李鵬　孫明柱　張鳳云等

摘 要：低溫嚴(yán)重威脅著小麥生產(chǎn)，研究小麥抗寒性機(jī)理具有重要意義。本文從內(nèi)源激素和游離氨基酸含量及保護(hù)性酶活性變化、抗寒基因的染色體定位、冷誘導(dǎo)基因、小麥抗凍蛋白等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外小麥抗寒性研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：小麥； 抗寒性； 生理生化特性； 分子機(jī)理

中圖分類號(hào)：S512.101文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2013）09-0134-04

溫度是影響植物分布、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要環(huán)境因素，低溫不僅限制植物的種植范圍，還會(huì)造成減產(chǎn)和品質(zhì)下降，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致植物死亡、顆粒無收。全球每年因低溫傷害造成的農(nóng)作物損失高達(dá)數(shù)千億元[1]。自2009年11月份以來我國(guó)華北地區(qū)氣候異常，低溫造成小麥凍害，嚴(yán)重影響到華北糧食產(chǎn)量。因此，小麥抗寒性機(jī)理和抗寒育種一直是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。小麥的抗寒性機(jī)理極為復(fù)雜，包括許多生理生化和分子反應(yīng)，盡管研究者對(duì)低溫傷害機(jī)理進(jìn)行了廣泛研究，但是對(duì)于抗寒性的確切機(jī)理仍未能闡述清楚。因此探索小麥?zhǔn)艿降蜏孛{迫時(shí)的生理生化特性變化及分子機(jī)制，不僅在基礎(chǔ)理論上具有重要意義，而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)小麥穩(wěn)產(chǎn)、保障糧食安全也具有重要價(jià)值。本文從內(nèi)源激素和游離氨基酸含量變化、保護(hù)性酶活性變化、抗寒基因的染色體定位、冷誘導(dǎo)基因、抗凍蛋白等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外小麥抗寒性研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 小麥抗寒生理生化特征

關(guān)于小麥經(jīng)過抗寒鍛煉后發(fā)生的一系列生理生化變化已開展了很多研究，結(jié)果表明，低溫能夠誘導(dǎo)新蛋白質(zhì)的合成、降低組織含水量、改變膜流動(dòng)性、提高抗氧化物質(zhì)及多種代謝酶活性等[2]。其中一些可作為品種抗寒性鑒定的指標(biāo)，如用超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量等作為膜脂過氧化作用指標(biāo)，用電導(dǎo)率、細(xì)胞液濃度等作為質(zhì)膜透性指標(biāo)，用寒脅迫蛋白含量的變化等作為抗寒鑒定的生理生化指標(biāo)[3～5]。小麥經(jīng)受低溫后產(chǎn)生的一系列變化主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 內(nèi)源激素含量發(fā)生變化

植物內(nèi)源激素與小麥生長(zhǎng)發(fā)育的各階段緊密相關(guān)[6]。趙春江等[7]對(duì)4個(gè)不同基因型小麥品種在越冬過程中植株內(nèi)源激素變化的測(cè)定結(jié)果表明，冬性和春性小麥表現(xiàn)出明顯的差異。脫落酸水平在抗寒性較強(qiáng)的冬性品種中顯著高于抗寒性弱的品種，赤霉素則在抗寒能力弱的春性品種中含量較高，抗寒性強(qiáng)的品種的生長(zhǎng)素在冬前較高，認(rèn)為植物內(nèi)源激素脫落酸、赤霉素和生長(zhǎng)素與不同基因型小麥的抗寒能力有關(guān)。 Lalk等[8]的研究也表明，在冬小麥冷馴化過程中內(nèi)源脫落酸含量增加。脫落酸含量瞬間提高能夠誘導(dǎo)冷誘導(dǎo)基因的表達(dá)，從而提高抗凍性。冠菌素在低溫條件下可以使小麥根冠比和葉綠素含量增加，促進(jìn)可溶性糖和谷胱甘肽的積累，降低細(xì)胞膜透性，從而增強(qiáng)小麥的抗寒能力[9]。

