小麥抗寒性研究綜述

王成程

（來(lái)安縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽來(lái)安 239000）

1 植物寒害的類型

植物生長(zhǎng)過(guò)程涉及3個(gè)溫度基點(diǎn)，即最高溫度、最適溫度和最低溫度[1-2]。溫度高于最高溫度或者低于最低溫度時(shí)都會(huì)成為影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的不良因素。低溫脅迫是指對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響的低溫，這種不利影響造成的傷害被稱為植物寒害[3]，其在影響植物發(fā)育的同時(shí)還對(duì)植物種植的地理位置分布以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效力產(chǎn)生制約。根據(jù)不同的低溫范圍，將植物寒害分為冷害和凍害[4]。冷害是指冰點(diǎn)以上的低溫對(duì)植物生產(chǎn)發(fā)育造成的危害[5]。它一般在小麥生長(zhǎng)進(jìn)入孕穗階段發(fā)生，在我國(guó)頻發(fā)時(shí)段為早春和晚秋，主要會(huì)對(duì)苗期作物和籽粒作物造成影響。作物遭受冷害后，水稻、玉米常表現(xiàn)為爛籽、硬苗不發(fā)，甚至死苗，小麥則莖葉無(wú)異，麥穗全部或部分受害，表現(xiàn)為延遲抽穗或抽出空白穗等。全球變暖帶來(lái)的多為暖冬，小麥拔節(jié)后進(jìn)入孕穗階段，此時(shí)小麥含水量高、組織較幼嫩，對(duì)突然的低溫更敏感，抵抗能力變?nèi)?。凍害是指冰點(diǎn)以下低溫使植物細(xì)胞內(nèi)或組織結(jié)冰造成的損害，分為冬季凍害和春霜凍害，前者特點(diǎn)為細(xì)胞失壓，葉綠素被破壞，葉片由綠色變?yōu)楹稚?，其發(fā)生概率低，程度弱，地下部分幾乎未受影響，苗死率低；后者為受寒潮溫度降低影響，損害程度因發(fā)育階段而有所不同。例如，進(jìn)入雌雄分化期的小麥，受凍后植物胞體分散，幼穗萎縮，而剛進(jìn)入小花分化期的小麥，受凍后幼穗依然為晶體透明狀，這也解釋了為什么會(huì)出現(xiàn)部分穗子受凍及早播小麥較晚播小麥?zhǔn)芎Τ潭却蟮那闆r。寒害在世界很多地方時(shí)有發(fā)生，這種非生物脅迫對(duì)很多作物都造成了不同程度的傷害，同時(shí)約束了它們的種植分布區(qū)域，大大限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]。因此，探索植物在低溫條件下的運(yùn)行機(jī)制，提高其抗寒性能，在農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)上意義重大。

