植物激素水杨酸调控小麦抗寒性研究进展

刘晓娜，刘丽杰，丁美云，王璐瑶，孙玉婷，郑暄睿，张东向

植物激素水杨酸调控小麦抗寒性研究进展

刘晓娜，刘丽杰，丁美云，王璐瑶，孙玉婷，郑暄睿，张东向

（齐齐哈尔大学 生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

介绍了植物激素水杨酸（Salicylic acid，SA）调控小麦抗寒性的研究概况．结果表明，一定浓度的水杨酸可以促进低温胁迫后小麦种子的萌发，抗寒性不同的小麦所需SA的最适浓度也不同，但都在0.005~0.100 mmol/L之间；SA可以抑制小麦细胞膜脂过氧化，使细胞膜的完整性得到保持，并且使冬小麦细胞核的受损程度降低；外源SA可以提高渗透调节物质可溶性糖、脯氨酸以及可溶性蛋白的含量，促进蔗糖的合成，抑制蔗糖的降解，提高糖酵解代谢途径中关键酶的活性，在低温胁迫的前期促进抗坏血酸（ASA）、总ASA、谷胱甘肽（GSH）、总GSH含量的提高，在低温胁迫的后期促进抗坏血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循环的进行．通过调节，SA处理使冬小麦在越冬过程中积累了更多的中间代谢产物，从而产生充足的能量以维持其在越冬期间的能量消耗，为其安全越冬提供物质和能量保障，并且在抗寒性强的小麦品种中，SA对抗寒性的调控更加明显．

水杨酸；小麦；抗寒性

水杨酸（Salicylic acid，SA）也称邻羟基苯甲酸，是一种能够调控植物生长发育，并且影响环境胁迫的内源信号酚类化合物[1-3]．1828年，微量的水杨糖苷被成功分离，1838年学者Piria将这种活性成分命名为SA．外源SA可以影响植物的种子萌发，还可以作为一种重要的信号分子，在植物响应生物胁迫中起重要作用．寒害是非生物胁迫的一种，限制着世界范围内农作物的分布以及产量．冷胁迫促进了黄瓜、小麦和拟南芥根中内源SA的积累[4-6]，说明SA也参与到植物冷胁迫的响应过程中．因此，本文总结了SA对小麦抗寒性的调控，以期为揭示激素SA调控冬小麦抗寒性的机制，探索植物激素提高农作物抗寒性奠定一定的理论基础，并为田间大面积生产提供一定的实践基础．

1　SA对低温下小麦种子萌发及细胞膜稳定性的影响

小麦经SA浸种，-5 ℃低温胁迫处理24 h后，随着SA处理浓度的增加，种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数都呈现出先上升后下降的趋势，种苗的电导率和MDA含量则呈现出相反的变化趋势，即先下降后上升，不同品种小麦种子萌发所需的最适SA浓度不同，但都在0.005~0.100 mmol/L之间．由此可见，低浓度的SA处理可以抑制小麦细胞膜脂过氧化，使细胞膜的完整性得到保持，可以在一定程度上减缓低温对种子的伤害，促进种子在低温下萌发．但是，SA浓度太高时则对小麦种子在低温下萌发有抑制作用，不同品种小麦由于抗寒性不同，种子萌发所需的最适SA浓度也不同[7]．

2　外源SA对冬小麦生理特性的影响

将小麦幼苗进行低温胁迫，发现经过SA预处理的小麦幼苗中可溶性糖含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量均增加，MDA含量则先降低后升高，H2O2含量降低，说明SA预处理可能通过降低膜透性和提高膜系统的稳定性以及提高可溶性糖、脯氨酸和蛋白质的含量来提高小麦幼苗的抗寒性．当SA的浓度为1.5 mmol/L时，小麦幼苗的抗寒性最强[8-9]．SA预处理后，不同抗寒性小麦的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度、PSII最大光量子产量、光化学猝灭系数等光合参数总体上都高于对照，表明外源SA对低温下的小麦幼苗在光合活性以及光保护方面起到了促进作用，而且小麦的抗寒性越强，这种影响越显著．

