小麦种质资源耐热性评估研究进展

赵 鹏，王晓明，刘曼双，许盛宝

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

小麦(TriticumaestivumL.)是全球重要的粮食作物之一，为人类提供了20%的能量[1]。小麦属喜凉作物，超过适宜生长温度范围后，环境温度每升高1 ℃，小麦减产约6%[2-3]。随着全球变暖加剧，高温已对世界各地的小麦生产造成严重影响[3-6]。研究表明，环境温度每上升1 ℃，我国小麦减产约2.6%[3]。虽然我国小麦生产目前受高温胁迫影响低于全球平均水平，但随着全球变暖持续加强，高温胁迫将对我国小麦生产造成严重威胁[7]，因此及时开展小麦耐热性遗传改良和耐热小麦新品种选育，对保持当前小麦稳产高产、应对未来气候变化、保障国家粮食安全具有重要的现实意义。

虽然气候变暖及高温胁迫对小麦生产的影响目前很受关注，但相对于产量、品质和抗病性来说，目前耐热性尚不是小麦主要的育种改良目标，新审定品种的综合耐热能力甚至有下降的趋势[6]。其原因一是育种家对小麦耐热性遗传改良重视程度不高，对种质资源的耐热性评估缺乏积极性；二是不同地区的高温胁迫特点不同，加上评估方法的差异，造成不同试验中同一小麦材料耐热性评估结果存在很大差异，限制了耐热性评估结果的共享与耐热资源的利用。因此，种质资源耐热性的系统评估已成为小麦耐热研究与育种实践的重要限制环节，是小麦耐热性研究的当务之急。本文通过回顾近年来小麦耐热性研究进展，综述了目前常用的小麦种质资源耐热性评估指标与体系，以期为小麦耐热资源有效评价与利用提供参考。

1 小麦耐热基本机制

一般把作物在高温条件下维持生存与产量的能力称为耐热性[8]。耐热性与植物生理代谢密切相关。当环境温度超出适宜范围后，植物很多蛋白的功能会受损，基本的生命活动受到抑制。高温增加了细胞膜系统(脂类)的不稳定性，促使膜系统破坏并产生自由基，加上高温对呼吸链蛋白不同程度的抑制，容易造成氧化自由基的累积[9-10]。这些累积的氧化压力会进一步的破坏膜系统结构以及蛋白的结构与功能，加重高温的伤害，甚至威胁植物的生存。自然界的植物都具有一定耐高温能力。为避免高温的伤害，植物会激活抗氧化还原系统[10-12]及热激蛋白[11,13-14]，控制氧化自由基的水平，保护或修复被高温破坏的蛋白，维持植株的生命活动。此外，小麦还能通过降低冠层温度、叶片卷曲或调整代谢等方式增加膜系统的稳定性[8,10,15,16]、降低叶绿素降解速率、早熟[17]与合理分配能量[18-19]，降低高温的危害。

耐热性属于典型的多基因控制的数量性状。每个参与耐热的基因可能在作物品种间存在着大量有差异的等位基因，它们编码的蛋白产物对高温的敏感性可能存在显著差异[20-21]，导致不同品种的耐热性有异。这是我们能进行耐热资源筛选的重要理论基础。通过这些耐热基因的互作，衍生出小麦耐热的基本机制。小麦的基因组复杂，相应的耐热机理研究较其他植物落后，但目前也发现一些小麦基因参与耐热机制。如Tian等[22]研究发现，高温胁迫下超表达TaOPR3可以提高小麦的耐热性。Li等[23]利用227份小麦种质资源，通过对正常、干旱胁迫、热胁迫和干旱热胁迫四种条件下农艺性状的全基因组关联分析，鉴定到两个与小麦耐热性有关的候选基因。Wang等[24]认为，小麦RAD23基因对植物耐热性改良发挥作用。Zang等[25]研究表明，铁蛋白基因TaFER-5B可增强小麦的耐热性。Qin等[26]发现，TaMBF1c在植物耐热性中起着关键作用。这些耐热基因的发掘可为小麦耐热机理解析提供了重要思路和参考。

