综述：鹰嘴豆干旱与盐胁迫韧性育种：生理与基因组学进展

《Plant Stress》：Breeding chickpea for drought and salinity resilience: Physiological and genomic advances

　　

干旱和盐渍化均因全球气候变化而加剧，对全球重要的豆类作物鹰嘴豆构成了主要威胁。尽管常规育种提高了生产力，但耐逆性本质上是多基因控制的，且强烈的基因型与环境（G×E）互作使得针对干旱和盐胁迫韧性的育种特别具有挑战性。在过去十年中，基因组学的进步，包括鹰嘴豆参考基因组测序、全基因组重测序和泛基因组分析，加速了基因组辅助育种，并揭示了与干旱和盐胁迫耐受性相关的关键数量性状位点（QTL）和基因组区域。功能基因组学和转录组学的平行进展鉴定了具有明确分子功能的候选基因，而蛋白质组学和代谢组学研究则加深了对胁迫响应途径的理解。高通量表型分析结合机器学习和深度学习，进一步完善了解析复杂性状的能力。新兴的基于CRISPR/Cas的基因组编辑提供了增强胁迫韧性的精确机会，人工智能（AI）在优化性状预测和选择方面显示出潜力。整合这些学科对于开发气候适应性鹰嘴豆品种及维持全球粮食安全至关重要。

1. 引言

全球气候变化以日益频繁的干旱和盐渍化事件为特征，对鹰嘴豆（Cicer arietinumL.）的生产力和全球粮食安全构成严重威胁。鹰嘴豆是一种营养密集型豆类作物，富含多种营养成分。全球生产主要集中在印度，然而干旱是导致产量损失高达50%的最严重非生物胁迫限制因素，尤其是在荚果发育和灌浆期的末期干旱。土壤盐渍化是另一大全球性挑战，估计全球有9亿至11.25亿公顷土地受影响。常规育种虽已交付了一些耐逆品种，但进展受限于复杂的G×E互作和漫长的育种周期。近期基因组学突破，包括高质量基因组组装和鹰嘴豆泛基因组的构建，加速了数量性状位点（QTL）、结构变异和关键候选基因的鉴定。高通量表型分析和AI驱动的数据分析能够跨生理和分子尺度详细表征胁迫响应，蛋白质组学和代谢组学则揭示了支撑适应性机制的蛋白质和代谢物。新兴的基因组编辑技术，特别是CRISPR/Cas系统，为验证基因功能和加速品种开发提供了强大工具。本综述批判性地综合了鹰嘴豆耐旱和耐盐生理性状的最新进展，整合了基因组学、功能生物学和新兴技术的见解，以指导未来的育种策略。

2. 干旱与盐胁迫下的生理响应

2.1 水分关系

鹰嘴豆在干旱和盐胁迫下采取综合的水分管理策略，涉及气孔导度、渗透调节和水运输的协调调控以维持组织水合状态。

干旱胁迫下，气孔关闭是最早的生理反应之一，减少了蒸腾作用但也限制了CO₂吸收和光合碳同化。随着土壤水分下降，相对叶片含水量（RLWC）逐渐降低，生殖期对脱水最为敏感。耐旱基因型能维持更高的RLWC、膜稳定性和更低的电解质渗漏，表明其细胞完整性和持水能力更强。水分利用效率（WUE），即单位蒸腾水量产生的生物量，是耐旱性的关键决定因素，与生物量积累呈正相关。

盐胁迫除了具有干旱的初始渗透效应外，还带来离子毒性的额外挑战。过量的Na⁺积累破坏了离子稳态，损害膜完整性和叶绿素合成。耐盐系（如ICC8950, ICCV10）相比敏感基因型（如ICC15868）能维持更高的RLWC和更好的持水性，并伴随渗透调节物质（脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖）的积累和抗氧化酶（SOD, CAT, APX）的激活，以减轻离子和氧化胁迫。水通道蛋白基因（如PIP1, PIP2）的上调也强化了水分保持。尽管两种胁迫在早期均产生渗透胁迫，但盐胁迫特有的离子毒性需要Na⁺外排、区隔化和离子稳态的调控机制（如SOS通路、NHX和HKT转运蛋白），而干旱则更侧重于根系构型的塑性和深层取水能力。

