馬盼盼, 趙曾強(qiáng), 祝建波, 孫國清

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院生物技術(shù)研究所, 作物種質(zhì)創(chuàng)新與基因資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 新疆 石河子 832003；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所, 北京 100081)

隨著全球氣候變化，非生物環(huán)境因素對植物生長影響日趨嚴(yán)重，其中低溫、干旱和鹽堿是影響農(nóng)作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量的主要非生物脅迫因素[1-3]。棉花作為重要的經(jīng)濟(jì)作物和紡織原料，是不可或缺的戰(zhàn)略儲備物資。然而，土壤鹽堿化和水資源短缺等生態(tài)環(huán)境問題造成棉花產(chǎn)量下降及品質(zhì)變差，已成為制約棉花可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4-5]。利用現(xiàn)代分子育種技術(shù)提高棉花抗逆性是解決棉花抗逆育種的有效途徑。棉花基因組的測序完成以及高通量測序技術(shù)的發(fā)展為棉花耐旱耐鹽等抗逆基因的功能及其分子機(jī)制提供了極大便利。研究者通過分子生物學(xué)技術(shù)和手段分離鑒定獲得了大量的耐旱耐鹽堿相關(guān)基因，并對其抗逆分子機(jī)理進(jìn)行了探索。本文主要從干旱和鹽堿對棉花的影響，棉花對干旱、鹽堿脅迫的形態(tài)適應(yīng)性、生理調(diào)節(jié)和分子機(jī)制，轉(zhuǎn)基因耐旱、耐鹽堿棉花材料的抗逆性研究進(jìn)展等方面進(jìn)行了闡述，以期為后續(xù)棉花抗旱耐鹽堿基因工程研究提供理論參考。

1 干旱、鹽堿對棉花生長發(fā)育的影響

干旱脅迫嚴(yán)重影響棉花的生長發(fā)育，如株高、葉片干重、葉面積指數(shù)、果節(jié)數(shù)、纖維品質(zhì)、冠層及根系生長等[5]。水分脅迫下，不同棉花品種的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及水勢顯著降低[6-7]。王俊娟[8]對41份陸地棉材料干旱脅迫處理前后的農(nóng)藝性狀和纖維品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了比較和分析，結(jié)果表明，全生育期干旱處理?xiàng)l件下，41份陸地棉的株高、果枝數(shù)、單株成鈴數(shù)均有不同程度的降低，平均值均極顯著降低，說明這些農(nóng)藝性狀容易受到干旱脅迫的影響。干旱脅迫使纖維品質(zhì)變劣，表現(xiàn)為纖維長度極顯著降低，整齊度極顯著下降，麥克隆值極顯著升高，斷裂比強(qiáng)度極顯著降低，伸長率極顯著升高。

棉花雖然具有一定的耐鹽性，但是不同品種間的耐鹽性差異較大，而且同一品種具有生育階段差異性。當(dāng)土壤含鹽量在0.2%～0.3%時(shí)，出苗困難；當(dāng)土壤含鹽量在0.4%～0.5% 時(shí)，種子不能出土；當(dāng)土壤含鹽量大于0.65%時(shí)，種子很難發(fā)芽[9]。鹽脅迫可引起棉花形態(tài)和一系列生理變化，葉片和根干重、根長、根直徑、葉綠素和脯氨酸含量、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度降低[10]。長期鹽脅迫可導(dǎo)致棉花長勢下降，出葉速度減慢，果枝數(shù)減少，現(xiàn)蕾、開花、結(jié)鈴?fù)七t，花鈴期縮短，蕾鈴脫落增加，產(chǎn)量降低[4]。鹽脅迫對棉花衣分、纖維長度影響不大，對纖維細(xì)度、強(qiáng)度、成熟度影響較大，棉鈴發(fā)育受到抑制，纖維素含量降低，導(dǎo)致棉鈴及纖維發(fā)育不充分[11]。

2 棉花耐旱、耐鹽堿機(jī)制

棉花是耐鹽性較強(qiáng)的農(nóng)作物，其耐鹽能力與鹽分類型、棉花品種、棉花不同生長階段等因素有關(guān)。當(dāng)遭遇干旱和高鹽脅迫時(shí)，棉花自身會從生長習(xí)性與結(jié)構(gòu)方面適應(yīng)脅迫環(huán)境。也可通過離子區(qū)域化分布、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成與積累、膜脂過氧化清除系統(tǒng)等一系列生理生化調(diào)節(jié)機(jī)制來適應(yīng)或抵抗干旱和高鹽等非生物脅迫。

