抗旱轉基因小麥的研究進展

賈 玲

（晉中市太谷區北洸鄉人民政府，山西 晉中 030800）

小麥是保障全球糧食安全的主要糧食作物之一，能滿足人類約20%的總膳食熱量和蛋白質需求。隨著全球氣候變化，世界各地自然災害不斷發生。目前，全球糧食作物的產量遠達不到人類所需，糧食安全面臨嚴峻挑戰。根據政府氣候變化委員會的報告，1961—2013 年干地面積每年增加1%以上［1］。研究抗旱轉基因小麥迫在眉睫，培育抗旱高產小麥品種是提高產量的有效途徑。

1 干旱對小麥的影響

小麥種植業與國家糧食安全和社會穩定息息相關。干旱是小麥生產中最嚴重的非生物脅迫之一，會導致小麥產量下降。了解干旱對小麥生長的影響有利于培育抗旱高產小麥新品種，促進小麥種植業發展，實現農民增收致富。

1.1 干旱對小麥種子活力的影響

種子活力是種子發芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產潛力的總和，是衡量種子品質的重要指標。種子活力受內、外因的雙重作用，內因包括種子自身遺傳因素和成熟度等，外因包括生長環境、收獲時間和貯藏條件等［2］。

Zareian A 等（2013）［3］選取3 個小麥品種從抽穗期到種子成熟期進行干旱處理，發現種子的發芽率顯著降低。李昱等（2014）［4］發現，小麥開花后受到干旱脅迫種子活力顯著降低。曹珊（2020）［5］在不同地區選取不同類型小麥品種進行后期干旱試驗發現，后期干旱對小麥種子活力的影響因地點不同而有所不同，大多數試驗地區種子活力顯著降低。

1.2 干旱對小麥生長的影響

小麥生長過程中水分平衡遭到破壞或水分缺少會嚴重影響其生長，這種情況在小麥生長中最為常見，是導致小麥產量降低的主要因素。小麥生長過程中，受到干旱等惡劣氣候條件的影響，葉片氣孔會關閉，細胞壁的伸展會受到明顯抑制，嚴重影響葉片正常生長，使其生長速率降低，進而對小麥產量造成不利影響。干旱條件下，小麥根系不能吸收足量的水分，根系生長和活動受到抑制，根系中的物質交換速率減慢，會嚴重影響小麥生長。

1.3 干旱對小麥產量的影響

小麥苗期受到干旱脅迫會嚴重影響其生長，進而降低產量與質量。干旱會影響小麥干物質的分配和積累，進而影響小麥的生物量和千粒重。小麥在不同生長時期受到干旱脅迫，對其產量的影響有所不同。小麥拔節期對水分需求量較大，是水分虧缺敏感期，此時發生干旱會影響小麥千粒重和最終產量。拔節期經歷短暫干旱后，對其復水可恢復小麥長勢，進入快速生長階段，但是長時間的干旱脅迫會使小麥生長受到顯著抑制［6］。小麥開花前受到干旱脅迫會使每穗小穗數顯著降低，花后受到干旱脅迫會使小麥穗粒數、千粒重和籽粒產量顯著降低。與正常水分條件下的小麥相比，干旱脅迫會降低其籽粒中蛋白質、淀粉、賴氨酸等含量，導致小麥品質和產量下降。灌漿期小麥遭遇干旱脅迫后，籽粒正常生長會受到抑制，出現籽粒干癟的現象，使小麥粒重降低，空秕粒數量上升，小麥產量大幅降低［7］。小麥全發育期受到干旱脅迫后，穗長、每穗小穗數、穗粒數和千粒重會顯著下降，嚴重影響產量。

2 小麥耐旱性評價標準

小麥耐旱性評價標準取決于小麥受到干旱脅迫的時間、持續時間、強度、氣候條件、測量時間、地點和儀器。選擇合適的標準評價小麥在特定時期和特定環境下的耐旱性是促進小麥耐旱育種和發展節水農業的關鍵。