2.2 光合作用与气体交换

光合作用是生长和产量的主要决定因素，对干旱和盐胁迫高度敏感。

干旱胁迫强烈限制鹰嘴豆的光合能力和叶绿素稳定性。早期保守反应是气孔关闭，限制了CO₂扩散，导致净光合作用下降。除气孔限制外，干旱还诱导非气孔限制，包括光化学效率降低和叶绿素加速降解。耐旱基因型（如ICC4958）能通过增强抗氧化酶活性来稳定叶绿体结构。

盐胁迫通过渗透和离子效应共同损害光合作用，Na⁺诱导的膜完整性破坏和酶活性干扰比CO₂扩散限制更为主导。盐胁迫显著降低叶绿素含量、RuBisCo活性和PSII效率。耐盐系在相同离子积累下仍能保持光合性能和色素稳定性，表明其具有组织水平的耐受性而非单纯的离子排斥。

2.3 干旱下的根系适应

鹰嘴豆在干旱下表现出显著的根系构型（RSA）可塑性，增加根深度、生物量和长度密度以增强土壤水分提取。基因型间存在显著遗传变异，如ICC 4958和ICC 8261表现出优异的根系活力。多亲本高级世代互交（MAGIC）群体促进了复杂QTL的解析。根系作为动态信号器官，感知土壤干燥并通过脱落酸（ABA）介导的气孔调节减少水分流失。深根系和高生物量增强了WUE，但根系性状与籽粒产量的关系具有环境依赖性。

2.4 盐胁迫下的离子稳态

盐胁迫引发渗透和离子胁迫，过量的Na⁺和Cl^-积累破坏了离子稳态。耐盐基因型通过协调的生理和分子机制缓解这些影响，包括渗透调节物质积累、增强抗氧化防御以及有效的Na⁺外排和区室化。耐盐系（如ILC-482）通过SOS信号传导和NHX介导的液泡隔离维持较高的组织K⁺水平和K⁺/Na⁺比率。转录组和蛋白质组分析一致显示耐盐基因型中SOS1、NHX1、HKT1及相关转运蛋白的表达升高，支撑了高效的Na⁺外排和K⁺滞留。

2.5 激素信号与激素响应基因

植物激素整合环境线索与生长发育及防御调控。

干旱胁迫下，ABA是渗透胁迫的主要信号整合者，调节气孔关闭、渗透调节和脱水响应基因表达。乙烯与ABA协同微调转录重编程。细胞分裂素（CKs）调节根冠信号，赤霉素（GA）分解代谢限制茎伸长，茉莉酸（JA）和油菜素内酯（BR）与ABA互作以微调抗氧化能力和膜稳定性。转录因子（如NAC, AP2/ERF, bZIP）协调生长-胁迫权衡。

盐胁迫触发广泛的转录重编程，激活激素相关途径。比较RNA-seq分析显示耐盐基因型中海藻糖-6-磷酸合酶（TPS2）、LEA蛋白和热诱导基因的上调更强。GWAS和转录组数据的整合鉴定了盐响应候选基因（如NCED1, CDF1, DHN3）。miRNA–ARF相互作用调节根系构型和K⁺吸收，钙依赖性激酶（CDPKs, CIPKs, MAPKs）形成整合激素和胁迫信号的稳健调控网络。

3. 遗传资源与高通量表型分析

3.1 种质库

利用鹰嘴豆基因池内的自然遗传多样性是开发气候适应性品种的有效途径。田间筛选已鉴定出代表避旱、耐旱和早熟策略的基因型。根系构型（RSA）是决定耐旱性的关键因素，ICC 4958和ICC 8261因其发达的根系被广泛用作供体亲本。生化生理性状如高抗氧化酶活性、脯氨酸积累和稳定的碳同化能力（如Gokce, Bakhar-2011）增强了耐旱选择的精确性。对于耐盐性，不同基因型间存在显著的自然变异，如L550能在过量Na⁺下维持生长，Genesis 836通过将Na⁺隔离在表皮细胞耐受盐胁迫，多地点试验鉴定了ICC 9942等稳定的耐盐基因型。

