作物抗逆育种
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抗逆育种
• 逆境 (stress environment)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 境因子
• • • • • • •
抗病育种 抗虫育种 抗旱与耐盐育种 抗寒和耐热育种 耐湿性与耐弱光育种 抗除草剂育种 植物逆境信号传递与抗逆育种
防治逆境危害的基本途径
(二) 耐盐性鉴定
• 1．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 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
– 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。
• 3，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， 根据植株的生长状况及产量表现评定其耐盐性。
• (4)气孔扩散阻力
– 气孔是CO2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。
• (5)保护酶活性
– 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧 化氢酶(CAT)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，SUD、 CAT和POD活性明显高于抗旱性弱的品种。
四、抗旱性鉴定
• (一)抗旱鉴定的方法
– 1.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 降水不足或控制浇水等方法，造成干旱胁迫，在 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 指数等。
– 2．盆栽鉴定法
• 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 干早胁迫处理，但工作量大，不能大批量进行。
植物抗盐育种的常规方法
62
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
• 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 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 物抗旱耐盐基因工程的首选策略。
1、甜菜碱合成关键酶基因
• (1)叶水势(LWP)
– 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； – 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 存和繁殖。
• (2)叶片相对含水量(RWC)和水分饱和亏 (WSD)
• (3)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 种细胞膜透性增加少，电解质外渗量少。
• 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 • 植物按照对盐渍的反应
– 盐生植物
– 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 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。 • 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 有多种无机盐离子(K+、Na+、Cl—等)。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“亲 和性溶质”，对于植物生存是必要的
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：
产量指标：抗旱系数 = 干旱胁迫下产量/非胁迫 下的产量
干旱敏感指数 =（1-抗旱系数）/胁迫强度 抗旱指数=抗旱系数*旱地产量/所有品种旱地平 均产量
第二节 抗盐碱育种
• 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， • 提高植物的抗逆性(即植物抵抗各种胁迫 因子的能力
第一节 抗旱与耐盐育种
全球：荒漠化土地面积3600万平方公里，占全球陆地 并以每年5万至7万平方公里的速度扩大。1/3耕地面 积供水不足，其它耕地周期性缺水。
面积的1/4，相当于俄、加、中、美四国国土的总和，
我国：85％的自然灾害为气象灾害，干旱灾害又 占气象灾害的50％左右， 3/4的耕地面积遭受 不同程度干旱的威胁，20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1995 年和1997年的严重干旱，而南方部分地区近几 年也频繁发生干旱。
（一）作物抗旱性
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 至能进行正常生长的性能。
• 3．人工气候室与旱棚鉴定法
– 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。
• 4．室内模拟干旱胁迫法
– 在实验室内人工模拟干旱条件 – 用PEG、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 较困难。
生理生化指标综合评价
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
• 酵母的HAL2 基因第1 次转入木本植物柑桔中，表现 出了较高的耐盐性
5、大麦脱水素Dhn 基因家族（胚胎发育晚
期高丰度蛋白基因）
该基因与抗旱、抗寒、抗盐等抗逆性关系 非常密切。
其中的Dhn成员HVA1转移到水稻中，提高 抗旱耐盐性 ； 6、逆境相关的转录因子基因及防卫反应调 节
– ②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。 – ③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 植株死亡。
(二)植物的耐盐性
• 植物对土壤的反应因物种而异，即使同一种 内不同品种，也存在着明显的差异。
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
双子叶植物开放的气孔
地提高了水稻抗旱和耐盐性。
2、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 缺氮） 关键酶是吡咯琳-5-羧酸合成酶( P5CS) 转入乌头叶菜豆P5CS 基因来增加非盐生植 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
3、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， 在干旱和盐胁迫条件下合成并积累。 • 1-磷酸甘露醇脱氢酶(MtlD)基因： 将来源于大肠杆菌的 MtlD转入烟草，转基因植株能 够更多合成和积累甘露醇,表现出对1. 45 %NaCl 的抗 性和提高抗旱能力。 • 山梨醇脱氢酶（GutD）基因： 大肠杆菌起源的GutD 转入玉米中使得植株体内积累 山梨醇,并表现出较高的抗旱耐盐性。
– 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 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。
• (三)抗旱生理
– 气孔是植物体与外界进行H2O和CO2等气体交换的调节机 构，既能使光合作用所需的CO2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 下降。 – 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渗透调节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 别表现为植物种或品种的抗旱性的不同。
全世界有盐碱地6亿多公顷，次生盐渍化约 有1亿公顷；我国有盐碱耕地面积约3000万公 顷
(一)盐害表现
– 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。
• 盐害的特点
– ①新叶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
胆碱到甜菜碱合成经2 步氧化（叶绿体基质）
第1 步反应酶是胆碱单氧化酶(CMO)
第2 步反应酶是甜菜碱醛脱氢酶(BADH)
胆碱氧化酶codA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, 获得抗旱耐盐能 力； 将胆碱氧化酶基因codA 与叶绿体靶向序列结合构成嵌
合基因来转化水稻, 比起单独转化codA 基因更wk.baidu.com有效
4、离子区隔化相关基因
• Na+ ⁄ H+逆向转运蛋白基因：选择性泵出Na+。从大 米草中分离获得该基因，转基因水稻耐盐能力提高 0.3% • HAL1 基因：最早从啤酒酵母中克隆的，调节阳离子 转移系统，增加细胞内K+ 含量,降低细胞内Na + 含 量，调节K+ / Na + 比率。 该基因过量表达的酵母转化后，耐NaCl 提高近2倍; 将酵母的HAL1 基因转入拟南芥、菜瓜、番茄中, 减 少Na +吸收，增加K+浓度，提高耐盐性
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。 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 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。 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。
