小麦春季抗寒性研究进展

张淑娟++宋国琦++高洁++李玉莲++张荣志++李玮++王姣++陈明丽++韩小东++李根英

摘要：近年来气候异常现象频繁发生，春季低温冻害已成为影响小麦生产的限制因素之一。关于小麦春季抗寒性已开展大量研究，并取得一定进展。本文根据国内外相关研究报道分别从小麦对倒春寒敏感期的鉴定、响应倒春寒的生理生化、倒春寒对小麦产量及其构成因素的影响、小麦春季抗寒性分子生物学研究等方面进行概述，并据此探讨了此领域研究中存在的问题及今后可能的研究思路。

关键词：小麦；春季抗寒性；生理；分子机制

中图分类号：S512.101文献标识号：A文章编号：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

小麦是重要粮食作物之一。小麦生产的可持续发展对于保障国家粮食安全和维护社会稳定都具有十分重要的意义。近年来异常天气频繁发生，干旱、低温、高热等非生物胁迫对小麦生产造成了极大威胁。春季发生的低温冻害（倒春寒），是造成小麦产量损失的主要灾害之一，仅1981—2000〖HJ*4/9〗年的20年里我国小麦主产区就有9次大发生，发生频率高达45%；2004—2005年度，两大主产区黄淮麦区和长江中下游麦区发生严重倒春寒，面积达到406.7万公顷，仅河南一省就超过133.3万公顷，其中几近绝收面积约达26.7万公顷[1，2]。2009、2013年这两大主产区再次发生大面积倒春寒，山东部分地区甚至还出现四月飞雪的异常天气，小麦减产严重。倒春寒的发生不仅非常频繁，而且具有随机性和不可预见性，使得农艺预防及补救措施难以及时跟上，极易给小麦生产造成无法挽回的损失[3]。

但是，在同样发生倒春寒的地块，不同品种间受害程度差异显著。而对于引起这种差异的原因，主要有两种学术观点：一认为不同的品种发育进程不一致，生产上所谓的耐倒春寒，很可能是该类品种发育迟缓、拔节晚而避开了倒春寒发生时期，其本身并不具备耐倒春寒机制；第二种观点认为品种间抵御倒春寒的能力在遗传基础上存在差异，有些小麦品种在遭受倒春寒的危害后自我恢复能力很强，小麦的抗冻性在冬季和春季并不是显著相关的，冬季抗冻力强的小麦品种，在春季其抗冻性并不一定强。目前，对于小麦耐寒的生理生化和分子机制研究主要集中在越冬前的小麦苗期，而对于在生殖发育阶段小麦抵御倒春寒过程中其体内所发生的生理生化及分子生物学基础研究相对较少。然而，已有很多的研究结果表明，小麦在不同发育时期的抗冻性如苗期与生殖发育阶段，并不是存在显著相关性，苗期抗冻性强的小麦，到了生殖发育阶段的抗冻能力并不一定强[4]。由此推测，冬前苗期与进入生殖发育阶段的小麦在响应低温胁迫方面存在不同的内在机制。

现实是小麦遭受倒春寒危害日益严重，而应对倒春寒所需要的基础理论支撑严重落后，迫切需要开展小麦响应倒春寒的生理生化及分子机制的深入研究，通过研究分析倒春寒胁迫后小麦体内所发生的一系列变化，揭示小麦应对倒春寒的内在机制，为预防和减少倒春寒危害提供理论指导。本文就小麦春季低温胁迫的研究进展情况进行如下综述。

1小麦倒春寒敏感期鉴定

小麦穗发育进程一般可分为八个时期，分別为：伸长期、单棱期、二棱期、护颖分化期、小花原基分化期、雌雄蕊分化期、药隔形成期和四分体形成期[5]。相应地，小麦植株生长发育过程通过直接目视观察评价分为萌发期、越冬期、拔节期、孕穗期、开花期和灌浆期。黄淮麦区是我国冬小麦的主产地之一，一般倒春寒发生在3月，田间的小麦差不多处于拔节期，通常包含两个穗发育始期：雌雄蕊分化期和药隔期。

