抗旱轉(zhuǎn)基因小麥的研究進展

賈 玲

（晉中市太谷區(qū)北洸鄉(xiāng)人民政府，山西 晉中 030800）

小麥是保障全球糧食安全的主要糧食作物之一，能滿足人類約20%的總膳食熱量和蛋白質(zhì)需求。隨著全球氣候變化，世界各地自然災害不斷發(fā)生。目前，全球糧食作物的產(chǎn)量遠達不到人類所需，糧食安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)政府氣候變化委員會的報告，1961—2013 年干地面積每年增加1%以上［1］。研究抗旱轉(zhuǎn)基因小麥迫在眉睫，培育抗旱高產(chǎn)小麥品種是提高產(chǎn)量的有效途徑。

1 干旱對小麥的影響

小麥種植業(yè)與國家糧食安全和社會穩(wěn)定息息相關(guān)。干旱是小麥生產(chǎn)中最嚴重的非生物脅迫之一，會導致小麥產(chǎn)量下降。了解干旱對小麥生長的影響有利于培育抗旱高產(chǎn)小麥新品種，促進小麥種植業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)民增收致富。

1.1 干旱對小麥種子活力的影響

種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和，是衡量種子品質(zhì)的重要指標。種子活力受內(nèi)、外因的雙重作用，內(nèi)因包括種子自身遺傳因素和成熟度等，外因包括生長環(huán)境、收獲時間和貯藏條件等［2］。

Zareian A 等（2013）［3］選取3 個小麥品種從抽穗期到種子成熟期進行干旱處理，發(fā)現(xiàn)種子的發(fā)芽率顯著降低。李昱等（2014）［4］發(fā)現(xiàn)，小麥開花后受到干旱脅迫種子活力顯著降低。曹珊（2020）［5］在不同地區(qū)選取不同類型小麥品種進行后期干旱試驗發(fā)現(xiàn)，后期干旱對小麥種子活力的影響因地點不同而有所不同，大多數(shù)試驗地區(qū)種子活力顯著降低。

1.2 干旱對小麥生長的影響

小麥生長過程中水分平衡遭到破壞或水分缺少會嚴重影響其生長，這種情況在小麥生長中最為常見，是導致小麥產(chǎn)量降低的主要因素。小麥生長過程中，受到干旱等惡劣氣候條件的影響，葉片氣孔會關(guān)閉，細胞壁的伸展會受到明顯抑制，嚴重影響葉片正常生長，使其生長速率降低，進而對小麥產(chǎn)量造成不利影響。干旱條件下，小麥根系不能吸收足量的水分，根系生長和活動受到抑制，根系中的物質(zhì)交換速率減慢，會嚴重影響小麥生長。

1.3 干旱對小麥產(chǎn)量的影響

小麥苗期受到干旱脅迫會嚴重影響其生長，進而降低產(chǎn)量與質(zhì)量。干旱會影響小麥干物質(zhì)的分配和積累，進而影響小麥的生物量和千粒重。小麥在不同生長時期受到干旱脅迫，對其產(chǎn)量的影響有所不同。小麥拔節(jié)期對水分需求量較大，是水分虧缺敏感期，此時發(fā)生干旱會影響小麥千粒重和最終產(chǎn)量。拔節(jié)期經(jīng)歷短暫干旱后，對其復水可恢復小麥長勢，進入快速生長階段，但是長時間的干旱脅迫會使小麥生長受到顯著抑制［6］。小麥開花前受到干旱脅迫會使每穗小穗數(shù)顯著降低，花后受到干旱脅迫會使小麥穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量顯著降低。與正常水分條件下的小麥相比，干旱脅迫會降低其籽粒中蛋白質(zhì)、淀粉、賴氨酸等含量，導致小麥品質(zhì)和產(chǎn)量下降。灌漿期小麥遭遇干旱脅迫后，籽粒正常生長會受到抑制，出現(xiàn)籽粒干癟的現(xiàn)象，使小麥粒重降低，空秕粒數(shù)量上升，小麥產(chǎn)量大幅降低［7］。小麥全發(fā)育期受到干旱脅迫后，穗長、每穗小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重會顯著下降，嚴重影響產(chǎn)量。

2 小麥耐旱性評價標準

小麥耐旱性評價標準取決于小麥受到干旱脅迫的時間、持續(xù)時間、強度、氣候條件、測量時間、地點和儀器。選擇合適的標準評價小麥在特定時期和特定環(huán)境下的耐旱性是促進小麥耐旱育種和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。

