孫聚濤,王 洋,鄭 艷,2,張正斌

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

小麥水分高效利用分子育種研究進(jìn)展

孫聚濤1,王 洋1,鄭 艷1,2,張正斌1

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

干旱缺水是引起全球作物減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害。小麥水分高效利用遺傳改良是一個(gè)重大課題。本文對(duì)小麥水分高效利用分子標(biāo)記、功能基因克隆鑒定、轉(zhuǎn)基因、分子設(shè)計(jì)育種等方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。在小麥中已經(jīng)鑒定出A組染色體上存在控制水分利用效率的QTL；開(kāi)發(fā)出與 TaSAP1等基因緊密連鎖的功能標(biāo)記；克隆了轉(zhuǎn)錄因子基因TaWRKY并對(duì)其抗旱抗逆功能進(jìn)行了鑒定；轉(zhuǎn) HVA1和DREB等基因的小麥可以明顯提高水分高效利用能力；利用水旱地品種進(jìn)行輪回雜交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)進(jìn)行了小麥水分高效利用分子設(shè)計(jì)育種初探。以上研究進(jìn)展為小麥水分高效利用遺傳改良提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

小麥；水分高效利用；QTLs；功能基因；轉(zhuǎn)基因；分子模塊

干旱缺水是制約全球小麥生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]。提高小麥水分高效利用能力是育種家們所要面臨的一項(xiàng)艱難的任務(wù)。主要原因是植物水分高效利用能力受多基因控制，遺傳力低以及基因與環(huán)境互作影響大，導(dǎo)致植物水分高效利用機(jī)理目前還沒(méi)有完全研究清楚[2-3]。因此，一方面我們需要不斷地完善對(duì)不同抗旱類型的分子機(jī)理說(shuō)明，另一方面需要?dú)w納總結(jié)植物水分高效利用的共同機(jī)理。本文從分子標(biāo)記、功能基因研究、轉(zhuǎn)基因育種與分子模塊育種等方面出發(fā)，就近年來(lái)小麥抗旱節(jié)水分子育種研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，以期為小麥水分高效利用的遺傳改良提供幫助。

1 小麥水分高效利用相關(guān)分子標(biāo)記及輔助選擇育種

隨著小麥基因組研究的深入發(fā)展，以及人們對(duì)植物水分高效利用機(jī)理的不斷認(rèn)識(shí)，需要進(jìn)一步將小麥Q(jìng)TL和分子標(biāo)記進(jìn)行分解，將精細(xì)定位與對(duì)應(yīng)的同源基因相聯(lián)系，從數(shù)量性狀位點(diǎn)到數(shù)量性狀基因(QTG,quantitative trait gene)，使相應(yīng)的研究結(jié)果可以更有效地應(yīng)用到小麥水分高效利用分子模塊育種中。

分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)為改良小麥水分高效利用提供了新的機(jī)遇，它不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)作物育種中選擇準(zhǔn)確率低的缺點(diǎn)，而且加快了育種進(jìn)程[4]。通過(guò)利用與水分高效利用相關(guān)基因緊密連鎖的標(biāo)記(0～5 cM)，在育種工作中進(jìn)行標(biāo)記輔助選擇，使育種家不用進(jìn)行表型鑒定就能夠找到調(diào)控水分高效利用相關(guān)性狀的遺傳位點(diǎn)，可省去大量的田間試驗(yàn)工作，提高選擇效率。

研究作物水分利用效率(water use efficiency,WUE)的遺傳改良可以實(shí)現(xiàn)將抗旱性和豐產(chǎn)性統(tǒng)一于一體[3]。張正斌等[5]最先利用小麥重組自交系(Synthetics×Opata 85)鑒定WUE生理形態(tài)指標(biāo)和根系形態(tài)指標(biāo)，并結(jié)合RFLP遺傳圖譜檢測(cè)小麥WUE相關(guān)QTL。結(jié)果表明，在1A和6D染色體上有2個(gè)控制葉片WUE(光合速率/蒸騰速率)的QTL，在3B、3D、4A、5B、6D、7A染色體上有10個(gè)控制單株WUE(莖葉+根干重/單株耗水量)的QTL，在2A、3B、4A、6D染色體上有6個(gè)控制地上部單株WUE(莖葉干重/單株耗水量)的QTL，在染色體2A、2B、3A、3B、4A、5B上有7個(gè)控制地下部單株WUE(根干重/單株耗水量)的QTL。隨后，周曉果等[6-7]利用旱選10號(hào)×魯麥14的DH遺傳作圖群體和小麥重組近交系(Synthetics×Opata 85)對(duì)基因組信息進(jìn)行進(jìn)一步比較，結(jié)果表明，在2個(gè)不同遺傳作圖群體中的相同染色體上定位出了控制相同WUE的基因，即在7A染色體上均有控制單株WUE的QTL，2A、3B和4A染色體上均有控制莖葉WUE的QTL，3A染色體上均有控制耗水量的QTL，2A染色體上均有控制幼苗根干重的QTL，說(shuō)明A組染色體在小麥的水分利用方面具有重要作用。這些都為小麥WUE的分子標(biāo)記輔助選擇育種和基因克隆打下了良好的基礎(chǔ)。