多位研究者指出，应该选择相同的幼穗发育时期进行小麦春季耐寒性的研究，特别是在小麦幼穗对低温较为敏感的时期[6-8]。国内外学者对于小麦幼穗分化的不同发育时期的抗冻性已有很多研究，都曾经关注这个低温敏感期的问题，然而他们的结论并不相同。Single[9]1985年在研究品种抗寒性与小麦生长发育关系时指出，小麦春季的抗寒性与其不同的生长发育阶段有关，认为小麦幼穗的低温敏感期可能是拔节期。皇甫自起等[10]则认为敏感期应该是包括小花分化期至药隔形成期这一段，这40多天都算是敏感期。曾正兵等[11]认为低温敏感期在药隔期，包括20多天。刘平湘等[12]也认同药隔期是小麦幼穗发育的低温敏感期，如果进行小麦品种春季抗冻性的鉴定可以在这个时期进行。李晓林等[13]利用田间盆栽试验及春化间低温处理的方法，进一步证实了药隔期应该是小麦幼穗发育的低温敏感时期。胡新[14]则认为对低温最敏感的幼穗分化期是在雌雄蕊分化期至药隔前期这一段时期。日本的吉田久提出雌雄蕊分化期是对低温最敏感的时期[15]。Subedi[16]和Thakur[17]等则认为低温敏感期是小花形成期。本课题组陈贵菊等[18]在前期工作中，对不同的冬小麦品种在药隔期进行低温胁迫处理，探究了不同温度和不同处理时间对小麦的生长发育以及穗部结实率的影响，对不同品种的耐倒春寒能力进行了鉴定。

2小麦响应倒春寒的生理生化研究

小麦遭受倒春寒后产生的保护机制是一种应激反应，会产生一系列复杂的变化，包括蛋白组分的变化、各种糖类以及渗透调节物质含量的增加、细胞膜结构与成分改变以及一些新酶的产生等生理生化的变化，小麦通过这些生理代谢的变化来响应外界温度的降低以保护自身生长发育免受影响[52-54]。国内外从20世纪60年代以来关于小麦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，对于春季低温影响的研究近几年来也开始增多。

卫秀英等[19]研究发现，除抽穗期外的其它小麦发育时期，抗寒性强的品种与抗寒性弱的品种相比，SOD活性和脯氨酸的含量显著增高，但是MDA含量降低，质膜透性也显著降低，而且抗性强的品种其根系活力在越冬期至抽穗期都一直要高。张志伟等[20]研究药隔期低温对小麦叶片生理生化反应的影响，结果表明经过低温处理以后，小麦叶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含量也有明显上升。余海波[21]研究表明，于不同小麦生育时期进行低温胁迫，其对生理生化特性变化的影响也不同：越冬期和拔节期低温胁迫，主要影响可溶性糖含量、脯氨酸和可溶性蛋白含量、叶片电导率、MDA含量、SOD和POD活性等；而在孕穗期进行低温胁迫处理，主要影响5个方面：包括可溶性糖含量、MDA含量、叶片电导率、SOD和POD活性等。吴青霞[22]的研究结果发现，脯氨酸和可溶性蛋白含量、SOD和POD活性这几个生理指标的变化与小麦品种产量的关联度比较高，由此可以将它们作为鉴定不同小麦品种春季耐寒性的指标利用。张军等[23]的研究结果表明，供试小麦品种在孕穗期进行低温胁迫处理1 d和2 d后，可溶性蛋白含量显著降低，而其它生理指标如可溶性糖含量、脯氨酸含量、MDA含量、叶片电导率以及叶片的SOD、CAT和POD活性都有明显增加，胁迫处理后不同品种单株穗粒数、籽粒产量都明显降低，但是对千粒重并无显著影响。姜丽娜等[24]研究发现，在孕穗期进行低温处理，与不低温处理的对照相比，叶片电导率提高，可溶性糖和MDA含量增加，SOD和POD活性都明显升高，而脯氨酸、可溶性蛋白含量在不同小麦品种（系）间存在着显著差异。李春燕等[25]发现，药隔、孕穗期低温影响小麦穗数和粒数的形成，开花期低温影响粒重形成，胁迫越重，减产越显著；小麦叶片中可溶性蛋白、游离脯氨酸、MDA及ABA含量随胁迫程度的加重均较对照升高，赤霉素（GA3）含量、植株钾积累量较对照下降，而钙和钼素积累量短时间胁迫较对照升高，胁迫时间延长时其积累量较对照进一步下降。

3倒春寒对小麦产量及其构成因素的影响

倒春寒发生的范围较广，在韩国、美国、加拿大、澳大利亚和中国每二至四年就会发生一次[26]，已经开展了很多有关春季低温冻害对小麦产量及其构成因素的研究[27，28]。倒春寒能使小麦产生白穗、空心，从而导致小穗不孕，减少穗数和穗粒数，最终导致小麦减产。生产实践显示，孕穗期如果遭受1℃的低温，就能严重影响小麦幼穗的生长发育，引起的产量损失一般在14%～85%[29]。

