徐 凱,周立國,余舜武,陳守俊,馬孝松,樓巧君,劉鴻艷,廖志剛,夏 輝,劉灶長,陳 亮,羅利軍

(上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

近年來,全球范圍內(nèi)干旱頻繁發(fā)生,嚴重影響植物的生長和發(fā)育,使作物大幅減產(chǎn)。栽培稻作為主糧作物之一,也是需水量最多的作物,受到干旱脅迫后,葉片失水卷曲,光合作用效率下降,細胞膜透性發(fā)生變化,在細胞內(nèi)產(chǎn)生過氧化脅迫,嚴重時還會導(dǎo)致細胞機械性損傷,使植株生長發(fā)育的多個方面受到影響,甚至死亡[1]。

為了應(yīng)對干旱脅迫,栽培稻通過滲透調(diào)節(jié)、活性氧清除、氣孔調(diào)控、激素調(diào)節(jié)等生理生化代謝途徑進行調(diào)節(jié)和適應(yīng)[1]。這些過程涉及大量干旱響應(yīng)基因,這些基因大多編碼轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶等調(diào)控蛋白和代謝酶類等功能蛋白。本文結(jié)合筆者近年來的研究,在綜述栽培稻響應(yīng)干旱脅迫的生理及分子調(diào)控機制的基礎(chǔ)上,對相關(guān)研究存在的問題和未來發(fā)展趨勢進行討論。

1 栽培稻響應(yīng)干旱脅迫的生理機制

栽培稻在干旱脅迫(缺水)條件下,其形態(tài)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部生理生化代謝會產(chǎn)生一定的適應(yīng)性調(diào)整,包括促進根系對水分吸收、促進氣孔關(guān)閉以減少水分散失、合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等。研究栽培稻在干旱環(huán)境條件下的生理特征,探索不同栽培稻品種的抗旱生理機制,對于培育抗旱新品種以及提高作物水分利用效率具有重要意義。

1.1 水分吸收和運輸

栽培稻根系形態(tài)及生理狀態(tài)對水分吸收發(fā)揮著重要作用,如根長、根深、根粗、根的分布密度、根莖比、根系穿透力、根拔拉力等[1-2],強壯發(fā)達的根系有利于植物在干旱條件下向深層土壤扎根以吸收水分,較高的根系滲透調(diào)節(jié)也有利于吸收土壤水分[3]。筆者對不同栽培稻類型根系的深根比進行了研究,發(fā)現(xiàn)水稻和旱稻間存在明顯的差異,旱稻通常扎根能力強,具有較高的深根比,水分吸收能力更強[4]。

根系吸收水分將其轉(zhuǎn)運到木質(zhì)部,并通過導(dǎo)管向地上部分運輸。干旱缺水時,栽培稻根的外皮層厚壁細胞加厚,可減少皮層水分喪失并阻截氧從通氣組織向根外擴散,防止通氣組織被破壞[5]。同時,根中導(dǎo)管數(shù)目也會顯著增加,以利于水分運輸。例如,干旱條件下,節(jié)水抗旱稻‘旱優(yōu)113’次生木質(zhì)部中導(dǎo)管數(shù)顯著高于高產(chǎn)水稻‘揚兩優(yōu)6號’,水分虧缺條件下,‘旱優(yōu)113’仍能保持較強的輸水能力[5]。

1.2 滲透調(diào)節(jié)和保護

在干旱等高滲條件下,增加細胞內(nèi)一些水溶性物質(zhì)的濃度來維持滲透壓的平衡,阻止細胞脫水,維持細胞正常的生理代謝活動,是植物適應(yīng)干旱脅迫的主要生理機制之一。這些水溶性的物質(zhì)統(tǒng)稱滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),大致分為兩大類:一是由外界進入細胞的無機離子;二是在細胞內(nèi)合成的有機溶質(zhì),主要是蔗糖、海藻糖等可溶性糖,甘露醇、山梨醇等醇類,脯氨酸等游離氨基酸以及甜菜堿等。

水稻通常具有約0.4 MPa的滲透調(diào)節(jié)能力,因品種抗旱性不同,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的主動積累量有所不同,其滲透調(diào)節(jié)機理也不相同[6]。栽培稻在干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的相對貢獻率大小順序為:K+＞可溶性糖＞游離氨基酸＞脯氨酸[7]。

