作物抗逆育种

1、 逆境逆境 (stress environment)或胁迫或胁迫(stress) 生存在自然界的植物，常常遇到某种对植物生长发育产生伤害的环生存在自然界的植物，常常遇到某种对植物生长发育产生伤害的环境因子境因子抗逆育种抗逆育种抗病育种抗病育种 抗虫育种抗虫育种抗旱与耐盐育种抗旱与耐盐育种 抗寒和耐热育种抗寒和耐热育种耐湿性与耐弱光育种耐湿性与耐弱光育种抗除草剂育种抗除草剂育种 植物逆境信号传递与抗逆育种植物逆境信号传递与抗逆育种 防治逆境危害的基本途径防治逆境危害的基本途径 采取一些合理、有效的农业措施，防治采取一些合理、有效的农业措施，防治或减轻逆境对作物造成的危害，或减轻逆境对作物造成的危

2、害， 提高植物的抗逆性提高植物的抗逆性(即植物抵抗各种胁迫即植物抵抗各种胁迫因子的能力因子的能力第一节第一节 抗旱与耐盐育种抗旱与耐盐育种全球：全球：荒漠化土地面积荒漠化土地面积36003600万平方公里，占全球陆地万平方公里，占全球陆地面积的面积的1/4，相当于俄、加、中、美四国国土的总和，相当于俄、加、中、美四国国土的总和，并以每年并以每年5 5万至万至7 7万平方公里的速度扩大。万平方公里的速度扩大。1/3耕地面耕地面积供水不足，其它耕地周期性缺水。积供水不足，其它耕地周期性缺水。 我国：我国：8585的自然灾害为气象灾害，干旱灾害又的自然灾害为气象灾害，干旱灾害又占气象灾害的占气象灾害

3、的5050左右，左右， 3/4的耕地面积遭的耕地面积遭受不同程度干旱的威胁，受不同程度干旱的威胁，2020世纪九十年代我国世纪九十年代我国北方干旱频繁发生，特别是西北地区出现了北方干旱频繁发生，特别是西北地区出现了19951995年和年和19971997年的严重干旱，而南方部分地区年的严重干旱，而南方部分地区近几年也频繁发生干旱。近几年也频繁发生干旱。 （一）作物抗旱性（一）作物抗旱性免旱性免旱性 在生长环境中水分不足时，植物体内仍能保持水分免受伤害，以在生长环境中水分不足时，植物体内仍能保持水分免受伤害，以至能进行正常生长的性能。至能进行正常生长的性能。 包括保持水分的吸收和减少水分的损失。

4、包括保持水分的吸收和减少水分的损失。 免旱性的主要特点大都表现在形态结构上。免旱性的主要特点大都表现在形态结构上。耐旱性耐旱性 作物忍受组织水势低的能力，不受伤害或减轻损害。耐旱的主作物忍受组织水势低的能力，不受伤害或减轻损害。耐旱的主要特点则大都表现在生理上抗旱。要特点则大都表现在生理上抗旱。 免旱性和耐旱性属于真正的抗旱性。免旱性和耐旱性属于真正的抗旱性。避旱性避旱性 通过早熟或发育的可塑性，在时间上避开干旱的危害，不属于抗旱性。通过早熟或发育的可塑性，在时间上避开干旱的危害，不属于抗旱性。 干旱伤害与抗旱生理干旱伤害与抗旱生理 (二二)干旱伤害干旱伤害 水分亏缺伤害是由于长期无降水或降水

5、显著水分亏缺伤害是由于长期无降水或降水显著偏少，以及无水灌溉或灌溉不足即干旱，使偏少，以及无水灌溉或灌溉不足即干旱，使植物生长发育所需要的水分得不到满足而造植物生长发育所需要的水分得不到满足而造成的伤害现象。成的伤害现象。 (三三)抗旱生理抗旱生理 气孔是植物体与外界进行气孔是植物体与外界进行H2O和和CO2等气体交换的调节机等气体交换的调节机构，既能使光合作用所需的构，既能使光合作用所需的CO2通过，又能防止过多水分通过，又能防止过多水分散失。当空气干燥时，在空气饱和差引起叶水势的进一步散失。当空气干燥时，在空气饱和差引起叶水势的进一步下降。下降。 干旱、盐渍都会构成对植物的渗透胁迫，在一定

