高粱抗旱性鉴定方法及分子生物学研究进展

江佰阳 白文斌 张建华 范娜 史丽娟

（1. 遗传与种质创新山西省重点实验室，榆次 030600；2. 山西农业大学（山西省农业科学院）高粱研究所，榆次 030600）

干旱是制约农业生产的常见问题，因气候变化和水资源供求矛盾加剧，干旱发生的频次逐渐增加，呈现持续时间长、波及范围广的特点［1］。目前，世界上有超过1/3［2］、我国有近一半的土地干旱、半干旱化现象严重，其中，绝大部分因缺乏灌溉条件而以雨养农业为主，其年产量占全国总产量的比重很小，通过选育抗旱性强的作物品种可以有效提高这些地区的粮食产量，是保证这些地区粮食高产稳产的必要举措。在作物整个生长周期内出现的周期性或间隙性干旱会引起作物体内水分亏缺导，导致其生理功能和代谢途径发生紊乱，干旱胁迫常出现在苗期和生育后期［3］，发生在营养生长阶段的干旱阻碍作物的生长发育；发生在生殖生长阶段的干旱使作物的平均产量受到影响，严重时导致绝收［4-5］。

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］主要分布在热带、亚热带和温带地区，非洲和亚洲是高粱的主要种植区域［6］。早期中国的高粱主要做为粮食和饲料，随着经济发展，高粱在酿造业方面的优势逐渐凸显。高粱具有良好的水分利用率和较强的抗逆性，能在干旱环境中发挥其比较优势，在我国传统旱作农业中占有重要地位。高粱具有较强的抗旱能力［7-9］，但其生长及产量易受干旱影响，且其不同品种间的抗旱性差异较大，选育抗旱性强的高粱品种对发展我国干旱半干旱地区农业生产具有一定推动作用。本文简述了高粱抗旱性鉴定方法、鉴定指标及抗旱性综合评价方法，从转录组分析、抗旱QTL定位、抗旱基因挖掘3个方面对高粱分子遗传研究进行了综合的评价分析，以期为高粱抗旱品种选育提供参考。

1 高粱抗旱鉴定方法及鉴定指标

1.1 萌发期抗旱鉴定方法及鉴定指标

1.1.1 鉴定方法 高粱不同时期的耐旱性机制不同，因此高粱抗旱性鉴定通常可以分为萌发期、苗期和全生育期抗旱鉴定。萌发期是高粱完成其整个生育周期的关键阶段［10］，对高粱的群体结构和群体数量具有重要的决定性作用。高粱萌发期的抗旱鉴定多采用高渗透溶液法，利用不同浓度的聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、甘露醇、葡萄糖等高渗溶液模拟干旱环境，根据种子的发芽率、发芽势、萌发抗旱指数等鉴定高粱的抗旱性。其中，PEG-6000在模拟渗透作用上较为理想，是一种普遍应用的渗透调节剂［11-12］，常被用来模拟干旱环境进行萌发期抗旱鉴定。王平等［13］利用17.5%的PEG-6000水溶液对575份高粱材料进行萌发期干旱胁迫，筛选出34份抗旱性强的高粱材料，26份干旱敏感性高粱材料；陈冰嬬等［14］采用PEG-6000水溶液模拟干旱胁迫对41份不同高粱种质进行萌发期的抗旱性鉴定，获得萌发期抗旱性强的高粱材料2份。王志恒［15］等利用PEG-6000水溶液对辽甜1号甜高粱种子进行干旱胁迫处理，认为PEG-6000干旱胁迫能显著抑制甜高粱种子的萌发指标。吴奇等［16］、王艺陶等［17］分别利用4个浓度的PEG-6000水溶液对54份和31份高粱杂交种进行萌发期抗旱材料筛选，分别获得一个抗旱性极强的杂交组合13218A×20982R和4份高度抗旱材料。高渗溶液法操作过程简单，不受季节和外界环境限制，可有效提高鉴定效率，适用于萌发期或苗期的抗旱鉴定。