2.1 農藝性狀

2.1.1 形態特征

小麥的可見表型可作為評價耐旱性的指標，例如種子發芽率和速度、胚芽鞘長度、出葉速度、株高、穗頸直徑、蠟質含量、極端條件（干旱）下的成活率、抽穗天數、結實率、植物生物量及其在不同水量下的生長狀態等［8］。除上述形態特征外，葉片形態對缺水高度敏感，包括葉片長度、寬度、厚度和顏色、葉片分布和氣孔特征等。卷葉也是干旱脅迫下的典型生理現象，具有適度卷葉的小麥可以減少水分流失。抗旱的小麥往往具有一些常見的表型，例如葉片更小更厚、氣孔更小更密集、表皮毛狀體更多、表皮和柵欄組織更厚、維管束鞘發達等。小麥的根系結構性狀與其耐旱性高度相關，例如根數、直徑、角度、深度、總長度、分布和生物量等。盡管根的性狀在小麥耐旱性中十分重要，但很少被直接作為選擇標準，因為根相關性狀的表型檢測耗時且費力。盡管如此，根深與較冷的冠層溫度仍有很強的相關性，所以冠層溫度可以作為選擇標準。

2.1.2 產量相關性狀

產量相關性狀可評價轉基因小麥在不同生長條件下的綜合表現，例如產量指數、產量穩定性指數、收獲指數、水分利用和基于產量的水分利用效率。

2.2 生理生化標準

在漫長的發展進程中，小麥已經進化出一系列機制用來抵御干旱脅迫，不僅表現在形態水平上，而且體現在生理和生化水平上。小麥響應干旱脅迫的生理生化特征包括光合作用能力、滲透調節能力、抗氧化防御能力、激素水平和酶活性等［9］。

2.2.1 光合作用相關性狀

干旱通過降低氣孔孔徑、光合酶的濃度和活性，嚴重降低CO2同化并影響光合作用。葉綠素熒光是一個相對較高的通量參數，用于表示由于缺水引起的光抑制。熒光參數用于檢測干旱脅迫下CO2同化、線性電子通量的變化。熒光成像可用于在干旱條件下篩選出大量具有光合干擾的植物。葉綠素含量較高的小麥可以在干旱條件下有效利用光能，具有更強的耐旱性［10］。

2.2.2 滲透調節相關性狀

小麥體內積累了多種物質維持細胞和葉片生長，這些物質濃度可以反映小麥的耐旱性，其具體可分為兩大類。一是無機離子，例如K+和Cl-等。二是有機物，例如海藻糖、果聚糖、甘露醇、脯氨酸、甘氨酸、甜菜堿等；還有一些低分子量蛋白質，例如水通道蛋白、滲透素和分子伴侶等。

2.2.3 抗氧化相關性狀

氧化應激通常伴隨著干旱應激。活性氧應激可能會擾亂膜蛋白和酶的結構，保護酶參與活性氧應激反應，例如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶。因此，小麥的耐旱性很大程度上取決于活性氧的濃度和保護酶的活性。

2.2.4 植物激素相關性狀

在內源性植物激素中，脫落酸（ABA）被認為是與干旱脅迫反應關系最密切的植物激素。其被稱為逆境激素，可以響應各種逆境脅迫，在植物應對環境的極端變化時發揮重要作用。干旱脅迫誘導植物細胞內ABA 的生物合成和積累，激活相應的轉錄因子，促進下游干旱相關基因的表達［11］。

2.3 綜合抗旱標準

基于小麥形態性狀和生理生化特征預測其耐旱性是培育耐旱小麥的重要步驟。然而，由于其復雜性，準確評估小麥的耐旱性并不容易。研究的重點是調查幾個標準的有效性，并將這些標準整合到識別小麥耐旱性中，評價脅迫和非脅迫環境下其耐旱性和高產潛力。

3 與抗旱相關的基因

與耐旱性相關的基因可分為兩大類。一是信號轉導因子，包括蛋白激酶和轉錄因子。二是功能性因子，包括蛋白質轉運、蛋白質修飾以及活性氧清除和運輸的蛋白質、參與代謝、滲透調節等。

