小麦抗旱节水生理和遗传育种研究进展

张军，吴秀宁，王新军

（1.商洛学院生物医药与食品工程学院/商洛市秦岭植物良种繁育中心，陕西商洛 726000；2.河南科技大学农学院，河南洛阳 471000）

小麦是主要的粮食作物之一，世界上约35%的人口以小麦作为主粮[1]。随着世界人口的不断增加，小麦的需求量日益增加[2]。提高小麦产量对我国乃至世界粮食安全具有重要意义。旱害是当前农业生产的最主要气象灾害，占各种灾害受害面积约40%以上[3]。此外，由于全球气温升高，近些年干旱呈加重的趋势，极端干旱事件发生的频率、程度和持续时间呈显著上升趋势。降水变率逐年增大，导致小麦产量年际间变幅较大[4]。

水分是影响小麦产量的最重要因素，在旱地生产条件下若能适量灌溉，可显著提高小麦产量[3]。我国人均水资源为2 220 m3，仅占世界平均水平的1/4，是水资源最为匮乏的13个国家之一。特别在我国北方，降雨与小麦生长发育期严重错位，主要依靠灌溉来满足小麦需水[5]。我国水资源有效利用率只有40%～60%，远低于发达国家水的利用率（80%），因此改良小麦的抗旱性和提高水分利用率，对保障我国粮食生产和农业水资源利用率具有重要意义。本文从小麦抗旱节水性鉴定指标、小麦耗水特征、抗旱节水小麦分子机理和抗旱节水小麦品种培育及栽培技术等四个方面，介绍了小麦抗旱节水生理和遗传育种的研究进展，以期为小麦抗旱遗传改良、小麦抗旱节水机理研究及抗旱小麦新品种选育提供参考。

1 小麦抗旱节水性鉴定指标

1.1 小麦抗旱节水性鉴定方法

抗旱节水性是干旱地区小麦育种的基本目标性状，也是目前小麦绿色高效生产的基本目标。及时准确地鉴定小麦品种的抗旱节水性，是进行小麦抗旱育种的基础[3]。国内外学者就小麦抗旱节水性鉴定做了大量研究工作，并从不同角度提出了小麦抗旱性鉴定方法。因鉴定目的和要求不同，采用的抗旱鉴定方法也不同。目前，鉴定小麦抗旱性的方法有实验室鉴定法、人工模拟鉴定法和大田直接鉴定法。实验室鉴定法以高渗溶液（PEG-6000、蔗糖等）模拟水分胁迫处理，由于具有批量大、速度快等特点，常适用于大批量种质资源的筛选鉴定和苗期的抗旱生理鉴定[6-8]。人工模拟干旱主要是通过旱棚、盆栽等条件下，人工设置不同水分胁迫强度，测定干旱胁迫后小麦光合生理、抗逆生理、干物质动态、产量品质等变化，评价品种的抗旱性[9]。该方法不受降雨的影响，与大田条件接近，结果准确，适用于小麦任一生育阶段的鉴定。但受旱棚面积等因素制约，鉴定品种数量有限[10]。大田鉴定法是在能灌溉条件下，设置干旱（自然降水）、适水（补灌）处理，比较小麦品种抗旱性差异。该方法无需特殊设备，又有产量结果，多为育种者用于品系的抗旱节水性初步筛选，若能结合全生育时期旱棚鉴定，可能是最适宜运用于抗旱育种采用的综合性鉴定方法。

1.2 小麦抗旱节水性评价指标

1.2.1 小麦抗旱节水性形态指标

形态指标易于观察，是作物抗旱性研究最多的。在萌发期，多采用胚芽鞘长度、主胚根长度、胚根条数、胚芽鞘长度、芽鲜（干）质量、根鲜（干）质量等衡量萌发期抗旱性[7]。任毅等[8]以国内外300份小麦品种为材料，采用PEG-6000模拟干旱胁迫，得出胚芽鞘长度、主胚根长度、胚根条数等指标在干旱胁迫后较清水对照均表现下降的趋势，表明这些指标比较可靠。该技术操作相对简单，可用于萌发期大量材料的初步筛选和苗期的抗旱性鉴定。在苗期以后，株（苗）高和叶片性状（叶面积、叶色、叶片萎蔫程度、蜡质有无）在干旱缺水状态下表现出下降的趋势，且抗旱节水性优良的品种降幅要低于不抗旱的品种[9]。而干旱状态下根系性状（根长、根深、根冠比）较清水对照则呈增加的趋势，因此根长、根深、根冠比等指标可反映小麦不同品种的抗旱性[10]。在生育后期，芒性、穗下茎节长度、颖花结实率、籽粒长宽比、籽粒饱满度等表型值在不同抗旱性品种间存在较大差异，也常用于小麦抗旱节水性指标[9-10]。在实际工作中，可根据研究需要，在不同生育期选用对应形态指标进行小麦抗旱节水性评价。