1.1.2 鉴定指标 高粱萌发期抗旱性鉴定指标主要以萌发抗旱指数为主，萌发期的出苗率、发芽势、发芽指数、相对芽长、相对根长等可以作为抗旱性鉴定的相关指标。吴奇等［16］、陈冰嬬等［14］分别对8个高粱萌发期抗旱鉴定指标（相对萌发抗旱指数、相对根长、相对剩余物质干重、相对芽干重、相对根干重、相对发芽势、相对发芽率、相对芽长）进行主成分分析，均认为相对萌发抗旱指数、相对根长可以作为高粱萌发期抗旱性鉴定的主要鉴定指标。张丽霞等［18］对369份高粱材料进行萌发期抗旱鉴定，认为出苗率可以作为种子萌发期抗旱鉴定的最直接指标。吴奇等［16］和王艺陶等［17］采用主成分分析法和聚类分析法，分别对31份和54份高粱杂交组合的萌发期抗旱指标进行分析，均认为发芽率、萌发抗旱指数、芽长和根长等性状可作为高粱萌发期抗旱鉴定的主要指标。

1.2 苗期抗旱鉴定方法及鉴定指标

1.2.1 鉴定方法 作物的抗旱性通常是在苗期建立起来［19-20］，苗期抗旱性鉴定是作物抗旱鉴定的重要阶段。高粱苗期抗旱性鉴定一般采用反复干旱法、干旱复水法和模拟干旱法。其中，反复干旱法操作简单，适于批量鉴定，是目前禾本科作物种质资源苗期抗旱性鉴定的主要方法。该方法是指作物在经过2个连续的周期性干旱后，以存活率为主要鉴定指标的抗旱性鉴定方法。印度利用反复干旱法对6 000份高粱种质资源进行苗期抗旱性鉴定，获得40份高度抗旱高粱品种，并以这些抗旱品种为亲本，选育出抗旱性好的高粱新品种［21］。Reddy等［22］认为幼苗在短期干旱、中度干旱、重度干旱胁迫下的复水恢复能力可以评价高粱的抗旱性。刘婷婷等［23］利用干旱复水法处理8个不同高粱品种幼苗，通过测定干旱及复水后高粱不同生理指标的变化情况来评价不同高粱品种的抗旱能力，分析不同品种旱后复水的恢复能力及与干旱适应性的关系，认为旱后复水恢复能力在高粱干旱适应性中起着更加重要的作用。

苗期抗旱性鉴定的环境条件包括自然环境和人工环境，在人工环境中，旱棚常用于高粱苗期抗旱性鉴定，旱棚法即可以有效的避免降雨对干旱试验的影响，减少环境因素带来的实验误差，又能有效弥补室内人工环境中如日照、温度等与外界环境的差异而带来的结果偏差。荣少英［24］以甜高粱和普通高粱为实验材料在旱棚内进行盆栽抗旱实验，设置正常灌水、中度胁迫、重度胁迫3个处理，采用干旱复水法比较了普通高粱和甜高粱苗期不同程度水分胁迫及旱后复水后对水分的适应性及补偿效应，认为苗期甜高粱叶片含水量比普通高粱更高、且叶片的保水能力更强。旱棚鉴定法结果准确重复性好，但对设备投入要求较高，适合少量材料的抗旱性鉴定研究。苗期抗旱性鉴定鉴定周期短、不受环境影响、可重复性强，是高粱抗旱性鉴定的重要时期，但单从这一时期的鉴定结果不能准确的判定某一品种的抗旱性。

1.2.2 鉴定指标 苗期抗旱性多采用干旱胁迫下的生理指标进行评价。Azarinasrabad 等［25］认为可以以植物的生理特征作为其是否受到水分胁迫的重要指标。解芳等［26］通过研究干旱胁迫对高粱苗期叶片渗透调节物质含量和保护酶活性的影响，认为在高粱重组自交系群体苗期抗旱性筛选中，脯氨酸的含量可以作为一个重要的生理指标。刘婷婷等［23］测定了8个高粱品种苗期的水势、相对含水量、渗透势、光合参数、生物量等生理指标，认为净光合速率、叶片相对含水量可以作为筛选高粱苗期干旱适应性的重要指标。形态指标作为高粱苗期抗旱性鉴定的重要组成部分，苗期的根系长势、叶片长势被认为是高粱苗期抗旱性鉴定的良好指标。Bibi等［27］研究了干旱胁迫下高粱苗期的根系形态，筛选出5份抗旱性强的高粱材料，认为根长与植株的抗旱性密切相关，可作为高粱苗期抗旱性鉴定的一个重要形态指标。干旱胁迫下作物的存活率可以反映作物的避旱性与耐旱性，所以存活率和出苗率［28］也可以作为作物苗期抗旱鉴定的形态鉴定指标。