2 植物抗寒性的遺傳機(jī)理

2.1 細(xì)胞膜與抗寒性的關(guān)系

為了應(yīng)對(duì)各種逆境，植物在長(zhǎng)期進(jìn)化中形成了非常復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，植物接收逆境信號(hào)[7]，表現(xiàn)為一系列的蛋白、生理生化以及形態(tài)變化從而生成特定的代謝途徑。細(xì)胞中包括細(xì)胞膜、線粒體、葉綠體等細(xì)胞器，每個(gè)細(xì)胞器也都有屬于自己的生物膜，生物膜使細(xì)胞器相互獨(dú)立，穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境下它們又是一個(gè)整體，彼此之間緊密聯(lián)系。細(xì)胞膜在細(xì)胞及細(xì)胞器與環(huán)境二者之間起著橋梁紐帶的作用。當(dāng)細(xì)胞遭遇逆境時(shí)，最先感知到的是細(xì)胞膜，所以細(xì)胞膜在生物體正常發(fā)育生長(zhǎng)過(guò)程中起著舉足輕重的作用。植物細(xì)胞受到機(jī)械損傷或者細(xì)胞失水等傷害，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致植物本身?yè)p傷甚至死亡。例如，對(duì)冰凍最敏感的細(xì)胞膜受到寒害威脅時(shí)，葉綠體和膜結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠素解離，光合磷酸化（ATP 酶）失去活性，光合作用抑制被破壞。同時(shí)有研究表明，植物遇到低溫?fù)p害時(shí)，生物膜的物理性質(zhì)即膜脂物相由液晶相變?yōu)槟z相。有學(xué)者提出植物低溫寒害引起膜脂物理性質(zhì)的改變，他們認(rèn)為植物在遭受低溫傷害時(shí)，生物膜先發(fā)生膜脂的物相變化[8]，這時(shí)膜脂從液晶相變?yōu)槟z相，其上的脂肪酸鏈排序發(fā)生變化，原生質(zhì)流動(dòng)受影響，膜的透性增加[9]，造成可溶性物質(zhì)外滲，物質(zhì)的交換與運(yùn)輸被影響；膜上的結(jié)合酶結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致細(xì)胞生理生化代謝功能紊亂[10]。細(xì)胞壓驟減、細(xì)胞液泡改變等造成植物體的損傷。另外，膜分子探針技術(shù)的研究是解釋膜物相改變進(jìn)而引起植物寒害現(xiàn)象的強(qiáng)有力證據(jù)。在特定植物的細(xì)胞膜上用膜分子探針去標(biāo)記，研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的分子在外界溫度低到某個(gè)值時(shí)運(yùn)動(dòng)速度驟減，這表明對(duì)于特定的植物是存在寒害臨界溫度的，當(dāng)外界溫度低于臨界溫度，膜物相改變，細(xì)胞代謝紊亂，植物遭受寒害。研究發(fā)現(xiàn)，抗寒性較高的植物其膜磷脂不飽和度較高，在溫度較低時(shí)依然維持流動(dòng)，致使細(xì)胞膜物相改變的溫度比抗寒性較低的植物低[11]。而膜凝脂的不飽和度與植物的生理特性密切相關(guān)，當(dāng)?shù)蜏貋?lái)襲，膜凝脂能阻止細(xì)胞物相改變，讓它維持液晶相，從而持續(xù)流動(dòng)，繼續(xù)行使它的生理功能，阻止了低溫對(duì)細(xì)胞膜的傷害，保護(hù)植物免于寒害[12]，但存在另外一種解釋，即膜蛋白與膜脂之間相互關(guān)系可能是膜穩(wěn)定性提高的主要因素，而不是膜脂脂肪酸的不飽和度。有研究者試驗(yàn)證實(shí)質(zhì)膜穩(wěn)定性與小麥抗寒性密切相關(guān)，抗逆強(qiáng)的植物在低溫下膜結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。植物在生長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程中為了應(yīng)付低溫帶來(lái)的傷害進(jìn)化出不同的抗寒力。研究證實(shí)這一過(guò)程與植物抗寒性有關(guān)[13]。冷馴化的保護(hù)機(jī)制是其中最重要的，即植物經(jīng)過(guò)非凍低溫后抗寒能力增加。在自然環(huán)境中，表現(xiàn)為越冬小麥在秋季經(jīng)受低溫鍛煉后能更好地抵抗寒冷的冬季。植物低溫?zé)捗绾罂购芰μ岣?，是因?yàn)榈蜏劐憻挿€(wěn)定了膜的結(jié)構(gòu)，提高了膜的冷穩(wěn)定性[14]。

2.2 活性氧系統(tǒng)與抗寒性的關(guān)系

植物擁有自我運(yùn)行的防御系統(tǒng)，例如，植物體內(nèi)活性氧積累與清除的平衡系統(tǒng)，這一系列系統(tǒng)維護(hù)了機(jī)體的正常功能。一般條件下，積累與清除系統(tǒng)是平衡的，但當(dāng)植物遭遇低溫、鹽等不利條件時(shí)，活性氧積累加快，產(chǎn)生大量的自由基，而相應(yīng)的活性氧清除能力減弱。其中，有些自由基，如LOO—利用細(xì)胞膜鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，促使細(xì)胞膜的物相發(fā)生變化，細(xì)胞膜不穩(wěn)定，從而影響植物的抗寒性；另外，植物機(jī)體在遭遇逆境時(shí)有相應(yīng)的應(yīng)激反應(yīng)，當(dāng)逆境來(lái)襲時(shí)，刺激自由基積累增加，而機(jī)體為了清除過(guò)多的自由基，避免傷害則對(duì)應(yīng)形成抗氧化系統(tǒng)，增加清除自由基的能力。提高植物對(duì)逆境的耐受能力。如一些抗氧化酶：超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）等[15]，這幾種抗氧化酶是專門(mén)用來(lái)清除植物體內(nèi)過(guò)多的自由基O2-和H2O2的。逆境條件下，植物體啟動(dòng)自身防御系統(tǒng)，對(duì)不利環(huán)境做出應(yīng)答反應(yīng)，超氧化物歧化酶作為第一道防守線首先清除O2-，所以無(wú)論是人為添加SOD還是提高植物體自身的SOD含量，都可以提高植物的抗寒性。有研究者在馬鈴薯抗寒性研究中證實(shí)了這一理論：過(guò)氧化物酶是調(diào)節(jié)植物體內(nèi)H2O2含量的重要酶之一，將植物體內(nèi)自身過(guò)多產(chǎn)生的H2O2或者SOD 清除O2-自由基時(shí)產(chǎn)生的過(guò)多H2O2清除，保護(hù)機(jī)體免受傷害。