3　外源SA对冬小麦细胞超微结构的影响

强抗寒冬小麦东农冬麦1号在三叶期时喷施1×10-4mol/L SA，在整个越冬期，SA预处理的冬小麦细胞核的受损程度降低，细胞的核膜边缘比较清晰，线粒体的结构也清晰并且完整，内嵴的数目和分蘖节中线粒体的数目也有所增加．在越冬期的最低温-25 ℃时，SA处理后的小麦茎和分蘖节的细胞核膜也受到了轻微的破坏，核膜和线粒体的外膜出现模糊不清的现象，但与对照相比，受损明显减轻；在0 ℃以上温度时，SA预处理的小麦茎和分蘖节细胞中前质体和淀粉粒的数目增加，分蘖节中的液泡数目也显著多于对照组．并且外源SA处理后的冬小麦茎和分蘖节中的MDA含量也都低于对照组，说明在寒地冬小麦越冬过程中，SA预处理减轻了低温对冬小麦膜系统造成的损伤，增强了低温下小麦细胞结构的稳定性，提高了冬小麦的低温适应能力及寒地冬小麦的返青率（从85%提高到91%）[10]．

4　外源SA对冬小麦蔗糖代谢的影响

不同抗寒性小麦东农冬麦1号和济麦22在三叶期时喷施不同浓度的水杨酸（0，0.5，1 mmol/L），在越冬过程中，SA促进了可溶性总糖、蔗糖、果糖的积累，降低了淀粉的积累，并且在较低温度下，SA促进了抗寒性强的冬小麦东农冬麦1号比抗寒性弱的冬小麦济麦22积累更多的可溶性糖．SA处理促进了蔗糖的合成而抑制了蔗糖的分解，结果导致蔗糖在冬小麦根、茎、叶片中得到了积累，也体现在蔗糖合成代谢的相关酶蔗糖磷酸合成酶以及蔗糖合成酶的活性提高，蔗糖分解代谢相关酶酸性转化酶和碱性/中性转化酶的活性降低．蔗糖磷酸合成酶基因和蔗糖合成酶基因的表达也受到SA的影响而提高，同时酸性转化酶基因和碱性/中性转化酶基因的表达受到SA的抑制，说明蔗糖代谢既涉及到了蔗糖代谢相关酶基因表达水平的调控又涉及到了酶活水平的调控[11]．

5　外源SA对冬小麦糖酵解代谢的影响

糖酵解代谢途径中糖类和丙酮酸的积累可以提高植物在低温下的生存能力．以东农冬麦1号和济麦22号为材料，用1 mmol/L的外源SA进行喷洒叶片．结果表明，外源SA预处理促进了冬小麦根茎和叶片中糖类的积累，包括蔗糖、果糖以及可溶性还原糖，同时也促进了丙酮酸含量的积累，这种促进作用在根茎中比在叶片中更加明显．SA处理使2种冬小麦根茎和叶片中糖酵解代谢途径中的关键酶己糖激酶和磷酸果糖激酶的活性增加，也显著增加了东农冬麦1号根茎和叶片中丙酮酸激酶的活性，但是对于抗寒性相对较弱的济麦22号而言，SA处理组在0 ℃以下低温时根茎和叶片中的丙酮酸激酶活性显著低于对照．说明SA对抗寒性强的东农冬麦1号的糖酵解代谢途径影响更加明显，通过提高其糖酵解代谢途径中关键酶的活性，使冬小麦在越冬过程中积累了更多的中间代谢产物，从而产生充足的能量以维持其在越冬期间的能量消耗，为使其安全越冬提供物质和能量保障．通过对糖酵解代谢关键酶的基因表达分析，发现SA处理可使己糖激酶基因和磷酸果糖激酶基因上调表达，并且这种促进作用在抗寒性强的东农冬麦1号中表现更加明显，对于丙酮酸激酶基因而言，外源SA促进了东农冬麦1号小麦叶片和根茎中该基因的表达，但抑制了济麦22号小麦叶片和根茎中该基因的表达，从分子水平上也证实了外源SA能够调节糖酵解代谢途径，从而提高小麦的耐寒性[12]．

