甘孜州青稞抗旱性研究現(xiàn)狀與展望

李 健 豐先紅 楊開(kāi)俊

(甘孜州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，四川 康定 626000)

青稞 (Hordeum vulgare ssp.vulgare)，又稱裸大麥，是世界上最古老的作物之一，也是青藏高原廣泛種植的主要糧食作物，因其耐旱、耐瘠、生育期短、適應(yīng)性強(qiáng)、易栽培等優(yōu)異種性，在生態(tài)條件惡劣、農(nóng)藝水平低下的高原地區(qū)有不可替代的作用。四川省甘孜州地處青藏高原東南緣，區(qū)內(nèi)高山眾多、河流縱橫，氣候多樣、生態(tài)條件復(fù)雜，人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響小，有干旱、寒冷、大溫差、強(qiáng)輻射等特殊脅迫條件。因此，甘孜州具有豐富的生物多樣性和寶貴的抗性基因資源急待開(kāi)發(fā)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穩(wěn)定發(fā)展的迫切需要

青稞是甘孜州農(nóng)牧民的主要糧食作物，青稞秸稈是甘孜州牲畜過(guò)冬的主要飼料。青稞產(chǎn)量是影響甘孜州糧食安全和農(nóng)牧民生活水平的關(guān)鍵因素。甘孜州糧食產(chǎn)量總體供應(yīng)不足，年度間產(chǎn)量波動(dòng)較大，且調(diào)配困難，所以穩(wěn)產(chǎn)越來(lái)越成為甘孜州青稞育種的重要目標(biāo)，開(kāi)展青稞抗旱育種研究，可以有效地確保穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為糧食安全和農(nóng)牧民生活水平的逐步提高提供保證。

1.2 青稞抗旱是甘孜州特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要

青稞富含膳食纖維、復(fù)合維生素B、β-葡聚糖、γ-氨基丁酸、生育酚等保健功能組份，一些高科技企業(yè)以青稞為原料生產(chǎn)各種青稞保健品。為了推動(dòng)這些企業(yè)的發(fā)展，就必須要穩(wěn)定符合企業(yè)要求的青稞原料的供應(yīng)，所以抗旱育種也是保證企業(yè)在甘孜州健康發(fā)展，確保甘孜州農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基石。

1.3 青稞抗旱研究是抗旱基因資源保護(hù)的需要

甘孜州地處青藏高原東南緣，氣候垂直分布帶從亞熱帶依次過(guò)渡到冰原帶。氣候多樣，生態(tài)條件復(fù)雜，有極度干旱、高寒、大溫差、強(qiáng)輻射等特殊脅迫條件，蘊(yùn)含很多關(guān)鍵抗性基因，但是隨著青稞栽培種的大面積推廣，這些寶貴的基因資源也在不斷流失，急待保護(hù)。

因此，在甘孜州開(kāi)展青稞抗旱研究，可以充分利用甘孜州豐富的大麥資源，挖掘抗旱關(guān)鍵基因，開(kāi)展基因功能研究，創(chuàng)制強(qiáng)抗旱青稞種質(zhì)，為突破性青稞品種的選育提供理論基礎(chǔ)和基礎(chǔ)材料，也可為其它作物相關(guān)基因的研究提供幫助和參考。

2 甘孜州青稞主產(chǎn)區(qū)面臨的干旱類型

甘孜州青稞主產(chǎn)區(qū)主要分布在北部山原區(qū)和東、南、西部的河谷區(qū)。北部山原區(qū)主要干旱類型是大氣干旱、土壤干旱和生理干旱 (因土溫低導(dǎo)致根系吸水受阻，植物體內(nèi)水分虧缺而受旱)，干旱發(fā)生的時(shí)期為4月～5月和8月～9月，青稞受旱時(shí)期主要是苗期和灌漿期;東、南、西部的河谷區(qū)主要干旱類型是土壤干旱和大氣干旱，干旱發(fā)生的時(shí)期為3月～4月，青稞受旱時(shí)期主要是苗期。

