基础研究提升传统作物谷子和黍稷的科研创新水平

刁现民

（中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

·专题导读·

基础研究提升传统作物谷子和黍稷的科研创新水平

刁现民

（中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

谷子（Setaria italica Beauv.）和黍稷（Panicum miliaceum L.）是中国起源的古老农作物，栽培历史超过8 000年，粟（谷子）、黍（黍稷、糜子）、稻（水稻Oryza sativa L.）、麦（小麦Triticum aestivum L.）、菽（大豆Glycine max (Linn.) Merr.）被称为中国传统农耕文明的“五谷”[1-2]，而谷子和黍稷在“五谷”中位列重要位置，可见这两种作物对中华文明发展的重要性。考古学证据的积累证明，黍稷的驯化早于谷子，在8 000以前的新石器时代黍稷就已经在黄河流域广泛栽培；而谷子的驯化略晚于黍稷，在距今6 000—7 000年前被广泛栽培。已有证据表明，这两个作物均起源于中国北方的黄河流域，在水稻尚未传到北方，小麦尚未引入中国的农耕文化形成早期，对中华文明的形成起到了决定性作用，因此，谷子和黍稷被誉为中华民族的哺育作物[3-4]，数千年来它们一直是中国北方旱作生态农业的主栽作物。随着小麦的引入特别是玉米（Zea mays L.）和甘薯（Dioscorea esculenta (Lour.) Burkill）引入中国后，谷子和黍稷的栽培面积逐渐减小，但仍然在旱作农业中占有重要地位，是干旱半干旱地区的主要作物。谷子黍稷均抗旱性突出，早在1927年，美国学者SHANTZ等[5]研究证明谷子和黍稷是禾谷类作物中水分利用效率最高的环境友好作物。随着世界范围的水资源减少和生态环境日益恶化，以及对水肥高消耗主栽作物所存在的环境恶化问题认识的加深，大家重新认识到谷子和黍稷在环境友好型可持续农业中的重要性，特别是谷子和其近缘野生种青狗尾草（Setaria viridis），因其小的二倍体基因组和易于实验室操作的株型，正在迅速发展成为世界广泛关注的抗旱耐逆研究和C4光合作用研究的模式作物[6-7]。

由于谷子和黍稷只是北方旱作区的区域经济重要作物，研究投入和团队力量有限，这两个作物的基础研究同主要农作物水稻、玉米、小麦相差很远，在国家级刊物上发表的正规论文一年也没有几篇，基础研究极为薄弱。在国家产业技术体系、国家科技支撑计划和国家自然科学基金的资助下，谷子和黍稷的基础研究有了显著提升。谷子野生祖先青狗尾草、农家品种和育成品种的群体结构得到了解析[8-11]，促进了谷子和黍稷资源研究和育种水平的提升。《中国农业科学》本期以谷子黍稷专题形式发表谷子和黍稷基础研究的5篇文章，报道了从品种资源多样性、抗旱耐逆、营养高效和主要病害抗性资源鉴定等方面的工作进展，说明中国谷子和黍稷的基础研究近年来已有较大的起色。

中国有着丰富的黍稷资源，虽然已构建了黍稷的核心种质[12]，并且也开展了一些资源的多样性研究和分类，但主要是依据农艺表型性状[13]，覆盖较广范围资源基于基因组变异的遗传多样性分析尚未见报道。本期专题发表的连帅等作者利用SSR标记对黍稷资源多样性的研究，分析了来自国内外的192份黍稷地方品种和野生种质，资源的地理来源广泛；所用SSR标记覆盖整个基因组，较全面地解析了黍稷基因组变异的本底，基本清楚了10个地理群黍稷资源的遗传关系。该工作对于黍稷资源管理、育种和遗传研究杂交组合配置，以及黍稷的起源分析有重要参考价值。黑穗病是黍稷的最主要病害，本期发表的周瑜等作者的工作，不仅为读者提供了黍稷黑穗病抗性鉴定的新结果，更给出了抗病品种和感病品种在接种病菌后的苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）等活性变化，得出了拔节期和灌浆期PAL活性、抽穗期和灌浆期抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）活性、抽穗期谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）活性、灌浆期的还原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）等在抗病品种和感病品种间存在显著差异，可作为鉴定黍稷对黑穗病抗性的生理生化指标的结果，这对黍稷抗病育种和资源鉴定有重要参考意义，是对黍稷资源抗黑穗病鉴定[14]研究的发展和深入。

谷子是公认的抗旱耐逆营养高效作物，传统的谷子抗旱耐逆研究主要是资源的抗旱耐盐鉴定[15-16]，虽然近年来发表了几篇抗旱相关QTL发掘和表达分析的文章[17-18]，但从单基因水平分析的研究还很少。本期谷子糜子专题发表了秦玉海等在谷子耐逆相关基因SibZIP42转录因子的功能分析研究结果，证明SibZIP42转基因拟南芥株系相对于野生型在种子萌发时期耐盐性显著提高，在种子萌发后期SibZIP42转基因株系相比于野生型对ABA处理的敏感性增强，说明SibZIP42可能是通过ABA信号途径正向调控植物的耐盐性。《中国农业科学》本期发表的陈二影等利用79个夏谷品种对苗期氮素利用效率分析，发现不同谷子品种苗期氮效率差异显著，且西北春谷类型品种间氮素吸收效率差异最大，华北夏谷类型品种间氮素利用效率差异最大，为深入研究谷子的氮素营养机理和克隆氮素营养高效相关基因提供了基础，也是在谷子营养高效资源鉴定方面的首篇文章。谷瘟病是谷子的主要病害，而且近年来有愈发严重的趋势[19]，本期谷子黍稷专题发表的李志江等作者在谷瘟病方面的工作不仅鉴定出了多个高抗谷瘟病的抗源品种，而且构建了谷瘟病菌生理小种鉴别的谷子标准品种体系，对今后的谷瘟病小种鉴定和谷子不同产区小种类型分析和抗病育种与栽培有指导意义。

作为中国最早驯化的作物，谷子和黍稷是中国传统农耕文化的重要载体作物。谷子和黍稷的抗旱耐逆性强，合成干物质需水少[5]，被称为应对未来日益干旱环境的战略储备作物和环境友好作物[20]。近年来，谷子和野生祖先青狗尾草正在迅速发展成为禾谷类耐逆和C4光合作用研究新的模式作物[6]，这些都增加了谷子和黍稷的世界关注度。中国是谷子和黍稷的遗传多样性中心，拥有最丰富的遗传资源[2]，也是世界上谷子和黍稷栽培面积最大的国家，中国的谷子和黍稷基础研究理应走在国际前列，为国家粮食安全和农作物及膳食多样性发展作出贡献。谷子方面中国的基础研究进展已获得国际高度关注，并于2014年在北京召开了首届国际谷子遗传学会议[6]。《中国农业科学》本期谷子黍稷专题发表的5篇文章，必将进一步促进谷子和黍稷的基础研究工作，提升中国在相关领域的国际竞争力。

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Basic Research Promoting Scientific Innovation for Traditional Chinese Cereals, Foxtail Millet and Common Millet

DIAO Xian-min
(Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)