刘璇等[30]研究发现，春季低温冻害能较大地影响小麦穗部发育和粒重，危害严重的小穗不育率增加17.86%，穗粒数减少，平均约16.01个，千粒重减少显著，降幅能达2.55 g。陈思思等[31]在小麦拔节期进行低温胁迫处理，结果是处理时间越长，小麦单穗减产越严重。-2℃低温处理胁迫2 d，与对照相比，产量下降71.08%；在-4℃低温处理胁迫2 d，产量下降80.15%。低温冻害使得穗粒数和穗数都下降明显是造成减产的主要原因。张军等[23]研究表明，小麦拔节期时不能耐受持续低温，这时候如果遭遇低温冻害，会明显降低单株穗粒数，但不会对单株穗数造成较大影响，千粒重也影响不大。胡新等[32]试验发现，小麦品种矮抗58在低温胁迫后，与未受冻的小麦幼穗相比，各级冻害穗数升高，穗粒数显著降低，籽粒重也下降明显。高燕等[33]研究发现，小麦在拔节初期进行低温处理，-4℃胁迫处理后，不同参试小麦品种都有大量小穗发生不育，穗粒数和千粒重显著下降，且品种间下降幅度不同。并且低温处理时间越长、次数增加的越多，不同小麦品种的抽穗期均值都推迟了1 d。倒春寒发生在不同的小麦发育时期，如拔节期和孕穗期都会造成产量下降，发生的越早，影响更为严重，主要是因为穗数降低，能够使产量下降19.9%，而到幼穗发育晚期发生倒春寒，会使穗粒数降低，产量降低的幅度能达8.9%，减产效应在发生两次倒春寒时累加。陈贵菊等[18]分别在不同小麦品种的藥隔期进行低温胁迫，在-2℃低温处理1 d和2 d，发现能明显影响小麦的生长发育状态，大部分品种低温处理2 d比1 d的降幅明显增大，其结实率显著降低，抽穗期和开花期都推迟，且缩短灌浆时间，导致千粒重降低。

4小麦抗寒性分子生物学研究

4.1小麦抗寒基因的研究

随着分子生物学的发展，对于植物耐受低温胁迫机制的研究重点从生理生化水平逐渐转向分子水平，并分离出了很多基因，如抗渗透胁迫相关基因、抗氧化酶基因、抗膜脂相改变基因、冷诱导基因等。植物遭到突然降温时，通过细胞对低温信号进行感知和转导、调节基因的表达，从而在表达过程中产生多种相互关联的表达产物及蛋白质等，以减弱和缓解低温的损害。一类是功能蛋白，它们直接参与抵抗胁迫反应，主要有各类渗透调节分子（TPS、SFT、P5CS等）、脱水素蛋白（LEA、Cor78、RD29等）、抗性蛋白（WCS120）等；另一类是调节蛋白，主要是通过调控抗寒基因的表达来提高抗寒性，如各种蛋白激酶（SOS激酶、PLC等）和转录因子（CBF、NAC、MYB、WRKY等）；另外，还有其它一些被诱导表达的蛋白，主要包括一些位于细胞膜上的水通道蛋白（水孔蛋白）、离子载体以及负责自由基清除的蛋白等[34]。抗寒基因的表达主要是通过信号转导的方式被诱导表达和调控。ABA作为一种促进抗寒基因表达的因素，能够与钙信号传递系统联合，将低温信号传导到启动抗寒基因表达的特定序列上，从而调控抗寒基因表达。鉴于激素ABA在低温信号转导过程中的作用不同，大体上可分为两大类，分别是：ABA依赖型信号通路和ABA非依赖型信号通路[35，36]。

小麦的抗寒性比较复杂，它是由一些微效、多基因形成的调控网络。研究者们在小麦的1B、1D、2B、2D、4D、5A、5D、7A等10多对染色体上均定位到了与小麦抗寒性有关的等位基因位点[37，38]。目前，普遍认为小麦营养生长阶段的抗寒性是受多个微效基因调控，研究较多的基因有：春化基因Vrn（Vrn1、Vrn2和Vrn3）、耐寒基因Fr（Fr1、Fr2）以及CBF类转录因子[39]。Vrn1基因与小麦苗期抗寒性有关，但与生殖发育阶段的抗寒性没有关系[40]。CBF/DREB類转录因子受低温诱导，激活下游Cor基因（cold-regulated genes）的表达，过表达CBF类转录因子能够显著增强小麦和大麦的非生物胁迫抗性，包括干旱和霜冻胁迫，并且能够诱导下游一大批抗性基因的表达，例如LEA/COR/DHN等[41，42]。Cor基因mRNA在低温驯化处理的2～3 d内达到高峰，但在去掉低温处理后的几个小时内即可恢复正常水平。尽管Cor的mRNA水平与低温诱导有关，但这些基因的功能到目前为止尚不明确[43]。