6、范围内，干旱、盐渍都会构成对植物的渗透胁迫，在一定范围内，植物能通过自身细胞的植物能通过自身细胞的渗透调节渗透调节作用来抵抗外界的渗透胁作用来抵抗外界的渗透胁迫。植物不同种或品种的这种调节能力差异很大，这种差迫。植物不同种或品种的这种调节能力差异很大，这种差别表现为植物种或品种的抗旱性的不同。别表现为植物种或品种的抗旱性的不同。四、抗旱性鉴定四、抗旱性鉴定 (一一)抗旱鉴定的方法抗旱鉴定的方法 1.田间直接鉴定法田间直接鉴定法 将待鉴定的材料直接播种或定植于大田利用自然将待鉴定的材料直接播种或定植于大田利用自然降水不足或控制浇水等方法，造成干旱胁迫，在降水不足或控制浇水等方法，造成干旱胁迫，在

7、整个生育期内测定一些与抗旱有关的形态或生理整个生育期内测定一些与抗旱有关的形态或生理生化指标，最后测定产量，计算抗旱系数、抗旱生化指标，最后测定产量，计算抗旱系数、抗旱指数等。指数等。 2盆栽鉴定法盆栽鉴定法 将鉴定材料种质于花盆内，人工控制浇水，可以将鉴定材料种质于花盆内，人工控制浇水，可以根据实验目的，在任何生育期内进行不同程度的根据实验目的，在任何生育期内进行不同程度的干早胁迫处理，但工作量大，不能大批量进行。干早胁迫处理，但工作量大，不能大批量进行。 3人工气候室与旱棚鉴定法人工气候室与旱棚鉴定法 效果好，结果稳定效果好，结果稳定 但投资大，设备复杂，只能用于对少量材料的深入研究。但投

8、资大，设备复杂，只能用于对少量材料的深入研究。 4室内模拟干旱胁迫法室内模拟干旱胁迫法 在实验室内人工模拟干旱条件在实验室内人工模拟干旱条件 用用PEG、甘露醇或发芽垫蒸干等方法，造成干旱胁迫，方法、甘露醇或发芽垫蒸干等方法，造成干旱胁迫，方法简单，重复性好，但只能做萌发期、苗期鉴定，后期鉴定比简单，重复性好，但只能做萌发期、苗期鉴定，后期鉴定比较困难。较困难。生理生化指标综合评价生理生化指标综合评价 (1)叶水势叶水势(LWP) 御旱作物能够通过维持较高的组织含水量来御旱作物能够通过维持较高的组织含水量来抵抗干旱胁迫，其叶水势值较高；抵抗干旱胁迫，其叶水势值较高； 耐旱作物其叶水势值较低，它

9、们是在组织内耐旱作物其叶水势值较低，它们是在组织内部水分亏缺的情况下耐受干旱胁迫，继续生部水分亏缺的情况下耐受干旱胁迫，继续生存和繁殖。存和繁殖。 (2)叶片相对含水量叶片相对含水量(RWC)和水分饱和亏和水分饱和亏(WSD) (3)质膜透性质膜透性 测定电导率即可了解质膜伤害程度。抗旱性强的品测定电导率即可了解质膜伤害程度。抗旱性强的品种细胞膜透性增加少，电解质外渗量少。种细胞膜透性增加少，电解质外渗量少。 (4)气孔扩散阻力气孔扩散阻力 气孔是气孔是CO2进入与水分蒸腾的主要通道。气孔的开进入与水分蒸腾的主要通道。气孔的开闭大小对作物抗旱起重要作用。闭大小对作物抗旱起重要作用。 (5)保护

10、酶活性保护酶活性 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶、过氧化物酶(POD)和过氧和过氧化氢酶化氢酶(CAT)都是植物组织防御系统中的重要保护都是植物组织防御系统中的重要保护酶，抗旱性强的品种在水分胁迫条件下，酶，抗旱性强的品种在水分胁迫条件下，SUD、CAT和和POD活性明显高于抗旱性弱的品种。活性明显高于抗旱性弱的品种。2、形态指标：发芽能力、幼苗存活与生长状况；根长或扎根深度、根冠比大、根系长与数量多叶小、直立、角质层厚、气孔少、气孔下陷维管束紧密、导管多直径大芽鞘长度：小麦低水势下芽鞘长度与干旱条件下产量的相关性不耐旱叶片表皮极度密集的气孔仙人掌表面向内凹陷的气孔双子叶植