1.2 游離氨基酸含量發(fā)生變化

一些學(xué)者通過對(duì)高等植物的抗寒研究認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)游離氨基酸含量與植物抗寒性存在著相關(guān)性。脯氨酸在植物體內(nèi)作為滲透物質(zhì)，起著滲透調(diào)節(jié)的作用[10]。脯氨酸含有亞氨基，增加了蛋白質(zhì)的親水表面，提高了蛋白質(zhì)的溶解度，從而提高可溶性蛋白質(zhì)的含量，維持低溫狀態(tài)時(shí)酶的構(gòu)象。在低溫脅迫時(shí)，脯氨酸的表達(dá)量提高，并在許多植物器官內(nèi)積累。陳璇等[11]的研究表明，4℃低溫脅迫4 h后，冬小麥新冬22號(hào)葉片的脯氨酸積累顯著增加，而春小麥喀什白皮葉片的脯氨酸需4℃低溫脅迫48 h才開始積累。孫金月等[12]在研究脯氨酸、羥脯氨酸、糖蛋白在強(qiáng)抗寒小麥品種和不抗寒小麥品種抗寒鍛煉過程中的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)抗寒小麥中，游離脯氨酸、羥脯氨酸和糖蛋白含量比未經(jīng)低溫馴化處理時(shí)高達(dá)數(shù)倍；而弱抗寒小麥品種各物質(zhì)的增加量較小。

1.3 保護(hù)性酶活性變化

在低溫條件下，植物體細(xì)胞內(nèi)自由基產(chǎn)生和消除的平衡會(huì)遭到破壞，導(dǎo)致積累的自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害。而自由基的產(chǎn)生和消除由細(xì)胞中的保護(hù)系統(tǒng)所控制，保護(hù)系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）及類胡蘿卜素、抗壞血酸、谷胱苷肽等還原性物質(zhì)。王玉玲等[13]和陳龍等[5]都研究了低溫脅迫下半冬性和弱春性小麥葉片中SOD活性、MDA含量的變化，結(jié)果表明半冬性小麥SOD活性升高和MDA含量下降的幅度均大于弱春性品種。徐恩靜等[14]對(duì)120個(gè)小麥品種進(jìn)行低溫處理，并對(duì)處理前后的小麥幾丁質(zhì)酶活力進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明低溫培養(yǎng)后所有品種的幾丁質(zhì)酶活性均有不同程度的提高，說明低溫條件誘導(dǎo)了小麥中幾丁質(zhì)酶活性的提高，從而抵抗不利環(huán)境。劉艷陽等[3]采用室內(nèi)模擬低溫處理小麥 133 個(gè)系的 DH 群體幼苗，研究了低溫脅迫對(duì)小麥幼苗葉片脂質(zhì)過氧化作用的產(chǎn)物及相關(guān)酶活性的影響，結(jié)果表明，低溫處理后脂質(zhì)過氧化作用的產(chǎn)物MDA含量增加，SOD和POD活性在不同株系間存在差異，但并不隨MDA含量的增加而穩(wěn)定提高，兩種酶之間的活性變化無明顯的同步性；POD活性只能作為鑒定小麥材料抗寒性的參考指標(biāo)，SOD活性和MDA含量可以作為鑒定小麥抗寒性的生理生化指標(biāo)。

2 小麥抗寒分子機(jī)理研究

研究發(fā)現(xiàn)，小麥抗寒的生理生化反應(yīng)是由于低溫改變基因表達(dá)所引起的。小麥的抗寒性是由微效多基因控制的，且抗寒基因是一種誘導(dǎo)基因，所有參與小麥低溫脅迫反應(yīng)的基因及其蛋白產(chǎn)物都要經(jīng)過低溫誘導(dǎo)才能表達(dá)、合成和積累[15～17]。對(duì)于小麥抗寒性分子機(jī)理，研究人員已從染色體定位、冷誘導(dǎo)基因克隆以及抗凍蛋白分離等方面進(jìn)行了廣泛研究。

