低温胁迫对玉米生理生化的影响

刘涵淼，张 超，赵 敏，冯新宇，刘 洋，王 丹*

（1.通辽市农牧科学研究所，内蒙古 通辽 028000；2.通辽市嘎达苏种畜繁育中心，内蒙古 通辽 029100）

玉米是我国最重要的经济作物之一，我国玉米带北起黑龙江省黑河地区（N53°），南至海南岛（N18°）。玉米喜温，属C4 作物，整个生长周期对温度的需求比较高。近年来，由于生态环境的日益破坏，玉米在全球气候变暖、极端天气频发和水资源缺乏的影响下，在其生育期内极易受到极端温度的影响而引发温度胁迫，导致玉米生长情况和产量都发生了较大变化。当外界温度达不到玉米正常生长所需时，其将受到生长环境的影响，对生长产生胁迫效应，进而会限制玉米生长，并改变玉米细胞器、组织、结构和功能，最终造成作物减产[1]。农作物在生长过程中经常会遭遇冷害（即低温胁迫），低温胁迫是指在农作物生长过程中，环境温度虽然在0 ℃以上，但是不能满足农作物所需积温，进而抑制作物生长，一般引起低温胁迫的环境温度为0～10 ℃。低温胁迫对玉米生长的影响包括延迟型与障碍型，延迟型集中出现于营养生长期，障碍型集中出现于生殖生长期，都是导致玉米减产的起因。

低温环境下在发生的时间和空间内对玉米的影响没有旱涝显著，其隐蔽性较强。因此，基于人们大量研究低温胁迫对玉米生理生化的影响，从低温对玉米的危害及其适应机理、遗传改良路径、定向育种减轻玉米温度胁迫的生理生化机制以及低温下玉米差异蛋白质组学研究等方面综述，旨在为我国玉米栽培和育种研究提供参考。

1 低温胁迫对玉米的伤害机理

1.1 对细胞膜系统的影响

细胞膜系统对外界环境变化呈动态平衡状态[2]。处于正常环境下的细胞膜由饱和磷脂与不饱和磷脂交替排列而形成流动的液晶状态，玉米处于低温时会改变细胞膜的状态，膜蛋白会发生解离，并且细胞膜分裂，致使细胞组织受到破坏，导致细胞质向外渗透，细胞膜的离子平衡被打破，代谢发生异常，严重时可能会导致植株死亡。玉米在遇到低温逆境时，细胞质膜为了保证细胞膜的结构与功能，会使碳原子和碳碳双键的数量发生变化，让玉米对低温环境逐步适应[3-4]。

低温胁迫主要作用于玉米叶片的细胞膜系统，玉米细胞膜系统的损伤程度将会直接体现在细胞质膜的透性上，对透性的影响主要体现在外界温度和低温胁迫作用时间上，温度越低且低温胁迫作用时间越长，细胞膜受到的危害越大，进而使细胞膜的透性增大。在低温胁迫下，由于细胞的原生质结构受到影响，促使细胞膜透性增加，如果电解质渗出率越高，表明受到的冷害越严重，玉米抗寒性越弱[5]。在低温胁迫时间逐步增长的情况下，相对电导率呈先逐渐上升后大幅上升的趋势，相对电导率大幅度上升说明了玉米细胞膜系统正在遭受着严重破坏。

1.2 对光合作用的影响

低温胁迫影响玉米的光合作用，使其作用率明显下降，而且低温对叶绿体的影响大于线粒体。通过观察叶绿体可以发现其开始时排列非常有序，然后逐步膨胀至变形、内部结构变得不规则、淀粉粒的体积变化趋势为由大变小，数目变少、控制叶绿素合成的基因表达量逐渐下降。因此可得出结论，低温持续的时间跟强度会直接影响玉米的光合速率，使其呈显著下降趋势。张毅等（1992）[6]以丹玉13 为材料，盆栽培养至孕穗期、灌浆期，10 ℃低温处理5 d，结果表明这两个时期品种的光合速率相比对照大幅下降。从研究中发现，光合代谢、PSⅡ活性、光合色素含量等都会受到低温胁迫的影响。陈银萍等（2012）[7]以沈单16 为材料培养至3 叶期，4 ℃低温处理，最终得出结论，在低温胁迫的条件下，玉米叶片的叶绿素含量相比对照下降了18.59%。王连敏和王立志（1999）[8]在探索低温条件玉米苗期对光合作用的影响时发现，玉米叶片的光合效率会受环境低温影响，表现为温度越低叶片中叶绿素含量越低，最终影响玉米产量。杨猛等（2012）[9]将金玉5、兴垦3、吉单198 等品种培养至3 叶1 心期，分别开展5 ℃、7 ℃、9 ℃低温处理，探索低温条件下光合指标的改变。研究表明Pn（净光合速率）在低温条件下，处理时间越长，程度越强，3 个品种表现一致，Pn 一直在下降，低温胁迫越强，Pn 下降越快。

