小麦抗寒性研究综述

王成程

（来安县农业技术推广中心，安徽来安 239000）

1 植物寒害的类型

植物生长过程涉及3个温度基点，即最高温度、最适温度和最低温度[1-2]。温度高于最高温度或者低于最低温度时都会成为影响植物生长发育的不良因素。低温胁迫是指对植物生长发育产生不利影响的低温，这种不利影响造成的伤害被称为植物寒害[3]，其在影响植物发育的同时还对植物种植的地理位置分布以及农业生产效力产生制约。根据不同的低温范围，将植物寒害分为冷害和冻害[4]。冷害是指冰点以上的低温对植物生产发育造成的危害[5]。它一般在小麦生长进入孕穗阶段发生，在我国频发时段为早春和晚秋，主要会对苗期作物和籽粒作物造成影响。作物遭受冷害后，水稻、玉米常表现为烂籽、硬苗不发，甚至死苗，小麦则茎叶无异，麦穗全部或部分受害，表现为延迟抽穗或抽出空白穗等。全球变暖带来的多为暖冬，小麦拔节后进入孕穗阶段，此时小麦含水量高、组织较幼嫩，对突然的低温更敏感，抵抗能力变弱。冻害是指冰点以下低温使植物细胞内或组织结冰造成的损害，分为冬季冻害和春霜冻害，前者特点为细胞失压，叶绿素被破坏，叶片由绿色变为褐色，其发生概率低，程度弱，地下部分几乎未受影响，苗死率低；后者为受寒潮温度降低影响，损害程度因发育阶段而有所不同。例如，进入雌雄分化期的小麦，受冻后植物胞体分散，幼穗萎缩，而刚进入小花分化期的小麦，受冻后幼穗依然为晶体透明状，这也解释了为什么会出现部分穗子受冻及早播小麦较晚播小麦受害程度大的情况。寒害在世界很多地方时有发生，这种非生物胁迫对很多作物都造成了不同程度的伤害，同时约束了它们的种植分布区域，大大限制了农业生产[6]。因此，探索植物在低温条件下的运行机制，提高其抗寒性能，在农业安全生产上意义重大。

2 植物抗寒性的遗传机理

2.1 细胞膜与抗寒性的关系

为了应对各种逆境，植物在长期进化中形成了非常复杂的反应机制，植物接收逆境信号[7]，表现为一系列的蛋白、生理生化以及形态变化从而生成特定的代谢途径。细胞中包括细胞膜、线粒体、叶绿体等细胞器，每个细胞器也都有属于自己的生物膜，生物膜使细胞器相互独立，稳定内环境下它们又是一个整体，彼此之间紧密联系。细胞膜在细胞及细胞器与环境二者之间起着桥梁纽带的作用。当细胞遭遇逆境时，最先感知到的是细胞膜，所以细胞膜在生物体正常发育生长过程中起着举足轻重的作用。植物细胞受到机械损伤或者细胞失水等伤害，细胞膜结构被破坏，从而导致植物本身损伤甚至死亡。例如，对冰冻最敏感的细胞膜受到寒害威胁时，叶绿体和膜结构被破坏，叶绿素解离，光合磷酸化（ATP 酶）失去活性，光合作用抑制被破坏。同时有研究表明，植物遇到低温损害时，生物膜的物理性质即膜脂物相由液晶相变为凝胶相。有学者提出植物低温寒害引起膜脂物理性质的改变，他们认为植物在遭受低温伤害时，生物膜先发生膜脂的物相变化[8]，这时膜脂从液晶相变为凝胶相，其上的脂肪酸链排序发生变化，原生质流动受影响，膜的透性增加[9]，造成可溶性物质外渗，物质的交换与运输被影响；膜上的结合酶结构变化，导致细胞生理生化代谢功能紊乱[10]。细胞压骤减、细胞液泡改变等造成植物体的损伤。另外，膜分子探针技术的研究是解释膜物相改变进而引起植物寒害现象的强有力证据。在特定植物的细胞膜上用膜分子探针去标记，研究发现标记的分子在外界温度低到某个值时运动速度骤减，这表明对于特定的植物是存在寒害临界温度的，当外界温度低于临界温度，膜物相改变，细胞代谢紊乱，植物遭受寒害。研究发现，抗寒性较高的植物其膜磷脂不饱和度较高，在温度较低时依然维持流动，致使细胞膜物相改变的温度比抗寒性较低的植物低[11]。而膜凝脂的不饱和度与植物的生理特性密切相关，当低温来袭，膜凝脂能阻止细胞物相改变，让它维持液晶相，从而持续流动，继续行使它的生理功能，阻止了低温对细胞膜的伤害，保护植物免于寒害[12]，但存在另外一种解释，即膜蛋白与膜脂之间相互关系可能是膜稳定性提高的主要因素，而不是膜脂脂肪酸的不饱和度。有研究者试验证实质膜稳定性与小麦抗寒性密切相关，抗逆强的植物在低温下膜结构保持稳定。植物在生长进化过程中为了应付低温带来的伤害进化出不同的抗寒力。研究证实这一过程与植物抗寒性有关[13]。冷驯化的保护机制是其中最重要的，即植物经过非冻低温后抗寒能力增加。在自然环境中，表现为越冬小麦在秋季经受低温锻炼后能更好地抵抗寒冷的冬季。植物低温炼苗后抗寒能力提高，是因为低温锻炼稳定了膜的结构，提高了膜的冷稳定性[14]。

