小麥春季抗寒性研究進展

張淑娟++宋國琦++高潔++李玉蓮++張榮志++李瑋++王姣++陳明麗++韓小東++李根英

摘要：近年來氣候異?，F(xiàn)象頻繁發(fā)生，春季低溫凍害已成為影響小麥生產(chǎn)的限制因素之一。關(guān)于小麥春季抗寒性已開展大量研究，并取得一定進展。本文根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究報道分別從小麥對倒春寒敏感期的鑒定、響應倒春寒的生理生化、倒春寒對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響、小麥春季抗寒性分子生物學研究等方面進行概述，并據(jù)此探討了此領(lǐng)域研究中存在的問題及今后可能的研究思路。

關(guān)鍵詞：小麥；春季抗寒性；生理；分子機制

中圖分類號：S512.101文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）06-0157-06

AbstractIn recent years，the adverse agroclimate events has occurred frequently.The low temperature freeze injury in spring has become one of the limiting factors of wheat production. The extensive researches about cold resistance of wheat in spring have been carried out and made some progresses. In this paper， we summarized the aspects of the sensitive period， physiological and biochemical changes and yield and its components of wheat to late spring coldness and the molecular biology studies on cold resistance of wheat in spring， etc， based on the domestic and foreign studies. We also discussed the existing problems and possible research ideas for future studies.

KeywordsWheat； Cold resistance in spring； Physiology； Molecular mechanism

小麥是重要糧食作物之一。小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展對于保障國家糧食安全和維護社會穩(wěn)定都具有十分重要的意義。近年來異常天氣頻繁發(fā)生，干旱、低溫、高熱等非生物脅迫對小麥生產(chǎn)造成了極大威脅。春季發(fā)生的低溫凍害（倒春寒），是造成小麥產(chǎn)量損失的主要災害之一，僅1981—2000〖HJ*4/9〗年的20年里我國小麥主產(chǎn)區(qū)就有9次大發(fā)生，發(fā)生頻率高達45%；2004—2005年度，兩大主產(chǎn)區(qū)黃淮麥區(qū)和長江中下游麥區(qū)發(fā)生嚴重倒春寒，面積達到406.7萬公頃，僅河南一省就超過133.3萬公頃，其中幾近絕收面積約達26.7萬公頃[1，2]。2009、2013年這兩大主產(chǎn)區(qū)再次發(fā)生大面積倒春寒，山東部分地區(qū)甚至還出現(xiàn)四月飛雪的異常天氣，小麥減產(chǎn)嚴重。倒春寒的發(fā)生不僅非常頻繁，而且具有隨機性和不可預見性，使得農(nóng)藝預防及補救措施難以及時跟上，極易給小麥生產(chǎn)造成無法挽回的損失[3]。

但是，在同樣發(fā)生倒春寒的地塊，不同品種間受害程度差異顯著。而對于引起這種差異的原因，主要有兩種學術(shù)觀點：一認為不同的品種發(fā)育進程不一致，生產(chǎn)上所謂的耐倒春寒，很可能是該類品種發(fā)育遲緩、拔節(jié)晚而避開了倒春寒發(fā)生時期，其本身并不具備耐倒春寒機制；第二種觀點認為品種間抵御倒春寒的能力在遺傳基礎上存在差異，有些小麥品種在遭受倒春寒的危害后自我恢復能力很強，小麥的抗凍性在冬季和春季并不是顯著相關(guān)的，冬季抗凍力強的小麥品種，在春季其抗凍性并不一定強。目前，對于小麥耐寒的生理生化和分子機制研究主要集中在越冬前的小麥苗期，而對于在生殖發(fā)育階段小麥抵御倒春寒過程中其體內(nèi)所發(fā)生的生理生化及分子生物學基礎研究相對較少。然而，已有很多的研究結(jié)果表明，小麥在不同發(fā)育時期的抗凍性如苗期與生殖發(fā)育階段，并不是存在顯著相關(guān)性，苗期抗凍性強的小麥，到了生殖發(fā)育階段的抗凍能力并不一定強[4]。由此推測，冬前苗期與進入生殖發(fā)育階段的小麥在響應低溫脅迫方面存在不同的內(nèi)在機制。

