低溫脅迫對玉米生理生化的影響

劉涵淼，張 超，趙 敏，馮新宇，劉 洋，王 丹*

（1.通遼市農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.通遼市嘎達(dá)蘇種畜繁育中心，內(nèi)蒙古 通遼 029100）

玉米是我國最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，我國玉米帶北起黑龍江省黑河地區(qū)（N53°），南至海南島（N18°）。玉米喜溫，屬C4 作物，整個(gè)生長周期對溫度的需求比較高。近年來，由于生態(tài)環(huán)境的日益破壞，玉米在全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)和水資源缺乏的影響下，在其生育期內(nèi)極易受到極端溫度的影響而引發(fā)溫度脅迫，導(dǎo)致玉米生長情況和產(chǎn)量都發(fā)生了較大變化。當(dāng)外界溫度達(dá)不到玉米正常生長所需時(shí)，其將受到生長環(huán)境的影響，對生長產(chǎn)生脅迫效應(yīng)，進(jìn)而會限制玉米生長，并改變玉米細(xì)胞器、組織、結(jié)構(gòu)和功能，最終造成作物減產(chǎn)[1]。農(nóng)作物在生長過程中經(jīng)常會遭遇冷害（即低溫脅迫），低溫脅迫是指在農(nóng)作物生長過程中，環(huán)境溫度雖然在0 ℃以上，但是不能滿足農(nóng)作物所需積溫，進(jìn)而抑制作物生長，一般引起低溫脅迫的環(huán)境溫度為0～10 ℃。低溫脅迫對玉米生長的影響包括延遲型與障礙型，延遲型集中出現(xiàn)于營養(yǎng)生長期，障礙型集中出現(xiàn)于生殖生長期，都是導(dǎo)致玉米減產(chǎn)的起因。

低溫環(huán)境下在發(fā)生的時(shí)間和空間內(nèi)對玉米的影響沒有旱澇顯著，其隱蔽性較強(qiáng)。因此，基于人們大量研究低溫脅迫對玉米生理生化的影響，從低溫對玉米的危害及其適應(yīng)機(jī)理、遺傳改良路徑、定向育種減輕玉米溫度脅迫的生理生化機(jī)制以及低溫下玉米差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究等方面綜述，旨在為我國玉米栽培和育種研究提供參考。

1 低溫脅迫對玉米的傷害機(jī)理

1.1 對細(xì)胞膜系統(tǒng)的影響

細(xì)胞膜系統(tǒng)對外界環(huán)境變化呈動態(tài)平衡狀態(tài)[2]。處于正常環(huán)境下的細(xì)胞膜由飽和磷脂與不飽和磷脂交替排列而形成流動的液晶狀態(tài)，玉米處于低溫時(shí)會改變細(xì)胞膜的狀態(tài)，膜蛋白會發(fā)生解離，并且細(xì)胞膜分裂，致使細(xì)胞組織受到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)向外滲透，細(xì)胞膜的離子平衡被打破，代謝發(fā)生異常，嚴(yán)重時(shí)可能會導(dǎo)致植株死亡。玉米在遇到低溫逆境時(shí)，細(xì)胞質(zhì)膜為了保證細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能，會使碳原子和碳碳雙鍵的數(shù)量發(fā)生變化，讓玉米對低溫環(huán)境逐步適應(yīng)[3-4]。

低溫脅迫主要作用于玉米葉片的細(xì)胞膜系統(tǒng)，玉米細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷程度將會直接體現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)膜的透性上，對透性的影響主要體現(xiàn)在外界溫度和低溫脅迫作用時(shí)間上，溫度越低且低溫脅迫作用時(shí)間越長，細(xì)胞膜受到的危害越大，進(jìn)而使細(xì)胞膜的透性增大。在低溫脅迫下，由于細(xì)胞的原生質(zhì)結(jié)構(gòu)受到影響，促使細(xì)胞膜透性增加，如果電解質(zhì)滲出率越高，表明受到的冷害越嚴(yán)重，玉米抗寒性越弱[5]。在低溫脅迫時(shí)間逐步增長的情況下，相對電導(dǎo)率呈先逐漸上升后大幅上升的趨勢，相對電導(dǎo)率大幅度上升說明了玉米細(xì)胞膜系統(tǒng)正在遭受著嚴(yán)重破壞。

