高粱抗旱性鑒定方法及分子生物學(xué)研究進(jìn)展

江佰陽 白文斌 張建華 范娜 史麗娟

（1. 遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，榆次 030600；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）高粱研究所，榆次 030600）

干旱是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的常見問題，因氣候變化和水資源供求矛盾加劇，干旱發(fā)生的頻次逐漸增加，呈現(xiàn)持續(xù)時間長、波及范圍廣的特點(diǎn)［1］。目前，世界上有超過1/3［2］、我國有近一半的土地干旱、半干旱化現(xiàn)象嚴(yán)重，其中，絕大部分因缺乏灌溉條件而以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，其年產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的比重很小，通過選育抗旱性強(qiáng)的作物品種可以有效提高這些地區(qū)的糧食產(chǎn)量，是保證這些地區(qū)糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的必要舉措。在作物整個生長周期內(nèi)出現(xiàn)的周期性或間隙性干旱會引起作物體內(nèi)水分虧缺導(dǎo)，導(dǎo)致其生理功能和代謝途徑發(fā)生紊亂，干旱脅迫常出現(xiàn)在苗期和生育后期［3］，發(fā)生在營養(yǎng)生長階段的干旱阻礙作物的生長發(fā)育；發(fā)生在生殖生長階段的干旱使作物的平均產(chǎn)量受到影響，嚴(yán)重時導(dǎo)致絕收［4-5］。

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］主要分布在熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，非洲和亞洲是高粱的主要種植區(qū)域［6］。早期中國的高粱主要做為糧食和飼料，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高粱在釀造業(yè)方面的優(yōu)勢逐漸凸顯。高粱具有良好的水分利用率和較強(qiáng)的抗逆性，能在干旱環(huán)境中發(fā)揮其比較優(yōu)勢，在我國傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)中占有重要地位。高粱具有較強(qiáng)的抗旱能力［7-9］，但其生長及產(chǎn)量易受干旱影響，且其不同品種間的抗旱性差異較大，選育抗旱性強(qiáng)的高粱品種對發(fā)展我國干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定推動作用。本文簡述了高粱抗旱性鑒定方法、鑒定指標(biāo)及抗旱性綜合評價方法，從轉(zhuǎn)錄組分析、抗旱QTL定位、抗旱基因挖掘3個方面對高粱分子遺傳研究進(jìn)行了綜合的評價分析，以期為高粱抗旱品種選育提供參考。

1 高粱抗旱鑒定方法及鑒定指標(biāo)

1.1 萌發(fā)期抗旱鑒定方法及鑒定指標(biāo)

1.1.1 鑒定方法 高粱不同時期的耐旱性機(jī)制不同，因此高粱抗旱性鑒定通?？梢苑譃槊劝l(fā)期、苗期和全生育期抗旱鑒定。萌發(fā)期是高粱完成其整個生育周期的關(guān)鍵階段［10］，對高粱的群體結(jié)構(gòu)和群體數(shù)量具有重要的決定性作用。高粱萌發(fā)期的抗旱鑒定多采用高滲透溶液法，利用不同濃度的聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、甘露醇、葡萄糖等高滲溶液模擬干旱環(huán)境，根據(jù)種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、萌發(fā)抗旱指數(shù)等鑒定高粱的抗旱性。其中，PEG-6000在模擬滲透作用上較為理想，是一種普遍應(yīng)用的滲透調(diào)節(jié)劑［11-12］，常被用來模擬干旱環(huán)境進(jìn)行萌發(fā)期抗旱鑒定。王平等［13］利用17.5%的PEG-6000水溶液對575份高粱材料進(jìn)行萌發(fā)期干旱脅迫，篩選出34份抗旱性強(qiáng)的高粱材料，26份干旱敏感性高粱材料；陳冰嬬等［14］采用PEG-6000水溶液模擬干旱脅迫對41份不同高粱種質(zhì)進(jìn)行萌發(fā)期的抗旱性鑒定，獲得萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)的高粱材料2份。王志恒［15］等利用PEG-6000水溶液對遼甜1號甜高粱種子進(jìn)行干旱脅迫處理，認(rèn)為PEG-6000干旱脅迫能顯著抑制甜高粱種子的萌發(fā)指標(biāo)。吳奇等［16］、王藝陶等［17］分別利用4個濃度的PEG-6000水溶液對54份和31份高粱雜交種進(jìn)行萌發(fā)期抗旱材料篩選，分別獲得一個抗旱性極強(qiáng)的雜交組合13218A×20982R和4份高度抗旱材料。高滲溶液法操作過程簡單，不受季節(jié)和外界環(huán)境限制，可有效提高鑒定效率，適用于萌發(fā)期或苗期的抗旱鑒定。

