楊潔 徐建欣

摘要 水資源短缺正成為限制我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。栽培稻（水稻和陸稻）足世界上最重要的糧食作物之一，尤其在我國，其產(chǎn)量居所有作物之首，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。山欄稻具有特殊的種質(zhì)特征、抗旱特性、農(nóng)藝優(yōu)點，研究其抗旱性對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有深遠的現(xiàn)實意義。已有研究表明通過改變基因，作物在抗逆的同時，保證產(chǎn)量不受影響。隨著分子手段的飛速發(fā)展，利用分子標記輔助選擇以及轉(zhuǎn)基因的方法提高主栽品種抗旱性，將為栽培稻抗旱育種提供有力支撐。

關(guān)鍵詞 山欄稻;抗旱;海南;分子機理

1 海南山欄稻概況

山欄稻是海南、廣東等地的特有陸稻品種，是栽培稻中適應(yīng)干旱缺水環(huán)境的一種生態(tài)類型，亦稱砍山或砍山欄。山欄稻是黎族特有的山地旱稻，是黎族人民在長期生活實踐中篩選出來的適宜干旱地帶種植的稻種。具有特殊的種質(zhì)特征和突出的農(nóng)藝優(yōu)點，是黎族人民寶貴的稻種遺傳資源，研究海南黎族山欄稻的遺傳資源及抗旱性對山欄稻的合理保護和基因遺傳改良具有重要意義[1-2]。山欄稻米質(zhì)白、粘性強、芳香可口，可用來做米飯、煮粥、制作米粉;可釀造山欄酒，酒味香甜，主要用于重大節(jié)日或招待貴賓[3]。近年來，海南山欄稻米和山欄酒的銷售量逐年上升。有關(guān)山欄稻的傳統(tǒng)農(nóng)事活動、山欄飯和山欄酒等也已植根于海南黎族、苗族等少數(shù)民族文化之中，已經(jīng)成為當?shù)匕l(fā)展鄉(xiāng)村鄉(xiāng)俗旅游的重要支柱和農(nóng)民脫貧致富的重要經(jīng)濟來源[4]。海南山欄稻種植歷史悠久，早在明朝以前的1368年已有山欄稻栽培，主要分布于今海南保亭黎族苗族自治縣、瓊中黎族苗族自治縣及三亞市，海拔在100～700 m的山區(qū)地帶[5].

瓊中縣是山欄稻傳統(tǒng)種植地區(qū)，至今還保存有部分山欄稻種植，是當?shù)匾坏漓n麗的風景。瓊中黎族苗族自治縣農(nóng)業(yè)局目前正在積極申報國家農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，此項-作的開展不僅豐富了人們對山欄稻內(nèi)容和價值的全面認識，更搶救性的保護了稻種資源的生物多樣性[6]。

2 山欄稻抗旱研究進展

2.1 山欄稻抗旱研究的必要性

栽培稻（水稻和陸稻）是世界上最重要的糧食作物之一，尤其在我國，其產(chǎn)量居所有作物之首，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。然而隨著全球變暖、極端氣候頻現(xiàn)及水資源短缺的影響，干旱已經(jīng)成為造成栽培稻產(chǎn)量損失最大的非生物脅迫。據(jù)統(tǒng)計，世界干旱、半干旱地區(qū)占地球陸地面積的三分之一，而我國的干旱、半干旱以及鹽堿地區(qū)約占國土面積的一半以上。因此，改良其產(chǎn)量和品質(zhì)、培育抗旱能力強的水、陸稻新品種對確保我國的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實意義。認識植物對逆境的反應(yīng)機制，提高植物的抗逆性，己成為農(nóng)業(yè)進一步增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)研究，倍受世界各國政府和科學(xué)家的高度關(guān)注[7-8]。

山欄稻作為海南特有的栽培稻類型，蘊藏了豐富的遺傳資源及優(yōu)異的基因資源，為抗旱基因篩選、抗旱新品種遺傳改良和選育提供了寶貴的種質(zhì)資源，對于海南乃至全國的稻作節(jié)水生產(chǎn)必將產(chǎn)生積極的推動作用。

20世紀90年代初，國內(nèi)外就開始從事抗逆基因的研究。目前，抗逆轉(zhuǎn)基因的研究已經(jīng)取得了一定的進展。但是植物的抗逆性往往是由多基因調(diào)控的數(shù)量性狀，植物對干旱，高鹽及低溫的抗性強弱不是取決于某單一基因，而是受許多基因共同調(diào)控，一個關(guān)鍵因子可以調(diào)控許多功能基因的表達。