目前，不同的研究者已在小麥中鑒定了許多抗旱及相關(guān)性狀的QTL[8-15]。Peleg等[8]通過(guò)鑒定產(chǎn)量、形態(tài)、生理、生育期相關(guān)指標(biāo)，利用重組自交系在小麥中定位抗旱相關(guān)QTL，其中與產(chǎn)量指標(biāo)有關(guān)的抗旱QTL主要分布在2B、4A、5A和7B染色體上。Maccaferri等[11]利用硬粒小麥249份重組自交系作圖群體，在16個(gè)不同水分條件下，通過(guò)對(duì)產(chǎn)量、花期和株高相關(guān)指標(biāo)鑒定，對(duì)抗旱QTL進(jìn)行研究。結(jié)果表明，與產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)的主要抗旱QTL定位在2BL和3BS染色體上，與株高指標(biāo)相關(guān)的主要抗旱QTL定位在3AL和7AS上，與花期指標(biāo)相關(guān)的主要抗旱QTL定位在2AS、2BL和7BS上[11]。Zhang等[14]利用小麥重組自交系，進(jìn)一步研究胚芽鞘長(zhǎng)度、根部鮮重、莖葉鮮重等12個(gè)與抗旱相關(guān)的性狀，在除3D以外的其他20條染色體上共檢測(cè)到88個(gè)QTL。更值得注意的是，Ma等[15]在定位小麥抗旱QTL時(shí)選擇丙二醛(MDA)含量作為抗旱鑒定指標(biāo)，以生理小分子作指標(biāo)，使復(fù)雜的抗旱性狀簡(jiǎn)單化，這樣更加準(zhǔn)確，定位區(qū)間更小。結(jié)果顯示，不缺水和干旱條件下，在3B染色體上檢測(cè)到一個(gè)控制MDA含量的主效QTL，其貢獻(xiàn)率達(dá)到30%以上[15]。因MDA與抗病抗旱相關(guān)，從而這個(gè)QTL可能與抗病抗旱相關(guān)，另外這個(gè)QTL還可以進(jìn)一步用于基因精細(xì)定位，進(jìn)而開(kāi)發(fā)緊密連鎖的分子標(biāo)記。

Chang等[16]利用小麥抗旱基因 TaSAP1上的3對(duì)標(biāo)記將300份小麥材料劃分成6種單倍型， TaSAP1位于標(biāo)記Xwmc530與Xbarc174之間，同時(shí)也在這2對(duì)標(biāo)記間檢測(cè)到一個(gè)產(chǎn)量相關(guān)QTL，這樣利用同一個(gè)分子標(biāo)記將抗旱與產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)位點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，使這些功能標(biāo)記的利用價(jià)值大大提高。

目前，MAS技術(shù)多用于選育抗病性強(qiáng)或高品質(zhì)小麥品種的研究上[17-20]，對(duì)小麥抗旱分子標(biāo)記輔助選擇育種的研究仍相對(duì)緩慢。張 帆等[17]鑒定和篩選出了一批具有強(qiáng)抗旱性的小麥材料；從普通小麥中克隆出了5BS染色體上Trx超家族的新成員TaNRX，并明確了其與抗旱相關(guān)等位變異在普通小麥中有兩種以上類型；依據(jù)兩組極端品種序列差異，設(shè)計(jì)特異性引物，通過(guò)大量品種和群體后代驗(yàn)證，最終開(kāi)發(fā)出了4對(duì)與小麥抗旱相關(guān)的顯性互補(bǔ)STS分子標(biāo)記。這4對(duì)標(biāo)記可以用來(lái)加快選育抗旱品種速率。隨著小麥水分高效利用的分子標(biāo)記不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，將加快小麥水分高效利用分子設(shè)計(jì)育種的發(fā)展。

2 小麥水分高效利用相關(guān)基因克隆與功能鑒定

小麥水分高效利用受多基因控制，代謝網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜[4]。國(guó)內(nèi)外最新研究表明，小麥等作物生育期經(jīng)常遇到干旱、高溫、低溫等互作的多種逆境，主要是由脫落酸(ABA)、茉莉酸(JA)等激素介導(dǎo)的信號(hào)途徑調(diào)控多個(gè)類型的轉(zhuǎn)錄因子如DREB、MYB、WRKY等，進(jìn)一步調(diào)控下游抗逆基因如 Rd29等，控制抗旱水分高效性狀[4]。

