综述 | Frontiers in Plant Science：通过生理和分子途径培育适应气候变化的鹰嘴豆
编译：菜鸟菠萝，编辑：十九、江舜尧。
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鹰嘴豆是经济上最重要的食用豆类之一，也是蛋白质的重要来源。它在亚洲、非洲、欧洲、澳大利亚、北美和南美洲的50多个国家种植。鹰嘴豆的产量受到各种非生物胁迫（冷、热、旱、盐等）的限制。鹰嘴豆是南亚北部和澳大利亚部分地区的冬季作物，在生殖阶段面临低温胁迫（0-15℃），导致大量的花和豆荚损失，从而抑制其产量潜力的30-40%。然而，地中海冬季播种的鹰嘴豆在营养生长阶段面临低温胁迫。在晚播环境中，鹰嘴豆在生殖期和荚果灌浆期面临高温胁迫，造成相当大的产量损失。低温和高温都降低了花粉活力、柱头上的花粉萌发和花粉管生长，导致结荚不良。鹰嘴豆在不同的生长阶段都容易遭受到干旱胁迫；生长后期干旱，同时加上开花和灌浆期的高温胁迫，可以使产量减少40%-45%。在澳大利亚南部和南亚北部地区，品种缺乏耐冷性推迟了开花和结荚，导致作物容易遭受生长后期干旱胁迫。由于气候变化，预计在不久的将来，极端温度（冷和热）以及不一致的降雨模式的发生率将会增加，从而有必要培育具有区域特性的耐胁迫和气候适应性强的鹰嘴豆品种，这些品种在干旱、高温或低温胁迫下表现良好。为了提高鹰嘴豆在极端环境中的产量，人们研究了不同的方法，如遗传变异性、基因组选择、涉及数量性状位点（QTL）的分子标记、全基因组测序和转录组分析。生物技术工具拓宽了我们对鹰嘴豆遗传基础以及植物对非生物胁迫的反应的理解，并为培育耐逆境鹰嘴豆提供了机会。
论文ID
原名：Developing Climate-Resilient Chickpea Involving Physiological and Molecular ApproachesWith a Focus on Temperature andDrought Stresses
译名：以温度和干旱胁迫为重点，通过生理和分子途径培育适应气候变化的鹰嘴豆
期刊：Frontiers in Plant Science
IF：4.106
发表时间：2020年2月
通讯作者：Harsh Nayyar
通讯作者单位：印度昌迪加尔旁遮普大学植物学系
DOI号：10.3389/fpls.2019.01759
简介
鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）是仅次于菜豆（Phaseolus vulgaris L）的第二重要的豆类作物，是一种经济上有益的富含蛋白质的食品豆类。印度是鹰嘴豆最大的生产国，占全球产量的75％。鹰嘴豆产于50个国家/地区，其中主要产地是澳大利亚，加拿大，埃塞俄比亚，印度，伊朗，墨西哥，缅甸，巴基斯坦，土耳其和美国。然而，鹰嘴豆的生产不足以满足日益增长的人口对蛋白质的需求。由于各种非生物胁迫，例如干旱，低温和高温，鹰嘴豆的生产面临许多挑战。最重要的是，不可预测的气候变化是鹰嘴豆生产的主要限制因素，因为它增加了干旱和极端温度的频率，即高温（> 30℃）和低温（<15℃），这大大降低了谷物产量。 因此，需要开发在这种胁迫条件下鹰嘴豆的高产和稳定品种。
主要内容
冷胁迫的影响
在地中海地区、印度北部和澳大利亚南部的鹰嘴豆对低温敏感，因为开花时温度降至15℃以下，导致落花，花粉和胚珠不育，减少豆荚结实，阻碍种子充实，因此作物产量下降。低温影响鹰嘴豆整个生长阶段的生长和活力，在生殖阶段影响最大。
①萌发与营养生长
