馬孝松,曾賢軍,李恩熙,梅捍衛(wèi),羅利軍,劉鴻艷

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部糧食作物基因資源評(píng)價(jià)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

氣候變化是21世紀(jì)中國(guó)乃至全球農(nóng)業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一,事關(guān)糧食安全、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近年來(lái),全球氣候變暖,干旱、高溫等自然災(zāi)害頻發(fā),對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。水稻是我國(guó)最重要的糧食作物,同時(shí)也是用水大戶,水稻用水量約占總用水量的50%[1]。我國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)家之一,人均淡水資源占有量為2 400 m3,僅為世界人均淡水資源占有量的1∕4。我國(guó)水稻生產(chǎn)正面臨著水資源短缺的危機(jī),發(fā)掘水稻耐旱資源和耐旱基因,解析耐旱機(jī)制,推進(jìn)水稻耐旱性科學(xué)理論的發(fā)展,培育具有耐旱性的水稻品種具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值[2]。本文就水稻耐旱性的基本定義、耐旱性鑒定方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)以及耐旱性分子遺傳研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)水稻耐旱性,為指導(dǎo)水稻耐旱性基礎(chǔ)研究和新品種選育提供理論參考。

1 耐旱性的基本定義

抗旱性是作物與干旱環(huán)境相互作用的復(fù)雜數(shù)量性狀。在自然界中,作物已經(jīng)進(jìn)行了一系列形態(tài)、生理和生化方面的進(jìn)化來(lái)應(yīng)對(duì)干旱脅迫?？购敌?Drought resistance,DR)是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ),主要包括逃旱性(Drought escape,DE)、避旱性(Drought avoidance,DA)、耐旱性(Drought tolerance,DT)和復(fù)原抗旱性(Drought recovery)[2]。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度而言,作物的抗旱性指干旱脅迫條件下相對(duì)于正常水分條件下的生物量或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,通常以兩種條件下的比值來(lái)表示,如相對(duì)鮮重或干重、相對(duì)產(chǎn)量或結(jié)實(shí)率等。目前廣受關(guān)注的是避旱性和耐旱性這兩種抗旱機(jī)制[2]。避旱性是作物在土壤含水量減少的情況下保持相對(duì)較高水勢(shì)的能力,主要依靠發(fā)達(dá)的根系從深層土壤中吸收水分或減少干旱脅迫下的蒸騰來(lái)實(shí)現(xiàn)。耐旱性指作物耐受低水勢(shì)并維持一定水平生理活動(dòng)和生長(zhǎng)發(fā)育的能力,主要通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)維持細(xì)胞膨壓,并通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞防御酶的活性減少有害物質(zhì)的積累。

2 水稻耐旱性的鑒定方法

2.1 干旱處理方法

干旱可能發(fā)生在水稻發(fā)育的各時(shí)期,較好的萌芽期和苗期耐旱性有利于進(jìn)行旱直播并可提高成苗率,而分蘗期、孕穗期、開花期和灌漿期的耐旱程度則對(duì)產(chǎn)量有較大影響。其中,孕穗期對(duì)干旱最為敏感,苗期進(jìn)行抗旱性鑒定較為方便,因此這兩個(gè)時(shí)期的植株耐旱性最為研究人員所關(guān)注。

聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)模擬干旱脅迫處理是研究萌芽期和苗期耐旱性常用的方法,通常在實(shí)驗(yàn)室光照培養(yǎng)箱或人工氣候室進(jìn)行。高分子量的聚乙二醇(PEG4000—8000)不易被植物吸收,可以改變營(yíng)養(yǎng)液的滲透勢(shì),引起植物水分虧缺[3]。通常在3葉期后,用15%—20%的聚乙二醇(PEG)溶液模擬干旱脅迫,也有利用育苗盤或托盤進(jìn)行苗期土壤干旱脅迫或反復(fù)干旱脅迫[4]。