植物表皮蠟質(zhì)具有保護(hù)植物內(nèi)部組織和防止水分喪失的功能，控制其合成的相關(guān)基因與抗旱能力有著密切關(guān)系[21-22]。研究表明，面包小麥葉片的表皮蠟質(zhì)主要由初級(jí)醇構(gòu)成。小麥栽培種Xiong 2718中克隆得到的 TaFAR5，為 TAA1b的等位基因，在小麥葉片表皮蠟質(zhì)的原醇合成過(guò)程中起到新的功能，其編碼合成一個(gè)脂酰輔酶A還原酶(FAR)，且在葉片、花藥、雌蕊和種子中表達(dá)[23]。綠色熒光蛋白標(biāo)記定位顯示， TaFAR5定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)原醇合成的場(chǎng)所上， TaFAR5的轉(zhuǎn)錄水平受干旱、冷和ABA的影響[23]。

激素與植物的抗旱調(diào)控有密切關(guān)系，其中一大類激素(ABA)在調(diào)節(jié)植物遭受逆境脅迫時(shí)起到關(guān)鍵作用，通過(guò)控制ABA家族成員來(lái)改變作物對(duì)ABA的響應(yīng)，有著很大的應(yīng)用潛力，其中包括作物對(duì)干旱耐受力的提高[24-26]。選取三個(gè)不同擬南芥ABA響應(yīng)途徑基因 Era1(ABA響應(yīng)增強(qiáng)子基因)、 Cyp707a(ABA8'-羧化酶基因)和 Sal1(肌醇多聚磷酸鹽1-磷酸酶基因)，利用病毒誘導(dǎo)基因沉默(VIGS)的方法對(duì)這三個(gè)基因的小麥同源基因進(jìn)行基因沉默研究[27]。結(jié)果表明，對(duì)VIGS處理后的小麥植株實(shí)時(shí)定量PCR分析，這些基因的表達(dá)量顯著降低[27]。當(dāng)基因 Era1與 Sal1被沉默后，在缺水的條件下小麥的相對(duì)含水量提高、水分利用效率增強(qiáng)、空氣交換降低、水勢(shì)提高，即抗旱能力增強(qiáng)，而基因 Cyp707a沒(méi)有顯著的變化[27]。

水孔蛋白(AQP)家族定位在生物膜上，參與水分子等一些小分子的運(yùn)輸。大量的研究證實(shí)[28-31]，谷物不同組織PIP質(zhì)膜內(nèi)在蛋白(PIPs)和TIP液泡膜內(nèi)在蛋白(TIPs)兩類蛋白家族成員的mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物或蛋白表達(dá)量受干旱、鹽、冷影響，其中大部分對(duì)這些逆境有不同的反應(yīng)。對(duì)AQP基因家族的研究表明，PIP2亞家族成員總體上對(duì)水分具有高度的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而PIP1亞家族的部分成員則幾乎不具有這種能力。在小麥中，水孔蛋白基因 TaAQP7是一個(gè)PIP2亞家族基因，其定位在質(zhì)膜上[32]。在另一個(gè)研究中，發(fā)現(xiàn)小麥的 TaAQP8屬于PIP1亞家族基因，其定位在質(zhì)膜上，在煙草中過(guò)表達(dá)后，表現(xiàn)為根長(zhǎng)增長(zhǎng)，抗鹽性增加[33]。

有一大類信號(hào)分子磷酸化酶，它們?cè)诳购低緩降牡鞍紫嗷プ饔镁W(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮功能。盡管在這一級(jí)聯(lián)反應(yīng)中，主要的一些脅迫相關(guān)激酶和磷酸化酶已經(jīng)被我們所知，它們分別被命名為分裂素激活蛋白激酶(MAPKs)、SNF1-Like激酶(SnRKs)、鈣依賴蛋白激酶(CDPKs)和MAP激酶磷酸化酶(MKPs)，但是有關(guān)這方面相關(guān)組分的信息仍然還沒(méi)完備。因此，需要進(jìn)一步了解這些組分的位置，以及它們?cè)谛盘?hào)網(wǎng)絡(luò)中的相互作用。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，從小麥中克隆的4個(gè)SNF-1-like激酶基因 TaSnRK2.4[34]、 TaSnRK2.7[35]、 TaSnRK2.8[36]和 TaSnRK2.1[37]被用來(lái)進(jìn)一步研究與抗旱性的關(guān)系。在另外的研究中，一個(gè)MAP磷酸化激酶基因 TdTMKP1被從硬質(zhì)小麥中克隆鑒定出來(lái)，它可與兩個(gè)MAPKs基因 TdTMPK3 和 TdTMPK6 相互作用，并負(fù)向調(diào)控它們[38]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)少見(jiàn)的激酶基因 TaABC1，與抗旱相關(guān)[39]。

另外還有一些防護(hù)蛋白也參與到抗脅迫反應(yīng)的相關(guān)過(guò)程，包括LEA蛋白、熱激蛋白和離子通道蛋白。最近研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)小麥栽培種進(jìn)行逐漸的干旱和復(fù)性處理時(shí)，LEA蛋白和脫水蛋白在轉(zhuǎn)錄水平與蛋白水平發(fā)生了改變[40]。在另外一個(gè)研究中，對(duì)一個(gè)小麥品種內(nèi)的Na+/K+轉(zhuǎn)運(yùn)體(HKT-1)的InDel(插入/缺失)和SNP分析發(fā)現(xiàn)，其中的一種錯(cuò)義突變和SNP類型在抗性品種中占主要類型，這表明離子通道蛋白在小麥的抗旱品種與非抗旱品種中有不同的類型，它的功能改變與小麥抗旱性有關(guān)[41]。

WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族是高等植物十大轉(zhuǎn)錄因子家族之一，屬于鋅指型轉(zhuǎn)錄因子。WRKY轉(zhuǎn)錄因子參與了植物的形態(tài)建成、生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)代謝、植物對(duì)病蟲(chóng)害的防衛(wèi)反應(yīng)以及對(duì)非生物逆境的脅迫應(yīng)答等多種重要生理生化過(guò)程。Niu等[42]通過(guò)EST鑒定了小麥的43個(gè) TaWRKY基因，多個(gè)基因受到多種脅迫的誘導(dǎo)，其中WRKY2和WRKY19轉(zhuǎn)錄因子蛋白均定位于細(xì)胞核，可特異結(jié)合典型的順式作用元件W-box。在擬南芥中過(guò)表達(dá) WRKY2 可提高轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽、耐旱性，而過(guò)表達(dá) WRKY19可提高轉(zhuǎn)基因植物的耐旱、耐鹽和耐冷性。WRKY2可結(jié)合脅迫應(yīng)答基因STZ和 RD29B 的啟動(dòng)子并激活其表達(dá)，WRKY19可結(jié)合 DREB2A 和 Cor6.6 的啟動(dòng)子并激活其表達(dá)，同時(shí)WRKY19也調(diào)控 RD29A和 RD29B的表達(dá)，但可能不是通過(guò)直接結(jié)合其啟動(dòng)子。兩個(gè)基因?qū)χ参镌诓煌{迫下的耐受性提高可能是由于其調(diào)控了不同的下游基因[42]。

隨著在模式植物中對(duì)重要水分高效利用相關(guān)基因的克隆和功能鑒定的深入研究，通過(guò)同源序列基因克隆的方法，加快了小麥水分高效利用基因的功能解析和鑒定，為小麥水分高效利用分子設(shè)計(jì)育種提供強(qiáng)有力的支撐。

3 小麥水分高效利用轉(zhuǎn)基因育種

遺傳工程是一項(xiàng)帶來(lái)變革的技術(shù)，它的出現(xiàn)是未來(lái)糧食可持續(xù)發(fā)展的重要保障，已有研究表明，轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以提高小麥水分高效利用能力。大麥ABA響應(yīng)基因 HVA1，屬于胚晚期豐富蛋白(LEA)的成員，美國(guó)科學(xué)家利用玉米的ubi1啟動(dòng)子將其轉(zhuǎn)化到小麥，在轉(zhuǎn)基因小麥中 HVA1表達(dá)量較高，轉(zhuǎn)基因后代的水分利用效率(0.66～0.68 g·kg-1)顯著高于對(duì)照組(0.57～0.53 g·kg-1)，同時(shí)轉(zhuǎn)基因小麥的總干物質(zhì)重、根鮮重及根干重也顯著高于對(duì)照組，表明轉(zhuǎn) HVA1基因小麥在干旱缺水條件下生長(zhǎng)狀況得到明顯的改善[43]。mtlD基因來(lái)自大腸桿菌，控制合成甘露醇，將mtlD轉(zhuǎn)化至小麥，發(fā)現(xiàn)對(duì)照組愈傷重量降低了40%(PEG8000條件下)和37%(100 mmol·L-1NaCl條件下)，而轉(zhuǎn)基因愈傷沒(méi)有變化[44]。PEG條件下，對(duì)照組植株的鮮重、干重、株高和旗葉長(zhǎng)分別減低70%、56%、40%和45%，與之相比轉(zhuǎn)基因植株則為40%、8%、18%和29%。鹽脅迫條件下，對(duì)照組植株的鮮重、干重、株高和旗葉長(zhǎng)分別減低77%、73%、25%和36%，與之相比轉(zhuǎn)基因植株則為50%、30%、12%和20%[44]。

DREB1A是一類可以識(shí)別干旱響應(yīng)元件的轉(zhuǎn)錄因子，在干旱條件下調(diào)控抗逆基因 rd29A的啟動(dòng)子表達(dá)。轉(zhuǎn) DREB1A基因小麥在干旱缺水的培養(yǎng)條件下，植株的萎蔫時(shí)期比對(duì)照推遲了10 d，抗旱能力得到了明顯提高[45]。連接脅迫誘導(dǎo)啟動(dòng)子rab17和DREB3后，轉(zhuǎn)化小麥栽培品種Bobwhite，顯著提高了轉(zhuǎn)基因小麥的抗旱能力，另外T2代與不同的栽培品種雜交后，顯著的提高了BC3F1含有轉(zhuǎn)基因的后代植株的抗旱性[46]。