2.2 作物抗旱的分子機制

植物的抗旱性一般由多基因控制，是多途徑、復(fù)雜的數(shù)量性狀。當作物遭遇干旱脅迫，細胞瞬間感受并傳遞干旱刺激，然后通過3個步驟對干旱做出響應(yīng)：（1）感知并傳遞干旱脅迫信號;（2）誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達與調(diào)控;（3）通過基因產(chǎn)物的保護措施.最終實現(xiàn)對干旱的適應(yīng)或抗性[9]。抗旱調(diào)控途徑中發(fā)揮作用的主要是兩類基因：功能基因與調(diào)控基因。功能基因如水通道蛋白（AQP）和合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的關(guān)鍵酶直接保護作物免受干旱損傷，調(diào)控蛋白如轉(zhuǎn)錄因子和蛋白激酶在信號傳遞和基因表達中起調(diào)節(jié)作用[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)，乙烯也是作物響應(yīng)干旱脅迫的一個重要因子，與下游靶基因共同作用調(diào)控作物的抗旱能力[12]。干旱脅迫時，AQP不僅可以促進植株內(nèi)水分的長距離運輸，而且有利于細胞內(nèi)外水分的跨膜運輸。有研究發(fā)現(xiàn)，水稻抗旱性受AQP的調(diào)節(jié)[13]。轉(zhuǎn)錄因子在作物應(yīng)答干旱脅迫過程中發(fā)揮著重要作用，主要包括MYB、DREB、NAC、bZIP、WRKY等.MYB是其中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一。有研究把水稻OsMYB3R-2基因在擬南芥中過表達，增加了該轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗旱能力[14]。Park等[15]發(fā)現(xiàn)，在水稻中過表達OsbZIP23可以提高植株的抗旱能力和ABA的敏感性，這就說明在逆境脅迫下，水稻的轉(zhuǎn)錄因子bZIP與ABA應(yīng)答元件結(jié)合，調(diào)節(jié)了下游靶基因的表達。認識抗旱的分子遺傳基礎(chǔ)，通過基因工程手段進行抗旱基因重組，轉(zhuǎn)入不同的外源基因來提高作物脫水保護物質(zhì)，借此增強其抗旱性，但是導(dǎo)入外源基因，只是從單方面加強植物抵抗干旱的能力，并沒有從根本上改良作物的抗旱性[16]。

2.3 抗旱基因的發(fā)掘與應(yīng)用

干旱脅迫下，OsNAC9基因的過表達，使水稻中柱和通氣組織變大，改變了植株根系結(jié)構(gòu)，在大田條件下提高了水稻耐旱性及籽粒產(chǎn)量[17]; Drol近等基因系可以增大根的生長角度，促進根系對水分的吸收，提高水稻避旱能力[18];SNAC1基因通過調(diào)節(jié)脫落酸（ABA）促進氣孔關(guān)閉，正常灌溉條件下，產(chǎn)量與野生型產(chǎn)量相當，嚴重干旱時，轉(zhuǎn)入SNAC1基因的水稻產(chǎn)量可增加22%～34%[19]。通過實驗將擬南芥中的HARDY基因轉(zhuǎn)到水稻后干旱脅迫，HARDY基因增加了水稻葉片的光合作用從而提高水稻抗旱性[20]。轉(zhuǎn)錄因子OsbZIP66過表達，整個植株的抗旱性會增強，尤其是在作物的根部[21]。OsHsfA7基因過表達后，干旱脅迫后復(fù)水的轉(zhuǎn)基因植株能夠恢復(fù)正常生長發(fā)育[22]。OsNAC6基因受到干旱、高鹽、低溫等脅迫時超表達，能夠提高植株的抗性，同時對抵抗稻瘟病也有一定的作用，但是轉(zhuǎn)基因作物卻生長緩慢且產(chǎn)量低，而OsNAC5受到相同逆境脅迫時，會與OsNAC6以及SA NC1基因產(chǎn)生協(xié)同作用促使水稻根部增粗，從而在抗逆的同時保證產(chǎn)量的穩(wěn)定[23-25]。有些基因不但具有抗性，而且還會增產(chǎn)，如OsSKIPa基因受到干旱脅迫后，不僅水稻幼苗存活率得到提高，而且收獲后的產(chǎn)量也顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)這種觸發(fā)鏈式反應(yīng)的分子機理是：干旱脅迫后，OsSKIPa基因過表達，植株清除氧自由基的能力增強，同時OsSKIPa基因激發(fā)其它抗旱基因表達，提高作物的生存能力的同時，降低了產(chǎn)量損失[26]。