3 甘孜州青稞抗旱研究現(xiàn)狀

由于干旱對(duì)甘孜州青稞產(chǎn)量影響的日趨明顯，青稞抗旱育種也成為甘孜州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所的研究熱點(diǎn)，青稞抗旱研究主要分為兩個(gè)方面:

3.1 優(yōu)異種質(zhì)篩選

3.1.1 北部山原地區(qū)。北部山原地區(qū)主要干旱類型是大氣干旱、生理干旱，有時(shí)也伴有土壤干旱，發(fā)生時(shí)間為4月～5月和8月～9月，青稞受旱時(shí)期主要是苗期和灌漿期。因此，應(yīng)選擇耐寒、葉片在受旱后卷曲率高，離體葉片失水率低、相對(duì)含水量高、復(fù)水后能迅速恢復(fù)生長(zhǎng)的青稞材料。

3.1.2 東、南、西河谷區(qū)。河谷區(qū)主要干旱類型是土壤干旱、大氣干旱，發(fā)生時(shí)間在3月～4月，青稞受旱時(shí)期主要是苗期。因此，應(yīng)選擇分蘗力強(qiáng)，葉片在受旱后卷曲率高，離體葉片失水率低、相對(duì)含水量高、復(fù)水后能迅速恢復(fù)生長(zhǎng)。

經(jīng)過(guò)4年時(shí)間，從1 000多份青稞種質(zhì)材料中篩選出強(qiáng)抗旱青稞種質(zhì)3份，其中兩份兼具耐寒特性。

3.2 抗旱遺傳機(jī)理研究

在青稞抗旱研究中，甘孜州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所合作，對(duì)青稞中編碼LEA蛋白的基因做了較深入的研究。

3.2.1 LEA蛋白概述。LEA蛋白最大的物理化學(xué)特性是具有很高的親水性和熱穩(wěn)定性，即使在煮沸條件下也能保持水溶狀態(tài)［1］。這種高度親水性有利于LEA蛋白在植物受干旱脅迫時(shí)部分替代水分子，蛋白質(zhì)的多羥基能保持細(xì)胞液處于溶解狀態(tài)，從而避免細(xì)胞結(jié)構(gòu)的塌陷，穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)，尤其是膜結(jié)構(gòu)。LEA蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)由非周期性的無(wú)規(guī)則線團(tuán)和少量兼性α-螺旋構(gòu)成，無(wú)熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)狀態(tài)。LEA蛋白的另一個(gè)特點(diǎn)是，它們中的有些成員可被ABA和水分脅迫因子誘導(dǎo)產(chǎn)生，有時(shí)二者的作用可相互代替［2］。

LEA蛋白共同的結(jié)構(gòu)特征是偏性氨基酸組成(biased aminoacid composition)形成高度親水性的多肽，大多數(shù)LEA蛋白缺乏半胱氨酸和酪氨酸殘基，但富含賴氨酸和甘氨酸［3］。根據(jù)它們氨基酸序列的同源性及一些特殊的基元序列，LEA蛋白一般可分為6組，即:LEA D19(第1組)，LEA D11(第 2組，也稱為脫水素)，LEAD7(第 3組)，LEA D113(第4組)，LEA D29(第5組)和LEA D95(第6組)。后兩族為附加族［4］。

LEA2蛋白基因和LEA3蛋白基因是麥類作物中研究最多的2類與抗旱有關(guān)的基因［5］。

3.2.2 青稞抗旱基因結(jié)構(gòu)分析。錢(qián)剛［6］2008年從不同抗旱性青稞材料中克隆了編碼LEA蛋白的基因Dhn6基因，通過(guò)對(duì)比青棵的抗旱性和Dhn6基因的結(jié)構(gòu)特征和氨基酸序列的結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，青稞的抗旱性與Dhn6基因的結(jié)構(gòu)差異沒(méi)有直接的聯(lián)系。

HVA1基因是大麥中唯一發(fā)現(xiàn)的屬于編碼LEA3蛋白的基因［7］，錢(qián)剛等從不同抗旱性青稞材料中克隆了青稞HVA1基因，通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)HVA1基因結(jié)構(gòu)的差異與青稞的抗旱性并不直接相關(guān)［7］。