通常,在避雨棚內(nèi)采用盆栽法于分糵期及以后的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期進(jìn)行耐旱性鑒定。水稻根系的主要分布范圍在土層深度30 cm以內(nèi)。在盆栽試驗(yàn)中,水稻避旱特性難以發(fā)揮,呈現(xiàn)的是其耐旱性。筆者采用70 cm的深盆進(jìn)行避旱性和耐旱性的鑒別試驗(yàn),土壤深度為60 cm,盆底側(cè)邊開洞并用橡膠塞堵塞洞口。干旱處理時(shí)拔除橡膠塞,一方面可加快排除土壤水分,另一方面也可避免盆底積水。在此試驗(yàn)條件下,參試材料中深根比較小的水稻品種‘Blue Belle’能積累更多的脯氨酸,具有更高的過(guò)氧化物酶(POD)活性和超氧化物歧化酶(SOD)抑制率,表現(xiàn)典型的耐旱生理特性[5]。

盆栽試驗(yàn)有一定的局限性,一是盆與盆之間干旱脅迫程度差異可能較大,尤其當(dāng)植株個(gè)體生物量差異較大時(shí);二是盆栽小環(huán)境與大田環(huán)境存在較大差異。因此,大田耐旱性鑒定非常有必要。在田間開展耐旱性研究需要阻斷深根吸水途徑,讓避旱性保持“中立”[6]。因此,一般在有犁底層的水田進(jìn)行大田耐旱性鑒定,并配備防雨設(shè)施,如固定或活動(dòng)的擋雨棚等。

“薄膜隔斷淺土層鑒定法”(圖1)[7]能更好地規(guī)避避旱性的影響,可在大田進(jìn)行水稻耐旱性鑒定。此方法設(shè)計(jì)了一個(gè)專用的鑒定設(shè)施,包括一個(gè)棚頂及四周可以開閉的避雨大棚;將大棚內(nèi)田塊開挖到30 cm深度并在該土層底部和四周鋪設(shè)隔離薄膜(0.15 mm,三層);再將土壤回填至土層深度為30 cm。利用該方法先后對(duì)水稻微核心種質(zhì)和抗旱核心種質(zhì)、重組自交系群體等進(jìn)行了耐旱性鑒定,發(fā)現(xiàn)具有深根特性的旱稻品種‘IRAT109’的耐旱系數(shù)(旱田產(chǎn)量∕水田產(chǎn)量)僅為0.21,表明其耐旱性較差;而另外一個(gè)具有深根特性的品種‘IAC1246’的耐旱性系數(shù)為0.74,耐旱性較好。目前在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院青浦白鶴基地和上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心金山廊下基地均建有水稻耐旱性鑒定評(píng)價(jià)設(shè)施,可以滿足近千份水稻種質(zhì)資源的耐旱性評(píng)價(jià)。

2.2 耐旱性指標(biāo)

2.2.1 生理指標(biāo)

水稻耐旱性相關(guān)的生理指標(biāo)主要有滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、抗氧化酶類活性和非酶類物質(zhì)含量。

滲透調(diào)節(jié)是細(xì)胞水勢(shì)降低時(shí),可溶性物質(zhì)在細(xì)胞中積累以降低細(xì)胞滲透勢(shì),維持細(xì)胞膨壓的過(guò)程。在干旱脅迫條件下,滲透調(diào)節(jié)受氣孔導(dǎo)度、光合作用、葉片含水量以及細(xì)胞生長(zhǎng)影響。研究發(fā)現(xiàn),干旱條件下水稻中游離氨基酸,特別是脯氨酸、可溶性糖等有機(jī)小分子溶質(zhì)和無(wú)機(jī)離子大量積累[2]。

脯氨酸是最大的水溶性氨基酸,在植物響應(yīng)干旱脅迫過(guò)程中起著非常重要的作用。提高脯氨酸含量可以降低葉水勢(shì),提高植物對(duì)干旱和鹽脅迫的耐受性[8-9]。此外,脯氨酸還是細(xì)胞膜完整性的重要保護(hù)劑、干旱條件下重要的羥基自由基清除劑[10]。干旱條件下積累的可溶性糖主要有葡萄糖、果糖、蔗糖等。這些可溶性糖參與滲透調(diào)節(jié),并在維持植物蛋白穩(wěn)定方面起重要作用。此外,植物糖與逆境激素脫落酸(ABA)有關(guān)聯(lián),參與調(diào)控植物非生物抗性[11]。晚期胚胎豐富蛋白(LEAs)是超親水蛋白,能在干旱脅迫環(huán)境中保護(hù)生物大分子,減輕水分脅迫對(duì)植物的傷害。細(xì)胞內(nèi)的水孔蛋白主要分布在原生質(zhì)膜和液泡膜上,具有促進(jìn)和調(diào)節(jié)水分跨膜運(yùn)輸?shù)墓δ?可調(diào)控細(xì)胞膜上的水通道,選擇性的平衡水分進(jìn)出細(xì)胞[12-13]。

