高羊茅抗旱分子機制研究進展

陳 錫，陳 瑩，劉曉霞，舒健虹，袁暘暘，王小利

(貴州省農業科學院 草業研究所，貴州 貴陽 550006)

干旱已經成為逆境因素的科學研究熱點之一，是一個嚴重制約農業生產的世界性問題，干旱這些年嚴重導致農業作物減產，從而帶來巨大的經濟損失。生物脅迫中的病蟲害破壞對農作物影響很大，但干旱對農作物的破壞高于病蟲害。干旱脅迫影響了植物生長發育速率，引起抗氧化活性氧損傷，抑制了氣孔開度，改變光合生理化學過程等，導致糧食作物的產量減少[1]。我國的干旱、半干旱地區面積相對較大，約占國土總面積的1/2。近年來，我國部分地區嚴重性干旱已影響了當地農業生產和經濟水平。因此，發展旱作農業、培育耐旱作物新品種是緩解干旱脅迫的有效途徑。

多年生高羊茅(Fescuearundinacea)原產于歐洲，是重要的冷季型草坪草，分布在我國新疆、東北中部濕潤地區。高羊茅是容易建坪、四季常綠、抗旱、耐鹽的長日照植物。其又屬于最抗旱的冷季型草，這可能與高羊茅較深的根系和較高的水分利用有關[2]。在夏季高羊茅易遭受高溫干旱脅迫造成產量減少、草地質量降低。因此，高羊茅的抗旱性研究對制定抗旱技術措施、選育抗旱品種等有重要意義。高羊茅基因組龐大，信息量少，屬于六倍體植株。其傳統的育種方式周期長、效率低，已經不能滿足當前生產需要。近年來，隨著分子遺傳學、轉錄組學、蛋白組學和基因表達調控的深入研究，利用基因克隆技術等基因工程手段導入植物基因組，即可獲得高抗旱性的新品種，改變了傳統育種模式的弊端，給新品種選育帶來新契機，高羊茅抗旱分子機制的研究得到提高。通過分析近幾年高羊茅抗旱分子機制中的關鍵基因，綜述了高羊茅的研究進展，以期為高羊茅的應用提供參考。

1 高羊茅抗旱生理機制

植物可以通過調節自身的防御系統抵御干旱脅迫，包括形態、氨基酸、生理生化指標(氨基酸和抗氧化防護酶)、激素、甲基化和去甲基化、關鍵基因的調控等。為了解高羊茅的抗旱生理機制，研究者通過高羊茅形態指標、生理生化指標、光合相關指標等分析了高羊茅抗旱生理特性。

湯章城等[3]研究發現，干旱脅迫下植物的脯氨酸占游離氨基酸的比例加大，從而抑制植物的蒸騰作用，氣孔開度下降，減少了水分的消耗，增加植物生存率。脫落酸被認為是植物的逆境激素[4]，其具有調節氣孔開關功能，干旱后土壤含水量下降，根系中的ABA大量合成并運輸到地上部，從而降低蒸散率[5-6]。而高羊茅是冷季型草坪草中最抗旱的草種之一，但高羊茅能夠保持較高的蒸散率，而非抑制蒸散率[7]。草坪草的細胞質膜透性可以衡量其抗旱能力[8]，胡果生等[9]研究不同冷季型草坪草的電導率發現，不同屬草坪草的蒸騰速率、抗旱性存在顯著差異，羊茅草屬的抗旱性最強，翦股穎屬最弱，早熟禾屬和黑麥草屬抗旱性介于羊茅屬和剪股穎屬之間。經干旱脅迫后高羊茅和鈍葉草(Stenotaphrumsecundatum)根系的質膜透性和MDA含量有不同程度的升高，但抗氧化酶活性均呈前期升高，后期下降的趨勢；高羊茅的抗氧化酶活性比鈍葉草升高得快且早，因此抗氧化酶活性與草坪草的不同抗旱機制存在密切關系[10]。

2 高羊茅抗旱分子機制

根據一些模式植物的基因組及高羊茅轉錄組學，結合分子生物技術手段，目前已經挖掘并分離克隆出一些高羊茅抗旱相關基因并對其功能進行研究，這為高羊茅抗旱分子機制研究奠定了一些基礎。

高羊茅基因組龐大，與其他二倍體植物及模式植物相比，抗旱分子機制研究相對較晚，干旱嚴重影響草質量與價值，目前關于高羊茅的研究陸續開展。如蔗糖：果聚糖-6-果糖基轉移酶(sucrose:fructan 6-fructosyl-transferase, 6-SFT)是禾本科植物中果聚糖合成的關鍵酶，在植物抵御干旱、低溫、鹽脅及氮脅等非生物逆境脅迫中起著十分重要的作用。果聚糖是果糖的多聚分子，其高可溶性能調節植物的滲透能力，果聚糖積累與被子植物的耐旱和耐寒性關系密切。張慧等[11]將果聚糖轉移酶基因導入煙草，能選出抗卡那霉素篩的芽，其能在1%NaCl的MS培養基上正常生長，表明果聚糖轉移酶基因能增強煙草的耐受性。陳錫等[12]將高羊茅進行干旱處理后果聚糖轉移酶基因的表達量上升。

SRP蛋白是一個響應脅迫相關的重要蛋白，通過干旱、高溫及其他逆境脅處理時擬南芥表達量顯著上調[13]。橡膠SRP基因的表達水平與橡膠樹的抗逆性高度相關[14]。于二汝等[15]對高羊茅的SRP基因研究，發現該基因受干旱脅迫后表達量上調。隨著抗旱基因的不斷分離克隆，一些抗旱相關基因的功能被陸續揭露。隨著當今環境的變化多端，干旱程度已經超越了高羊茅的耐旱限度。所以通過基因工程手段來研究高羊茅的抗旱性是可行的，可以構建過表達載體遺傳轉化高羊茅，或通過基因敲除或者RNA干擾技術對高羊茅抗旱基因及抗旱性能進行深入的研究，以提高高羊茅的生產及應用價值，同時，也為今后高羊茅的抗旱研究提供基礎資料。

3 展望

高羊茅植物的抗旱性強，目前已分離克隆了較多的高羊茅抗旱相關基因，并分析了其逆境脅迫環境下表達調控。并通過基因工程手段構建表達載體，讓抗旱相關基因在高羊茅植株中過量表達，可以顯著提高植物的抗旱能力，獲得抗旱性轉基因高羊茅，研究其功能性狀。

植物的抗旱參與基因繁多，抗旱系統的網絡復雜。為從根本上提高作物的抗旱性，需要利用基因分析、基因網絡、基因表達調控、基因組等手段，并需要同時分析耐熱、抗病等其他抗性性狀，系統地對干旱傷害和作物抗旱機理進行更深入的解析。