在地中海地区，发芽过程中会处于低温（3-8℃）甚至冷冻温度下，这会影响幼苗的发育并降低幼苗的活力。研究表明鹰嘴豆发芽的推荐阈值温度范围为5至35℃，最佳发芽温度为20℃。而吸水的速度是一个影响因素，主要由种皮的厚度控制。Kabuli类型的种皮通常比desi类型更薄，从而导致水的吸收速度更快。影响低温下发芽的另一个因素是种子中的酚含量，部分原因是它们的白色种皮稀薄，对土壤病原体更敏感。在低温条件下，一些种子处理，如水培12h或渗透胁迫（PEG/0.5mpa）24h，都能提高鹰嘴豆的发芽率，这可能与交叉耐受性相关。在印度和澳大利亚田间条件下，在植物早期阶段就处于低温度和低光周期的条件下，但是，某些品系在出苗后可耐低温至-12℃。因此，可以筛选出在发芽和幼苗生长时耐寒性强的鹰嘴豆种质。
②生殖生长与产量
开花期是决定鹰嘴豆产量的关键阶段，对冷胁迫最为敏感。低于15℃的温度导致鹰嘴豆花的减少，在低于10℃的温度下抑制了小孢子发生和后期花粉发育。不同发育阶段的花对冷胁迫的反应不同，花药减数分裂前低温终止小孢子发生及四分体小孢子发生。在幼小孢子期的花药中，低温抑制了花药开裂，这一阶段的寒冷还影响了花粉的生存能力。同时在成熟花粉阶段延迟了花药开裂并导致部分花粉不育。花粉不育受花的成熟度影响，未成熟的花粉存活率为65.5％。冷胁迫也会损害花粉管的生长，从而导致受精失败。冷胁迫在雌蕊中损害胚珠功能；同时减少所有品种的受精胚珠数量。还会降低胚珠的活力、柱头的接受能力。在成熟度较高的花朵中，除雄蕊因素外，雌蕊配子体受低温胁迫后导致受精失败和花败育。低温胁迫的鹰嘴豆花中绒毡层的异位持久性表明，在低温下绒毡层程序性细胞死亡的正常过程受到破坏。同时低温导致绒毡层营养缺乏，及花药和花粉粒中的糖含量降低，这是造成花败育的主要原因。冷胁迫还诱导鹰嘴豆花中脱落酸（ABA）的合成，表明落花与高ABA浓度之间存在相关性，ABA可能通过抑制蔗糖转运蛋白基因转化酶来干扰蔗糖向花的转运。
此外，低温会影响种子的灌浆过程，降低种子的大小。冷胁迫导致的豆荚结实/灌浆不良，是由于光合作用中断和抑制起始信号从叶片向分生组织的转移或通过改变植物结构造成的。经甘氨酸甜菜碱（一种在冷胁迫下大量积累在耐寒植物中的相容性溶质）处理的植株的单株种子产量比对照提高了30%（基于盆栽的研究）。春季由于持续时间短，与冬季相比，鹰嘴豆的产量降低，因为冬季较长，作物生长时间更长，因而产量更高。如果耐寒性强，冬季播种的鹰嘴豆比春季播种的鹰嘴豆产量更高。
③生理
低温（<20℃，持续26天）导致叶片相对含水量减少，这是由于根部水传导率下降，膜被破坏以及叶绿素损失所致。发芽过程中的低温胁迫（<13℃,持续18 h）抑制了a-淀粉酶的活性，破坏了糖的代谢，降低了叶片的水分，并吸收了延迟幼苗生长的矿质元素（N，P和K）而导致幼苗生长不良。持续低温胁迫（<5℃）抑制了根的生长，同时因气孔无法关闭，导致叶片的水分含量降低，以及落花和荚果生长不良，落花是由于花药中的蔗糖，葡萄糖，果糖以及花粉水平降低所致。而内源性脯氨酸和碳水化合物（葡萄糖和甘露糖等）随着冷胁迫（3℃）的增加而增加，并且可能在渗透调节和能量需求方面起作用；在这方面，耐寒基因型表现更好。
④低温生存的细胞和生理机制
低温（0-10℃）会导致植物细胞质膜的僵化，从而损害质膜中磷脂的完整性。在耐寒鹰嘴豆基因型中，低温胁迫（10℃ 5天，然后4℃2天）期间不饱和脂肪酸的含量增加，有助于维持低温胁迫下的膜完整性。在正常条件下，植物细胞借助线粒体电子转移链进行细胞色素介导的途径，从而利用质子原动力合成ATP。在胁迫的条件下，其中细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶被AOX取代，以保护呼吸和代谢过程。这表明线粒体具有在环境压力下改变其活性并增强AOX活性的灵活性。鹰嘴豆中的AOX由线粒体中的aox3基因编码，这可能与耐寒性有关。在冷胁迫时会产生活性氧（ROS），并破坏细胞（包括膜）中的重要分子。研究表明，在胁迫下脂氧合酶（LOX）活性增强，双键指数增加，这表明增加的LOX活性在提高鹰嘴豆耐寒性中起着重要作用。多胺（PAs）与膜磷脂相互作用，在胁迫条件下稳定细胞膜。花和豆荚的损失与冷胁迫（5至25℃，持续4天）导致PA的消耗有关。外源施用PA可以降低遭受冷胁迫的鹰嘴豆植物中的H2O2和MDA含量，并增加其抗氧化水平。因此，可通过使用遗传操作或外源施用增加PA的含量来提高鹰嘴豆的耐寒性。除PA外，外源施用10µm ABA、海藻糖、甘氨酸甜菜碱、GB等均可通过稳定细胞膜，阻止蛋白质变性并充当自由基清除剂来防御寒冷压力。