筆者調(diào)查了來源不同的栽培稻品種在水分脅迫下的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,發(fā)現(xiàn)抗旱品種中兩類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量在水分脅迫之后都有所增加(表1)[8],但類別間和品種間的增加幅度有所不同。例如,在干旱脅迫下,雖然都是抗旱品種,但‘Bluebelle’葉片中的脯氨酸含量明顯高于‘IRAT109’(圖1),表明不同抗旱品種的滲透調(diào)節(jié)能力存在差異[9]。

表1 栽培稻抗旱核心資源在不同干旱脅迫時期滲透調(diào)節(jié)相關(guān)生理指標(biāo)Table 1 Performance of osmotic adjustment related physiological traits of drought-resistance rice core germplasm in different drought stress periods

1.3 抗氧化解毒

活性氧(Reactive oxygen species,ROS)是生物體有氧代謝過程產(chǎn)生的一類活性含氧化合物的總稱,主要包括超氧陰離子(O2-)、羥自由基(·OH)、過氧化氫(H2O2)和單線態(tài)氧(1O2)等[10]。植物細胞中葉綠體、線粒體等每個亞細胞室都含有一套獨立的ROS產(chǎn)生和清除途徑[11]。嚴重干旱時,植物體內(nèi)活性氧的累積會損傷質(zhì)膜、葉綠體以及其他細胞組成成分,破壞細胞的基本結(jié)構(gòu)和正常代謝,其中細胞膜脂過氧化后,其降解為丙二醛,丙二醛含量常作為衡量植物氧化損傷的指標(biāo)之一。植物體本身存在著一些防御機制,可以清除這些自由基,避免或降低其對細胞的傷害[10]。

栽培稻主要利用自身的活性氧酶促清除系統(tǒng)對干旱脅迫積累的活性氧進行清除[12]。酶促系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(Catalase,CAT)、過氧化物酶(Peroxidase,POD)、抗壞血酸過氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)、谷胱甘肽還原酶(Glutathione reductase,GR)等一系列代謝酶類。SOD催化兩個超氧自由基發(fā)生歧化反應(yīng)形成O2和H2O2,H2O2再被POD和CAT催化降解成H2O[10]。SOD是生物體內(nèi)普遍存在的一種酶,在保護酶系中處于核心地位,普遍認為干旱脅迫下水稻體內(nèi)SOD活性與水稻抗氧化脅迫能力呈正相關(guān)[10]。

筆者對來源不同的栽培稻品種的抗旱相關(guān)性狀進行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下,不同抗旱品種的丙二醛含量和抗氧化酶類(SOD和POD)活性不同,抗旱品種中丙二醛含量和抗氧化酶活性都有所增加(圖1和表2),但性狀間與品種間的增加幅度存在差異[8]。

圖1 不同抗旱類型栽培稻品種的抗旱生理分析[9]Fig.1 Analysis on drought-resistance(DR)related physiological parameters of rice varieties with different DR types

表2 栽培稻抗旱核心資源在不同干旱脅迫時期抗氧化相關(guān)生理指標(biāo)Table 2 Performance of anti-oxidative physiological traits of drought-resistance rice core germplasm in different drought stress periods

筆者綜合深根比等避旱指標(biāo)和脯氨酸含量、SOD活性、POD活性等耐旱指標(biāo),對不同栽培稻品種的抗旱性進行分析,發(fā)現(xiàn)栽培稻品種間存在明顯不同的抗旱類型。旱稻品種通常因具有粗壯且深的根系而表現(xiàn)出更好的避旱性,而水稻品種往往具有更強的滲透調(diào)節(jié)和抗氧化能力而表現(xiàn)出更好的耐旱性[9]。例如,雖然‘Bluebelle’和‘IRAT109’這兩個品種的抗旱系數(shù)相同,但是‘Bluebelle’的深根比明顯低于‘IRAT109’,而在干旱脅迫下,‘Bluebelle’比‘IRAT109’的SOD活性高(圖1)。

1.4 氣孔調(diào)節(jié)

氣孔是植物體與外界環(huán)境進行氣體和水分交換的窗口。葉片氣孔的密度、大小和氣孔阻力等都與抗旱性有關(guān)[13]。筆者對120份抗旱稻種資源的氣孔長、氣孔寬、氣孔長寬比、氣孔密度、氣孔數(shù)量等性狀進行了研究,結(jié)果顯示:在1級抗旱材料中,22個材料在干旱處理后氣孔密度變小,38個材料變大;雖然旱處理對氣孔寬沒有顯著影響,但旱處理后的氣孔長和氣孔長寬比都顯著變小(表3)。