1.2 對光合作用的影響

低溫脅迫影響玉米的光合作用，使其作用率明顯下降，而且低溫對葉綠體的影響大于線粒體。通過觀察葉綠體可以發(fā)現(xiàn)其開始時(shí)排列非常有序，然后逐步膨脹至變形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得不規(guī)則、淀粉粒的體積變化趨勢為由大變小，數(shù)目變少、控制葉綠素合成的基因表達(dá)量逐漸下降。因此可得出結(jié)論，低溫持續(xù)的時(shí)間跟強(qiáng)度會直接影響玉米的光合速率，使其呈顯著下降趨勢。張毅等（1992）[6]以丹玉13 為材料，盆栽培養(yǎng)至孕穗期、灌漿期，10 ℃低溫處理5 d，結(jié)果表明這兩個(gè)時(shí)期品種的光合速率相比對照大幅下降。從研究中發(fā)現(xiàn)，光合代謝、PSⅡ活性、光合色素含量等都會受到低溫脅迫的影響。陳銀萍等（2012）[7]以沈單16 為材料培養(yǎng)至3 葉期，4 ℃低溫處理，最終得出結(jié)論，在低溫脅迫的條件下，玉米葉片的葉綠素含量相比對照下降了18.59%。王連敏和王立志（1999）[8]在探索低溫條件玉米苗期對光合作用的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，玉米葉片的光合效率會受環(huán)境低溫影響，表現(xiàn)為溫度越低葉片中葉綠素含量越低，最終影響玉米產(chǎn)量。楊猛等（2012）[9]將金玉5、興墾3、吉單198 等品種培養(yǎng)至3 葉1 心期，分別開展5 ℃、7 ℃、9 ℃低溫處理，探索低溫條件下光合指標(biāo)的改變。研究表明Pn（凈光合速率）在低溫條件下，處理時(shí)間越長，程度越強(qiáng)，3 個(gè)品種表現(xiàn)一致，Pn 一直在下降，低溫脅迫越強(qiáng)，Pn 下降越快。

試驗(yàn)中，不同品種的玉米葉片，在遭遇到低溫脅迫時(shí)，隨著脅迫時(shí)間增加，F(xiàn)v/Fm 整體上都呈下降趨勢，溫度越低Fv/Fm 越低。光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性用Fv/Fo 來表達(dá)，低溫條件處理的過程中，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，對照的Fv/Fo 整體上沒有顯著的變化趨勢，但是其余各個(gè)處理的玉米葉片，F(xiàn)v/Fo 都呈下降趨勢，表明低溫脅迫破壞了光合系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低了PSⅡ的潛在活性[10-12]。

1.3 對呼吸作用的影響

在低溫脅迫的影響下，呼吸作用在玉米的表現(xiàn)中呈波動趨勢，在初期有所加強(qiáng)，之后又在既定范圍內(nèi)隨著溫度的降低而降低。低溫條件下會危害線粒體的雙層膜，致使其嵴結(jié)構(gòu)遭到破壞，未形成的細(xì)胞核消失，線粒體的整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于低溫脅迫產(chǎn)生變化，氧化磷酸化發(fā)生解偶聯(lián)，無氧呼吸比重增加。