2.1 棉花耐旱、耐鹽堿的形態(tài)學(xué)適應(yīng)機(jī)制

植物與其生長環(huán)境是一個(gè)統(tǒng)一的整體，在長期的共生過程中形成了適應(yīng)性的形態(tài)建成，適應(yīng)性的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化特征。最初的棉花耐旱性研究集中在棉花根系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形態(tài)生理研究方面，主要通過提高根系吸收水分的能力來減輕干旱抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，干旱條件下，棉花的根系長度增加，但根系直徑變小[12]，根密度增加，側(cè)根數(shù)增加[13]，根系分布受到影響。除根系外，植物還會在干旱前期調(diào)整氣孔的開度和葉片形態(tài)特征，以此來減少水分的散失[6-7]。

棉花因土壤鹽分類型、基因型、生長發(fā)育階段、器官組織的不同而表現(xiàn)出不同的耐鹽性。研究發(fā)現(xiàn)，棉花對土壤中各種鹽分的敏感程度依次為MgSO4>MgCl2>Na2CO3>Na2SO4>NaCl > NaHCO3[14]。種屬間耐鹽性差異也較大，4個(gè)栽培種中非洲棉和海島棉的耐鹽材料較多，陸地棉耐鹽材料次之，亞洲棉中耐鹽材料極少[15]，這與各自的起源和遺傳背景有關(guān)。戴海芳等[16]通過對17份棉花品種的耐鹽性評價(jià)研究發(fā)現(xiàn)，與鹽敏感品種相比，強(qiáng)耐鹽棉花品種幼苗在鹽脅迫下相對電導(dǎo)率較低，凈光合速率、葉綠素含量、葉面積和鮮重則能保持較高水平，且其幼苗真葉面積可達(dá)其他類別品種的近 2 倍。強(qiáng)耐鹽棉花品種幼苗葉片在鹽堿環(huán)境中受到傷害較輕，能保持較高的真葉面積和光合能力，有利于提高植株耐鹽能力和光合產(chǎn)物積累，降低土壤中離子毒害，增強(qiáng)植株耐鹽性。棉花不同生育階段的耐鹽性差異較大，王俊娟等[17]研究發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)出苗期是鹽敏感期，隨著生育期的延長，棉花的耐鹽性逐漸提高。

2.2 棉花耐旱、耐鹽堿的生理生化調(diào)節(jié)機(jī)制

2.2.1棉花體內(nèi)離子區(qū)隔化分布及離子平衡

研究表明，不同植物在鹽脅迫下的耐鹽機(jī)理存在差異。鹽脅迫下，棉花體內(nèi)以Na+為主要毒害因子[18]，耐鹽性不同的棉花根、莖、葉內(nèi)Na+積累量存在顯著差異。相同NaCl濃度處理下，耐鹽材料根中的Na+含量高于地上組織器官，而地上組織能維持相對較高的K+、Ca2+、Mg2+含量和較低的Na+/K+，表明根系能積累一部分的Na+，從而減輕Na+對地上組織的損傷[19-20]。這說明棉花品種的耐鹽性是通過鹽分在地上部的區(qū)隔化分布實(shí)現(xiàn)的。鹽離子在細(xì)胞內(nèi)的區(qū)域化分布也是植物耐鹽的重要機(jī)理。鹽脅迫條件下，Na+在細(xì)胞內(nèi)超量積累，而耐鹽品種則具有將Na+液泡區(qū)域化和Na+外排能力來降低Na+在細(xì)胞質(zhì)中的濃度[21]。Wu等[22]克隆出了液泡膜上Na+/ H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，通過轉(zhuǎn)基因的方法證明棉花的耐鹽性與GhNHX1基因的表達(dá)有關(guān)?？梢?，棉花也可能存在將Na+離子排出胞外或?qū)a+區(qū)隔化到液泡中等離子的區(qū)域化分布機(jī)制。