2.3 滲透調(diào)節(jié)與抗寒性的關(guān)系

當(dāng)植物遭遇逆境時(shí)，對(duì)水分的吸收大大受到影響，易造成細(xì)胞缺水。因?yàn)榈蜏貢r(shí)，植物細(xì)胞的透過(guò)性差，容易造成胞內(nèi)水分子流失，細(xì)胞的胞液濃度增加，為了避免這種傷害，機(jī)體會(huì)積極地去積累一些可溶性物質(zhì)，增加細(xì)胞吸水的能力，維持正常的代謝功能。

有3種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是植物抗逆研究的重要內(nèi)容[16]。首先是可溶性糖，其為植物光合作用的主產(chǎn)物，是機(jī)體能量?jī)?chǔ)存的方式，同時(shí)為機(jī)體生命活動(dòng)提供支持。可溶性糖在植物抗逆方面的作用主要體現(xiàn)在低溫條件下，可溶性糖快速積累，細(xì)胞的持水能力增加[17]，細(xì)胞液濃度升高，細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)體流動(dòng)性增大，冰點(diǎn)下降，防止細(xì)胞因低溫失水造成膜相變化，保護(hù)植物。這一理論在樹(shù)種、苜蓿根、葡萄、小麥等研究中都已經(jīng)過(guò)證實(shí)。在樹(shù)種研究中，隨著溫度降低，可溶性糖含量增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)抗寒性高的樹(shù)種較抗寒性低的樹(shù)種有較高的可溶性糖[18]；在苜蓿研究中，隨著溫度的降低，苜蓿根中可溶性糖含量一直增加且增加的趨勢(shì)逐漸平緩[19]；在葡萄的研究中，環(huán)境溫度降低，不同抗寒性葡萄品種的可溶性糖含量都逐漸增加，其中在低溫條件下抗寒性強(qiáng)的品種和抗寒性弱的品種可溶性糖的含量都有不同程度增加，但是抗寒性強(qiáng)的品種增加幅度大[20]；在小麥研究中，分別測(cè)量小麥葉片、分蘗節(jié)的可溶性糖含量，發(fā)現(xiàn)抗寒品種中其比值明顯高于不抗寒品種。其次是可溶性蛋白，大量植物研究表明其與抗寒性之間關(guān)系密切[21]。低溫時(shí)，可溶性蛋白量增加，可能是低溫刺激機(jī)體保護(hù)機(jī)制，合成了大量的保護(hù)性蛋白，以維持細(xì)胞正常運(yùn)行。這種可溶性蛋白能提高細(xì)胞吸水以及抗脫水的能力，不會(huì)讓細(xì)胞因缺水結(jié)構(gòu)變形，影響正常功能。用同位素標(biāo)記的方法來(lái)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)低溫處理后，植物中用于蛋白質(zhì)合成的35S 和14C-亮氨酸的量明顯增加，且在抗寒性高植物中更顯著，可溶性蛋白與抗寒性成正比[22]。最后是脯氨酸，水溶性，一般以游離狀態(tài)存在，是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)之一，它的親水端結(jié)合水，疏水端與蛋白質(zhì)結(jié)合，將水分結(jié)合到蛋白質(zhì)上。低溫條件下脯氨酸含量增加，更多的水分聚合到蛋白質(zhì)上，阻止了蛋白質(zhì)因低溫失水而變形，從而保護(hù)植物。有研究者研究小麥葉片低溫下脯氨酸的含量變化，得出不同品種小麥葉片脯氨酸都有所增加，且增加量彼此之間差異極大。同時(shí)又有研究者研究水稻低溫下脯氨酸的含量變化，得出不同品種水稻脯氨酸含量無(wú)明顯變化，所以針對(duì)脯氨酸對(duì)植物抗寒性的影響還存在異議[23]。

2.4 信號(hào)傳遞與抗寒性的關(guān)系

在植物抗逆信號(hào)傳遞機(jī)理方面，Ca2+和脫落酸系統(tǒng)的研究最多。Ca2+在各膜系統(tǒng)中是分布穩(wěn)定的。Ca2+梯度會(huì)產(chǎn)生鈣信號(hào)，是植物信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程的重要信使[24]。當(dāng)細(xì)胞遭遇逆境時(shí)，Ca2+梯度的這種穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)改變，針對(duì)不同的逆境刺激，其濃度變化會(huì)產(chǎn)生特定的生理變化。