在干旱脅迫過(guò)程中,植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧物質(zhì),如超氧陰離子()、過(guò)氧化氫(H2O2)、羥基自由基(·OH)、單線態(tài)氧(1O2)等?；钚匝醯姆e累會(huì)對(duì)細(xì)胞成分造成氧化損傷,如破壞脂質(zhì)和蛋白結(jié)構(gòu)、DNA片段化、抑制酶活性、激活程序性細(xì)胞死亡途徑,導(dǎo)致細(xì)胞死亡等[14]。植物也進(jìn)化出一套抗氧化保護(hù)系統(tǒng)來(lái)清除活性氧,維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性[14],這套活性氧清除保護(hù)系統(tǒng)主要由酶促清除系統(tǒng)和非酶促清除系統(tǒng)組成。酶促清除系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)等抗氧化酶類。干旱發(fā)生時(shí),細(xì)胞內(nèi)活性氧清除酶的活性及非酶類抗氧化物含量增加。在水稻中已知的耐旱基因OsPP18是依靠活性氧清除系統(tǒng)來(lái)提高耐旱性和抗氧化能力的典型例子[15];水稻DST基因也是通過(guò)調(diào)控過(guò)氧化氫(H2O2)含量影響氣孔開閉,實(shí)現(xiàn)對(duì)耐旱性和耐鹽性的調(diào)控[16]。非酶促清除系統(tǒng)包括抗壞血酸、谷胱甘肽等非酶類抗氧化物質(zhì)。有研究表明,以抗壞血酸為種子引發(fā)劑可以提高小麥的抗旱性[17]。在擬南芥中增強(qiáng)EsWAX1基因的表達(dá),可以提高表皮蠟質(zhì)層和抗壞血酸含量,從而提高轉(zhuǎn)基因植株耐旱性[18]。在煙草和柱花草中共表達(dá)NCED和ALO兩個(gè)基因可以極顯著提高抗壞血酸的含量,進(jìn)而增強(qiáng)植株對(duì)干旱和低溫的耐性[19]。筆者在水稻耐旱性的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究中發(fā)現(xiàn),耐旱品種的差異基因被顯著富集在谷胱甘肽代謝、黃酮和類黃酮代謝、抗壞血酸代謝、類胡蘿卜素代謝等抗氧化相關(guān)代謝途徑,而敏感品種中差異基因則不能被顯著富集到這些抗氧化相關(guān)代謝途徑中[7]。

多胺是植物體內(nèi)具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿,最常見的有腐胺、亞精胺和精胺,參與調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成[20]。研究發(fā)現(xiàn),水稻抗旱品種多胺的積累時(shí)間較早且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)[21]。亞精胺和精胺有穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)、保護(hù)DNA和蛋白質(zhì)、清除超氧自由基的作用。水稻中的OsHSFA3基因通過(guò)調(diào)控多胺的合成提高耐旱性[22]。

2.2.2 發(fā)育和形態(tài)指標(biāo)

芽期耐旱性鑒定指標(biāo)主要包括發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)。發(fā)芽率指測(cè)試種子發(fā)芽數(shù)占測(cè)試種子總數(shù)的百分比。發(fā)芽勢(shì)即種子從發(fā)芽開始到發(fā)芽高峰時(shí)段內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)占測(cè)試種子總數(shù)的百分比,可以反映測(cè)試種子的發(fā)芽速度和整齊度。

