毛虎德，杜琳穎，康振生

·導(dǎo)讀·

小麥抗旱性鑒定及基因資源挖掘

毛虎德，杜琳穎，康振生

西北農(nóng)林科技大學(xué)/作物抗逆與高效生產(chǎn)全國重點實驗室，陜西楊凌 712100

小麥（L.）是全球最重要的糧食作物之一，在全球氣候變化和水資源緊缺的背景下，干旱缺水成為限制小麥生產(chǎn)最主要的逆境因子之一，選育抗旱節(jié)水品種是小麥應(yīng)對環(huán)境脅迫的重要途徑。小麥的抗旱性研究涉及多個方面，包括小麥不同生長時期抗旱指標(biāo)的建立、抗旱基因的挖掘與鑒定、抗旱相關(guān)優(yōu)異等位基因的挖掘和利用、抗旱品種的篩選與評價等。從多個維度綜合研究小麥抗旱性，有利于理解小麥的生長適應(yīng)機制，加速抗旱品種的選育與推廣，從而應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，保障糧食安全。

植物根系能夠直接感受土壤環(huán)境中的水分、養(yǎng)分及機械阻力變化，從土壤中最大限度地獲取水分和營養(yǎng)，保證植物地上部分的正常生長[1]。解析小麥根系構(gòu)型與生長環(huán)境的關(guān)系，針對不同干旱環(huán)境精確地改良和選擇適當(dāng)根系構(gòu)型，提高農(nóng)作物的抗旱性和水分利用效率，對遺傳改良培育節(jié)水抗旱小麥新品種具有重要意義。根系構(gòu)型主要由根的長度、直徑、分支、根毛和表面積等因素決定，近年來，在根系特征性狀的遺傳基礎(chǔ)、調(diào)控基因研究等方面取得了一系列成果[2-4]，其中，關(guān)于根系特征及其與產(chǎn)量的關(guān)系[5]、干旱脅迫對小麥根系特征的影響[6]、小麥根系性狀位點的挖掘與鑒定等具體層次的研究較多[7-9]，而宏觀全局層次、系統(tǒng)化多視角分析比較少見。本專題論文《小麥根系構(gòu)型及抗旱性研究進(jìn)展》[10]綜述了目前根系構(gòu)型在調(diào)控小麥抗旱性方面的研究進(jìn)展。通過系統(tǒng)介紹根向性生長，特別是根向重力性生長對植物根系結(jié)構(gòu)的塑造作用，總結(jié)了目前挖掘到參與根系向重力性生長的相關(guān)基因及其分子調(diào)控機制，闡述了根向性生長調(diào)控的根系構(gòu)型如何介導(dǎo)小麥對干旱脅迫的適應(yīng)；隨后，針對具體的根系表型，進(jìn)一步綜述了在干旱脅迫條件下小麥如何通過調(diào)控根系發(fā)育來改變根系形態(tài)，包括增加根長、調(diào)控側(cè)根數(shù)量和根毛密度等，來增強小麥對土壤水分的吸收和對干旱環(huán)境的適應(yīng)；同時，系統(tǒng)總結(jié)了干旱脅迫條件下參與調(diào)控作物尤其小麥根系發(fā)育的相關(guān)基因及其分子調(diào)控機制。針對根系構(gòu)型解析的研究難點，歸納整理了可用于小麥根系二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)表型分析的技術(shù)，并展望了改良根系結(jié)構(gòu)在小麥抗旱育種中的應(yīng)用前景，討論了如何挖掘更多潛在的小麥根系構(gòu)型調(diào)控基因，以及解析相關(guān)基因的調(diào)控機理。