对冷驯化（CA）和非驯化（NA）鹰嘴豆植物的比较研究表明，CA植物中不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸的比例有所增加。与NA植物相比，抗氧化酶（例如SOD，CAT，愈创木酚过氧化物酶（GPX）和脂氧合酶（LOX））在CA植物中具有很高的活性，并增强了耐寒性。CA植物中CaCAT和CaSOD基因的转录水平高于NA植物。此外，CA植物中Ca-Rubisco基因的转录水平高于NA植物。因此，在长期冷胁迫下对鹰嘴豆植物有积极作用，可作为提高耐寒性的重要手段。
⑤基因组学和转录组学，阐明寒冷胁迫下鹰嘴豆的分子反应
前期使用微阵列，鉴定了210个在寒冷下差异表达的基因。结合256种引物组合的cDNA-AFLP揭示了鹰嘴豆叶片中与寒冷相关的不同转录本片段（TDF）。一些TDF显示出差异表达模式，分别属于与运输，信号转导途径，代谢和转录因子相关的假设功能。低温胁迫下鹰嘴豆中激活了各种基因，这些基因编码转录因子、解毒过程及细胞信号转导中涉及的成分，例如其中的磷脂酰肌醇-4-激酶是Ca2+进入细胞质的关键酶。丝裂原活化蛋白激酶在Jk649803冷驯化过程中也上调，说明可能是耐寒性的信号分子。
鹰嘴豆减数分裂期花药的转录组分析显示，耐冷性相关基因属于四个主要类别：碳水化合物/三酰甘油代谢，花粉发育，信号转导和转运。在寒冷胁迫下耐寒性强的材料通过维持碳水化合物/三酰基甘油额代谢途径保持花粉的育性。在干旱和寒冷胁迫时分别有109个和210个基因的表达增加，在这些基因中，分别有15和30个基因在耐受基因型和敏感基因型之间差异表达。在两种敏感基因型的花和叶中都诱导了与生长素抑制蛋白（DY475078）和生长素应答蛋白IAA9（DY396315）相关的转录本。在耐寒性材料的花/荚中鉴定了两种磷酸盐诱导的蛋白（DY475076和DY475172），磷是参与花的形成和种子的产生。同时叶片中也诱导了蔗糖合成酶（DY475105），这导致了蔗糖的积累，而蔗糖起着渗透压的作用并可能提供耐寒性。
比较冷胁迫下花药与雌蕊基因表达的异同，结果表明其中一些基因在胁迫之间是共有的，而另一些则是独特的，这表明非生物胁迫响应机制的某些部分由不同的非生物胁迫共享。
全基因组测序（WGS）已被用于鹰嘴豆的耐寒性研究，结合鹰嘴豆参考基因组，使用QTL鉴定了开花阻遏基因MtVRN2。GWS也已用于鉴定鹰嘴豆中的促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）以及低温对其表达的影响。与对照植物相比，在鹰嘴豆中检测到的19个MAPK基因中，有15个是由低温（4℃，低温胁迫）诱导的。同样，在鹰嘴豆基因组中鉴定出36种编码K+转运系统的基因，以及它们的启动子和假定的冷信号。同时甲基化模式的变化可能与鹰嘴豆的耐寒性有关。相对于寒冷易感基因型，耐寒基因型中延长的寒冷胁迫增加了脱甲基化，来通过耐寒性。这些研究表明耐冷机制可能具有器官特异性的区别。为了确认这些候选基因在耐寒性或易感性方面的关联，需要使用适当的模型进行进一步的研究。
⑥耐寒性的遗传变异与育种
印度和澳大利亚在生殖生长阶段面临寒冷压力，地中海地区的营养生长受到限制。这些鹰嘴豆种植区的寒冷环境有所不同。因此，耐寒育种的目标将因地区而异，即在地中海地区早期生长期间应选择耐寒性（0℃以下）的基因型。此外，温度敏感性随生长发育而变化。例如，种子生长的临界温度高于豆荚组的临界温度。研究表明，豆荚生长与温度有关，而不是与最低温度有关。这需要进行验证，因为较早的一项研究报告说，豆荚仅发生在8℃以上的最低夜间温度下。
