综述：高粱抗旱性增强的分子机制与传统育种方法

《Advances in Agriculture》：Molecular Insights and Conventional Breeding Approaches to Enhance Drought Resilience in Sorghum

　　

干旱是降低作物籽粒产量的主要因素之一，根据严重程度和发育阶段可导致完全失败。在干旱低地地区，由于不可预测的天气条件，干旱的发生是常见现象。高粱是一种模式谷类作物，能在水分胁迫限制其他作物生长的恶劣环境中生长。研究该作物应对干旱胁迫的机制是设计干旱易发地区育种策略的基本方面。本综述综合了多种干旱响应机制和育种方法，为整体育种系统提供信息。研究人员整合了先前和当前的研究，以提供整体理解，帮助育种者设计有效的育种策略以开发抗旱性状。整体研究方法对于识别植物应对水分胁迫的干旱响应机制至关重要，这些机制包括对干旱胁迫的生理、形态、生化和分子响应。该方法有助于识别一致的模式、知识空白以及研究结果可能存在差异的地方。因此，研究人员综述了对干旱胁迫的响应机制。生理响应机制，如水分利用效率（WUE）、气孔调节、渗透调节（OA）和滞绿表型，能够在干旱胁迫条件下维持光合作用和产量。在形态响应方面，深根系结构、优化的冠层结构和表皮质蜡沉积增强了作物水分获取并减少蒸腾损失，在干旱适应中发挥关键作用。干旱响应的分子机制由复杂的信号网络调控，涉及脱落酸（ABA）、转录因子（TFs）和胁迫响应基因，包括晚期胚胎发生丰富（LEA）蛋白、脱水素（DHNs）和水通道蛋白。转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术已促进了主要基因或性状的修饰，包括与干旱适应相关的通路。这些技术被用于通过整合育种方法（包括传统育种、标记辅助选择、基因组选择（GS）和基因编辑方法）促进抗旱性状的开发。因此，本综述详细说明了以多种抗旱性状为重点的干旱响应机制，并强调整合育种方法对于提高高粱抗逆性、确保可持续谷物产量和加强粮食安全至关重要。

**1. 引言**
气候变化改变了降水模式与分布，导致频繁干旱胁迫，严重威胁农业生产，尤其在干旱低地地区。水分胁迫扰乱植物水分平衡，影响根系系统结构（RSA）、气孔关闭、光合作用及代谢过程。高粱作为C₄作物，适应高温与有限水分条件，其抗旱性源于复杂的生理、形态、生化及分子响应机制。本综述旨在整合前人研究，为育种者提供抗旱性状与育种策略的全面认知。

**2. 抗旱性的生理响应**
干旱胁迫触发复杂的生理调整，包括气孔调节、光合维持、渗透调节（OA）和激素信号。
**2.1 水分利用效率（WUE）**：WUE是光合速率与蒸腾速率之比，高粱具有高WUE。滞绿基因型通过维持叶面积和光合活性实现更高WUE，限制蒸腾于高蒸气压差（VPD）下也可改善WUE。
**2.2 气孔调节**：脱落酸（ABA）合成增强促进气孔关闭，减少水分损失并改善WUE。优化气孔导度的基因型在干旱下保持较高生物量和产量。
**2.3 干旱胁迫下的光合效率**：C₄作物通过CO₂浓缩机制降低光呼吸，抗旱基因型维持较高叶绿素荧光（Fv/Fm）和光系统II（PSII）稳定性。
**2.4 渗透调节（OA）**：积累脯氨酸、甘氨酸甜菜碱等溶质维持细胞膨压，抗旱基因型具有更高渗透物水平，推迟脱水效应并支持生长。
**2.5 根系水力导度（Kr）**：水通道蛋白（尤其是质膜内在蛋白PIPs和液泡膜内在蛋白TIPs）调节Kr，深根基因型优化Kr以从深层土壤吸水，平衡水分获取与保存。
**2.6 滞绿性状**：维持开花后叶面积和光合活性，增强WUE，受多个数量性状位点（QTLs）调控。

**3. 形态机制**
**3.1 根系系统结构（RSA）**：深根、广泛侧根分布的基因型获取深层水分，减少上层土壤侧根增殖可节约水分用于关键生长阶段。根系可塑性有助于动态调整生长模式。
**3.2 茎叶与冠层结构**：直立叶减少光截获与叶温，降低蒸腾；叶面积优化需平衡光合与水分损失；叶片卷曲减少蒸腾，是抗旱筛选的经济性状。
**3.3 分蘖模式**：适度分蘖数平衡营养生长与生殖成功，减少水分竞争，提升WUE和产量。
**3.4 蜡质**：表皮质蜡积累减少非气孔水分损失，降低叶温，高粱较其他谷物具有更高蜡质积累，增强抗旱性。

