西班牙學者Aditi Gupta等在Science上發(fā)表了題為“The physiology of plant responses to drought”的文章，通過對模式植物擬南芥的生理和分子分析確定植物激素信號傳導是調(diào)節(jié)植物對干旱脅迫響應的關鍵，討論了在特定細胞和細胞結構域中進行激素信號傳導如何緩解植物受到的干旱脅迫。



植物抗旱機制

逃逸(在脅迫可能阻礙生存前加速其生殖階段)

回避(增加內(nèi)部含水量和防止組織損傷的耐力)

耐受(干旱時保持生長的低內(nèi)部含水量的耐力)

干旱時植物維持水平衡

增加根系對土壤的吸水量

關閉氣孔減少水分流失 

調(diào)節(jié)組織內(nèi)的滲透平衡

隨著世界人口的不斷增長，農(nóng)作物產(chǎn)量也必須增加，以滿足日益增長的基本需求。在當前氣候變化和降水趨勢的情況下，農(nóng)業(yè)可用淡水預計將減少。為此，必須提高植物用水效率，以對抗缺水環(huán)境。

圖1.全球氣候、農(nóng)業(yè)和糧食安全的發(fā)展歷程

植物最初通過根部感知干旱，同時地上部的植物器官如葉和莖中，氣孔積極的響應以緩解缺水環(huán)境。在缺水條件下，氣孔保持關閉以減少水分流失。
 

圖2. 具有強抗旱性的植物的根莖葉特征

通過模式植物擬南芥的全基因組關聯(lián)圖譜，發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)根系深度的生長素通路調(diào)節(jié)劑，這種對擬南芥中小肽信號傳導的發(fā)現(xiàn)，有助于識別其他作物中類似的脅迫信號從根到莖的作用機制。
 

圖3. 植物體內(nèi)干旱脅迫相關的激素水平變化

遺傳策略為育種家們提供了抗旱解決方案，可用于開發(fā)智能抗旱作物。例如使用GWAS、CRISPR-Cas9等工具進行的精確基因編輯，可以在保證產(chǎn)量的同時提高作物抗旱性。
 

圖4. 開發(fā)智能抗旱作物的技術策略

此研究分析了干旱脅迫下維持作物生長的各種遺傳性狀的變化，提出了可采用GWAS和CRISPRCas9等工具進行育種工作，從而提高植物在各種脅迫下的抵抗能力。旨在揭示植物對干旱生理響應模型，并將這些發(fā)現(xiàn)轉化為作物的研究工作將提供對抗缺水的新策略。

doi : 10.1126/science.aaz7614