甘孜州青稞抗旱性研究现状与展望

李 健 丰先红 杨开俊

(甘孜州农业科学研究所，四川 康定 626000)

青稞 (Hordeum vulgare ssp.vulgare)，又称裸大麦，是世界上最古老的作物之一，也是青藏高原广泛种植的主要粮食作物，因其耐旱、耐瘠、生育期短、适应性强、易栽培等优异种性，在生态条件恶劣、农艺水平低下的高原地区有不可替代的作用。四川省甘孜州地处青藏高原东南缘，区内高山众多、河流纵横，气候多样、生态条件复杂，人类活动对自然环境影响小，有干旱、寒冷、大温差、强辐射等特殊胁迫条件。因此，甘孜州具有丰富的生物多样性和宝贵的抗性基因资源急待开发和利用。

1 甘孜州青稞抗旱研究的必要性

1.1 青稞抗旱研究是甘孜州稳定发展的迫切需要

青稞是甘孜州农牧民的主要粮食作物，青稞秸秆是甘孜州牲畜过冬的主要饲料。青稞产量是影响甘孜州粮食安全和农牧民生活水平的关键因素。甘孜州粮食产量总体供应不足，年度间产量波动较大，且调配困难，所以稳产越来越成为甘孜州青稞育种的重要目标，开展青稞抗旱育种研究，可以有效地确保稳产目标的实现，为粮食安全和农牧民生活水平的逐步提高提供保证。

1.2 青稞抗旱是甘孜州特色农业产业发展的需要

青稞富含膳食纤维、复合维生素B、β-葡聚糖、γ-氨基丁酸、生育酚等保健功能组份，一些高科技企业以青稞为原料生产各种青稞保健品。为了推动这些企业的发展，就必须要稳定符合企业要求的青稞原料的供应，所以抗旱育种也是保证企业在甘孜州健康发展，确保甘孜州农村经济可持续发展的基石。

1.3 青稞抗旱研究是抗旱基因资源保护的需要

甘孜州地处青藏高原东南缘，气候垂直分布带从亚热带依次过渡到冰原带。气候多样，生态条件复杂，有极度干旱、高寒、大温差、强辐射等特殊胁迫条件，蕴含很多关键抗性基因，但是随着青稞栽培种的大面积推广，这些宝贵的基因资源也在不断流失，急待保护。

因此，在甘孜州开展青稞抗旱研究，可以充分利用甘孜州丰富的大麦资源，挖掘抗旱关键基因，开展基因功能研究，创制强抗旱青稞种质，为突破性青稞品种的选育提供理论基础和基础材料，也可为其它作物相关基因的研究提供帮助和参考。

2 甘孜州青稞主产区面临的干旱类型

甘孜州青稞主产区主要分布在北部山原区和东、南、西部的河谷区。北部山原区主要干旱类型是大气干旱、土壤干旱和生理干旱 (因土温低导致根系吸水受阻，植物体内水分亏缺而受旱)，干旱发生的时期为4月～5月和8月～9月，青稞受旱时期主要是苗期和灌浆期;东、南、西部的河谷区主要干旱类型是土壤干旱和大气干旱，干旱发生的时期为3月～4月，青稞受旱时期主要是苗期。

3 甘孜州青稞抗旱研究现状

由于干旱对甘孜州青稞产量影响的日趋明显，青稞抗旱育种也成为甘孜州农业科学研究所的研究热点，青稞抗旱研究主要分为两个方面:

3.1 优异种质筛选

3.1.1 北部山原地区。北部山原地区主要干旱类型是大气干旱、生理干旱，有时也伴有土壤干旱，发生时间为4月～5月和8月～9月，青稞受旱时期主要是苗期和灌浆期。因此，应选择耐寒、叶片在受旱后卷曲率高，离体叶片失水率低、相对含水量高、复水后能迅速恢复生长的青稞材料。

3.1.2 东、南、西河谷区。河谷区主要干旱类型是土壤干旱、大气干旱，发生时间在3月～4月，青稞受旱时期主要是苗期。因此，应选择分蘖力强，叶片在受旱后卷曲率高，离体叶片失水率低、相对含水量高、复水后能迅速恢复生长。

经过4年时间，从1 000多份青稞种质材料中筛选出强抗旱青稞种质3份，其中两份兼具耐寒特性。

3.2 抗旱遗传机理研究

在青稞抗旱研究中，甘孜州农业科学研究所和中国科学院成都生物研究所合作，对青稞中编码LEA蛋白的基因做了较深入的研究。

3.2.1 LEA蛋白概述。LEA蛋白最大的物理化学特性是具有很高的亲水性和热稳定性，即使在煮沸条件下也能保持水溶状态［1］。这种高度亲水性有利于LEA蛋白在植物受干旱胁迫时部分替代水分子，蛋白质的多羟基能保持细胞液处于溶解状态，从而避免细胞结构的塌陷，稳定细胞结构，尤其是膜结构。LEA蛋白的高级结构由非周期性的无规则线团和少量兼性α-螺旋构成，无热力学优势状态。LEA蛋白的另一个特点是，它们中的有些成员可被ABA和水分胁迫因子诱导产生，有时二者的作用可相互代替［2］。

LEA蛋白共同的结构特征是偏性氨基酸组成(biased aminoacid composition)形成高度亲水性的多肽，大多数LEA蛋白缺乏半胱氨酸和酪氨酸残基，但富含赖氨酸和甘氨酸［3］。根据它们氨基酸序列的同源性及一些特殊的基元序列，LEA蛋白一般可分为6组，即:LEA D19(第1组)，LEA D11(第 2组，也称为脱水素)，LEAD7(第 3组)，LEA D113(第4组)，LEA D29(第5组)和LEA D95(第6组)。后两族为附加族［4］。