有研究表明，低溫脅迫處理玉米幼苗，環(huán)境溫度在6 ℃以下玉米幼苗的線粒體在7 d 時(shí)損傷程度輕微，呼吸作用呈小幅下降趨勢，但不明顯，隨著處理時(shí)間的增加，其受損程度越來越大，呼吸速率下降顯著。李月梅等（1991）[13]以玉米龍單3 號為試材，研究低溫條件下玉米呼吸作用的變化，研究表明，在10 ℃和14 ℃溫度處理下，玉米幼苗（兩葉一心）的呼吸強(qiáng)度相比對照（18 ℃）分別降低了36.3%和22.6%；上述條件下，玉米（灌漿期）的呼吸強(qiáng)度相比對照（18 ℃）分別降低了35.4%和25.8%。因此可以得出結(jié)論，低溫持續(xù)時(shí)間越長，玉米植株呼吸強(qiáng)度下降越明顯，長時(shí)間處于低溫脅迫條件下的玉米植株，植株內(nèi)部的乙醇、乙醛含量增加，因此會受到冷害影響。

1.4 對保護(hù)酶活性的影響

低溫條件下，作物的生物氧自由基會隨著低溫脅迫程度的增加而增加，生物功能分子會因自由基的氧化能力而遭到破壞，玉米可以誘導(dǎo)有效的抗氧化系統(tǒng)，以保護(hù)自己免受氧化損傷，抗氧化酶可以達(dá)到消滅自由基的效果，都是存在于細(xì)胞中的有效路徑，一些抗氧化酶活性增加可能是由于溫度引起的非特異性反應(yīng)，抗氧化酶活性的高低表現(xiàn)為作物抗逆性的大小，其中SOD 活性與玉米的抗逆性及耐受性有著密切的關(guān)系，SOD 是生物體內(nèi)具有關(guān)鍵作用的酶，SOD 可以有效殺死生物體內(nèi)的活性氧或者其他過氧化物自由基，阻止超氧自由基對細(xì)胞膜的損害。POD 活性、CAT 活性與玉米抗性有很大的相關(guān)性。低溫冷害產(chǎn)生的超氧自由基可以被POD 活性和CAT 活性有效清除。通過低溫處理研究了東農(nóng)250 等7 個(gè)品種的抗寒性，結(jié)果表明SOD 活性大體上都是先升后降的變化過程，SOD 活性的上升幅度隨抗寒性的增強(qiáng)而增大，SOD 活性的降低幅度隨著抗寒性的增強(qiáng)而減弱；POD 活性對照低溫程度的增強(qiáng)，呈先降低后增高的趨勢，POD 活性增加值越大，表明品種的抗寒性越強(qiáng)；CAT 活性變化規(guī)律大體上與SOD 活性一致，同樣呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，進(jìn)而說明品種間抗寒性的差異。同一溫度處理下，如果品種的抗寒性越強(qiáng)，CAT 活性隨之增加，如果品種的抗寒性較弱，CAT 活性隨之降低。

2 玉米耐低溫研究

2.1 玉米耐低溫栽培技術(shù)研究

選用耐低溫品種，嚴(yán)禁越區(qū)種植，可在種子播前低溫鍛煉、適時(shí)早播、地膜覆蓋，并適當(dāng)增施磷鉀肥，合理耕作，并開展田間管理工作，比如及時(shí)除草、間苗、除蘗、壟作、秸稈還田等。

2.2 玉米耐低溫品種選育

研究表明，熱帶高地的品系和玉米帶馬齒型的內(nèi)布拉斯加硬稈綜合種群體內(nèi)的耐冷變異體是最優(yōu)異的耐寒資源。李紅飛等（2014）[14]采用654 份玉米自交系為試材鑒定其耐低溫特性，通過聚類分析篩選出具有強(qiáng)耐低溫特性的自交系共計(jì)30 份和對低溫脅迫強(qiáng)敏感自交系共計(jì)43 份，為培育耐低溫玉米新品種提供了種質(zhì)資源。

耐低溫玉米雜交種組合模式主要采用：玉米自交系（具有耐低溫特性）×玉米自交系（具有耐低溫特性）；玉米自交系（具有耐低溫特性）×玉米自交系；玉米自交系×耐低溫玉米自交系。選育雜交品種時(shí)，要選擇在低溫條件下玉米幼苗早發(fā)性強(qiáng)、植株緊湊或半緊湊、果穗結(jié)實(shí)好、籽粒飽滿、生育期適宜等優(yōu)良性狀的品種。

