谷子抗旱机制研究进展

李红英，程鸿燕，郭昱，段明，马芳芳

(1.山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801；2.农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，山西 太原 030031)

全球干旱、半干旱地区约占土地总面积的36%[1]，大多数国家受干旱的影响较大。干旱是制约我国农业和粮食生产的重要因素之一，且干旱的频率和程度日趋严重，因此作物抗旱性的研究和抗旱品种的选育极为迫切。

谷子(Setariaitalica)属禾本科狗尾草属一年生植物，被誉为“五谷之首”，是我国主要的粮草兼用作物之一。它的营养价值高，富含氨基酸、维生素、类胡萝卜素和硒等[2]。一般认为谷子最初被驯化种植于中国北方，已有8700多年的栽培历史[3]，种植面积占世界的80%，现广泛分布于亚欧大陆的温带和热带地区，主要种植于亚州东南部、非洲中部和中亚等地区。谷子主要分布于我国北方各省(自治区)，包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、山西、山东、河南、陕西、甘肃、宁夏等，是我国传统特色作物[4,5]。

谷子耐干旱、耐瘠薄，一方面，它吸收本身重量26%的水分即可发芽，而禾本科其它作物如高粱、玉米、小麦则需吸水40%、48%、45%，而且谷子苗期、拔节期耐旱，灌浆后期到成熟阶段需水也少；另一方面与其具有较小的叶面积和叶片表皮细胞壁增厚，内含大量硅质，叶脉密集，气孔多，根系深而致密，吸收力强等有关。此外，谷子蒸腾系数小，蒸腾效率高，其水分利用效率远远高于其他作物，平均每消耗257 g水就可产生1 g干物质，相比而言，玉米需要消耗470 g水，小麦需要消耗510 g水[6]。近年来，谷子已作为新型模式植物被研究，用于C4植物的光合作用[6]、植物抗逆性[7]、植物结构和穗发育[8]等方面的研究。

虽然谷子具有较强的抗旱性，但随着全球气候变暖、气温升高、可利用水资源的日益减少，谷物减产的现象将被进一步激化[9]。所以充分了解谷子在干旱胁迫条件下的反应机制，发掘谷子抗旱相关因素和基因，对培育抗旱品种、提高产量和品质具有极为重要的意义。本文对近年来谷子抗旱生理机制、分子机制及其根际微生物的研究进展进行综述。

1 谷子抗旱生理机制研究进展

植物可通过改变自身形态、生理和分子水平上的各种因素抵御干旱胁迫，这些因素包括根系和叶片形态、氨基酸(脯氨酸等)、抗氧化防护酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶等)、植物激素(脱落酸、生长素等)、甲基化和去甲基化及控制这些因素的关键基因等。为充分了解谷子生长发育过程中的抗旱生理机制，提高抗旱性种质资源筛选效率及准确性，目前，国内外研究人员通过形态指标、生理生化指标及光合指标等对谷子萌发期、苗期、孕穗期等不同时期乃至全生育期的抗旱生理特性进行了研究。

程林梅等对谷子旱地品种和水地品种的2个关键时期(拔节期和灌浆期)进行正常浇水(CK)和自然干旱处理后，对其生理指标进行测定，发现水分胁迫条件下旱地品种较水地品种的细胞膜透性增幅小，光合速率降幅小，叶水势较高，脯氨酸积累多，抗旱系数大；而同一品种经水分胁迫后，拔节期较灌浆期敏感[10]。之后又发现谷子抽穗期相对灌浆期而言具有更强的抗旱能力，并且脯氨酸和抗坏血酸过氧化物酶(APX)起主要作用[11]。这些研究结果可作为干旱半干旱地区谷子品种选择的理论性依据。

植物激素在谷子响应干旱胁迫时起正向调节作用。刁现民研究员团队对筛选出的抗旱品种“豫谷1号”与干旱敏感型品种“安04”的苗期进行抗旱生理学比较，发现正常浇水条件下，“安04”的产量和光系统活性比“豫谷1号”高，但在干旱胁迫条件下，“安04”的生长较“豫谷1号”受到干旱的严重抑制，而其产量明显高于“Yugu1号”，经分析发现这主要是由于“安04”积累了更多的内源油菜素内酯(BR)。经过对脱落酸(ABA)、生长素(IAA)、细胞分裂素CTK、赤霉素(GA)和乙烯(ETH)等其他植物激素的分析发现，ABA和生长素信号转导在谷子干旱胁迫中起主要作用[12]。

通过对干旱条件下谷子不同生育期形态指标和生理指标的测定，筛选出谷子抗旱性鉴定指标。张文英等通过对干旱条件下谷子全生育期的生理状态进行测定，结合相关和灰色关联等方法，确定出相对根冠比、相对单穗粒重和灌浆期光合速率、蒸腾速率为谷子全生育期的鉴定指标[13]；之后又对干旱条件下筛选的20个谷子品种的形态和生理生化指标进行测定，并结合主成分分析法，确定出千粒重、单穗重、叶绿素含量(SPAD值)和超氧化物歧化酶(SOD)活性为谷子孕穗期抗旱综合鉴定指标，而可溶性糖、丙二醛(MDA)含量、SOD和SPAD值可作为谷子抗旱生理生化鉴定指标，为筛选高抗谷子品种及今后选育工作提供了理论依据和技术支撑[14]。