Qin等[47]報(bào)道，含玉米磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)的轉(zhuǎn)基因普通小麥植株的抗旱能力和產(chǎn)量均得到了不同程度的提高。轉(zhuǎn)基因植株在脅迫處理時(shí)，有著更發(fā)達(dá)的根系統(tǒng)和更強(qiáng)的光合能力[47]。在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因植株伴隨著生物量的提高，糧食產(chǎn)量也增加了，轉(zhuǎn)基因植株的穗型變大、穗粒數(shù)變多和千粒重增加[47]。在無(wú)脅迫處理時(shí)，轉(zhuǎn)基因株除了光合速率以外，其他的表型與親本比較沒(méi)有太大改變[47]。

以上這些轉(zhuǎn)基因研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因技術(shù)為小麥水分高效利用遺傳改良提供了一條新的途徑。

4 小麥水分高效利用分子設(shè)計(jì)育種初探

董 聰?shù)萚48-49]對(duì)已克隆出的8個(gè)小麥抗旱節(jié)水相關(guān)基因(3個(gè)蠟質(zhì)合成基因 Cer1、 Cer5、 Cer6，1個(gè)水通道蛋白基因 AQP1a，2個(gè)蘋果酸脫氫酶基因 NADP1、 NADP2，2個(gè)WRKY轉(zhuǎn)錄因子基因 WRKY2 和 WRKY19)，通過(guò)PCR檢測(cè)等技術(shù)在91份小麥隨機(jī)材料中(6個(gè)祖先種、20個(gè)黃淮水旱地推廣品種、31個(gè)高代品系、21個(gè)水旱地雜交F1及13個(gè)回交BCF1)進(jìn)行擴(kuò)增檢測(cè)和后代基因組裝解析。結(jié)果表明，在不同小麥進(jìn)化材料中可以檢測(cè)到相同的基因( TaCer5和 TaAQP1a)，說(shuō)明這些抗旱基因在小麥長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中有重要作用。旱地品種多含 TaNADP1和 TaNADP2基因，水地品種多含 TaCer5和 TaCer6基因。31個(gè)高代品系都擴(kuò)增到6個(gè)以上的基因，說(shuō)明通過(guò)前期抗旱基因鑒定和有目的的抗旱設(shè)計(jì)育種過(guò)程中經(jīng)過(guò)不斷的雜交、選擇很多優(yōu)異基因可以保留下來(lái)。

孟 肖等[50]利用8個(gè)WUE相關(guān)的QTL和2個(gè)與葉水勢(shì)緊密連鎖的分子標(biāo)記，通過(guò)PCR技術(shù)檢測(cè)了其在小麥的進(jìn)化種質(zhì)、黃淮海麥區(qū)小麥品種(系)、高代小麥新品系和F1代共81份小麥隨機(jī)材料中的分布。結(jié)果表明，在10份小麥進(jìn)化種質(zhì)中，有9個(gè)WUE相關(guān)分子標(biāo)記的出現(xiàn)頻率均高于70%。在27個(gè)黃淮海水旱地區(qū)代表品種(系)中，有7個(gè)WUE相關(guān)分子標(biāo)記的出現(xiàn)頻率高于85%。在44份高代品系和F1代中，有9個(gè)WUE相關(guān)分子標(biāo)記的出現(xiàn)頻率高于90%。在晉麥47×京東8號(hào)、濟(jì)麥22×運(yùn)旱22-23和濟(jì)麥22×長(zhǎng)6878雜交F1代中實(shí)現(xiàn)了WUE相關(guān)分子模塊組裝。

綜合利用基因組測(cè)序及分子標(biāo)記輔助選擇等手段，進(jìn)行蠟質(zhì)合成基因(TaCer)、高光效基因(NADP)、抗旱抗凍轉(zhuǎn)錄因子( TaWRKY)、水分高效利用標(biāo)記(Xgwm122-2)等單模塊或雙模塊基因和分子標(biāo)記組裝，定向改良目標(biāo)性狀，期望打破抗旱低產(chǎn)的連鎖，優(yōu)化組裝高產(chǎn)、抗旱、抗凍和高水分利用效率基因模塊[48-50]。

5 展 望

在小麥的抗旱節(jié)水育種方面，人們通過(guò)借鑒模式植物抗旱分子遺傳改良的研究技術(shù)和成果，來(lái)定向改良培育新的抗旱節(jié)水品種。未來(lái)的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是，抗旱節(jié)水基因的發(fā)掘和克隆、抗旱節(jié)水基因的功能和調(diào)控機(jī)理的系統(tǒng)研究、抗旱節(jié)水基因的改造和利用，最終以分子設(shè)計(jì)育種的方式定向培育小麥抗旱節(jié)水新品種。利用可檢測(cè)和跟蹤的分子模塊，建立高產(chǎn)、抗旱、抗凍和水資源利用效率等性狀設(shè)計(jì)組裝及有效聚合的分子模塊育種技術(shù)體系，培育高產(chǎn)、抗旱、抗凍和水資源高效利用的分子設(shè)計(jì)型小麥新品系。

[1] DEIKMAN J,PETRACEK M,HEARD J E.Drought tolerance through biotechnology:improving translation from the laboratory to farmers' fields [J].CurrentOpinioninBiotechnology,2012,23(2):243.