1.1.2 鑒定指標(biāo) 高粱萌發(fā)期抗旱性鑒定指標(biāo)主要以萌發(fā)抗旱指數(shù)為主，萌發(fā)期的出苗率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、相對芽長、相對根長等可以作為抗旱性鑒定的相關(guān)指標(biāo)。吳奇等［16］、陳冰嬬等［14］分別對8個高粱萌發(fā)期抗旱鑒定指標(biāo)（相對萌發(fā)抗旱指數(shù)、相對根長、相對剩余物質(zhì)干重、相對芽干重、相對根干重、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對芽長）進(jìn)行主成分分析，均認(rèn)為相對萌發(fā)抗旱指數(shù)、相對根長可以作為高粱萌發(fā)期抗旱性鑒定的主要鑒定指標(biāo)。張麗霞等［18］對369份高粱材料進(jìn)行萌發(fā)期抗旱鑒定，認(rèn)為出苗率可以作為種子萌發(fā)期抗旱鑒定的最直接指標(biāo)。吳奇等［16］和王藝陶等［17］采用主成分分析法和聚類分析法，分別對31份和54份高粱雜交組合的萌發(fā)期抗旱指標(biāo)進(jìn)行分析，均認(rèn)為發(fā)芽率、萌發(fā)抗旱指數(shù)、芽長和根長等性狀可作為高粱萌發(fā)期抗旱鑒定的主要指標(biāo)。

1.2 苗期抗旱鑒定方法及鑒定指標(biāo)

1.2.1 鑒定方法 作物的抗旱性通常是在苗期建立起來［19-20］，苗期抗旱性鑒定是作物抗旱鑒定的重要階段。高粱苗期抗旱性鑒定一般采用反復(fù)干旱法、干旱復(fù)水法和模擬干旱法。其中，反復(fù)干旱法操作簡單，適于批量鑒定，是目前禾本科作物種質(zhì)資源苗期抗旱性鑒定的主要方法。該方法是指作物在經(jīng)過2個連續(xù)的周期性干旱后，以存活率為主要鑒定指標(biāo)的抗旱性鑒定方法。印度利用反復(fù)干旱法對6 000份高粱種質(zhì)資源進(jìn)行苗期抗旱性鑒定，獲得40份高度抗旱高粱品種，并以這些抗旱品種為親本，選育出抗旱性好的高粱新品種［21］。Reddy等［22］認(rèn)為幼苗在短期干旱、中度干旱、重度干旱脅迫下的復(fù)水恢復(fù)能力可以評價高粱的抗旱性。劉婷婷等［23］利用干旱復(fù)水法處理8個不同高粱品種幼苗，通過測定干旱及復(fù)水后高粱不同生理指標(biāo)的變化情況來評價不同高粱品種的抗旱能力，分析不同品種旱后復(fù)水的恢復(fù)能力及與干旱適應(yīng)性的關(guān)系，認(rèn)為旱后復(fù)水恢復(fù)能力在高粱干旱適應(yīng)性中起著更加重要的作用。

苗期抗旱性鑒定的環(huán)境條件包括自然環(huán)境和人工環(huán)境，在人工環(huán)境中，旱棚常用于高粱苗期抗旱性鑒定，旱棚法即可以有效的避免降雨對干旱試驗(yàn)的影響，減少環(huán)境因素帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，又能有效彌補(bǔ)室內(nèi)人工環(huán)境中如日照、溫度等與外界環(huán)境的差異而帶來的結(jié)果偏差。榮少英［24］以甜高粱和普通高粱為實(shí)驗(yàn)材料在旱棚內(nèi)進(jìn)行盆栽抗旱實(shí)驗(yàn)，設(shè)置正常灌水、中度脅迫、重度脅迫3個處理，采用干旱復(fù)水法比較了普通高粱和甜高粱苗期不同程度水分脅迫及旱后復(fù)水后對水分的適應(yīng)性及補(bǔ)償效應(yīng)，認(rèn)為苗期甜高粱葉片含水量比普通高粱更高、且葉片的保水能力更強(qiáng)。旱棚鑒定法結(jié)果準(zhǔn)確重復(fù)性好，但對設(shè)備投入要求較高，適合少量材料的抗旱性鑒定研究。苗期抗旱性鑒定鑒定周期短、不受環(huán)境影響、可重復(fù)性強(qiáng)，是高粱抗旱性鑒定的重要時期，但單從這一時期的鑒定結(jié)果不能準(zhǔn)確的判定某一品種的抗旱性。

1.2.2 鑒定指標(biāo) 苗期抗旱性多采用干旱脅迫下的生理指標(biāo)進(jìn)行評價。Azarinasrabad 等［25］認(rèn)為可以以植物的生理特征作為其是否受到水分脅迫的重要指標(biāo)。解芳等［26］通過研究干旱脅迫對高粱苗期葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和保護(hù)酶活性的影響，認(rèn)為在高粱重組自交系群體苗期抗旱性篩選中，脯氨酸的含量可以作為一個重要的生理指標(biāo)。劉婷婷等［23］測定了8個高粱品種苗期的水勢、相對含水量、滲透勢、光合參數(shù)、生物量等生理指標(biāo)，認(rèn)為凈光合速率、葉片相對含水量可以作為篩選高粱苗期干旱適應(yīng)性的重要指標(biāo)。形態(tài)指標(biāo)作為高粱苗期抗旱性鑒定的重要組成部分，苗期的根系長勢、葉片長勢被認(rèn)為是高粱苗期抗旱性鑒定的良好指標(biāo)。Bibi等［27］研究了干旱脅迫下高粱苗期的根系形態(tài)，篩選出5份抗旱性強(qiáng)的高粱材料，認(rèn)為根長與植株的抗旱性密切相關(guān)，可作為高粱苗期抗旱性鑒定的一個重要形態(tài)指標(biāo)。干旱脅迫下作物的存活率可以反映作物的避旱性與耐旱性，所以存活率和出苗率［28］也可以作為作物苗期抗旱鑒定的形態(tài)鑒定指標(biāo)。