3.1 信號轉導因子

3.1.1 ABA受體

ABA 受體可感知干旱脅迫和ABA 信號，是ABA信號轉導的啟動者。研究ABA 受體的功能是了解ABA 信號轉導途徑干旱脅迫機制的關鍵。研究表明，PYL9可提高擬南芥和水稻的抗旱性，促進葉片衰老，OsPYL1和OsPYL5可增強水稻耐旱性。

3.1.2 蛋白激酶和蛋白磷酸酶

植物中蛋白質的磷酸化和去磷酸化在響應干旱脅迫中發揮重要作用。常見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 種途徑中與耐旱性高度相關，即ABA 依賴型如ZmPP2C-A 和ABA 非依賴型信號轉導如OsPP2C09。SnRK2 可以磷酸化ABA信號通路下游的轉錄因子ABF2、ABI5 等［12］。SnRK2家族成員之一TaSnRK2.9 可增強轉基因煙草耐旱性。

3.1.3 轉錄因子

研究發現，WRKY、bZIP、ERF、NAC、MYB 和鋅指蛋白等多種轉錄因子都參與了干旱脅迫的響應。ERF轉錄因子NtERF172通過調控NtCAT的表達，進一步增強煙草的耐旱性［13］。OsMYB102負調控ABA 生物合成和下游基因的表達，進而響應非生物脅迫，增強水稻的耐旱性。過表達NAC 家族成員之一ZmNAC48 可提高玉米抗旱能力［14］。

3.1.4 表觀遺傳相關基因

在水稻中干旱脅迫可以在基因組水平上誘導12.1%的位點特異性DNA 甲基化差異。越來越多的研究表明，表觀遺傳調節因子參與了干旱脅迫反應，已在植物中鑒定出許多干旱誘導的microRNA。

3.2 功能因子

3.2.1 代謝相關基因

當前，已經鑒定出大量與代謝相關的蛋白質參與干旱脅迫反應，參與ABA 代謝過程的酶非常典型。ABA 通過控制氣孔關閉減少水分流失，在植物抗旱過程中發揮著重要作用。DSM2 基因編碼β-胡蘿卜素羥化酶，將β-胡蘿卜素轉化為玉米黃質，可進一步提高水稻的抗旱性。一些參與其他物質代謝的相關基因也有助于提高農作物的抗旱性。

3.2.2 滲透調節相關基因

與滲透調節物質合成和積累相關的基因可以進一步提高植物的抗旱性。例如，脫水蛋白基因SiDHN的過表達增強了轉基因番茄植物的抗旱性，過表達甜菜堿醛脫氫酶基因BADH 增強了馬鈴薯植物的抵御干旱能力。

3.2.3 蛋白質周轉相關基因

蛋白質降解也是農作物適應干旱脅迫的一種方式。例如E3 泛素連接酶基因參與干旱脅迫時蛋白質降解［15］。

3.2.4 蛋白質修飾相關基因

參與蛋白質糖基化、酰基化、磷酸化和去磷酸化等的基因也參與響應干旱脅迫。例如LEW3參與蛋白質糖基化和非生物脅迫應激反應。

4 抗旱轉基因小麥的研究進展

在小麥作物育種史上，雜交、回交、人工誘變、系譜選擇、輪回選擇等常規技術在耐旱性遺傳改良中發揮了重要作用。常規育種主要依靠田間表型選擇，但受環境條件影響較大，需要多年的鑒定和評估，勞動強度大、耗時長、效率低。為了加速耐旱育種進程，了解小麥對干旱反應的生理和遺傳基礎，相關人員通過基因工程手段對小麥進行改良，提高小麥的抗旱性、生物量和產量。