植物生長(zhǎng)發(fā)育分化過(guò)程受到激素調(diào)控。脫落酸（ABA）是加速脫落、作用胚發(fā)育的植物內(nèi)激素，同時(shí)也是會(huì)對(duì)植物逆境過(guò)程產(chǎn)生反應(yīng)的逆境激素。在受到低溫、高溫等逆境時(shí)，ABA大量積累或是已存在的ABA 被重新分布，某些部位的ABA 濃度急劇升高。濃度增加的ABA 會(huì)刺激一些冷脅迫基因的表達(dá)。冷脅迫基因在沒(méi)有ABA 時(shí)可能不表達(dá)或表達(dá)量很少。同時(shí)，外源的ABA也能誘發(fā)這些冷脅迫基因的表達(dá)，起到內(nèi)部ABA相同的作用。用ABA和其他非生物脅迫處理擬南芥之后，擬南芥中1/2基因的表達(dá)都發(fā)生了改變。

3 抗寒相關(guān)的因子與蛋白

小麥的抗寒力是由多種基因共同作用的綜合性狀，是潛在遺傳的，只有經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的冷馴化（2～6 ℃）[8]，冷脅迫基因和冷蛋白才能被誘導(dǎo)表達(dá)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為應(yīng)對(duì)低溫的抵抗能力，所以在小麥抗寒過(guò)程中這些編碼和調(diào)控信號(hào)蛋白的基因作用顯著。

3.1 CBF調(diào)控

CBF是AP2/ERF家族的一員。AP2/ERF家族在各種植物中分布廣泛，對(duì)抵抗各種逆境如高溫、干旱等都有重要作用。植物遭遇低溫時(shí)，細(xì)胞膜接收到低溫信號(hào)后進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)，細(xì)胞會(huì)發(fā)生一系列理化反應(yīng)和代謝調(diào)控[25]。CBF調(diào)控就是眾多調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的一員。從擬南芥中克隆出的4 個(gè)CBF 因子，最初被證明與植物抗寒力有關(guān)。后來(lái)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，CBF基因的超表達(dá)能提高植物對(duì)寒害的承受力，轉(zhuǎn)CBF的植株抗寒力比正常植株強(qiáng)。

3.2 ICE-CBF-COR調(diào)控

植物在遭遇低溫時(shí)，會(huì)通過(guò)體內(nèi)各種調(diào)控模式來(lái)避免傷害。轉(zhuǎn)錄因子能特定結(jié)合到DNA 序列上從而抑制或者刺激RNA轉(zhuǎn)錄。COR是冷脅迫蛋白，在植物遇到低溫、干旱等逆境時(shí)會(huì)被誘導(dǎo)[26]。ICECBF-COR 是目前研究較多的抗寒調(diào)控途徑。低溫時(shí)，ICE 結(jié)合到CBF 的啟動(dòng)子區(qū)域，激活CBF 的表達(dá)，CBF 結(jié)合到COR 基因上游啟動(dòng)子的DRE 序列上，激活COR基因的表達(dá)。有研究者克隆出COR25基因，導(dǎo)入擬南芥后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因擬南芥在低溫下的表現(xiàn)力較對(duì)照組樣品有較好的耐受性。另有研究者利用轉(zhuǎn)ICE1基因擬南芥，發(fā)現(xiàn)ICE1對(duì)CBF3起正向調(diào)節(jié)作用的同時(shí)，轉(zhuǎn)基因植株的抗寒性大大提升。

3.3 WRKY轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控

WRKY 含有一段保守的氨基酸序列，最先是從白薯中克隆得到的，后面又陸續(xù)從別的植物中獲得。WRKY 的保守區(qū)域與所調(diào)控的基因的W-box 結(jié)合，同時(shí)也可以與自身的W-box結(jié)合，對(duì)本身進(jìn)行調(diào)控。在小麥、番茄等材料中，采用生物、分子等手段深入研究WRKY的功能機(jī)理，發(fā)現(xiàn)WRKY基因在抗寒方面有重要貢獻(xiàn)，不良環(huán)境誘導(dǎo)WRKY 的表達(dá)，同時(shí)WRKY 是一個(gè)基因家族，其有很多轉(zhuǎn)錄因子，例如WRKY33 和WRKY5 等，每個(gè)WRKY 轉(zhuǎn)錄因子在相同的環(huán)境下所起的作用不同，同一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在不同的環(huán)境下表達(dá)作用也是不同的，有的起主要作用，有的不起作用。

