本文選自中國工程院院刊《Engineering》2018年第4期

作者：M.A.N. Nazim Ud Dowla,Ian Edwards,Graham O’Hara,Shahidul Islam,Wujun Ma

來源：M.A.N. Nazim Ud Dowla,Ian Edwards,Graham O’Hara,Shahidul Islam,Wujun Ma.Developing Wheat for Improved Yield and Adaptation Under a Changing Climate: Optimization of a Few Key Genes[J].Engineering,2018,4(4):514-522.

導 語

谷類作物構成了全球人類主要的食物來源，其中，小麥是繼水稻之後世界第二大最重要的糧食作物，是世界上種植面積最大的谷類作物。受氣候變化帶來的氣溫和降水影響，幹旱對小麥産量的影響将會更加惡化。

中國工程院院刊《Engineering》刊發的《氣候變化條件下提高小麥産量和适應性——關鍵物候基因的優化 》中指出，由于物候基因的多樣性，小麥具有廣泛的适應性。文章綜述了春化（Vrn）、光周期（Ppd）和矮稈（Rht）基因等小麥物候學研究的最新進展。在不同氣候條件下Vrn和Ppd基因的等位基因、單倍型和拷貝數有不同的反應，因而不僅可以改變發育階段，而且可以提高産量。與模式植物拟南芥相比，還有更多尚未發現的小麥物候基因，在目标環境中量化其效應将有助于通過育種提高小麥的耐旱性。因此，通過配置适當的物候基因、Rht基因和其他耐旱性相關的重要生理性狀的組合，可以在水資源有限的環境中提高小麥産量。

一、引言

谷類作物構成了全球人類主要的食物來源。其中，小麥（Triticum aestivum L.）是繼水稻之後世界第二大最重要的糧食作物，是世界上種植面積最大的谷類作物。小麥是糧食安全的中心支柱之一，為全世界人口提供20%的總熱量和相近比例的總蛋白質。全球小麥平均産量為3.3 t·hm^–2；但不同區域平均值差異很大，據2015年聯合國糧農組織數據庫（The Food and Agricuture Organization Corporate Statistical Database，FAOSTAT）顯示，澳大利亞為1.7 t·hm^–2，而世界上一些高産地區能達到9 t·hm^–2。

産量損失通常是由于不同的環境情況造成的，減産幅度可達69.1%。在大多數發達國家，小麥主要種植在雨養邊緣地區，降雨量不足和不穩定極大地限制了小麥産量（表1）。幹旱是全球在大約6.5×^{10 7}t·hm^–2的耕地上制約小麥産量的關鍵性脅迫因素，減産幅度高達50%。模拟試驗表明，在灌溉條件下，邊緣小麥生長環境中的水分脅迫可使小麥産量潛力降低50%~90%。2012年，全球小麥總産量下降1.4%，主要原因是美國、歐洲和中亞地區發生了嚴重幹旱（數據來自2012年FAOSTAT數據庫）。2006年，澳大利亞小麥産量比過去50年下降了46%，造成小麥産業損失數十億美元（數據來自2013年FAOSTAT數據庫）。

表1 世界主要小麥生産國：5年（2008—2012年）的小麥産量、收獲 面積和灌溉面積的平均值

由于氣候變化對氣溫和降水的影響，預計未來幹旱對小麥産量的影響将會更加嚴重。據估計，在過去的29年裡，氣溫上升1℃将導緻小麥比沒有全球變暖影響時減産6%。根據政府間氣候變化專門委員會（The Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的第5次評估報告，到21世紀末，全球平均氣溫将上升3.7℃，酷暑和寒夜的天數将比現在多50%。降水年型的變化加上溫度升高将影響世界主要作物的生産，除非采取限制全球變暖的保護措施、種植合适的品種或采取适當的作物管理措施，否則到2050年小麥産量可能将下降23.2%~27.2%。

