小麦抗寒生理生化特性与分子机理研究进展

李鹏　孙明柱　张凤云等

摘 要：低温严重威胁着小麦生产，研究小麦抗寒性机理具有重要意义。本文从内源激素和游离氨基酸含量及保护性酶活性变化、抗寒基因的染色体定位、冷诱导基因、小麦抗冻蛋白等方面对国内外小麦抗寒性研究进展进行了综述。

关键词：小麦； 抗寒性； 生理生化特性； 分子机理

中图分类号：S512.101文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）09-0134-04

温度是影响植物分布、产量和品质的重要环境因素，低温不仅限制植物的种植范围，还会造成减产和品质下降，严重时甚至导致植物死亡、颗粒无收。全球每年因低温伤害造成的农作物损失高达数千亿元[1]。自2009年11月份以来我国华北地区气候异常，低温造成小麦冻害，严重影响到华北粮食产量。因此，小麦抗寒性机理和抗寒育种一直是研究的热点领域之一。小麦的抗寒性机理极为复杂，包括许多生理生化和分子反应，尽管研究者对低温伤害机理进行了广泛研究，但是对于抗寒性的确切机理仍未能阐述清楚。因此探索小麦受到低温胁迫时的生理生化特性变化及分子机制，不仅在基础理论上具有重要意义，而且对于实现小麦稳产、保障粮食安全也具有重要价值。本文从内源激素和游离氨基酸含量变化、保护性酶活性变化、抗寒基因的染色体定位、冷诱导基因、抗冻蛋白等方面对国内外小麦抗寒性研究进展进行综述。

1 小麦抗寒生理生化特征

关于小麦经过抗寒锻炼后发生的一系列生理生化变化已开展了很多研究，结果表明，低温能够诱导新蛋白质的合成、降低组织含水量、改变膜流动性、提高抗氧化物质及多种代谢酶活性等[2]。其中一些可作为品种抗寒性鉴定的指标，如用超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量等作为膜脂过氧化作用指标，用电导率、细胞液浓度等作为质膜透性指标，用寒胁迫蛋白含量的变化等作为抗寒鉴定的生理生化指标[3～5]。小麦经受低温后产生的一系列变化主要表现在以下几个方面：

1.1 内源激素含量发生变化

植物内源激素与小麦生长发育的各阶段紧密相关[6]。赵春江等[7]对4个不同基因型小麦品种在越冬过程中植株内源激素变化的测定结果表明，冬性和春性小麦表现出明显的差异。脱落酸水平在抗寒性较强的冬性品种中显著高于抗寒性弱的品种，赤霉素则在抗寒能力弱的春性品种中含量较高，抗寒性强的品种的生长素在冬前较高，认为植物内源激素脱落酸、赤霉素和生长素与不同基因型小麦的抗寒能力有关。 Lalk等[8]的研究也表明，在冬小麦冷驯化过程中内源脱落酸含量增加。脱落酸含量瞬间提高能够诱导冷诱导基因的表达，从而提高抗冻性。冠菌素在低温条件下可以使小麦根冠比和叶绿素含量增加，促进可溶性糖和谷胱甘肽的积累，降低细胞膜透性，从而增强小麦的抗寒能力[9]。

1.2 游离氨基酸含量发生变化

一些学者通过对高等植物的抗寒研究认为，细胞内游离氨基酸含量与植物抗寒性存在着相关性。脯氨酸在植物体内作为渗透物质，起着渗透调节的作用[10]。脯氨酸含有亚氨基，增加了蛋白质的亲水表面，提高了蛋白质的溶解度，从而提高可溶性蛋白质的含量，维持低温状态时酶的构象。在低温胁迫时，脯氨酸的表达量提高，并在许多植物器官内积累。陈璇等[11]的研究表明，4℃低温胁迫4 h后，冬小麦新冬22号叶片的脯氨酸积累显著增加，而春小麦喀什白皮叶片的脯氨酸需4℃低温胁迫48 h才开始积累。孙金月等[12]在研究脯氨酸、羟脯氨酸、糖蛋白在强抗寒小麦品种和不抗寒小麦品种抗寒锻炼过程中的变化时发现，在强抗寒小麦中，游离脯氨酸、羟脯氨酸和糖蛋白含量比未经低温驯化处理时高达数倍；而弱抗寒小麦品种各物质的增加量较小。

1.3 保护性酶活性变化

在低温条件下，植物体细胞内自由基产生和消除的平衡会遭到破坏，导致积累的自由基对细胞膜系统造成伤害。而自由基的产生和消除由细胞中的保护系统所控制，保护系统包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）及类胡萝卜素、抗坏血酸、谷胱苷肽等还原性物质。王玉玲等[13]和陈龙等[5]都研究了低温胁迫下半冬性和弱春性小麦叶片中SOD活性、MDA含量的变化，结果表明半冬性小麦SOD活性升高和MDA含量下降的幅度均大于弱春性品种。徐恩静等[14]对120个小麦品种进行低温处理，并对处理前后的小麦几丁质酶活力进行了测定，结果表明低温培养后所有品种的几丁质酶活性均有不同程度的提高，说明低温条件诱导了小麦中几丁质酶活性的提高，从而抵抗不利环境。刘艳阳等[3]采用室内模拟低温处理小麦 133 个系的 DH 群体幼苗，研究了低温胁迫对小麦幼苗叶片脂质过氧化作用的产物及相关酶活性的影响，结果表明，低温处理后脂质过氧化作用的产物MDA含量增加，SOD和POD活性在不同株系间存在差异，但并不随MDA含量的增加而稳定提高，两种酶之间的活性变化无明显的同步性；POD活性只能作为鉴定小麦材料抗寒性的参考指标，SOD活性和MDA含量可以作为鉴定小麦抗寒性的生理生化指标。

