張雁明，劉曉東，馬建萍，溫琪汾，韓淵懷

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030031；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031；4.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，山西太原030031）

谷子（Setaria italica（L.）Beauv）起源于我國(guó)，是傳統(tǒng)的抗旱作物。其根系發(fā)達(dá)，葉片細(xì)窄，水分利用率高，蒸騰系數(shù)小[1]，因此，耐旱性強(qiáng)。在我國(guó)，谷子的種植區(qū)域主要集中在北方干旱、半干旱地區(qū)，其中，河北省、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)是種植面積較大的3個(gè)?。▍^(qū)）[2]，這些地區(qū)都面臨著嚴(yán)重的干旱問題。目前，全球水資源緊缺，而我國(guó)所面臨的水資源匱乏問題更加嚴(yán)峻。谷子種植的區(qū)域約占我國(guó)國(guó)土面積的1/2，這些干旱、半干旱地區(qū)地下水已嚴(yán)重超采，一些地區(qū)已出現(xiàn)地面下沉、河水?dāng)嗔鞯默F(xiàn)象[3]。日益嚴(yán)重的全球缺水威脅使得谷子在旱作和持續(xù)農(nóng)業(yè)中的作用更加突出[4]。

谷子抗旱早已被人們熟知和接受，但是，谷子抗旱相關(guān)基因研究較少，難以闡明抗旱的分子機(jī)制。同時(shí)，谷子也并不是在任何時(shí)期都抗旱，萌發(fā)期遇干旱就會(huì)明顯推遲種子的萌發(fā)時(shí)間，降低種子萌發(fā)率，延緩植株生長(zhǎng)；孕穗期如遇干旱則會(huì)出現(xiàn)秕谷，影響產(chǎn)量。所以，有必要對(duì)谷子抗旱基因以及抗旱的分子機(jī)理進(jìn)行研究，探索干旱敏感時(shí)期的基因表達(dá)，明確谷子抗旱的分子機(jī)制，進(jìn)而為分子育種提供依據(jù)。

1 植物抗旱的分子機(jī)制

植物遭遇干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞能夠感受并傳遞干旱刺激，通過3個(gè)步驟對(duì)干旱做出反應(yīng)：（1）感知并傳遞干旱脅迫信號(hào)；（2）誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)與調(diào)控；（3）通過基因產(chǎn)物的保護(hù)措施，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)干旱的適應(yīng)或抗性。

植物對(duì)干旱信號(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)是受多條途徑共同調(diào)控的，可分為依賴ABA（脫落酸）途徑和非依賴ABA這2條途徑[5]（圖1）。植物在干旱脅迫下，一方面組織會(huì)產(chǎn)生大量的應(yīng)激激素脫落酸，通過相應(yīng)的途徑激活相應(yīng)的蛋白激酶，然后活化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，隨之誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)，致使基因產(chǎn)物積累，最終做出抗旱反應(yīng)；另一方面干旱脅迫不通過ABA介導(dǎo)，直接被細(xì)胞膜上的滲透感受器所感知，激發(fā)信號(hào)傳遞，激活相應(yīng)蛋白激酶，完成后續(xù)過程[5]。

在植物完成抗旱調(diào)控的途徑中發(fā)揮作用的有2類基因[6]（圖2），一類是功能基因，另一類是調(diào)節(jié)基因。相對(duì)應(yīng)的基因產(chǎn)物也有2類：一類是功能蛋白，直接保護(hù)植物免受干旱損傷，包括水通道蛋白和合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的關(guān)鍵酶等；另一類是調(diào)節(jié)蛋白，在信號(hào)傳遞和基因表達(dá)中起調(diào)節(jié)作用，例如轉(zhuǎn)錄因子和蛋白激酶等[6]。

2 谷子抗旱鑒定的方法和指標(biāo)

日益嚴(yán)峻的干旱問題使得谷子抗旱性狀的篩選和品種選育的任務(wù)更為迫切，在萌發(fā)期和苗期鑒定耐旱的方法和指標(biāo)已有報(bào)道[7]。

谷子萌發(fā)期鑒定耐旱性的方法主要是使用高滲溶液（PEG6000和甘露醇）模擬水分脅迫，分別對(duì)根長(zhǎng)、發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和相對(duì)發(fā)芽率、芽生長(zhǎng)抑制率、相對(duì)含水量、水勢(shì)、存活率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，但到目前為止，對(duì)于滲透劑濃度與鑒定指標(biāo)的選擇并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有研究表明，谷子萌發(fā)期耐旱性鑒定的脅迫條件可以為-0.75 MPa PEG6000和-1.00 MPa甘露醇，快速鑒定谷子萌發(fā)期抗旱性的指標(biāo)為相對(duì)萌發(fā)率與相對(duì)根長(zhǎng)[8-9]。

