摘要：渍涝灾害是全球农业生产的重大威胁之一。随着气候变化加剧，极端降水事件日益频繁，渍涝灾害对作物造成的损失也愈发严重。大麦作为世界第四大谷类作物，对渍涝胁迫高度敏感。因此，挖掘大麦耐渍涝基因资源，培育耐渍涝新品种，对于保障粮食安全具有重要意义。

渍涝灾害是全球农业生产的重大威胁之一。随着气候变化加剧，极端降水事件日益频繁，渍涝灾害对作物造成的损失也愈发严重。大麦作为世界第四大谷类作物，对渍涝胁迫高度敏感。因此，挖掘大麦耐渍涝基因资源，培育耐渍涝新品种，对于保障粮食安全具有重要意义。

扬州大学Rugen Xu团队在《Journal of Experimental Botany》杂志发表题为“Natural variation and CRISPR/Cas9 gene editing demonstrate the potential for a group VII ethylene response factor HvERF62 in regulating barley (Hordeum vulgare L.) waterlogging tolerance”的论文，揭示了大麦VII类乙烯反应因子 HvERF62 通过调控气孔形成、活性氧稳态和碳水化合物积累，从而提高大麦耐渍涝能力。

主要研究结果介绍

1. 全基因组关联分析（GWAS）锁定4H染色体上的关键位点

利用包含334份双棱大麦种质资源的自然群体，结合基因型数据和苗期耐渍涝胁迫下的叶绿素含量数据，进行全基因组关联分析（GWAS）。结果在4H染色体上检测到一个与叶绿素含量显著相关的QTL。在渍涝胁迫下，该QTL不同等位基因间的叶绿素含量存在显著差异，但在正常条件下差异不明显（图1C）。基于连锁不平衡衰减距离，确定该QTL的候选基因位于4H染色体上567.5 Mb-576.5 Mb的区间内。

2. 转录组分析筛选候选基因 HvERF62

对3个耐渍涝材料（Fleet、Tam169、ZW）和3个渍涝敏感材料（Lian87、Su194、Xiu79）进行转录组测序（RNA-seq）分析。通过比较不同材料在正常和渍涝条件下的基因表达差异，发现在3个耐渍涝材料中，位于4H染色体QTL区间内的 HvERF62 基因受渍涝胁迫显著诱导表达，而在3个渍涝敏感材料中，该基因表达量较低（图3B, 3C）。

3. HvERF62 基因编码核定位蛋白，属于VII类乙烯反应因子

生物信息学分析显示，HvERF62 基因编码的蛋白具有典型的VII类乙烯反应因子（ERFVII）特征，即N端具有保守的MCGGAIL基序（图3D, 3E）。亚细胞定位实验表明，HvERF62蛋白定位于细胞核中，符合其转录因子的功能特征（图3F）。

4. CRISPR/Cas9基因编辑创制 HvERF62 突变体

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，获得了3个独立的 HvERF62 纯合突变体（erf1、erf2、erf3）。这些突变体在正常条件下与野生型（GP）的生长发育没有显著差异。然而，在渍涝胁迫下，突变体的不定根数量显著少于野生型，且根长、地上部干重、根干重和叶绿素含量均显著低于野生型（图4B-4F）。

5. HvERF62 通过调控气孔形成、ROS稳态和碳水化合物积累影响耐渍涝性

对野生型和 HvERF62 突变体进行转录组测序分析。结果显示，在渍涝胁迫下，突变体中有403个基因上调表达，888个基因下调表达（图5A, 5B）。KEGG富集分析表明，这些差异表达基因显著富集在植物-病原互作、淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷类生物合成、MAPK信号通路、植物激素信号转导、糖酵解/糖异生等通路中（图5C）。

进一步分析发现，在渍涝胁迫4天后，野生型的不定根中形成了气孔，而突变体中没有形成（图6B, 6D）。同时，突变体中ADH和PDC活性显著高于野生型（图7I, 7J），表明突变体更早进入无氧呼吸状态。在渍涝胁迫8天后，野生型和突变体都形成了气孔，但野生型中的气孔比例更高（图6C, 6D）。此外，野生型积累了更多的碳水化合物（蔗糖、葡萄糖和淀粉），而突变体中的碳水化合物含量显著较低（图7F-7H）。

细胞活力染色实验表明，在渍涝胁迫下，HvERF62 突变体根部的细胞死亡程度高于野生型（图8）。ROS荧光染色实验表明，在渍涝胁迫下，突变体根部积累了更多的ROS（图9）。此外，突变体中H2O2含量显著高于野生型，而CAT和GSH活性显著低于野生型（图7A-7C）。

6. HvERF62 基因的自然变异与耐渍涝性关联

对自然群体中 HvERF62 基因的序列进行分析，发现存在43个SNPs和4个InDels。根据这些变异，将种质资源分为3个单倍型（Hap1、Hap2和Hap3）。其中，Hap3由于序列变异导致编码提前终止。在渍涝胁迫下，Hap1和Hap2的叶绿素含量显著高于Hap3（图10A, 10B）。基于InDel变异设计的分子标记可用于区分不同单倍型（图10C-10E）。

全文总结与展望

本研究通过GWAS和转录组分析，鉴定到一个新的大麦耐渍涝基因 HvERF62。该基因编码一个VII类乙烯反应因子，通过调控气孔形成、ROS稳态和碳水化合物积累，从而影响大麦的耐渍涝性。CRISPR/Cas9基因编辑实验证实了 HvERF62 基因的功能。此外，HvERF62 基因的自然变异与大麦耐渍涝性显著相关。

本研究为大麦耐渍涝分子育种提供了新的基因资源和分子标记，加深了对大麦响应渍涝胁迫分子机制的理解。未来，可进一步研究 HvERF62 基因在不同遗传背景下的耐渍涝效应，以及与其他耐渍涝基因的互作关系，为培育高产、优质、耐渍涝的大麦新品种提供理论依据和技术支撑。

研究团队与资助

本研究由扬州大学农学院Rugen Xu教授团队完成，Juan Zhu为论文第一作者，Rugen Xu教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家现代农业产业技术体系和江苏省高等学校优势学科建设工程等项目的资助。

DOI链接

来源：新浪财经