科学通报 | 中国农业大学巩志忠教授、秦峰教授团队综述植物抗旱性研究进展

近日，中国农业大学巩志忠教授、秦峰教授课题组在《科学通报》发表了题为“植物抗旱性研究进展”的综述文章，阐述了逆境激素脱落酸的信号转导途径、和应答干旱胁迫的转录调控分子机制，总结了拟南芥、水稻、小麦和玉米在干旱胁迫影响植物生长发育方面的主要研究进展。

近年来，全球气温正在加速变暖、极端天气状况频发，对农业生产的影响日益凸显。 由气候变化引起的降水模式改变和温度升高，直接影响作物的水分利用效率和生长发育。干旱、温度极端变化等环境胁迫已成为限制农作物产量和品质的最重要因素。其中，干旱发生频率高、持续周期长、波及范围广，已经成为主要的气象灾害。干旱不仅常见于干旱与半干旱地区，即使在年总降水量较高的区域，若生长季内降水分配不均，仍可引发植物的干旱胁迫。植物如何感知和响应干旱胁迫是一个重要的生物学问题。由于植物对干旱胁迫的响应需与生长发育相协同，因此理解干旱胁迫信号、激素与生长发育途径间的互作尤为重要。

本文首先阐述逆境激素脱落酸（abscisic acid，ABA）的信号转导途径和应答干旱胁迫的转录调控分子机制（图1）。在干旱条件下，ABA复合物（PYR-ABA-PP2C）激活 SnRK2蛋白激酶家族蛋白，进而磷酸化并激活下游的转录因子（ABI5和AREBs）。这些转录因子结合到ABA依赖性基因启动子区域的ABA应答基序上（ABA-responsive elements, ABRE），诱导基因的表达，从而增强植物的抗旱能力。另外，RAF激酶在感知渗透胁迫信号后，通过磷酸化SnRK2s，促进其活性的增强。此过程不仅可以在缺乏ABA的条件下独立进行，同时也能与ABA信号通路协同作用，灵活应对不同强度和持续时间的干旱胁迫，从而提高其适应性和生存能力。

图1 干旱应答过程中的转录调控网络

当干旱发生后，植物体内会发生一系列形态、生理、生化变化，以维持其营养生长和生殖生长或提高干旱胁迫下生存概率，这种能力统称为抗旱性。其具体又可分为三种表现方式：（1）逃旱（drought escape）指在干旱条件下，缩短营养生长到生殖生长阶段的过渡时间，以确保成功完成生命周期或促进进入休眠状态，直到环境胁迫消失；（2）避旱（drought avoidance）指在干旱条件下，通过形态生理调节维持较高的组织水势，避开干旱对机体的影响，例如，根系构型优化、叶片卷曲、气孔开闭、叶表皮蜡质沉积等；（3）耐旱（drought tolerance）指在干旱条件下，通过主动积累渗透保护剂（如脯氨酸、甜菜碱）、激活抗氧化酶系统（superoxide dismutase, SOD；peroxidase，POD；catalase, CAT）及产生胁迫响应激素（ABA；jasmonic acid，JA），从而保障细胞结构完整和代谢功能稳定的适应机制。本文以叶片表皮蜡质合成、气孔发育与运动、根系生长及生殖发育等关键抗旱性状为切入点（图2），综述了拟南芥（Arabidopsis thaliana）、水稻（Oryza sativa）、小麦（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）在干旱胁迫影响植物生长发育方面的主要研究进展。这些研究成果对于理解植物如何适应干旱环境、提升作物的抗旱能力具有重要的科学价值，也将有助于推动农业的可持续发展，确保全球粮食安全。

图2 干旱胁迫影响植物生长和发育的复杂性

最后梳理了40年（1984–2024）以来中国农业大学生物学院在抗旱研究的代表性成果（图3）。巩志忠教授团队先后鉴定到GHR1、PUB12和PUB13等参与干旱响应的调控因子，它们在调控气孔关闭和ABA信号转导过程中具有重要作用。秦峰教授团队采用GWAS识别影响其幼苗干旱耐受性的遗传位点，先后鉴定到ZmNAC111、ZmVPP1和ZmSRO1d 等重要抗旱基因。郭岩教授团队成功鉴定到一种新型的肌动蛋白结合蛋白SCAB1。毛同林教授团队发现E3泛素连接酶MREL57通过泛素-26S蛋白酶体系统（UPS）调控微管稳定性。武维华院士团队发现转录因子ZmPHR1通过调控磷稳态来提高玉米抗旱性。这些研究成果为农作物抗旱节水的新品种分子设计育种等提供了理论依据和基因资源。

图3 干旱信号的感受与传递

图中红色部分是中国农业大学生物学院报道的研究成果

中国农业大学生物学院秦峰教授、巩志忠教授为论文通讯作者，刘升学副教授、马爱芳博士为论文第一作者。相关研究得到了国家重点研发计划(2022YFF1001602，2023YFF1001302)和国家自然科学基金(32171940)的资助。

文章信息

刘升学，马爱芳，秦峰，等. 植物抗旱性研究进展. 科学通报, 2025.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-0645.

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