试验中，不同品种的玉米叶片，在遭遇到低温胁迫时，随着胁迫时间增加，Fv/Fm 整体上都呈下降趋势，温度越低Fv/Fm 越低。光系统PSⅡ的潜在活性用Fv/Fo 来表达，低温条件处理的过程中，随着低温胁迫时间的延长，对照的Fv/Fo 整体上没有显著的变化趋势，但是其余各个处理的玉米叶片，Fv/Fo 都呈下降趋势，表明低温胁迫破坏了光合系统的正常运行，降低了PSⅡ的潜在活性[10-12]。

1.3 对呼吸作用的影响

在低温胁迫的影响下，呼吸作用在玉米的表现中呈波动趋势，在初期有所加强，之后又在既定范围内随着温度的降低而降低。低温条件下会危害线粒体的双层膜，致使其嵴结构遭到破坏，未形成的细胞核消失，线粒体的整个内部结构由于低温胁迫产生变化，氧化磷酸化发生解偶联，无氧呼吸比重增加。

有研究表明，低温胁迫处理玉米幼苗，环境温度在6 ℃以下玉米幼苗的线粒体在7 d 时损伤程度轻微，呼吸作用呈小幅下降趋势，但不明显，随着处理时间的增加，其受损程度越来越大，呼吸速率下降显著。李月梅等（1991）[13]以玉米龙单3 号为试材，研究低温条件下玉米呼吸作用的变化，研究表明，在10 ℃和14 ℃温度处理下，玉米幼苗（两叶一心）的呼吸强度相比对照（18 ℃）分别降低了36.3%和22.6%；上述条件下，玉米（灌浆期）的呼吸强度相比对照（18 ℃）分别降低了35.4%和25.8%。因此可以得出结论，低温持续时间越长，玉米植株呼吸强度下降越明显，长时间处于低温胁迫条件下的玉米植株，植株内部的乙醇、乙醛含量增加，因此会受到冷害影响。

1.4 对保护酶活性的影响

低温条件下，作物的生物氧自由基会随着低温胁迫程度的增加而增加，生物功能分子会因自由基的氧化能力而遭到破坏，玉米可以诱导有效的抗氧化系统，以保护自己免受氧化损伤，抗氧化酶可以达到消灭自由基的效果，都是存在于细胞中的有效路径，一些抗氧化酶活性增加可能是由于温度引起的非特异性反应，抗氧化酶活性的高低表现为作物抗逆性的大小，其中SOD 活性与玉米的抗逆性及耐受性有着密切的关系，SOD 是生物体内具有关键作用的酶，SOD 可以有效杀死生物体内的活性氧或者其他过氧化物自由基，阻止超氧自由基对细胞膜的损害。POD 活性、CAT 活性与玉米抗性有很大的相关性。低温冷害产生的超氧自由基可以被POD 活性和CAT 活性有效清除。通过低温处理研究了东农250 等7 个品种的抗寒性，结果表明SOD 活性大体上都是先升后降的变化过程，SOD 活性的上升幅度随抗寒性的增强而增大，SOD 活性的降低幅度随着抗寒性的增强而减弱；POD 活性对照低温程度的增强，呈先降低后增高的趋势，POD 活性增加值越大，表明品种的抗寒性越强；CAT 活性变化规律大体上与SOD 活性一致，同样呈现出先上升后下降的趋势，进而说明品种间抗寒性的差异。同一温度处理下，如果品种的抗寒性越强，CAT 活性随之增加，如果品种的抗寒性较弱，CAT 活性随之降低。