2.2 活性氧系统与抗寒性的关系

植物拥有自我运行的防御系统，例如，植物体内活性氧积累与清除的平衡系统，这一系列系统维护了机体的正常功能。一般条件下，积累与清除系统是平衡的，但当植物遭遇低温、盐等不利条件时，活性氧积累加快，产生大量的自由基，而相应的活性氧清除能力减弱。其中，有些自由基，如LOO—利用细胞膜链式聚合反应，促使细胞膜的物相发生变化，细胞膜不稳定，从而影响植物的抗寒性；另外，植物机体在遭遇逆境时有相应的应激反应，当逆境来袭时，刺激自由基积累增加，而机体为了清除过多的自由基，避免伤害则对应形成抗氧化系统，增加清除自由基的能力。提高植物对逆境的耐受能力。如一些抗氧化酶：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等[15]，这几种抗氧化酶是专门用来清除植物体内过多的自由基O2-和H2O2的。逆境条件下，植物体启动自身防御系统，对不利环境做出应答反应，超氧化物歧化酶作为第一道防守线首先清除O2-，所以无论是人为添加SOD还是提高植物体自身的SOD含量，都可以提高植物的抗寒性。有研究者在马铃薯抗寒性研究中证实了这一理论：过氧化物酶是调节植物体内H2O2含量的重要酶之一，将植物体内自身过多产生的H2O2或者SOD 清除O2-自由基时产生的过多H2O2清除，保护机体免受伤害。

2.3 渗透调节与抗寒性的关系

当植物遭遇逆境时，对水分的吸收大大受到影响，易造成细胞缺水。因为低温时，植物细胞的透过性差，容易造成胞内水分子流失，细胞的胞液浓度增加，为了避免这种伤害，机体会积极地去积累一些可溶性物质，增加细胞吸水的能力，维持正常的代谢功能。