2 谷子抗旱分子机制研究进展

通过谷子基因组或RNA测序，并结合遗传方法和基因工程手段，已经发掘了一些抗旱相关基因并对其功能进行验证，推动了谷子抗旱分子的研究进展。

与其它主要作物或模式植物相比，谷子抗旱分子机制起步很晚。谷子较早的抗旱分子机制研究始于王国英团队渗透胁迫差减cDNA文库的建立[15]。利用渗透胁迫和正常条件下苗期谷子构建的差减文库获得了1 947个uniESTs，对这些基因通过基因芯片进行表达模式分析发现，渗透胁迫下在根系和地上部分分别有95和57个ESTs上调，10个和27个ESTs表现为下调，明确了谷子根系对胁迫的早期反应是糖酵解代谢的激活。Lata 等之后采用不同时间PEG胁迫(0.5hr和6hr)构建了差减cDNA文库，共发现327个特异性ESTs，并利用Reverse Northern分析了这些基因的表达模式[16]。刁现民研究员团队利用谷子品种豫谷1号与青狗尾草杂交后代群体(190个F7株系)发现了18个与抗旱相关的QTLs[17].张雁明也比较了抗旱和敏感谷子品种对PEG胁迫的转录组响应[18]，之后根据转录组结果分析了一系列基因与抗旱的关系[19～26]。

对谷子抗旱分子机制研究规模较大的是最近刁现民研究员团队对近千份谷子资源抗旱性的筛选及从极端材料鉴定抗旱关键候选基因[12]。通过对这些材料不同时期、不同年份抗旱性筛选获得了抗旱性极强和干旱敏感的品种，分别是豫谷1号和安-04。对这两个品种干旱条件下转录组进行分析，并结合耐旱相关的QTLs，确定了20个抗旱候选基因。

无论是早期单个基因的克隆和表达分析，还是利用谷子基因组序列和RNA测序技术对基因家族或全基因组的分析，都发现了一些抗旱相关基因，如SiOPR1(12-氧代植二烯酸还原酶基因)[27]、APX(ascorbate peroxidase)和GR(glutathione reductase)基因[16]，转录因子家族如AP2/ERF、SiDoF[16,28]以及抗旱相关的miRNA[29～31]。

通过对甲基化的研究发现，甲基化和去甲基化与非生物胁迫有关，含有SET结构域的基因催化组蛋白赖氨酸甲基化，会改变染色质结构并调节涉及各种发育和生理过程中基因的转录。对谷子进行不同胁迫和激素处理之后，发现SET基因发生差异表达，并且在各种非生物胁迫期间发生去甲基化，增强了基因表达[32]。热休克蛋白(HSPs)在提高作物非生物胁迫耐受性方面也起重要作用。对不同品种谷子进行干旱胁迫处理后，发现耐旱品种中HSPs相关基因明显上调；SiHSP基因的甲基化分析表明，在易感品种中，高水平的甲基化可能是导致这些基因在胁迫下表达降低的原因[33]。

尽管通过不同方法和途径分析发现不少抗旱候选基因，然而由于缺乏高效、稳定且易于掌握的谷子转化体系，谷子抗旱基因的功能验证仍非常少。通过转化模式植物(拟南芥或烟草)过表达谷子基因验证了一些谷子基因与抗旱的关系，如谷子SiPLDalpha1(磷脂酶D)[34]、SiATG8a(自噬蛋白)[35]、SiNF-YA1和SiNF-YB8[36]。于静娟教授的团队利用其建立的谷子转化体系开展了一系列的谷子抗旱基因验证，先后发现了谷子中SiARDP(ABA响应的DREB结合蛋白基因)[37]、SiLEA14(配发育晚期富集蛋白基因)[38]、SiLTP(脂质转移蛋白基因)[39]和SiASR(ABA-Stress-Ripening诱导蛋白基因)[40]过表达后可以显著提高谷子抗旱性。

3 谷子根际微生物

土壤微生物在植物生长发育、矿质营养吸收和抵御逆境胁迫中发挥着重要的作用[41,42]。与其它植物一样，谷子根系与土壤微生物之间同样存在着互利共生的关系。然而，根际微生物主要来自根表面土层，并受地域、营养状况以及宿主基因型的影响。丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌是一类能与90%以上植物形成共生体的真菌，可以提高植物在盐碱、洪涝、干旱等逆境下的生存能力。它们之间的互利共生是植物适应水分胁迫、增强抗旱性的重要方式。AM能够影响植物体内相关的生理及分子机制。研究发现，AM能够提高植物的光合作用、渗透调节能力和抗氧化能力来增强植物的抗旱性[43]；AM对一些植物抗旱相关基因的表达也有调控作用[44]。最近发现AM可以有效促进谷子根系对磷的吸收而提高产量[45]。谷子由于其水分利用率高且抗旱性强，是干旱半干旱地区重要的作物，因此，深入探索谷子根系微生物种群特性有助于谷子抗旱机制的进一步研究。

Jin等人通过对河北陕西两地1 219份谷子农艺性状和根系微生物结构及丰度进行关联分析发现，谷子根际微生物多样性受微环境和宿主基因型影响较大，其中三类微生物包括芽孢杆菌、假芽孢杆菌、类芽孢杆菌属在谷子生长和抗逆过程中起着重要的作用[46]。目前，研究人员通过对谷子根际微生物系统分析，已鉴定出有益的微生物种群，并对相关基因功能进行了注释分析，这将对根际微生物的发掘和利用奠定基础。在今后的工作中，通过宏基因测序技术可以更大程度上对谷子根际微生物进行全面分析，以期获得更深层次的信息。

4 结语

谷子抗旱机理复杂，关于其抗旱分子机制还处于起步阶段。谷子因其自身具备基因组小、自花授粉、C4特性及丰富的种质资源等特点正在引起越来越多团队的关注，相信通过对其抗旱机制在生理、基因组学、代谢组学和蛋白组学水平更加广泛和深入的研究，加之于稳定高效的遗传转化体系和基因工程方法以及根际微生物的利用，将会极大地促进谷子抗旱基因发掘，促进对谷子抗旱机制的认识以及抗旱分子育种。

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