1.3 全生育期抗旱鑒定方法及鑒定指標(biāo)

1.3.1 鑒定方法 作物全生育期抗旱性鑒定對選育抗旱新品種、挖掘抗旱相關(guān)基因至關(guān)重要［29］。自然環(huán)境法和人工控制水分及其他環(huán)境條件的旱棚法多用于高粱全生育期抗旱性鑒定。全生育期抗旱性鑒定的優(yōu)勢在于能夠?qū)Ω珊得{迫下作物不同生育期內(nèi)生長情況及產(chǎn)量的變化進(jìn)行系統(tǒng)的研究，對作物抗旱性的評價更加全面、準(zhǔn)確。其中，自然環(huán)境法沒有特殊的儀器設(shè)備要求，操作過程簡單方便，是目前高粱全生育期抗旱性鑒定、篩選抗旱性品種的主要方法。該方法在大田條件下設(shè)置了兩個處理，分別為干旱和水地，為保證出苗，兩處理在播種前均澆足底墑水［30］。出苗后，干旱處理要求在高粱全生育期內(nèi)不澆水，水地處理則根據(jù)高粱生長情況按需澆水，通過分析不同高粱品種在干旱脅迫下不同生長時期的性狀表現(xiàn)以及產(chǎn)量表現(xiàn)來評價其抗旱性［31］。袁闖等［32］采用自然環(huán)境鑒定法對22個甜高粱品系進(jìn)行全生育期抗旱性鑒定，通過對正常澆水和干旱脅迫兩個水分處理下高粱成熟期株高、穗長、穗莖粗、莖粗、穗重、穗粒數(shù)、千粒重、單株粒重、分枝數(shù)和產(chǎn)量等指標(biāo)的綜合分析及評價，篩選出3份成熟期抗旱性好的甜高粱材料：417、F438、F6137。王玉斌等［33］采用自然環(huán)境鑒定法對165份粒用高粱進(jìn)行全生育期抗旱性鑒定，利用隸屬函數(shù)法（membership function，D）、綜合抗旱系數(shù)法（comprehensive drought resistance coefficient，CDRC）和抗旱指數(shù)法（drought resistance index，DI）對全生育期內(nèi)的8個農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析，篩選出抗旱性強(qiáng)的高粱材料5份。呂鑫等［34］在大田環(huán)境下鑒定25份飼用高粱恢復(fù)系全生育期的抗旱性，篩選出1份抗旱性強(qiáng)的飼草高粱材料。自然環(huán)境鑒定法雖鑒定結(jié)果直觀，但受外界環(huán)境影響較大，其研究結(jié)果在降水量變化較大的年份重復(fù)性差，要準(zhǔn)確系統(tǒng)的評價一個品種的抗旱性，需對品種進(jìn)行連續(xù)多年的鑒定。

1.3.2 鑒定指標(biāo) 產(chǎn)量作為作物對干旱抵抗能力和適應(yīng)性的最終體現(xiàn)被認(rèn)為是高粱全生育期抗旱性鑒定的主要鑒定指標(biāo)，在干旱環(huán)境下能否穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)是評價作物抗旱性的主要依據(jù)［35-36］。系數(shù)法是研究作物產(chǎn)量與抗旱相關(guān)性的常用方法。早期許多學(xué)者曾用Chionoy提出的抗旱系數(shù)（DC）來評價作物的抗旱性，抗旱系數(shù)（DC）=脅迫產(chǎn)量（Yd）/非脅迫產(chǎn)量（Yp），該指標(biāo)可以說明作物的抗旱性但不能說明作物的高產(chǎn)性及高產(chǎn)潛力的可塑性，在實(shí)際的育種工作中應(yīng)用性不強(qiáng)。蘭巨生等［37］提出的抗旱指數(shù)法（drought resistance index，DI）是目前作物全生育期抗旱性鑒定中常用的方法，DI=抗旱系數(shù)×旱地產(chǎn)量/所有品種旱地平均產(chǎn)量，該方法同時考慮了環(huán)境差異和基因型差異對鑒定結(jié)果的影響和不同水分條件下作物品種的穩(wěn)產(chǎn)性及其在旱地條件下的產(chǎn)量水平對作物抗旱性的影響，具有很強(qiáng)的操作性和實(shí)際意義，在育種工作中得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)量構(gòu)成因素是影響作物產(chǎn)量的重要組成部分，是作物全生育期抗旱性鑒定的重要參考指標(biāo)。某些抗旱性品種在嚴(yán)重干旱脅迫下能夠保持較高的產(chǎn)量，但在正常環(huán)境或輕度干旱脅迫下卻低于一些不抗旱的高產(chǎn)品種，僅以產(chǎn)量作為全生育期抗旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)不能準(zhǔn)確的評價作物品種間的抗旱性差異，以產(chǎn)量結(jié)合產(chǎn)量構(gòu)成因素作為抗旱性綜合鑒定指標(biāo)是目前較為可靠的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。單穗粒重［38］、收獲指數(shù)［39］、千粒重［40］等可作為高粱全生育期抗旱性評價的綜合鑒定指標(biāo)。穗粒數(shù)、單株粒重和分蘗數(shù)［41］則可作為酒用糯高粱成熟期簡單直觀的抗旱鑒定指標(biāo)。穗長、單株粒重、分枝數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)［32］和株高［42］可作為甜高粱成熟期抗旱性鑒定的鑒定指標(biāo)。