干旱脅迫下水稻的發(fā)育會(huì)受到不同程度抑制,出現(xiàn)葉片變小、株高降低、分糵減少、生育期延遲、生物量和產(chǎn)量減少等癥狀。苗期耐旱性鑒定的指標(biāo)主要有根長(zhǎng)、株高、生物量、存活率等。存活率一般于15—20 d的干旱脅迫后復(fù)水3—5 d時(shí)統(tǒng)計(jì)。分蘗期及生殖生長(zhǎng)時(shí)期的耐旱性鑒定指標(biāo)主要有葉面積、卷葉級(jí)別、葉片枯死率、分糵數(shù)、株高、生物量、生育期延遲天數(shù)等[23]。Zu等[24]對(duì)13個(gè)旱稻品種進(jìn)行耐旱性鑒定,測(cè)量倒1、2、3葉的枯死部分長(zhǎng)度和全葉長(zhǎng),利用兩者比值來(lái)判斷品種的耐旱性。葉片綠葉率也可以反映耐旱性,但要量化測(cè)定難度較大。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)55份水稻資源進(jìn)行苗期PEG6000模擬干旱脅迫,分別從前視圖和俯視面進(jìn)行RGB成像,利用機(jī)器視覺技術(shù)判讀圖片中的綠葉面積和枯死葉面積,發(fā)現(xiàn)前視圖和俯視面綠葉率與綠葉鮮重占比呈顯著正相關(guān);利用圖像識(shí)別技術(shù)鑒定了200份重組自交系群體在PEG6000模擬干旱脅迫后的綠葉率,結(jié)合基因型數(shù)據(jù)開展了QTL定位分析,定位了多個(gè)耐旱QTL(未發(fā)表)。

2.2.3 產(chǎn)量

干旱,尤其是生殖生長(zhǎng)階段的干旱影響穗發(fā)育、開花受精和灌漿成熟,造成產(chǎn)量減少,如穗長(zhǎng)變短、一次枝梗和二次枝梗減少、穗粒數(shù)減少[23]。干旱可導(dǎo)致花粉育性降低進(jìn)而降低結(jié)實(shí)率[25],而灌漿不飽滿會(huì)使千粒重下降,此外還會(huì)引起整精米率下降、堊白增加等,使稻米品質(zhì)下降[26]。因此,干旱條件下的產(chǎn)量是評(píng)價(jià)耐旱性最重要的指標(biāo),也是育種實(shí)踐最終的評(píng)判和選擇標(biāo)準(zhǔn)。耐旱系數(shù)是指干旱處理產(chǎn)量與對(duì)照處理產(chǎn)量的比值,只反映品種對(duì)干旱的敏感程度,不代表品種在干旱脅迫下產(chǎn)量絕對(duì)值的高低[2]。耐旱指數(shù)是測(cè)試品種耐旱系數(shù)與對(duì)照品種耐旱系數(shù)的比值,對(duì)照品種一般選高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)且耐旱性較好的品種。

3 水稻耐旱性研究進(jìn)展

3.1 稻種資源的耐旱性評(píng)價(jià)

耐旱資源的發(fā)掘與創(chuàng)新利用是水稻耐旱性研究的重要內(nèi)容。自二十世紀(jì)七十年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外科研人員開展了大量的水稻抗旱性鑒定評(píng)價(jià)?！捌呶濉逼陂g我國(guó)把水稻品種資源抗逆性鑒定列為國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目。但長(zhǎng)期以來(lái)水稻抗旱性的鑒定評(píng)價(jià)并沒有區(qū)分避旱性和耐旱性。

