抗旱转基因小麦的研究进展

贾 玲

（晋中市太谷区北洸乡人民政府，山西 晋中 030800）

小麦是保障全球粮食安全的主要粮食作物之一，能满足人类约20%的总膳食热量和蛋白质需求。随着全球气候变化，世界各地自然灾害不断发生。目前，全球粮食作物的产量远达不到人类所需，粮食安全面临严峻挑战。根据政府气候变化委员会的报告，1961—2013 年干地面积每年增加1%以上［1］。研究抗旱转基因小麦迫在眉睫，培育抗旱高产小麦品种是提高产量的有效途径。

1 干旱对小麦的影响

小麦种植业与国家粮食安全和社会稳定息息相关。干旱是小麦生产中最严重的非生物胁迫之一，会导致小麦产量下降。了解干旱对小麦生长的影响有利于培育抗旱高产小麦新品种，促进小麦种植业发展，实现农民增收致富。

1.1 干旱对小麦种子活力的影响

种子活力是种子发芽和出苗率、幼苗生长的潜势、植株抗逆能力和生产潜力的总和，是衡量种子品质的重要指标。种子活力受内、外因的双重作用，内因包括种子自身遗传因素和成熟度等，外因包括生长环境、收获时间和贮藏条件等［2］。

Zareian A 等（2013）［3］选取3 个小麦品种从抽穗期到种子成熟期进行干旱处理，发现种子的发芽率显著降低。李昱等（2014）［4］发现，小麦开花后受到干旱胁迫种子活力显著降低。曹珊（2020）［5］在不同地区选取不同类型小麦品种进行后期干旱试验发现，后期干旱对小麦种子活力的影响因地点不同而有所不同，大多数试验地区种子活力显著降低。

1.2 干旱对小麦生长的影响

小麦生长过程中水分平衡遭到破坏或水分缺少会严重影响其生长，这种情况在小麦生长中最为常见，是导致小麦产量降低的主要因素。小麦生长过程中，受到干旱等恶劣气候条件的影响，叶片气孔会关闭，细胞壁的伸展会受到明显抑制，严重影响叶片正常生长，使其生长速率降低，进而对小麦产量造成不利影响。干旱条件下，小麦根系不能吸收足量的水分，根系生长和活动受到抑制，根系中的物质交换速率减慢，会严重影响小麦生长。

1.3 干旱对小麦产量的影响

小麦苗期受到干旱胁迫会严重影响其生长，进而降低产量与质量。干旱会影响小麦干物质的分配和积累，进而影响小麦的生物量和千粒重。小麦在不同生长时期受到干旱胁迫，对其产量的影响有所不同。小麦拔节期对水分需求量较大，是水分亏缺敏感期，此时发生干旱会影响小麦千粒重和最终产量。拔节期经历短暂干旱后，对其复水可恢复小麦长势，进入快速生长阶段，但是长时间的干旱胁迫会使小麦生长受到显著抑制［6］。小麦开花前受到干旱胁迫会使每穗小穗数显著降低，花后受到干旱胁迫会使小麦穗粒数、千粒重和籽粒产量显著降低。与正常水分条件下的小麦相比，干旱胁迫会降低其籽粒中蛋白质、淀粉、赖氨酸等含量，导致小麦品质和产量下降。灌浆期小麦遭遇干旱胁迫后，籽粒正常生长会受到抑制，出现籽粒干瘪的现象，使小麦粒重降低，空秕粒数量上升，小麦产量大幅降低［7］。小麦全发育期受到干旱胁迫后，穗长、每穗小穗数、穗粒数和千粒重会显著下降，严重影响产量。

2 小麦耐旱性评价标准

小麦耐旱性评价标准取决于小麦受到干旱胁迫的时间、持续时间、强度、气候条件、测量时间、地点和仪器。选择合适的标准评价小麦在特定时期和特定环境下的耐旱性是促进小麦耐旱育种和发展节水农业的关键。