2.2.2滲透調(diào)節(jié) 干旱和高鹽等脅迫條件均能導(dǎo)致植物細(xì)胞水分虧缺，誘發(fā)滲透脅迫，造成根系細(xì)胞脫水，葉片萎蔫，進(jìn)而影響植物的生理功能。植物細(xì)胞主要通過無機(jī)離子和小分子有機(jī)物質(zhì)的積累、運(yùn)轉(zhuǎn)及區(qū)域化等機(jī)制解除滲透脅迫[23]。這些有機(jī)物質(zhì)如脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿、甘露醇、海藻糖等，有助于保護(hù)蛋白質(zhì)和膜免受干旱脅迫下高濃度無機(jī)離子和氧化損傷的損害[24]。近年來，研究者將滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、甜菜堿、甘露醇、海藻糖等合成途徑關(guān)鍵酶基因轉(zhuǎn)入棉花，證明這些小分子物質(zhì)在棉花耐旱、耐鹽堿中具有重要作用[25-27]。轉(zhuǎn)膽堿脫氫酶基因 (betA) 棉花中甘氨酸甜菜堿積累使得植株的光合作用提高，相對含水量增加，滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，膜脂過氧化降低，離子滲透率降低，進(jìn)而增強(qiáng)棉花的抗旱能力[28]。過表達(dá)基因GhAN1可通過增強(qiáng)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性及脯氨酸和可溶性糖的含量來提高棉花的抗旱耐鹽能力[29]。因此，滲透調(diào)節(jié)也是棉花耐旱、耐鹽堿的重要機(jī)制之一。

2.2.3抗氧化脅迫 植物在正常新陳代謝活動中和逆境環(huán)境條件下均會產(chǎn)生活性氧，在正常條件下，活性氧可以激活轉(zhuǎn)錄因子，促進(jìn)細(xì)胞分裂和分化。當(dāng)干旱和鹽脅迫出現(xiàn)時(shí)，植物體內(nèi)便會產(chǎn)生和積累大量的活性氧，進(jìn)而破壞很多生物學(xué)過程[30]。植物在長期進(jìn)化中形成了能清除氧化活性的酶系和抗氧化物質(zhì)來抵抗氧化脅迫[31]?？寡趸割愑谐趸锲缁?SOD)、過氧化物酶(peroxidase, POD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase, GR)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbic peroxidase, APX)。非酶類抗氧化物質(zhì)有維生素、輔酶Q、還原型谷胱甘肽(reduced glutathione, GSH)等。研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化酶和非酶類抗氧化物質(zhì)在活性氧清除過程中協(xié)同工作[32]。起初，抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng)研究集中在酶促活性方面，為了解釋不同環(huán)境脅迫誘導(dǎo)的氧化脅迫響應(yīng)的抗氧化保護(hù)機(jī)制，研究者對SOD、POD、APX及CAT 等酶進(jìn)行大量研究?？寡趸富蚬δ艿难芯繛橹参锟寡趸佬l(wèi)系統(tǒng)的研究開啟了思路。棉花中18個(gè)SOD基因在不同非生物脅迫下的表達(dá)模式研究顯示，SOD 基因家族在活性氧清除中具有重要作用[33]。過表達(dá)基因GhSOD1和GhCAT可增強(qiáng)棉花的耐鹽能力[34]。

2.3 棉花耐旱、耐鹽堿分子機(jī)制研究進(jìn)展

關(guān)于棉花耐旱、耐鹽堿分子機(jī)制研究，主要通過抗逆相關(guān)的基因克隆和功能解析來實(shí)現(xiàn)。耐旱、耐鹽堿是由多基因控制的數(shù)量性狀，其生理、生化過程是基因相互作用、共同調(diào)節(jié)的結(jié)果，涉及多條信號傳導(dǎo)途徑。

2.3.1ABA信號途徑 干旱脅迫主要引起滲透脅迫，而鹽脅迫則同時(shí)對細(xì)胞造成滲透脅迫和離子毒害。因此，干旱脅迫和鹽脅迫有各自獨(dú)立和一些共同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。干旱和鹽脅迫的一個(gè)重要特征是滲透脅迫信號能夠引起植物激素脫落酸 (abscisic acid, ABA) 的累積，進(jìn)而引起植物的適應(yīng)性反應(yīng)[35]。與其他植物一樣，棉花對ABA信號的感知和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有ABA依賴和ABA非依賴兩條途徑介導(dǎo)[36]。ABA依賴信號途徑在各種脅迫條件，尤其是在滲透脅迫下應(yīng)答基因的表達(dá)中起關(guān)鍵作用。ABA受體是ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要元件。正常條件下，ABA水平很低，蔗糖非酵解相關(guān)蛋白激酶2 (SnRK2) 的活性被蛋白磷酸酶2C(PP2C) 抑制。當(dāng)植物遭受干旱、鹽堿等脅迫刺激時(shí)，ABA與受體PYL結(jié)合并激活PP2C，形成ABA-PYL-PP2C三元復(fù)合體，使得SnRK2s從PP2Cs的結(jié)合中釋放出來[37]。釋放的SnRK2s通過自身磷酸化激活，并磷酸化下游的鉀離子通道蛋白和ABF/bZIP等轉(zhuǎn)錄因子使它們被激活，從而調(diào)節(jié)脅迫誘導(dǎo)基因的表達(dá)、氣孔的開閉和離子轉(zhuǎn)運(yùn)等[38]。