表3 抗旱1級材料的氣孔相關(guān)指標(biāo)在水旱條件下的差異分析Table3 Different analysis of stomatal characters of drought-resistance level 1 materials under normal irrigation and drought conditions

栽培稻受到水分脅迫時會通過降低氣孔開度來減少體內(nèi)水分散失[14]。氣孔的調(diào)節(jié)機能主要表現(xiàn)在蒸騰速度過快時,光合作用減弱,氣孔部分關(guān)閉,水分蒸騰減少。這是維持植株主要器官正常代謝所需水分的重要途徑[15]。干旱條件下栽培稻氣孔的關(guān)閉涉及到脫落酸、過氧化氫、離子轉(zhuǎn)運等多種生理調(diào)控機制[16]。應(yīng)該指出的是,氣孔同時是氣體交換的場所,對植物固定二氧化碳和進行光合作用具有重要影響,關(guān)閉氣孔往往導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

1.5 植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)

植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物適應(yīng)干旱脅迫中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用,干旱脅迫直接影響到植物體內(nèi)生長素、細胞分裂素、赤霉素、脫落酸等激素含量水平及比例關(guān)系。

脫落酸(Abscisic acid,ABA)是主要的非生物逆境脅迫相關(guān)植物激素之一。受到干旱脅迫之后,栽培稻根系、葉片和穗中脫落酸含量大幅增加,通過調(diào)節(jié)氣孔、促進根系發(fā)育和啟動ABA依賴途徑等多種方式增強植物抗旱性[16]。乙烯也是重要的脅迫響應(yīng)激素之一,干旱條件下,水稻體內(nèi)合成乙烯的關(guān)鍵酶活性顯著增加,乙烯含量大幅增加,可促進器官衰老和枝葉脫落,從而減少蒸騰[17]。油菜素內(nèi)酯促進植物生長,在干旱條件下促進植物體內(nèi)產(chǎn)生和積累一些小分子有機化合物,如脯氨酸、海藻糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化酶類[18]。赤霉素調(diào)控水稻的株高等性狀,干旱脅迫下,抽穗期水稻葉片中赤霉素含量明顯下降,造成水稻生長減緩[13]。有研究表明,降低赤霉素水平可以增強植物的耐旱性[19]。細胞分裂素(Cytokinin,CK)是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和適應(yīng)環(huán)境脅迫的重要激素之一,對耐旱性既有正調(diào)控作用,也有負調(diào)控作用[20]。茉莉酸及其活性衍生物,在調(diào)節(jié)植物對各種生物和非生物脅迫的應(yīng)激反應(yīng)方面具有重要作用。茉莉酸通過閉合氣孔、清除活性氧和促進根系發(fā)育等多種途徑增強植物抗旱性。在干旱脅迫條件下,水楊酸的積累也能通過促進氣孔關(guān)閉來增強植物的耐旱性[21]。當(dāng)遇到干旱等逆境時,水稻細胞內(nèi)多胺含量增加,其增加的量與品種的抗旱性有著一定關(guān)系[22]。

以上這些激素通常是相互作用的[23],外源施加生長調(diào)節(jié)物質(zhì)及醋酸、H2O2、硅等外源物質(zhì),也能影響水稻植株的抗旱能力[1]。根據(jù)ABA受體結(jié)構(gòu),利用小分子設(shè)計篩選到了新型高效ABA類似物OP和AMF4,外施在水稻等植物葉片上具有比ABA更好的節(jié)水和抗旱效果[24-25]。

2 栽培稻響應(yīng)干旱的分子調(diào)控機制

栽培稻響應(yīng)干旱脅迫的分子調(diào)控機制比較復(fù)雜,通過功能基因組手段或候選基因途徑篩選和鑒定了較多的水稻抗旱基因[26]。目前對栽培稻抗旱相關(guān)性狀的遺傳定位進行了較多的研究,但是通過圖位克隆來發(fā)掘栽培稻抗旱基因的報道還很少。通過對獲得的栽培稻抗旱基因進行功能解析,發(fā)現(xiàn)栽培稻響應(yīng)干旱的分子調(diào)控機理涉及對干旱信號的傳遞及對下游干旱響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控等過程。編碼蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成酶、抗氧化酶類等抗旱信號途徑相關(guān)基因通過行使各自功能參與水稻抗旱。