鑒定、篩選和培育抗旱小麥品種是解決干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)資源用水短缺、促進(jìn)小麥產(chǎn)量提高的重要方法。迄今為止，有關(guān)春小麥苗期抗旱能力的鑒選工作已經(jīng)取得一些重要成果，如研究發(fā)現(xiàn)，最大根長、胚芽鞘長、根冠比、地上地下部干鮮質(zhì)量、苗高等多項指標(biāo)被報道可以用于鑒定小麥抗旱性[11-15]。然而，單一指標(biāo)不能全面、有效地評價各品種的抗旱性，而將多個苗期生長指標(biāo)進(jìn)行綜合評價來分析春小麥苗期抗旱性的研究較少。本專題論文《244份春小麥苗期抗旱性的鑒定》[16]以來自10個不同地區(qū)的244份春小麥品種（系）為試驗材料，利用控制含水量法進(jìn)行苗期干旱脅迫，通過測定最大根長（maximum root length，MRL）、第一葉長（first leaf length，F(xiàn)LL）、第一葉寬（first leaf width，F(xiàn)LW）、胚芽鞘長（coleoptile length，CL）、地上部鮮重（shoot fresh weight，SFW）和地下部鮮重（root fresh weight，RFW）等13個苗期指標(biāo)，利用描述統(tǒng)計法、隸屬函數(shù)法、主成分分析、聚類分析和相關(guān)性分析等方法對各春小麥品種（系）的抗旱性進(jìn)行綜合評價，鑒定到22份高抗旱品種（系），并將不同抗旱等級的小麥群體之間進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)高抗旱和抗旱材料在第一葉形態(tài)、地上部干重、地下部鮮重和鮮重根冠比的抗旱系數(shù)與敏感和高敏感品種（系）之間有顯著差異，并通過分析綜合抗旱系數(shù)值與苗期抗旱系數(shù)的相關(guān)性，最終篩選出根部生物量（地下部鮮重和干重）作為苗期抗旱性鑒定的有效綜合指標(biāo)。隨后，通過將苗期指標(biāo)與成熟期株高、產(chǎn)量、千粒重等田間相關(guān)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，苗期胚芽鞘長、第一葉長和成熟期旗葉長、株高、穗長、小穗數(shù)和籽粒長呈極顯著正相關(guān)性，苗期整株生物量與籽粒千粒重呈極顯著正相關(guān)性。該研究成果為抗旱性春小麥種質(zhì)資源篩選及抗旱優(yōu)異種質(zhì)利用提供了參考。

小麥抗旱性是由多基因控制的數(shù)量性狀，與周圍環(huán)境存在互作效應(yīng)，具有較為復(fù)雜的遺傳基礎(chǔ)。挖掘并鑒定優(yōu)異抗旱新種質(zhì)、克隆抗旱新基因，對豐富我國小麥抗旱遺傳基礎(chǔ)，奠定小麥抗旱遺傳改良材料基礎(chǔ)具有重要意義。全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome- wide association study，GWAS）是一種在全基因組水平上鑒定與性狀相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記或基因的研究策略，為數(shù)量性狀基因挖掘和復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)解析提供了不可或缺的重要方法?；贕WAS等正向遺傳學(xué)分析，已經(jīng)鑒定和克隆了多個小麥抗旱性相關(guān)位點及抗旱基因[17-19]。然而，我國小麥遺傳基礎(chǔ)較為狹窄，基因同質(zhì)化較高，加強新抗旱種質(zhì)和基因的發(fā)掘與利用，對豐富我國小麥抗旱基因資源、擴寬遺傳基礎(chǔ)具有重要意義。本專題研究論文《ICARDA引進(jìn)小麥苗期抗旱性的全基因組關(guān)聯(lián)分析》[20]以198份國際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心（ICARDA）引進(jìn)的抗旱種質(zhì)為材料，以苗期干旱和正常條件下的地上部鮮重、地下部鮮重、生物量和根冠比4個性狀為表型鑒定，基于加權(quán)隸屬函數(shù)值（值）綜合評價各個品種的抗旱性，發(fā)現(xiàn)品系IR214的值最大，為優(yōu)異強抗旱種質(zhì)。隨后，該研究將鑒定到的抗旱性表型數(shù)據(jù)與660K SNP芯片結(jié)合，進(jìn)行GWAS分析，共檢測到102個與4個性狀抗旱系數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點，表型變異解釋率為1.07%—38.70%；并基于基因組注釋信息，篩選到31個抗旱相關(guān)基因，結(jié)合根等不同組織的RNA-seq數(shù)據(jù)，篩選出4個抗旱候選基因，對差異表達(dá)的候選基因進(jìn)行qRT-PCR驗證，鑒定到和2個關(guān)鍵抗旱候選基因；隨后以抗旱性最強品系IR214和干旱敏感品系IR36為材料對候選基因進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)的位點是潛在的功能位點。該研究結(jié)果為小麥抗旱遺傳改良奠定了材料基礎(chǔ)，為其分子設(shè)計育種提供了有用的標(biāo)記信息。

