干旱是世界范围内限制作物生产的主要非生物逆境之一,全球平均每年因干旱造成的农业损失相当于其他非生物自然灾害造成的损失总和[1-2]。随着全球人口的不断增长和干旱半干旱地区面积的持续增加,对植物抗旱机制的研究以及抗旱能力提升的探索越来越受到科学家的关注,成为当前研究的热点之一。
花生（Arachis hypogaea L.）不仅是重要的油料作物,还是重要的植物蛋白来源[3]。此外,花生含有丰富的矿物质和维生素,具有很强的保健作用。花生适应性广,全球超过100个国家均有花生种植。我国是世界上重要的花生生产大国和消费大国,也是花生贸易大国。我国常年种植花生460多万hm2,产量超过1700万t,分别居世界第一和第二位。花生产业为保障我国食用植物油和蛋白供给、增加农民收入、提高油料产品国际竞争力、促进农业生产可持续发展作出了积极贡献。
然而,花生主要种植在干旱半干旱地区,经常遭受不同程度和持续时间的干旱胁迫。我国每年因干旱引起的花生减产率平均在20%以上,严重时可达88%,对花生生产造成了严重的影响[4]。所以,开展花生抗旱性研究对解析花生抗旱机制、培育抗旱花生品种、保障我国花生产业持续健康发展具有重要的意义。本文从花生对干旱胁迫的响应、抗旱性鉴定方法和指标、抗旱相关基因定位、克隆等方面进行总结和综述,以期为进一步揭示花生抗旱机理和抗旱育种提供参考。
1 花生对干旱胁迫的响应
作物的抗旱性指在干旱条件下, 完成其生长发育并获得产量的能力。Levitt[5]将作物的抗旱性分为3个方面,即避旱性、御旱性和耐旱性。
在御旱性方面,花生主要通过增加水分吸收和减少水分损失来抵御干旱。较大的根量及较强的根系吸收能力可以有效抵御干旱胁迫对植株所造成的伤害。厉广辉等[9]通过比较干旱胁迫下不同抗旱性花生品种的根系形态发现,抗旱性越强的花生品种根系干重、根系体积、根系总吸收面积、根系活跃吸收面积越大。Rucker等[10]发现具有较大根系干重的花生品种在干旱胁迫条件下可以获得更高的产量,抗旱性更好。在干旱条件下,植物叶片的适应性变化主要是有利于水分的保持和水分利用效率的提高。抗旱性越强的花生品种,其功能叶片厚度、栅栏组织厚度、栅/海比、比叶重、单株叶面积越大[11-12]。遇到干旱时,花生可以通过调整叶片与太阳照射的角度或叶片发生卷曲以降低水分散失量[8,13-14]。虽然也可以通过减小气孔开度或关闭气孔维持叶片高水势,但是可能会出现由于低的气孔导度和有限的蒸发冷却导致叶片温度升高,造成干旱和高温双重伤害[15]。
在耐旱性方面,花生主要通过调节渗透、提高抗氧化能力、加强细胞壁承受脱水和复水后的恢复能力等提高其抵御干旱的能力。在干旱条件下,花生体内的脯氨酸含量都会升高,品种间存在差异[16⇓-18]。刘吉升等[19]认为,花生体内脯氨酸含量的增加有利于提高花生对干旱胁迫的适应能力。干旱胁迫使花生中的膜质过氧化物和丙二醛含量明显升高,而抗旱花生品种中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等保护酶类受干旱胁迫的影响较小,可以减轻活性氧的积累引起的生物膜结构和功能的伤害[20]。土壤干旱降低了花生的光合速率、干物质积累和叶面积扩展,恢复供水后,各项指标都会得到不同程度的恢复,有时还会出现提高的趋势,表现出花生在适应干旱胁迫方面的一个优势[21-22]。脱落酸在干旱胁迫下的花生体内快速积累,诱导抗旱相关基因表达,引起气孔关闭, 调节植物体内水分平衡, 保护质膜结构和功能,提高花生的抗旱性[23]。
2 花生抗旱性鉴定的方法和指标
花生不同生育时期对干旱胁迫的响应存在差异,其中对水分最敏感的时期为花针期和结荚期,最不敏感的时期为苗期和成熟期[24⇓-26]。不同生育时期抗旱性鉴定的方法也不尽相同。花生种子萌发期的抗旱性主要是采用聚乙二醇模拟干旱的方法鉴定[27⇓-29]。发芽势、发芽率、发芽指数、胚根长、胚轴长、幼芽长、幼苗鲜/干重等指标与花生萌芽期的抗旱性呈极显著正相关,可以作为花生萌芽期抗旱性鉴定的指标。花生苗期抗旱性的鉴定主要通过聚乙二醇模拟干旱[30]、盆栽试验[31]、旱棚鉴定池[32]等进行。相对株高、相对植株鲜质量、干质量、花芽败育率可作为苗期耐旱性的重要指标。另外,利用远红外热成像仪检测干旱胁迫条件下花生苗期叶片温度的变化,发现其叶温的变化与生长特性和光合特性的耐旱系数有关联,可以用叶温差作为花生苗期抗旱性筛选的指标[33]。花生生育中后期的抗旱性鉴定主要在旱棚鉴定池进行[34-35]。花针期干旱胁迫主要影响单株结果数,结荚期和成熟期干旱则主要影响饱果率、百仁重、出仁率,这些指标可用于花生中后期抗旱性的评价[36]。为更加全面、客观、准确地评价花生的抗旱性,利用隶属函数法对花生的抗旱性进行评价越来越受到重视[37]。