3.4 脫水蛋白調(diào)控

DHN 即脫水蛋白，結(jié)構(gòu)上含較多的甘氨酸，親水，保守區(qū)有3 個(gè)片段，保守性強(qiáng)，其中K 片段能為DHN的一個(gè)重要的親脂結(jié)構(gòu)提供幫助，同時(shí)也因其可以與一些變性蛋白質(zhì)結(jié)合作用從而阻止變性的繼續(xù)發(fā)生；合成的DHN 屬于植物蛋白，一般在植物遭遇逆境、人工ABA 處理時(shí)合成，也是一類誘導(dǎo)表達(dá)的蛋白。研究證實(shí)DHN 在細(xì)胞脫水時(shí)含量大量增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)提取DHN 時(shí)，其經(jīng)常是一種與糖物質(zhì)共存的復(fù)合物，而且這種蛋白與糖的結(jié)合防止細(xì)胞脫水的能力更強(qiáng)，可能DHN的調(diào)控途徑就是通過(guò)結(jié)合糖或者其他物質(zhì)，而不是單獨(dú)起作用。

4 小麥抗寒性鑒定方法

植物抗寒性是一個(gè)綜合狀態(tài)，是內(nèi)因外因等共同因素的影響結(jié)果。因此，鑒定植物抗寒性需要一個(gè)合理準(zhǔn)確的方法，近年來(lái)不少專家和學(xué)者從不同時(shí)期、不同方面進(jìn)行了越來(lái)越深入研究，提出在田間或?qū)嶒?yàn)室模擬把小麥生理、生化、形態(tài)等方面作為鑒定小麥抗寒性的指標(biāo)，提出了一些鑒定的方法。

4.1 田間記錄抗寒性

田間小麥抗寒性鑒定主要是記錄在田間自然條件下植物不同生長(zhǎng)發(fā)育期的抗寒能力。一般認(rèn)為此方法可信度高[27]。本文研究的是小麥越冬期的抗寒性情況，返青率為記錄指標(biāo)。在小麥越冬期，白天平均氣溫在0 ℃左右，此時(shí)小麥葉片生長(zhǎng)停滯，在這時(shí)期，一般會(huì)查苗、間苗，移密補(bǔ)稀，此時(shí)移栽成活率高；根據(jù)情況施肥料，以保證越冬期后小麥的正常生長(zhǎng)。具體的生長(zhǎng)情況與苗情、氣候關(guān)系密切。越冬期的小麥由于經(jīng)歷了溫度逐漸降低的過(guò)程，體內(nèi)積累了大量的糖、蛋白，細(xì)胞冰點(diǎn)降低，植物抗寒性相對(duì)升高。小麥不同時(shí)期對(duì)寒害的表現(xiàn)力不同，抗寒力不同。小麥在越冬期對(duì)寒害的表現(xiàn)特征顯著，一般為葉片受凍失水、黃褐色。根據(jù)小麥越冬期葉片受凍情況劃分為5 個(gè)等級(jí)：1 級(jí)無(wú)凍害；2 級(jí)葉尖受凍；3 級(jí)葉片一半以上受凍；4 級(jí)葉片全部受凍；5 級(jí)植株死亡。

4.2 實(shí)驗(yàn)室記錄抗寒性

（1）生態(tài)指標(biāo)：溫度是影響抗寒性的首要因素。有研究者用半致死溫度（冰凍返青、人工氣候模擬）來(lái)表示小麥對(duì)寒害的承受能力。另有研究者提出把電解質(zhì)滲出一半的溫度作為鑒定標(biāo)準(zhǔn)，鑒定低溫下各品種小麥的抗寒力。

（2）形態(tài)指標(biāo)：寒害來(lái)襲時(shí)，小麥組織、發(fā)育情況、生長(zhǎng)等級(jí)等形態(tài)特征都明顯不同，把這一特征作為鑒定指標(biāo)是科學(xué)合理的。植物組織器官受凍褐變，程度因凍害等級(jí)而異，有研究者指出低溫時(shí)小麥幼苗分藥減少、葉心卷曲、枯萎；植物生長(zhǎng)過(guò)程中，其生命力特征因植物休眠與否而表現(xiàn)不同，有的能看出生長(zhǎng)變化，有的則不能，有研究者指出隨著低溫的持續(xù)影響，種子萌發(fā)趨勢(shì)不明顯，幼苗期干物質(zhì)的積累程度差異顯著。

（3）生理生化指標(biāo)：小麥對(duì)低溫的反應(yīng)還表現(xiàn)為理化特性的不同。有研究者根據(jù)植物細(xì)胞應(yīng)對(duì)低溫的一系列反應(yīng)，把細(xì)胞抽提物pH、電導(dǎo)率、脯氨酸含量、葉綠素含量等作為鑒定的參數(shù)。