目前，大约有超过450个抗寒基因在小麦上被分离鉴定，这些抗寒基因均是在苗期低温驯化过程中被分离鉴定，其在春季低温下的表达情况研究较少[44，45]。小麦品种的抗冻性在越冬期和春季没有直接关系，冬季抗冻性强的，其抗倒春寒能力并不一定强，可能冬前苗期与进入生殖发育阶段的小麦在响应低温胁迫方面存在不同的内在机制。

4.2小麦春季抗寒性组学研究

关于小麦冬季冻胁迫的转录组学和蛋白质组学研究已有较多报道[46-48]，但有关春季冻害的研究很少，只有两篇文献报道。Han等[49]研究了幼穗处于药隔形成初期的豫麦34响应冻胁迫的差异蛋白组学，鉴定出75个蛋白点。Kang等[26]用Affymetrix小麦基因芯片分析了豫麦34在药隔形成初期遭受低温胁迫的表达谱变化，发现转录水平变化在两倍以上的基因能够达到600个，涉及很多低温胁迫有关的各种基因，如糖代谢和氨基酸代谢、抗氧化蛋白、以及CBF/DREB类转录因子，还有一些信号转导分子等，这些可能都参与了小麦抵抗倒春寒的过程。

本项目组根据前期筛选结果，选择两个冬季耐寒性差异不显著而对倒春寒耐受性差异明显的两个小麦品种济麦22（耐）和鲁原301（不耐）进行差异蛋白组学的研究，研究两品种低温处理前后的差异蛋白[50]。之后首次利用高通量测序的方法对处于药隔期的济麦22进行低温胁迫的转录组分析[51]，总共得到近7.44 Gb的数据量，获得120 715条Unigenes，这些对小麦的抗低温研究提供了重要的基因资源。在转录组测序基础上进行了数字表达谱测序，发现差异基因1 015个，对其分类，共有359个差异基因获得KEGG注释，大多数与代谢有关。另外，我们还进行了小RNA和降解组测序，发现冷处理样品中有27个保守的和5个新的miRNAs明显差异表达。超过半数在小麦中是可以被生物或非生物胁迫诱导表达的。目标基因的大部分是涉及花发育的转录因子，如ARF、SPB、MADS-box、SPX、PPR基因等，这些基因的异常表达会导致生殖器官的败育。

5小麦春季抗寒研究中存在的问题及其前景

影响小麦抵抗低温逆境胁迫能力的因素非常复杂，既有外部因素也有植物本身的原因。在分子水平上进行小麦低温胁迫抗性的研究目前还很薄弱，还没有深入研究冷相关蛋白的生理生化功能及其抗逆作用，在抗寒信号转导及基因的调控表达方面还未清楚，而目前用基因调控来解释抗冻性生理机制的研究也并不广泛，很多生理上的变化（如可溶性糖和氨基酸的积累等）并没有得到分子水平上的解释；抵抗低温胁迫是多基因控制的，而目前大多数研究都是围绕着单个基因研究，我们应该系统研究信号传递过程中的一系列基因。小麦是异源多倍体，基因组庞大，基因组、转录组和蛋白质数据库还未完全建立，使得整个小麦的抗逆机理研究进展缓慢，小麦耐倒春寒的分子机制研究刚刚起步。随着小麦基因组研究计划的进行，高通量测序技术的出现和迅速发展，蛋白质组学技术的广泛应用，多学科的交叉融合使得从系统生物学角度来阐释小麦耐倒春寒机制变为了可能。

倒春寒对小麦生产影响很大。要降低其危害，除了采取其它农业措施外，挖掘强耐寒基因，通过基因工程手段提高小麦耐寒性是条有效途径，最经济有效的办法就是培育耐倒春寒品种。深入研究小麦倒春寒抗性的分子机制和生理生化变化的机制，利用基因工程不断提高抗寒基因的转化和表达量，加强多基因的转化和表达量，加强多基因的协同作用是当前的重要课题。同时应加强收集和鉴定抗寒性小麦种质资源，为传统育种方法提供材料。将分子育种和常规育种有效结合开展小麦抗逆育种、培育耐倒春寒小麦新品种是今后需加强的关键领域。

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