近年來，棉花中也進(jìn)行了ABA受體蛋白PYL、蛋白激酶SnRKs和蛋白磷酸酶PP2C基因的相關(guān)研究。Chen等[39]在陸地棉中鑒定了27個(gè)ABA受體蛋白PYL，研究結(jié)果顯示，棉花PYL基因可能參與干旱/滲透脅迫響應(yīng)；陳云[40]通過轉(zhuǎn)錄組分析，在棉花中分離鑒定了一個(gè)PP2C家族基因GhDRPP1(CotAD_18479)，該基因受干旱脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，進(jìn)一步研究結(jié)果表明，GhDRPP1蛋白可能通過參與脫落酸及赤霉素信號通路等多種激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，影響氣孔關(guān)閉、光合作用等，從而在棉花干旱脅迫應(yīng)答中起負(fù)調(diào)控作用；Liu 等[41]在陸地棉基因組中鑒定獲得了20個(gè)SnRK2基因，一些基因?qū)Ω珊?、高鹽及ABA處理在轉(zhuǎn)錄水平上響應(yīng)；Bello等[42]在陸地棉中克隆了1個(gè)蔗糖非酵解型蛋白激酶SnRK2基因，超表達(dá)該基因的擬南芥植株表現(xiàn)出了耐旱性和耐鹽性。

2.3.2MAPK信號途徑 在植物長期進(jìn)化過程中，形成了適應(yīng)環(huán)境脅迫的一系列分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，如，脅迫識別、信號傳導(dǎo)及脅迫相關(guān)基因的表達(dá)等。MAPK(mitogen-activated protein kinase)信號級聯(lián)途徑將細(xì)胞外信號刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，從而引起相應(yīng)的生理生化反應(yīng)，在適應(yīng)過程中起重要的樞紐作用。一個(gè)MAPK盒至少包含MAPKKK、MAPKK和MAPK三種蛋白激酶，它們之間通過磷酸化順序激活[43]。大量研究表明，MAPK級聯(lián)信號途徑廣泛參與干旱、高鹽等多種非生物脅迫信號途徑。近年來，研究者在棉花中也克隆鑒定了一些耐旱耐鹽堿MAPK途徑基因。Li 等[44]利用同源克隆的方法在陸地棉中克隆了2個(gè)MAPK基因，GhMPK6a和GhMPK20，其上游激活基因?yàn)镚hMKK4，且轉(zhuǎn)基因煙草對高鹽和干旱的敏感性增強(qiáng)。GhMPK2轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽性獲得提高，主要表現(xiàn)在滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸含量升高[45]?；騁hMP3K40的過表達(dá)植株的種子萌發(fā)時(shí)期對鹽和干旱的耐受性提高，轉(zhuǎn)基因植株中抗逆相關(guān)基因DREB、AREB、Osmotin和抗氧化系統(tǒng)被激活，表明該基因正調(diào)控防衛(wèi)反應(yīng)，但是通過負(fù)調(diào)控生長和發(fā)育來降低對生物和非生物脅迫的耐受性，且該基因與GhMPKK4、GhMPK4和WRKY10互作[46]。Wang等[47]通過轉(zhuǎn)錄組、過表達(dá)以及RNAi基因GhMKK3研究干旱脅迫下棉花MAPK信號途徑的具體調(diào)控機(jī)制，結(jié)果表明，GhPIP1和GhMPK7是GhMKK3的下游作用基因，在煙草中過表達(dá)GhMKK3能促進(jìn)根生長和ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，耐旱性獲得提高，而沉默該基因之后，植株對干旱更加敏感。蛋白激酶基因GhCIPK6被鹽、干旱和ABA處理誘導(dǎo)，過表達(dá)該基因的擬南芥植株耐旱性、耐鹽性增強(qiáng)[48]。