2.1 小麥抗寒基因的染色體定位

許多研究結(jié)果一致認(rèn)為，耐寒性是一個(gè)復(fù)雜的性狀，在21對(duì)染色體中至少有10對(duì)與耐霜凍或耐寒性有關(guān)，關(guān)系最大的是5A和5D染色體，它們似乎攜帶有主效基因[18]。巨偉等[19]利用雙單倍體作圖群體研究了冬小麥抗寒生理性狀的QTL，結(jié)果表明，在1A、1B、2A、2D、3A、3B、4D、5A、5B、5D、6A、6B、6D、7B和7D等15條染色體上都有影響小麥抗寒性的加性QTLs，并且這些基因是在不同時(shí)期發(fā)揮抗寒作用?，F(xiàn)已證實(shí)，小麥5A染色體長(zhǎng)臂上的Vrn1-Fr1區(qū)段對(duì)耐寒性起主要作用，冬性小麥耐寒性不同是由于有不同的Vrn1-Fr1區(qū)段[20]。

2.2 小麥冷誘導(dǎo)基因

冷誘導(dǎo)基因在特定條件（主要是低溫和短日照）下才能夠啟動(dòng)和表達(dá)，進(jìn)而使細(xì)胞表現(xiàn)出抗寒力。在抗寒基因表達(dá)前，抗寒能力僅僅是一種潛能。低溫誘導(dǎo)植物抗寒基因表達(dá)的機(jī)制一般認(rèn)為有兩種：一種是依賴于 ABA （abscisic acid），另一種是不依賴于 ABA 的。小麥中受ABA誘導(dǎo)的冷誘導(dǎo)基因包括wrab15[21]、wrab17[22～23]、wrab18[21]、wrab19[22，24]，而不受 ABA誘導(dǎo)的基因包括 wcs19[25]、wcor14[26]、wcor15[27]。閆小燕等[28]為闡明冷誘導(dǎo)基因wcs19與小麥幼苗抗寒性的關(guān)系，對(duì)233份小麥資源進(jìn)行了幼苗抗寒性鑒定及wcs19基因STS檢測(cè)，結(jié)果表明233 份小麥品種間wcs19基因在DNA水平上沒有差異，其幼苗抗寒性可能與wcs19基因表達(dá)水平有關(guān)。SOD基因的表達(dá)在小麥抗寒性反應(yīng)中也發(fā)揮著重要作用，試驗(yàn)證明，在低溫條件下，冬小麥中Mn-SOD mRNA保持較高水平，而春小麥中水平降低，表明冬小麥比春小麥具有更高效的抗寒調(diào)節(jié)機(jī)制[29]。高軒[30]利用cDNA-AFLP和RACE技術(shù)獲得了編碼小麥抗凍蛋白的基因TaAFPⅢ，并將該基因轉(zhuǎn)入煙草中進(jìn)行功能研究，結(jié)果表明該基因能夠顯著提高材料的抗凍能力，說明TaAFPⅢ在植物抗低溫反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。

2.3 小麥抗凍蛋白

抗凍蛋白（Antifreeze Proteins，AFPs）是從功能上定義的一類蛋白質(zhì)，具有冰晶形態(tài)效應(yīng)、熱滯效應(yīng)和重結(jié)晶抑制效應(yīng)[31]，能以非線性形式降低水溶液的冰點(diǎn)，但對(duì)熔點(diǎn)影響甚微，從而導(dǎo)致水溶液的熔點(diǎn)和冰點(diǎn)之間出現(xiàn)差值，它們?cè)谑艿蜏丨h(huán)境脅迫時(shí)能使有機(jī)體抵御冰凍環(huán)境[32]。Terzioglu等[33]對(duì)低溫處理后小麥可溶性蛋白含量的變化分析表明，小麥根中產(chǎn)生了新的蛋白質(zhì)。郭麗紅等[34]從低溫處理的小麥幼苗中分離到一類熱穩(wěn)定的抗凍蛋白，當(dāng)濃度為10 g/L時(shí)，測(cè)得其熱滯活性為0.3℃，此類蛋白對(duì)羥基自由基活性有一定的抑制作用，表明它具有抗氧化活性?？箖龅鞍诐舛饶軌蚋淖儽L(zhǎng)的方式和速度，低濃度時(shí)隨著抗凍蛋白濃度的增加冰晶生長(zhǎng)速度呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)抗凍蛋白濃度增加到一定值時(shí)冰晶生長(zhǎng)速度不再增加[35]。