2 高温对小麦生产的危害

2.1 小麦受高温危害程度的影响因素

高温对小麦生产危害的程度受小麦生育阶段、高温发生时间、持续时间和强度等多个因素影响。小麦是喜冷凉作物，最适生长温度为10～ 24 ℃[8,27]。小麦不同生育阶段的最适温度不同[28]，高温对其生长发育造成的影响也不相同[6]。如小麦在幼穗分化二棱期即使经历了较为严重的高温胁迫，其随后的生长发育受影响也不大[29]。有时苗期适度经历高温，反而有利于增加小麦产量[7,30]。另外，高温发生的具体时间也是影响高温胁迫危害程度的重要因素，如夜间温度维持在20 ℃以上就能造成小麦严重的产量损失[8]。此外，不同强度高温胁迫造成的伤害也不同。目前普遍认为小麦严重高温胁迫的临界温度为34 ℃，温度超过该值时会对小麦造成显著的伤害[6,7,31]，因此温度达到34 ℃以上时被认为会产生严重热胁迫。但25～34 ℃这个温度区间造成的伤害，在不同品种、生育时期及试验温度设置中，往往有比较大的差异。最后，短期热胁迫和长期连续高温胁迫造成的危害也不同，长期热胁迫的累加效应更倾向于造成不可逆的细胞水平伤害[9,28]。因此，在分析高温对小麦造成的伤害时，需要区别高温发生的时间、强度以及持续的时间，这是小麦及其他植物耐热性研究的共同难点，不同环境和条件下很难得到一致的研究结果[32]。

2.2 高温对小麦不同生育阶段的影响

高温对植物伤害的本质是改变细胞内蛋白和生物膜等的分子结构与功能，从而影响这些分子参与的各项生命活动，因此高温对小麦生长发育的各个方面均有影响。研究表明，高温在小麦的各个生育阶段均会造成伤害[3,28]。但从小麦生长发育的进程来看，小麦的苗期一般伴随着春季逐渐升温[18]，极少出现高温胁迫的天气，受伤害概率比较低。而进入抽穗与开花期后，高温发生的频率显著增加，小麦受胁迫的概率也随之增加，是小麦耐热研究与育种改良的重点关注期。

高温在苗期主要影响小麦的光合作用。光合作用的膜系统和关键酶对高温非常敏感，是高温影响小麦生长的重要环节[9,33]，受损的光合作用会直接影响小麦的生物产量。需要注意的是不仅在苗期，小麦整个生长周期的光合作用都会被高温所抑制[2-3]，造成生物产量降低，最终导致籽粒产量的损失。

拔节至开花期高温会影响小麦穗和花的发育及花粉育性，从而减少单株小穗数和穗粒数[28]。小麦单穗开花一般依据气候状况，需要几天才能完成。不同于玉米和水稻，小麦开花习性比较特殊，会根据温度的变化，避开当日最高温完成授粉过程，有效减少高温的伤害[34]。虽然小麦可以通过自身调节减少高温的伤害，但开花期的高温，尤其是结合了干旱胁迫的干热风，会严重降低小麦花粉活性，干扰双受精过程，从而造成收获籽粒数损失，所以开花期仍被认为是小麦对高温胁迫的敏感时期[31,35-39]。但由于授粉时，花粉是大量富足的，高温造成的花粉活力降低是否是小麦不育小穗增加的主要原因，尚需进一步探究。此外，开花前与开花时高温引起的小麦子房和雌配子体发育推迟造成的不育[34,40]，也未引起足够的重视。

进入灌浆期后，小麦的籽粒数已基本确定，此时高温对产量形成的影响主要是降低粒重。然而研究表明，相较于高温敏感的叶片与光合过程[9,33]，高温下籽粒的日平均灌浆速率并没有受到显著影响，籽粒的灌浆过程可以通过同化物的重新分配来保证灌浆速率，从而适应高温胁迫[18]。由此可见，该阶段高温胁迫所造成的粒重降低，主要是由于胁迫下叶片衰老加速、灌浆时间缩短导致的[8,18,27,41]。因此，增强高温下叶片的持绿(stay-green)能力已成为提高小麦耐热性广泛认可的关键努力方向[42]。

3 小麦耐热性的评估方法

早期调查发现不同品种的耐热性具有很大差异[43-45]，表明现存的小麦品种中蕴含着巨大的耐热基因资源，如何有效评价这些种质资源的耐热性是进行育种利用的一个关键问题，也是目前小麦耐热机理研究的重要突破口。

3.1 耐热性评价指标

尽管高温影响小麦生长发育的各个方面[28]，但小麦作为粮食作物，产量是人们最终关注的目标性状，因此产量相关的指标被认为是最直接的耐热性评价指标。小麦灌浆期是遭受高温胁迫最频繁的时期，高温在这个阶段主要造成粒重下降，因此高温下粒重降低的幅度是最普遍采用的耐热指标[18,46]。