2.3.3轉(zhuǎn)錄因子 植物中參與耐旱、耐鹽堿的轉(zhuǎn)錄因子主要有AP2/ERF、WRKY、MYB、bZIP、NAC、鋅指蛋白等類型，這些轉(zhuǎn)錄因子已在棉花中證明具有抗旱耐鹽堿功能。過表達(dá)bZIP類轉(zhuǎn)錄因子GhABF2能夠提高轉(zhuǎn)基因棉花植株的耐旱、耐鹽堿能力[49]。GhWRKY17參與ABA信號途徑、干旱和高鹽反應(yīng)[50]，GhWRKY41受干旱和鹽脅迫誘導(dǎo)[51]。植物中的MYB蛋白多數(shù)屬于R2R3-MYB亞家族，在控制植物發(fā)育、生物和非生物脅迫應(yīng)答等過程中發(fā)揮著重要作用。Chen等[52]通過病毒誘導(dǎo)的基因沉默(virus-induced gene silencing, VIGS)和過量表達(dá)轉(zhuǎn)基因煙草研究R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子基因GbMYB5在抗旱脅迫中的功能及其相應(yīng)機(jī)制，闡明MYB轉(zhuǎn)錄組因子在植物抗旱脅迫中的作用及其調(diào)控機(jī)制。李付廣團(tuán)隊(duì)根據(jù)水分脅迫下的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)定量PCR從亞洲棉中獲得了2個(gè)能提高棉花抗旱和耐鹽能力的 R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子基因GaMYB62L和GaMYB85，過表達(dá)GaMYB62L和GaMYB85的擬南芥株系種子在鹽脅迫和滲透脅迫條件下均表現(xiàn)出較高的種子萌發(fā)率；且過表達(dá)這 2 個(gè)基因都可以增強(qiáng)植株對干旱和鹽脅迫的耐受性[53-54]。

雖然己有較多分子生物學(xué)方面的報(bào)道，但是仍然無法全面闡述棉花耐旱、耐鹽分子機(jī)理，因此，深入研究棉花耐旱耐鹽響應(yīng)機(jī)理與其他植物的耐旱、耐鹽特性之間的共性，有助于利用分子生物學(xué)的方法提高棉花的耐旱、耐鹽性。同時(shí)，近年來，隨著棉花基因組的測序完成以及高通量測序技術(shù)的發(fā)展，將為棉花耐旱、耐鹽分子機(jī)理和功能基因研究提供極大便利。

3 轉(zhuǎn)基因耐旱、耐鹽堿棉花

我國科學(xué)家在耐旱、耐鹽堿改良等抗逆性狀轉(zhuǎn)基因棉花研究方面取得了很大進(jìn)展，鑒定克隆獲得了大批優(yōu)良的耐旱、耐鹽基因；篩選出了能夠運(yùn)用于大規(guī)模農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化的棉花受體材料，并建立了大規(guī)模農(nóng)桿菌介導(dǎo)棉花遺傳轉(zhuǎn)化體系；對基因槍轟擊、花粉管通道介導(dǎo)、莖尖或芽尖轉(zhuǎn)化、農(nóng)桿菌液浸染和納米載體花粉介導(dǎo)等不同轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)行了探索。通過各種轉(zhuǎn)化途徑將優(yōu)異耐旱、耐鹽基因?qū)朊藁ㄖ校@得了耐旱、耐堿性提高的棉花材料(表1)，為深入研究棉花耐旱、耐鹽堿分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為棉花耐旱、耐鹽堿育種提供了新的種質(zhì)材料。從表1可知，用于遺傳轉(zhuǎn)化獲得耐旱、耐鹽棉花材料的基因主要來自其他一些耐旱、耐鹽性較強(qiáng)的物種，而棉花自身的耐旱、耐鹽基因轉(zhuǎn)化案例相對比較少。耐旱、耐鹽堿基因主要有轉(zhuǎn)錄因子、滲透保護(hù)和滲透調(diào)節(jié)蛋白、氧化脅迫及水分脅迫相關(guān)蛋白、參與離子區(qū)域化的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等。研究者主要以當(dāng)?shù)刂髟云贩N為受體材料，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法和花粉管通道介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法，獲得不同基因的耐旱耐鹽材料，這些材料可以作為后續(xù)遺傳育種材料。

