小麦抗寒性研究进展

方宇辉，韩留鹏，华 夏，赵明忠，郭 瑞，齐学礼，胡 琳

（1. 神农种业实验室，河南 郑州 450002；2. 河南省作物分子育种研究院，河南 郑州 450002）

小麦是我国及世界主要的粮食作物之一，提高小麦产量对保障国家粮食安全具有重要的现实意义。近年来，全球气候变暖，极端低温和高温天气频繁发生，极端低温导致我国小麦发生多次大面积的低温冻害[1]。据统计，2004、2005、2011 年小麦冬季冻害发生严重，其中以2004 年最重，仅河南省小麦发生冻害面积就达205 万hm2，严重冻害发生面积达28 万hm2[2]。冬春季的低温冻害都会对小麦产量造成不良影响，尤其是春季倒春寒发生频率高，预防及灾后补救措施难以及时到位，对小麦生产造成的损失更大。春季异常天气加速了小麦发育进程，使小麦在温度骤降时更容易受到伤害[3]。2013年3 月中下旬至4 月下旬，黄淮麦区发生极为罕见的大范围倒春寒，且发生次数多达10 次，此时小麦正处于孕穗期，导致比较严重的小穗冻死和缺粒现象，河南省、山东省、安徽省等小麦减产严重，受灾面积达总播种面积的41.8%[4‐5]。2015、2018、2020 年发生的倒春寒均对黄淮地区小麦生产造成了严重危害[6]。因此，明确小麦冻害类型及抗寒生理和分子机制，对保障小麦高产、稳产具有重要意义。综述了小麦冻害类型、抗寒生理机制（细胞膜系统、渗透调节物质、抗氧化系统、光合特性和内源激素）和分子机制（抗寒基因、抗寒组学），并探讨了小麦抗寒研究存在的问题和解决办法，以期为小麦抗寒机制研究和抗寒育种提供理论依据。

1 小麦冻害类型

小麦冻害按发生时期主要分为冬季冻害、春季冻害和低温冷害。

1.1 冬季冻害

根据低温时间和是否出现冷暖骤变天气，小麦冬季冻害又可分为初冬冻害和越冬冻害。初冬冻害常发生于11 月下旬至12 月中旬，此时小麦刚进入越冬期，还未经过低温锻炼，如果日平均气温降至0 ℃以下，最低气温达-10 ℃以下时，小麦叶片受冻变枯，对弱苗和旺苗影响较大[2]。越冬冻害多发生在12 月下旬至1 月底，进入越冬期后小麦处于休眠状态，经过长时间的抗寒锻炼，具有较强的抗寒能力，但是遇到天气回暖，气温升高，幼苗又开始生长，若再遇大幅降温，则使小麦发生较为严重的冻害[7]。越冬冻害发生概率小，程度较轻，对小麦产量影响不大。

1.2 春季冻害

春季冻害常指倒春寒，一般发生在小麦拔节期至孕穗期，此期是小麦营养生长和生殖生长的关键时期，小穗发育处于雌雄蕊分化、药隔期和四分体形成期[8]，与小麦产量构成因素中的穗数、穗粒数和千粒质量密切相关[9‐11]。拔节期[12]、小花分化期[13]、雌雄蕊原基形成期至药隔前期[14]、药隔期[15‐16]是小麦对春季倒春寒的敏感时期。因小麦完成春化作用，抗寒能力下降，倒春寒对小麦农艺性状和产量性状造成严重影响，春季冻害对小麦影响更大。

1.3 低温冷害

低温冷害指小麦进入孕穗期后遇到0 ℃左右低温发生的冻害。此期小麦组织幼嫩且含水量大，抗寒能力较弱，当最低气温低于4 ℃时就会发生冷害。

2 小麦抗寒生理机制研究进展

小麦是耐冷植物，长期以来通过自然选择的方式积累了有利的抗寒性状，使其能够适应低温环境并生存下来。冻害发生时，小麦体内会发生复杂的生理生化（主要涉及细胞膜系统、渗透调节物质、抗氧化系统、光合特性、内源激素）变化，以响应外界温度的迅速降低，减小低温对自身的伤害。

2.1 细胞膜系统

植物组织经过低温胁迫后会受到损伤甚至死亡，主要原因是低温导致了细胞膜结构的破坏，可以通过膜的生理生化变化来反映其抗性的强弱[17]。临界低温使细胞膜从流动的液晶态转变为固相的凝胶态，致使细胞膜结构收缩，引起植物细胞代谢失调、功能紊乱，最终对植物造成伤害[18]，这种变化使细胞内的离子和其他溶质外渗，导致细胞水溶液的电导率增加，组织受伤程度随电导率升高而加重[19]。巨伟等[20]研究发现，低温胁迫下小麦叶片细胞膜透性可用于判断冬小麦的抗寒性，细胞膜透性越小，抗寒性越强，反之抗寒性越弱。对2个不同抗寒性小麦品种的幼苗进行低温处理，发现2 个小麦品种的叶绿体、线粒体以及细胞膜系统随着低温处理时间的延长被破坏程度逐渐加重，叶绿体、线粒体肿胀变形，类囊体排列呈不规则状，部分细胞器消失，抗寒性强品种表面糖蛋白层的保持时间较长[21]。金戈等[22]通过低温胁迫-复温试验对小麦叶细胞质膜透性的变化进程及性质进行研究，发现小麦叶细胞质膜透性变化的实质是低温引起细胞收缩和质膜物态变化进而改变膜的通透性，复温后可恢复到正常生理状态。因此，在低温下通过提高细胞外溶液浓度可以降低胞外溶液的冰点，防止细胞因结冰造成损伤。在持续低温胁迫条件下，小麦膜脂过氧化的中间产物自由基和终产物丙二醛（MDA）大量积累，导致质膜透性增加，最终造成细胞膜系统严重损伤，故测定低温胁迫下小麦的MDA含量可反映质膜在低温作用下受破坏的程度，MDA含量可作为小麦抗寒性评价指标[23]。王晓楠等[24]研究发现，低温下抗寒性强的小麦品种的相对电导率和MDA含量显著低于抗寒性弱的品种，其叶鞘质膜具有较好的稳定性，在深度封冻期维持叶鞘质膜稳定性有助于增强冬小麦抗寒性。

