摘要：全球气候变化造成干旱胁迫等逆境频发，严重威胁小麦的安全生产。干旱锻炼作为一种低成本、环保的策略，因能激发植物“胁迫记忆”并提高后期抗旱性，引起人们越来越多的关注。尽管已有研究表明干旱锻炼可增强植物的抗逆性，但不同小麦品种对干旱锻炼的响应差异尚未明确，尤其是苗期
全球气候变化造成干旱胁迫等逆境频发，严重威胁小麦的安全生产。干旱锻炼作为一种低成本、环保的策略，因能激发植物“胁迫记忆”并提高后期抗旱性，引起人们越来越多的关注。尽管已有研究表明干旱锻炼可增强植物的抗逆性，但不同小麦品种对干旱锻炼的响应差异尚未明确，尤其是苗期锻炼对最终产量的影响仍不清楚。因此，鉴定筛选出苗期锻炼可显著增强小麦长期耐旱性的品种并破译其遗传调控机制对提升小麦的干旱频发逆境适应能力十分重要。
近日，南京农业大学农学院姜东教授团队在《Journal of Experimental Botany》期刊发表了题为“Mechanisms of the formation of acquired drought tolerance in wheat: insights from combining high-throughput phenotyping and genome-wide association study”的研究论文。该研究利用团队自主研发的高通量表型平台（HTP，图1 ）对157个小麦品种在两个小麦生长季节对干旱胁迫的响应进行表型监测。设计干旱锻炼指数（DPI）评价小麦品种的锻炼敏感性。基于筛选的13个干旱锻炼敏感性状，结合主成分分析法计算了每个品种的干旱锻炼响应敏感性综合得分（DPICS）并据此将参试品种划分为两个锻炼响应明显不同的类群。进一步基于小麦660K芯片测序数据和DPI表型值的全基因组关联研究（GWAS）鉴定出499个与干旱锻炼响应相关的显著标记Marker并进行了候选基因的初步验证。总之，该研究整合HTP和GWAS加速破译干旱锻炼诱导的获得性抗旱性的品种差异及遗传基础，为培育应对干旱频发环境的智慧型小麦新品种提供了借鉴。主要结果如下：
图1 小麦干旱锻炼实验设计与高通量表型分析流程。A 干旱锻炼与干旱胁迫处理的实验设计；B 田间高通量表型平台，用于3D激光雷达、多光谱和热成像数据采集；C 不同时期采集的3D激光雷达、多光谱与热成像数据示例
1.干旱锻炼可减轻产量损失并提高收获指数
在两个小麦生长季中，157个品种的穗数和每穗粒数稳定，不同处理间无显著差异。但干旱胁迫下，千粒重、籽粒产量和收获指数显著下降。与未锻炼的干旱胁迫组（ND）相比，经过干旱锻炼的植株（PD）在千粒重、籽粒产量和收获指数上均有显著增加（图2 ）。
图2 干旱锻炼对干旱胁迫下小麦籽粒产量、千粒重和收获指数的影响。A 千粒重（2018-2019生长季）；B 籽粒产量（2018-2019生长季）；C 收获指数（2018-2019生长季）；D 千粒重（2020-2021生长季）；E 籽粒产量（2020-2021生长季）；F 收获指数（2020-2021生长季）
2.干旱锻炼促进干物质积累与分配
干旱锻炼显著增加了干旱胁迫下花前储存干物质的再分配量（RM、CRMG）以及花后光合同化产物的积累（PAA）。不同器官对籽粒产量的贡献率中，茎的再分配贡献率最高，其次是叶，穗轴+颖壳最低。与ND相比，PD处理下茎的CRMG在两个生长季均有显著差异（图3 ）。
图3干旱锻炼对干旱胁迫下小麦干物质再分配和花后同化产物积累的影响。A 花前贮存干物质的再分配量（2018-2019年）；B 花前贮存干物质对籽粒贡献率（2018-2019年）；C 花后同化物积累（2018-2019年）；D 不同器官对籽粒的干物质再分配贡献率（2018-2019年）；E 花前贮存干物质的再分配量（2020-2021年）；F 花前贮存干物质对籽粒贡献率（2020-2021年）；G 花后同化物积累（2020-2021年）；H 不同器官对籽粒的干物质再分配贡献率（2020-2021年）
3.干旱锻炼降低冠层温度并延缓衰老
植株高度的估计值与手动测量值相关性良好（R² = 0.98），冠层温度相关性相对较低但仍满足要求（R² = 0.65）。不同处理间植株平均高度无显著差异。干旱胁迫下，冠层覆盖度（CC）和归一化植被指数（NDVI）显著下降。在干旱胁迫1 天（1DS）时，PD和ND组的CC和NDVI下降幅度持续增加，两者差异分别在3DS和1DS出现，并在5DS达到最大。恢复阶段（1AR、2AR），PD组的CC和NDVI仍高于ND组。植物衰老反射指数和冠层温度：花后10 天，植物衰老反射指数（PSRI）随植株生长不断增加，其变化与NDVI相反，PD组的PSRI值低于ND组。冠层温度通常低于大气温度并随其波动，干旱胁迫下植株冠层温度升高，PD组低于ND组。干旱锻炼和未锻炼组之间的叶绿素荧光特性存在显著变化。在5DS时，两个生长季中PD和ND组的实际光化学效率（ΦPSII）均下降，非光化学激子猝灭量子产额（ΦNPQ）均增加，但PD组的变化幅度小于ND组。