由于缺乏專用設(shè)施,耐旱性的資源鑒定評(píng)價(jià)主要局限在芽期和苗期。陸崗等[4]對(duì)廣西的464份栽培稻種質(zhì)資源進(jìn)行了苗期耐旱性鑒定,篩選出31份耐旱性強(qiáng)的種質(zhì)資源。蔣荷等[28]利用育苗盤對(duì)1 777份國(guó)內(nèi)外資源進(jìn)行了苗期耐旱性鑒定,依據(jù)卷葉程度對(duì)參試資源進(jìn)行了耐旱性分級(jí),并對(duì)20份不同耐旱級(jí)別的資源進(jìn)行了盆栽耐旱性鑒定。胡繼芳等[29]、Khan等[30]采用盆栽法對(duì)水稻種質(zhì)資源進(jìn)行耐旱性評(píng)價(jià)。王寶祥等[31]在深度為50 cm的水泥池中對(duì)91份國(guó)內(nèi)外水稻品種進(jìn)行了耐旱性鑒定,根據(jù)生物量和產(chǎn)量等相關(guān)性狀脅迫系數(shù)進(jìn)行耐旱性評(píng)價(jià),篩選出強(qiáng)耐旱品種17份,耐旱品種69份。本實(shí)驗(yàn)室分別利用PEG脅迫處理和“薄膜隔斷淺土層鑒定法”進(jìn)行了苗期和幼穗分化至抽穗期的耐旱性鑒定,對(duì)水稻微核心種質(zhì)和抗旱核心種質(zhì)開展了耐旱性鑒定,獲得了部分耐旱種質(zhì)資源,如‘IAC1246’‘IR30358-084-1-1’‘TRESMESES’‘綠旱1號(hào)’‘QINGSIZHAN 1’等[23]。

3.2 水稻耐旱性的遺傳基礎(chǔ)研究

早期水稻耐旱性研究多集中在苗期耐旱QTL的定位,研究指標(biāo)主要有細(xì)胞膜穩(wěn)定性、相對(duì)生長(zhǎng)速率、相對(duì)生物量、葉片持綠性等。Yue等[32]利用旱稻品種‘IRAT109’和水稻品系珍汕97B構(gòu)建重組自交系群體,分別在黏土和砂土兩種條件下進(jìn)行抗旱性QTL定位研究,未發(fā)現(xiàn)共定位QTL。在砂土干旱試驗(yàn)中定位到5個(gè)抗旱系數(shù)相關(guān)的QTL,其中3個(gè)與根系QTL共定位。黏土干旱試驗(yàn)在第2染色體的RM279—RM555區(qū)間定位到1個(gè)抗旱系數(shù)相關(guān)QTL和1個(gè)冠層溫度相關(guān)QTL,比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)與該區(qū)間共定位的有1個(gè)滲透調(diào)節(jié)相關(guān)的QTL[33]。以上結(jié)果表明,避旱性和耐旱性具有不同的遺傳基礎(chǔ)。Tripathy等[34]利用104個(gè)DH系在抗旱大棚里開展耐旱性評(píng)價(jià),不同株系的細(xì)胞膜穩(wěn)定性存在顯著差異,變異呈現(xiàn)連續(xù)分布,推測(cè)其由微效多基因控制;利用315個(gè)分子標(biāo)記開展連鎖分析,定位了9個(gè)與細(xì)胞膜穩(wěn)定性相關(guān)QTL,分別位于第1、3、7、8、9、11和12號(hào)染色體,解釋的表型變異率在13.4%—42.1%。Kato等[3]利用‘Akihikari’與‘IRAT109’構(gòu)建1個(gè)含有106個(gè)株系的BC1F6群體,采用聚乙二醇(PEG6000)模擬干旱脅迫,根據(jù)相對(duì)生長(zhǎng)速率定位了3個(gè)耐旱性QTL,分別位于第2、4和7號(hào)染色體。本實(shí)驗(yàn)室利用PEG6000模擬干旱脅迫,開展珍汕97B∕‘IRAT109’重組自交系群體(159個(gè)株系)的耐旱性評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)水稻苗期株高、根長(zhǎng)、苗高增長(zhǎng)速率、苗高∕根長(zhǎng)比值、卷葉級(jí)別等性狀進(jìn)行分析,共檢測(cè)到24個(gè)相關(guān)的QTL,貢獻(xiàn)率在7.35%—39.30%;正常條件下檢測(cè)到13個(gè)相關(guān)的QTL位點(diǎn),分布在第1、2、3、5、6、10、12號(hào)染色體上;干旱脅迫條件下檢測(cè)到11個(gè)相關(guān)的QTL位點(diǎn),分布在第1、3、5、7、10、12號(hào)染色體上;其中,在1號(hào)染色體RM302—RM476B區(qū)間檢測(cè)到控制葉卷曲位點(diǎn),正向效應(yīng)來(lái)源于珍汕97B等位基因[35]。You等[36]使用相同的RIL群體在苗期進(jìn)行ABA脅迫處理,在1號(hào)染色體RM237—RM302區(qū)間定位到葉卷曲相關(guān)位點(diǎn)(qLRC-1),其增效等位基因來(lái)源于珍汕97B。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)熊立仲教授團(tuán)隊(duì)利用高通量表型鑒定平臺(tái)可見光成像技術(shù)進(jìn)行了水稻耐旱性全基因組關(guān)聯(lián)分析。利用盆栽試驗(yàn)方法對(duì)507份水稻種質(zhì)開展了耐旱性評(píng)價(jià),鑒定了生物量相關(guān)性狀、葉片持綠性相關(guān)性狀、植株形態(tài)性狀等,通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析定位了470個(gè)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn),其中有437個(gè)位點(diǎn)與前人報(bào)道的抗旱QTL區(qū)間位置一致,313個(gè)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)可以在兩年的試驗(yàn)中重復(fù)定位到,過(guò)量表達(dá)OsPP15基因使植株對(duì)干旱更加敏感[37]。