1.3 全生育期抗旱鉴定方法及鉴定指标

1.3.1 鉴定方法 作物全生育期抗旱性鉴定对选育抗旱新品种、挖掘抗旱相关基因至关重要［29］。自然环境法和人工控制水分及其他环境条件的旱棚法多用于高粱全生育期抗旱性鉴定。全生育期抗旱性鉴定的优势在于能够对干旱胁迫下作物不同生育期内生长情况及产量的变化进行系统的研究，对作物抗旱性的评价更加全面、准确。其中，自然环境法没有特殊的仪器设备要求，操作过程简单方便，是目前高粱全生育期抗旱性鉴定、筛选抗旱性品种的主要方法。该方法在大田条件下设置了两个处理，分别为干旱和水地，为保证出苗，两处理在播种前均浇足底墒水［30］。出苗后，干旱处理要求在高粱全生育期内不浇水，水地处理则根据高粱生长情况按需浇水，通过分析不同高粱品种在干旱胁迫下不同生长时期的性状表现以及产量表现来评价其抗旱性［31］。袁闯等［32］采用自然环境鉴定法对22个甜高粱品系进行全生育期抗旱性鉴定，通过对正常浇水和干旱胁迫两个水分处理下高粱成熟期株高、穗长、穗茎粗、茎粗、穗重、穗粒数、千粒重、单株粒重、分枝数和产量等指标的综合分析及评价，筛选出3份成熟期抗旱性好的甜高粱材料：417、F438、F6137。王玉斌等［33］采用自然环境鉴定法对165份粒用高粱进行全生育期抗旱性鉴定，利用隶属函数法（membership function，D）、综合抗旱系数法（comprehensive drought resistance coefficient，CDRC）和抗旱指数法（drought resistance index，DI）对全生育期内的8个农艺性状进行聚类分析，筛选出抗旱性强的高粱材料5份。吕鑫等［34］在大田环境下鉴定25份饲用高粱恢复系全生育期的抗旱性，筛选出1份抗旱性强的饲草高粱材料。自然环境鉴定法虽鉴定结果直观，但受外界环境影响较大，其研究结果在降水量变化较大的年份重复性差，要准确系统的评价一个品种的抗旱性，需对品种进行连续多年的鉴定。

1.3.2 鉴定指标 产量作为作物对干旱抵抗能力和适应性的最终体现被认为是高粱全生育期抗旱性鉴定的主要鉴定指标，在干旱环境下能否稳产高产是评价作物抗旱性的主要依据［35-36］。系数法是研究作物产量与抗旱相关性的常用方法。早期许多学者曾用Chionoy提出的抗旱系数（DC）来评价作物的抗旱性，抗旱系数（DC）=胁迫产量（Yd）/非胁迫产量（Yp），该指标可以说明作物的抗旱性但不能说明作物的高产性及高产潜力的可塑性，在实际的育种工作中应用性不强。兰巨生等［37］提出的抗旱指数法（drought resistance index，DI）是目前作物全生育期抗旱性鉴定中常用的方法，DI=抗旱系数×旱地产量/所有品种旱地平均产量，该方法同时考虑了环境差异和基因型差异对鉴定结果的影响和不同水分条件下作物品种的稳产性及其在旱地条件下的产量水平对作物抗旱性的影响，具有很强的操作性和实际意义，在育种工作中得到广泛应用。产量构成因素是影响作物产量的重要组成部分，是作物全生育期抗旱性鉴定的重要参考指标。某些抗旱性品种在严重干旱胁迫下能够保持较高的产量，但在正常环境或轻度干旱胁迫下却低于一些不抗旱的高产品种，仅以产量作为全生育期抗旱性鉴定标准不能准确的评价作物品种间的抗旱性差异，以产量结合产量构成因素作为抗旱性综合鉴定指标是目前较为可靠的鉴定标准。单穗粒重［38］、收获指数［39］、千粒重［40］等可作为高粱全生育期抗旱性评价的综合鉴定指标。穗粒数、单株粒重和分蘖数［41］则可作为酒用糯高粱成熟期简单直观的抗旱鉴定指标。穗长、单株粒重、分枝数、千粒重、穗粒数［32］和株高［42］可作为甜高粱成熟期抗旱性鉴定的鉴定指标。