2 高粱抗旱性綜合評價方法

目前高粱的抗旱性評價多采用多指標(biāo)相結(jié)合的綜合評價方法，采用幾個指標(biāo)對作物的抗旱性進(jìn)行全面系統(tǒng)的評價。該方法能有效彌補(bǔ)采用單個指標(biāo)鑒定的局限性，使鑒定結(jié)果更接近實(shí)際。目前應(yīng)用較多的綜合分析方法有：主成分分析法、隸屬函數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法和加權(quán)抗旱系數(shù)法等［43-46］。高雪［42］以5份甜高粱品系（種）為試驗(yàn)材料，用方差分析以及主成分分析等方法分析不同高粱品種不同生育期株高和產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和光合氣體交換參數(shù)等生理指標(biāo)的變化情況，對其抗旱性進(jìn)行綜合評價，認(rèn)為在甜高粱成熟期，不同程度的干旱脅迫對其生長狀況、光合、滲透以及CAT等方面的影響最大。袁闖等［32］采用主成分分析、相關(guān)性分析、抗旱系數(shù)（drought resistance coefficient，DRC）、加權(quán)抗旱系數(shù)（weight drought resistance coefficient，WDC）、綜合抗旱系數(shù)（comprehensive drought resistance coefficient，CDRC）、隸屬函數(shù)值（D）和聚類分析等方法評價22個不同甜高粱品系成熟期的抗旱性，通過聚類分析篩選出3份成熟期抗旱性最強(qiáng)的甜高粱品種。張麗霞等［18］采用隸屬函數(shù)法綜合分析評價8個飼用高粱的抗旱性，根據(jù)不同高粱品種生理指標(biāo)計算出的隸屬函數(shù)值篩選出1份抗旱性強(qiáng)的飼用高粱品種。

3 高粱抗旱的分子生物學(xué)研究

高粱的抗旱性是由多個基因控制的復(fù)雜的遺傳性狀，受自身的遺傳特性和外界環(huán)境的共同作用。以基因的研究和利用為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記及轉(zhuǎn)基因技術(shù)廣泛應(yīng)用于高粱抗旱分子遺傳研究領(lǐng)域。以利用抗旱相關(guān)基因的QTL定位構(gòu)建分子遺傳圖譜而進(jìn)行的分子標(biāo)記輔助育種；以轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)、抗旱基因篩選克隆提高作物抗旱能力的轉(zhuǎn)基因技術(shù)是高粱抗旱性分子遺傳研究的主要方向。

3.1 轉(zhuǎn)錄組分析

轉(zhuǎn)錄組分析是研究基因結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)［47］，基因表達(dá)系列分析［48］、基因芯片技術(shù)和轉(zhuǎn)錄組測序［49］是目前常用的轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)。其中，轉(zhuǎn)錄組測序在研究作物在不同環(huán)境條件下、不同生長發(fā)育階段的基因表達(dá)模式方面具有明顯優(yōu)勢。運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組測序分析干旱條件下不同高粱品種基因表達(dá)模式，通過分析測序數(shù)據(jù)解析高粱的抗旱分子機(jī)制，確定抗旱候選基因并對其進(jìn)行功能注釋，分析抗旱代謝途徑是目前轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)在高粱抗旱上的主要研究方向。Dugas等［50］利用脫落酸和滲透壓對高粱組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)研究高粱的抗旱機(jī)制和抗旱基因篩選。Fracasso等［51］采用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)比較2個高粱品種響應(yīng)干旱的基因型特征，對其抗旱代謝途徑展開了研究。Wang等［52］比較了高粱和玉米的11對匹配組織的轉(zhuǎn)錄組，從2個物種的不同組織間均檢測到了可變剪切位點(diǎn)并獲得了大量新基因轉(zhuǎn)錄異構(gòu)體。邵丹陽［53］對甜高粱進(jìn)行模擬干旱脅迫，利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)建立了甜高粱轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，通過對差異表達(dá)基因的GO富集分析和KEGG通路富集分析得到3個與甜高粱干旱脅迫響應(yīng)具有良好相關(guān)性的代謝通路：氨基糖和核苷酸糖代謝通路、酪氨酸代謝通路、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。Shimada等［54］通過分析高粱小穗、莖和種子3個組織的表達(dá)譜，建立了包含長cDNA、原始和已公開的高粱RNA-seq數(shù)據(jù)等信息的數(shù)據(jù)庫。轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在很大程度上促進(jìn)了生物基因功能的研究，在轉(zhuǎn)錄組水平對干旱脅迫下基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)和富集通路進(jìn)行深入分析，挖掘抗旱相關(guān)基因及代謝途徑，為后續(xù)進(jìn)一步揭示植物響應(yīng)干旱脅迫的調(diào)控機(jī)制奠定研究基礎(chǔ)。