與高緯度地區相比，低緯度地區的小麥産量會更容易受3~5℃升溫的影響，而溫度升高2℃，産量可能會下降40%。澳大利亞小麥帶屬于典型的地中海氣候，降水多發生在冬季，春季降雨較少，夏季是最幹旱的季節。因此，春季水分脅迫是限制這些地區産量提高的主要因素，并且常常與拔節期、開花期和籽粒灌漿期相一緻。在這些環境中，後期籽粒灌漿期高溫常常與幹旱相伴而生，進一步限制籽粒産量。IPCC在其第5次評估報告中預測，到2030年、2050年和2070年，年平均氣溫将上升2.2~5℃，降水年型發生 5%~–30%的變化，将導緻受旱地區分别擴大5.4%、4.6%和3.8%。在這種情況下，植物育種者必須做好迎接氣候變化挑戰的準備，通過培育更加适應水資源有限環境的品種來養活世界。更好地利用小麥現有的遺傳資源對于保持水資源有限的環境中的小麥産量潛力并使其最大化至關重要，物候優化是實現這一目标的最有效途徑之一。

物候是作物适應特定環境的關鍵因素，正确理解物候特性的遺傳控制将使育種者培育出更能适應特定環境的品種。有證據表明，幹旱造成的産量損失取決于其發生的生長期，以及脅迫的持續時間和強度。開花期的穗重與籽粒産量正相關，并且可以在不影響其他發育階段的情況下加以操作，穗發育（從小穗分化至開花期）是決定籽粒産量最重要的階段。因此，通過确保在最敏感的發育階段不發生脅迫，将幹旱的不利影響降到最低。因此，開花的微調和發育階段的持續時間被認為可使小麥更好地适應水資源有限的環境，或者回避這些限制因素。物候基因也調控小麥的生理發育，一些形态生理性狀已被認為可有效地培育适應幹旱條件的品種。鑒于很多重要性狀及其在脅迫環境中的互作，熟悉水分脅迫的遺傳控制和生理基礎将有助于提高水分受限環境下的産量。

筆者也認識到良好的農事作業（管理）和其他幾個涉及生理機制的性狀在減少幹旱不利影響方面的重要性，但本文的重點在于闡述作為避免幹旱脅迫最重要的措施之一的物候基因（圖1）。因此，本文力圖總結迄今在關鍵物候基因研究方面所取得的進展，并将這些知識整合到适應未來氣候變化的新品種培育工作中。此外還嘗試彙集鑒定Vrn（春化）和Ppd（光周期）基因的等位基因的分子标記信息，這些信息有助于在目标環境下的品種的評價以及标記輔助育種。

圖1 抗旱盾牌：在水資源有限的環境中維持小麥産量的補充方法。WUE：水利用效率；RUE:輻射利用效率

二、物候基因

小麥适應廣泛的農業環境。開花與較為廣泛氣候條件的同步性在很大程度上受控于：Vrn基因（暴露于低溫的要求）、Ppd基因（光周期敏感性）和早熟性本身（Eps）基因。因此，基因型對特定環境的适應取決于這三組基因的相互作用。

（一）春化基因

春化通過在莖尖分生組織中誘導來自葉原基的花原基促進植物從營養生長期向生殖生長期轉換。小麥有3個基因決定春化要求：Vrn1、Vrn2和Vrn3。

3個直系同源的Vrn1基因Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1分别位于普通小麥的部分同源染色體5A、5B和5D的長臂，主要控制春化要求。Vrn2也位于5A染色體長臂，Vrn3位于7B染色體短臂。冬小麥品種需要一定時間的低溫來誘導開花，而無需春化即可開花的品種則被稱為春性品種。Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1和Vrn3的顯性等位基因控制春性生長習性，因此，3個Vrn1基因座任何一個顯性等位基因都表現春性品種。