图4 干旱胁迫及恢复阶段小麦冠层性状变化动态。A 干旱胁迫及恢复期间冠层覆盖度、归一化植被指数、植物衰老反射指数及冠层温度的动态变化（2018-2019年）；B 干旱胁迫及恢复期间冠层覆盖度、归一化植被指数、植物衰老反射指数及冠层温度的动态变化（2020-2021年）
4. 参试品种的13个性状的干旱锻炼指数（DPI）存在广泛变异
选择13 个对干旱锻炼敏感的性状计算DPI，评估品种对干旱锻炼响应敏感性的基因型差异。两个生长季中，13 个性状的DPI均值范围分别为0.8 - 1.48和0.84 - 1.33，变异系数（CV）范围分别为4.71% - 73.49%和5.27% - 40.65%。其中，千粒重（TKW）的DPI变异系数最小，PSRI最大（图5 ）。
图5 13个性状干旱锻炼指数的相关性与主成分分析。A 13个性状干旱锻炼指数（DPI）之间的相关性矩阵；B 基于DPI值的主成分分析（PCA）结果
5.鉴定出对干旱锻炼响应敏感性不同的两个群体
DPI的相关性和主成分分析：13 个性状的DPI相关性分析表明，TKW、收获指数（HI）、PAA、ΦPSII、CC和NDVI等性状与产量呈显著正相关，而CRMG、茎的CRMG（SCRMG）、ΦNPQ、PSRI和冠层温度（Tem）等性状与产量呈显著负相关。主成分分析显示，前两个主成分（PC1、PC2）在2018 - 2019年和2020 - 2021年分别解释了44.65%、17.31%和48.51%、14.74%的总表型变异，前三个主成分累计解释了69.41%和71.30%的总表型变异。
综合评价和聚类分析：根据DPI综合得分（DPICS）进行聚类分析，将品种分为对干旱锻炼敏感和不敏感的两个主要集群。敏感组包含58 个品种，不敏感组包含55 个品种。与不敏感品种相比，敏感品种在TKW、产量、HI、PAA、ΦPSII、CC和NDVI等性状上的DPI值较高，而在CRMG、SCRMG、PSRI和Tem等性状上的DPI值较低。
图6 小麦品种干旱锻炼敏感性聚类分析及比较。A 基于DPICS值的小麦品种聚类树状图；B 两个生长季节的聚类结果比较；C 干旱锻炼敏感组与不敏感组的主要性状DPI值比较
6.基于全基因组关联研究鉴定干旱锻炼响应候选基因
GWAS分析：对PC1和PC2进行GWAS分析，两年分别检测到17 个峰（229个SNP）和19 个峰（270个SNP）。其中，一个位于5B染色体的标记（AX - 110508861）在两年中均被检测到（图7 ）。
图7 小麦干旱锻炼响应的GWAS结果。A 基于PC1和PC2性状的曼哈顿图（两年）；B 5B染色体上稳定SNP位点周围的连锁不平衡（LD）区块
候选基因分析：该标记位于一个约261.2 Kb的LD块内，包含七个基因。实时定量PCR结果显示，TraesCS5B03G1259700在PD组的表达水平高于ND组，且在敏感品种扬麦16 中的表达水平高于不敏感品种徐麦33 （图8 ）。基于该基因的SNP，将157个材料分为两种单倍型，AA型单倍型主要分布在降雨较少的内陆地区，GG型单倍型主要分布在低纬度或沿海降雨较多的地区。AA型单倍型组在TKW、产量、HI、PAA、ΦPSII、CC和NDVI等性状上的DPI值较高，而GG型单倍型组在ΦNPQ、PSRI、Tem、CRMG和SCRMG等性状上的DPI值较高（图9 ）。
图8 干旱锻炼与干旱胁迫下LD区块内候选基因的表达水平
图9 与干旱锻炼敏感性相关的TraesCS5B03G1259700单倍型分布及表型效应。A TraesCS5B03G1259700相关单倍型的地理分布；B 基于DPI的AA与GG型单倍型的表型比较
本研究将GWAS与HTP结合应用于干旱锻炼响应敏感小麦种质资源的鉴选及其遗传机制的初步解析，鉴定出13个可应用于干旱锻炼响应评价的指标，发现了干旱锻炼主要通过提高冠层覆盖度和实际光化学效率以及降低冠层温度来提高小麦光合效率、面积和持续时间，从而保持较高的花后光合同化；同时也发现花前干物质，尤其是茎中储存物质的转运，也有利于缓解干旱胁迫下千粒重和产量的下降。此外，本研究将参试品种聚类为对干旱锻炼响应敏感性不同的两组，并初步鉴定出一个与干旱锻炼响应相关的候选记忆基因。尽管未来的研究还需要开展更大的群体和更多的分子调控机制解析工作，但这些发现为探索干旱锻炼诱导的小麦获得性耐旱性的形成机制提供了重要基础，且鉴定的SNP位点可尝试应用在标记辅助育种中进而提高小麦对干旱频发环境的应对能力。
南京农业大学农学院钟山青年研究员李庆为该文第一作者，王笑教授和姜东教授为本文的共同通信作者。该研究得到国家自然科学基金（32272213、32030076、U1803235、32021004）、国家重点研发计划（2024YFD2301305、2023YFD2300200）、江苏省自然科学基金青年项目（BK20241543）、江苏省农业科技自主创新项目（CX(22)1006）、南京农业大学三亚研究院引导基金（NAUSY-MS31）等项目的资助。
来源：玮玮的农村生活