現(xiàn)實是小麥遭受倒春寒危害日益嚴重，而應對倒春寒所需要的基礎理論支撐嚴重落后，迫切需要開展小麥響應倒春寒的生理生化及分子機制的深入研究，通過研究分析倒春寒脅迫后小麥體內(nèi)所發(fā)生的一系列變化，揭示小麥應對倒春寒的內(nèi)在機制，為預防和減少倒春寒危害提供理論指導。本文就小麥春季低溫脅迫的研究進展情況進行如下綜述。

1小麥倒春寒敏感期鑒定

小麥穗發(fā)育進程一般可分為八個時期，分別為：伸長期、單棱期、二棱期、護穎分化期、小花原基分化期、雌雄蕊分化期、藥隔形成期和四分體形成期[5]。相應地，小麥植株生長發(fā)育過程通過直接目視觀察評價分為萌發(fā)期、越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期和灌漿期。黃淮麥區(qū)是我國冬小麥的主產(chǎn)地之一，一般倒春寒發(fā)生在3月，田間的小麥差不多處于拔節(jié)期，通常包含兩個穗發(fā)育始期：雌雄蕊分化期和藥隔期。

多位研究者指出，應該選擇相同的幼穗發(fā)育時期進行小麥春季耐寒性的研究，特別是在小麥幼穗對低溫較為敏感的時期[6-8]。國內(nèi)外學者對于小麥幼穗分化的不同發(fā)育時期的抗凍性已有很多研究，都曾經(jīng)關(guān)注這個低溫敏感期的問題，然而他們的結(jié)論并不相同。Single[9]1985年在研究品種抗寒性與小麥生長發(fā)育關(guān)系時指出，小麥春季的抗寒性與其不同的生長發(fā)育階段有關(guān)，認為小麥幼穗的低溫敏感期可能是拔節(jié)期?；矢ψ云鸬萚10]則認為敏感期應該是包括小花分化期至藥隔形成期這一段，這40多天都算是敏感期。曾正兵等[11]認為低溫敏感期在藥隔期，包括20多天。劉平湘等[12]也認同藥隔期是小麥幼穗發(fā)育的低溫敏感期，如果進行小麥品種春季抗凍性的鑒定可以在這個時期進行。李曉林等[13]利用田間盆栽試驗及春化間低溫處理的方法，進一步證實了藥隔期應該是小麥幼穗發(fā)育的低溫敏感時期。胡新[14]則認為對低溫最敏感的幼穗分化期是在雌雄蕊分化期至藥隔前期這一段時期。日本的吉田久提出雌雄蕊分化期是對低溫最敏感的時期[15]。Subedi[16]和Thakur[17]等則認為低溫敏感期是小花形成期。本課題組陳貴菊等[18]在前期工作中，對不同的冬小麥品種在藥隔期進行低溫脅迫處理，探究了不同溫度和不同處理時間對小麥的生長發(fā)育以及穗部結(jié)實率的影響，對不同品種的耐倒春寒能力進行了鑒定。

2小麥響應倒春寒的生理生化研究

小麥遭受倒春寒后產(chǎn)生的保護機制是一種應激反應，會產(chǎn)生一系列復雜的變化，包括蛋白組分的變化、各種糖類以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加、細胞膜結(jié)構(gòu)與成分改變以及一些新酶的產(chǎn)生等生理生化的變化，小麥通過這些生理代謝的變化來響應外界溫度的降低以保護自身生長發(fā)育免受影響[52-54]。國內(nèi)外從20世紀60年代以來關(guān)于小麥抗寒的生理生化特性的研究已有很多，但主要集中在冬季耐寒性研究，對于春季低溫影響的研究近幾年來也開始增多。