3.3 水稻耐旱性功能基因研究

水稻作為最早完成全基因組測(cè)序的模式作物,其分子生物學(xué)和功能基因組學(xué)研究已取得較大發(fā)展。利用突變體篩選、基因表達(dá)芯片、比較轉(zhuǎn)錄組等方法發(fā)掘了大量的耐旱相關(guān)候選基因,相當(dāng)一部分基因的耐旱性功能也通過(guò)轉(zhuǎn)基因得到證實(shí)(表1)。這些基因主要可分為三大類:(1)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因,包括Ca2+結(jié)合蛋白(CaM、CDPK等)、細(xì)胞周期蛋白激酶(MAPK、MAPKKK)等編碼基因[38-39];(2)轉(zhuǎn)錄因子基因,如AP2∕EREBP、bZIP、MYB∕MYC、WRKY、Zinc finger、NAC、GT編碼基因[40-41];(3)具有保護(hù)或其他調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的蛋白基因,如E3泛素連接酶、海藻糖合成酶等編碼基因[42-43](表1)。

表1 部分已被克隆耐旱基因Table 1 Partial cloned drought tolerant genes

干旱脅迫下的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是干旱響應(yīng)分子調(diào)控機(jī)制的重要環(huán)節(jié)。水稻中的DSM1基因?qū)儆贛APKKK家族,其突變體在幼苗期和幼穗分化期對(duì)干旱的敏感性強(qiáng)于野生型,過(guò)量表達(dá)DSM1基因使水稻幼苗的抗失水能力顯著增強(qiáng)[38]。水稻鈣依賴型蛋白激酶OsCPK9受ABA、PEG6000和鹽脅迫等誘導(dǎo)表達(dá),該基因可以改善干旱脅迫條件下的滲透調(diào)節(jié)能力并關(guān)閉氣孔,正向調(diào)控水稻耐旱性和結(jié)實(shí)率[42]。另外,過(guò)量表達(dá)鈣依賴型蛋白激酶OsCDPK7可以提高水稻對(duì)干旱等逆境條件的耐受性[72]。