3 花生抗旱相关基因定位
抗旱性是复杂的数量性状,受微效多基因与环境作用的影响,因此,定位花生抗旱相关基因,并在此基础上开发花生抗旱相关分子标记对利用标记辅助育种技术提高抗旱育种效率意义重大。然而,花生的抗旱相关基因挖掘、遗传机理的研究还处于起步阶段,基础比较薄弱。随着花生全基因组测序工作的完成,花生抗旱研究得到了一定发展。Varshney等[38]构建了栽培种花生的第一张SSR连锁图谱,并定位到38个与花生蒸腾作用、蒸腾效率、比叶面积、叶绿素含量等抗旱性状相关的QTL。但是由于目标性状在RILs群体内各株系间变异范围不大和图谱的SSR标记密度不高,导致定位到的QTL对表型变异的解释率较小。Ravi等[39]分别利用QTL Cartographer和QTL Network软件对花生比叶面积、叶绿素含量、冠层导度、蒸腾效率、总干重等9个与花生抗旱性相关的性状进行分析,分别定位到分布于54个区间的105个和分布于40个区间的65个主效QTL,可解释3.48%~33.36%和1.30%~15.01%表型变异。其中,包含多个性状QTL的12个区间在2种定位方法中均能检测到,共得到37个共定位QTL。Gautami[40]等构建了基于3个分离群体的协同遗传图谱,通过对3个分离群体中抗旱相关性状的联合分析,分别定位到153个主效QTL和25个上位性QTL与蒸腾作用、蒸腾效率、叶片干重、总干重等相关。Faye等[41]利用TAG 24×ICGV 86031构建的RIL群体定位到52个与株高、叶绿素含量、百粒重、收获指数等抗旱相关性状有关的QTL,其中位于LG_AhVIII上与叶绿素含量有关的QTL与Ravi等[39]利用该群体定位的结果一致。
4 花生抗旱相关基因克隆
转录因子通过与编码特定功能蛋白的基因启动子中的顺式作用元件结合,调控基因的表达、应答激素刺激和外界环境的胁迫,广泛参与植物对非生物胁迫的应答[42]。Liu等[43]从花生叶片中克隆到一个编码NAC转录因子的基因,即AhNAC2。超表达AhNAC2使拟南芥的叶片变少、开花期延迟、叶片气孔开度减小,抗旱性提高。表明该基因可能与花生的避旱性相关。超表达AhNAC3上调了花生中SOD、P5SC、LEA、ERD10C等基因的表达,表明AhNAC3通过提高过氧化物清除能力和促进各种保护分子积累从而提高花生的抗旱性[44]。过表达AhNAC4基因可以促进转基因烟草叶片气孔关闭和提高水分利用效率,从而提高烟草的抗旱性[45]。GLK转录因子是MYB类转录因子的一种,在调节植物光合作用相关基因表达中发挥着重要作用[46]。将AhGLK1转入拟南芥glk1glk2双突变体中,可显著提高干旱后复水时突变体的成活率。进一步研究发现,AhGLK1通过调控AhPORA的表达,促进叶绿素合成和提高光合作用。在拟南芥中超表达AhDREB1,可以有效调节活性氧积累和内源ABA水平,显著提高拟南芥的抗旱能力[47]。AP2/ERF在调控植物生长发育、应答生物和非生物胁迫方面发挥重要作用[48]。在干旱胁迫下,花生AhAP2上调表达,表明其与花生的抗旱性相关[49]。
