科學(xué)通報(bào) | 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)鞏志忠教授、秦峰教授團(tuán)隊(duì)綜述植物抗旱性研究進(jìn)展

近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)鞏志忠教授、秦峰教授課題組在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表了題為“植物抗旱性研究進(jìn)展”的綜述文章，闡述了逆境激素脫落酸的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、和應(yīng)答干旱脅迫的轉(zhuǎn)錄調(diào)控分子機(jī)制，總結(jié)了擬南芥、水稻、小麥和玉米在干旱脅迫影響植物生長(zhǎng)發(fā)育方面的主要研究進(jìn)展。

近年來，全球氣溫正在加速變暖、極端天氣狀況頻發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhǎng)發(fā)育。干旱、溫度極端變化等環(huán)境脅迫已成為限制農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的最重要因素。其中，干旱發(fā)生頻率高、持續(xù)周期長(zhǎng)、波及范圍廣，已經(jīng)成為主要的氣象災(zāi)害。干旱不僅常見于干旱與半干旱地區(qū)，即使在年總降水量較高的區(qū)域，若生長(zhǎng)季內(nèi)降水分配不均，仍可引發(fā)植物的干旱脅迫。植物如何感知和響應(yīng)干旱脅迫是一個(gè)重要的生物學(xué)問題。由于植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)需與生長(zhǎng)發(fā)育相協(xié)同，因此理解干旱脅迫信號(hào)、激素與生長(zhǎng)發(fā)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和應(yīng)答干旱脅迫的轉(zhuǎn)錄調(diào)控分子機(jī)制（圖1）。在干旱條件下，ABA復(fù)合物（PYR-ABA-PP2C）激活 SnRK2蛋白激酶家族蛋白，進(jìn)而磷酸化并激活下游的轉(zhuǎn)錄因子（ABI5和AREBs）。這些轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到ABA依賴性基因啟動(dòng)子區(qū)域的ABA應(yīng)答基序上（ABA-responsive elements, ABRE），誘導(dǎo)基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)植物的抗旱能力。另外，RAF激酶在感知滲透脅迫信號(hào)后，通過磷酸化SnRK2s，促進(jìn)其活性的增強(qiáng)。此過程不僅可以在缺乏ABA的條件下獨(dú)立進(jìn)行，同時(shí)也能與ABA信號(hào)通路協(xié)同作用，靈活應(yīng)對(duì)不同強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的干旱脅迫，從而提高其適應(yīng)性和生存能力。

圖1 干旱應(yīng)答過程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)干旱發(fā)生后，植物體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列形態(tài)、生理、生化變化，以維持其營養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)或提高干旱脅迫下生存概率，這種能力統(tǒng)稱為抗旱性。其具體又可分為三種表現(xiàn)方式：（1）逃旱（drought escape）指在干旱條件下，縮短營養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)階段的過渡時(shí)間，以確保成功完成生命周期或促進(jìn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到環(huán)境脅迫消失；（2）避旱（drought avoidance）指在干旱條件下，通過形態(tài)生理調(diào)節(jié)維持較高的組織水勢(shì)，避開干旱對(duì)機(jī)體的影響，例如，根系構(gòu)型優(yōu)化、葉片卷曲、氣孔開閉、葉表皮蠟質(zhì)沉積等；（3）耐旱（drought tolerance）指在干旱條件下，通過主動(dòng)積累滲透保護(hù)劑（如脯氨酸、甜菜堿）、激活抗氧化酶系統(tǒng)（superoxide dismutase, SOD；peroxidase，POD；catalase, CAT）及產(chǎn)生脅迫響應(yīng)激素（ABA；jasmonic acid，JA），從而保障細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整和代謝功能穩(wěn)定的適應(yīng)機(jī)制。本文以葉片表皮蠟質(zhì)合成、氣孔發(fā)育與運(yùn)動(dòng)、根系生長(zhǎng)及生殖發(fā)育等關(guān)鍵抗旱性狀為切入點(diǎn)（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(zhǎng)發(fā)育方面的主要研究進(jìn)展。這些研究成果對(duì)于理解植物如何適應(yīng)干旱環(huán)境、提升作物的抗旱能力具有重要的科學(xué)價(jià)值，也將有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，確保全球糧食安全。

圖2 干旱脅迫影響植物生長(zhǎng)和發(fā)育的復(fù)雜性

最后梳理了40年（1984–2024）以來中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院在抗旱研究的代表性成果（圖3）。鞏志忠教授團(tuán)隊(duì)先后鑒定到GHR1、PUB12和PUB13等參與干旱響應(yīng)的調(diào)控因子，它們?cè)谡{(diào)控氣孔關(guān)閉和ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中具有重要作用。秦峰教授團(tuán)隊(duì)采用GWAS識(shí)別影響其幼苗干旱耐受性的遺傳位點(diǎn)，先后鑒定到ZmNAC111、ZmVPP1和ZmSRO1d 等重要抗旱基因。郭巖教授團(tuán)隊(duì)成功鑒定到一種新型的肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白SCAB1。毛同林教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)E3泛素連接酶MREL57通過泛素-26S蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）調(diào)控微管穩(wěn)定性。武維華院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子ZmPHR1通過調(diào)控磷穩(wěn)態(tài)來提高玉米抗旱性。這些研究成果為農(nóng)作物抗旱節(jié)水的新品種分子設(shè)計(jì)育種等提供了理論依據(jù)和基因資源。

圖3 干旱信號(hào)的感受與傳遞

圖中紅色部分是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院報(bào)道的研究成果

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院秦峰教授、鞏志忠教授為論文通訊作者，劉升學(xué)副教授、馬愛芳博士為論文第一作者。相關(guān)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFF1001602，2023YFF1001302)和國家自然科學(xué)基金(32171940)的資助。

文章信息

劉升學(xué)，馬愛芳，秦峰，等. 植物抗旱性研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2025.

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

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