谷子苗期鑒定耐旱性的方法主要是采用反復(fù)干旱法和模擬干旱脅迫法。反復(fù)干旱法以反復(fù)干旱后的平均存活率作為評(píng)價(jià)抗旱性依據(jù)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5級(jí)：一級(jí)為高度抗旱，存活率在80%以上；二級(jí)為抗旱，存活率為70%～80%；三級(jí)為中抗，存活率為50%～70%；四級(jí)為低抗，存活率為40%～50%；五級(jí)為不抗，存活率在40%以下[10]。通過對(duì)苗期反復(fù)干旱法與全生育期鑒定谷子品種資源的耐旱性比較，證實(shí)反復(fù)干旱法的鑒定結(jié)果與全生育期鑒定結(jié)果一致，且反復(fù)干旱法的操作較全生育期簡(jiǎn)便，可代替全生育期進(jìn)行鑒定[11-12]。溫琪汾等[10]對(duì)山西省谷子種質(zhì)資源進(jìn)行抗旱性鑒定，為生產(chǎn)利用篩選出6份品種，能夠達(dá)到既高產(chǎn)又抗旱且適應(yīng)性廣的要求，其中，晉谷20號(hào)是最適宜山西省干旱地區(qū)種植的高產(chǎn)抗旱品種。模擬干旱脅迫法主要使用脅迫劑PEG6000，Prasad等探索谷子苗期抗旱不同基因表達(dá)時(shí)，使用20%PEG6000來模擬干旱進(jìn)行試驗(yàn)[13]。

谷子孕穗期對(duì)干旱敏感，主要是用可溶性糖、丙二醛含量和超氧化物歧化酶活性相對(duì)值作為其孕穗期抗旱性鑒定指標(biāo)，相對(duì)葉綠素含量和相對(duì)光合速率可以作為抗旱性的光合指標(biāo)，因這些指標(biāo)與谷子的抗旱性密切相關(guān)[14]。

全生育期抗旱鑒定采用干旱池模擬干旱條件，可以用相對(duì)根冠比、相對(duì)單穗粒質(zhì)量、灌漿期光合速率、蒸騰速率指標(biāo)來鑒定谷子全生育期抗旱性，這些指標(biāo)與谷子的抗旱相關(guān)性間極顯著；其他一些指標(biāo)可以作為輔助指標(biāo)鑒定抗旱性，如相對(duì)根干質(zhì)量、相對(duì)單穗質(zhì)量、相對(duì)株高和氣孔導(dǎo)度[7，15]。

谷子的抗旱和耐旱性可以用多種形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)來評(píng)價(jià)，但是，在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中，谷子的抗旱性是靠產(chǎn)量高低來衡量，所以，產(chǎn)量是最能代表谷子抗旱性的抗旱育種指標(biāo)。孫寶成等[16]用抗旱指數(shù)作為最佳鑒定指標(biāo)，對(duì)1 200份來自國(guó)家種質(zhì)庫(kù)內(nèi)的谷子種質(zhì)進(jìn)行了抗旱性鑒定與評(píng)價(jià)，鑒定出5個(gè)不同等級(jí)的抗旱性種質(zhì)，分別有 116，242，39，385，66 份；王軍等[17]在連續(xù)自然干旱的條件下研究晉谷27的產(chǎn)量，表現(xiàn)出穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的趨勢(shì)，為抗旱品種。