2.1 农艺性状

2.1.1 形态特征

小麦的可见表型可作为评价耐旱性的指标，例如种子发芽率和速度、胚芽鞘长度、出叶速度、株高、穗颈直径、蜡质含量、极端条件（干旱）下的成活率、抽穗天数、结实率、植物生物量及其在不同水量下的生长状态等［8］。除上述形态特征外，叶片形态对缺水高度敏感，包括叶片长度、宽度、厚度和颜色、叶片分布和气孔特征等。卷叶也是干旱胁迫下的典型生理现象，具有适度卷叶的小麦可以减少水分流失。抗旱的小麦往往具有一些常见的表型，例如叶片更小更厚、气孔更小更密集、表皮毛状体更多、表皮和栅栏组织更厚、维管束鞘发达等。小麦的根系结构性状与其耐旱性高度相关，例如根数、直径、角度、深度、总长度、分布和生物量等。尽管根的性状在小麦耐旱性中十分重要，但很少被直接作为选择标准，因为根相关性状的表型检测耗时且费力。尽管如此，根深与较冷的冠层温度仍有很强的相关性，所以冠层温度可以作为选择标准。

2.1.2 产量相关性状

产量相关性状可评价转基因小麦在不同生长条件下的综合表现，例如产量指数、产量稳定性指数、收获指数、水分利用和基于产量的水分利用效率。

2.2 生理生化标准

在漫长的发展进程中，小麦已经进化出一系列机制用来抵御干旱胁迫，不仅表现在形态水平上，而且体现在生理和生化水平上。小麦响应干旱胁迫的生理生化特征包括光合作用能力、渗透调节能力、抗氧化防御能力、激素水平和酶活性等［9］。

2.2.1 光合作用相关性状

干旱通过降低气孔孔径、光合酶的浓度和活性，严重降低CO2同化并影响光合作用。叶绿素荧光是一个相对较高的通量参数，用于表示由于缺水引起的光抑制。荧光参数用于检测干旱胁迫下CO2同化、线性电子通量的变化。荧光成像可用于在干旱条件下筛选出大量具有光合干扰的植物。叶绿素含量较高的小麦可以在干旱条件下有效利用光能，具有更强的耐旱性［10］。

2.2.2 渗透调节相关性状

小麦体内积累了多种物质维持细胞和叶片生长，这些物质浓度可以反映小麦的耐旱性，其具体可分为两大类。一是无机离子，例如K+和Cl-等。二是有机物，例如海藻糖、果聚糖、甘露醇、脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱等；还有一些低分子量蛋白质，例如水通道蛋白、渗透素和分子伴侣等。

2.2.3 抗氧化相关性状

氧化应激通常伴随着干旱应激。活性氧应激可能会扰乱膜蛋白和酶的结构，保护酶参与活性氧应激反应，例如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶。因此，小麦的耐旱性很大程度上取决于活性氧的浓度和保护酶的活性。

2.2.4 植物激素相关性状

在内源性植物激素中，脱落酸（ABA）被认为是与干旱胁迫反应关系最密切的植物激素。其被称为逆境激素，可以响应各种逆境胁迫，在植物应对环境的极端变化时发挥重要作用。干旱胁迫诱导植物细胞内ABA 的生物合成和积累，激活相应的转录因子，促进下游干旱相关基因的表达［11］。

2.3 综合抗旱标准

基于小麦形态性状和生理生化特征预测其耐旱性是培育耐旱小麦的重要步骤。然而，由于其复杂性，准确评估小麦的耐旱性并不容易。研究的重点是调查几个标准的有效性，并将这些标准整合到识别小麦耐旱性中，评价胁迫和非胁迫环境下其耐旱性和高产潜力。

3 与抗旱相关的基因

与耐旱性相关的基因可分为两大类。一是信号转导因子，包括蛋白激酶和转录因子。二是功能性因子，包括蛋白质转运、蛋白质修饰以及活性氧清除和运输的蛋白质、参与代谢、渗透调节等。