3.2 抗旱基因QTL定位

高粱抗旱性是多基因控制的數(shù)量性狀，QTL分析是研究數(shù)量性狀的重要方法，被廣泛應(yīng)用于高粱抗旱分子遺傳研究領(lǐng)域。目前對高粱抗旱QTL的研究可分為花前抗旱與花后抗旱。研究者認(rèn)為高粱對干旱脅迫所表現(xiàn)出的開花前與開花后兩種不同的反應(yīng)分別由不同的遺傳機(jī)制控制［55］。發(fā)生在開花前的干旱導(dǎo)致高粱生長發(fā)育減緩或停滯，影響穗分化，穗粒數(shù)減少，發(fā)生在開花后的干旱導(dǎo)致植株授粉不良、光合能力下降、莖稈易倒伏，籽粒灌漿受阻、千粒重降低，品質(zhì)下降，從而造成高粱減產(chǎn)［56］。

3.2.1 開花前抗旱性QTL基因定位研究 穗分化期至開花期是高粱對干旱反應(yīng)最為敏感的時期，若遭受持續(xù)干旱，會導(dǎo)致高粱的生長發(fā)育停滯從而影響籽粒品質(zhì)及產(chǎn)量。高粱開花前抗旱性主要依據(jù)葉邊緣和葉尖的灼傷程度、葉片的直立和卷曲程度、開花期的推遲以及隨后的圓錐花序的發(fā)育情況來評價。Kebede等［57］利用SC56（花前抗旱）×Tx7000（花前對干旱敏感）構(gòu)建重組自交系，通過研究高粱開花前的QTL發(fā)現(xiàn)在chrom-7上存在調(diào)控高粱開花前抗旱性的主效QTL位點(diǎn)，并解釋了開花前干旱在兩個不同環(huán)境下引起的15%和37.7%的表型變異。Tuinstra等［58］利用分子標(biāo)記技術(shù)分析B35（持綠型親本，開花后抗旱）和Tx7078（非持綠型親本，開花前抗旱）雜交組成的98個F5RIL群體發(fā)現(xiàn)6個與花前抗旱性相關(guān)的QTL位點(diǎn)，分別位于連鎖群D、F、M上。趙輝［59］對籽粒高粱與甜高粱展開QTL定位研究，從抽穗期開始對其進(jìn)行干旱脅迫處理，利用基于重測序SNP基因型構(gòu)建的分子遺傳連鎖圖譜對高粱抗旱相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位分析，發(fā)現(xiàn)分別定位在1、4、6、7號染色體上的8個與高粱各種性狀抗旱系數(shù)相關(guān)的QTLs位點(diǎn)，在LG-1、LG-6、LG-7上發(fā)現(xiàn)影響株高的QTL位點(diǎn)。高粱花前QTL定位及分子標(biāo)記是后續(xù)對高粱花前抗旱基因精細(xì)定位及對其抗旱作用機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)。

3.2.2 開花后抗旱性QTL基因定位研究 持綠性是高粱開花后抗旱的一個主要性狀，具有持綠性狀的高粱品種對開花后干旱脅迫具有較強(qiáng)的抗性。持綠性狀包括5種［60-62］類型：A型持綠的植株因其葉片衰老癥狀出現(xiàn)的時間延遲從而延長持綠時間；B型持綠的植株因其葉片衰老的速度緩慢以保持其持綠性，這2種持綠均發(fā)生在控制衰老過程起始和速度的基因被改變以后，能夠推遲衰老時間、降低衰老速度，屬于功能性持綠。C型持綠植株其衰老出現(xiàn)的時間和速度均不發(fā)生變化，但其代謝過程會有一個或多個途徑受阻；D型持綠植株綜合了前3種類型的特點(diǎn)，屬于綜合型持綠，這2種持綠類型均表現(xiàn)為植株光合能力降低。E型持綠的植株因其起始葉綠素含量較高，在其衰老的過程中葉片失綠速度緩慢而延長持綠時間［60］。

與持綠性相關(guān)的基因很多，前人利用分子遺傳圖譜對高粱開花后持綠性性狀進(jìn)行QTL定位，發(fā)現(xiàn)多個與高粱開花后抗旱性相關(guān)的基因組區(qū)段。Haussmann 等［63］構(gòu)建了2個高粱重組自交系群體的持綠性QTL圖譜。Kebede等［57］研究了高粱重組自交系中位于7個連鎖群內(nèi)的9個控制高粱持綠性的QTL位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，2個持綠性QTL位點(diǎn)與控制玉米持綠性狀的QTL相同。Tao等［64］利用160個由QL39×QL41組合的RIL群體進(jìn)行持綠性QTL研究，通過5個地點(diǎn)、3個生長季節(jié)的鑒定實(shí)驗(yàn)鑒定出5個持綠性QTL位點(diǎn)，分別位于連鎖群A、B、C、G和I上，其中，來自親本QL39上的持綠性位點(diǎn)位于連鎖群A和C上，來自親本Q141的持綠性位點(diǎn)位于連鎖群B、G和I上。王立東［65］對高粱Ji-2731×E-tian重組自交系群體的葉片持綠表型進(jìn)行了研究，利用該群體已有的遺傳圖譜對葉片持綠表型進(jìn)行QTL定位分析發(fā)現(xiàn)，分別位于第1和第4條染色體上的2個與持綠相關(guān)及若干與生長速率、生育時期等農(nóng)藝性狀相關(guān)的遺傳位點(diǎn)。