灌漿期是小麥籽粒形成的關(guān)鍵時期，水分脅迫影響籽粒中光合產(chǎn)物的積累，導(dǎo)致減產(chǎn)，是抗旱性研究中具有代表性的時期，對于該時期相關(guān)性狀的調(diào)查與評價尤為重要；然而，傳統(tǒng)的作物表型獲取方法大多需要人工操作，費時費力且準(zhǔn)確度較低，限制了優(yōu)異種質(zhì)資源的篩選效率。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高通量表型平臺以其靈活高效的特點正在被應(yīng)用于田間作物表型信息的采集[21-23]。發(fā)掘抗旱相關(guān)高通量表型鑒定指標(biāo)，用于描述和評估抗旱表型特征，是高效發(fā)掘和利用人工合成小麥種質(zhì)資源的有效途徑。本專題論文《基于無人機多源影像數(shù)據(jù)的灌漿期人工合成小麥抗旱性評價》[24]以遺傳變異范圍廣、表型多樣性豐富的人工合成小麥為研究對象，通過田間小區(qū)播種，并設(shè)置干旱和灌溉2種水分處理；在灌漿期利用無人機多源影像數(shù)據(jù)提取了80份人工合成小麥種質(zhì)的19種光譜指數(shù)，通過將不同光譜指數(shù)抗旱系數(shù)與小區(qū)產(chǎn)量抗旱指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)OSAVI的抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度最高，NDVI、CIre和NDRE的抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度較高。隨后的主成分分析將19個光譜指數(shù)的抗旱系數(shù)轉(zhuǎn)換為3個相互獨立的綜合指標(biāo)，并利用加權(quán)隸屬函數(shù)法聚合綜合指標(biāo)，通過公式計算獲得各人工合成小麥種質(zhì)的綜合抗旱性度量值?；诳购抵笖?shù)鑒定出6份強抗旱人工合成小麥種質(zhì)，基于綜合抗旱性度量值鑒定出5份強抗旱種質(zhì)，其中，SW004和SW009在2種方法的評價結(jié)果中均被評為強抗旱種質(zhì)。基于OSAVI的抗旱系數(shù)對80份人工合成小麥種質(zhì)進(jìn)行抗旱性分級，分級結(jié)果與基于綜合抗旱性度量值的分級結(jié)果基本一致。根據(jù)OSAVI的抗旱系數(shù)鑒定出的6份強抗旱種質(zhì)中，有5份在基于綜合抗旱性度量值分級中也被鑒定為強抗旱種質(zhì)，說明了該方法的可靠性。該研究基于無人機多源影像數(shù)據(jù)，建立從高通量光譜指數(shù)中優(yōu)選適用于人工合成小麥的抗旱性評價指標(biāo)，為加快拓展小麥抗旱遺傳資源，提升旱地小麥育種水平提供了種質(zhì)材料，為非接觸式評估技術(shù)在抗旱研究中的應(yīng)用提供了新思路。

[1] XIAO G H, ZHANG Y Z. Adaptive growth: Shaping auxin-mediated root system architecture. Trends in Plant Science, 2020, 25(2): 121-123.

[2] 劉佳熠. 小麥根系性狀相關(guān)基因和的克隆及其優(yōu)異單倍型發(fā)掘[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2021.

LIU J Y. Cloning of genes related to root traits of wheat,and, and exploration of their excellent haplotypes [D]. Yangling: Northwest A & F University, 2021. (in Chinese)

[3] MAQBOOL S, HASSAN M A, XIA X C, YORK L M, RASHEED A, HE Z H. Root system architecture in cereals: progress, challenges and perspective. The Plant Journal, 2022, 110(1): 23-42.

[4] ZHANG Y Z, HE P, MA X F, YANG Z R, PANG C Y, YU J N, WANG G D, FRIML J, XIAO G H. Auxin-mediated statolith production for root gravitropism. The New Phytologist, 2019, 224(2): 761-774.

[5] 霍治軍. 不同抗旱類型冬小麥根系特征及其與產(chǎn)量的關(guān)系研究. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2015, 27(7):22-24.

HUO Z J. Study on root system characteristic and its relationship with yield of winter wheat varieties with different types of resistance to drought. Acta Agriculturae Jiangxi, 2015, 27(7): 22-24. (in Chinese)

[6] 苗青霞. 干旱脅迫對陜西省旱地冬小麥根系特征、生理特性及產(chǎn)量的影響研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2020.

MIAO Q X. effects of drought stress on root properties, physiological characteristics, and grain yield of dryland winter wheat of Shaanxi Province [D]. Yangling: Northwest A & F University, 2020. (in Chinese)

[7] 王脈. 小麥苗期根系性狀優(yōu)異位點挖掘及其對植株氮素利用效率的影響[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2023.