已经对栽培品种或鹰嘴豆属物种的耐寒性进行了若干研究。在A.Arietinum中，包括M 450，ILC 8262，ICCV 88501等9个种质与ILC 8262（一个种质系），ILC 8617（一个突变体）和FLIP 87-82C（一个育种系）等17个种质一样耐寒。进一步的遗传分析表明存在基因相互作用（加性×加性和显性×显性），具有重复的上位性和加性基因效应。
在野生近缘种中，Bicer bijugum，C.echinospermum和Cicer judaicum在生殖阶段比Arietinum更耐寒。已经鉴定了耐低温鹰嘴豆种质CTS 60543（ICCV88516），CTS11308（ICCV88510）。在野生物种中，C.echinospermum的品种具有较强的耐寒性，而C.reticulatum的JM2106也具有耐寒性。C.echinospermum不仅在低温下表现出早期的结荚特性，而且产量也比最高产的鹰嘴豆品种高五倍。其中C.reticulatum和C.echinospermum，已被用来开发高产鹰嘴豆。将耐寒和抗枯萎病的C.reticulatum和C. echinospermum与栽培稻（ILC 482）杂交，其中一个后代的产量比ILC 482高39％。在另一项研究中，源自栽培鹰嘴豆和C. reticulatum杂交的品系的产量高于对照品种。两项研究均表明，野生鹰嘴豆属不仅是非生物胁迫和抗病耐受性的来源，而且可以促进鹰嘴豆的增产。
⑦鹰嘴豆耐冷胁迫的基因组学进展
在过去的十年中，对鹰嘴豆耐寒性的了解已提高很多，这主要归功于测序技术的进步，该技术能够以较低的成本大规模解码基因组序列，从而提高基因鉴定等方面。鹰嘴豆参考基因组序列的开发为促进鹰嘴豆基因组资源的发展提供了参考，包括SSR或SNP标记的开发。通过增加SNP密度确定了PI489777的抗冻性由位于连锁群（LG）1B，3和8上的三个QTL决定，其中CT Ca-3.1（在LG3上）和CT Ca-8.1（在LG8上）更为重要，分别占表型变异的34％和48％。该研究中使用的父母本之一C. reticulatum要求进行春化处理；通过使用另一个RIL群体鉴定了春化反应的QTL，其中一个亲本是PI489777。结果表明，QTL在LG3上跨度为22 cM，解释了47.9％至54.9％的表型变异。两项研究中使用耐冷和春化响应的亲本（PI 489777），并鉴定了与耐寒性和春化响应相关的相同QTL（CT Ca-3.1）。随后在 CT Ca-3.1中定位了苜蓿春化基因 vernalisation2-lixevefs box的同源基因(mtvrn2)。Mtvrn2是开花位点 t 基因同源基因的抑制子，是开花过渡的抑制子。
热胁迫的影响
过度的热胁迫会影响鹰嘴豆的生长和发育的各个方面。
①萌发与营养生长
高温对鹰嘴豆种子萌发有影响，种子萌发时耐高温性存在基因型差异，45℃以上不萌发，幼苗生长受到抑制，甚至死亡。对照环境研究显示，在35/25℃下，耐受和敏感基因型的生物量均显著增加，而暴露于40/30℃时，所有基因型成熟时的生物量都会减少，在敏感基因型中尤为明显。
②生殖生长
生殖过程中的热胁迫通常：1）减少花数，2）增加花的脱落率，3）改变花药子房数，4）导致花粉不育，花粉萌发差，5）降低受精和柱头的接受性，6）导致子房异常，7 ）减少了光合产物向种子的迁移，8）减少了种子数量，种子重量和种子产量。高温会引起花药和花粉结构畸变，花药表皮壁增厚和花粉不育，这是高温下降低鹰嘴豆产量的关键因素。高温胁迫降低了雌蕊中的可溶性碳水化合物和ATP含量，并阻止了营养从花粉管向花粉管的转运，从而抑制了花粉管的生长和子房的发育。
③热胁迫对生理的影响