2.3 玉米耐低溫遺傳改良研究

分子生物學(xué)研究和遺傳改良為耐低溫育種提供了理論支撐，在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外廣泛且深入探索。分子標(biāo)記技術(shù)的成熟使玉米耐低溫基因定位的研究獲得長足的進(jìn)步。

截至目前，已經(jīng)有超過2 000 個(gè)玉米QTL 被錄入到玉米育種數(shù)據(jù)庫中，并且被應(yīng)用在選育耐低溫玉米品種工作中，作為分子標(biāo)記的輔助選擇。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)業(yè)上取得了巨大進(jìn)展，科研人員可在短時(shí)間內(nèi)培育出抗冷性強(qiáng)的品種。目前，轉(zhuǎn)基因常用的方法有農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法、基因槍法（粒子轟擊細(xì)胞法）等。美國德克薩斯大學(xué)試驗(yàn)站的Prodi Gene 公司通過電激法對玉米進(jìn)行抗凍基因?qū)胙芯浚⒊晒υ谟衩椎脑|(zhì)中獲得表達(dá)，AFP 可以使植株具有一定的抗冷性。研究表明，在低溫條件下細(xì)胞膜系統(tǒng)通過原生質(zhì)溶液的冰點(diǎn)降低、一致重結(jié)晶的形成，并通過修飾細(xì)胞外冰晶的生長形態(tài)達(dá)到被保護(hù)效果，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)體的冷態(tài)。

2.4 玉米耐低溫差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究

蛋白質(zhì)是細(xì)胞功能的執(zhí)行者，直接影響作物生長發(fā)育，低溫脅迫會引起特異蛋白的產(chǎn)生。楊猛等（2013）[15]通過對3 個(gè)不同低溫敏感玉米品種幼苗葉片低溫處理，進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析共鑒定出27 個(gè)功能蛋白，3 個(gè)類型中耐低溫品種功能蛋白表達(dá)率最高，敏感型表達(dá)率最低，表明功能蛋白表達(dá)與溫度敏感程度存在相關(guān)性。為了加深了解作物抗逆機(jī)制以及如何提高作物抗逆性能，就必須找到與抗逆相關(guān)的蛋白。

3 小結(jié)與展望

低溫會破壞玉米葉片的細(xì)胞膜系統(tǒng)，破壞細(xì)胞膜的離子平衡，導(dǎo)致其代謝紊亂，并且削弱玉米植株的光合作用和呼吸作用，并對其保護(hù)酶活性產(chǎn)生影響，以上因素會直接影響到玉米產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐芍仓晁劳觯栽绱旱牡蜏乩浜κ怯绊懳覈衩桩a(chǎn)量水平的重要因素之一。

我國東北地區(qū)以及華北地區(qū)發(fā)生低溫冷害的頻率相對較高，平均3～5 年會發(fā)生1 次一般性的低溫冷害，減產(chǎn)幅度達(dá)5%～15%；平均5～10 年會發(fā)生1 次較為嚴(yán)重的低溫冷害，減產(chǎn)幅度達(dá)15%以上。因此系統(tǒng)研究低溫脅迫對玉米生理生化機(jī)理的影響對提升玉米耐低溫能力顯得極為重要，需從以下4 個(gè)方面進(jìn)行。

一是尋找耐低溫的品種資源，通過遠(yuǎn)緣雜交或者回交等路徑把這些優(yōu)質(zhì)的基因表達(dá)轉(zhuǎn)入到育種材料中。

二是玉米耐低溫基因的鑒定、篩選及其遺傳機(jī)理研究，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)提升玉米的耐低溫抗性，選育抗寒性較強(qiáng)的玉米品種。

三是以傳統(tǒng)的育種方式作為基礎(chǔ)，借助分子標(biāo)記輔助育種，選育研究耐低溫的玉米品種。

四是利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)鑒定分析蛋白功能，為選育耐低溫玉米品種提供理論支撐。