2 高粱抗旱性综合评价方法

目前高粱的抗旱性评价多采用多指标相结合的综合评价方法，采用几个指标对作物的抗旱性进行全面系统的评价。该方法能有效弥补采用单个指标鉴定的局限性，使鉴定结果更接近实际。目前应用较多的综合分析方法有：主成分分析法、隶属函数法、灰色关联度分析法和加权抗旱系数法等［43-46］。高雪［42］以5份甜高粱品系（种）为试验材料，用方差分析以及主成分分析等方法分析不同高粱品种不同生育期株高和产量等农艺性状、抗氧化酶活性、渗透调节物质和光合气体交换参数等生理指标的变化情况，对其抗旱性进行综合评价，认为在甜高粱成熟期，不同程度的干旱胁迫对其生长状况、光合、渗透以及CAT等方面的影响最大。袁闯等［32］采用主成分分析、相关性分析、抗旱系数（drought resistance coefficient，DRC）、加权抗旱系数（weight drought resistance coefficient，WDC）、综合抗旱系数（comprehensive drought resistance coefficient，CDRC）、隶属函数值（D）和聚类分析等方法评价22个不同甜高粱品系成熟期的抗旱性，通过聚类分析筛选出3份成熟期抗旱性最强的甜高粱品种。张丽霞等［18］采用隶属函数法综合分析评价8个饲用高粱的抗旱性，根据不同高粱品种生理指标计算出的隶属函数值筛选出1份抗旱性强的饲用高粱品种。

3 高粱抗旱的分子生物学研究

高粱的抗旱性是由多个基因控制的复杂的遗传性状，受自身的遗传特性和外界环境的共同作用。以基因的研究和利用为基础的分子标记及转基因技术广泛应用于高粱抗旱分子遗传研究领域。以利用抗旱相关基因的QTL定位构建分子遗传图谱而进行的分子标记辅助育种；以转录组测序技术、抗旱基因筛选克隆提高作物抗旱能力的转基因技术是高粱抗旱性分子遗传研究的主要方向。

3.1 转录组分析

转录组分析是研究基因结构和功能的基础［47］，基因表达系列分析［48］、基因芯片技术和转录组测序［49］是目前常用的转录组分析技术。其中，转录组测序在研究作物在不同环境条件下、不同生长发育阶段的基因表达模式方面具有明显优势。运用转录组测序分析干旱条件下不同高粱品种基因表达模式，通过分析测序数据解析高粱的抗旱分子机制，确定抗旱候选基因并对其进行功能注释，分析抗旱代谢途径是目前转录组分析技术在高粱抗旱上的主要研究方向。Dugas等［50］利用脱落酸和渗透压对高粱组织进行转录组分析，运用转录组测序技术研究高粱的抗旱机制和抗旱基因筛选。Fracasso等［51］采用转录组测序技术比较2个高粱品种响应干旱的基因型特征，对其抗旱代谢途径展开了研究。Wang等［52］比较了高粱和玉米的11对匹配组织的转录组，从2个物种的不同组织间均检测到了可变剪切位点并获得了大量新基因转录异构体。邵丹阳［53］对甜高粱进行模拟干旱胁迫，利用转录组测序技术建立了甜高粱转录组数据库，通过对差异表达基因的GO富集分析和KEGG通路富集分析得到3个与甜高粱干旱胁迫响应具有良好相关性的代谢通路：氨基糖和核苷酸糖代谢通路、酪氨酸代谢通路、植物激素信号转导通路。Shimada等［54］通过分析高粱小穗、茎和种子3个组织的表达谱，建立了包含长cDNA、原始和已公开的高粱RNA-seq数据等信息的数据库。转录组测序技术在很大程度上促进了生物基因功能的研究，在转录组水平对干旱胁迫下基因表达网络和富集通路进行深入分析，挖掘抗旱相关基因及代谢途径，为后续进一步揭示植物响应干旱胁迫的调控机制奠定研究基础。