3 谷子抗旱的分子水平研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過抑制性差減雜交法以干旱和澆水條件下谷子材料構(gòu)建差減文庫(kù)，鑒定EST標(biāo)簽，同時(shí)，對(duì)其中干旱誘導(dǎo)表達(dá)的基因在干旱脅迫不同時(shí)間后的表達(dá)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)抗旱品種Mar51的1 949個(gè)UniESTs中有140個(gè)ESTs受干旱逆境誘導(dǎo)表達(dá)，而37個(gè)ESTs受干旱抑制表達(dá)；而抗旱品種Prasad的327個(gè)UniESTs中有9個(gè)ESTs在干旱逆境條件下的表達(dá)量是原來的3.5倍，86個(gè)ESTs是原來的2.7倍[17-18]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)克隆到谷子DnaJ蛋白基因（SiDnaJ）[19]、谷子干旱應(yīng)答元件結(jié)合蛋白基因（SiDREB）[20]、谷子12氧代植二烯酸還原酶基因 （SiOPR1）[21]、3- 磷酸甘油醛脫氫酶基因（GAPDH）[22]和谷子磷脂酶 D 基因（SiPLDa1）[23]的cDNA序列。DnaJ蛋白在谷子抗旱調(diào)控途徑中屬于調(diào)節(jié)蛋白，是一類重要的分子伴侶，主要針對(duì)熱休克蛋白70（Hsp70）ATP酶的活性進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)細(xì)胞受到熱休克和干旱等應(yīng)激刺激時(shí)，Hsp70-DnaJ分子伴侶配對(duì)發(fā)揮作用，維持細(xì)胞正常存活，保護(hù)植株免于凋亡[24]；谷子干旱應(yīng)答元件結(jié)合蛋白（DREB）轉(zhuǎn)錄因子參與干旱脅迫的應(yīng)答，介導(dǎo)非依賴ABA轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的滲透脅迫信號(hào)傳遞，可以與干旱應(yīng)答元件（DRE）特異結(jié)合，激活一系列靶基因的表達(dá)，DREB轉(zhuǎn)錄因子在谷子抗旱反應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[20]；谷子12氧代植二烯酸還原酶參與茉莉酸的生物合成，催化相應(yīng)底物經(jīng)過一系列還原、氧化生成茉莉酸，谷子在受到干旱脅迫后，茉莉酸作為激發(fā)子誘導(dǎo)相關(guān)防衛(wèi)基因表達(dá)，啟動(dòng)防御功能[21]；谷子3-磷酸甘油醛脫氫酶是糖酵解、糖異生及光合作用碳固定循環(huán)過程中的關(guān)鍵酶，在干旱脅迫早期高頻表達(dá)，與抗逆代謝可能存在內(nèi)在關(guān)系[22，25]；谷子磷脂酶D是一類跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)酶，干旱脅迫時(shí)能夠激活細(xì)胞膜重建防御干旱，防止細(xì)胞衰老[26]。在擬南芥中過量表達(dá)谷子磷脂酶D基因（SiPLDa1）后，轉(zhuǎn)基因植株在干旱脅迫條件下與野生型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株具有很高的生物量和葉片相對(duì)含水量、較低的電導(dǎo)率和較高的存活率，增強(qiáng)了原本不抗旱的擬南芥的抗旱性[22]。

國(guó)外學(xué)者Prasad等利用自己的實(shí)驗(yàn)室篩選出的抗旱品種和敏感品種對(duì)谷子抗旱分子機(jī)制進(jìn)行探索，已克隆得到已知和未知的干旱誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)的基因，如14-3-3，WD-40，MIPS等。同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵抗旱基因在不同脅迫處理下的基因表達(dá)進(jìn)行了研究，探索了關(guān)鍵基因的表達(dá)模式。

4 小結(jié)

隨著全球氣候的不斷異常變化，植物抗逆性研究越來越受到重視，植物抗旱基因研究也在不斷發(fā)展。擬南芥中有約8 000個(gè)獨(dú)立基因與逆境誘導(dǎo)相關(guān)[27]，水稻在干旱應(yīng)激條件下有5 000多個(gè)相關(guān)基因表達(dá)[28]，在其他植物中也鑒定出大量的干旱誘導(dǎo)基因，而在抗旱性極強(qiáng)的谷子中發(fā)現(xiàn)和鑒定的與干旱相關(guān)的基因屈指可數(shù)，這需要國(guó)內(nèi)外學(xué)者繼續(xù)加大對(duì)谷子抗旱性進(jìn)行研究，發(fā)掘谷子抗旱基因，深入了解谷子抗旱機(jī)制。

前人對(duì)于谷子抗旱的研究存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為研究結(jié)果集中體現(xiàn)為幾個(gè)生理性狀指標(biāo)，用幾個(gè)特定的指標(biāo)來闡明抗旱機(jī)理難以反映真實(shí)情況；同時(shí)，試驗(yàn)條件的模擬與自然界中真實(shí)的干旱情況并不一致，造成研究結(jié)果與田間實(shí)際脅迫條件不符。所以，深入探索谷子抗旱機(jī)理仍具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。

谷子全基因組測(cè)序的完成，以及基因組學(xué)和功能基因組學(xué)研究的不斷深入[29-30]，將推動(dòng)谷子抗旱基因的發(fā)掘和抗旱分子機(jī)制研究，進(jìn)而促進(jìn)分子育種、抗旱新品種的選育。

［1］岳安良.谷子的抗旱性及其在旱作中的地位[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，1987（5）：3-4.