過(guò)表達(dá)AP2∕ERF轉(zhuǎn)錄因子SUB1A可提高水稻耐旱性和耐淹能力[40]。過(guò)表達(dá)乙烯響應(yīng)元件結(jié)合蛋白基因OsEREBP1會(huì)激活脫落酸和茉莉酸合成通路相關(guān)基因以及防衛(wèi)反應(yīng)信號(hào),提高轉(zhuǎn)基因水稻的耐淹性和耐旱性,同時(shí)增強(qiáng)抗白葉枯病的能力[47]。過(guò)量表達(dá)OsERF71可促進(jìn)ABI5和PP2C68基因上調(diào)表達(dá),提高水稻在干旱條件下的產(chǎn)量[73]。多個(gè)NAC家族轉(zhuǎn)錄因子如SNAC1、SNAC3、OsNAC5、OsNAC6、OsNAC14和ONAC22等正向調(diào)控水稻耐旱性。bZIP家族轉(zhuǎn)錄因子OsbZIP23、OsbZIP33、OsbZIP40、OsbZIP42、OsbZIP45、OsbZIP62、OsbZIP66、OsbZIP71等也已被證實(shí)可正調(diào)控水稻的耐旱性。OsMYB48-1受干旱、脫水、H2O2、鹽、低溫等非生物逆境誘導(dǎo)表達(dá),過(guò)量表達(dá)OsMYB48-1可以提高植株耐旱性(存活率),表現(xiàn)為脯氨酸含量升高,丙二醛含量下降。鋅指類轉(zhuǎn)錄因子DST與活性氧相關(guān)基因啟動(dòng)子中的DBS元件直接結(jié)合,通過(guò)影響活性氧的積累和氣孔開閉,實(shí)現(xiàn)對(duì)植株耐旱性和耐鹽性的調(diào)控。而且DST基因還通過(guò)調(diào)控Gn1a∕OsCKX2的表達(dá)提高水稻產(chǎn)量[74]。過(guò)量表達(dá)WRKY家族中OsWRKY11可以提高轉(zhuǎn)基因水稻苗期耐旱性和對(duì)白葉枯病的抗性[64]。

本實(shí)驗(yàn)室結(jié)合抗旱QTL定位和表達(dá)譜數(shù)據(jù),從抗旱QTL區(qū)間內(nèi)克隆了正向調(diào)控水稻耐旱性基因OsGRAS23和OsAHL1,其過(guò)量表達(dá)可以提高苗期干旱脅迫存活率和生殖生長(zhǎng)期干旱脅迫下的產(chǎn)量[70-71]。OsbZIP62是耐旱水稻品種干旱脅迫下轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)基因,過(guò)量表達(dá)該基因可以提高水稻苗期干旱脅迫下的存活率[56]。

3.4 水稻耐旱性的多組學(xué)研究

在過(guò)去的20年里,轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組等組學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水稻耐旱研究中,極大地推進(jìn)了對(duì)逆境下植物響應(yīng)基因和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別[75-76]。通過(guò)比較耐旱品種和敏感品種干旱處理前后組學(xué)成分的含量變化,發(fā)掘重要的基因、蛋白質(zhì)或代謝物。在轉(zhuǎn)錄組研究中,耐旱與敏感品種的差異基因集中在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細(xì)胞壁修飾相關(guān)途徑,以及滲透調(diào)節(jié)、活性氧清除及能量代謝相關(guān)的途徑[7]。本實(shí)驗(yàn)室利用3個(gè)耐旱品種(‘IAC1246’‘矮密’‘TRESMESES’)和3個(gè)耐旱性較差的品種(‘CICA4’‘IRAT109’‘IPECA0162’)鑒定了344個(gè)響應(yīng)干旱脅迫的microRNA,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)其中21個(gè)microRNA同時(shí)與耐旱性和產(chǎn)量存在正向相關(guān)作用,推測(cè)其具有較大的育種價(jià)值[77]。另外,在耐旱品種‘IAC1246’和耐旱性較差的品種‘IRAT109’中進(jìn)行應(yīng)答干旱脅迫的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析,分別鑒定到2 677個(gè)和4 059個(gè)耐旱基因以及47個(gè)和69個(gè)差異代謝物,‘IAC1246’表現(xiàn)出更好的抗氧化能力和光合作用能力,其差異基因可以被顯著富集到抗氧化相關(guān)代謝途徑(如類黃酮代謝途徑、抗壞血酸代謝途徑、谷胱甘肽代謝途徑等)和光合代謝相關(guān)途徑。在應(yīng)答干旱脅迫過(guò)程中很多與光合作用有關(guān)的基因在‘IAC1246’中上調(diào)表達(dá),光合保護(hù)劑阿魏酸含量急劇上升[7]。

