科學通報 | 中國農業大學鞏志忠教授、秦峰教授團隊綜述植物抗旱性研究進展

近日，中國農業大學鞏志忠教授、秦峰教授課題組在《科學通報》發表了題為“植物抗旱性研究進展”的綜述文章，闡述了逆境激素脫落酸的信號轉導途徑、和應答干旱脅迫的轉錄調控分子機制，總結了擬南芥、水稻、小麥和玉米在干旱脅迫影響植物生長發育方面的主要研究進展。

近年來，全球氣溫正在加速變暖、極端天氣狀況頻發，對農業生產的影響日益凸顯。 由氣候變化引起的降水模式改變和溫度升高，直接影響作物的水分利用效率和生長發育。干旱、溫度極端變化等環境脅迫已成為限制農作物產量和品質的最重要因素。其中，干旱發生頻率高、持續周期長、波及范圍廣，已經成為主要的氣象災害。干旱不僅常見于干旱與半干旱地區，即使在年總降水量較高的區域，若生長季內降水分配不均，仍可引發植物的干旱脅迫。植物如何感知和響應干旱脅迫是一個重要的生物學問題。由于植物對干旱脅迫的響應需與生長發育相協同，因此理解干旱脅迫信號、激素與生長發育途徑間的互作尤為重要。

本文首先闡述逆境激素脫落酸（abscisic acid，ABA）的信號轉導途徑和應答干旱脅迫的轉錄調控分子機制（圖1）。在干旱條件下，ABA復合物（PYR-ABA-PP2C）激活 SnRK2蛋白激酶家族蛋白，進而磷酸化并激活下游的轉錄因子（ABI5和AREBs）。這些轉錄因子結合到ABA依賴性基因啟動子區域的ABA應答基序上（ABA-responsive elements, ABRE），誘導基因的表達，從而增強植物的抗旱能力。另外，RAF激酶在感知滲透脅迫信號后，通過磷酸化SnRK2s，促進其活性的增強。此過程不僅可以在缺乏ABA的條件下獨立進行，同時也能與ABA信號通路協同作用，靈活應對不同強度和持續時間的干旱脅迫，從而提高其適應性和生存能力。

圖1 干旱應答過程中的轉錄調控網絡

當干旱發生后，植物體內會發生一系列形態、生理、生化變化，以維持其營養生長和生殖生長或提高干旱脅迫下生存概率，這種能力統稱為抗旱性。其具體又可分為三種表現方式：（1）逃旱（drought escape）指在干旱條件下，縮短營養生長到生殖生長階段的過渡時間，以確保成功完成生命周期或促進進入休眠狀態，直到環境脅迫消失；（2）避旱（drought avoidance）指在干旱條件下，通過形態生理調節維持較高的組織水勢，避開干旱對機體的影響，例如，根系構型優化、葉片卷曲、氣孔開閉、葉表皮蠟質沉積等；（3）耐旱（drought tolerance）指在干旱條件下，通過主動積累滲透保護劑（如脯氨酸、甜菜堿）、激活抗氧化酶系統（superoxide dismutase, SOD；peroxidase，POD；catalase, CAT）及產生脅迫響應激素（ABA；jasmonic acid，JA），從而保障細胞結構完整和代謝功能穩定的適應機制。本文以葉片表皮蠟質合成、氣孔發育與運動、根系生長及生殖發育等關鍵抗旱性狀為切入點（圖2），綜述了擬南芥（Arabidopsis thaliana）、水稻（Oryza sativa）、小麥（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）在干旱脅迫影響植物生長發育方面的主要研究進展。這些研究成果對于理解植物如何適應干旱環境、提升作物的抗旱能力具有重要的科學價值，也將有助于推動農業的可持續發展，確保全球糧食安全。

圖2 干旱脅迫影響植物生長和發育的復雜性

最后梳理了40年（1984–2024）以來中國農業大學生物學院在抗旱研究的代表性成果（圖3）。鞏志忠教授團隊先后鑒定到GHR1、PUB12和PUB13等參與干旱響應的調控因子，它們在調控氣孔關閉和ABA信號轉導過程中具有重要作用。秦峰教授團隊采用GWAS識別影響其幼苗干旱耐受性的遺傳位點，先后鑒定到ZmNAC111、ZmVPP1和ZmSRO1d 等重要抗旱基因。郭巖教授團隊成功鑒定到一種新型的肌動蛋白結合蛋白SCAB1。毛同林教授團隊發現E3泛素連接酶MREL57通過泛素-26S蛋白酶體系統（UPS）調控微管穩定性。武維華院士團隊發現轉錄因子ZmPHR1通過調控磷穩態來提高玉米抗旱性。這些研究成果為農作物抗旱節水的新品種分子設計育種等提供了理論依據和基因資源。

圖3 干旱信號的感受與傳遞

圖中紅色部分是中國農業大學生物學院報道的研究成果

中國農業大學生物學院秦峰教授、鞏志忠教授為論文通訊作者，劉升學副教授、馬愛芳博士為論文第一作者。相關研究得到了國家重點研發計劃(2022YFF1001602，2023YFF1001302)和國家自然科學基金(32171940)的資助。

文章信息

劉升學，馬愛芳，秦峰，等. 植物抗旱性研究進展. 科學通報, 2025.

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

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