3.2 作物野生近缘种（CWRs）

鹰嘴豆的CWRs代表了适应性性状等位基因的重要库。利用Cicer reticulatum的预育种计划已鉴定出具有改良根和地上部性状的品系。比较研究显示C. reticulatum具有优于栽培种的耐旱性，蛋白质组学分析揭示了脯氨酸和蔗糖生物合成相关蛋白的上调。Cicer microphyllum的转录组分析也鉴定了调控水分限制的适应性响应基因。然而，系统性探索CWRs用于耐盐性的研究仍然有限。

3.3 高通量表型分析（HTP）

HTP已成为加速抗逆品种开发的变革性方法。成像技术（RGB、高光谱、热成像和叶绿素荧光传感器）实现了对非破坏性、时间序列监测生理和形态响应的革命。

干旱胁迫研究中，热成像通过评估冠层温度和蒸腾动力学有效识别耐旱基因型。射频识别（RFID）标签平台和无人机系统（UAS）结合机器学习模型，能可靠估算生理和产量性状。

盐胁迫研究中，基于图像的表型分析揭示了盐胁迫下生长速率、株高和生物量的显著下降，并将种子数量确定为关键的选育标准。图像衍生性状与人工测量之间的强相关性验证了HTP作为快速、非破坏性筛选工具的效用。整合HTP衍生的表型数据可显著提高基因组选择准确性，加速复杂性状的遗传增益。

4. 改善干旱和盐胁迫耐受性的组学与基因组编辑方法

4.1 基因组定位

分子标记（SSRs, DArT, SNPs）的发展使得高密度连锁图谱的构建成为可能。QTL定位和全基因组关联研究（GWAS）是解析复杂性状遗传结构的主要方法。在鹰嘴豆中，鉴定了位于CaLG04上的QTL热点区域，该区域包含12个耐旱适应性性状，解释高达58.2%的表型变异。将该QTL热点从ICC 4958渗入到优良品种中产生了表现更佳的品系。对于耐盐性，已在Rupali × Genesis836等群体中鉴定出位于CaLG04和CaLG05上的关键QTL。GWAS进一步细化了耐盐位点，鉴定了CaPHL7和CaHKT1等基因。

基因组辅助育种利用这些资源加速了耐逆品种的选育，例如通过标记辅助回交将ICC 4958的QTL热点渗入到Pusa 372等品种中，育成了BG 4005等耐旱品种。

泛基因组研究分析了15个澳大利亚主栽品种及包含8个野生种的菊苣超泛基因组，鉴定了近14,000个可有基因和大量结构变异。这些可有基因富集了与农艺性状相关的基因，揭示了单参考基因组未能捕获的等位基因变异，为关联作图提供了强大框架。

功能基因组学方面，RNA-seq技术鉴定了大量差异表达基因（DEGs）和转录因子（TFs），如bHLH, AP2-ERF, NAC, WRKY等，参与干旱和盐胁迫响应。特定基因如CaRab-GTP介导Na⁺积累，CarNHX3和CarNHX7维持离子和pH稳态。

蛋白质组学和代谢组学分析揭示了干旱下细胞壁修饰蛋白、信号转导蛋白及代谢物（如肌醇磷酸代谢物）的作用。盐胁迫下，代谢物如管藻糖、肌醇和有机酸的变化与耐性相关。

基因组编辑技术，特别是CRISPR/Cas系统，提供了精确修饰目标DNA序列的机会。尽管受限于较低的转化效率和再生能力，但在其他作物中编辑OsRR22、GmAITR等基因的成功案例为鹰嘴豆通过敲除负调控因子或增强正调控因子来工程化胁迫耐受性提供了蓝图。

5. 结论与未来方向

鹰嘴豆是全球营养安全的关键作物，但日益严重的干旱和盐渍化威胁其生产力。利用地方品种和CWRs的自然遗传变异，通过预育种和基因组辅助选择将其导入优良品种是关键。必须在多环境中全面评估育种系以解析G×E互作。HTP与AI分析的结合将极大加速早期筛选。泛基因组资源为发现新的基因组区域和结构变异提供了框架。功能基因组学揭示了关键基因、调控网络和代谢途径。未来，优化转化再生体系并结合CRISPR/Cas技术精准编辑耐逆相关基因，将是培育兼具抗旱耐盐特性的气候智能型鹰嘴豆品种的战略重点。