另一方面，Vrn2控制冬性品種，并且對于Vrn1顯性等位基因表現上位性。Vrn2是一種延遲開花的花阻遏蛋白，但長日照條件下的春化抑制了Vrn2的表達而增強了Vrn1的表達。已經發現了Vrn1的多個對春化作用産生不同水平響應的等位基因，并且明确了其對開花的影響（表2），這些等位基因具有适應值。開花的程度取決于Vrn1表達的基礎水平，并且Vrn1的一些等位基因在沒有預先低溫處理的情況下可以表達，因此花可以在未經春化的情況下開放。Vrn1基因第一個内含子中的啟動子突變或者缺失可導緻Vrn1未經春化而表達，Vrn1基因的啟動子突變或其第一個内含子的缺失可導緻Vrn基因未經春化而表達，缺失越大的等位基因在未經春化的開花早期越活躍。另一方面，當缺少Vrn2基因的功能拷貝時小麥和大麥品種不經春化就可早開花。在Vrn2缺失條件下，Vrn3基因也可高水平表達，無論日長或春化與否，Vrn3的活性等位基因都可加速開花。因此，3個Vrn基因可以通過控制世界各地小麥品種春化需求來影響開花。

表2 Vrn1和Ppd1基因座已知的等位基因現狀

（二）光周期基因

小麥是一種長日照植物，需要長日照條件（>14 h光照）才能開花，而光周期不敏感的品種在短日照條件下（10 h或更少光照）也能開花。這種光周期敏感性由第2部分同源群染色體短臂上的半顯性部分同源基因Ppd1控制，與Vrn1一樣，顯性等位基因光周期不敏感。Worland在不同小麥生産區域對光周期不敏感的等位基因Ppd1的作用進行了14年的全面研究，發現不敏感的Ppd1使開花期提前了9~15 d，這種早熟性可以在水資源有限的環境中通過避免幹旱提高産量。早熟的Ppd1基因也有一些多效的作用，包括降低株高及減少分蘖數和每穗小穗數。然而，提高小穗的育性可以補償産量損失。顯然，Ppd1不敏感性使小穗形成終止的時間提前，從而通過減少小穗數而使開花期提前。但是，這并不影響葉原基和花原基産生率。3個Ppd1a基因座的效能也有差異，具有Ppd-A1a和Ppd-D1a的植株比具有Ppd-B1a的植株開花更早。與已經鑒定出許多Vrn-1等位基因的方式相同，最近還在普通小麥和硬粒小麥中發現Ppd-1基因的所有3個同源基因座的許多等位基因及其單倍型（表2），在育種計劃中具有重要的利用價值。

（三）早熟性本身基因（Eps）

Eps基因控制與溫度和光周期無關的開花期。迄今為止，在小麥中很少發現Eps基因，但是一些數量性狀基因座（QTL）研究表明，大多數部分同源群染色體攜帶了這些基因，它們作為QTL效應而非Ppd和Vrn途徑中的主要基因。Eps基因參與開花期的微調，因此可用于适應特定的氣候條件。

三、物候基因的分子幹預

與拟南芥的研究一緻，在分子水平上闡明小麥開花途徑方面已經取得重要的進展。分子和序列分析顯示Vrn1編碼類似于拟南芥分生組織特征基因APETA-LA1（AP1）、CAULIFLOWER（CAL）和FRUITFULL（FRU）的MADS-box轉錄因子，調節莖尖分生組織，确定從營養生長到生殖生長的轉變。啟動子區域的插入、缺失和突變與Vrn1的等位基因變異有關。在此之後，一系列分子标記被開發出來（表3），并成功地用于鑒定當地小麥品種以及CIMMYT（International Maize and Wheat Improvement Center）種質中這些等位基因的頻率。Vrn2編碼鋅指CCT域轉錄因子，是一種花的阻遏物，受春化處理和短日照的限制。Vrn2在拟南芥中的作用與FLOWERING LOCUS C（FLC）非常相似，但是實際上不是直系同源基因，說明春化途徑是獨立進化的。春化基因Vrn3與拟南芥FLOWERING LOCUS（FT）類似，其顯性等位基因與TaFT啟動子中一個逆轉錄因子的插入有關，導緻早開花。最近通過對一些中國小麥品種的篩選又發現了Vrn3的兩個顯性等位基因，觀察到因其作用而導緻的80 d抽穗的變異。這些Vrn1基因的等位基因變異量化了春化作用，并通過與光周期基因Ppd1相互作用來确定開花時間。後者是僞反應調節因子（pseudo response regulator,PRR）基因家族的成員，其中，不敏感性與啟動子區域内的缺失或轉座子插入以及拷貝數變異相關。在小麥中，Ppd-1直接調控FlOWERING LOCUS T1（FT1），啟動子缺失的突變導緻FT1的過表達，進而導緻早開花。已經開發了可以鑒别具有不同啟動子缺失的Ppd-1突變體的分子标記（表2），這些突變體可以促進其對小麥開花時間的影響。