衛(wèi)秀英等[19]研究發(fā)現(xiàn)，除抽穗期外的其它小麥發(fā)育時期，抗寒性強的品種與抗寒性弱的品種相比，SOD活性和脯氨酸的含量顯著增高，但是MDA含量降低，質(zhì)膜透性也顯著降低，而且抗性強的品種其根系活力在越冬期至抽穗期都一直要高。張志偉等[20]研究藥隔期低溫對小麥葉片生理生化反應的影響，結(jié)果表明經(jīng)過低溫處理以后，小麥葉片中的可溶性糖和脯氨酸含量等均有不同程度增加，可溶性蛋白和MDA含量也有明顯上升。余海波[21]研究表明，于不同小麥生育時期進行低溫脅迫，其對生理生化特性變化的影響也不同：越冬期和拔節(jié)期低溫脅迫，主要影響可溶性糖含量、脯氨酸和可溶性蛋白含量、葉片電導率、MDA含量、SOD和POD活性等；而在孕穗期進行低溫脅迫處理，主要影響5個方面：包括可溶性糖含量、MDA含量、葉片電導率、SOD和POD活性等。吳青霞[22]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脯氨酸和可溶性蛋白含量、SOD和POD活性這幾個生理指標的變化與小麥品種產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度比較高，由此可以將它們作為鑒定不同小麥品種春季耐寒性的指標利用。張軍等[23]的研究結(jié)果表明，供試小麥品種在孕穗期進行低溫脅迫處理1 d和2 d后，可溶性蛋白含量顯著降低，而其它生理指標如可溶性糖含量、脯氨酸含量、MDA含量、葉片電導率以及葉片的SOD、CAT和POD活性都有明顯增加，脅迫處理后不同品種單株穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量都明顯降低，但是對千粒重并無顯著影響。姜麗娜等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在孕穗期進行低溫處理，與不低溫處理的對照相比，葉片電導率提高，可溶性糖和MDA含量增加，SOD和POD活性都明顯升高，而脯氨酸、可溶性蛋白含量在不同小麥品種（系）間存在著顯著差異。李春燕等[25]發(fā)現(xiàn)，藥隔、孕穗期低溫影響小麥穗數(shù)和粒數(shù)的形成，開花期低溫影響粒重形成，脅迫越重，減產(chǎn)越顯著；小麥葉片中可溶性蛋白、游離脯氨酸、MDA及ABA含量隨脅迫程度的加重均較對照升高，赤霉素（GA3）含量、植株鉀積累量較對照下降，而鈣和鉬素積累量短時間脅迫較對照升高，脅迫時間延長時其積累量較對照進一步下降。

3倒春寒對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

倒春寒發(fā)生的范圍較廣，在韓國、美國、加拿大、澳大利亞和中國每二至四年就會發(fā)生一次[26]，已經(jīng)開展了很多有關(guān)春季低溫凍害對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的研究[27，28]。倒春寒能使小麥產(chǎn)生白穗、空心，從而導致小穗不孕，減少穗數(shù)和穗粒數(shù)，最終導致小麥減產(chǎn)。生產(chǎn)實踐顯示，孕穗期如果遭受1℃的低溫，就能嚴重影響小麥幼穗的生長發(fā)育，引起的產(chǎn)量損失一般在14%～85%[29]。

劉璇等[30]研究發(fā)現(xiàn)，春季低溫凍害能較大地影響小麥穗部發(fā)育和粒重，危害嚴重的小穗不育率增加17.86%，穗粒數(shù)減少，平均約16.01個，千粒重減少顯著，降幅能達2.55 g。陳思思等[31]在小麥拔節(jié)期進行低溫脅迫處理，結(jié)果是處理時間越長，小麥單穗減產(chǎn)越嚴重。-2℃低溫處理脅迫2 d，與對照相比，產(chǎn)量下降71.08%；在-4℃低溫處理脅迫2 d，產(chǎn)量下降80.15%。低溫凍害使得穗粒數(shù)和穗數(shù)都下降明顯是造成減產(chǎn)的主要原因。張軍等[23]研究表明，小麥拔節(jié)期時不能耐受持續(xù)低溫，這時候如果遭遇低溫凍害，會明顯降低單株穗粒數(shù)，但不會對單株穗數(shù)造成較大影響，千粒重也影響不大。胡新等[32]試驗發(fā)現(xiàn)，小麥品種矮抗58在低溫脅迫后，與未受凍的小麥幼穗相比，各級凍害穗數(shù)升高，穗粒數(shù)顯著降低，籽粒重也下降明顯。高燕等[33]研究發(fā)現(xiàn)，小麥在拔節(jié)初期進行低溫處理，-4℃脅迫處理后，不同參試小麥品種都有大量小穗發(fā)生不育，穗粒數(shù)和千粒重顯著下降，且品種間下降幅度不同。并且低溫處理時間越長、次數(shù)增加的越多，不同小麥品種的抽穗期均值都推遲了1 d。倒春寒發(fā)生在不同的小麥發(fā)育時期，如拔節(jié)期和孕穗期都會造成產(chǎn)量下降，發(fā)生的越早，影響更為嚴重，主要是因為穗數(shù)降低，能夠使產(chǎn)量下降19.9%，而到幼穗發(fā)育晚期發(fā)生倒春寒，會使穗粒數(shù)降低，產(chǎn)量降低的幅度能達8.9%，減產(chǎn)效應在發(fā)生兩次倒春寒時累加。陳貴菊等[18]分別在不同小麥品種的藥隔期進行低溫脅迫，在-2℃低溫處理1 d和2 d，發(fā)現(xiàn)能明顯影響小麥的生長發(fā)育狀態(tài)，大部分品種低溫處理2 d比1 d的降幅明顯增大，其結(jié)實率顯著降低，抽穗期和開花期都推遲，且縮短灌漿時間，導致千粒重降低。