包括叶绿素浓度，光合速率和叶片组织的膜稳定性等指标，可以用作热敏感性的指标。鹰嘴豆在温胁迫下（>50℃，48 h）的膜稳定性和光系统II功能方面比其它豆类更为敏感。热胁迫（35/16℃，持续10天）会破坏叶绿体并破坏叶绿素，从而导致鹰嘴豆叶片衰老。热敏感的基因型的叶片损害要更大，是由于叶片水分（RLWC）的下降幅度更大，并且气孔导度下降，以及限制根系的水力传导。鹰嘴豆的蒸腾效率随温度升高而降低。生殖期高于35℃的温度抑制光合作用和电子流，破坏代谢途径。同时会改变线粒体和叶绿体膜的流动性，产生ROS，破坏光合作用、阻碍代谢活动。在高温（> 32/20℃）下，由于蔗糖合成酶受到抑制（40-43％）、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉合酶的活性降低，导致花粉发育和谷物重量受到影响。
④细胞在高温下生存的机制
开花时，在热胁迫（白天/晚上> 35/23℃）下，导致细胞氧化还原状态发生变化。其中ROS的产生会对重要的细胞成分（例如膜脂质，蛋白质，核酸，色素和酶）造成氧化损伤。在胁迫条件下，植物通过诱导由酶和非酶成分组成的抗氧化剂系统来清除ROS。其中，SOD，过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性在生长和萌发阶段在40/35℃时增加，但在45/40℃时降低。非酶抗氧化剂抗坏血酸（ASC）和谷胱甘肽（GSH）有类似地的变化。在热敏感基因型中，这些酶和非酶类抗氧化剂的抑制作用要大得多。相对于无脯氨酸的植物，鹰嘴豆脯氨酸（Pro）（渗透压剂）的外源施用在45/40℃时显著增加了鹰嘴豆的SOD，CAT，ASH和GSH活性。水杨酸（SA）和外源ABA施用（2.5 mM）可改善植物生长并减少氧化损伤。另一项研究表明，在开花前和灌溉期间适当外源施氮有助于减轻鹰嘴豆的热胁迫（> 35℃）的影响。在热胁迫期间，热激基因编码不同的热激蛋白（HSP），它们通过充当分子伴侣来保护细胞。HSP基因的转录受热应激转录因子（Hsfs）的控制，该因子在耐热性中起着重要作用。在两个发育阶段（15天大的幼苗和荚果期），热胁迫鹰嘴豆（> 35℃3小时）中Hsfs的定量PCR（Q-PCR）表达分析表明，CarHsfA2，A6和B2在生长阶段均上调，另外四个Hsfs（CarHsfA2，A6a，A6c，B2a）在早期转录上调。最近的一项研究鉴定了482种热反应蛋白和几种代谢蛋白，包括苯丙氨酸氨裂解酶-2，果胶酯酶3等。了解这些蛋白质在鹰嘴豆基因型中的不同作用和表达将有利于提高鹰嘴豆耐热性。转录因子（TFs）通过激活靶基因的转录在不同应激条件下的细胞反应中起着重要作用。WRKY TFs是植物中一个主要的转录调节子家族，可影响胁迫的耐受机制并形成细胞信号通路的组成部分。在鹰嘴豆基因组中，根据同源性鉴定出七个基因，在这七个基因中，PIE1在荚期间上调，但在苗期下调。与芽相比，在根，花，荚果壁和谷粒组织中观察到更高的PIE1和SEF基因组织特异性表达。在豆荚发育过程中，所有三个H2AZ基因在热胁迫处理的15分钟，1小时和6小时内下调。
⑤提高耐热性的机制
在35/20℃热胁迫下，开花和结荚的天数显著减少，物候被加速，降低了植物的总生物量。产量被确定为生殖期耐热性的选择标准。近年的研究表明，热胁迫耐性指数包括生产力、几何平均生产力、产量指数等，可用于正常和热胁迫条件下基于产量的鹰嘴豆基因型鉴定。基于这些指标，RVG 203，RSG 888，GNG 469，IPC 06-11和JAKI 9218被鉴定为较高的耐热性。使用耐热指数（HTI），将ICC 3362，ICC 12155和ICC 6874鉴定为耐热系。Upadhyaya等在印度帕坦切鲁的田间筛选中，将ICC 14346确定为35个早熟种质中的耐热基因型。表1列出了耐热鹰嘴豆的基因型。各种生理特征，如气孔反应，膜热稳定性，叶绿素荧光（CFL），冠层温度下降（CTD）与气孔对热胁迫的响应是鹰嘴豆耐热性的一种机制。在HS环境（> 32/20℃）下时，热敏感基因型的气孔导度和叶片水分含量（RWC）相对于未胁迫植物显著降低，而耐受基因型则下降较少。因此，气孔导度在热应激过程中起着重要的作用。膜的热稳定性是耐热性的另一个重要特征，是鹰嘴豆、蚕豆和小扁豆耐热性的选择标准。
表1 耐高温，低温和干旱胁迫的鹰嘴豆基因型
干旱胁迫的影响