3.2 抗旱基因QTL定位

高粱抗旱性是多基因控制的数量性状，QTL分析是研究数量性状的重要方法，被广泛应用于高粱抗旱分子遗传研究领域。目前对高粱抗旱QTL的研究可分为花前抗旱与花后抗旱。研究者认为高粱对干旱胁迫所表现出的开花前与开花后两种不同的反应分别由不同的遗传机制控制［55］。发生在开花前的干旱导致高粱生长发育减缓或停滞，影响穗分化，穗粒数减少，发生在开花后的干旱导致植株授粉不良、光合能力下降、茎秆易倒伏，籽粒灌浆受阻、千粒重降低，品质下降，从而造成高粱减产［56］。

3.2.1 开花前抗旱性QTL基因定位研究 穗分化期至开花期是高粱对干旱反应最为敏感的时期，若遭受持续干旱，会导致高粱的生长发育停滞从而影响籽粒品质及产量。高粱开花前抗旱性主要依据叶边缘和叶尖的灼伤程度、叶片的直立和卷曲程度、开花期的推迟以及随后的圆锥花序的发育情况来评价。Kebede等［57］利用SC56（花前抗旱）×Tx7000（花前对干旱敏感）构建重组自交系，通过研究高粱开花前的QTL发现在chrom-7上存在调控高粱开花前抗旱性的主效QTL位点，并解释了开花前干旱在两个不同环境下引起的15%和37.7%的表型变异。Tuinstra等［58］利用分子标记技术分析B35（持绿型亲本，开花后抗旱）和Tx7078（非持绿型亲本，开花前抗旱）杂交组成的98个F5RIL群体发现6个与花前抗旱性相关的QTL位点，分别位于连锁群D、F、M上。赵辉［59］对籽粒高粱与甜高粱展开QTL定位研究，从抽穗期开始对其进行干旱胁迫处理，利用基于重测序SNP基因型构建的分子遗传连锁图谱对高粱抗旱相关性状进行QTL定位分析，发现分别定位在1、4、6、7号染色体上的8个与高粱各种性状抗旱系数相关的QTLs位点，在LG-1、LG-6、LG-7上发现影响株高的QTL位点。高粱花前QTL定位及分子标记是后续对高粱花前抗旱基因精细定位及对其抗旱作用机理进行深入研究的基础。

3.2.2 开花后抗旱性QTL基因定位研究 持绿性是高粱开花后抗旱的一个主要性状，具有持绿性状的高粱品种对开花后干旱胁迫具有较强的抗性。持绿性状包括5种［60-62］类型：A型持绿的植株因其叶片衰老症状出现的时间延迟从而延长持绿时间；B型持绿的植株因其叶片衰老的速度缓慢以保持其持绿性，这2种持绿均发生在控制衰老过程起始和速度的基因被改变以后，能够推迟衰老时间、降低衰老速度，属于功能性持绿。C型持绿植株其衰老出现的时间和速度均不发生变化，但其代谢过程会有一个或多个途径受阻；D型持绿植株综合了前3种类型的特点，属于综合型持绿，这2种持绿类型均表现为植株光合能力降低。E型持绿的植株因其起始叶绿素含量较高，在其衰老的过程中叶片失绿速度缓慢而延长持绿时间［60］。

与持绿性相关的基因很多，前人利用分子遗传图谱对高粱开花后持绿性性状进行QTL定位，发现多个与高粱开花后抗旱性相关的基因组区段。Haussmann 等［63］构建了2个高粱重组自交系群体的持绿性QTL图谱。Kebede等［57］研究了高粱重组自交系中位于7个连锁群内的9个控制高粱持绿性的QTL位点发现，2个持绿性QTL位点与控制玉米持绿性状的QTL相同。Tao等［64］利用160个由QL39×QL41组合的RIL群体进行持绿性QTL研究，通过5个地点、3个生长季节的鉴定实验鉴定出5个持绿性QTL位点，分别位于连锁群A、B、C、G和I上，其中，来自亲本QL39上的持绿性位点位于连锁群A和C上，来自亲本Q141的持绿性位点位于连锁群B、G和I上。王立东［65］对高粱Ji-2731×E-tian重组自交系群体的叶片持绿表型进行了研究，利用该群体已有的遗传图谱对叶片持绿表型进行QTL定位分析发现，分别位于第1和第4条染色体上的2个与持绿相关及若干与生长速率、生育时期等农艺性状相关的遗传位点。