此外,近年來(lái)研究人員逐漸將組學(xué)技術(shù)與GWAS技術(shù)聯(lián)合以用于耐旱基因的發(fā)掘,如利用轉(zhuǎn)錄組獲得e-QTL[78]、利用代謝組獲得meta-QTL[79]、利用光譜等表型組技術(shù)獲取i-QTL[37]。本實(shí)驗(yàn)室目前在利用多光譜技術(shù)對(duì)重組自交系群體進(jìn)行耐旱性鑒定。

4 結(jié)語(yǔ)與思考

水稻的抗旱育種要兼顧避旱性和耐旱性。提高避旱性可以提高水稻對(duì)水分的吸收能力并減少植株水分散失;而增強(qiáng)耐旱性可以提高水稻對(duì)缺水的耐受能力,維持其正常的生理代謝功能[80-82]。

耐旱性和避旱性各自具有明顯的形態(tài)學(xué)與生理生化特性及不同的遺傳基礎(chǔ)和調(diào)控機(jī)制[32]。科學(xué)區(qū)分不同的抗旱機(jī)制并根據(jù)其特性開展鑒定評(píng)價(jià)是水稻抗旱研究的基本立足點(diǎn)。自然條件下,當(dāng)干旱發(fā)生時(shí),各抗旱機(jī)制因植株個(gè)體的發(fā)育時(shí)期、干旱的嚴(yán)重程度及發(fā)展進(jìn)程等,可能先后或同時(shí)在植株的不同或相同的組織部位發(fā)揮作用,植株個(gè)體最終的抗旱表現(xiàn)是各種機(jī)制共同作用的結(jié)果。

在耐旱性遺傳分析中,要考慮兩個(gè)因素:一是耐旱鑒定應(yīng)盡可能在大田環(huán)境中進(jìn)行,盡量規(guī)避避旱性的干擾;二是需具備一定規(guī)模的群體和高密度的基因型數(shù)據(jù),使耐旱性QTL的定位可以精準(zhǔn)到單基因水平。雖然已在水稻中克隆了大量的耐旱基因,但耐旱性的標(biāo)記輔助選擇育種進(jìn)展緩慢?？赡苡袔讉€(gè)方面的原因:一是有相當(dāng)一部分基因僅在苗期進(jìn)行功能驗(yàn)證,未在生殖生長(zhǎng)期進(jìn)行耐旱性評(píng)價(jià);二是基因效應(yīng)較小,植株耐旱性提升不明顯;三是基因可能對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量或品質(zhì)存在負(fù)效應(yīng)[82]。綜上,需要進(jìn)一步發(fā)掘具有育種價(jià)值的耐旱基因。

總的來(lái)說(shuō),水稻的耐旱性在鑒定方法、資源評(píng)價(jià)、遺傳基礎(chǔ)和功能基因研究等方面都積累了大量成果,但從實(shí)現(xiàn)全基因組選擇設(shè)計(jì)育種以及智能育種的目標(biāo)來(lái)看,還有大量的工作有待開展。(1)水稻耐旱性是由微效多基因調(diào)控的,調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控機(jī)制仍然需要深入研究。(2)新的技術(shù)可以進(jìn)一步應(yīng)用于耐旱性研究中。例如,單細(xì)胞測(cè)序可用于了解組織中各細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞間的基因表達(dá)與調(diào)控,判別各類細(xì)胞參與的生理生化反應(yīng)?；蚪M、表型組等多組學(xué)高效檢測(cè)技術(shù)可以促進(jìn)耐旱性遺傳基礎(chǔ)的解析,加快基因發(fā)掘的效率。(3)各組學(xué)的聯(lián)合應(yīng)用,包括一些特殊的組學(xué)分析,如甲基化組、脂質(zhì)蛋白組,磷酸化修飾蛋白組等,為耐旱性狀的遺傳模型構(gòu)建及人工智能設(shè)計(jì)育種提供了更多的數(shù)據(jù)支撐。(4)CRISPR∕Cas9技術(shù)能夠精確地編輯基因,可以根據(jù)需要快速創(chuàng)制新等位基因或者替換為有利等位基因。隨著越來(lái)越多的耐旱基因被發(fā)掘,可能在不久的將來(lái)就能實(shí)現(xiàn)水稻耐旱性分子設(shè)計(jì)育種[83]。