3 展 望

提高小麥的抗寒能力，培育抗寒小麥新品種對(duì)于糧食生產(chǎn)具有十分重要的意義。目前對(duì)于小麥抗寒性生理生化特性和分子機(jī)理進(jìn)行了大量研究，提高了對(duì)小麥抗寒機(jī)制的認(rèn)識(shí)，形成了較為完整的理論和技術(shù)體系，但是由于小麥抗寒性是一個(gè)由眾多基因調(diào)控的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)其確切機(jī)理仍未能闡述清楚。分子生物學(xué)的快速發(fā)展為小麥抗寒性分子機(jī)理研究提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，但是目前的研究主要集中在單個(gè)基因上，仍需對(duì)多基因的協(xié)調(diào)作用以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)控基因的表達(dá)、抗凍蛋白的結(jié)構(gòu)特征和生理功能等方面進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)分子生物學(xué)新技術(shù)的開發(fā)利用，從而更全面、更深入地揭示小麥的抗寒機(jī)理。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 鄧江明，簡(jiǎn)令成. 植物抗凍機(jī)理研究新進(jìn)展：抗凍基因表達(dá)及功能[J].植物學(xué)通報(bào)， 2001， 18（5）： 521-530.

[2] Minami A， Nagao M， Ikegami K， et al. Cold acclimation in bryophytes： low-temperature- induced freezing tolerance in Physcomitrella patens is associated with increases in expression levels of stress-related genes but not with increase in level of endogenous abscisic acid[J]. Planta， 2005， 220： 414-423.

[3] 劉艷陽， 李俊周， 陳 磊， 等. 低溫脅迫對(duì)小麥葉片細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物及相關(guān)酶活性的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)， 2006， 26（4）： 70-73.

[4] 左 芳， 范寶莉. 低溫脅迫下小麥生理生化及蛋白組分變化研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2009，37（4）： 1430-1431.

[5] 陳 龍， 吳詩光， 李淑梅， 等. 低溫脅迫下冬小麥拔節(jié)期生化反應(yīng)及抗性分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2001， 16（4）： 42-46.

[6] 李宗霆， 周 燮.植物激素及其免疫檢測(cè)技術(shù)[M].南京： 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1996，1137-1421.

[7] 趙春江， 康書江， 王紀(jì)華， 等. 植物內(nèi)源激素與不同基因型小麥抗寒性關(guān)系的研究[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)， 2000， 15（3）： 51-54.

[8] Lalk I， Dorffling K. Hardening，abscisic acid， proline and freezing resistance in two winter wheat varieties[J]. Physiol. Plant， 1985， 63（3）： 287-292.

[9] 楊春玲， 宋志均， 陳玉香， 等.小麥抗寒性機(jī)理研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2008， 36（1）：49-52.

[10]李 志， 王 剛， 吳忠義， 等. 脯氨酸與植物抗?jié)B透脅迫基因工程改良研究進(jìn)展[J]. 河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 29（4）： 405-408.

[11]陳 璇， 李金耀， 馬 紀(jì)， 等.低溫脅迫對(duì)春小麥和冬小麥葉片游離脯氨酸含量變化的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2007， 44（5）： 553-556.

[12]孫金月， 趙玉田， 梁博文， 等. HRGP在小麥抗寒鍛煉過程中的變化及其與抗寒性的關(guān)系[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)， 2004，5（1）： 6-11.

[13]王玉玲， 康 潔. 低溫脅迫對(duì)冬小麥苗期和拔節(jié)期生理生化特性的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2004， 5： 3-6.

[14]徐恩靜， 閆小燕， 王志學(xué)， 等. 低溫處理對(duì)小麥幾丁質(zhì)酶活性的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（22）：13324-13325.

[15]Yeh S， Moffatt B A， Griffith M， et al. Chitinase genes responsive to cold encode antifreeze proteins in winter cereals[J]. Plant Physiology， 2000， 124（3）： 1251-1263.

[16]Huang T， Nicodemus J， Zarka D G， et al. Expression of an insect （Dendroides canadensis） antifreeze protein in Arabidopsis thaliana results in a decrease in plant freezing temperature[J]. Plant Molecular Biology， 2002， 50（3）： 333-344.

[17]Huang T， Duman J G. Cloning and characterization of a thermal hysteresis （antifreeze）protein with DNA-binding activity from winter bittersweet nightshade， Solanum dulcamara[J]. Plant Molecular Biology， 2002， 48（4）： 339-350.