有3种渗透调节物质是植物抗逆研究的重要内容[16]。首先是可溶性糖，其为植物光合作用的主产物，是机体能量储存的方式，同时为机体生命活动提供支持。可溶性糖在植物抗逆方面的作用主要体现在低温条件下，可溶性糖快速积累，细胞的持水能力增加[17]，细胞液浓度升高，细胞内原生质体流动性增大，冰点下降，防止细胞因低温失水造成膜相变化，保护植物。这一理论在树种、苜蓿根、葡萄、小麦等研究中都已经过证实。在树种研究中，随着温度降低，可溶性糖含量增加，同时发现抗寒性高的树种较抗寒性低的树种有较高的可溶性糖[18]；在苜蓿研究中，随着温度的降低，苜蓿根中可溶性糖含量一直增加且增加的趋势逐渐平缓[19]；在葡萄的研究中，环境温度降低，不同抗寒性葡萄品种的可溶性糖含量都逐渐增加，其中在低温条件下抗寒性强的品种和抗寒性弱的品种可溶性糖的含量都有不同程度增加，但是抗寒性强的品种增加幅度大[20]；在小麦研究中，分别测量小麦叶片、分蘖节的可溶性糖含量，发现抗寒品种中其比值明显高于不抗寒品种。其次是可溶性蛋白，大量植物研究表明其与抗寒性之间关系密切[21]。低温时，可溶性蛋白量增加，可能是低温刺激机体保护机制，合成了大量的保护性蛋白，以维持细胞正常运行。这种可溶性蛋白能提高细胞吸水以及抗脱水的能力，不会让细胞因缺水结构变形，影响正常功能。用同位素标记的方法来验证发现低温处理后，植物中用于蛋白质合成的35S 和14C-亮氨酸的量明显增加，且在抗寒性高植物中更显著，可溶性蛋白与抗寒性成正比[22]。最后是脯氨酸，水溶性，一般以游离状态存在，是蛋白质的结构之一，它的亲水端结合水，疏水端与蛋白质结合，将水分结合到蛋白质上。低温条件下脯氨酸含量增加，更多的水分聚合到蛋白质上，阻止了蛋白质因低温失水而变形，从而保护植物。有研究者研究小麦叶片低温下脯氨酸的含量变化，得出不同品种小麦叶片脯氨酸都有所增加，且增加量彼此之间差异极大。同时又有研究者研究水稻低温下脯氨酸的含量变化，得出不同品种水稻脯氨酸含量无明显变化，所以针对脯氨酸对植物抗寒性的影响还存在异议[23]。

2.4 信号传递与抗寒性的关系

在植物抗逆信号传递机理方面，Ca2+和脱落酸系统的研究最多。Ca2+在各膜系统中是分布稳定的。Ca2+梯度会产生钙信号，是植物信号传导过程的重要信使[24]。当细胞遭遇逆境时，Ca2+梯度的这种稳定状态会改变，针对不同的逆境刺激，其浓度变化会产生特定的生理变化。

植物生长发育分化过程受到激素调控。脱落酸（ABA）是加速脱落、作用胚发育的植物内激素，同时也是会对植物逆境过程产生反应的逆境激素。在受到低温、高温等逆境时，ABA大量积累或是已存在的ABA 被重新分布，某些部位的ABA 浓度急剧升高。浓度增加的ABA 会刺激一些冷胁迫基因的表达。冷胁迫基因在没有ABA 时可能不表达或表达量很少。同时，外源的ABA也能诱发这些冷胁迫基因的表达，起到内部ABA相同的作用。用ABA和其他非生物胁迫处理拟南芥之后，拟南芥中1/2基因的表达都发生了改变。

3 抗寒相关的因子与蛋白

小麦的抗寒力是由多种基因共同作用的综合性状，是潜在遗传的，只有经过一段时间的冷驯化（2～6 ℃）[8]，冷胁迫基因和冷蛋白才能被诱导表达，进一步转化为应对低温的抵抗能力，所以在小麦抗寒过程中这些编码和调控信号蛋白的基因作用显著。

3.1 CBF调控

CBF是AP2/ERF家族的一员。AP2/ERF家族在各种植物中分布广泛，对抵抗各种逆境如高温、干旱等都有重要作用。植物遭遇低温时，细胞膜接收到低温信号后进行信号传导，细胞会发生一系列理化反应和代谢调控[25]。CBF调控就是众多调控网络中的一员。从拟南芥中克隆出的4 个CBF 因子，最初被证明与植物抗寒力有关。后来经研究发现，CBF基因的超表达能提高植物对寒害的承受力，转CBF的植株抗寒力比正常植株强。

3.2 ICE-CBF-COR调控

植物在遭遇低温时，会通过体内各种调控模式来避免伤害。转录因子能特定结合到DNA 序列上从而抑制或者刺激RNA转录。COR是冷胁迫蛋白，在植物遇到低温、干旱等逆境时会被诱导[26]。ICECBF-COR 是目前研究较多的抗寒调控途径。低温时，ICE 结合到CBF 的启动子区域，激活CBF 的表达，CBF 结合到COR 基因上游启动子的DRE 序列上，激活COR基因的表达。有研究者克隆出COR25基因，导入拟南芥后发现转基因拟南芥在低温下的表现力较对照组样品有较好的耐受性。另有研究者利用转ICE1基因拟南芥，发现ICE1对CBF3起正向调节作用的同时，转基因植株的抗寒性大大提升。

