然而，傳統(tǒng)的作物表型獲取方法大多需要人工操作，費時費力且準確度較低，限制了優(yōu)異種質(zhì)資源的篩選效率。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高通量表型平臺以其靈活高效的特點正在被應(yīng)用于田間作物表型信息的采集[21-23]。發(fā)掘抗旱相關(guān)高通量表型鑒定指標，用于描述和評估抗旱表型特征，是高效發(fā)掘和利用人工合成小麥種質(zhì)資源的有效途徑。本專題論文《基于無人機多源影像數(shù)據(jù)的灌漿期人工合成小麥抗旱性評價》[24]以遺傳變異范圍廣、表型多樣性豐富的人工合成小麥為研究對象，通過田間小區(qū)播種，并設(shè)置干旱和灌溉2種水分處理；在灌漿期利用無人機多源影像數(shù)據(jù)提取了80份人工合成小麥種質(zhì)的19種光譜指數(shù)，通過將不同光譜指數(shù)抗旱系數(shù)與小區(qū)產(chǎn)量抗旱指數(shù)進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)OSAVI的抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度最高，NDVI、CIre和NDRE的抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度較高。隨后的主成分分析將19個光譜指數(shù)的抗旱系數(shù)轉(zhuǎn)換為3個相互獨立的綜合指標，并利用加權(quán)隸屬函數(shù)法聚合綜合指標，通過公式計算獲得各人工合成小麥種質(zhì)的綜合抗旱性度量值。基于抗旱指數(shù)鑒定出6份強抗旱人工合成小麥種質(zhì)，基于綜合抗旱性度量值鑒定出5份強抗旱種質(zhì)，其中，SW004和SW009在2種方法的評價結(jié)果中均被評為強抗旱種質(zhì)。基于OSAVI的抗旱系數(shù)對80份人工合成小麥種質(zhì)進行抗旱性分級，分級結(jié)果與基于綜合抗旱性度量值的分級結(jié)果基本一致。根據(jù)OSAVI的抗旱系數(shù)鑒定出的6份強抗旱種質(zhì)中，有5份在基于綜合抗旱性度量值分級中也被鑒定為強抗旱種質(zhì)，說明了該方法的可靠性。該研究基于無人機多源影像數(shù)據(jù)，建立從高通量光譜指數(shù)中優(yōu)選適用于人工合成小麥的抗旱性評價指標，為加快拓展小麥抗旱遺傳資源，提升旱地小麥育種水平提供了種質(zhì)材料，為非接觸式評估技術(shù)在抗旱研究中的應(yīng)用提供了新思路。

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Drought Resistance Identification and Genetic Resource Mining in Wheat

MAO HuDe, DU LinYing, KANG ZhenSheng

Northwest A&F University/State Key Laboratory for Crop Stress Resistance and High-Efficiency Production, Yangling 712100, Shaanxi

2024-03-11；

2024-04-11

國家自然科學基金（32272044，32072002）、陜西省杰出青年科學基金（2023-JC-JQ-20）

毛虎德（通信作者），Tel：029-87081317；E-mail：mao_dehu@nwsuaf.edu.cn

（責任編輯 李莉）