WANG M. Exploring of excellent sites of wheat root traits at seedling stage and its effect on plant nitrogen use efficiency [D]. Yangling: Northwest A & F University, 2023. (in Chinese)

[8] 陳黃鑫. 小麥根系性狀位點的鑒定及其育種潛力評價[D]. 雅安: 四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 2023.

CHEN H X. Identification and breeding potential evaluation of loci for root-related traits in wheat [D]. Yaan: Sichuan Agricultural University, 2023. (in Chinese)

[9] 劉洋, 王克森, 劉秀坤, 王利彬, 王燦國, 郭軍, 程敦公, 穆平, 劉建軍, 李豪圣, 趙振東, 曹新有, 張玉梅. 小麥幼苗根系相關(guān)性狀QTL定位與分析. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2021, 53(3): 1-9.

LIU Y, WANG K S, LIU X K, WANG L B, WANG C G, GUO J, CHENG D G, MU P, LIU J J, LI H S, ZHAO Z D, CAO X Y, ZHANG Y M. QTL mapping and analysis of root related traits in wheat seedlings. Shandong Agricultural Sciences, 2021, 53(3): 1-9. (in Chinese)

[10] 張余周, 王一釗, 高茹茜, 劉逸凡. 小麥根系構(gòu)型及抗旱性研究進(jìn)展. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2024, 57(9):1633-1645. doi: 10.3864/j.issn.0578- 1752.2024.09.002.

ZHANG Y Z, WANG Y Z, GAO R X, LIU Y F. Research progress on root system architecture and drought resistance in wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(9): 1633-1645. doi: 10.3864/j.issn.0578- 1752.2024.09.002.(in Chinese)

[11] 胡雯媚, 王思宇, 樊高瓊, 劉運軍, 鄭文, 王強生, 馬宏亮. 西南麥區(qū)小麥品種苗期抗旱性鑒定及其指標(biāo)篩選. 麥類作物學(xué)報, 2016, 36(2): 182-189.

HU W M, WANG S Y, FAN G Q, LIU Y J, ZHENG W, WANG Q S, MA H L. Analysis on the drought resistance and screening of drought resistance appraisal indexes of wheat cultivars in seedling stage in southwest area. Journal of Triticeae Crops, 2016, 36(2): 182-189. (in Chinese)

[12] REBETZKE G J, RICHARDS R A, FETTELL N A, LONG M, CONDON A G, FORRESTER R I，BOTWRIGHT T L. Genotypic increases in coleoptile length improves stand establishment, vigour and grain yield of deep-sown wheat. Field Crops Research, 2007, 100(1): 10-23.

[13] 寧東賢, 王小璐, 趙玉坤, 楊秀麗, 馬崗, 楊麗萍, 李楠. 旱地小麥不同播深條件下胚芽鞘長度與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 46(2): 203-206.

NING D X, WANG X L, ZHAO Y K, YANG X L, MA G, YANG L P, LI N. Study on the correlation between the coleoptile length and yield under different sowing depth conditions in dryland wheat. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2018, 46(2): 203-206. (in Chinese)

[14] MOHAN A, SCHILLINGER W F, GILL K S. Wheat seedling emergence from deep planting depths and its relationship with coleoptile length. PlosOne, 2013, 8(9): e73314.

[15] 楊倩, 袁飛敏, 王海慶, 陳志國, 劉德梅. 西北旱地農(nóng)家小麥品種抗旱生理機制探究. 分子植物育種, 2018, 16(18): 6105-6111.

YANG Q, YUAN F M, WANG H Q, CHEN Z G, LIU D M. Preliminary study on physiological mechanism of drought resistance of wheat varieties in northwest dryland. Molecular Plant Breeding, 2018, 16(18): 6105-6111. (in Chinese)

[16] 周全, 路秋梅, 趙張晨, 武宸冉, 符笑歌, 趙玉嬌, 韓勇, 藺懷龍, 陳微林, 牟麗明, 李興茂, 王長海, 胡銀崗, 陳亮. 244份春小麥苗期抗旱性的鑒定. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2024, 57(9):1646-1657. doi: 10. 3864/j.issn.0578-1752.2024.09.003.