鹰嘴豆主要生长在干旱和半干旱的地区。 因此，干旱胁迫会使鹰嘴豆的产量降低多达50％。干旱会损害关键的生理和生化过程，从光合作用，CO2利用率，细胞生长，呼吸作用，气孔导度到其它重要的细胞代谢。
在亚热带（南亚和澳大利亚东北部）和地中海气候区域（如澳大利亚南部），鹰嘴豆在生殖阶段面临“极端干旱”，严重损害生殖过程，即花粉，授粉，还引起生殖器官功能障碍，尤其是花粉萌发，花粉生存力，繁殖力，花粉管生长，甚至柱头和花柱功能障碍。幼苗期的干旱会降低植物生长，导致发育迟缓和生物量积累减少。结荚期间的水分亏缺增加了ABA含量，这可能会损害荚果结实并导致荚果脱落，最终导致产量损失。干旱胁迫也可能导致共生N2固定过程的崩溃，从而导致严重的产量损失。
①鹰嘴豆干旱胁迫耐受性的遗传变异
在田间不同的水分条件下，鹰嘴豆的各种形态生理和与籽粒产量相关的参数在干旱胁迫耐受性方面存在相当大的遗传变异。在211份核心材料中，利用抗逆性指数，即干旱敏感性指数和耐旱性指数，确定了水分胁迫下与产量相关性状的显著遗传变异。将“Neelam”鉴定为基于高WUE的耐旱基因型，因为该基因型在早期生长过程中受到水分胁迫下维持较高的种子产量。
根系性状是干旱胁迫下作物生长表现的重要参数；包括根生物量，根长和其它与根相关的参数（如根长密度（RLD），总根干重（RDW）和深根干重（深RDW））等。鹰嘴豆的小核心种和野生种中RLD的遗传变异性很大。ICC 4958和ICC 8261的RLD更大，根系生物量更高，被广泛用作育种材料，将重要的干旱适应根性状转移至优良鹰嘴豆品种，从而提高抗旱性。
同时，正在通过整合ICC 4958，JG 130，ICCV 10，JAKI 9218，JG 130，JG 16，ICCV 97105和ICCV 00108来培育多亲高级世代杂交群体（MAGIC），这些基因型具有耐干旱和耐热基因组区域/ QTL。而且，Chen等研究270个核心种质中的30个与根相关的性状和三个与芽相关的性状，为提高鹰嘴豆的抗旱性提供了参考。MAGIC等育种技术的进步，将耐干旱和耐热的等位基因组合相结合，把这两个性状转化为高产的鹰嘴豆优良品种。此外，标记辅助轮回选择（MARS）和标记辅助回交（MABC）已成功地用于将具有重要抗旱相关性状的QTL热点从供体亲本ICC 4958转化到JG11品种中。
②生理性状在干旱和高温适应及提高未来遗传增益的作用
针对产量和产量相关性状的直接表型选择导致人们忽略了各种重要的生理性状。植物通过吸收“逃逸”，“耐受”和“回避”机制来抵抗干旱和高温胁迫。在这种情况下，干旱胁迫适应的主要生理性状分为“本构性”'和“后天耐受性状”。鹰嘴豆参与干旱胁迫适应的“本构性状”包括物候，气孔导度，叶面积比，叶面积指数，叶绿素含量，WUE和根性状。同样，冠层温度下降（CTD），脯氨酸积累，ABA的调节和各种抗氧化剂清除酶是鹰嘴豆干旱胁迫耐受性的主要“获得性耐受”性状。
通过早期物候特征，筛选出重要的耐旱品种即ICCV 90629，ICCV 2，ICCC 37，ICCV 10和耐热品种ICCV92944，但由于光合作用期受限，生长速度快，收获指数高，生命周期短等原因，它们遭受了产量损失。
③抗旱性与地上部性状的关系
气孔导度（gs）是重要的相关参数，在胁迫条件下会影响叶片气体和水蒸气的交换。干旱胁迫对气孔导度和叶片膨大产生负面影响。
基于CTD红外温度计的参数作为蒸腾效率的替代特征，解释了气温[Ta]和冠层温度[Tc]之间的差异。该参数描述了植物的蒸腾状态，较低的冠层温度表明较高的蒸腾作用。在这种情况下，CTD与谷物产量呈正相关。同样，在干旱胁迫下，较低的冠层温度会提高根系生物量、根系深度，最终提高谷物产量。
④水分利用效率在干旱胁迫中的作用
