甘孜州青稞抗旱性研究現狀與展望

李 健 豐先紅 楊開俊

(甘孜州農業科學研究所，四川 康定 626000)

青稞 (Hordeum vulgare ssp.vulgare)，又稱裸大麥，是世界上最古老的作物之一，也是青藏高原廣泛種植的主要糧食作物，因其耐旱、耐瘠、生育期短、適應性強、易栽培等優異種性，在生態條件惡劣、農藝水平低下的高原地區有不可替代的作用。四川省甘孜州地處青藏高原東南緣，區內高山眾多、河流縱橫，氣候多樣、生態條件復雜，人類活動對自然環境影響小，有干旱、寒冷、大溫差、強輻射等特殊脅迫條件。因此，甘孜州具有豐富的生物多樣性和寶貴的抗性基因資源急待開發和利用。

1 甘孜州青稞抗旱研究的必要性

1.1 青稞抗旱研究是甘孜州穩定發展的迫切需要

青稞是甘孜州農牧民的主要糧食作物，青稞秸稈是甘孜州牲畜過冬的主要飼料。青稞產量是影響甘孜州糧食安全和農牧民生活水平的關鍵因素。甘孜州糧食產量總體供應不足，年度間產量波動較大，且調配困難，所以穩產越來越成為甘孜州青稞育種的重要目標，開展青稞抗旱育種研究，可以有效地確保穩產目標的實現，為糧食安全和農牧民生活水平的逐步提高提供保證。

1.2 青稞抗旱是甘孜州特色農業產業發展的需要

青稞富含膳食纖維、復合維生素B、β-葡聚糖、γ-氨基丁酸、生育酚等保健功能組份，一些高科技企業以青稞為原料生產各種青稞保健品。為了推動這些企業的發展，就必須要穩定符合企業要求的青稞原料的供應，所以抗旱育種也是保證企業在甘孜州健康發展，確保甘孜州農村經濟可持續發展的基石。

1.3 青稞抗旱研究是抗旱基因資源保護的需要

甘孜州地處青藏高原東南緣，氣候垂直分布帶從亞熱帶依次過渡到冰原帶。氣候多樣，生態條件復雜，有極度干旱、高寒、大溫差、強輻射等特殊脅迫條件，蘊含很多關鍵抗性基因，但是隨著青稞栽培種的大面積推廣，這些寶貴的基因資源也在不斷流失，急待保護。

因此，在甘孜州開展青稞抗旱研究，可以充分利用甘孜州豐富的大麥資源，挖掘抗旱關鍵基因，開展基因功能研究，創制強抗旱青稞種質，為突破性青稞品種的選育提供理論基礎和基礎材料，也可為其它作物相關基因的研究提供幫助和參考。

2 甘孜州青稞主產區面臨的干旱類型

甘孜州青稞主產區主要分布在北部山原區和東、南、西部的河谷區。北部山原區主要干旱類型是大氣干旱、土壤干旱和生理干旱 (因土溫低導致根系吸水受阻，植物體內水分虧缺而受旱)，干旱發生的時期為4月～5月和8月～9月，青稞受旱時期主要是苗期和灌漿期;東、南、西部的河谷區主要干旱類型是土壤干旱和大氣干旱，干旱發生的時期為3月～4月，青稞受旱時期主要是苗期。

3 甘孜州青稞抗旱研究現狀

由于干旱對甘孜州青稞產量影響的日趨明顯，青稞抗旱育種也成為甘孜州農業科學研究所的研究熱點，青稞抗旱研究主要分為兩個方面:

3.1 優異種質篩選

3.1.1 北部山原地區。北部山原地區主要干旱類型是大氣干旱、生理干旱，有時也伴有土壤干旱，發生時間為4月～5月和8月～9月，青稞受旱時期主要是苗期和灌漿期。因此，應選擇耐寒、葉片在受旱后卷曲率高，離體葉片失水率低、相對含水量高、復水后能迅速恢復生長的青稞材料。

3.1.2 東、南、西河谷區。河谷區主要干旱類型是土壤干旱、大氣干旱，發生時間在3月～4月，青稞受旱時期主要是苗期。因此，應選擇分蘗力強，葉片在受旱后卷曲率高，離體葉片失水率低、相對含水量高、復水后能迅速恢復生長。

經過4年時間，從1 000多份青稞種質材料中篩選出強抗旱青稞種質3份，其中兩份兼具耐寒特性。

3.2 抗旱遺傳機理研究

在青稞抗旱研究中，甘孜州農業科學研究所和中國科學院成都生物研究所合作，對青稞中編碼LEA蛋白的基因做了較深入的研究。

3.2.1 LEA蛋白概述。LEA蛋白最大的物理化學特性是具有很高的親水性和熱穩定性，即使在煮沸條件下也能保持水溶狀態［1］。這種高度親水性有利于LEA蛋白在植物受干旱脅迫時部分替代水分子，蛋白質的多羥基能保持細胞液處于溶解狀態，從而避免細胞結構的塌陷，穩定細胞結構，尤其是膜結構。LEA蛋白的高級結構由非周期性的無規則線團和少量兼性α-螺旋構成，無熱力學優勢狀態。LEA蛋白的另一個特點是，它們中的有些成員可被ABA和水分脅迫因子誘導產生，有時二者的作用可相互代替［2］。