[2] FLEURY D,JEFFERIES S,KUCHEL H,etal.Genetic and genomic tools to improve drought tolerance in wheat [J].JournalofExperimentalBotany,2010,61(12):3211.

[3] ZHANG Z Z,XU P,SHAO H B,etal.Advances and prospects:Biotechnologically improving crop water use efficiency [J].CriticalReviewsinBiotechnology,2011,31(3):281.

[4] 張文龍,陳志偉,楊文鵬,等.分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)及其在作物育種上的應(yīng)用研究[J].種子,2008,27(4):39.

ZHANG W L,CHEN Z W,YANG W P,etal.Molecular marker assisted selection technology and its application to crop breeding [J].Seed,2008,27(4):39.

[5] 張正斌,徐 萍.小麥性狀QTLs研究進(jìn)展[J].世界科技研究與發(fā)展，2002,1:52.

ZHANG Z B,XU P.Review on QTL study of wheat traits [J].WorldSci-TechResearchandDevelopment,2002,1:52.

[6] 周曉果,景蕊蓮,昌小平,等.小麥苗期水分利用效率及其相關(guān)性狀的QTL分析[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2005,6(1):20.

ZHOU X G,JING R L,CHANG X P,etal.QTL mapping for water use efficiency and related traits in wheat seedling [J].JournalofPlantGeneticResources,2005,6(1):20.

[7] 張正斌,徐 萍,周曉果,等.作物水分利用效率的遺傳改良研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,39(2):289.

ZHANG Z B,XU P,ZHOU X G,etal.Advance in genetic improvement of water use efficiency in crops [J].ScientiaAgriculturaSinica,2006,39(2):289.

[8] PELEG Z,FAHIMA T,KRUGMAN T,etal.Genomic dissection of drought resistance in durum wheat x wild emmer wheat recombinant inbreed line population [J].PlantCellandEnvironment,2009,32(7):758.

[9] MCINTYRE C L,MATHEWS K L,RATTEY A,etal.Molecular detection of genomic regions associated with grain yield and yield-related components in an elite bread wheat cross evaluated under irrigated and rainfed conditions [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2010,120(3):527.

[10] QUARRIE S,PEKIC QUARRIE S,RADOSEVIC R,etal.Dissecting a wheat QTL for yield present in a range of environments:from the QTL to candidate genes [J].JournalofExperimentalBotany,2006,57(11):2627.

[11] MACCAFERRI M,SANGUINETI M C,CORNETI S,etal.Quantitative trait loci for grain yield and adaptation of durum wheat(TriticumdurumDesf.) across a wide range of water availability [J].Genetics,2008,178(1):489.

[12] MATHEWS K L,MALOSETTI M,CHAPMAN S,etal.Multi-environment QTL mixed models for drought stress adaptation in wheat [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2008,117(7):1077.

[13] COLLINS A,LAU W.CHROMSCAN:genome-wide association using a linkage disequilibrium map [J].JournalofHumanGenetics,2008,53(2):121.

[14] ZHANG H,CUI F,WANG L,etal.Conditional and unconditional QTL mapping of drought-tolerance-related traits of wheat seedling using two related RIL populations [J].JournalofGenetics,2013,92(2):213.

[15] MA J,DU G,LI X,etal.A major locus controlling malondialdehyde content under water stress is associated withFusariumcrown rot resistance in wheat [J].MolecularGeneticsandGenomics,2015,290(5):1955.

[16] CHANG J,ZHANG J,MAO X,etal.Polymorphism of TaSAP1-A1 and its association with agronomic traits in wheat [J].Planta,2013,237(6):1495.

[17] 張 帆,蔣 雷,鞠麗萍,等.一個(gè)普通小麥Trx超家族新基因TaNRX的克隆與抗旱相關(guān)標(biāo)記開(kāi)發(fā)[J].作物學(xué)報(bào),2014,40(1):29.

ZHANG F,JIANG L,JU L P,etal.Cloning a novel geneTaNRXof Trx superfamily and developing its molecular markers related to drought resistance in common wheat [J].ActaAgronomicaSinica,2014,40(1):29.

[18] CUTHBERT P A,SOMERS D J,THOMAS J,etal.Fine mapping Fhb1,a major gene controlling fusarium head blight resistance in bread wheat(TriticumaestivumL.) [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2006,112(8):1465.

[19] 劉 莉,陳云芳,楊文香,等.小麥抗葉銹基因 Lr20、 Lr 28、 Lr29的STS、SCAR標(biāo)記在近等基因系上的特異性驗(yàn)證[J].麥類作物學(xué)報(bào),2011,31(3):402.