4.1 TaPYL4 的過表達提高了小麥的水分利用效率和抗旱性

ABA 與非生物脅迫密切相關，例如一些環境信號缺水、鹽脅迫和干旱脅迫等。ABA 受體是ABA 信號轉導通路中重要的調控因子。研究發現，擬南芥中被鑒定出14 個家族成員。PYLs家族成員的性質、結構和功能得到廣泛研究。越來越多的證據表明，PYLs在擬南芥、水稻和番茄等植物物種中具有多種功能。例如，在保衛細胞中表達的6 個PYL 家族成員中，PYL4和PYL5參與CO2反應。水稻中的PYL1、PYL4和PYL6在調節植物生長中起著重要作用。Mega R 等（2019）［16］通過一系列轉基因技術手段和一些常規的試驗方法，證實了TaPYL4可以提高小麥抗旱性和水分利用率。

4.2 TaNAC67過表達增強了水稻的抗旱性

NAC 轉錄因子是植物中特有的轉錄因子，在植物生長過程中具有舉足輕重的作用，響應多種生物脅迫和非生物脅迫等。在擬南芥中，AtNAC019參與調控干旱相關應答基因的表達，其過表達能提高擬南芥的抗旱性。在ABA 依賴信號通路中，AtNAC096起轉錄激活作用，其過表達能增強擬南芥的抗旱性。水稻中過表達OsNAC2可以提高轉基因水稻抗旱性。OsNAC5可以增加水稻根系數量和根直徑等根系結構，增強水稻的抗旱性。過表達小麥TaNAC2可提高擬南芥的耐旱性。TaNAC2a、TaNAC4a、TaNAC6、TaNAC7和TaNAC13等受干旱、高鹽、低溫等一種或幾種逆境脅迫誘導表達，過表達TaNAC2a能提高轉基因煙草的抗旱性。張宏娟等（2019）［17］通過轉基因水稻和轉錄組測序等手段發現，TaNAC67過表達可以增強轉基因水稻的抗旱性，為小麥抗旱分子育種提供優異基因資源。

4.3 TaSDIR1 在小麥的抗旱生理代謝中具有重要功能

泛素連接酶E3 是泛素蛋白酶體途徑中的關鍵性酶。研究發現，E3 泛素連接酶可以通過介導ABA受體、SnRK 蛋白激酶和轉錄因子的降解響應逆境脅迫。TaSAP5編碼一個RING 型E3 泛素連接酶，TaSAP5 蛋白與DREB2A 蛋白的負向調控因子DRIP互作，通過泛素化降解DRIP，使DREB2A下游基因表達增加，提高小麥的抗旱性。玉米ZmXerico1是一種RING 型E3 泛素連接酶，通過調節ABA8’-羥化酶蛋白的穩定性調控ABA 水平，提高玉米的抗旱性。SDIR1是一種RING 型E3 泛素連接酶，在某些植物中通過泛素化途徑在ABA 介導的干旱脅迫響應中起關鍵作用。TaSDIR1在平衡干旱脅迫和產量之間具有重要作用，為小麥抗旱育種的發展提供了依據。

5 結論和觀點

小麥生長的不同階段都會受到干旱脅迫，雖可以通過一系列的形態、生理和生化變化適應干旱脅迫，但這一過程中基因調控的反應極其復雜。隨著分子生物學在小麥抗旱性方面的研究，通過基因工程等技術培育開發抗旱優良品種成為提高小麥抗旱能力的有效途徑。目前，相關人員從功能基因和轉錄因子方面獲得了一些轉基因抗旱小麥材料，在干旱脅迫下展現出較好的抗旱性。然而大多數具有抗旱表型的轉基因小麥是基于使用組成型啟動子的基因過度表達，例如內參、CaMV35S 和泛素。因此，應考慮挖掘不影響產量的抗旱相關基因或通過合適的脅迫誘導啟動子表達這些基因，以達到產量損失最小化，更好地解決農業生產中的問題。

文章回顧的大多數基因已被證明可以增強小麥的抗旱性，但實用性和安全性尚未得到驗證，同時轉基因食品還未被人們完全接受。轉基因技術在小麥方面的應用面臨巨大挑戰，相關人員需持續發力，在提高轉基因小麥安全性、可靠性上下工夫。