6　外源SA对小麦抗氧化系统的影响

有研究表明，外源SA能显著提高低温胁迫下冬小麦超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）的活性[13-14]．但也有研究表明，CAT的活性受到SA的抑制[15]，SOD和POD活性的增加更加明显，表明SOD和POD在活性氧的清除过程中起到更大的作用．外源SA在低温胁迫过程中也影响了一些非酶抗氧化物质的积累，在低温胁迫的前期（4，0 ℃）时，使冬小麦体内的抗坏血酸（ASA）、总ASA、谷胱甘肽（GSH）、总GSH含量提高，也使ASA/DHA和GSH/GSSG的比值增加．但随着温度继续下降，这些物质的含量也呈现逐渐下降的趋势，说明ASA和GSH主要是在低温胁迫的前期清除冬小麦体内的活性氧[14]34-39．在低温胁迫后期（-10，-20℃），外源SA促进了抗坏血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循环关键酶抗坏血酸过氧化物酶（APX）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDHAR）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）、谷胱甘肽还原酶（GR）活性的增加和基因表达，表明在低温胁迫的后期，活性氧代谢中ASA-GSH循环起到了非常重要的作用．

7　结语

综上所述，一定浓度的外源SA可以提高低温下小麦种子的发芽率，增加细胞膜的稳定性．在低温胁迫过程中，外源SA可以提高渗透调节物质可溶性糖、脯氨酸以及可溶性蛋白的含量，降低了细胞核的受损程度，减轻了低温对冬小麦膜系统造成的损伤，促进了蔗糖的合成，抑制了蔗糖的降解，提高了糖酵解代谢途径中关键酶的活性．在低温胁迫的前期促进了抗坏血酸（ASA）、总ASA、谷胱甘肽（GSH）、总GSH含量提高．在低温胁迫的后期促进了抗坏血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循环的进行．通过以上调节，SA处理使冬小麦在越冬过程中积累了更多的中间代谢产物，从而产生充足的能量以维持其在越冬期间的能量消耗，为使其安全越冬提供物质和能量保障．

总之，SA对低温下小麦抗寒性的影响是一种错综复杂的过程，既涉及到生理方面的影响，也涉及到分子和转录调节的影响，如何从基因水平、代谢水平及蛋白质水平解析SA对小麦抗寒性影响的机制是下一步研究所关注的重点．因此，今后可通过组学方法（转录组学、代谢组学、蛋白质组学）系统地研究SA如何调控小麦的抗寒性，为小麦的抗寒育种及提高寒地小麦的返青率及产量提供一定的理论基础．

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Research progress of plant hormone salicylic acid regulating cold resistance of wheat

LIU Xiaona，LIU Lijie，DING Meiyun，WANG Luyao，SUN Yuting，ZHENG Xuanrui，ZHANG Dongxiang

（School of Life Science and Agriculture Forestry，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

The research survey of the plant hormone salicylic acid regulating the cold resistance of wheat was introduced．The results showed that a certain concentration of salicylic acid could promote the germination of seeds after low temperature stress，and the optimal concentration of SA for wheat with different cold resistance was also different，but they were all in the range of 0.005-0.100 mmol/L．Salicylic acid could inhibit lipid peroxidation of wheat cell membrane，maintain the integrity of cell membrane，and reduce the degree of nuclear damage in winter wheat．Exogenous SA could increase the content of soluble sugar，proline and soluble protein，promote the synthesis of sucrose，inhibit the degradation of sucrose，and improve the activity of key enzymes in glycolysis pathway．In the early stage of low temperature stress，the content of ascorbic acid（ASA），total ASA，glutathione（GSH）and total GSH were increased，and in the late stage of low temperature stress，the circulation of ascorbic acid glutathione（AsA-GSH）was promoted．Through the above regulation，SA treatment made winter wheat accumulate more intermediate metabolites during the wintering process，so as to generate sufficient energy to maintain its wintering period and provide material and energy guarantee for its safe overwintering，and in the wheat varieties with strong cold resistance，the regulation of SA on cold resistance is more obvious．

salicylic acid；wheat；cold resistance

Q945

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.016

1007-9831（2020）04-0074-04

2019-12-26

黑龙江省教育厅项目（135209265）；植物性食品加工技术特色学科专项（YSTSXK201877）；黑龙江省大学生创新创业训练项目（201910232023）

刘晓娜（1998-），女，黑龙江齐齐哈尔人，在读本科生．E-mail：2303629782@qq.com

刘丽杰（1980-），女，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，从事生物技术研究．E-mail：liulijie2001@163.com