2.1 農(nóng)藝性狀

2.1.1 形態(tài)特征

小麥的可見表型可作為評價耐旱性的指標，例如種子發(fā)芽率和速度、胚芽鞘長度、出葉速度、株高、穗頸直徑、蠟質(zhì)含量、極端條件（干旱）下的成活率、抽穗天數(shù)、結(jié)實率、植物生物量及其在不同水量下的生長狀態(tài)等［8］。除上述形態(tài)特征外，葉片形態(tài)對缺水高度敏感，包括葉片長度、寬度、厚度和顏色、葉片分布和氣孔特征等。卷葉也是干旱脅迫下的典型生理現(xiàn)象，具有適度卷葉的小麥可以減少水分流失?？购档男←溚哂幸恍┏Ｒ姷谋硇?，例如葉片更小更厚、氣孔更小更密集、表皮毛狀體更多、表皮和柵欄組織更厚、維管束鞘發(fā)達等。小麥的根系結(jié)構(gòu)性狀與其耐旱性高度相關(guān)，例如根數(shù)、直徑、角度、深度、總長度、分布和生物量等。盡管根的性狀在小麥耐旱性中十分重要，但很少被直接作為選擇標準，因為根相關(guān)性狀的表型檢測耗時且費力。盡管如此，根深與較冷的冠層溫度仍有很強的相關(guān)性，所以冠層溫度可以作為選擇標準。

2.1.2 產(chǎn)量相關(guān)性狀

產(chǎn)量相關(guān)性狀可評價轉(zhuǎn)基因小麥在不同生長條件下的綜合表現(xiàn)，例如產(chǎn)量指數(shù)、產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù)、收獲指數(shù)、水分利用和基于產(chǎn)量的水分利用效率。

2.2 生理生化標準

在漫長的發(fā)展進程中，小麥已經(jīng)進化出一系列機制用來抵御干旱脅迫，不僅表現(xiàn)在形態(tài)水平上，而且體現(xiàn)在生理和生化水平上。小麥響應干旱脅迫的生理生化特征包括光合作用能力、滲透調(diào)節(jié)能力、抗氧化防御能力、激素水平和酶活性等［9］。

2.2.1 光合作用相關(guān)性狀

干旱通過降低氣孔孔徑、光合酶的濃度和活性，嚴重降低CO2同化并影響光合作用。葉綠素熒光是一個相對較高的通量參數(shù)，用于表示由于缺水引起的光抑制。熒光參數(shù)用于檢測干旱脅迫下CO2同化、線性電子通量的變化。熒光成像可用于在干旱條件下篩選出大量具有光合干擾的植物。葉綠素含量較高的小麥可以在干旱條件下有效利用光能，具有更強的耐旱性［10］。

2.2.2 滲透調(diào)節(jié)相關(guān)性狀

小麥體內(nèi)積累了多種物質(zhì)維持細胞和葉片生長，這些物質(zhì)濃度可以反映小麥的耐旱性，其具體可分為兩大類。一是無機離子，例如K+和Cl-等。二是有機物，例如海藻糖、果聚糖、甘露醇、脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿等；還有一些低分子量蛋白質(zhì)，例如水通道蛋白、滲透素和分子伴侶等。

2.2.3 抗氧化相關(guān)性狀

氧化應激通常伴隨著干旱應激?；钚匝鯌た赡軙_亂膜蛋白和酶的結(jié)構(gòu)，保護酶參與活性氧應激反應，例如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶。因此，小麥的耐旱性很大程度上取決于活性氧的濃度和保護酶的活性。

2.2.4 植物激素相關(guān)性狀

在內(nèi)源性植物激素中，脫落酸（ABA）被認為是與干旱脅迫反應關(guān)系最密切的植物激素。其被稱為逆境激素，可以響應各種逆境脅迫，在植物應對環(huán)境的極端變化時發(fā)揮重要作用。干旱脅迫誘導植物細胞內(nèi)ABA 的生物合成和積累，激活相應的轉(zhuǎn)錄因子，促進下游干旱相關(guān)基因的表達［11］。

2.3 綜合抗旱標準

基于小麥形態(tài)性狀和生理生化特征預測其耐旱性是培育耐旱小麥的重要步驟。然而，由于其復雜性，準確評估小麥的耐旱性并不容易。研究的重點是調(diào)查幾個標準的有效性，并將這些標準整合到識別小麥耐旱性中，評價脅迫和非脅迫環(huán)境下其耐旱性和高產(chǎn)潛力。

3 與抗旱相關(guān)的基因

與耐旱性相關(guān)的基因可分為兩大類。一是信號轉(zhuǎn)導因子，包括蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子。二是功能性因子，包括蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運、蛋白質(zhì)修飾以及活性氧清除和運輸?shù)牡鞍踪|(zhì)、參與代謝、滲透調(diào)節(jié)等。