开花期高温会影响小麦穗发育，因此小麦产量构成因素中穗数与穗粒数也被用作是耐热性评价指标，但应用得并不普遍。随着大家对高温导致穗粒数降低的认识增加，上述指标近年来受到越来越多的重视[34,40]。目前看来，将产量三要素(穗数、穗粒数与粒重)相结合，才能较全面地评估小麦种质的耐热性。

此外，植物的一些细胞结构与生理生化指标对高温胁迫特别敏感，如细胞膜稳定性、叶片叶绿素含量、气孔导度等[43,47-50]。这些指标往往与光合作用和生物产量密切相关，间接影响小麦的最终籽粒产量，因此这些指标也常常作为小麦耐热性的间接评价指标[41,46,51]。由于未必能全面准确反映小麦的真实产量损失，这些指标不适合作为耐热种质筛选的依据。但这些指标能反映一些产量要素降低的内在原因，对于解析品种的耐热机理有重要作用。

总体来说，尽管耐热性的评价指标很多，但考虑到小麦是粮食作物，产量仍然是目前主要的评价依据，在种质评价和育种利用时，更多关注产量要素会更加可靠。在明确了种质的耐热特点后，结合更多的生理生化指标，有助于进一步揭示相应的耐热机理。

3.2 耐热性评估体系

耐热性评估体系是耐热种质资源筛选与耐热机理研究的基础。目前，分期播种结合粒重下降程度调查是进行小麦耐热性评估的常用体系[18,42,52-53]。通过晚播小麦，人为使小麦生育期推后，在春季气温逐步上升的背景下，晚播小麦在拔节、抽穗、开花和灌浆各个生育阶段经历的环境温度较正常播种材料高，从而模拟出不同生育阶段的高温胁迫。然后以晚播材料产量相关性状下降程度为指标，评估耐热性。这个系统的优点是简单易行，适合不同规模的种质资源耐热性评估；缺点是田间环境温度难以控制、干扰因素多、试验重复性差，需要多年多点试验降低环境因素的干扰，提高耐热性评估的准确性。分期播种是目前大规模耐热性鉴定最合适的方法，但需要较大的经费投入与多个单位人员的协同参与，没有政府与行业部门的支持难以实现。

塑料大棚、玻璃温室以及小区塑料棚等也是常用的人工增温方法[23,30]，通过使用塑料遮盖增温，借助"温室效应"对小麦进行高温处理，而后利用产量相关性状下降程度和细胞膜相对热损伤率为指标，进行耐热性评估[54]。这个系统的增温效果显著且操作简便，成本低，试验结果比较准确，是进行小麦耐热性鉴定可靠的方法[17]。但该体系存在局部温度、光照和蒸发差异大，棚内水分情况与自然条件不一致以及温度失控的可能性，且不适合进行大规模耐热种质评估。全控温温室是最为理想的热处理方式，但设备成本和能源消耗巨大。因此，该体系可用于特定区域的亲本种质和品系的耐热性评估，为亲本选择与特殊材料的耐热鉴定提供参考。

此外，利用培养箱模拟关键发育时期的高温胁迫，也是常用的耐热评估方式，如对开花期[40,55]、灌浆期[56-58]的耐热性评估。这种评估方式往往结合一些间接的耐热指标共同进行，如叶绿素含量、抗氧化活性等[57-59]，从而增强评估结果的可靠性。实践中，多种耐热性评估方式结合进行，也有助于进一步厘清种质资源的耐热性特点[52]，从而更好地应用到耐热基础研究和育种实践中。但该体系空间较小，仅适合少量材料的耐热性评估。

4 小麦耐热性分类

由于高温胁迫具有发生时间、强度和持续时间的差异[32]，目前尚缺乏简单稳定且统一的小麦耐热评价指标和评估体系，不同区域和不同研究方法得到的耐热评价很难重复[3,32]，阻碍了耐热资源的交流、分享和利用。

特定生育时期和特定高温条件下的耐热能力则可以用垂直耐热性来描述和反映。目前常用的苗期、开花期和灌浆期等特定生育时期的高温耐受性评估，可以划分为此类。此外，特定地区种质的垂直耐热性可以划分到特定高温条件的范畴。由于小麦高温胁迫受环境影响大，不同地域高温发生的时间及光照、湿度等环境条件都有差异，因此不必强求同一种质在所有的地域都表现出一致的耐热性，筛选出针对某一特定区域的耐热材料，对于育种或基础研究同样具有重要价值。通过这种方式，以弥补水平耐热性评估时地域针对性的不足，拓展水平耐热性评估结果的利用潜力。