1.2.2 小麦抗旱节水性生理生化指标

干旱对小麦的影响是多方面的。干旱影响着小麦光合生理、呼吸生理、水分和营养的吸收运输等多个代谢过程。据不完全统计，常用的抗旱性评价生理生化指标有叶片保护酶活性[11]（SOD活性、POD活性、CAT活性）、质膜氧化程度[12]（MDA含量、相对电导率）、渗透调节物质[12]（可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白质、甜菜碱）、光合性能[12-13]（叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度、叶绿素荧光）、根系活力[14]等。从对应生育阶段来看，周桂莲等[9]认为，旗叶渗透调节能力、光合强度、离体叶片失水速率等与干物质产量高度相关，可用于小麦拔节期以后的抗旱性鉴定。叶片水势、叶片相对含水量、叶绿素荧光、细胞质膜氧化程度、抗氧化酶活性等在小麦营养阶段和生殖阶段均具有较好的区分性。而特定生理指标在干旱胁迫后变幅（甚至变化趋势）存在差异，这可能与研究所选小麦材料、干旱胁迫强度、干旱处理的生育期等因素有关。

1.2.3 小麦节水性产量、品质相关指标

小麦抗旱性最重要体现在产量上，产量是生产的最终目标。晁漫宁等[13]以小麦品种西农979为材料，研究发现干旱胁迫降低了植株结实率、籽粒长宽、饱满度和千粒重，进而导致产量下降，并减少了籽粒直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量及淀粉直链支链比，增加了籽粒蛋白质含量。刘祖贵等[15]通过防雨棚人工模拟干旱试验表明，随着干旱期后移，小麦产量呈降低的趋势；进一步相关分析表明，籽粒产量与蛋白质含量、氨基酸含量、湿面筋含量、降落数值呈极显著负相关，与面团形成时间和稳定时间呈微弱负相关。而当灌浆期遭遇干旱时，醇溶蛋白和不溶性谷蛋白聚合体相对含量均增加，面团强度大幅下降[16]。而小麦的品质，除了受干旱和品种差异的影响外，还取决于灌浆期的温度变化[17]。综合来看，干旱胁迫后小麦产量呈下降趋势；适度干旱会增加籽粒蛋白质含量，严重干旱则会降低籽粒容重、面筋含量、沉降值等。而干旱往往伴随着高温同步发生（尤其是小麦灌浆期），有关干旱和高温影响不同类型小麦品质变化的主次问题，有待于后续研究。

1.3 小麦抗旱节水性的综合评价方法

小麦抗旱性为数量性状，数据分析策略上多采用单指标分析和多性状综合分析来综合评价小麦抗旱性[18]。单指标分析多采用抗旱系数[6-14，19]（干旱胁迫下测定值/非胁迫下测定值）和抗旱指数[6，20]（某品种旱地产量×该品种抗旱系数/对照品种旱地产量×对照品种抗旱系数）来评价。应用范围上，抗旱系数反映材料的稳定性，适用于小麦种质抗旱性筛选，抗旱指数兼顾品种相对产量和绝对产量，适用于小麦抗旱育种和区域试验的综合性抗旱鉴定[10，20]。多指标分析多基于单个指标的抗旱系数，采用隶属函数法[7-8，21]、主成分分析[19，22]和灰色分析法[23]来综合评价小麦的抗旱性。

2 小麦耗水特征

2.1 小麦全生育期耗水特点

冬小麦需水特性是冬小麦对水分的需求和自身性能反应，明确小麦耗水特性有利于挖掘小麦生产潜力，对实现小麦高产具有重要意义[24]。小麦整个生育期总耗水量为326.3～429.4 mm，枝叶蒸腾量为73%[25]。有研究表明，小麦全生育期耗水量与灌水量有关，灌水45 mm比灌水15 mm耗水高8.18%，而土壤储水消耗量降低17.43%[26]。除灌水量外，灌水方式也会影响小麦水分利用特性，畦灌条件下，水分吸收为50～100 cm[27]。随着喷灌的推广，根系吸收的主要区域随着灌溉频率的增加而上移[24]。适度灌水可提高小麦产量，提高水分利用率，而过度灌水导致小麦总耗水量增加，灌溉效率下降。

2.2 叶片奢侈蒸腾耗水

蒸腾是植物体表的水分通过水蒸气的形式散发到空气中的过程。李茂松等[28]认为超过作物生理生化、营养物质转移、光合作用及产量形成所必需的蒸腾称为奢侈蒸腾。作物奢侈蒸腾的发生与土壤水分状况关系密切。张喜英等[29]认为当土壤含水量为65%～80%时，光合速率达到最大值，超过最大光合速率的蒸腾耗水是水资源浪费，而土壤含水量为50%～65%时，则可以抑制无效蒸腾[30]，达到水分高效利用的目的。而奢侈蒸腾是在特定气候条件下出现的，只有在土壤水分和环境光合有效辐射都比较高时才会出现奢侈蒸腾。