**4. 抗旱性的生化机制**
**4.1 细胞耐受与氧化还原稳态**：活性氧（ROS）过量产生导致氧化损伤，高粱通过酶促抗氧化剂（超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶APX）和非酶促抗氧化剂（类黄酮、酚类、类胡萝卜素）清除ROS，维持稳态。
**4.2 膜稳定性**：抗旱基因型维持较低膜损伤和较高叶绿素保留，膜完整性是抗旱性的可靠指标。
**4.3 蛋白质与核酸稳定性**：积累渗透调节物质作为化学伴侣，稳定蛋白质和核酸结构，维持酶活性。
**4.4 渗透调节物质或相容溶质**：包括脯氨酸（降低渗透势、清除ROS）、甘氨酸甜菜碱（保护叶绿体、稳定酶）、β-丙氨酸甜菜碱（增强细胞保护）、可溶性糖（葡萄糖、蔗糖、海藻糖，维持渗透平衡和能量储备）以及多元醇（甘露醇、山梨醇，参与OA和ROS清除）。
**4.5 干旱胁迫下的抗氧化系统**：
**4.5.1 酶促抗氧化剂**：SOD催化超氧化物转化为H₂O₂，CAT分解H₂O₂为水与氧，抗旱基因型保持较高酶活性。
**4.5.2 非酶促抗氧化剂**：抗坏血酸、生育酚、酚类化合物、类黄酮、单宁、萜类化合物和生物碱等，协同清除ROS，增强抗氧化能力。酚类化合物（如咖啡酸、阿魏酸）和类黄酮在干旱下积累，减少氧化损伤；单宁（特别是缩合单宁）调节水分损失并稳定细胞结构；萜类化合物参与气孔导度和OA；生物碱虽研究较少，但可能参与抗氧化与信号调节。

**5. 干旱响应的分子机制**
**5.1 调控网络与信号转导**：包括ABA依赖通路（ABA与PYR/PYL受体结合，抑制PP2C磷酸酶，释放SnRK2激酶，激活响应基因）和转录因子（TFs）。NAC TFs（NAM、ATAF1/2、CUC2）促进渗透调节物质积累和抗氧化酶活性；DREB TFs与DRE结合，激活渗透保护物质合成和抗氧化酶表达，高粱中多个DREB基因在干旱下上调。
**5.2 干旱响应中的基因信号**：包括信号基因诱导（如MAPK、CDPK、RLK家族）、TF诱导（NAC、DREB上调）和胁迫响应基因诱导。胁迫响应基因编码LEA蛋白、脱水素（DHNs）和水通道蛋白等。LEA蛋白高度亲水，稳定膜结构；DHNs具有伴侣蛋白特性，保护质膜和DNA；水通道蛋白（PIPs、TIPs）调节细胞水分平衡。

**6. 干旱响应机制的组学方法**
**6.1 转录组学**：鉴定出DREB、NAC、bZIP等TFs及渗透调节相关基因，RNA-seq揭示基因表达模式。
**6.2 蛋白质组学**：发现LEA蛋白、DHNs、抗氧化酶等在干旱下积累，涉及抗氧化防御、碳水化合物代谢等通路。
**6.3 代谢组学**：检测到脯氨酸、棉子糖、海藻糖等相容溶质及酚类化合物积累，结合mQTL、mGWAS可关联代谢性状与遗传位点。

**7. 遗传结构与滞绿性状**
滞绿性状由四个主要QTL（Stg1–Stg4）控制，分别位于第3、10、2、5号染色体。Stg1与Stg2与末端干旱下产量相关，Stg2与Stg3组合解释近半表型变异。BTx642品系是常用滞绿供体，滞绿与产量正相关，QTL共定位支持其育种价值。

**8. 抗旱性的传统育种策略**
**8.1 系谱选择**：自花授粉作物中追踪祖先，组合理想基因，成功用于根结构、滞绿等性状改良。
**8.2 轮回选择**：反复选择与互交积累有利等位基因，改良RSA、生物量积累和WUE。
**8.3 回交选择**：通过标记辅助回交（MABC）将Stg1–Stg4等QTL导入优良品种，提升产量稳定性，但需注意基因型×环境互作与连锁累赘。
**8.4 诱变育种**：使用物理或化学诱变剂诱导变异，改善根深、OA、滞绿和蜡质沉积。

**9. 抗旱性的先进育种技术**
**9.1 高通量表型（HTP）**：利用非侵入式遥感技术（冠层温度、归一化植被指数NDVI、地底雷达等）快速评估生理形态指标，加速筛选。
**9.2 分子标记辅助选择（MAS）**：利用SNP等标记与QTL关联，通过基因组关联研究（GWAS）定位抗旱候选基因。
**9.3 基因组选择（GS）**：基于全基因组标记估计育种值（GEBVs），结合环境互作和HTP数据，提高选择效率。
**9.4 基因编辑与遗传工程**：CRISPR/Cas9、TALENs等技术可敲除负调控因子或增强正调控因子（如DREB1A、P5CS），改良气孔密度、根毛长度和WUE。

**10. 将干旱响应机制整合到高粱育种策略中**
**10.1 利用遗传多样性与种质资源**：地方品种、野生近缘种提供新等位基因，拓宽遗传基础，为传统和先进育种提供资源。

**11. 结论**
高粱抗旱性是多层次性状，由生理、形态、生化和分子机制协同调控。生理上通过WUE、OA和滞绿等增强；形态上深根、优化冠层和蜡质；生化上渗透调节物质和抗氧化系统保护细胞；分子上ABA信号、TFs和胁迫响应基因协调响应。组学技术和传统与现代育种方法的整合是开发高产抗旱高粱品种的关键。