表3 不同春花和光周期反應等位基因的聚合酶鍊反應（PCR）标記

這些物候基因之間的複雜互作産生了兩個相互矛盾的開花調控網絡模型，第一個模型被命名為Vrn2-FT，在這個模型中，Vrn2抑制FT的表達，但是冬季春化作用可對Vrn1稍作上調，導緻Vrn2的下調和FT表達的釋放。然後，該FT與Ppd1互作，再次将Vrn1上調使之超過阈值，在長日照條件下開始開花。相反，根據缺乏Vrn1保持營養生長階段（mvp）突變體不能上調FT的現象，Shimada等提出第二個模型，稱為FT-Vrn2，Vrn1促進FT的轉錄，使Vrn2下調，從而啟動開花。随後,Distelfeld和Dubcovsky對Vrn1分離和Vrn2缺失的mvp突變體進行詳細的研究，發現了與先前提出的兩種模型均相矛盾的證據，因此我們建議應該進行更多的研究來闡明小麥的開花網絡，這可能發現更多在開花途徑中相互作用的基因。

四、矮稈基因

将矮稈（Rht）基因引入谷類作物，包括小麥，是綠色革命的關鍵驅動力。從那以後，Rht-B1b和Rht-D1b（以前分别稱為Rht1和Rht2），是世界各地小麥育種上最常用的Rht基因。這兩個半矮稈基因一起産生矮稈表型，而單獨與對應的Rht-B1a或Rht-D1a組合産生半矮稈植株。具有這些基因的植株不容易發生倒伏，并且更有效地将同化物分配到籽粒中。有些研究者認為這些品種産量潛力的提高僅限于有利的生長環境下。然而，這些特定的Rht基因對内源赤黴素不敏感，産生較矮的植株和較小的細胞。這些較小的細胞造成胚芽鞘較短、早期苗勢較弱、葉面積較小、水分利用率較低、成苗率不高，特别是在水分有限的環境中。Rht-B1b和Rht-D1b等位基因對赤黴素的不敏感性是由于單核苷酸置換産生了翻譯終止密碼子TGA，降低了植物對赤黴素的反應能力。

世界上大多數的小麥都種植在沒有灌溉的條件下，由于對季節性降雨的依賴，其産量常常受到水資源短缺的阻礙。大約50%的雨水可以通過土壤蒸發直接流失，而早期苗勢強可以使水分利用率提高25%，從而提高産量。同樣，為了在幹旱地區獲得産量效益，澳大利亞南部也常常推薦晚熟品種深播技術，但當矮稈/半矮稈品種播種深度超過5 cm時，成苗就會受到影響。因此，農民播種要等到播前第一場雨，在這種情況下，澳大利亞小麥每周産量損失在140~330 kg·hm^–2。胚芽鞘較長的小麥品種在播種時能夠較早出苗，早期苗勢較強。此外，早期的苗勢強和胚芽鞘較長有助于植株免受殘留除草劑的毒性效應，增強其抗雜草能力，通過遮蔽減少蒸發造成的水分流失。因此，在水資源有限的環境中培育幼苗生長勢旺盛和較長胚芽鞘的品種以具備更好的适應性是小麥主要的育種目标，目前在墨西哥CIMMYT就有這樣一個項目正在執行。