从气孔调节，蒸腾速率到根系性状等一系列性状可用于增加WUE。气孔开放的限制会降低蒸腾作用，导致WUE的增加。而气孔开放的减少导致二氧化碳的摄入量减少，这导致光合碳积累的减少。在印度南部和中部这种耐水胁迫的机制效果很好。相比之下，高蒸腾速率，高地上和地下生物量，高种子产量是鹰嘴豆在高降雨区（即印度北部条件下持水量低且物候较晚）下生长的特征。Wright通过水分利用效率与干旱胁迫下生物量、产量呈正相关的结果，认为要保持收获指数，需要水分利用效率的提高就有望提高其的产量。同样，碳同位素判别法（△13C）是测量干旱或高温胁迫下植物蒸腾效率/WUE的重要生理指标。△13C和WUE之间呈负相关。因此，针对提高WUE和蒸腾速率性状的遗传和分子研究有益培育耐旱性品种。
⑤根性状在干旱胁迫中的作用
根系结构是直接控制植物水分的，在水分胁迫下会影响作物的生长。此外，干旱诱导根系产生ABA导致气孔关闭，从而通过蒸腾作用限制水分流失。Gaur等人研究表明，较高的RLD和最大的根深（RDp）可以在干旱胁迫下帮助提高种子产量。同样，Ramamoorthy等还证明了鹰嘴豆在干旱胁迫下RLD与谷物产量呈正相关。然而，干旱胁迫下根性状与籽粒产量的正相关在各种环境下仍然不一致，因此，使用该性状来鉴定耐旱的较少。
⑥生化物质缓解干旱和热胁迫
鹰嘴豆等植物通过渗透调节机制来维持水分胁迫下的膨大压力和细胞壁可塑性，该机制允许积累关键的生化化合物，包括脯氨酸，谷胱甘肽，海藻糖，分子伴侣和各种抗氧化酶，其中脯氨酸是植物响应胁迫而产生的关键产物。Desi bakhar-2011鹰嘴豆基因型积累了更多的脯氨酸、海藻糖和非还原糖，减轻了氧化应激的不利影响，保持了更好的碳同化，比bitall-2016 desi 基因型更能耐受干旱胁迫。同样，抗氧化酶可以保护细胞免受活性氧（ROS）的损害。这些机制在适度的脱水条件下有效，并赋予部分干旱耐受性。图1描绘了一种整体方法，包括植物生理方法，基因组学和创新的育种技术，用于设计耐旱和耐高温鹰嘴豆品种。
图1 利用基因组学方法结合生理特性选育抗旱耐高温鹰嘴豆品种
⑦鹰嘴豆抗旱耐高温基因组学研究进展
在过去的十年中，分子标记开发和高密度连锁图谱的构建取得了很大进步。但是，QTL间隔仍然很大。由于受各种“次要效应QTL”控制，干旱胁迫耐性QTL的精确作图仍然具有挑战性，并且由于高G×E相互作用而在各个位置保持不稳定。Varshney等人增加了大量SSR标记的高密度基因分型，定位了干旱相关性状的主要效应QTL（CaLG4）解释了多达58％的表型变异。通过采用标记辅助的回交育种方案，将这个QTL热点基因组区域从ICC4958引入到了优秀的鹰嘴豆品种JG11中。由此产生的渐渗系具有更大的根深，以及较大的RLD和RDW。此外，NGS和高分辨率基因分型平台增加了大量的SSR和SNP标记，从而有助于将先前确定的QTL热点的范围缩小到约14cM。高密度bin定位与17个干旱相关性状的表型的结合，进一步将QTL热点区域缩小至约300 Kb，并将该基因组区域细分为“QTL-hotspot_a”和“QTL- CaLG4上的hotspot_b”区域。同样，在热胁迫下，从（ICC 15614×ICC 4567）RIL群体控制的荚果和谷物产量性状定位出四个主要QTL分别定位在CaLG5和CaLG6上。通过GWAS分析在300个鹰嘴豆基因型中鉴定了312个与干旱和热胁迫相关的重要MTA，这为在基因组上进行干旱和热胁迫耐性育种提供了参考。
另外，从71种鹰嘴豆基因型中，鉴定了五个与细胞膜稳定性和与热胁迫耐受性相关的叶绿素含量的重要MTA，这些基因型包含已发布的印度品种和改良的育种系。Varshney等人共发现了262个热胁迫相关性状的显著多态性位点，以及几个热胁迫相关性状的潜在候选基因，包括TIC、REF6等。因此，调控豆荚/植株、产量性状等一致且稳定的显著mtas/基因组区域，可被用于改善鹰嘴豆的干热胁迫。
WGRS、GS、NGS的技术发展加速了鹰嘴豆的基因组学研究。通过对100种鹰嘴豆基因型的WGRS分析，获得了几种重要的单倍型来研究干旱胁迫的耐受性。全球鹰嘴豆种质的WGRS与GWAS结合分析，已经确定了几个控制干旱胁迫的基因组区域（根性状，物候性状，收获指数等），包括一个在早期物候特征重要的候选基因REF6。因此，将这些基因组学资源转化为应用育种可以加快培育耐旱鹰嘴豆品种。