11、物开放的气孔 单子叶植物的气孔3、生理生化指标 离体叶片持水能力、根冠淀粉水解状况； 花粉败育率； 叶绿素稳定性； 气孔开度、ABA、叶水势、耐高温承受力和冠层温度气孔调节 膜透性、叶片导性； SOD 酶活性 渗透调节： K+、Ca+、无机盐 脯氨酸（渗透胁迫下积累的1 种相容渗透剂,降低细胞内渗透势、保护细胞蛋白质结构和防止酶变性的作用） 甘露醇、甜菜碱、糖气孔的开闭的调节因子有昼夜节律、红蓝光、脱落酸（ABA）、乙酰胆碱、二氧化碳浓度、大气湿度、温度等因素的调节鉴定指标：鉴定指标：产量指标：抗旱系数产量指标：抗旱系数 = 干旱胁迫下产量干旱胁迫下产量/非胁迫非胁迫下的产量下的产量 干旱敏感

12、指数干旱敏感指数 =（1-抗旱系数）抗旱系数）/胁迫强度胁迫强度 抗旱指数抗旱指数=抗旱系数抗旱系数*旱地产量旱地产量/所有品种旱地平所有品种旱地平均产量均产量第二节 抗盐碱育种 全世界有盐碱地全世界有盐碱地6亿多公顷，次生盐渍化约亿多公顷，次生盐渍化约有有1亿公顷；我国有盐碱耕地面积约亿公顷；我国有盐碱耕地面积约3000万公万公顷顷(一一)盐害表现盐害表现 盐害是植物在含水溶性盐类较多的土壤上栽培，盐害是植物在含水溶性盐类较多的土壤上栽培，而造成的生长不良、产量下降、甚至死亡。而造成的生长不良、产量下降、甚至死亡。 盐害的特点盐害的特点 新叶生长速率减慢是植物对盐渍响应最敏感的生理过程，新叶

13、生长速率减慢是植物对盐渍响应最敏感的生理过程，生长减慢的程度与根际渗透压呈正比生长减慢的程度与根际渗透压呈正比 盐渍条件下，无排盐结构的植物，由于蒸腾作用，地上盐渍条件下，无排盐结构的植物，由于蒸腾作用，地上部盐分不断积累，造成叶片含盐量过高，老叶死亡。部盐分不断积累，造成叶片含盐量过高，老叶死亡。 当叶片死亡率大于生长速率时，单位叶面积下降，贮存当叶片死亡率大于生长速率时，单位叶面积下降，贮存的糖类越来越少，不能满足生长和代谢活动的需要，导致的糖类越来越少，不能满足生长和代谢活动的需要，导致植株死亡。植株死亡。(二二)植物的耐盐性植物的耐盐性 植物对土壤的反应因物种而异，即使同一种植物对土壤

14、的反应因物种而异，即使同一种内不同品种，也存在着明显的差异。内不同品种，也存在着明显的差异。 耐盐性：指植物在盐胁迫下维持生长、形成耐盐性：指植物在盐胁迫下维持生长、形成经济产量或完成生活史的能力经济产量或完成生活史的能力 植物按照对盐渍的反应植物按照对盐渍的反应 盐生植物盐生植物 淡土植物淡土植物 降低地上部盐分浓度是植物耐盐的重要机理之一，膜结构和降低地上部盐分浓度是植物耐盐的重要机理之一，膜结构和功能的完整性是控制离子运输和分配的主导因子，膜系统是功能的完整性是控制离子运输和分配的主导因子，膜系统是植物盐害的主要部位。植物盐害的主要部位。 渗透调节能力是植物耐盐的最基本特征之一，与耐旱性

15、不同，渗透调节能力是植物耐盐的最基本特征之一，与耐旱性不同，参与盐渍中植物渗透调节过程的不仅包括小分子有机物，还参与盐渍中植物渗透调节过程的不仅包括小分子有机物，还有多种无机盐离子有多种无机盐离子(K+、Na+、Cl等等)。虽然从能量消耗角。虽然从能量消耗角度看，积累有机溶质需要多消耗几十倍的能量，但作为度看，积累有机溶质需要多消耗几十倍的能量，但作为“亲亲和性溶质和性溶质”，对于植物生存是必要的，对于植物生存是必要的(二) 耐盐性鉴定 1萌发试验法萌发试验法 在装有能控制盐分浓度的土壤或砂的容器中播种根在装有能控制盐分浓度的土壤或砂的容器中播种根据种子萌发和幼苗发育的表现来鉴定植物的耐盐性。