3.1 信號轉(zhuǎn)導因子

3.1.1 ABA受體

ABA 受體可感知干旱脅迫和ABA 信號，是ABA信號轉(zhuǎn)導的啟動者。研究ABA 受體的功能是了解ABA 信號轉(zhuǎn)導途徑干旱脅迫機制的關(guān)鍵。研究表明，PYL9可提高擬南芥和水稻的抗旱性，促進葉片衰老，OsPYL1和OsPYL5可增強水稻耐旱性。

3.1.2 蛋白激酶和蛋白磷酸酶

植物中蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化在響應干旱脅迫中發(fā)揮重要作用。常見的蛋白激酶和蛋白磷酸酶有PP2C 型蛋白磷酸酶和SnRK2 型蛋白激酶等。PP2C 型蛋白磷酸酶在2 種途徑中與耐旱性高度相關(guān)，即ABA 依賴型如ZmPP2C-A 和ABA 非依賴型信號轉(zhuǎn)導如OsPP2C09。SnRK2 可以磷酸化ABA信號通路下游的轉(zhuǎn)錄因子ABF2、ABI5 等［12］。SnRK2家族成員之一TaSnRK2.9 可增強轉(zhuǎn)基因煙草耐旱性。

3.1.3 轉(zhuǎn)錄因子

研究發(fā)現(xiàn)，WRKY、bZIP、ERF、NAC、MYB 和鋅指蛋白等多種轉(zhuǎn)錄因子都參與了干旱脅迫的響應。ERF轉(zhuǎn)錄因子NtERF172通過調(diào)控NtCAT的表達，進一步增強煙草的耐旱性［13］。OsMYB102負調(diào)控ABA 生物合成和下游基因的表達，進而響應非生物脅迫，增強水稻的耐旱性。過表達NAC 家族成員之一ZmNAC48 可提高玉米抗旱能力［14］。

3.1.4 表觀遺傳相關(guān)基因

在水稻中干旱脅迫可以在基因組水平上誘導12.1%的位點特異性DNA 甲基化差異。越來越多的研究表明，表觀遺傳調(diào)節(jié)因子參與了干旱脅迫反應，已在植物中鑒定出許多干旱誘導的microRNA。

3.2 功能因子

3.2.1 代謝相關(guān)基因

當前，已經(jīng)鑒定出大量與代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)參與干旱脅迫反應，參與ABA 代謝過程的酶非常典型。ABA 通過控制氣孔關(guān)閉減少水分流失，在植物抗旱過程中發(fā)揮著重要作用。DSM2 基因編碼β-胡蘿卜素羥化酶，將β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)，可進一步提高水稻的抗旱性。一些參與其他物質(zhì)代謝的相關(guān)基因也有助于提高農(nóng)作物的抗旱性。

3.2.2 滲透調(diào)節(jié)相關(guān)基因

與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成和積累相關(guān)的基因可以進一步提高植物的抗旱性。例如，脫水蛋白基因SiDHN的過表達增強了轉(zhuǎn)基因番茄植物的抗旱性，過表達甜菜堿醛脫氫酶基因BADH 增強了馬鈴薯植物的抵御干旱能力。

3.2.3 蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)相關(guān)基因

蛋白質(zhì)降解也是農(nóng)作物適應干旱脅迫的一種方式。例如E3 泛素連接酶基因參與干旱脅迫時蛋白質(zhì)降解［15］。

3.2.4 蛋白質(zhì)修飾相關(guān)基因

參與蛋白質(zhì)糖基化、?；?、磷酸化和去磷酸化等的基因也參與響應干旱脅迫。例如LEW3參與蛋白質(zhì)糖基化和非生物脅迫應激反應。

4 抗旱轉(zhuǎn)基因小麥的研究進展

在小麥作物育種史上，雜交、回交、人工誘變、系譜選擇、輪回選擇等常規(guī)技術(shù)在耐旱性遺傳改良中發(fā)揮了重要作用。常規(guī)育種主要依靠田間表型選擇，但受環(huán)境條件影響較大，需要多年的鑒定和評估，勞動強度大、耗時長、效率低。為了加速耐旱育種進程，了解小麥對干旱反應的生理和遺傳基礎，相關(guān)人員通過基因工程手段對小麥進行改良，提高小麥的抗旱性、生物量和產(chǎn)量。