2.1 蛋白激酶

蛋白激酶介導(dǎo)的蛋白質(zhì)磷酸化修飾,在水稻抗旱反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。蛋白激酶通過磷酸化下游信號靶標(biāo),向下游傳遞干旱信號。蛋白激酶可分為絲裂原活性蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinases,MAPKs)、鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶、鈣調(diào)磷酸酶B互作蛋白激酶(Calcineurin B-like proteins-interacting protein kinases,CIPKs)等多種類型。

水稻OsMAPK5(MPK3)基因受ABA、干旱等誘導(dǎo)上調(diào)表達,過表達OsMAPK5a大幅提高OsMAPK5a蛋白激酶活性,顯著增強水稻對干旱等非生物逆境抗性[27]。過表達水稻MAPKKK家族基因DSM1(MPKKK6),能夠提高水稻過氧化物酶活性,減少干旱脅迫下水稻植株中的過氧化氫含量,增強水稻抗旱性[28]。熊立仲等[29]分析了水稻中30個CIPK基因的表達情況,其中20個基因受到干旱、鹽、低溫等非生物逆境脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達。轉(zhuǎn)基因試驗表明,過表達OsCIPK12顯著增強了水稻的抗旱性。筆者通過全基因組關(guān)聯(lián)分析定位到編碼類受體蛋白激酶的抗旱候選基因OsRLK5,該基因影響干旱條件下水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀,主要通過影響葉片失水速率來調(diào)控水稻抗旱性[30]。

2.2 蛋白修飾酶

泛素連接酶介導(dǎo)蛋白的泛素化修飾,誘導(dǎo)靶蛋白進行26S蛋白酶體介導(dǎo)的降解。水稻E3泛素連接酶是一個成員眾多的基因家族,在水稻生長發(fā)育和抗逆反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。筆者在水稻抗旱QTL區(qū)間挖掘到一個編碼含RING結(jié)構(gòu)域的E3連接酶基因OsRINGzf1。過表達OsRINGzf1可顯著降低葉片失水率并提高轉(zhuǎn)基因水稻在干旱條件下的存活率和產(chǎn)量。OsRINGzf1蛋白定位于細胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng),與OsPIP2;1等多個水通道蛋白互作。OsRINGzf1蛋白具有泛素連接酶活性,能對OsPIP2;1進行泛素化修飾進而促進該蛋白的降解。過表達OsRINGzf1轉(zhuǎn)基因水稻中OsPIP2;1蛋白豐度明顯降低。敲除OsPIP2;1基因的水稻突變體葉片失水速率顯著降低[31]。這些研究揭示了一種新的抗旱調(diào)控機制,即通過對水通道蛋白的泛素化修飾降低其豐度來提高水稻葉片的保水能力,進而增強水稻的抗旱性(圖2)。

圖2 OsRINGzf1調(diào)控水稻抗旱性的工作機制[31]Fig.2 Working model of OsRINGzf1 in modulating rice drought resistance

也有其他泛素連接酶參與水稻抗旱性。如OsDIS1編碼的泛素連接酶通過泛素化蛋白激酶OsNek6影響大量脅迫響應(yīng)基因的表達來負調(diào)控水稻的抗旱性[32]。OsSDIR1編碼一個RING類型的E3泛素連接酶,過表達該基因的擬南芥在干旱處理條件下氣孔關(guān)閉比例增加,葉片失水減慢,抗旱性明顯增強[33]。

2.3 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子

轉(zhuǎn)錄因子通過接收上游信號來啟動下游干旱響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄,在水稻響應(yīng)干旱脅迫反應(yīng)中發(fā)揮核心調(diào)控作用。筆者通過水稻抗旱QTL定位、基因表達譜分析等多種方法對水稻抗旱相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子進行了挖掘,如利用Eco-tilling技術(shù)對95個水稻品種中的24個家族的轉(zhuǎn)錄因子與耐旱性的關(guān)系進行了分析,發(fā)現(xiàn)8個轉(zhuǎn)錄因子與耐旱性顯著相關(guān)[34];基于節(jié)水抗旱稻品系滬旱2B和常規(guī)親本寒豐B的干旱脅迫RNA-Seq數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)6個MYB、bZIP等類型的轉(zhuǎn)錄因子作為關(guān)鍵節(jié)點調(diào)控著128個下游基因網(wǎng)絡(luò)[35];通過典型耐旱和旱敏感品種的耐旱性鑒定和轉(zhuǎn)錄組測序分析,挖掘到多個耐旱性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[36]。