LEA蛋白是一组高度亲水的蛋白质,表达受干旱、低温、高盐、脱落酸等诱导,表明其在植物响应非生物胁迫过程中发挥重要作用[50]。在烟草中超表达来自于花生野生种A. duranesis的AdLEA,可以显著降低叶片和气孔保卫细胞中的活性氧含量,使其保持较高的光合效率[51]。赵小波等[52]从花生分离得到3个LEA基因,分别为LEA2、LEA3和LEA4。表达结果表明,3个基因受干旱胁迫诱导,暗示其参与了花生对干旱胁迫的响应。热激蛋白是一种受逆境诱导合成的应激蛋白,在提高生物体适应逆境方面发挥积极作用[53]。将花生的AhHSP70转入烟草中,可以显著提高其抗旱性,推测AhHSP70与花生的抗旱性有关[54]。膜联蛋白具有与磷脂膜和钙离子结合的能力,与植物发育和对逆境的响应有关[55]。花生中的膜联蛋白基因的表达受逆境诱导,其中AnnAh1、AnnAh2、AnnAh3和AnnAh7受干旱胁迫诱导,表明它们在花生抗旱机制中发挥重要作用[56]。扩展蛋白是一种细胞壁蛋白, 可调节细胞壁的松弛和伸展,参与了一系列植物对生物和非生物胁迫的响应[57]。Guimaraes等[58]通过对花生扩展蛋白家族基因的研究发现,AraEXLB8的表达受干旱胁迫诱导,与花生的抗旱性相关。ABA转运蛋白在植物调控生长发育和响应干旱胁迫方面具有重要作用[59]。AhATL1受干旱胁迫和外源ABA诱导上调表达,在拟南芥中超表达AhATL1降低了其对ABA的敏感性,说明AhATL1参与调控依赖ABA的干旱胁迫响应[60]。
脂肪酸延长酶（KCS）在角质层蜡质生物合成中具有重要作用[61]。在花生中超表达AhKCS1,可以显著提高角质层蜡质和脯氨酸的含量、降低丙二醛的含量、减少膜损伤等,提高花生的抗旱性。推测其可能参与了花生的御旱响应[62]。9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶（NCED）是调控ABA合成的关键酶,对干旱胁迫下ABA水平的调控起着重要的作用[63]。AhNCED1的异位表达促进了拟南芥内源ABA的积累,并提高其抗旱能力[64]。泛素连接酶（UBCs）不仅对植物生长发育起着重要的调控作用,而且参与植物对逆境的响应[65]。Wan等[66]将花生AhUBC2转入拟南芥,在干旱胁迫下,AhUBC2通过上调AtP5CS1、AtRD29A和AtKIN1的表达,增加脯氨酸含量,提高拟南芥的抗旱能力。组蛋白去乙酰化酶参与染色体的结构修饰和基因表达调控,在调控植物生长发育和逆境响应方面发挥重要作用[67]。苏良辰等[68]研究认为,AhHDA1与ABA合成和信号传导有关,转AhHDA1花生具有较高的抗旱性和抗氧化能力。Bowman-Birk蛋白酶抑制剂（BBI）是一种富含半胱氨酸的植物蛋白酶抑制剂,在植物的抗逆反应中发挥重要作用[69]。AhBBI的表达受干旱胁迫诱导,且在抗旱花生品种中的表达量高于干旱敏感品种的表达量,表明其参与了花生的干旱胁迫响应[70]。
5 展望
随着全球变暖问题日益严重,旱灾发生的频率和程度还将进一步加剧。花生主要种植在干旱半干旱的地区,经过较长时间的人为选择以及作物自身适应性的增强,花生已经发展成为一种典型的抗旱作物。解析花生抗旱机制和改良花生品种抗旱性对调整旱区农业种植结构、促进旱区农民增收、提升我国花生产业发展水平、保障我国植物油和蛋白供给具有重大的现实意义。
5.1 花生抗旱机制解析
由于花生的抗旱性是一个复杂的数量性状,机制比较复杂,加之对花生的抗旱性研究起步较晚,所以花生的抗旱性研究还不够深入。花生全基因组测序的完成和分子生物学技术的不断进步将会极大地推动花生的抗旱性研究,花生抗旱相关QTL和优异抗旱基因得到进一步挖掘,为解析花生抗旱机理、培育抗旱花生品种、改良花生及其他作物抗旱性提供理论基础。
5.2 花生抗旱性改良
5.2.1 抗旱种质评价与创制 （1）广泛开展花生种质资源交流,积极引进并充分利用国内外抗旱种质资源,同时加强种质抗旱性鉴定方法及指标的研究。
5.2.2 抗旱品种筛选与培育 （1）大力开展抗旱花生品种筛选工作,为旱区花生生产品种选择提供参考。
（2）充分运用各种育种技术,加强抗旱花生品种的选育。由于花生抗旱性是数量性状,目前还没有开发出可以用于分子标记辅助选择育种的标记,所以目前还无法开展分子标记辅助选择育种。诱变育种可以提高育种效率,且已经在花生的抗旱育种中得到应用[73]。因此,杂交育种和诱变育种相结合进行花生抗旱品种选育是目前最为有效的方法之一。
（2）钙肥对植物的生长发育和代谢活动起着重要的作用,合理施用钙肥可以提高花生的抗旱性和产量[76]。开展钙肥对花生生长的影响研究,探索钙肥调控机制,对花生抗旱性改良研究具有重要的意义。