ZHOU Q, LU Q M, ZHAO Z C, WU C R, FU X G, ZHAO Y J, HAN Y, LIN H L, CHEN W L, MOU L M, LI X M, WANG C H, HU Y G, CHEN L. Identification of drought resistance of 244 spring wheat varieties at seedling stage. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(9): 1646-1657. doi: 10. 3864/j.issn.0578-1752.2024.09.003.(in Chinese)

[17] MAO H D, LI S M, CHEN B, JIAN C, MEI F M, ZHANG Y F, LI F F, CHEN N, LI T, DU L Y, DING L, WANG Z X, CHENG X X, WANG X J, KANG Z S. Variation in cis-regulation of a NAC transcription factor contributes to drought tolerance in wheat. Molecular Plant, 2022, 15(2): 276-292.

[18] MAO H D, LI S M, WANG Z X, CHENG X X, LI F F, MEI F M, CHEN N, KANG Z S. Regulatory changes in TaSNAC8-6A are associated with drought tolerance in wheat seedlings. Plant Biotechnology Journal, 2020, 18(4): 1078-1092.

[19] MEI F M, CHEN B, DU L Y, LI S M, ZHU D H, CHEN N, ZHANG Y F, LI F F, WANG Z X, CHENG X X, DING L, KANG Z S, MAO H D. A gain-of-function allele of a DREB transcription factor gene ameliorates drought tolerance in wheat. The Plant Cell, 2022, 34(11): 4472-4494.

[20] 張穎, 石婷瑞, 曹瑞, 潘文秋, 宋衛(wèi)寧, 王利, 聶小軍. ICARDA引進(jìn)小麥苗期抗旱性的全基因組關(guān)聯(lián)分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2024, 57(9): 1658-1673. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.09.004.

ZHANG Y, SHI T R, CAO R, PAN W Q, SONG W N, WANG L, NIE X J. Genome-wide association study of drought tolerance at seedling stage in ICARDA-introduced wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(9): 1658-1673. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.09.004.(in Chinese)

[21] QIN W L, WANG J, MA L F, WANG F L, HU N Y, YANG X Y, XIAO Y Y, ZHANG Y H, SUN Z C, WANG Z M, YU K. UAV-based multi-temporal thermal imaging to evaluate wheat drought resistance in different deficit irrigation regimes. Remote Sensing, 2022, 14(21): 5608.

[22] 孟雨, 溫鵬飛, 丁志強, 田文仲, 張學(xué)品, 賀利, 段劍釗, 劉萬代, 馮偉. 基于熱紅外圖像的小麥品種抗旱性鑒定與評價. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2022, 55(13): 2538-2551.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022. 13.005.

MENG Y, WEN P F, DING Z Q G, TIAN W Z, ZHANG X P, HE L, DUAN J Z, LIU W D, FENG W. identification and evaluation of drought resistance of wheat varieties based on thermal infrared image. Scientia Agricultura Sinica, 2022, 55(13): 2538-2551. doi: 10.3864/ j.issn.0578-1752.2022.13.005. (in Chinese)

[23] DAS S, CHRISTOPHER J, ROY CHOUDHURY M, APAN A, CHAPMAN S, MENZIES N W, DANG Y P. Evaluation of drought tolerance of wheat genotypes in rain-fed sodic soil environments using high-resolution UAV remote sensing techniques. Biosystems Engineering, 2022, 217: 68-82.

[24] 燕雯, 金秀良, 李龍, 徐子涵, 蘇悅, 張躍強, 景蕊蓮, 毛新國, 孫黛珍. 基于無人機多源影像數(shù)據(jù)的灌漿期人工合成小麥抗旱性評價. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2024, 57(9): 1674-1686. doi: 10.3864/j.issn.0578- 1752.2024.09.005.

YAN W, JIN X L, LI L, XU Z H, SU Y, ZHANG Y Q, JING R L, MAO X G, SUN D Z. Drought resistance evaluation of synthetic wheat at grain filling using uav-based multi-source imagery data. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(9): 1674-1686. doi: 10.3864/ j.issn.0578-1752.2024.09.005.(in Chinese)

Drought Resistance Identification and Genetic Resource Mining in Wheat

MAO HuDe, DU LinYing, KANG ZhenSheng

Northwest A&F University/State Key Laboratory for Crop Stress Resistance and High-Efficiency Production, Yangling 712100, Shaanxi

2024-03-11；

2024-04-11

國家自然科學(xué)基金（32272044，32072002）、陜西省杰出青年科學(xué)基金（2023-JC-JQ-20）

毛虎德（通信作者），Tel：029-87081317；E-mail：mao_dehu@nwsuaf.edu.cn

（責(zé)任編輯 李莉）