筆者對其中的數(shù)個轉(zhuǎn)錄因子進行了功能鑒定,發(fā)現(xiàn)OsDREB6編碼一個DREB類轉(zhuǎn)錄因子,具有轉(zhuǎn)錄激活活性和結(jié)合DRE元件的能力,過表達OsDREB6可提高OsP5CS等抗旱相關(guān)基因的表達,促進脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累,顯著提高轉(zhuǎn)基因水稻對滲透脅迫的耐受能力[37]。OsEBP89編碼一個AP2∕ERF轉(zhuǎn)錄因子,能與蛋白激酶OsSnRK1α互作并被其磷酸化,敲除該基因可提高水稻的耐旱性[38]。通過全基因組關(guān)聯(lián)定位克隆到一個編碼AP2轉(zhuǎn)錄因子的抗旱候選基因OsSNB,該基因也影響水稻種子粒型和產(chǎn)量[39]。OsNAC45編碼一個NAC轉(zhuǎn)錄因子,在水稻根中表達較高,調(diào)控POD和根發(fā)育相關(guān)基因的表達,影響水稻根POD活性和木質(zhì)素含量,過表達可增強水稻的耐旱性[40]。OsbZIP62編碼bZIP類型轉(zhuǎn)錄因子,將其與VP64轉(zhuǎn)錄激活子融合進而轉(zhuǎn)入水稻后,促進了很多ABA響應(yīng)基因的表達并顯著提高了水稻的耐旱性[41]。來源于水稻抗旱QTL區(qū)間的GRAS轉(zhuǎn)錄因子OsGRAS23可通過調(diào)控抗氧化相關(guān)基因的表達參與水稻抵抗干旱脅迫反應(yīng)[42]。另外,筆者也對影響染色體構(gòu)型的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進行了研究。從水稻干旱響應(yīng)基因中挖掘的OsAHL1編碼含AT-look的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,能夠特異地結(jié)合富含A∕T的啟動子區(qū),調(diào)控多個抗逆相關(guān)基因的表達,通過增強抗氧化能力和促進根系生長來增強水稻的抗旱性[43]。水稻抗旱QTL候選基因OsHMGB707編碼的染色質(zhì)構(gòu)型因子HMG蛋白,具有結(jié)合DNA能力,并能促進多個干旱響應(yīng)基因的表達進而影響水稻的抗旱性[44]。

DREB類轉(zhuǎn)錄因子是一類主要的參與水稻抗旱性調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子家族。超表達OsDREB1A、OsDREB1B等DREB類轉(zhuǎn)錄因子基因均能增強水稻的抗旱性[45]。NAC是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子。水稻中SNAC1在保衛(wèi)細胞中特異性受干旱誘導(dǎo)表達,超表達SNAC1可顯著提高轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱性并降低干旱條件下的產(chǎn)量損失[46]。其他研究也揭示了OsNAC10[47]等多個NAC轉(zhuǎn)錄因子基因、OsbZIP23[48]和OsbZIP46[49]等ZIP轉(zhuǎn)錄因子基因參與水稻抗旱性調(diào)控。鋅指蛋白也在水稻抗旱反應(yīng)中發(fā)揮作用。DST蛋白通過促進過氧化氫酶基因的表達,抑制過氧化氫的產(chǎn)生進而減少了氣孔的關(guān)閉[50-51]。

2.4 滲透調(diào)節(jié)保護相關(guān)基因

栽培稻中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成相關(guān)基因是最終響應(yīng)水稻干旱反應(yīng)的功能基因,在水稻中轉(zhuǎn)入一些關(guān)鍵滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成基因能夠顯著提高水稻抗旱性。如將LEA在水稻中過量表達,提高LEA蛋白的豐度能顯著提高水稻的耐旱性[52]。干旱條件下,水稻中的熱激蛋白參與滲透調(diào)節(jié),過表達熱激蛋白在一定程度上提高了水稻的耐旱性[53]。通過轉(zhuǎn)基因的方法提高水稻海藻糖等糖類、甜菜堿、醇類物質(zhì)含量可增強水稻的抗旱性[54-55]。