2 小麦抗寒分子机理研究

研究发现，小麦抗寒的生理生化反应是由于低温改变基因表达所引起的。小麦的抗寒性是由微效多基因控制的，且抗寒基因是一种诱导基因，所有参与小麦低温胁迫反应的基因及其蛋白产物都要经过低温诱导才能表达、合成和积累[15～17]。对于小麦抗寒性分子机理，研究人员已从染色体定位、冷诱导基因克隆以及抗冻蛋白分离等方面进行了广泛研究。

2.1 小麦抗寒基因的染色体定位

许多研究结果一致认为，耐寒性是一个复杂的性状，在21对染色体中至少有10对与耐霜冻或耐寒性有关，关系最大的是5A和5D染色体，它们似乎携带有主效基因[18]。巨伟等[19]利用双单倍体作图群体研究了冬小麦抗寒生理性状的QTL，结果表明，在1A、1B、2A、2D、3A、3B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7B和7D等15条染色体上都有影响小麦抗寒性的加性QTLs，并且这些基因是在不同时期发挥抗寒作用。现已证实，小麦5A染色体长臂上的Vrn1-Fr1区段对耐寒性起主要作用，冬性小麦耐寒性不同是由于有不同的Vrn1-Fr1区段[20]。

2.2 小麦冷诱导基因

冷诱导基因在特定条件（主要是低温和短日照）下才能够启动和表达，进而使细胞表现出抗寒力。在抗寒基因表达前，抗寒能力仅仅是一种潜能。低温诱导植物抗寒基因表达的机制一般认为有两种：一种是依赖于 ABA （abscisic acid），另一种是不依赖于 ABA 的。小麦中受ABA诱导的冷诱导基因包括wrab15[21]、wrab17[22～23]、wrab18[21]、wrab19[22，24]，而不受 ABA诱导的基因包括 wcs19[25]、wcor14[26]、wcor15[27]。闫小燕等[28]为阐明冷诱导基因wcs19与小麦幼苗抗寒性的关系，对233份小麦资源进行了幼苗抗寒性鉴定及wcs19基因STS检测，结果表明233 份小麦品种间wcs19基因在DNA水平上没有差异，其幼苗抗寒性可能与wcs19基因表达水平有关。SOD基因的表达在小麦抗寒性反应中也发挥着重要作用，试验证明，在低温条件下，冬小麦中Mn-SOD mRNA保持较高水平，而春小麦中水平降低，表明冬小麦比春小麦具有更高效的抗寒调节机制[29]。高轩[30]利用cDNA-AFLP和RACE技术获得了编码小麦抗冻蛋白的基因TaAFPⅢ，并将该基因转入烟草中进行功能研究，结果表明该基因能够显著提高材料的抗冻能力，说明TaAFPⅢ在植物抗低温反应中发挥着重要作用。

2.3 小麦抗冻蛋白

抗冻蛋白（Antifreeze Proteins，AFPs）是从功能上定义的一类蛋白质，具有冰晶形态效应、热滞效应和重结晶抑制效应[31]，能以非线性形式降低水溶液的冰点，但对熔点影响甚微，从而导致水溶液的熔点和冰点之间出现差值，它们在受低温环境胁迫时能使有机体抵御冰冻环境[32]。Terzioglu等[33]对低温处理后小麦可溶性蛋白含量的变化分析表明，小麦根中产生了新的蛋白质。郭丽红等[34]从低温处理的小麦幼苗中分离到一类热稳定的抗冻蛋白，当浓度为10 g/L时，测得其热滞活性为0.3℃，此类蛋白对羟基自由基活性有一定的抑制作用，表明它具有抗氧化活性。抗冻蛋白浓度能够改变冰晶生长的方式和速度，低浓度时随着抗冻蛋白浓度的增加冰晶生长速度呈上升趋势，但当抗冻蛋白浓度增加到一定值时冰晶生长速度不再增加[35]。

3 展 望

提高小麦的抗寒能力，培育抗寒小麦新品种对于粮食生产具有十分重要的意义。目前对于小麦抗寒性生理生化特性和分子机理进行了大量研究，提高了对小麦抗寒机制的认识，形成了较为完整的理论和技术体系，但是由于小麦抗寒性是一个由众多基因调控的复杂系统，对其确切机理仍未能阐述清楚。分子生物学的快速发展为小麦抗寒性分子机理研究提供了先进的技术手段，但是目前的研究主要集中在单个基因上，仍需对多基因的协调作用以及信号转导、调控基因的表达、抗冻蛋白的结构特征和生理功能等方面进行更深入的研究，进一步加强对分子生物学新技术的开发利用，从而更全面、更深入地揭示小麦的抗寒机理。

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