科學通報 | 華中農業大學生命科學技術學院代明球教授團隊發表“作物抗旱關鍵調控因子的挖掘與利用”綜述

近日，華中農業大學生命科學技術學院代明球教授課題組在《科學通報》發表了題為“作物抗旱關鍵調控因子的挖掘與利用”的綜述論文，從形態、生理和分子水平解析作物抗旱響應機制（圖1），并綜述了近年來報道的作物抗旱關鍵調控因子的研究。

圖1 作物抗旱響應及調控機制。作物抗旱生理響應包括激素響應、氣孔導度、根系發育、葉片失水速率、光合作用、滲透及抗氧化防御的改變。作物通過轉錄調控、翻譯后調控及表觀遺傳調控，共同影響干旱響應基因的表達。

隨著測序技術的發展，全基因組關聯研究以及轉錄組、蛋白組、代謝組、表觀遺傳組、sRNAome和表型組等多組學分析展現出獨特優勢，通過整合多維度、系統化的數據，更加高效地挖掘作物抗旱關鍵調控因子，構建精確和全面的作物抗旱基因調控網絡。抗旱基因的利用需要兼顧產量和抗性的平衡，可通過表觀調控、分子模塊設計育種、誘導型啟動子利用和順式調控元件編輯實現穩產與抗旱協同改良。論文還分析了抗旱基因在復合逆境脅迫下的作用，為利用生物技術手段進行多基因、多標記聚合的抗旱遺傳改良提供理論基礎。此外，植物生長調節劑及根際微生物提高作物抗旱性的研究與應用為作物抗旱改良提供新的策略。植物生長調節劑如激素、ABA激動劑、植物營養物質、多胺等，主要通過增強作物的抗氧化能力以及滲透調節，提高光合作用和水分利用效率，以及調控脅迫相關基因等提高作物抗旱性。近年來，根際微生物的研究越來越受到重視，根際微生物可通過多種直接或間接機制參與作物干旱脅迫響應。根際微生物介導作物抗旱機制包括調節植物的激素水平、合成ACC脫氨酶降低根部乙烯含量、增強植物抗氧化酶活性、產生胞外多糖，和釋放揮發性有機化合物誘發植物抗旱信號轉導（圖2）。

圖2 作物抗旱改良策略。通過多組學及分子標記輔助選擇挖掘并利用抗旱關鍵調控因子。作物抗旱關鍵調控因子的利用需要綜合考慮抗旱性與產量之間的平衡，以及其對多種復合逆境脅迫的適應性。此外，還可以通過植物生長調節劑和根系微生物來提高作物抗旱性。根際微生物介導植物抗旱機制包括調節植物的激素水平、合成ACC脫氨酶降低根部乙烯含量、增強植物抗氧化酶活性、產生胞外多糖(exopolysaccharides, EPS)和釋放揮發性有機化合物(volatile organic compounds, VOCs)誘發植物抗旱信號轉導。

盡管目前已有許多作物抗旱關鍵調控因子的報道，但實際被應用于育種實踐的抗旱基因仍十分有限。根系抗旱表型、根部抗旱多組學分析，以及根部和地上部互作機制等仍有待進一步研究。解析抗旱與產量、品質（高蛋白、高油分）平衡機制，以及抗旱與其他復合逆境脅迫的調控機制，將基礎研究和育種實踐相結合，培育抗旱穩產、多抗廣適的作物新品種，是作物抗旱機制解析的最終目標。抗旱基因在實際育種中的運用也受到諸多限制，不依賴遺傳背景的遺傳轉化方法仍需要進一步的探究和完善。基于分子模塊設計育種、多基因聚合育種和多基因編輯系統的方法需要被更多的運用于作物抗旱品種培育。此外，開發實用、高效、低毒和對作物產量及生產環境無負面影響的植物生長調節劑，以及解析根際微生物提高作物抗旱的機制，篩選和開發適用于不同種植環境的微生物菌劑，對幫助作物應對田間干旱具有重要意義。

華中農業大學生命科學技術學院代明球教授為該論文的通訊作者，博士后彭文婷為該論文的第一作者。該工作得到了國家自然科學基金的支持。

文章信息

彭文婷, 李慶, 代明球, 作物抗旱關鍵調控因子的挖掘與利用, 科學通報

https://doi.org/10.1360/TB-2025-0062.

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