4小麥抗寒性分子生物學研究

4.1小麥抗寒基因的研究

隨著分子生物學的發(fā)展，對于植物耐受低溫脅迫機制的研究重點從生理生化水平逐漸轉(zhuǎn)向分子水平，并分離出了很多基因，如抗?jié)B透脅迫相關(guān)基因、抗氧化酶基因、抗膜脂相改變基因、冷誘導基因等。植物遭到突然降溫時，通過細胞對低溫信號進行感知和轉(zhuǎn)導、調(diào)節(jié)基因的表達，從而在表達過程中產(chǎn)生多種相互關(guān)聯(lián)的表達產(chǎn)物及蛋白質(zhì)等，以減弱和緩解低溫的損害。一類是功能蛋白，它們直接參與抵抗脅迫反應，主要有各類滲透調(diào)節(jié)分子（TPS、SFT、P5CS等）、脫水素蛋白（LEA、Cor78、RD29等）、抗性蛋白（WCS120）等；另一類是調(diào)節(jié)蛋白，主要是通過調(diào)控抗寒基因的表達來提高抗寒性，如各種蛋白激酶（SOS激酶、PLC等）和轉(zhuǎn)錄因子（CBF、NAC、MYB、WRKY等）；另外，還有其它一些被誘導表達的蛋白，主要包括一些位于細胞膜上的水通道蛋白（水孔蛋白）、離子載體以及負責自由基清除的蛋白等[34]?？购虻谋磉_主要是通過信號轉(zhuǎn)導的方式被誘導表達和調(diào)控。ABA作為一種促進抗寒基因表達的因素，能夠與鈣信號傳遞系統(tǒng)聯(lián)合，將低溫信號傳導到啟動抗寒基因表達的特定序列上，從而調(diào)控抗寒基因表達。鑒于激素ABA在低溫信號轉(zhuǎn)導過程中的作用不同，大體上可分為兩大類，分別是：ABA依賴型信號通路和ABA非依賴型信號通路[35，36]。

小麥的抗寒性比較復雜，它是由一些微效、多基因形成的調(diào)控網(wǎng)絡。研究者們在小麥的1B、1D、2B、2D、4D、5A、5D、7A等10多對染色體上均定位到了與小麥抗寒性有關(guān)的等位基因位點[37，38]。目前，普遍認為小麥營養(yǎng)生長階段的抗寒性是受多個微效基因調(diào)控，研究較多的基因有：春化基因Vrn（Vrn1、Vrn2和Vrn3）、耐寒基因Fr（Fr1、Fr2）以及CBF類轉(zhuǎn)錄因子[39]。Vrn1基因與小麥苗期抗寒性有關(guān)，但與生殖發(fā)育階段的抗寒性沒有關(guān)系[40]。CBF/DREB類轉(zhuǎn)錄因子受低溫誘導，激活下游Cor基因（cold-regulated genes）的表達，過表達CBF類轉(zhuǎn)錄因子能夠顯著增強小麥和大麥的非生物脅迫抗性，包括干旱和霜凍脅迫，并且能夠誘導下游一大批抗性基因的表達，例如LEA/COR/DHN等[41，42]。Cor基因mRNA在低溫馴化處理的2～3 d內(nèi)達到高峰，但在去掉低溫處理后的幾個小時內(nèi)即可恢復正常水平。盡管Cor的mRNA水平與低溫誘導有關(guān)，但這些基因的功能到目前為止尚不明確[43]。

目前，大約有超過450個抗寒基因在小麥上被分離鑒定，這些抗寒基因均是在苗期低溫馴化過程中被分離鑒定，其在春季低溫下的表達情況研究較少[44，45]。小麥品種的抗凍性在越冬期和春季沒有直接關(guān)系，冬季抗凍性強的，其抗倒春寒能力并不一定強，可能冬前苗期與進入生殖發(fā)育階段的小麥在響應低溫脅迫方面存在不同的內(nèi)在機制。