4 展望

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，研究者從分子水平上分析生物與環(huán)境之間的關(guān)系，挖掘優(yōu)異基因，利用基因工程手段結(jié)合傳統(tǒng)育種方法，培育出了大量性狀和性能改善的農(nóng)作物新品種。與傳統(tǒng)育種方式相比，通過基因工程手段引入外源基因來改變植物性狀，從而使獲得棉花新品種的方法更加便捷。我國科學(xué)家在棉花抗蟲、抗除草劑、抗旱耐鹽堿、抗病以及纖維品質(zhì)改良等性狀分子改良方面取得重大成果，尤其是轉(zhuǎn)基因抗蟲、抗除草劑棉花新品種的獲得和大規(guī)模應(yīng)用。然而，基因工程技術(shù)受目前研究水平的限制，基因插入的隨機(jī)性、多拷貝性、表達(dá)的不穩(wěn)定性，以及對受體材料基因型的依賴性，使得轉(zhuǎn)基因植物的效果和期望值之間存在一定差距。雖然在棉花耐旱耐鹽堿等非生物脅迫研究方面取得了很大進(jìn)步，但是仍存在很多亟待解決的問題。

一是對棉花耐旱耐鹽堿等非生物逆境脅迫的分子機(jī)制研究還不夠透徹。由于植物的耐鹽、耐旱等非生物脅迫是由多基因控制的數(shù)量性狀，其生理生化過程是基因相互作用、共同調(diào)節(jié)的結(jié)果。盡管已從棉花或其他抗逆性較強(qiáng)的生物資源中分離鑒定了許多抗逆相關(guān)基因，但真正具有應(yīng)用價(jià)值的基因還很少。且棉花抗旱耐鹽堿基因工程研究多集中在單個(gè)基因功能研究方面，對改變棉花體內(nèi)抗逆信號傳導(dǎo)途徑及所涉及的代謝網(wǎng)絡(luò)缺乏系統(tǒng)性研究，因此，很難全面揭示棉花的抗逆分子機(jī)理。棉花基因組測序已經(jīng)完成,通過整合比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)、定量蛋白質(zhì)組學(xué)、表型組學(xué)及全基因選擇育種技術(shù)，分析鑒定抗旱耐鹽堿SNP標(biāo)記、抗旱耐鹽堿關(guān)鍵基因及其調(diào)控途徑，全面解析棉花抗旱耐鹽堿的分子機(jī)制。同時(shí)，利用多基因聚合手段，實(shí)現(xiàn)基因抗性的疊加。

二是外源基因在轉(zhuǎn)基因棉花中能否表達(dá)，以及在其后代材料中是否能夠穩(wěn)定遺傳是轉(zhuǎn)基因棉花抗逆研究的關(guān)鍵。目前，研究獲得的轉(zhuǎn)基因棉花主要是通過花粉管通道法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法獲得的。這兩種轉(zhuǎn)基因技術(shù)尚無法實(shí)現(xiàn)外源基因定點(diǎn)、定量插入棉花受體材料基因組中，且外源基因向子代傳遞的過程中容易產(chǎn)生基因丟失、沉默、重組及擴(kuò)增等現(xiàn)象，導(dǎo)致外源基因的表達(dá)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)基因植株的抗性水平與預(yù)期存在一定差距。

三是對棉花種質(zhì)資源的抗旱、耐鹽堿缺乏系統(tǒng)地鑒定與評價(jià)。目前，棉花抗旱耐、鹽堿種質(zhì)資源鑒定以實(shí)驗(yàn)室、旱棚和鹽池為主，而對實(shí)際田間生產(chǎn)環(huán)境下的選標(biāo)準(zhǔn)及精準(zhǔn)鑒定方面缺乏系統(tǒng)性研究。因此，需要廣大研究人員廣泛收集、整理抗旱耐鹽堿棉花種質(zhì)資源，在不同生態(tài)植棉區(qū)進(jìn)行全生育期精準(zhǔn)鑒定，制定棉花抗旱耐鹽堿進(jìn)準(zhǔn)鑒定技術(shù)指標(biāo)和體系。同時(shí)，整合多組學(xué)技術(shù)、全基因組選擇技術(shù)，分離鑒定抗旱耐鹽堿關(guān)鍵基因。利用回交轉(zhuǎn)育、分子標(biāo)記輔助育種及分子聚合育種手段創(chuàng)制適合不通過生態(tài)區(qū)域的抗旱耐鹽堿棉花材料，為棉花抗旱耐鹽堿改良育種提供優(yōu)異種質(zhì)資源。