LEA2蛋白基因和LEA3蛋白基因是麦类作物中研究最多的2类与抗旱有关的基因［5］。

3.2.2 青稞抗旱基因结构分析。钱刚［6］2008年从不同抗旱性青稞材料中克隆了编码LEA蛋白的基因Dhn6基因，通过对比青棵的抗旱性和Dhn6基因的结构特征和氨基酸序列的结构特征发现，青稞的抗旱性与Dhn6基因的结构差异没有直接的联系。

HVA1基因是大麦中唯一发现的属于编码LEA3蛋白的基因［7］，钱刚等从不同抗旱性青稞材料中克隆了青稞HVA1基因，通过比对发现HVA1基因结构的差异与青稞的抗旱性并不直接相关［7］。

3.2.3 青稞抗旱基因表达模式研究。LEA蛋白的表达累积程度与植物的干旱程度有着密切的关系，钱刚等［7］通过对Dhn6基因和HVA1基因在干旱胁迫过程中的相对表达水平进行了检测，结果表明，(1)Dhn6基因的相对表达水平在强抗旱青稞品种干旱8 h后快速上升，但在弱抗旱青稞品种干旱处理12 h后检测到更高表达量;(2)干旱早期，HVAI表达累积在强抗旱品种更早更快，在弱抗旱品种干旱8～12 h快速升高;(3)干旱过程中，强抗旱品种的HVA1基因相对表达水平一直高于弱抗旱品种。

3.2.4 青稞抗旱基因功能分析。VIGS技术是通过病毒诱导目标基因沉默，来检验基因功能的技术［8］，梁俊俊等［9］2011 年通过 VIGS 技术沉默青稞Dhn6基因和HVA1基因发现:HVA1沉默植株离体叶片失水率显著升高，干旱胁迫下的存活率显著下降，同时发现HVA1沉默植株群体中，超过70%表现为植株营养生长严重延迟，植株矮小，分蘖增加。青稞Dhn6基因沉默后，也表现出干旱胁迫存活率的显著下降，但对离体叶片失水率并未造成显著影响。

上述研究阐明了HVA1基因和Dhn6基因对青稞的抗旱性有显著影响，对于青稞抗旱育种有重要的指导意义。

4 展望

青稞的抗旱性是一个复杂的表型性状，受各种因素的影响，甘孜州农科所将多方面大力推进青稞抗旱性研究。

4.1 加大优异种质资源的鉴定

甘孜州作为大麦的次生起源中心，有非常丰富的大麦野生种和近缘野生种。随着科研条件的不断改善，甘孜州农科所已经开始向人际罕至，自然条件恶劣的地区寻找青稞野生种和近缘野生种，通过对上述种质材料的鉴定、筛选，完全有可能获得优异的抗性新基因，进而推动抗旱亲本的培育和抗旱基因的挖掘。

4.2 保持常规育种的深入推进

青稞作为自花授粉作物，通过抗旱材料与高产品种的杂交，从其杂交后代中选择高产抗旱的青稞品种是目前甘孜州农科所抗旱育种的主要手段。目前，甘孜州农科所已经把筛选出的抗旱新材料作为优异亲本与康青3号、康青7号、康青9号等品种杂交，正在培育既高产又抗旱的青稞品种。

4.3 大力推进耐旱遗传学研究进程

随着科研条件和分子生物学技术不断进步，抗性基因的研究也不断深入。目前，虽然知道HVA1、Dhn6基因对于青稞的耐旱性非常重要，但是上述基因结构差异与青稞抗旱性之间的关联度不高，这也限制了相关分子标记的开发。所以，甘孜州农科所通过对上述基因进一步的研究，希望发现HVA1、Dhn6基因结构差异和在干旱胁迫时表达模式差异与青稞耐旱性之间的联系，为相关分子标记的开发奠定基础。

［1］Dure L III，Chlan C.Developmental biochemistry of cottonseed embryogenesis and germination.XII.Purification and properties of principal storage proteins［J］.Plant Physiol，1981，68:180-186

［2］Alamillo J，Almogura C，Bartels D，et al.Constitutive expression of small heat shock proteins in vegetative tissues of the resurrection plant Craterostigma planatgenium.Plant Mol Biol［J］，1995，29:1093-1099

［3］Talamè V，Ozturk NZ，Bohnert HJ，et.Barley transcript profiles under dehydration shock and drought stress treatments:a comparative analysis［J］.J Exp Bot，2007，58:229-240

［4］R.Chandra Babu，Jingxian Zhang，A.Blum，et al，HVA1，a LEA gene from barley confers dehydration tolerance in transgenic rice(Oryza sativa L.)via cell membrane protection ［J］. Plant Science，2004，166:855-862

［5］Ozturk ZN，Talamè V，Deyholos M，et.Monitoring large-scale changes in transcript abundance in droughtand salt-stressed barley ［J］.Plant Physiol，2002，48:551-573

［6］钱 刚，平军娇，张珍，等.大麦Dhn6基因的克隆、蛋白质结构预测与干旱胁迫表达模式 ［J］.遗传，2011，33:270-277

［7］钱 刚，翟旭光，韩兆雪，等.西藏青稞LEA3蛋白新抗旱基因的克隆与序列分析［J］.作物学报，2007，33:292-296

［8］杨迎伍，李正国，宋红丽，等.VIGS技术在植物基因功能研究中的应用 ［J］.植物生理学通讯，2007，43:379-383

［9］Junjun Liang，Guangbing Deng，Hai Long，et.Virusinduced silencing of genes encoding LEA protein in Tibetan hulless barley(Hordeum vulgare ssp.vulgare)and their relationship to drought tolerance［J］.Molecular Breeding，2012，30:441-451