3.1 信号转导因子

3.1.1 ABA受体

ABA 受体可感知干旱胁迫和ABA 信号，是ABA信号转导的启动者。研究ABA 受体的功能是了解ABA 信号转导途径干旱胁迫机制的关键。研究表明，PYL9可提高拟南芥和水稻的抗旱性，促进叶片衰老，OsPYL1和OsPYL5可增强水稻耐旱性。

3.1.2 蛋白激酶和蛋白磷酸酶

植物中蛋白质的磷酸化和去磷酸化在响应干旱胁迫中发挥重要作用。常见的蛋白激酶和蛋白磷酸酶有PP2C 型蛋白磷酸酶和SnRK2 型蛋白激酶等。PP2C 型蛋白磷酸酶在2 种途径中与耐旱性高度相关，即ABA 依赖型如ZmPP2C-A 和ABA 非依赖型信号转导如OsPP2C09。SnRK2 可以磷酸化ABA信号通路下游的转录因子ABF2、ABI5 等［12］。SnRK2家族成员之一TaSnRK2.9 可增强转基因烟草耐旱性。

3.1.3 转录因子

研究发现，WRKY、bZIP、ERF、NAC、MYB 和锌指蛋白等多种转录因子都参与了干旱胁迫的响应。ERF转录因子NtERF172通过调控NtCAT的表达，进一步增强烟草的耐旱性［13］。OsMYB102负调控ABA 生物合成和下游基因的表达，进而响应非生物胁迫，增强水稻的耐旱性。过表达NAC 家族成员之一ZmNAC48 可提高玉米抗旱能力［14］。

3.1.4 表观遗传相关基因

在水稻中干旱胁迫可以在基因组水平上诱导12.1%的位点特异性DNA 甲基化差异。越来越多的研究表明，表观遗传调节因子参与了干旱胁迫反应，已在植物中鉴定出许多干旱诱导的microRNA。

3.2 功能因子

3.2.1 代谢相关基因

当前，已经鉴定出大量与代谢相关的蛋白质参与干旱胁迫反应，参与ABA 代谢过程的酶非常典型。ABA 通过控制气孔关闭减少水分流失，在植物抗旱过程中发挥着重要作用。DSM2 基因编码β-胡萝卜素羟化酶，将β-胡萝卜素转化为玉米黄质，可进一步提高水稻的抗旱性。一些参与其他物质代谢的相关基因也有助于提高农作物的抗旱性。

3.2.2 渗透调节相关基因

与渗透调节物质合成和积累相关的基因可以进一步提高植物的抗旱性。例如，脱水蛋白基因SiDHN的过表达增强了转基因番茄植物的抗旱性，过表达甜菜碱醛脱氢酶基因BADH 增强了马铃薯植物的抵御干旱能力。

3.2.3 蛋白质周转相关基因

蛋白质降解也是农作物适应干旱胁迫的一种方式。例如E3 泛素连接酶基因参与干旱胁迫时蛋白质降解［15］。

3.2.4 蛋白质修饰相关基因

参与蛋白质糖基化、酰基化、磷酸化和去磷酸化等的基因也参与响应干旱胁迫。例如LEW3参与蛋白质糖基化和非生物胁迫应激反应。

4 抗旱转基因小麦的研究进展

在小麦作物育种史上，杂交、回交、人工诱变、系谱选择、轮回选择等常规技术在耐旱性遗传改良中发挥了重要作用。常规育种主要依靠田间表型选择，但受环境条件影响较大，需要多年的鉴定和评估，劳动强度大、耗时长、效率低。为了加速耐旱育种进程，了解小麦对干旱反应的生理和遗传基础，相关人员通过基因工程手段对小麦进行改良，提高小麦的抗旱性、生物量和产量。