B35是典型的持绿型高粱品种，其持绿性状主要受一对显性基因控制。前人常以B35作为研究高粱持绿性QTL定位的亲本之一，B35×Tx7000和B35×Tx430是有关持绿性QTL研究中较常用的组合，从这两个组合中鉴定到多个持绿性QTL基因，包括4个主效QTL（Stg1、Stg2、Stg3、Stg4）和许多对持绿性状表达起到修饰作用的微效QTL［66-68］，其中4个主效QTL分别位于3个连锁群（Stg1、Stg2位于连锁群A上，Stg3、Stg4分别位于连锁群D、J上）上，且其表达在不同的遗传背景下具有较高的一致性；Stg1、Stg2和Stg3与持绿性密切相关，Stg2与叶片的叶绿素含量呈极显著的相关性［69］，是最为重要的持绿性控制位点。在对B35×Tx430［70］的持绿性研究中发现7个持绿性QTL的控制位点，包括3个主效持绿性QTL（StgA、StgD和Stg G）和4个微效持绿性QTL（Stg B、Stg I.1、Stg I.2、和Stg J），这些持绿性QTL可以解释约90 %的遗传变异。分析比较B35×Tx7000和B35×Tx430两个RIL群体的QTL结果发现：B35×Tx7000中的Stg2、Stg3和Stg4位点与B35×Tx430群体中的StgA、StgD和StgJ位点具有高度一致性［55，70-71］。有关高粱花后抗旱性的研究成果有助于后续研究者更好地解析高粱抗旱性机理，为后续高粱持绿性相关基因的挖掘奠定研究基础。

3.3 抗旱基因的挖掘

抗旱基因是植物具有抗旱性的内源因素，植物体内存在大量的抗旱基因，利用分子生物学和基因组学技术研究、发掘、利用这些抗旱相关基因，可以有效提高植物的抗旱性。

NAC基因是植物体内一类特异性转录因子，参与调控与干旱、高盐应答相关基因的表达［72］。NAC转录因子在依赖ABA和不依赖ABA的抗逆信号转导途径中发挥作用，通过蛋白互作或调控下游靶基因的表达来调节植物生长发育、抵抗逆境胁迫。NAC转录因子编码蛋白N-末端的NAC结构域序列高度保守、参与DNA的结合；C-末端的转录激活或抑制结构域具有序列多样性［73］，其家族成员 OsNAC5、OsNAC052和 SNAC2（OsNAC6） 等 可提高转基因植株的抗逆性，在植物抵抗外界不良环境方面具有重要的生物学作用［74-76］，高粱中存在一些 NAC家族基因，其抗逆生物学功能在提高高粱抗旱性方面发挥重要作用。从高粱耐旱自交系中克隆的SbNAC0584基因是受逆境胁迫诱导表达的NAC家族成员，有研究认为［77］SbNAC0584可能在依赖于ABA的信号途径中参与非生物逆境胁迫应答。卢敏［78］从新疆耐旱高粱品种“XGL-1”中克隆到高粱SbSNAC1基因（SbSNAC1是典型的NAC 转录因子蛋白）并通过基因表达模式研究和组织特异性表达分析对其生物学功能进行研究，研究结果发现SbSNAC1基因的表达具有组织特异性，在高粱根系中的表达量最高，其表达途径受ABA的诱导且表达量随非生物逆境胁迫上调；在对SbSNAC1的抗旱功能验证研究中显示：过表达的SbSNAC1可显著提高转基因株系的抗旱性，综合以上研究结果，认为SbSNAC1在植物抗旱调控网络中起正向调控作用。

ERECTA基因（ER）是从拟南芥中分离的一类植物抗逆基因，是目前研究最多的类受体激酶基因（LRR-RLKs）。该基因编码参与逆境胁迫信号转导并调控下游基因表达的调控蛋白，在作物的生长发育、器官的形态建成、抗逆胁迫信号的转导等过程中发挥重要作用，ERECTA基因的过表达可显著提高植物的节水抗旱性［79-80］。从高粱品种“晋杂12”中克隆到的高粱SbER1、SbER2基因是ERECTA基因家族成员，分别位于高粱第10号、第4号染色体上。韩小东［81］研究干旱胁迫下ERECTA家族基因在高粱中的表达模式发现，SbER1和SbER2基因在高粱茎和叶中均有表达，且表达水平随着干旱胁迫程度的加重逐渐提高，SbER2基因在不同品种中存在可变剪接现象，故SbER1和SbER2基因可作为改良作物抗旱性的优良抗旱候选基因。李韩帅［82］在抗旱性较强的高粱基因组中挖掘到高粱抗旱基因SbER1和SbER2，将SbER2基因转入玉米后进行干旱胁迫处理，分析不同干旱胁迫处理下各项抗旱指标的差异及SbER2基因在高粱抗旱中的生物学功能，认为SbER2基因可能通过提高作物净光合速率、水分利用效率和降低丙二醛的含量来行使抗旱生物学功能。刘洋等［83］将高粱（Sorghum bicolor）SbSKIP基因克隆后转入烟草，发现SbSKIP基因的表达可显著提高烟草的抗旱性。高粱ERECTA家族基因不仅增加自身的抗旱能力，还能利用转基因技术转入其他作物来提高其抗旱能力［84］，有研究表明，高粱基因SbER2-1可以提高玉米的抗旱性［85］。这些研究可为进一步解析SbSKIP基因的抗旱生物学功能、创制转基因抗旱新材料提供候选基因。