3 抗旱节水小麦的分子机理

3.1 小麦抗旱相关性状QTL定位

QTL（quantitative trait locus）是控制数量性状的基因在基因组中的位置，QTL分析是在特定遗传背景和环境条件下将QTL定位到某条染色体并分析其遗传效应[31]。近些年植物抗逆基因的定位研究较多，总体分为形态指标和生理指标的定位研究。

在形态指标方面，袁倩倩等[32]以DH株系衍生的永久F2群体为材料，共检测出11个与胚芽鞘长度相关的QTL，其中位于4B染色体区间Xcfd39.2-Xcfd22.2上影响胚芽鞘长度的位点QCl4B具有最大的遗传效应，贡献率为35.37%。周晓果等[33]在水分胁迫下，对小麦幼苗的单株根数、最大根长、根鲜重、根干重、根冠比等性状进行分析，检测到39个与根系性状相关的QTL，分布在除5A、4B、2D、6D和7D以外的所有染色体上。Landjeva等[34]对小麦根长、胚芽鞘长、苗高和根长/苗高进行QTL定位，在水分胁迫下发现了19个QTL。表明小麦形态指标与抗旱性间存在不同程度的关联。

在抗旱生理方面，QTL定位主要集中在水分利用率（WUE）、光合作用、保护酶活性和渗透调节物质等抗旱生理指标上。张正斌等[35]基于小麦DH作图群体，在1A和6D染色体上有控制WUE的QTL，在1A染色体有1个控制蒸腾速率的QTL，在5B和6D上有2个控制气孔导度的QTL。赵新华等[36]利用RIL群体进行QTL定位，共检测出SOD活性、可溶性蛋白质含量、硝酸还原酶活性等3个性状5个QTL，涉及1D、2B、5A和7B共4条染色体，可解释表型变异的8.74%～36.96%，其中3个QTL的贡献率较大，且其加性效应源于山农483。Teulat等[37]利用RFLP分子标记确定了大麦的6H和7H染色体上有控制渗透调节的QTL。这些研究结果对小麦抗旱节水生理遗传育种具有重要的参考价值。

3.2 导入外源基因改良小麦的抗旱性

小麦属内的遗传变异相当有限，开发和导入新的基因资源是提高小麦抗旱性遗传改良的重要方面[38]。目前远缘杂交、全基因组DNA导入技术和转基因技术已在小麦遗传改良中取得进展。Offmann等[39]研究表明小麦1RS-1BL易位系在干旱胁迫下有较高的收获指数和水分利用率。Landjeva等[40]将卵穗山羊草与中国春杂交，选育出的二倍体代换系2M8(2A)，在干旱条件下可维持较高的水势、叶片相对含水量和较低的MDA含量。全基因组导入技术因不受亲缘关系限制，目前已有长穗冰草、高粱等成功转入小麦。黄承彦等[41]将长穗冰草DNA导入普通小麦，发现培育的新材料耐旱性突出，在干旱少雨的年份增产显著。刘青等[42]用花粉管通道法将玉米和高粱基因组DNA导入普通小麦，研究发现外源DNA的导入，使后代材料抗旱性达1级。

3.3 组学技术在小麦抗旱分子机理上的应用

随着DNA测序和生物信息学技术发展，转录组学和蛋白质组学等组学手段逐渐运用于解析植物抗旱分子机制。转录组学是对某一器官或组织在某种特定条件下（如某种逆境）其全部RNA转录本丰度的研究，常采用基因芯片和转录组测序。Xue等[43]利用包含约16 000条小麦ESTs的基因芯片筛选杂交后代群体，筛选出93个蒸腾速率表达有差异的基因，其中有1/5显著响应干旱胁迫。Reddy等[44]对2个冬小麦品种在干旱胁迫后旗叶进行转录组测序，在品种TAM111中发现了2 131个差异表达基因，在TAM112中发现3 197个差异表达基因，且光合特性、碳水化合物代谢和激素代谢的转录组受到差异调控。小麦基因组庞大，目前缺乏精细的基因组图谱，有关干旱条件下转录组变化的研究报道有限。