4.1 TaPYL4 的过表达提高了小麦的水分利用效率和抗旱性

ABA 与非生物胁迫密切相关，例如一些环境信号缺水、盐胁迫和干旱胁迫等。ABA 受体是ABA 信号转导通路中重要的调控因子。研究发现，拟南芥中被鉴定出14 个家族成员。PYLs家族成员的性质、结构和功能得到广泛研究。越来越多的证据表明，PYLs在拟南芥、水稻和番茄等植物物种中具有多种功能。例如，在保卫细胞中表达的6 个PYL 家族成员中，PYL4和PYL5参与CO2反应。水稻中的PYL1、PYL4和PYL6在调节植物生长中起着重要作用。Mega R 等（2019）［16］通过一系列转基因技术手段和一些常规的试验方法，证实了TaPYL4可以提高小麦抗旱性和水分利用率。

4.2 TaNAC67过表达增强了水稻的抗旱性

NAC 转录因子是植物中特有的转录因子，在植物生长过程中具有举足轻重的作用，响应多种生物胁迫和非生物胁迫等。在拟南芥中，AtNAC019参与调控干旱相关应答基因的表达，其过表达能提高拟南芥的抗旱性。在ABA 依赖信号通路中，AtNAC096起转录激活作用，其过表达能增强拟南芥的抗旱性。水稻中过表达OsNAC2可以提高转基因水稻抗旱性。OsNAC5可以增加水稻根系数量和根直径等根系结构，增强水稻的抗旱性。过表达小麦TaNAC2可提高拟南芥的耐旱性。TaNAC2a、TaNAC4a、TaNAC6、TaNAC7和TaNAC13等受干旱、高盐、低温等一种或几种逆境胁迫诱导表达，过表达TaNAC2a能提高转基因烟草的抗旱性。张宏娟等（2019）［17］通过转基因水稻和转录组测序等手段发现，TaNAC67过表达可以增强转基因水稻的抗旱性，为小麦抗旱分子育种提供优异基因资源。

4.3 TaSDIR1 在小麦的抗旱生理代谢中具有重要功能

泛素连接酶E3 是泛素蛋白酶体途径中的关键性酶。研究发现，E3 泛素连接酶可以通过介导ABA受体、SnRK 蛋白激酶和转录因子的降解响应逆境胁迫。TaSAP5编码一个RING 型E3 泛素连接酶，TaSAP5 蛋白与DREB2A 蛋白的负向调控因子DRIP互作，通过泛素化降解DRIP，使DREB2A下游基因表达增加，提高小麦的抗旱性。玉米ZmXerico1是一种RING 型E3 泛素连接酶，通过调节ABA8’-羟化酶蛋白的稳定性调控ABA 水平，提高玉米的抗旱性。SDIR1是一种RING 型E3 泛素连接酶，在某些植物中通过泛素化途径在ABA 介导的干旱胁迫响应中起关键作用。TaSDIR1在平衡干旱胁迫和产量之间具有重要作用，为小麦抗旱育种的发展提供了依据。

5 结论和观点

小麦生长的不同阶段都会受到干旱胁迫，虽可以通过一系列的形态、生理和生化变化适应干旱胁迫，但这一过程中基因调控的反应极其复杂。随着分子生物学在小麦抗旱性方面的研究，通过基因工程等技术培育开发抗旱优良品种成为提高小麦抗旱能力的有效途径。目前，相关人员从功能基因和转录因子方面获得了一些转基因抗旱小麦材料，在干旱胁迫下展现出较好的抗旱性。然而大多数具有抗旱表型的转基因小麦是基于使用组成型启动子的基因过度表达，例如内参、CaMV35S 和泛素。因此，应考虑挖掘不影响产量的抗旱相关基因或通过合适的胁迫诱导启动子表达这些基因，以达到产量损失最小化，更好地解决农业生产中的问题。

文章回顾的大多数基因已被证明可以增强小麦的抗旱性，但实用性和安全性尚未得到验证，同时转基因食品还未被人们完全接受。转基因技术在小麦方面的应用面临巨大挑战，相关人员需持续发力，在提高转基因小麦安全性、可靠性上下工夫。