LEA蛋白共同的結構特征是偏性氨基酸組成(biased aminoacid composition)形成高度親水性的多肽，大多數LEA蛋白缺乏半胱氨酸和酪氨酸殘基，但富含賴氨酸和甘氨酸［3］。根據它們氨基酸序列的同源性及一些特殊的基元序列，LEA蛋白一般可分為6組，即:LEA D19(第1組)，LEA D11(第 2組，也稱為脫水素)，LEAD7(第 3組)，LEA D113(第4組)，LEA D29(第5組)和LEA D95(第6組)。后兩族為附加族［4］。

LEA2蛋白基因和LEA3蛋白基因是麥類作物中研究最多的2類與抗旱有關的基因［5］。

3.2.2 青稞抗旱基因結構分析。錢剛［6］2008年從不同抗旱性青稞材料中克隆了編碼LEA蛋白的基因Dhn6基因，通過對比青棵的抗旱性和Dhn6基因的結構特征和氨基酸序列的結構特征發現，青稞的抗旱性與Dhn6基因的結構差異沒有直接的聯系。

HVA1基因是大麥中唯一發現的屬于編碼LEA3蛋白的基因［7］，錢剛等從不同抗旱性青稞材料中克隆了青稞HVA1基因，通過比對發現HVA1基因結構的差異與青稞的抗旱性并不直接相關［7］。

3.2.3 青稞抗旱基因表達模式研究。LEA蛋白的表達累積程度與植物的干旱程度有著密切的關系，錢剛等［7］通過對Dhn6基因和HVA1基因在干旱脅迫過程中的相對表達水平進行了檢測，結果表明，(1)Dhn6基因的相對表達水平在強抗旱青稞品種干旱8 h后快速上升，但在弱抗旱青稞品種干旱處理12 h后檢測到更高表達量;(2)干旱早期，HVAI表達累積在強抗旱品種更早更快，在弱抗旱品種干旱8～12 h快速升高;(3)干旱過程中，強抗旱品種的HVA1基因相對表達水平一直高于弱抗旱品種。

3.2.4 青稞抗旱基因功能分析。VIGS技術是通過病毒誘導目標基因沉默，來檢驗基因功能的技術［8］，梁俊俊等［9］2011 年通過 VIGS 技術沉默青稞Dhn6基因和HVA1基因發現:HVA1沉默植株離體葉片失水率顯著升高，干旱脅迫下的存活率顯著下降，同時發現HVA1沉默植株群體中，超過70%表現為植株營養生長嚴重延遲，植株矮小，分蘗增加。青稞Dhn6基因沉默后，也表現出干旱脅迫存活率的顯著下降，但對離體葉片失水率并未造成顯著影響。

上述研究闡明了HVA1基因和Dhn6基因對青稞的抗旱性有顯著影響，對于青稞抗旱育種有重要的指導意義。

4 展望

青稞的抗旱性是一個復雜的表型性狀，受各種因素的影響，甘孜州農科所將多方面大力推進青稞抗旱性研究。

4.1 加大優異種質資源的鑒定

甘孜州作為大麥的次生起源中心，有非常豐富的大麥野生種和近緣野生種。隨著科研條件的不斷改善，甘孜州農科所已經開始向人際罕至，自然條件惡劣的地區尋找青稞野生種和近緣野生種，通過對上述種質材料的鑒定、篩選，完全有可能獲得優異的抗性新基因，進而推動抗旱親本的培育和抗旱基因的挖掘。

4.2 保持常規育種的深入推進

青稞作為自花授粉作物，通過抗旱材料與高產品種的雜交，從其雜交后代中選擇高產抗旱的青稞品種是目前甘孜州農科所抗旱育種的主要手段。目前，甘孜州農科所已經把篩選出的抗旱新材料作為優異親本與康青3號、康青7號、康青9號等品種雜交，正在培育既高產又抗旱的青稞品種。

4.3 大力推進耐旱遺傳學研究進程

隨著科研條件和分子生物學技術不斷進步，抗性基因的研究也不斷深入。目前，雖然知道HVA1、Dhn6基因對于青稞的耐旱性非常重要，但是上述基因結構差異與青稞抗旱性之間的關聯度不高，這也限制了相關分子標記的開發。所以，甘孜州農科所通過對上述基因進一步的研究，希望發現HVA1、Dhn6基因結構差異和在干旱脅迫時表達模式差異與青稞耐旱性之間的聯系，為相關分子標記的開發奠定基礎。

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