蛋白质是生命活动的体现者，直接参与干旱胁迫相关的生物学过程[45]。蛋白质组学是大规模研究蛋白质的特征。由于可变剪切、RNA编辑、蛋白翻译后修饰的存在，许多基因可表达出多种不同的蛋白质。与转录组相比，蛋白质组数据与表型关系更为密切[46]。Ford等[47]对澳大利亚小麦品种叶片在干旱胁迫后蛋白质组的变化，鉴定出1 299个蛋白，与活性氧代谢相关的蛋白表达水平呈增加的趋势，而与卡尔文循环和光合相关的蛋白水平则呈下降的趋势。Alvarez等[48]对干旱胁迫和ABA处理下根部蛋白质进行研究，鉴定出1 656个蛋白，其中805个ABA 响应蛋白，其中 HSP70、HSPP90、G 蛋白、V型ATP酶在耐旱基因型小麦中含量更高。由于品种、取样组织、胁迫方式及强度差异，导致鉴定的蛋白种类和数目有很大差异[49]。这些研究多集中在某一特定小麦组织蛋白质含量的变化，而对其翻译后修饰、蛋白之间相互作用的研究相对较少。

4 抗旱节水小麦品种培育及栽培技术

4.1 抗旱节水小麦新品种的选育

从国内外生产实践来看，优良品种在粮食增产中的贡献居各项技术措施之首，高达50%左右[50]。选育小麦抗旱新品种对于提高其高效节水性能具有重要意义。传统育种选用抗旱材料做亲本，可以采用有性杂交的方式培育新品种[51]。也可以采用远缘杂交手段，先后将长穗偃麦草[52]、冰草[53]、黑麦[54]、山羊草[55]等外源染色体（片段）导入小麦，选育出了一批抗旱丰产性优良的小麦新品种，并在生产上有较大面积应用。此外，选用不同抗旱胁迫方式[7，11，13，24]、不同生育阶段干旱处理[7，9，13，19]等方式，对某一区域主栽品种进行抗旱性鉴定，筛选出抗旱品种，在保证稳产的前提下为小麦抗旱节水品种培育做出了积极贡献。在今后研究中，培育抗旱节水性小麦新品种仍是小麦育种的重要目标。

4.2 小麦高效用水的配套栽培技术

栽培措施调控，也是实现小麦高效用水的重要方面。适宜播种期对作物的生长发育和产量品质有着重要影响。近年来，有关小麦播种期研究多集中在光照和温度变化对产量的影响，有关播种期对水分利用的研究相对较少。李新强等[56]在河南商丘试验表明，晚播结合增加播种量在保持增产的情况下，可提高水分利用率。而田昌玉等[57]在山东陵县的研究发现播种期对小麦水分利用率无显著影响。在雨养条件下，覆盖保墒是作物提高水分利用率、进而获得高产的有效途径。卿明福等[58]在四川简阳开展免耕和秸秆覆盖试验，研究表明免耕和秸秆覆盖在0～10 cm的土壤表层有明显地抑蒸保墒效果，且随着覆盖量的增加保水效果更明显。董宝娣等[59]在河北沧州试验表明小麦—玉米土下覆膜一膜两用模式，微咸水条件下，可提高小麦—玉米周年产量和WUE，实现了对非常规水的利用。此外，调整种植结构，根据降雨时间安排茬口，可减少作物对地下水的依赖，实现周年作物整体用水效率。小麦—谷子轮作体系总耗水量比小麦—玉米轮作体系减少167 mm[59]，做到了“秋水春用”。可见，创新和集成各种栽培与耕作技术，在稳定小麦产量的同时提高WUE具有重要意义。

5 展望

干旱是目前影响农作物的主要非生物胁迫因子之一，严重影响小麦生长发育和产量[60]。提高小麦高效用水势在必行。小麦抗旱性受多基因控制，且与环境密切相关。目前国内外学者从形态学、生理学和分子生物学等方面进行了广泛而较为深入研究。但部分鉴定指标与产量相关性较弱，难以对抗旱品种选育提供理论指导。考虑到我国幅员辽阔，可以根据所在小麦种植区降雨特点，建立一套适用于特定区域的小麦抗旱性评价体系（规范），为区域小麦育种提供技术支撑。

农业用水主要源于地下水和雨水。在灌溉区域，要基于小麦需水特性和区域降雨规律，研究适合特定区域的节水测墒补灌模式，逐步减少大水漫灌粗放管理方式。在雨养农业区，要重点优化播种期、种植密度，进一步加强施肥、秸秆覆盖等传统耕作措施，实现主栽品种配套节水丰产技术，实现小麦高产稳产。

现代分子生物技术的快速发展，从分子水平上研究作物抗旱性，通过基因工程手段开发抗旱优良种质，已成为提高小麦抗旱丰产能力的有效途径。基因工程育种可实现特定性状精确高效的小麦品种改良。目前已从转录因子基因和功能基因方面获得了一些转基因抗旱小麦材料，这些基因功能强大，在干旱胁迫下表现出较好的抗旱性。与此同时，还需继续开发新的无标记选择技术，提高转基因小麦的安全性。