另一方面，一些Rht基因（如Rht7、Rht8、Rht9、Rht13和Rht14）可以降低株高，而不會影響幼苗生長勢以及組織對赤黴素的反應。在脅迫條件下，植株較高的品種在莖稈中儲存同化物，籽粒灌漿并不完全依賴當時的同化物。在許多有利和不利的環境中進行的一些研究表明，高度在70~100 cm之間的植株的産量比那些高于或低于這個範圍的植株的産量更好。因此，采用微效Rht基因的聚合或與一個赤黴素不敏感基因的組合而得到的較低株高比較理想。不同研究報道，與其他矮稈/半矮稈品種相比，利用Rht8和（或）Rht13等位基因與Rht1和（或）Rht2可以使産量達到最高。這些Rht等位基因的連鎖标記使得在大群體中同時選擇兩個等位基因更加容易。

五、物候與矮稈基因的生理表現

籽粒産量受到特定環境中發育階段時間長短的強烈影響，使得作物物候學成為産量生理學的關鍵組成部分。在生殖階段，特别是在開花前幾周至開花後數天的時期，水分脅迫在水資源有限的環境中對作物産量的影響最為顯著。Passioura強調了幹旱地區用水量、水利用效率和收獲指數（HI）對作物産量的重要性。在幹旱環境中，一大部分可用于蒸騰作用的土壤水分從貧瘠的土壤表面蒸發，從而通過限制根系水分利用和改變冠層溫度來間接影響幹物質積累。在這種情況下，苗期快速生長可以通過遮陰防止蒸發。此外，開花較晚的品種不斷産生分蘖，直到獲得生殖發育的信号，其中許多不能産生可育穗，但通過正常的蒸騰作用影響土壤中可利用的水分。

從這一點上講，培育幹旱環境中水分利用效率高的品種還應該考慮抽穗期和有效分蘖數。此外，整個生育期的用水需求也不一樣，在結實和種子發育階段需水較多。因此，通過改變作物的發育有可能提高産量。通過物候與季節性水分的可用性調節使之與作物發育階段同步，應該是在水資源有限的環境中（如地中海氣候地區）培育小麥新品種最重要的育種目标。

HI和最終的籽粒産量在很大程度上取決于開花前後的生物量、同化物向小花的運轉和生育期間的供水模式。增加同化物向發育中的小花轉移可能是提高HI的一個策略，這将防止小花在開花前的敗育。這可以通過增加穗發育的持續時間，減少早期階段從而發育成大穗來實現。而且，在籽粒灌漿期大穗還與旗葉一起貢獻更多的光合産物，從而提高HI。研究表明，Vrn-A1的兩個春性等位基因對根和營養形态（如花的生長習性）、株高和葉長的變化有顯著的影響。最近觀察到開花前的生長階段與分蘖和幹物質積累之間存在顯著相關性。對澳大利亞小麥品種的多年多點詳細研究表明，與具有兩個春性等位基因的品種相比，3個Vrn1基因座中任何一個為春性等位基因的品種開花最早。同樣，所有3個Vrnl基因座的春性等位基因對提早抽穗期的影響很小，表明存在上位性或超劑量的效應。這項研究還表明，與Vrn-A1或Vrn-D1相比，Vrn-B1對縮短抽穗期的影響較弱。然而，最近有研究表明Vrn-B1對籽粒産量影響最大。

因為與Rht-B1b相比Rht-D1b的葉片氣孔減少，導緻抽穗前蒸騰較慢，土壤水分可在以後使用，所以攜帶Rht-D1b基因的半矮稈品種在開花期和籽粒灌漿期高溫少雨環境下比Rht-B1b更具有優勢。植物通過加速葉片幹燥和死亡來減少幹旱脅迫下的用水量，從而導緻光合産物的減少。因此，莖稈儲備成為籽粒灌漿碳水化合物的重要來源。然而，Rht-B1b和Rht-D1b基因可分别使莖稈儲備減少35%和39%，因此，與現代矮稈品種相比，當同化物不足時，在脅迫環境中高稈品種往往表現較好。

六、未來策略

産量關鍵生理決定因素的識别和精确測定的難題是提高植物耐旱性的瓶頸，其複雜的遺傳控制使得進展更加困難。因此，為了解決這個複雜的問題，在生理和分子水平上改良植物性狀是至關重要的。