2.5 抗氧化酶類

栽培稻抗氧化系統(tǒng)中清除ROS的代謝酶類編碼基因在水稻抗旱反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。比如APX基因表達具有組織特異性,響應(yīng)H2O2等信號因子的調(diào)節(jié)。過量表達APX可有效清除物體內(nèi)活性氧,減輕過氧化損傷,提高水稻抵御過氧化等逆境脅迫的能力[56]。OsSRO1c基因影響水稻中ROS含量,OsSRO1c過表達可增強水稻植株對氧化脅迫的敏感性,影響水稻抗旱性[57]。筆者通過全基因組關(guān)聯(lián)定位挖掘到多個抗氧化相關(guān)基因,這些候選基因編碼抗壞血酸氧化酶等清除ROS相關(guān)的代謝酶。

2.6 激素合成、代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因

ABA作為主要的抗旱響應(yīng)激素,其合成、代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因均不同程度地參與調(diào)控水稻的抗旱性。ABA合成代謝相關(guān)酶NCED是ABA合成的核心限制酶,水稻中已知NCED1—NCED5共5個NCED酶編碼基因,OsNCED3和OsNCED4基因能夠在水分脅迫下特異誘導(dǎo)表達,提高水稻中ABA含量[58]。

乙烯、赤霉素等其他激素相關(guān)基因也參與水稻抗旱性反應(yīng)。OsERF109基因在水稻響應(yīng)干旱脅迫中發(fā)揮調(diào)控作用,過表達該基因的轉(zhuǎn)基因水稻中乙烯合成的關(guān)鍵基因表達量下降,說明OsERF109可能通過負調(diào)控乙烯合成影響水稻的抗旱能力[59]。赤霉素代謝基因GA2ox6(GA2-氧化酶)的異位表達降低赤霉素含量并增強水稻的耐旱性[60]。過表達水稻生長素轉(zhuǎn)運基因OsPIN3t、Aux∕IAA基因OsIAA6及以生長素受體TIR1為靶點的OsmiR393基因均顯著提高轉(zhuǎn)基因植物的抗旱性[61-62]。細胞分裂素(CK)在水稻抗旱性發(fā)揮作用,在表達異戊基轉(zhuǎn)移酶基因的轉(zhuǎn)基因水稻中,內(nèi)源性的CK水平提高,延緩了干旱引起的葉片衰老[63]。筆者對水稻中的赤霉素等激素相關(guān)基因進行了研究,發(fā)現(xiàn)部分赤霉素合成基因在水陸稻分化中受到選擇,赤霉素信號關(guān)鍵組分SLR1與ABA信號組分相互作用,通過ABA依賴途徑調(diào)控水稻抗旱性(未發(fā)表)。

2.7 葉片保水相關(guān)基因

葉片蠟質(zhì)合成和氣孔形態(tài)及開閉調(diào)控相關(guān)基因通過減少葉片失水來參與水稻抗旱性。將蠟質(zhì)合成相關(guān)基因OsGL1-2過表達,轉(zhuǎn)基因水稻葉片蠟質(zhì)增多,角質(zhì)層變厚,抗旱性顯著增強[64]。過表達水稻表皮形成因子OsEPF1可顯著降低水稻的氣孔密度及導(dǎo)度,低氣孔密度的轉(zhuǎn)基因水稻品系更節(jié)水,耗水量僅為對照組的60%[65]。

2.8 栽培稻深根性基因

栽培稻通過深根的生長促進對深層土壤水分的吸收。目前通過QTL定位等方法挖掘到栽培稻深根比的候選基因,其中第一個被克隆的深根比QTL基因DRO1受生長素負調(diào)控并參與調(diào)節(jié)根尖伸長區(qū)細胞的延長和根尖向重性。將DRO1導(dǎo)入淺根水稻‘IR64’中,其深根比和抗旱性顯著提高[66]。筆者前期也定位到多個水稻深根比QTL,結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序從旱稻‘IRAT109’中挖掘到幾個候選基因,其中OsSAUR11編碼Small auxin up-regulated RNA,過表達OsSAUR11可顯著提高轉(zhuǎn)基因水稻的深根比,干旱條件下,轉(zhuǎn)基因水稻葉片卷曲明顯延遲,抗旱性增強(表4)。

表4 已鑒定的部分栽培稻抗旱基因Table 4 Partial list of drought resistant genes identified from cultivated rice