16、据种子萌发和幼苗发育的表现来鉴定植物的耐盐性。 2营养液栽培法营养液栽培法 将供试材料进行砂培或水培，控制培养液的盐分和将供试材料进行砂培或水培，控制培养液的盐分和营养成分，根据其生长表现测定其耐盐性。营养成分，根据其生长表现测定其耐盐性。 3，田间试验法，田间试验法 将供试材料在适当程度的盐碱地上进行栽培试验，将供试材料在适当程度的盐碱地上进行栽培试验，根据植株的生长状况及产量表现评定其耐盐性。根据植株的生长状况及产量表现评定其耐盐性。62植物抗盐育种的常规方法四、植物抗旱耐盐的基因工程 渗透调节作为一种植物抗旱耐盐机制渗透调节作为一种植物抗旱耐盐机制 脯氨酸、甜菜碱、甘油、山梨醇、甘露醇、

17、脯氨酸、甜菜碱、甘油、山梨醇、甘露醇、肌醇及其衍生物，在植物或微生物中的代谢肌醇及其衍生物，在植物或微生物中的代谢途径已基本明确。因此，改造代谢以提高这途径已基本明确。因此，改造代谢以提高这些渗透调节物质的生物合成水平也就成为植些渗透调节物质的生物合成水平也就成为植物抗旱耐盐基因工程的首选策略。物抗旱耐盐基因工程的首选策略。1 1、甜菜碱合成关键酶基因、甜菜碱合成关键酶基因 胆碱到甜菜碱合成经胆碱到甜菜碱合成经2 步氧化（叶绿体基质）步氧化（叶绿体基质） 第第1 步反应酶是胆碱单氧化酶步反应酶是胆碱单氧化酶(CMO) 第第2 步反应酶是甜菜碱醛脱氢酶步反应酶是甜菜碱醛脱氢酶(BADH) 胆碱氧

18、化酶胆碱氧化酶codA基因的转基因水稻，在花椰菜花叶基因的转基因水稻，在花椰菜花叶35S 启动子的调控下积累甘氨酸和甜菜碱启动子的调控下积累甘氨酸和甜菜碱, 获得抗旱耐获得抗旱耐盐能力；盐能力； 将胆碱氧化酶基因将胆碱氧化酶基因codA 与叶绿体靶向序列结合构成与叶绿体靶向序列结合构成嵌合基因来转化水稻嵌合基因来转化水稻, 比起单独转化比起单独转化codA 基因更为有基因更为有效地提高了水稻抗旱和耐盐性。效地提高了水稻抗旱和耐盐性。2 2、脯氨酸的合成酶基因、脯氨酸的合成酶基因 鸟氨酸途径和谷氨酸途径（干旱、盐胁迫和鸟氨酸途径和谷氨酸途径（干旱、盐胁迫和缺氮）缺氮） 关键酶是吡咯琳关键酶是吡咯

19、琳-5-羧酸合成酶羧酸合成酶( P5CS) 转入乌头叶菜豆转入乌头叶菜豆P5CS 基因来增加非盐生植基因来增加非盐生植物（水稻、小麦）细胞中脯氨酸的量，提高物（水稻、小麦）细胞中脯氨酸的量，提高抗渗透胁迫和抗旱耐盐能力抗渗透胁迫和抗旱耐盐能力3 3、糖醇合成关键酶基因、糖醇合成关键酶基因 糖醇是由光合作用或呼吸作用的中间产物转化而成，糖醇是由光合作用或呼吸作用的中间产物转化而成，在干旱和盐胁迫条件下合成并积累。在干旱和盐胁迫条件下合成并积累。 1-磷酸甘露醇脱氢酶磷酸甘露醇脱氢酶(MtlD)基因基因： 将来源于大肠杆菌的将来源于大肠杆菌的 MtlD转入烟草转入烟草，转基因植株能转基因植株能够更多合成和积累甘露醇够更多合成和积累甘露醇,表现出对表现出对1. 45 %NaCl 的抗的抗性和提高抗旱能力。性和提高抗旱能力。 山梨醇脱氢酶（山梨醇脱氢酶（GutD）基因：）基因： 大肠杆菌起源的大肠杆菌起源的GutD 转入玉米中使得植株体内积累转入玉米中使得植株体内积累山梨醇山梨醇,并表现