[18]Limin A E， Danyluk J， Chauvinl L P， et al. Chromosome mapping of low-temperature induced Wcs120 family genes and regulation of cold-tolerance expression in wheat[J]. Mol. Gen. Genet.， 1997， 253（6）：720–727.

[19]巨 偉，楊彩鳳，張樹華， 等. 冬小麥低溫處理葉片細(xì)胞膜透性的QTL定位[J]. 作物學(xué)報(bào)， 2012， 38（7）： 1247-1252.

[20]Storlie E W，Allan R E， Walker-Simmons M K.Effect of the Vrn1-Fr1 interval on cold hardiness levels in near-isogenic wheat lines[J]. Crop Science， 1988， 38（2）： 483-488.

[21]Kobayashi F， Takumi S， Nakata M， et al. Comparative study of the expression profiles of the Cor/Lea gene family in two wheat cultivars with contrasting levels of freezing tolerance[J]. Physiol. Plant， 2004， 120（4）：585-594.

[22]Tsuda K， Tsvetanov S， Takumi S， et al. New members of a cold-responsive group-3 Lea/Rab-related Cor gene family from common wheat （Triticum aestivum L.） [J]. Genes & Genetic Systems， 2000， 75（4）：179-188.

[23]Kobayashi F， Takumi S， Nakamura C. Increased freezing tolerance in an ABA-hypersensitive mutant of common wheat[J]. Journal of Plant Physiology， 2008， 165（2）：224-232.

[24]Egawa C， Kobayashi F， Ishibashi M， et al. Differential regulation of transcript accumulation and alternative splicing of a DREB2 homolog under abiotic stress conditions in common wheat[J]. Genes & Genetic Systems， 2006， 81（2）： 77-91.

[25]Fowler D B， Breton G， Limin A E， et al. Photoperiod and temperature interactions regulate low-temperature-induced gene expression in barley[J]. Plant Physiology， 2001， 127（4）：1676-1681.

[26]Tsvetanov S， Ohno R， Tsuda K. A cold-responsive wheat （Triticum aestivum L.） gene wcor14 identified in a winter-hardy cultivar Mironovska 808[J]. Genes & Genetic Systems， 2000， 75： 49-57.

[27]Takumi S， Koike A， Nakata M， et al. Cold-specific and light-stimulated expression of a wheat （Triticum aestivum L.） Cor gene Wcor15 encoding a chloroplast-targeted protein[J]. Journal of Experimental Botany， 2003， 54（391）：2265-2274.

[28]閆小燕， 司紅起， 徐恩靜，等.冷誘導(dǎo)基因wcs19與小麥抗寒性關(guān)系研究[J]. 分子植物育種， 2011，9：1337-1342.

[29]Baek K H， Skinner D Z. Differential expression of manganese superoxide dismuta sesequence variants in near isogenic lines of wheat during cold acclimation[J]. Plant Cell Rep.， 2006， 25：223-230.

[30]高 軒. 小麥抗凍蛋白基因的分離與遺傳轉(zhuǎn)化研究[D].武漢： 華中科技大學(xué)， 2010.

[31]Melanie M， Tomczak F， Hincha D K， et al. A mechanism for stabilization of membranse at low tempratures by an antifreeze protein[J]. Biophys. J.， 2002， 82（2）： 874-881.

[32]陳濡鋼， 鞏振輝， 逯明輝，等. 植物抗寒基因工程研究進(jìn)展[J]. 西北植物學(xué)報(bào)， 2008， 28（6）： 1247-1280.

[33]Terzioglu S， Ekmekci Y. Variation of total soluble seminal root proteins of tetraploid wild and cultivated wheat induced at cold acclimation and freezing[J]. Acta Physiologiae Plantarum， 2004， 26 （4）： 443-450.

[34]郭麗紅， 仝向榮， 王德斌， 等.小麥幼苗抗凍蛋白的分離及其抗氧化活性的研究[J]. 昆明師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2006，28（4）：71-74.

[35]Hoshino T， Odaira M， Yoshida M， et al. Physiological and biochemical significance of antifreeze substances in plants [J]. Journal of Plant Research， 1999， 112（1106）： 255-261.