这种耐热性分类的优点在于，通过大规模多年多点的分期播种，进行耐热的水平耐性鉴定，可以将大量种质资源分类(强中弱)。由于在水平耐性的鉴定过程中，已经进行了不同环境下产量构成因素的调查，可以根据水平耐性鉴定中得到的小穗数、穗粒数、粒重等结果，将种质资源进一步分解为不同生育时期的垂直耐性。例如，某一品种的可育小穗率，在各种环境下都比较稳定，我们则可以初步判断这个品种在开花期具有较强的垂直耐热性，然后再用温室或培养箱进行垂直耐热性的精确评估和验证，从而明确不同种质准确的耐热特性和潜在利用价值。

5 小麦耐热种质资源研究进展

世界范围内有数以万计的小麦种质资源，仅我国就有4.3万份[51]，为小麦耐热研究提供了庞大的资源。一般认为，热带地区生长的作物更有希望进化或富集到耐热的等位基因，如从非洲引进的水稻中发现了TT1基因[63]，为从自然界中挖掘耐热基因资源提供了重要参考。印度和巴勒斯坦是受夏季高温胁迫较为严重的地区[3]，早期研究表明，由巴勒斯坦引进的小麦种质资源具有较好的耐热性[64]，但目前全球范围的种质资源还缺少系统耐热评估，亟需加强。国内也有相关机构和人员采用分期播种和人工增温的方法，利用热感指数等耐热性评价指标对国内外小麦材料进行了耐热性评估，鉴定出一批耐热性较好的材料[61-62,65-67]。这些耐热的小麦材料适合当地环境，并表现出较为稳定的耐热性，为小麦耐热遗传改良、培育耐热品种提供了有力支撑。但这些材料在不同环境中能否表现出稳定的耐热性，它们的耐热性的生理与分子基础都尚需进一步评估与检测，从而应用到更广泛的育种与耐热基础研究中。

除了对现有小麦耐热种质资源进行评价和利用，我们也必须做更充分的准备，扩展小麦耐热资源，以应对日益严重的全球变暖问题。目前的小麦耐热研究中，有一些提高和创制耐热资源的思路可以借鉴。杂交重组是聚合耐热性最快也是最常用的方法。例如从来自同一组合的DH群体中能筛选出耐热性显著优于双亲的子代[68]，通过轮回选择进一步将优异的耐热等位基因富集在后代中[69]，从而创制出更耐热的种质资源。另外，越来越多的研究表明，核质互作对小麦耐热性会产生重要作用[70-71]，因此开发细胞质耐热资源也是创制新的小麦耐热种质的一个思路。细胞质中的线粒体与叶绿体都是对热敏感的细胞器，且拥有自己的基因组，通常只从上一代的母体进行遗传。互交产生的同核异细胞质系将是进一步评估与发现细胞质耐热性的关键技术策略[72]。此外，种间杂交形成的染色体渗入系有可能成为一个很有潜力的耐热研究方向[57]。人工合成六倍体小麦可以引入野生二倍体[52]和四倍体小麦的耐热资源[53]。我国在异源种质导入小麦中有很多成功的经验，可以借鉴到小麦耐热资源的创制中。

6 展 望

小麦是我国主要的粮食作物，开花和灌浆期高温严重威胁着小麦产量，选育耐热高产稳产品种是有效提高我国小麦生产水平的重要途径，而小麦种质资源的耐热性评估是进行耐热育种和耐热机制研究的基础。由于高温胁迫和小麦耐热性状的复杂性，小麦材料的耐热性需要多年多点重复鉴定才能准确评估。同时，现有的评价指标具有一定的局限性，需要多个评价指标综合考虑，研究成本较大，导致目前系统的耐热研究不多，严重制约了小麦耐热性的基础研究和遗传改良。系统地建立小麦耐热性评价体系和耐热种质资源评估，既需要行业协作，也需要政府部门未雨绸缪的统筹协调与经费支持，从而才能突破目前瓶颈，推进耐热优异种质资源的鉴定和应用。厘清现有小麦资源的耐热性特点，因地制宜地总结出这些耐热资源利用方法，是应对全球变暖最直接与最有效的行动，对于保证世界粮食的持续稳定供应与我国小麦自给自足具有重要意义。