B35是典型的持綠型高粱品種，其持綠性狀主要受一對顯性基因控制。前人常以B35作為研究高粱持綠性QTL定位的親本之一，B35×Tx7000和B35×Tx430是有關(guān)持綠性QTL研究中較常用的組合，從這兩個組合中鑒定到多個持綠性QTL基因，包括4個主效QTL（Stg1、Stg2、Stg3、Stg4）和許多對持綠性狀表達(dá)起到修飾作用的微效QTL［66-68］，其中4個主效QTL分別位于3個連鎖群（Stg1、Stg2位于連鎖群A上，Stg3、Stg4分別位于連鎖群D、J上）上，且其表達(dá)在不同的遺傳背景下具有較高的一致性；Stg1、Stg2和Stg3與持綠性密切相關(guān)，Stg2與葉片的葉綠素含量呈極顯著的相關(guān)性［69］，是最為重要的持綠性控制位點(diǎn)。在對B35×Tx430［70］的持綠性研究中發(fā)現(xiàn)7個持綠性QTL的控制位點(diǎn)，包括3個主效持綠性QTL（StgA、StgD和Stg G）和4個微效持綠性QTL（Stg B、Stg I.1、Stg I.2、和Stg J），這些持綠性QTL可以解釋約90 %的遺傳變異。分析比較B35×Tx7000和B35×Tx430兩個RIL群體的QTL結(jié)果發(fā)現(xiàn)：B35×Tx7000中的Stg2、Stg3和Stg4位點(diǎn)與B35×Tx430群體中的StgA、StgD和StgJ位點(diǎn)具有高度一致性［55，70-71］。有關(guān)高粱花后抗旱性的研究成果有助于后續(xù)研究者更好地解析高粱抗旱性機(jī)理，為后續(xù)高粱持綠性相關(guān)基因的挖掘奠定研究基礎(chǔ)。

3.3 抗旱基因的挖掘

抗旱基因是植物具有抗旱性的內(nèi)源因素，植物體內(nèi)存在大量的抗旱基因，利用分子生物學(xué)和基因組學(xué)技術(shù)研究、發(fā)掘、利用這些抗旱相關(guān)基因，可以有效提高植物的抗旱性。

NAC基因是植物體內(nèi)一類特異性轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控與干旱、高鹽應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)［72］。NAC轉(zhuǎn)錄因子在依賴ABA和不依賴ABA的抗逆信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中發(fā)揮作用，通過蛋白互作或調(diào)控下游靶基因的表達(dá)來調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、抵抗逆境脅迫。NAC轉(zhuǎn)錄因子編碼蛋白N-末端的NAC結(jié)構(gòu)域序列高度保守、參與DNA的結(jié)合；C-末端的轉(zhuǎn)錄激活或抑制結(jié)構(gòu)域具有序列多樣性［73］，其家族成員 OsNAC5、OsNAC052和 SNAC2（OsNAC6） 等 可提高轉(zhuǎn)基因植株的抗逆性，在植物抵抗外界不良環(huán)境方面具有重要的生物學(xué)作用［74-76］，高粱中存在一些 NAC家族基因，其抗逆生物學(xué)功能在提高高粱抗旱性方面發(fā)揮重要作用。從高粱耐旱自交系中克隆的SbNAC0584基因是受逆境脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的NAC家族成員，有研究認(rèn)為［77］SbNAC0584可能在依賴于ABA的信號途徑中參與非生物逆境脅迫應(yīng)答。盧敏［78］從新疆耐旱高粱品種“XGL-1”中克隆到高粱SbSNAC1基因（SbSNAC1是典型的NAC 轉(zhuǎn)錄因子蛋白）并通過基因表達(dá)模式研究和組織特異性表達(dá)分析對其生物學(xué)功能進(jìn)行研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)SbSNAC1基因的表達(dá)具有組織特異性，在高粱根系中的表達(dá)量最高，其表達(dá)途徑受ABA的誘導(dǎo)且表達(dá)量隨非生物逆境脅迫上調(diào)；在對SbSNAC1的抗旱功能驗(yàn)證研究中顯示：過表達(dá)的SbSNAC1可顯著提高轉(zhuǎn)基因株系的抗旱性，綜合以上研究結(jié)果，認(rèn)為SbSNAC1在植物抗旱調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起正向調(diào)控作用。

ERECTA基因（ER）是從擬南芥中分離的一類植物抗逆基因，是目前研究最多的類受體激酶基因（LRR-RLKs）。該基因編碼參與逆境脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并調(diào)控下游基因表達(dá)的調(diào)控蛋白，在作物的生長發(fā)育、器官的形態(tài)建成、抗逆脅迫信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程中發(fā)揮重要作用，ERECTA基因的過表達(dá)可顯著提高植物的節(jié)水抗旱性［79-80］。從高粱品種“晉雜12”中克隆到的高粱SbER1、SbER2基因是ERECTA基因家族成員，分別位于高粱第10號、第4號染色體上。韓小東［81］研究干旱脅迫下ERECTA家族基因在高粱中的表達(dá)模式發(fā)現(xiàn)，SbER1和SbER2基因在高粱莖和葉中均有表達(dá)，且表達(dá)水平隨著干旱脅迫程度的加重逐漸提高，SbER2基因在不同品種中存在可變剪接現(xiàn)象，故SbER1和SbER2基因可作為改良作物抗旱性的優(yōu)良抗旱候選基因。李韓帥［82］在抗旱性較強(qiáng)的高粱基因組中挖掘到高粱抗旱基因SbER1和SbER2，將SbER2基因轉(zhuǎn)入玉米后進(jìn)行干旱脅迫處理，分析不同干旱脅迫處理下各項(xiàng)抗旱指標(biāo)的差異及SbER2基因在高粱抗旱中的生物學(xué)功能，認(rèn)為SbER2基因可能通過提高作物凈光合速率、水分利用效率和降低丙二醛的含量來行使抗旱生物學(xué)功能。劉洋等［83］將高粱（Sorghum bicolor）SbSKIP基因克隆后轉(zhuǎn)入煙草，發(fā)現(xiàn)SbSKIP基因的表達(dá)可顯著提高煙草的抗旱性。高粱ERECTA家族基因不僅增加自身的抗旱能力，還能利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)入其他作物來提高其抗旱能力［84］，有研究表明，高粱基因SbER2-1可以提高玉米的抗旱性［85］。這些研究可為進(jìn)一步解析SbSKIP基因的抗旱生物學(xué)功能、創(chuàng)制轉(zhuǎn)基因抗旱新材料提供候選基因。

WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子和AGO蛋白家族也是目前高粱抗旱基因研究的熱點(diǎn)。WRKY家族轉(zhuǎn)錄因子是植物中一類較大的基因家族，參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和抵抗干旱、高鹽和高溫等非生物脅迫調(diào)控過程。AGO蛋白（argonaute proteins）可與小RNA形成復(fù)合體，從而參與植物生長發(fā)育、組織形成、病毒防御、細(xì)胞增殖凋亡、逆境響應(yīng)等多種生物過程［86-87］。AGO指導(dǎo)的基因沉默可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平，轉(zhuǎn)錄水平的基因沉默可以指導(dǎo)DNA和組蛋白的甲基化修飾，與AGO 蛋白形成復(fù)合體指導(dǎo)異染色質(zhì)的組裝；轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默主要與靶mRNA的降解或翻譯抑制相關(guān)［85］。徐磊等［88］從甜高粱品種M81-E中克隆了2個甜高粱WRKY基因SbWRKY1和SbWRKY2，研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下SbWRKY1和SbWRKY2基因的表達(dá)均呈上調(diào)趨勢，表明SbWRKY1和SbWRKY2基因在甜高粱應(yīng)對干旱脅迫中發(fā)揮一定作用。萬慶［89］利用巢式PCR技術(shù)克隆兩個甜高粱WRKY基因全長cDNA，命名為SSWRKY28和SSWRKY76，認(rèn)為SSWRKY28和SSWRKY76基因可能在高粱響應(yīng)干旱脅迫時發(fā)揮作用，SSWRKY28可能在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)調(diào)控植物應(yīng)答響應(yīng)干旱脅迫。林俊俊等［90］對15個高粱SbAGOs編碼基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析，分別將其定位到7條染色體上，將編碼蛋白序列分成3個亞家族，認(rèn)為在高粱響應(yīng)高溫和干旱逆境脅迫時SbAGO1-1、SbAGO1-3、SbAGO5 -2 和SbAGO-3發(fā)揮重要生物學(xué)功能。

4 展望

高粱抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高，是我國重要的飼用作物和工業(yè)原料，在農(nóng)作物抗旱研究領(lǐng)域中具有重要的研究價值。高粱的抗旱性受環(huán)境影響，遺傳機(jī)制復(fù)雜，其不同品種間抗旱性存在較大差異，篩選抗旱性強(qiáng)的高粱品種有利于干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展和水資源的合理利用?？购禉C(jī)制研究是篩選抗旱性品種的基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，可利用分子生物技術(shù)深入探究高粱抗旱分子機(jī)制、挖掘抗旱相關(guān)功能基因，從而提高高粱抗旱遺傳改良效率。高粱抗旱性是受多基因控制的數(shù)量性狀，近年來，有關(guān)高粱QTL定位的研究較多，在不同的高粱群體中發(fā)現(xiàn)了大量抗旱性QTL位點(diǎn)，并已對部分抗旱性主效及微效QTL進(jìn)行定位，但對其抗旱性QTL的精細(xì)定位及抗旱調(diào)控機(jī)制的研究報道較少，因不具備完善的抗旱評價體系，未能將獲得的抗旱種質(zhì)資源和分子標(biāo)記真正的應(yīng)用到實(shí)際育種中去。在今后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)抗旱性QTL的精細(xì)定位研究，建立綜合的抗旱性鑒定體系、完善高粱抗旱評價系統(tǒng)、結(jié)合分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)，建立高粱抗旱分子標(biāo)記輔助育種體系。