目前使用自動化高通量植物表型設備可極大地幫助研究人員更精确和準确地進行植株表型測定。深入了解植物生理學将解析耐旱性的遺傳組成部分，而分子和基因組工具将有助于鑒定耐旱性狀的候選基因和QTL。生理學和分子工具的整合将為基因功能提供新的見解。為了在幹旱研究中優化産量，對生長環境和基因型-環境相互作用的詳細了解是至關重要的。通過将最适合的物候基因等位基因相結合，對特定環境下基因型的微調是可行的，這樣可以更好地适應現有環境。

最近的研究表明，物候基因的拷貝數變異在作物适應性中也起着至關重要的作用。Ppd-B1的拷貝數增加使開花期提早，而Vrn-A1的拷貝數增加則延長春化階段，即延遲開花。對澳大利亞小麥品種Ppd-B1的拷貝數變異的研究發現，對于具有1~4個拷貝的5個等位基因以及Ppd-B的空拷貝的品種，其中具有等位基因較少拷貝數的植株相對于較多拷貝等位基因的植株抽穗期更晚。此外，在其他研究中發現的這些基因的單倍型變異對幾個産量相關性狀具有影響，因此對于不同的适應性也有影響。在過去幾年間在不同國家的環境條件下有幾項研究試圖确定Vrn1和Ppd1基因的價。

在大多數情況下，植物材料并不能涵蓋自然界中所有可用的等位基因甚至不同遺傳背景的同一等位基因。因此，為了獲得等位基因在育種品種中的真實效果，需要培育具有不同等位基因的适應當地條件品種的适當近等基因系（NIL）群體，當然這将需要很大的努力。

早期的成功實例是Pugsley培育的Triple Dirk，用于研究Vrn1基因的等位基因，目前英國John Innes中心正在開展培育Ppd1基因不同等位基因群體的研究。考慮到當地水資源有限的環境，這項工作肯定會促進物候基因研究，優化植物發育和生産力。因此，為了優化每個等位基因/單倍型對物候基因的影響，全面深入的研究将使植物育種者能夠确定每個關鍵生長環境中小麥的基本遺傳結構，以在脅迫條件下獲得更好的産量。Servin等指出，當利用分子和生理工具鑒定和證明不同性狀及其調節耐旱性基因的效率時，這幾個有用的性狀可以通過标記輔助基因聚合方案聚集在該基礎群體中。總之，應對氣候變化不利影響的成敗取決于目标環境的适當特征特性（土壤屬性、降水年型、幹旱嚴重程度等），然後設計一個結合有用的物候和其他耐旱性基因的适當的作物理想株型，再輔之以良好的田間管理措施。

七、結論

由于氣候變化，幹旱是世界農業面臨的主要威脅，預測近期情況會更加惡化。小麥是世界上種植面積最廣的谷類作物，對全球糧食安全至關重要。改變發育階段和成熟期是在不影響産量的情況下實現抗旱的最好方法之一。然而，目前對于控制小麥開花期和成熟期的基因數量了解是有限的。根據從模式植物拟南芥中獲得的知識，已經報道的控制開花基因有80多個，有理由相信許多新的與小麥開花和成熟相關的基因及遺傳途徑尚待發現。但事實上，不同的遺傳途徑最終會聚合、相互作用并導緻花序原基因的激活，而這些促進開花的互作網絡尚未明了。由于目前一些重要的研究正在進行，小麥開花基因和通路的知識将随着時間的推移而增加，并将需要計算生物學的進步來整合和解釋這些信息。此外，未來的國際合作有助于将不同研究小組和學科正在進行的研究積累整合起來，而育種學家的挑戰将是使這項工作整合到新的遺傳組合中。

注：本文内容呈現形式略有調整，若需可查看原文。

改編原文：

M.A.N. Nazim Ud Dowla,Ian Edwards,Graham O’Hara,Shahidul Islam,Wujun Ma.Developing Wheat for Improved Yield and Adaptation Under a Changing Climate: Optimization of a Few Key Genes[J].Engineering,2018,4(4):514-522.

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注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。

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