WRKY家族转录因子和AGO蛋白家族也是目前高粱抗旱基因研究的热点。WRKY家族转录因子是植物中一类较大的基因家族，参与调节植物生长发育和抵抗干旱、高盐和高温等非生物胁迫调控过程。AGO蛋白（argonaute proteins）可与小RNA形成复合体，从而参与植物生长发育、组织形成、病毒防御、细胞增殖凋亡、逆境响应等多种生物过程［86-87］。AGO指导的基因沉默可以发生在转录水平和转录后水平，转录水平的基因沉默可以指导DNA和组蛋白的甲基化修饰，与AGO 蛋白形成复合体指导异染色质的组装；转录后水平的基因沉默主要与靶mRNA的降解或翻译抑制相关［85］。徐磊等［88］从甜高粱品种M81-E中克隆了2个甜高粱WRKY基因SbWRKY1和SbWRKY2，研究发现干旱胁迫下SbWRKY1和SbWRKY2基因的表达均呈上调趋势，表明SbWRKY1和SbWRKY2基因在甜高粱应对干旱胁迫中发挥一定作用。万庆［89］利用巢式PCR技术克隆两个甜高粱WRKY基因全长cDNA，命名为SSWRKY28和SSWRKY76，认为SSWRKY28和SSWRKY76基因可能在高粱响应干旱胁迫时发挥作用，SSWRKY28可能在细胞质内调控植物应答响应干旱胁迫。林俊俊等［90］对15个高粱SbAGOs编码基因进行生物信息学分析，分别将其定位到7条染色体上，将编码蛋白序列分成3个亚家族，认为在高粱响应高温和干旱逆境胁迫时SbAGO1-1、SbAGO1-3、SbAGO5 -2 和SbAGO-3发挥重要生物学功能。

4 展望

高粱抗逆性强、适应性广、产量高，是我国重要的饲用作物和工业原料，在农作物抗旱研究领域中具有重要的研究价值。高粱的抗旱性受环境影响，遗传机制复杂，其不同品种间抗旱性存在较大差异，筛选抗旱性强的高粱品种有利于干旱、半干旱地区的农业发展和水资源的合理利用。抗旱机制研究是筛选抗旱性品种的基础，随着现代分子生物学的发展，可利用分子生物技术深入探究高粱抗旱分子机制、挖掘抗旱相关功能基因，从而提高高粱抗旱遗传改良效率。高粱抗旱性是受多基因控制的数量性状，近年来，有关高粱QTL定位的研究较多，在不同的高粱群体中发现了大量抗旱性QTL位点，并已对部分抗旱性主效及微效QTL进行定位，但对其抗旱性QTL的精细定位及抗旱调控机制的研究报道较少，因不具备完善的抗旱评价体系，未能将获得的抗旱种质资源和分子标记真正的应用到实际育种中去。在今后的研究中，应加强抗旱性QTL的精细定位研究，建立综合的抗旱性鉴定体系、完善高粱抗旱评价系统、结合分子生物学和基因工程技术，建立高粱抗旱分子标记辅助育种体系。