2 玉米耐低温研究

2.1 玉米耐低温栽培技术研究

选用耐低温品种，严禁越区种植，可在种子播前低温锻炼、适时早播、地膜覆盖，并适当增施磷钾肥，合理耕作，并开展田间管理工作，比如及时除草、间苗、除蘖、垄作、秸秆还田等。

2.2 玉米耐低温品种选育

研究表明，热带高地的品系和玉米带马齿型的内布拉斯加硬秆综合种群体内的耐冷变异体是最优异的耐寒资源。李红飞等（2014）[14]采用654 份玉米自交系为试材鉴定其耐低温特性，通过聚类分析筛选出具有强耐低温特性的自交系共计30 份和对低温胁迫强敏感自交系共计43 份，为培育耐低温玉米新品种提供了种质资源。

耐低温玉米杂交种组合模式主要采用：玉米自交系（具有耐低温特性）×玉米自交系（具有耐低温特性）；玉米自交系（具有耐低温特性）×玉米自交系；玉米自交系×耐低温玉米自交系。选育杂交品种时，要选择在低温条件下玉米幼苗早发性强、植株紧凑或半紧凑、果穗结实好、籽粒饱满、生育期适宜等优良性状的品种。

2.3 玉米耐低温遗传改良研究

分子生物学研究和遗传改良为耐低温育种提供了理论支撑，在此基础上，国内外广泛且深入探索。分子标记技术的成熟使玉米耐低温基因定位的研究获得长足的进步。

截至目前，已经有超过2 000 个玉米QTL 被录入到玉米育种数据库中，并且被应用在选育耐低温玉米品种工作中，作为分子标记的辅助选择。随着转基因技术在农业上取得了巨大进展，科研人员可在短时间内培育出抗冷性强的品种。目前，转基因常用的方法有农杆菌介导转化法、基因枪法（粒子轰击细胞法）等。美国德克萨斯大学试验站的Prodi Gene 公司通过电激法对玉米进行抗冻基因导入研究，并成功在玉米的原生质中获得表达，AFP 可以使植株具有一定的抗冷性。研究表明，在低温条件下细胞膜系统通过原生质溶液的冰点降低、一致重结晶的形成，并通过修饰细胞外冰晶的生长形态达到被保护效果，进而调节细胞内原生质体的冷态。

2.4 玉米耐低温差异蛋白质组学研究

蛋白质是细胞功能的执行者，直接影响作物生长发育，低温胁迫会引起特异蛋白的产生。杨猛等（2013）[15]通过对3 个不同低温敏感玉米品种幼苗叶片低温处理，进行蛋白质组学分析共鉴定出27 个功能蛋白，3 个类型中耐低温品种功能蛋白表达率最高，敏感型表达率最低，表明功能蛋白表达与温度敏感程度存在相关性。为了加深了解作物抗逆机制以及如何提高作物抗逆性能，就必须找到与抗逆相关的蛋白。

3 小结与展望

低温会破坏玉米叶片的细胞膜系统，破坏细胞膜的离子平衡，导致其代谢紊乱，并且削弱玉米植株的光合作用和呼吸作用，并对其保护酶活性产生影响，以上因素会直接影响到玉米产量，严重时甚至会造成植株死亡，所以早春的低温冷害是影响我国玉米产量水平的重要因素之一。

我国东北地区以及华北地区发生低温冷害的频率相对较高，平均3～5 年会发生1 次一般性的低温冷害，减产幅度达5%～15%；平均5～10 年会发生1 次较为严重的低温冷害，减产幅度达15%以上。因此系统研究低温胁迫对玉米生理生化机理的影响对提升玉米耐低温能力显得极为重要，需从以下4 个方面进行。

一是寻找耐低温的品种资源，通过远缘杂交或者回交等路径把这些优质的基因表达转入到育种材料中。

二是玉米耐低温基因的鉴定、筛选及其遗传机理研究，通过转基因技术提升玉米的耐低温抗性，选育抗寒性较强的玉米品种。

三是以传统的育种方式作为基础，借助分子标记辅助育种，选育研究耐低温的玉米品种。

四是利用蛋白质组学技术鉴定分析蛋白功能，为选育耐低温玉米品种提供理论支撑。