小麦耐热耐旱关键基因与"持绿"表型的关联研究及其在气候智慧型农业中的应用

本研究针对气候变化导致的极端高温和干旱对小麦生产的威胁，通过分析4个澳大利亚商业小麦品种在单一热胁迫和热旱复合胁迫下的生理、生化和分子响应，揭示了TaGORK、TaHPX等关键基因通过调控气孔导度和叶绿素降解途径影响"持绿"性状的机制。研究发现Beckom品种通过维持50%更高的光合速率和45%的蒸腾速率，表现出显著的胁迫耐受性，其TaGORK基因表达量比敏感品种高1.9倍，而敏感品种Coota的TaHPX和TaLOX表达分别上调4.5倍和3.3倍。该成果为小麦抗逆育种提供了分子标记和表型筛选策略，发表于《BMC Plant Biology》。

　　

随着全球气温预计到2050年将上升1.5°C，极端气候正严重威胁着全球小麦生产。澳大利亚作为重要小麦出口国，2022年因热旱胁迫造成的损失高达20亿澳元。在这种背景下，"持绿"（Stay-green）性状——即植物在胁迫条件下维持光合能力和延长灌浆期的特性，成为育种学家关注的焦点。然而，这一复杂性状涉及多基因调控网络，其分子机制在主要粮食作物中仍不明确。

西悉尼大学的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究，首次系统解析了小麦持绿性状与TaGORK（外向整流钾通道）、TaHPX（血红素过氧化物酶）等关键基因的关联。通过比较Beckom（耐逆品种）和Coota（敏感品种）在热胁迫（35°C）和热旱复合胁迫下的响应，发现Beckom通过独特的"三重防御机制"维持抗性：TaGORK上调1.7倍优化气孔调控，叶绿素降解基因TaSGR下调延缓衰老，同时积累41.6 μmol/g FW的脯氨酸保护细胞结构。相比之下，Coota因TaHPX和TaLOX（脂氧合酶）过度激活导致活性氧（ROS）爆发，光合速率下降75%，最终减产91.6%。

研究采用温室控制实验，利用LI-6400XT光合仪测定气体交换参数，通过MultispeQ v.1设备量化SPAD（叶绿素含量）和NDVI（归一化植被指数）值，结合qPCR分析10个功能基因的表达模式。样本来自澳大利亚谷物技术公司提供的4个商业品种（Beckom、Coota、Catapult、Sunmaster），在花后7天施加3天胁迫处理。

生理性状分析
Beckom在胁迫期间保持最高的净光合速率（18.5 μmol CO₂ m^-2 s^-1），其蒸腾速率比Coota高45%。通过

可见，其气孔导度与光合效率呈显著正相关（r=0.84）。

持绿性状机制
Beckom的SPAD值比Coota高38%，对应其TaHPX表达量低4.5倍。

证实其叶绿素降解延缓。

基因表达谱
如图7所示，Beckom的TaGORK显著上调而TaRca（Rubisco活化酶）下调，Coota则呈现相反模式。这种差异直接导致Beckom的PSII（光系统II）量子效率比Coota高22%。

农艺性状验证
Beckom在复合胁迫下千粒重仅下降5.5%，而Coota暴跌71.6%。

显示产量与光合参数高度相关（r>0.7）。

该研究首次将气孔调控（TaGORK）、ROS平衡（TaHPX）和叶绿素代谢（TaLOX）通路整合到小麦持绿性状的分子框架中。提出的"胁迫响应三元模型"为分子标记辅助育种提供了新靶点：TaGORK可作为气孔调控的阳性标记，而TaHPX表达量可作为氧化损伤的预警指标。这些发现对开发适应气候变化的"智慧小麦"品种具有重要实践价值，尤其为澳大利亚年均77亿澳元的小麦产业提供了抗逆育种新策略。未来研究需在田间条件下验证这些标记的稳定性，并探索不同遗传背景下这些通路的互作机制。