4.1 深入高粱抗旱分子機(jī)理研究

高粱的抗旱性受一系列與干旱脅迫相關(guān)基因的誘導(dǎo)表達(dá)調(diào)控，干旱脅迫下，高粱的生理生化水平會發(fā)生一系列的變化，這些生理水平的變化受基因的調(diào)控，涉及從信號傳導(dǎo)到基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的一系列基因表達(dá)，包括干旱脅迫后高粱抗旱基因的啟動、信號的傳導(dǎo)，信號受體及干旱響應(yīng)蛋白基因的分離，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中涉及的蛋白質(zhì)因子之間的關(guān)系，抗旱基因的順式、反式作用因子及與受脅迫誘導(dǎo)基因的相互作用等。在以往的研究中，對這一系列調(diào)控過程中的具體調(diào)控機(jī)制以及多基因之間的相互作用機(jī)制研究尚不十分清楚，干旱脅迫后高粱抗旱基因如何啟動、信號如何傳導(dǎo)，目前研究也較少。在不同干旱脅迫條件下，高粱抗旱信號傳導(dǎo)過程中的各種基因、蛋白質(zhì)因子之間的作用具有獨(dú)特性和交叉性，目前雖已明確了一些抗旱基因的具體作用機(jī)制，但其相互之間作用的交叉性研究不多。后續(xù)的研究中，應(yīng)注重高粱抗旱分子調(diào)控機(jī)制的研究，利用基因工程方法，將抗旱分子機(jī)理研究與生物工程技術(shù)相結(jié)合，明確高粱抗旱分子調(diào)控過程及多基因協(xié)同抗旱的分子調(diào)控機(jī)制。在研究不同轉(zhuǎn)錄因子在高粱抗旱信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的具體作用的基礎(chǔ)上，探明不同轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用，從而明確高粱抗旱分子機(jī)制，推動分子標(biāo)記輔助育種更好的應(yīng)用到高粱品種抗旱性改良中去，加快高粱抗旱育種進(jìn)程。

4.2 建立綜合的抗旱性鑒定體系

綜合抗旱性鑒定體系的建立主要包括抗旱鑒定指標(biāo)、抗旱鑒定方法以及抗旱評價體系。目前雖已對較多高粱品種進(jìn)行抗旱性鑒定，但篩選方法不夠全面，可實(shí)際應(yīng)用的鑒定指標(biāo)不多，常用的高粱抗旱性評價方法也各有利弊：萌發(fā)期抗旱性鑒定受種子發(fā)芽力的影響；苗期抗旱性鑒定缺乏產(chǎn)量數(shù)據(jù)；田間條件下的全生育期抗旱性鑒定結(jié)果受降雨影響較大，鑒定條件缺乏一致性，且在高粱的整個生長過程中，干旱發(fā)生及持續(xù)的時間、干旱脅迫的強(qiáng)度等都對其抗旱性產(chǎn)生影響，因此，在對高粱進(jìn)行抗旱鑒定時應(yīng)選擇多個時期、多個參數(shù)、多個地點(diǎn)和多個鑒定指標(biāo)對其進(jìn)行綜合的分析評價，以提高抗旱性篩選的準(zhǔn)確性和可靠性。在鑒定時期的選擇上，可采用萌發(fā)期、苗期與全生育期相結(jié)合的抗旱鑒定方法，以產(chǎn)量性狀作為最終鑒定指標(biāo)，同時結(jié)合農(nóng)藝性狀與特定生理指標(biāo)作為鑒定標(biāo)準(zhǔn)以提高鑒定效率和鑒定準(zhǔn)確性。在鑒定方式上可根據(jù)不同的鑒定目的，將室內(nèi)鑒定與大田鑒定相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同材料、不同生長時期相結(jié)合的系統(tǒng)鑒定，獲得更加穩(wěn)定可靠的研究結(jié)果，建立高粱特有的抗旱鑒定體系。同時，可根據(jù)區(qū)域的不同，提出適應(yīng)本地區(qū)的高粱抗旱性鑒定技術(shù)規(guī)程對高粱抗旱性鑒定技術(shù)進(jìn)行規(guī)范［91］，為區(qū)域性高粱抗旱品種的選育鑒定提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

4.3 利用分子生物技術(shù)加快高粱抗旱育種進(jìn)程

分子標(biāo)記輔助育種可以利用與抗旱相關(guān)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記輔助選擇有效彌補(bǔ)常規(guī)育種中選擇準(zhǔn)確率低的缺點(diǎn)，提高高粱抗旱育種效率。抗旱QTL定位是分子育種中較常用的手段，目前已經(jīng)檢測到一些可以在不同遺傳背景和環(huán)境條件下穩(wěn)定表達(dá)的QTL，大量影響高粱生長發(fā)育和產(chǎn)量的抗性基因被定位到了相應(yīng)的連鎖群上。在進(jìn)一步的研究中，可將這些抗旱QTL位點(diǎn)或QTL基因座和分子標(biāo)記進(jìn)行分解，對其中重要的抗旱性基因進(jìn)行精細(xì)定位，找到與目的基因緊密連鎖的分子標(biāo)記；在實(shí)際應(yīng)用中，可將分子標(biāo)記篩選研究與育種實(shí)踐相結(jié)合，選擇抗旱性優(yōu)良的高粱品種來構(gòu)建標(biāo)記篩選群體，使其即作為遺傳研究群體又作為育種群體，推動基因定位研究和常規(guī)育種的有效結(jié)合，提高抗旱基因轉(zhuǎn)移和聚合的效率，促進(jìn)常規(guī)育種與分子輔助育種的結(jié)合。

總之，隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，利用現(xiàn)代分子生物技術(shù)推動高粱抗旱育種進(jìn)程是今后高粱抗旱育種的主要發(fā)展方向。建立綜合系統(tǒng)的抗旱評價體系，深入高粱抗旱分子機(jī)制研究，加快高粱抗旱基因定位、克隆，挖掘抗旱相關(guān)基因，對進(jìn)一步加強(qiáng)高粱抗旱種質(zhì)資源利用、推動高粱抗旱育種進(jìn)程，促進(jìn)干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。