4.1 深入高粱抗旱分子机理研究

高粱的抗旱性受一系列与干旱胁迫相关基因的诱导表达调控，干旱胁迫下，高粱的生理生化水平会发生一系列的变化，这些生理水平的变化受基因的调控，涉及从信号传导到基因转录调控的一系列基因表达，包括干旱胁迫后高粱抗旱基因的启动、信号的传导，信号受体及干旱响应蛋白基因的分离，信号转导过程中涉及的蛋白质因子之间的关系，抗旱基因的顺式、反式作用因子及与受胁迫诱导基因的相互作用等。在以往的研究中，对这一系列调控过程中的具体调控机制以及多基因之间的相互作用机制研究尚不十分清楚，干旱胁迫后高粱抗旱基因如何启动、信号如何传导，目前研究也较少。在不同干旱胁迫条件下，高粱抗旱信号传导过程中的各种基因、蛋白质因子之间的作用具有独特性和交叉性，目前虽已明确了一些抗旱基因的具体作用机制，但其相互之间作用的交叉性研究不多。后续的研究中，应注重高粱抗旱分子调控机制的研究，利用基因工程方法，将抗旱分子机理研究与生物工程技术相结合，明确高粱抗旱分子调控过程及多基因协同抗旱的分子调控机制。在研究不同转录因子在高粱抗旱信号转导途径中的具体作用的基础上，探明不同转录因子之间的相互作用，从而明确高粱抗旱分子机制，推动分子标记辅助育种更好的应用到高粱品种抗旱性改良中去，加快高粱抗旱育种进程。

4.2 建立综合的抗旱性鉴定体系

综合抗旱性鉴定体系的建立主要包括抗旱鉴定指标、抗旱鉴定方法以及抗旱评价体系。目前虽已对较多高粱品种进行抗旱性鉴定，但筛选方法不够全面，可实际应用的鉴定指标不多，常用的高粱抗旱性评价方法也各有利弊：萌发期抗旱性鉴定受种子发芽力的影响；苗期抗旱性鉴定缺乏产量数据；田间条件下的全生育期抗旱性鉴定结果受降雨影响较大，鉴定条件缺乏一致性，且在高粱的整个生长过程中，干旱发生及持续的时间、干旱胁迫的强度等都对其抗旱性产生影响，因此，在对高粱进行抗旱鉴定时应选择多个时期、多个参数、多个地点和多个鉴定指标对其进行综合的分析评价，以提高抗旱性筛选的准确性和可靠性。在鉴定时期的选择上，可采用萌发期、苗期与全生育期相结合的抗旱鉴定方法，以产量性状作为最终鉴定指标，同时结合农艺性状与特定生理指标作为鉴定标准以提高鉴定效率和鉴定准确性。在鉴定方式上可根据不同的鉴定目的，将室内鉴定与大田鉴定相结合，实现不同材料、不同生长时期相结合的系统鉴定，获得更加稳定可靠的研究结果，建立高粱特有的抗旱鉴定体系。同时，可根据区域的不同，提出适应本地区的高粱抗旱性鉴定技术规程对高粱抗旱性鉴定技术进行规范［91］，为区域性高粱抗旱品种的选育鉴定提供理论依据和技术支撑。

4.3 利用分子生物技术加快高粱抗旱育种进程

分子标记辅助育种可以利用与抗旱相关基因紧密连锁的分子标记辅助选择有效弥补常规育种中选择准确率低的缺点，提高高粱抗旱育种效率。抗旱QTL定位是分子育种中较常用的手段，目前已经检测到一些可以在不同遗传背景和环境条件下稳定表达的QTL，大量影响高粱生长发育和产量的抗性基因被定位到了相应的连锁群上。在进一步的研究中，可将这些抗旱QTL位点或QTL基因座和分子标记进行分解，对其中重要的抗旱性基因进行精细定位，找到与目的基因紧密连锁的分子标记；在实际应用中，可将分子标记筛选研究与育种实践相结合，选择抗旱性优良的高粱品种来构建标记筛选群体，使其即作为遗传研究群体又作为育种群体，推动基因定位研究和常规育种的有效结合，提高抗旱基因转移和聚合的效率，促进常规育种与分子辅助育种的结合。

总之，随着基因工程技术的发展，利用现代分子生物技术推动高粱抗旱育种进程是今后高粱抗旱育种的主要发展方向。建立综合系统的抗旱评价体系，深入高粱抗旱分子机制研究，加快高粱抗旱基因定位、克隆，挖掘抗旱相关基因，对进一步加强高粱抗旱种质资源利用、推动高粱抗旱育种进程，促进干旱地区农业发展具有重要意义。