2.4 山欄稻抗旱研究進展

我國陸稻種質(zhì)資源豐富，主要分布于海南、云南、貴州等省份。在對海南稻種資源考察的529份種質(zhì)中，陸稻種質(zhì)425份，占到80.3%，其中山欄稻占海南陸稻的80%，可見陸稻是海南稻種資源的主體，陸稻又以山欄稻為主[27-28]。鄭成木等[29]對比了采自海南保亭、白沙，樂東的12份山欄稻與3份水稻的株高、主莖葉片數(shù)、穗頸長度、單株有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重、單株產(chǎn)量這9項農(nóng)藝指標，研究結(jié)果表明，在旱地條件下山欄稻的結(jié)實率、千粒重、單株產(chǎn)量、單株穗粒數(shù)均高于水稻。說明在干旱脅迫出現(xiàn)時，山欄稻仍能在產(chǎn)量方面表現(xiàn)出優(yōu)勢。作物的抗旱性是一個復(fù)雜的生理特性，抗旱性涉及干旱條件下作物維持高含水量;作物在低含水量的情況下保持其生理功能，以及受到干旱脅迫后含水量和功能的恢復(fù)能力[29-33]。有研究用高滲溶液下的相對發(fā)芽率、離體葉片的保水率、細胞質(zhì)膜透眭、分蘗稈長變異性四項系數(shù)來對比山欄稻與水稻的抗旱能力，研究結(jié)果表明，山欄稻種子在高滲溶液中吸收水分且發(fā)芽的能力、種質(zhì)離體葉片的保水率、細胞質(zhì)膜抗旱穩(wěn)定性均強于水稻;而分蘗稈長變異性水稻明顯強于山欄稻，說明山欄稻根系在干旱土壤中吸收水分的能力較強[32-35]。

鄭成木等[36]以山欄稻核仁動態(tài)及其組織者數(shù)目（NORs）為研究對象，發(fā)現(xiàn)核仁組織者的特征可以作為區(qū)分不同物種以及種內(nèi)的核型指標。鄭成木等[37]通過觀察山欄稻不同品種與水稻雜交F1代的核仁動態(tài)及NORS數(shù)目的變化，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，山欄稻可以分為3種類型：1對NORs，2對NORs，3對NORs，3種類型均具有這種核仁動態(tài)特征?；谏綑诘痉N質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)、類緣地位、抗旱生理特性、農(nóng)藝性狀、栽培特點等特征，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院與華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)共同制訂了海南山欄稻的種質(zhì)評價與遺傳改良體系[38]。鄭成木等[2]用20份農(nóng)藝性狀明顯的山欄稻分別與粳型和秈水稻做雜交試驗，F(xiàn)1的白交結(jié)實率與種質(zhì)類緣顯著相關(guān)。偏粳型種質(zhì)S09、S12與粳稻雜交，結(jié)實率在70%以上，與秈稻雜交的結(jié)實率為約50%。研究結(jié)果表明，千粒重、谷粒長寬比的遺傳率很高，可在雜種早期世代選擇，穗頸長、株高的遺傳率較高，可以在雜種的中前期世代選擇。通過山欄稻與水稻雜交試驗，建立了相應(yīng)的雜交選育技術(shù)體系，并得出遺傳力、雜種優(yōu)勢率等重要遺傳參數(shù)，還通過導(dǎo)入野敗型水稻雄性不育恢復(fù)系基因，克服了秈/粳雜交后代育性低的障礙。

3 山欄稻對于抗旱的啟示

全球氣候變暖，各種災(zāi)害性氣候頻發(fā)，對水稻的生長和產(chǎn)量造成了嚴重的危害。保持水稻穩(wěn)定生產(chǎn)對國家的糧食安全有著深遠的意義。陸稻在我國雖然歷史悠久，但是栽培管理粗放，基本處于雨養(yǎng)階段，很多品種潛力沒有得到發(fā)揮，而且在雜交高產(chǎn)稻的沖擊下，很多品質(zhì)優(yōu)良的農(nóng)家品種逐漸被淘汰。干旱脅迫對栽培稻各生育期都有影響，不同生育時期各個器官、表型、生理生化過程乃至分子水平上也存在差異，嚴重時甚至導(dǎo)致栽培稻死亡。干旱具有突發(fā)性，給農(nóng)民造成很大的經(jīng)濟損失[39-40]。在干旱條件下，抗旱栽培稻能夠表現(xiàn)出相對高產(chǎn)的優(yōu)勢，及時解決了實際生產(chǎn)問題。高產(chǎn)栽培稻品種一般是在灌溉條件下進行，這就限制了陸稻優(yōu)異基因的充分挖掘。為更好地發(fā)掘陸稻的抗旱性，在培育抗旱性栽培稻時，應(yīng)該傳統(tǒng)技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合，常規(guī)品種與雜交組合相結(jié)合，表型與基因型共同協(xié)作。無論是單一性狀鑒定指標，還是綜合鑒定指標，都要將干旱脅迫后產(chǎn)量損失最少作為目標，抗旱相關(guān)指標與產(chǎn)量的相關(guān)性以及該相關(guān)性的穩(wěn)定程度都應(yīng)該作為考核指標之一。根據(jù)栽培稻不同生育期抗旱規(guī)律及當?shù)貧夂驐l件，針對一定生育期抗旱性品種，并且合理有效地調(diào)配水分供給。隨著分子手段的飛速發(fā)展.利用分子標記輔助選擇以及轉(zhuǎn)基因的方法提高主栽品種抗旱性，將為栽培稻抗旱育種提供有力支撐。

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