• 干旱伤害与抗旱生理 • (二)干旱伤害
• 逆境 (stress environment)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 境因子
• • • • • • •
抗病育种 抗虫育种 抗旱与耐盐育种 抗寒和耐热育种 耐湿性与耐弱光育种 抗除草剂育种 植物逆境信号传递与抗逆育种
防治逆境危害的基本途径
(二) 耐盐性鉴定
• 1．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 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
– 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。
• 3，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， 根据植株的生长状况及产量表现评定其耐盐性。
• (4)气孔扩散阻力
– 气孔是CO2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。
• (5)保护酶活性
– 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧 化氢酶(CAT)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，SUD、 CAT和POD活性明显高于抗旱性弱的品种。
四、抗旱性鉴定
• (一)抗旱鉴定的方法
– 1.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 降水不足或控制浇水等方法，造成干旱胁迫，在 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 指数等。
– 2．盆栽鉴定法
• 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 干早胁迫处理，但工作量大，不能大批量进行。
植物抗盐育种的常规方法
62
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
• 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 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 物抗旱耐盐基因工程的首选策略。
1、甜菜碱合成关键酶基因
• (1)叶水势(LWP)
– 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； – 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 存和繁殖。
• (2)叶片相对含水量(RWC)和水分饱和亏 (WSD)
• (3)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 种细胞膜透性增加少，电解质外渗量少。
• 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 • 植物按照对盐渍的反应
– 盐生植物
– 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 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。 • 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 有多种无机盐离子(K+、Na+、Cl—等)。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“亲 和性溶质”，对于植物生存是必要的
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：
产量指标：抗旱系数 = 干旱胁迫下产量/非胁迫 下的产量
干旱敏感指数 =（1-抗旱系数）/胁迫强度 抗旱指数=抗旱系数*旱地产量/所有品种旱地平 均产量
第二节 抗盐碱育种
• 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， • 提高植物的抗逆性(即植物抵抗各种胁迫 因子的能力
第一节 抗旱与耐盐育种
全球：荒漠化土地面积3600万平方公里，占全球陆地 并以每年5万至7万平方公里的速度扩大。1/3耕地面 积供水不足，其它耕地周期性缺水。
面积的1/4，相当于俄、加、中、美四国国土的总和，
我国：85％的自然灾害为气象灾害，干旱灾害又 占气象灾害的50％左右， 3/4的耕地面积遭受 不同程度干旱的威胁，20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1995 年和1997年的严重干旱，而南方部分地区近几 年也频繁发生干旱。
（一）作物抗旱性
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 至能进行正常生长的性能。
• 3．人工气候室与旱棚鉴定法
– 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。
• 4．室内模拟干旱胁迫法
– 在实验室内人工模拟干旱条件 – 用PEG、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 较困难。
生理生化指标综合评价
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
• 酵母的HAL2 基因第1 次转入木本植物柑桔中，表现 出了较高的耐盐性
5、大麦脱水素Dhn 基因家族（胚胎发育晚
期高丰度蛋白基因）
该基因与抗旱、抗寒、抗盐等抗逆性关系 非常密切。
其中的Dhn成员HVA1转移到水稻中，提高 抗旱耐盐性 ； 6、逆境相关的转录因子基因及防卫反应调 节
– ②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。 – ③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 植株死亡。
(二)植物的耐盐性
• 植物对土壤的反应因物种而异，即使同一种 内不同品种，也存在着明显的差异。
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
双子叶植物开放的气孔
地提高了水稻抗旱和耐盐性。
2、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 缺氮） 关键酶是吡咯琳-5-羧酸合成酶( P5CS) 转入乌头叶菜豆P5CS 基因来增加非盐生植 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
3、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， 在干旱和盐胁迫条件下合成并积累。 • 1-磷酸甘露醇脱氢酶(MtlD)基因： 将来源于大肠杆菌的 MtlD转入烟草，转基因植株能 够更多合成和积累甘露醇,表现出对1. 45 %NaCl 的抗 性和提高抗旱能力。 • 山梨醇脱氢酶（GutD）基因： 大肠杆菌起源的GutD 转入玉米中使得植株体内积累 山梨醇,并表现出较高的抗旱耐盐性。
– 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 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。
• (三)抗旱生理
– 气孔是植物体与外界进行H2O和CO2等气体交换的调节机 构，既能使光合作用所需的CO2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 下降。 – 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渗透调节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 别表现为植物种或品种的抗旱性的不同。
全世界有盐碱地6亿多公顷，次生盐渍化约 有1亿公顷；我国有盐碱耕地面积约3000万公 顷
(一)盐害表现
– 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。
• 盐害的特点
– ①新叶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
胆碱到甜菜碱合成经2 步氧化（叶绿体基质）
第1 步反应酶是胆碱单氧化酶(CMO)
第2 步反应酶是甜菜碱醛脱氢酶(BADH)
胆碱氧化酶codA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, 获得抗旱耐盐能 力； 将胆碱氧化酶基因codA 与叶绿体靶向序列结合构成嵌
合基因来转化水稻, 比起单独转化codA 基因更wk.baidu.com有效
4、离子区隔化相关基因
• Na+ ⁄ H+逆向转运蛋白基因：选择性泵出Na+。从大 米草中分离获得该基因，转基因水稻耐盐能力提高 0.3% • HAL1 基因：最早从啤酒酵母中克隆的，调节阳离子 转移系统，增加细胞内K+ 含量,降低细胞内Na + 含 量，调节K+ / Na + 比率。 该基因过量表达的酵母转化后，耐NaCl 提高近2倍; 将酵母的HAL1 基因转入拟南芥、菜瓜、番茄中, 减 少Na +吸收，增加K+浓度，提高耐盐性
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。 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 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。 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。
• 干旱伤害与抗旱生理 • (二)干旱伤害