3 總結(jié)與展望

干旱缺水嚴重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量,水稻是主要的糧食作物之一,同時也是農(nóng)業(yè)用水大戶,對栽培稻抗旱性生理和分子調(diào)控機理的研究一直是作物學(xué)研究的熱點。近年來,隨著高通量測序、基因編輯、高通量表型鑒定等技術(shù)的進步,人們對栽培稻響應(yīng)干旱的生理及分子調(diào)控機理的研究已取得了長足的進步,栽培稻抗旱資源響應(yīng)干旱的各種生理特征被鑒定出來,大量的栽培稻抗旱相關(guān)基因被克隆并進行了功能解析,最終部分地揭示了ABA介導(dǎo)的抵抗干旱脅迫響應(yīng)、氣孔開閉的調(diào)控等重要的抗旱信號通路。這些研究成果拓展了人們對栽培稻抗旱反應(yīng)的認識,為加快節(jié)水抗旱稻新品種的培育提供了重要的理論基礎(chǔ)。但是,目前這些研究成果還不夠系統(tǒng),距離全面理解栽培稻響應(yīng)干旱的生理和分子機理還有一定的距離,且已有研究成果很少能應(yīng)用于實際育種中。未來,對于栽培稻抗旱生理和分子調(diào)控機制的研究需要關(guān)注和解決以下問題:

(1)由于栽培稻抗旱生理生化過程的復(fù)雜性以及外界環(huán)境條件的多變性,大田環(huán)境下精細鑒定水稻抗旱生理表型存在較大難度。干旱條件下植株的形態(tài)、生理和農(nóng)藝性狀可作為抗旱性的評價指標(biāo),筆者早期的研究也說明冠層溫度和穗水勢可用于抗旱資源的初步篩選[67-68]。選擇幾個主要的抗旱性指標(biāo)進行綜合評價比選擇單一的指標(biāo)更有效。因此,今后需要設(shè)計更精準的栽培稻全生育期水分脅迫分析設(shè)施,引入先進的表型鑒定儀器和分析方法,選用多個指標(biāo)對栽培稻的抗旱生理特征進行綜合評價。

(2)植物激素的研究中除脫落酸之外的其他激素調(diào)控抗旱性的機理還不是十分清楚。包括激素在內(nèi)的大量的植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)在增強作物抗旱性上的應(yīng)用還相對較少,如ABA存在合成純化困難且在自然光下極易分解等缺點,限制了其廣泛應(yīng)用。對于植物激素調(diào)控抗旱的機理研究以及新型高效、安全、廉價的抗旱生理調(diào)節(jié)物質(zhì)的開發(fā)仍是未來研究的重要方向。

(3)栽培稻抗旱性是由多基因控制的數(shù)量性狀,涉及多基因互作,主效基因難以確定,目前尚未有通過圖位克隆方式獲得栽培稻關(guān)鍵抗旱基因的報道。對水稻抗旱性機理的研究仍缺乏多組學(xué)之間的聯(lián)合分析,對優(yōu)異的抗旱遺傳變異的挖掘也不夠充分。已報道的水稻抗旱相關(guān)基因,大多僅在實驗室條件下表現(xiàn)出一定的抗旱效應(yīng),大田條件下的抗旱性提升效果并不明顯[8-9]。未來需要充分聯(lián)合各種“組學(xué)”研究結(jié)果,構(gòu)建特定組織在干旱脅迫條件下的信號途徑和調(diào)控網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)解析栽培稻響應(yīng)干旱脅迫的分子調(diào)控機制。進一步結(jié)合田間試驗、全基因組關(guān)聯(lián)定位、基因編輯等技術(shù),深入挖掘和鑒定栽培稻抗旱性的主效基因,發(fā)掘優(yōu)良遺傳變異,促進抗旱基因應(yīng)用于育種實踐。

筆者單位基于資源-品種-理論的研究路線,已培育了‘旱優(yōu)73’等一系列高產(chǎn)抗旱的節(jié)水抗旱稻品種,并在生產(chǎn)上大面積推廣,展示了其廣闊的應(yīng)用前景。這些節(jié)水抗旱稻品種抗旱性的生理和分子調(diào)控機制還不清楚,未來急需加大研究力度,逐步建立起節(jié)水抗旱稻的理論體系,同時深入挖掘優(yōu)良的抗旱基因遺傳變異,利用分子標(biāo)記輔助選擇等育種方法,加快節(jié)水抗旱稻新品種的培育。