LIU L,CHEN Y F,YANG W X,etal.Verification of STS and SCAR molecular markers for leaf rust resistance genes Lr20, Lr 28 and Lr29 in near isogenic lines of wheat cv.Thatcher [J].JournalofTriticeaeCrops,2011,31(3):402.

[20] 張 勇,申小勇,張文祥,等.高分子量谷蛋白5+10亞基和1B/1R易位分子標(biāo)記輔助選擇在小麥品質(zhì)育種中的應(yīng)用[J].作物學(xué)報(bào),2012,38(10):1743.

ZHANG Y,SHEN X Y,ZHANG W X,etal.Marker-assisted selection of HMW-glutenin 1Dx5+1Dy10 gene and 1B/1R translocation for improving industry quality in common wheat [J].ActaAgronomicaSinica,2012,38(10):1743.

[21] KOSMA D K,BOURDENX B,BERNARD A,etal.The impact of water defciency on leaf cuticle lipids ofArabidopsis[J].PlantPhysiology,2009,151:1918.

[22] SAMDUR M Y,MANIVEL P,JAIN V K,etal.Genotypic differences and water-deficit induced enhancement in epicuticular wax load in peanut [J].CropScience,2003,43(4):1294.

[23] WANG Y,WANG M,SUN Y,etal.FAR5,a fatty acyl-coenzyme A reductase,is involved in primary alcohol biosynthesis of the leaf blade cuticular wax in wheat(TriticumaestivumL.) [J].JournalofExperimentalBotany,2015,66(5):1165.

[24] RODRIGUES A,ADAMO M,CROZET P,etal.ABI1 and PP2CA phosphatases are negative regulators of Snf1-related protein kinase1 signaling inArabidopsis[J].PlantCell,2013,25(10):3871.

[25] MATSUI A,ISHIDA J,MOROSAWA T,etal.Arabidopsistranscriptome analysis under drought,cold,high-salinity and ABA treatment conditions using a tiling array [J].PlantCellPhysiology,2008,49(8):1135.

[26] ZHU C,SCHRAUT D,HARTUNG W,etal.Differential responses of maize MIP genes to salt stress and ABA [J].JournalofExperimentalBotany,2005,56(421):2971.

[27] MANMATHAN H,SHANER D,SNELLING J,etal.Virus-induced gene silencing ofArabidopsisthalianagene homologues in wheat identifies genes conferring improved drought tolerance [J].JournalofExperimentalBotany,2013,64(5):1381.

[28] AROCA R,AMODEO G,FERNANDEZ-ILLESCAS S,etal.The role of aquaporins and membrane damage in chilling and hydrogen peroxide induced changes in the hydraulic conductance of maize roots [J].PlantPhysiology,2005,137(1):341.

[29] FORREST K L,BHAVE M.The PIP and TIP aquaporins in wheat form a large and diverse family with unique gene structures and functionally important features [J].Functional&IntegrativeGenomics,2008,8(2):115.

[30] LIU H,SUN W,SU W,etal.Co-regulation of water channels and potassium channels in rice [J].PhysiologiaPlantarum,2006,128(1):58.

[31] ZHU C,SCHRAUT D,HARTUNG W,etal.Differential responses of maize MIP genes to salt stress and ABA [J].JournalofExperimentalBotany,2005,56(421):2971.

[32] ZHOU S,HU W,DENG X,etal.Overexpression of the wheat aquaporin gene, TaAQP7,enhances drought tolerance in transgenic tobacco [J].PLoSOne,2012,7(12):e52439.

[33] HU W,YUAN Q,WANG Y,etal.Overexpression of a wheat aquaporin gene, TaAQP8,enhances salt stress tolerance in transgenic tobacco [J].PlantandCellPhysiology,2012,53(12):2127.

[34] MAO X,ZHANG H,TIAN S,etal. TaSnRK2.4,an SNF1-type serine/threonine protein kinase of wheat(TriticumaestivumL.),confers enhanced multistress tolerance inArabidopsis[J].JournalofExperimentalBotany,2010,61(3):683.

[35] ZHANG H,MAO X,JING R,etal.Characterization of a common wheat(TriticumaestivumL.) TaSnRK2.7 gene involved in abiotic stress responses [J].JournalofExperimentalBotany,2011,62(3):975.

[36] ZHANG H Y,MAO X G,ZHANG J N,etal.Single-nucleotide polymorphisms and association analysis of drought-resistance gene TaSnRK2.8 in common wheat [J].PlantPhysiologyandBiochemistry,2013,70:174.

[37] 王 倩,毛新國(guó),昌小平,等.小麥 TaSnRK2.10的多態(tài)性及與農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,44:1865.

WANG Q,MAO X G,CHANG X P,etal.Polymorphism of TaSnRK2.10 and its association with yield-related traits in wheat [J].ScientiaAgriculturaSinica,2014,44:1865.

[38] ZAIDI I,EBEL C,TOUZRI M,etal.TMKP1 is a novel wheat stress responsive MAP Kinase phosphatase localized in the nucleus [J].PlantMolecularBiology,2010,73(3):325.

