北京
近日，华中农业大学生命科学技术学院代明球教授课题组在《科学通报》发表了题为“作物抗旱关键调控因子的挖掘与利用”的综述论文，从形态、生理和分子水平解析作物抗旱响应机制（图1），并综述了近年来报道的作物抗旱关键调控因子的研究。
图1 作物抗旱响应及调控机制。作物抗旱生理响应包括激素响应、气孔导度、根系发育、叶片失水速率、光合作用、渗透及抗氧化防御的改变。作物通过转录调控、翻译后调控及表观遗传调控，共同影响干旱响应基因的表达。
随着测序技术的发展，全基因组关联研究以及转录组、蛋白组、代谢组、表观遗传组、sRNAome和表型组等多组学分析展现出独特优势，通过整合多维度、系统化的数据，更加高效地挖掘作物抗旱关键调控因子，构建精确和全面的作物抗旱基因调控网络。抗旱基因的利用需要兼顾产量和抗性的平衡，可通过表观调控、分子模块设计育种、诱导型启动子利用和顺式调控元件编辑实现稳产与抗旱协同改良。论文还分析了抗旱基因在复合逆境胁迫下的作用，为利用生物技术手段进行多基因、多标记聚合的抗旱遗传改良提供理论基础。此外，植物生长调节剂及根际微生物提高作物抗旱性的研究与应用为作物抗旱改良提供新的策略。植物生长调节剂如激素、ABA激动剂、植物营养物质、多胺等，主要通过增强作物的抗氧化能力以及渗透调节，提高光合作用和水分利用效率，以及调控胁迫相关基因等提高作物抗旱性。近年来，根际微生物的研究越来越受到重视，根际微生物可通过多种直接或间接机制参与作物干旱胁迫响应。根际微生物介导作物抗旱机制包括调节植物的激素水平、合成ACC脱氨酶降低根部乙烯含量、增强植物抗氧化酶活性、产生胞外多糖，和释放挥发性有机化合物诱发植物抗旱信号转导（图2）。
图2 作物抗旱改良策略。通过多组学及分子标记辅助选择挖掘并利用抗旱关键调控因子。作物抗旱关键调控因子的利用需要综合考虑抗旱性与产量之间的平衡，以及其对多种复合逆境胁迫的适应性。此外，还可以通过植物生长调节剂和根系微生物来提高作物抗旱性。根际微生物介导植物抗旱机制包括调节植物的激素水平、合成ACC脱氨酶降低根部乙烯含量、增强植物抗氧化酶活性、产生胞外多糖(exopolysaccharides, EPS)和释放挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)诱发植物抗旱信号转导。
尽管目前已有许多作物抗旱关键调控因子的报道，但实际被应用于育种实践的抗旱基因仍十分有限。根系抗旱表型、根部抗旱多组学分析，以及根部和地上部互作机制等仍有待进一步研究。解析抗旱与产量、品质（高蛋白、高油分）平衡机制，以及抗旱与其他复合逆境胁迫的调控机制，将基础研究和育种实践相结合，培育抗旱稳产、多抗广适的作物新品种，是作物抗旱机制解析的最终目标。抗旱基因在实际育种中的运用也受到诸多限制，不依赖遗传背景的遗传转化方法仍需要进一步的探究和完善。基于分子模块设计育种、多基因聚合育种和多基因编辑系统的方法需要被更多的运用于作物抗旱品种培育。此外，开发实用、高效、低毒和对作物产量及生产环境无负面影响的植物生长调节剂，以及解析根际微生物提高作物抗旱的机制，筛选和开发适用于不同种植环境的微生物菌剂，对帮助作物应对田间干旱具有重要意义。
华中农业大学生命科学技术学院代明球教授为该论文的通讯作者，博士后彭文婷为该论文的第一作者。该工作得到了国家自然科学基金的支持。
文章信息
彭文婷, 李庆, 代明球, 作物抗旱关键调控因子的挖掘与利用, 科学通报
https://doi.org/10.1360/TB-2025-0062.
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