4.1 TaPYL4 的過表達提高了小麥的水分利用效率和抗旱性

ABA 與非生物脅迫密切相關(guān)，例如一些環(huán)境信號缺水、鹽脅迫和干旱脅迫等。ABA 受體是ABA 信號轉(zhuǎn)導通路中重要的調(diào)控因子。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中被鑒定出14 個家族成員。PYLs家族成員的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能得到廣泛研究。越來越多的證據(jù)表明，PYLs在擬南芥、水稻和番茄等植物物種中具有多種功能。例如，在保衛(wèi)細胞中表達的6 個PYL 家族成員中，PYL4和PYL5參與CO2反應。水稻中的PYL1、PYL4和PYL6在調(diào)節(jié)植物生長中起著重要作用。Mega R 等（2019）［16］通過一系列轉(zhuǎn)基因技術(shù)手段和一些常規(guī)的試驗方法，證實了TaPYL4可以提高小麥抗旱性和水分利用率。

4.2 TaNAC67過表達增強了水稻的抗旱性

NAC 轉(zhuǎn)錄因子是植物中特有的轉(zhuǎn)錄因子，在植物生長過程中具有舉足輕重的作用，響應多種生物脅迫和非生物脅迫等。在擬南芥中，AtNAC019參與調(diào)控干旱相關(guān)應答基因的表達，其過表達能提高擬南芥的抗旱性。在ABA 依賴信號通路中，AtNAC096起轉(zhuǎn)錄激活作用，其過表達能增強擬南芥的抗旱性。水稻中過表達OsNAC2可以提高轉(zhuǎn)基因水稻抗旱性。OsNAC5可以增加水稻根系數(shù)量和根直徑等根系結(jié)構(gòu)，增強水稻的抗旱性。過表達小麥TaNAC2可提高擬南芥的耐旱性。TaNAC2a、TaNAC4a、TaNAC6、TaNAC7和TaNAC13等受干旱、高鹽、低溫等一種或幾種逆境脅迫誘導表達，過表達TaNAC2a能提高轉(zhuǎn)基因煙草的抗旱性。張宏娟等（2019）［17］通過轉(zhuǎn)基因水稻和轉(zhuǎn)錄組測序等手段發(fā)現(xiàn)，TaNAC67過表達可以增強轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱性，為小麥抗旱分子育種提供優(yōu)異基因資源。

4.3 TaSDIR1 在小麥的抗旱生理代謝中具有重要功能

泛素連接酶E3 是泛素蛋白酶體途徑中的關(guān)鍵性酶。研究發(fā)現(xiàn)，E3 泛素連接酶可以通過介導ABA受體、SnRK 蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子的降解響應逆境脅迫。TaSAP5編碼一個RING 型E3 泛素連接酶，TaSAP5 蛋白與DREB2A 蛋白的負向調(diào)控因子DRIP互作，通過泛素化降解DRIP，使DREB2A下游基因表達增加，提高小麥的抗旱性。玉米ZmXerico1是一種RING 型E3 泛素連接酶，通過調(diào)節(jié)ABA8’-羥化酶蛋白的穩(wěn)定性調(diào)控ABA 水平，提高玉米的抗旱性。SDIR1是一種RING 型E3 泛素連接酶，在某些植物中通過泛素化途徑在ABA 介導的干旱脅迫響應中起關(guān)鍵作用。TaSDIR1在平衡干旱脅迫和產(chǎn)量之間具有重要作用，為小麥抗旱育種的發(fā)展提供了依據(jù)。

5 結(jié)論和觀點

小麥生長的不同階段都會受到干旱脅迫，雖可以通過一系列的形態(tài)、生理和生化變化適應干旱脅迫，但這一過程中基因調(diào)控的反應極其復雜。隨著分子生物學在小麥抗旱性方面的研究，通過基因工程等技術(shù)培育開發(fā)抗旱優(yōu)良品種成為提高小麥抗旱能力的有效途徑。目前，相關(guān)人員從功能基因和轉(zhuǎn)錄因子方面獲得了一些轉(zhuǎn)基因抗旱小麥材料，在干旱脅迫下展現(xiàn)出較好的抗旱性。然而大多數(shù)具有抗旱表型的轉(zhuǎn)基因小麥是基于使用組成型啟動子的基因過度表達，例如內(nèi)參、CaMV35S 和泛素。因此，應考慮挖掘不影響產(chǎn)量的抗旱相關(guān)基因或通過合適的脅迫誘導啟動子表達這些基因，以達到產(chǎn)量損失最小化，更好地解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的問題。

文章回顧的大多數(shù)基因已被證明可以增強小麥的抗旱性，但實用性和安全性尚未得到驗證，同時轉(zhuǎn)基因食品還未被人們完全接受。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在小麥方面的應用面臨巨大挑戰(zhàn)，相關(guān)人員需持續(xù)發(fā)力，在提高轉(zhuǎn)基因小麥安全性、可靠性上下工夫。