4.2小麥春季抗寒性組學研究

關(guān)于小麥冬季凍脅迫的轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學研究已有較多報道[46-48]，但有關(guān)春季凍害的研究很少，只有兩篇文獻報道。Han等[49]研究了幼穗處于藥隔形成初期的豫麥34響應凍脅迫的差異蛋白組學，鑒定出75個蛋白點。Kang等[26]用Affymetrix小麥基因芯片分析了豫麥34在藥隔形成初期遭受低溫脅迫的表達譜變化，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄水平變化在兩倍以上的基因能夠達到600個，涉及很多低溫脅迫有關(guān)的各種基因，如糖代謝和氨基酸代謝、抗氧化蛋白、以及CBF/DREB類轉(zhuǎn)錄因子，還有一些信號轉(zhuǎn)導分子等，這些可能都參與了小麥抵抗倒春寒的過程。

本項目組根據(jù)前期篩選結(jié)果，選擇兩個冬季耐寒性差異不顯著而對倒春寒耐受性差異明顯的兩個小麥品種濟麥22（耐）和魯原301（不耐）進行差異蛋白組學的研究，研究兩品種低溫處理前后的差異蛋白[50]。之后首次利用高通量測序的方法對處于藥隔期的濟麥22進行低溫脅迫的轉(zhuǎn)錄組分析[51]，總共得到近7.44 Gb的數(shù)據(jù)量，獲得120 715條Unigenes，這些對小麥的抗低溫研究提供了重要的基因資源。在轉(zhuǎn)錄組測序基礎上進行了數(shù)字表達譜測序，發(fā)現(xiàn)差異基因1 015個，對其分類，共有359個差異基因獲得KEGG注釋，大多數(shù)與代謝有關(guān)。另外，我們還進行了小RNA和降解組測序，發(fā)現(xiàn)冷處理樣品中有27個保守的和5個新的miRNAs明顯差異表達。超過半數(shù)在小麥中是可以被生物或非生物脅迫誘導表達的。目標基因的大部分是涉及花發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子，如ARF、SPB、MADS-box、SPX、PPR基因等，這些基因的異常表達會導致生殖器官的敗育。

5小麥春季抗寒研究中存在的問題及其前景

影響小麥抵抗低溫逆境脅迫能力的因素非常復雜，既有外部因素也有植物本身的原因。在分子水平上進行小麥低溫脅迫抗性的研究目前還很薄弱，還沒有深入研究冷相關(guān)蛋白的生理生化功能及其抗逆作用，在抗寒信號轉(zhuǎn)導及基因的調(diào)控表達方面還未清楚，而目前用基因調(diào)控來解釋抗凍性生理機制的研究也并不廣泛，很多生理上的變化（如可溶性糖和氨基酸的積累等）并沒有得到分子水平上的解釋；抵抗低溫脅迫是多基因控制的，而目前大多數(shù)研究都是圍繞著單個基因研究，我們應該系統(tǒng)研究信號傳遞過程中的一系列基因。小麥是異源多倍體，基因組龐大，基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫還未完全建立，使得整個小麥的抗逆機理研究進展緩慢，小麥耐倒春寒的分子機制研究剛剛起步。隨著小麥基因組研究計劃的進行，高通量測序技術(shù)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，蛋白質(zhì)組學技術(shù)的廣泛應用，多學科的交叉融合使得從系統(tǒng)生物學角度來闡釋小麥耐倒春寒機制變?yōu)榱丝赡堋?/p>

倒春寒對小麥生產(chǎn)影響很大。要降低其危害，除了采取其它農(nóng)業(yè)措施外，挖掘強耐寒基因，通過基因工程手段提高小麥耐寒性是條有效途徑，最經(jīng)濟有效的辦法就是培育耐倒春寒品種。深入研究小麥倒春寒抗性的分子機制和生理生化變化的機制，利用基因工程不斷提高抗寒基因的轉(zhuǎn)化和表達量，加強多基因的轉(zhuǎn)化和表達量，加強多基因的協(xié)同作用是當前的重要課題。同時應加強收集和鑒定抗寒性小麥種質(zhì)資源，為傳統(tǒng)育種方法提供材料。將分子育種和常規(guī)育種有效結(jié)合開展小麥抗逆育種、培育耐倒春寒小麥新品種是今后需加強的關(guān)鍵領(lǐng)域。

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