3.3 WRKY转录因子调控

WRKY 含有一段保守的氨基酸序列，最先是从白薯中克隆得到的，后面又陆续从别的植物中获得。WRKY 的保守区域与所调控的基因的W-box 结合，同时也可以与自身的W-box结合，对本身进行调控。在小麦、番茄等材料中，采用生物、分子等手段深入研究WRKY的功能机理，发现WRKY基因在抗寒方面有重要贡献，不良环境诱导WRKY 的表达，同时WRKY 是一个基因家族，其有很多转录因子，例如WRKY33 和WRKY5 等，每个WRKY 转录因子在相同的环境下所起的作用不同，同一个转录因子在不同的环境下表达作用也是不同的，有的起主要作用，有的不起作用。

3.4 脱水蛋白调控

DHN 即脱水蛋白，结构上含较多的甘氨酸，亲水，保守区有3 个片段，保守性强，其中K 片段能为DHN的一个重要的亲脂结构提供帮助，同时也因其可以与一些变性蛋白质结合作用从而阻止变性的继续发生；合成的DHN 属于植物蛋白，一般在植物遭遇逆境、人工ABA 处理时合成，也是一类诱导表达的蛋白。研究证实DHN 在细胞脱水时含量大量增加，同时发现提取DHN 时，其经常是一种与糖物质共存的复合物，而且这种蛋白与糖的结合防止细胞脱水的能力更强，可能DHN的调控途径就是通过结合糖或者其他物质，而不是单独起作用。

4 小麦抗寒性鉴定方法

植物抗寒性是一个综合状态，是内因外因等共同因素的影响结果。因此，鉴定植物抗寒性需要一个合理准确的方法，近年来不少专家和学者从不同时期、不同方面进行了越来越深入研究，提出在田间或实验室模拟把小麦生理、生化、形态等方面作为鉴定小麦抗寒性的指标，提出了一些鉴定的方法。

4.1 田间记录抗寒性

田间小麦抗寒性鉴定主要是记录在田间自然条件下植物不同生长发育期的抗寒能力。一般认为此方法可信度高[27]。本文研究的是小麦越冬期的抗寒性情况，返青率为记录指标。在小麦越冬期，白天平均气温在0 ℃左右，此时小麦叶片生长停滞，在这时期，一般会查苗、间苗，移密补稀，此时移栽成活率高；根据情况施肥料，以保证越冬期后小麦的正常生长。具体的生长情况与苗情、气候关系密切。越冬期的小麦由于经历了温度逐渐降低的过程，体内积累了大量的糖、蛋白，细胞冰点降低，植物抗寒性相对升高。小麦不同时期对寒害的表现力不同，抗寒力不同。小麦在越冬期对寒害的表现特征显著，一般为叶片受冻失水、黄褐色。根据小麦越冬期叶片受冻情况划分为5 个等级：1 级无冻害；2 级叶尖受冻；3 级叶片一半以上受冻；4 级叶片全部受冻；5 级植株死亡。

4.2 实验室记录抗寒性

（1）生态指标：温度是影响抗寒性的首要因素。有研究者用半致死温度（冰冻返青、人工气候模拟）来表示小麦对寒害的承受能力。另有研究者提出把电解质渗出一半的温度作为鉴定标准，鉴定低温下各品种小麦的抗寒力。

（2）形态指标：寒害来袭时，小麦组织、发育情况、生长等级等形态特征都明显不同，把这一特征作为鉴定指标是科学合理的。植物组织器官受冻褐变，程度因冻害等级而异，有研究者指出低温时小麦幼苗分藥减少、叶心卷曲、枯萎；植物生长过程中，其生命力特征因植物休眠与否而表现不同，有的能看出生长变化，有的则不能，有研究者指出随着低温的持续影响，种子萌发趋势不明显，幼苗期干物质的积累程度差异显著。

（3）生理生化指标：小麦对低温的反应还表现为理化特性的不同。有研究者根据植物细胞应对低温的一系列反应，把细胞抽提物pH、电导率、脯氨酸含量、叶绿素含量等作为鉴定的参数。