3.2.3 青稞抗旱基因表達(dá)模式研究。LEA蛋白的表達(dá)累積程度與植物的干旱程度有著密切的關(guān)系，錢(qián)剛等［7］通過(guò)對(duì)Dhn6基因和HVA1基因在干旱脅迫過(guò)程中的相對(duì)表達(dá)水平進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，(1)Dhn6基因的相對(duì)表達(dá)水平在強(qiáng)抗旱青稞品種干旱8 h后快速上升，但在弱抗旱青稞品種干旱處理12 h后檢測(cè)到更高表達(dá)量;(2)干旱早期，HVAI表達(dá)累積在強(qiáng)抗旱品種更早更快，在弱抗旱品種干旱8～12 h快速升高;(3)干旱過(guò)程中，強(qiáng)抗旱品種的HVA1基因相對(duì)表達(dá)水平一直高于弱抗旱品種。

3.2.4 青稞抗旱基因功能分析。VIGS技術(shù)是通過(guò)病毒誘導(dǎo)目標(biāo)基因沉默，來(lái)檢驗(yàn)基因功能的技術(shù)［8］，梁俊俊等［9］2011 年通過(guò) VIGS 技術(shù)沉默青稞Dhn6基因和HVA1基因發(fā)現(xiàn):HVA1沉默植株離體葉片失水率顯著升高，干旱脅迫下的存活率顯著下降，同時(shí)發(fā)現(xiàn)HVA1沉默植株群體中，超過(guò)70%表現(xiàn)為植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)嚴(yán)重延遲，植株矮小，分蘗增加。青稞Dhn6基因沉默后，也表現(xiàn)出干旱脅迫存活率的顯著下降，但對(duì)離體葉片失水率并未造成顯著影響。

上述研究闡明了HVA1基因和Dhn6基因?qū)η囡目购敌杂酗@著影響，對(duì)于青稞抗旱育種有重要的指導(dǎo)意義。

4 展望

青稞的抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的表型性狀，受各種因素的影響，甘孜州農(nóng)科所將多方面大力推進(jìn)青稞抗旱性研究。

4.1 加大優(yōu)異種質(zhì)資源的鑒定

甘孜州作為大麥的次生起源中心，有非常豐富的大麥野生種和近緣野生種。隨著科研條件的不斷改善，甘孜州農(nóng)科所已經(jīng)開(kāi)始向人際罕至，自然條件惡劣的地區(qū)尋找青稞野生種和近緣野生種，通過(guò)對(duì)上述種質(zhì)材料的鑒定、篩選，完全有可能獲得優(yōu)異的抗性新基因，進(jìn)而推動(dòng)抗旱親本的培育和抗旱基因的挖掘。

4.2 保持常規(guī)育種的深入推進(jìn)

青稞作為自花授粉作物，通過(guò)抗旱材料與高產(chǎn)品種的雜交，從其雜交后代中選擇高產(chǎn)抗旱的青稞品種是目前甘孜州農(nóng)科所抗旱育種的主要手段。目前，甘孜州農(nóng)科所已經(jīng)把篩選出的抗旱新材料作為優(yōu)異親本與康青3號(hào)、康青7號(hào)、康青9號(hào)等品種雜交，正在培育既高產(chǎn)又抗旱的青稞品種。

4.3 大力推進(jìn)耐旱遺傳學(xué)研究進(jìn)程

隨著科研條件和分子生物學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，抗性基因的研究也不斷深入。目前，雖然知道HVA1、Dhn6基因?qū)τ谇囡哪秃敌苑浅Ｖ匾巧鲜龌蚪Y(jié)構(gòu)差異與青稞抗旱性之間的關(guān)聯(lián)度不高，這也限制了相關(guān)分子標(biāo)記的開(kāi)發(fā)。所以，甘孜州農(nóng)科所通過(guò)對(duì)上述基因進(jìn)一步的研究，希望發(fā)現(xiàn)HVA1、Dhn6基因結(jié)構(gòu)差異和在干旱脅迫時(shí)表達(dá)模式差異與青稞耐旱性之間的聯(lián)系，為相關(guān)分子標(biāo)記的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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