⑧耐干旱和热胁迫的功能基因组资源
高通量转录组测序技术的最新进展，尤其是RNA测序（RNA-seq），揭示转录过程中不同发育阶段的不同基因表达及其复杂调控网络的综合情况。在RNA-seq出现之前，基于微阵列的技术和表达的序列标签（EST）专门用于研究鹰嘴豆中干旱胁迫响应基因/差异表达基因（DEG）的初步功能。随后，通过RNA-seq的转录组分析，从耐旱材料（ICC 4958）和干旱敏感材料（ICC 1882）的根组织中发现了大量对水分胁迫敏感的DEG（4954）。在干旱胁迫下鉴定出TFs有干旱响应特性，其参与控制各种激素信号传导，包括脱落酸，生长素，赤霉素，茉莉酸等。Bhattacharjee等人报道了干旱胁迫下Ca_19899（同源基因）在芽组织中的较高上调以及Ca_00550基因在根和芽中的下调。Mahdavi Mashaki等人揭示了涉及保护细胞抵抗ROS毒性的三个基因（在Hashem中）和Ca_04125基因（在Bivanij中）的上调活性。同样，水分胁迫下Bivanij芽中Ca_05702（参与类黄酮生物合成），CaNAC16（Ca_18090）和Ca_00449为上调表达。此外，在干旱胁迫下，鹰嘴豆中的NAC，AP2/ERF，bHLH，WRKY，MYB/MYC等在基本代谢途径中的参与作用也得到了解释。
为了确定由Kale等人确定的“热点QTL”区域中鉴定的各种候选基因的作用。基于RNA序列的表达分析揭示了9个候选基因在水分胁迫下的差异表达。E3泛素蛋白连接酶，LRX2等这四个基因在干旱胁迫下表现出诱导表达。同样，对遭受热胁迫的各种营养和生殖组织的RNA-seq分析确定了几个重要的候选基因，即Ca_25811，Ca_23016，Ca_09743，Ca_17680有助于耐热性提高。
根尖分生组织的microRNA（miRNA）分析确定了284个独特的miRNA序列；其中259个在干旱和盐分胁迫下差异表达。通过qRT-PCR对miRNA397进行功能验证，揭示了其在干旱胁迫下的上调作用，并且靶向参与木质素代谢的LACCASE4基因。为了更深入地了解lncRNA在干旱中的作用，开发了一种新工具“ PLncPRO”。使用该工具发现了3,714个与水稻和鹰嘴豆的干旱胁迫反应有关的lncRNA，需要进一步研究其功能。此外，转录组分析可以为揭示许多野生生物亲缘种（CWRs）和地方品种在各种非生物胁迫下高适应性的遗传基础提供了参考。
结论与展望
当前全球气候变化无法预测的趋势导致周期性的干旱胁迫和频繁的极端温度时常发生，从而影响了包括鹰嘴豆在内的几种作物的生长和产量。利用农作物种质，包括各种基因库，是培育具有气候适应力的鹰嘴豆植物的可行方法。栽培种的耐寒性不足，野生近缘种C.echinospermum或C.reticulatum是可与栽培种杂交的一级基因库，是耐寒性的来源。
与耐寒性不同，耐热鹰嘴豆基因型在C.arietinum中较为常见。在两种类型的温度胁迫中，生殖阶段都是最敏感的阶段。在交叉胁迫的情况下，可以探索涉及与压力相关的代谢物和相关基因的细胞防御机制，以了解其潜在机制。
随着高通量测序技术的发展，虽掌握了一定的鹰嘴豆基因组信息，但DNA标记仍然不足，需要进一步丰富用于标记辅助选择的基因组资源，以便开发出足够致密的遗传图谱来定位所有可能的性状，类缩小QTL范围。目前仍然主要依靠后代植物的表型选择，而标记辅助选择（MAS）仍未得到充分利用。
未来的研究必须针对培育能够耐受高温和干旱，寒冷和干旱等胁迫环境组合的鹰嘴豆品种，以扩大其抗胁迫能力。利用基因组学/转录组学/重测序技术，结合鹰嘴豆的参考基因组序列，有望提高对冷、热和干旱胁迫耐受性的认识，将促进适合特定生态气候的单或多个耐胁迫高产鹰嘴豆品种的培育。促使培育更好和适应性更强的材料，能够应付意外的气候突发事件。
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