[39] WANG C,JING R,MAO X,etal.TaABC1,a member of the activity of bc1 complex protein kinase family from common wheat,confers enhanced tolerance to abiotic stresses inArabidopsis[J].JournalofExperimentalBotany,2011,62(3):1299.

[40] VASEVA I I,GRIGOROVA B S,SIMOVA-STOILOVA L P,etal.Abscisic acid and late embryogenesis abundant protein profile changes in winter wheat under progressive drought stress [J].PlantBiology,2010,12(5):698.

[41] MONDINI L,NACHIT M,PORCEDDU E,etal.Identification of SNP mutations in DREB1, HKT1 and WRKY1 genes involved in drought and salt stress tolerance in durum wheat(TriticumturgidumL.var.durum) [J].OMICS,2012,16(4):178.

[42] NIU C F,WEI W,ZHOU Q Y,etal.Wheat WRKY genes TaWRKY2 and TaWRKY19 regulate abiotic stress tolerance in transgenicArabidopsisplants [J].PlantCellandEnvironment,2012,35(6):1156.

[43] SIVAMANI E,BAHIELDIN A,WRAITH J M,etal.Improved biomass productivity and water use efficiency under water deficit conditions in transgenic wheat constitutively expressing the barley HVA1 gene [J].PlantScience,2000,155(1):1.

[44] ABEBE T,GUENZI A C,MARTIN B,etal.Tolerance of mannitol-accumulating transgenic wheat to water stress and salinity [J].PlantPhysiology,2003,131(4):1748.

[45] PELLEGRINESCHI A,REYNOLDS M,PACHECO M,etal.Stress-induced expression in wheat of theArabidopsisthalianaDREB1A gene delays water stress symptoms under greenhouse conditions [J].Genome,2004,47(3):493.

[46] SHAVRUKOV Y,BAHO M,LOPATO S,etal.The TaDREB3 transgene transferred by conventional crossings to different genetic backgrounds of bread wheat improves drought tolerance [J].PlantBiotechnologyJournal,2015,14(1):313.

[47] QIN N,XU W G,HU L,etal.Drought tolerance and proteomics studies of transgenic wheat containing the maize C4phosphoenolpyruvate carboxylase(PEPC) gene [J].Protoplasma,2016,253(6):1503.

[48] 董 聰.黃淮小麥抗旱節(jié)水基因模塊組裝遺傳育種研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2015:12-28.

DONG C.Drought resistance genes module assembly and genetic breeding in Huanghuai wheat [D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2015:12-28.

[49] 董 聰,孟 肖,張正斌,等.小麥 TaWRKY2基因組分析及在進(jìn)化和育種材料中的檢測(cè)[J].麥類作物學(xué)報(bào),2015,35(5):585.

DONG C,MENG X,ZHANG Z B,etal.Genomic analysis and detection of TaWRKY2 in evolution and breeding materials of wheat [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(5):585.

[50] 孟 肖,董 聰,張正斌,等.水分利用效率分子標(biāo)記在小麥不同種質(zhì)材料中的分布[J].麥類作物學(xué)報(bào),2015,35(7):926.

MENG X,DONG C,ZHANG Z B,etal.Testing of molecular markers linked with water use efficiency in differnent wheat germplasms [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(7):926.

Advances in Molecular Breeding of Drought Resistance and High Water Use Efficiency in Wheat

SUN Jutao1,WANG Yang1,ZHENG Yan1,2,ZHANG Zhengbin1

(1.Center for Agricultural Resources Research,Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang,Hebei 050021,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

Drought and water shortage are the main natural disasters that affect the production of crop,such as wheat,in the world. It is an important subject to carry out genetic improvement of drought resistance and WUE(water use efficiency) in wheat. In this paper,by combining with the latest research progress world widely,research progresses including quantitative trait loci mapping,functional genes,transgenic breeding and molecular design breeding associated with wheat drought resistance and WUE were reviewed. Some QTLs for different kinds of WUE were mapped on A genome. The molecular markers linked to TaSAP1 were used for wheat breeding. TaWRKY was transformed intoArabidopsisthaliana,which increased drought resistance ofArabidopsisthaliana.The transgenic HVA1 andDREBlines had significantly higher WUE.Rotational crossing with marker assisted selection was used for genetic improvement of drought resistance and WUE in wheat. All of these research results provide important support for wheat breeding of drought resistance and high WUE.

Wheat；High water use efficiency；QTLs；Functional gene；Transgenic；Molecular module

時(shí)間：2017-01-16

2016-08-11

2017-01-11

小麥水分高效利用基因解析與調(diào)控機(jī)理研究項(xiàng)目(2016YFD0100605)；小麥抗旱水分高效利用基因資源精準(zhǔn)鑒定與創(chuàng)新利用項(xiàng)目(2016YFD0100102)；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)(XD080310703)

E-mail:jtsun@sjziam.ac.cn

張正斌(E-mail:zzb@sjziam.ac.cn)

S512.1；S330

A

1009-1041(2017)02-0205-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170116.1833.016.html