［2］張錦鵬.谷子在干旱逆境中差異表達(dá)基因的分離與表達(dá)譜分析[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

［3］張國(guó)軍，王甘龍，張艷飛，等.淺析谷子生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2003（S2）：136-137.

［4］李蔭梅.谷子育種學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1997.

［5］劉華玲，馬欣榮.植物抗旱分子機(jī)理研究進(jìn)展[J].世界科技研究與發(fā)展，2006，28（6）：33-40.

［6］Shinozaki K.Gene expression and signal transduction in water stress response[J].Plant Physiology，1997，115：327-334.

［7］張文英，智慧，柳斌輝，等.谷子孕穗期一些生理性狀與品種抗旱性的關(guān)系[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2011，26（3）：128-l33.

［8］朱學(xué)海.谷子耐旱資源篩選及其遺傳多樣性分析 [D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2008.

［9］張錦鵬，王茅雁，白云鳳，等.谷子品種抗旱性的苗期快速鑒定[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2005，6（1）：59-62.

［10］溫琪汾，王綸，王星玉.山西省谷子種質(zhì)資源及抗旱種質(zhì)的篩選利用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33（4）：32-33.

［11］李蔭梅.谷子（粟）品種資源抗旱性鑒定研究[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，1991，6（3）：20-25.

［12］李蔭梅.苗期反復(fù)干旱法鑒定谷子抗旱性的可靠性與實(shí)用性[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，1992（4）：9-11.

［13］Mishra AK.The DNA-bindingactivityofan AP2 protein is involved in transcriptional regulation of a stress-responsive gene，SiWD40，in foxtail millet[J].Genomics，2012，6（12）：252-263.

［14］張文英，智慧，柳斌輝，等.干旱脅迫對(duì)谷子孕穗期光合特性的影響[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，15（6）：7-11.

［15］張文英，智慧，柳斌輝，等.谷子全生育期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2010，11（5）：560-565.

［16］孫寶成，劉成，李亮，等.谷子種質(zhì)資源抗旱性的田間鑒定與評(píng)價(jià)[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，48（9）：1691-1695.

［17］王軍，郭二虎，王隨保，等.優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗谷子新品種晉谷 27 號(hào)的選育[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，1999，5（2）：23-26.

［18］Lata C，Sahu P P，Prasad M.Comparative transcriptome analysis ofdifferentiallyexpressed genes in foxtail millet（Setaria italica L.）during dehydration stress[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2010，393：720-727.

［19］ZhangJ P，Liu TS，F(xiàn)u J J，et al.Construction and application of EST library from Setaria italicain response to dehydration stress[J].Genomics，2007，90：121-131.

［20］崔潤(rùn)麗，智慧，王永芳.谷子DanJ蛋白基因的克隆[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2007，22（4）：9-13.

［21］楊希文，胡銀崗.谷子DREB轉(zhuǎn)錄因子基因的克隆及其在干旱脅迫下的表達(dá)模式分析 [J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（5）：69-74.

［22］崔潤(rùn)麗，王永芳，智慧，等.谷子3-磷酸甘油醛脫氫酶基因的克隆與結(jié)構(gòu)分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：10-14.

［23］Zhang J P.Cloning and characterization of a putative 12-oxophytodienoic acid reductase cDNA induced byosmotic stress in roots offoxtail millet[J].DNASequence，2007，18（2）：138-144.

［24］Peng Y L，Zhang J P，Cao G Y，et al.Overexpression of a PLDa1 gene from Setaria italica enhances the sensitivity of Arabidopsis to abscisic acid and improves its drought resistance[J].Plant Cell Report，2010，29：793-802.

［25］步翠玉.家蠶DnaJ基因家族的研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2009.

［26］李麗，游向榮，孫健.植物磷脂酶D基因表達(dá)與衰老的關(guān)系[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào)，2012，20（1）：99-106.

［27］Shinozaki K，Yamaguchi-Shinozaki K.Gene networks involved in drought stress response and resistance[J].Journal of Experimental Botany，2007，58（2）：221-227.

［28］Shaik R，Ramakrishna W.Bioinformatic analysis of epigenetic and microRNAmediated regulation of drought responsive genes in rice[J].PLOSOne，2012，7（11）：1-15.

［29］Zhang G Y，Liu X.Genome sequence of foxtail millet（Setaria italica）provides insights into grass evolution and biofuel potential[J].Nature Biotechonlogy，2012，30（6）：549-554.

［30］Bennetzen J L，Schmuiz J，Wang H，et al.Reference genome sequence of the model plant setaria[J].Nature Biotechonlogy，2012，30（6）：555-561.