2.2 渗透调节物质

渗透调节可维持细胞液浓度，防止原生质体因结冰造成的伤害，保证细胞膜的稳定性和完整性，从而适应低温环境。可溶性糖类是植物抗寒过程中重要的有机物，糖的积累能有效提高细胞的渗透压，从而降低冰点温度，保护膜的稳定性[25]。目前研究较为透彻的脯氨酸，在渗透调节中起到了非常重要的作用[25]。可溶性蛋白广泛存在于细胞内，主要调节细胞内渗透压的平衡和维持细胞正常的生理代谢活动，是植物抗寒性重要生理指标之一。对冬小麦的抗寒性研究也证明了细胞内可溶性糖类、蛋白质以及游离的氨基酸含量确实与抗寒性存在相关性。李春燕等[26]研究小麦苗期叶片对低温的响应，发现低温胁迫处理小麦叶片中渗透调节物质含量显著高于无胁迫处理，且随温度的降低和处理时间的延长渗透调节物质含量增加。于晶等[27]研究发现，在北方寒地自然条件下，与非抗寒性小麦品种相比，抗寒性小麦品种可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、叶绿素含量均提高。孙金月等[28]研究表明，低温锻炼后的强抗寒小麦品种的游离脯氨酸、羟脯氨酸、糖蛋白含量比未经低温锻炼处理时分别提高5～32、177～217、468～972倍，弱抗寒小麦品种的上述指标增加量较小。吴青霞等[16]研究发现，脯氨酸和可溶性蛋白含量等生理指标的变化与小麦品种产量高低关系密切，可以将其作为小麦抗倒春寒的鉴定指标。姜丽娜等[29]在小麦拔节期进行低温处理，发现叶片可溶性糖含量和游离脯氨酸含量较未进行低温处理增加。孕穗期对小麦进行低温胁迫处理，低温处理当天（1 ℃低温下），小麦叶片中的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量等均不同程度增加[30]。LIU 等[31]在低温条件下对小麦叶片喷施外源脱落酸（ABA），诱导了蔗糖和果糖合成关键酶基因的表达，抗寒性强的品种中蔗糖和果糖的积累量较高。

2.3 抗氧化系统

Ca2+作为第二信使，与植物响应低温胁迫紧密相关[40]。在低温胁迫条件下，为了清除活性氧以及缓解氧化造成的损伤，Ca2+和钙调蛋白相结合激活磷脂酶参与信号转导，做出相应的抗逆生理反应：不饱和脂肪酸脱落并在脂氧化合酶的作用下形成羟基过氧化物，分解MDA[41]。机体内的Ca2+稳态依赖于ATP酶活性，Ca2+-ATP酶参与Ca2+浓度调节，其活性与小麦抗寒性密切相关[42]。低温胁迫条件下，小麦质膜的Ca2+-ATP 酶活性越稳定，越有助于提高小麦的抗寒性[42]。

2.4 光合特性

光合作用是一切绿色植物正常生长发育的主要物质基础和能量来源，低温胁迫会影响植物的光合色素合成、叶绿体的显微结构，改变光合速率、电子传递效率、能量代谢等[43]。陈思思等[9]研究表明，小麦叶片经过-2 ℃低温胁迫处理18 h以上、-4 ℃处理6 h 后，光合速率显著下降，原因是长时间的低温破坏了叶绿体结构导致光合器官受损，叶肉细胞光合活性下降。刘蕾蕾等[44]研究发现，在小麦拔节期和孕穗期，随温度降低和低温处理时间延长，小麦光合速率呈现出下降趋势，对春性小麦品种扬麦16叶片光合速率的影响大于半冬性小麦品种徐麦30。任德超等[45]研究发现，在拔节前期温度低于-7 ℃和拔节后期温度低于-5 ℃条件下，小麦叶片光合速率、胞间CO2浓度、叶片蒸腾速率和气孔导度均随温度降低显著下降，认为这4 个光合指标能准确反映小麦受冻害情况，指标下降程度越大受冻害越严重，抗寒能力越弱。王晓楠等[46]对抗寒性不同的2个小麦品种低温处理下的叶绿素荧光参数进行研究，发现低温驯化结束后抗寒性强的小麦品种老叶的最大荧光产量（Fm）、非光化学淬灭系数（qN）、光化学淬灭系数（qP）显著高于不抗寒品种。关雅楠等[47]研究不同小麦品种遭受低温胁迫后的变化，发现所有光合参数和叶绿素荧光参数在品种间的差异均达到显著水平，抗寒性强的小麦品种具有较高的光合活性和较强的自我保护机制，其光合机构受损伤程度较轻。LI 等[48]研究发现，春季冻害显著降低了耐低温和低温敏感小麦品种的气体交换参数和PSⅡ最大光化学效率，但耐低温小麦品种的光合参数和产量降低幅度较小。王秀田等[49]研究发现，抗寒性强的小麦品种能较早感知低温而维持光合系统稳定，使其后期适应更低的温度胁迫。王瑞霞等[11]研究表明，低温胁迫条件下，3 个小麦品种的叶片光合速率、蒸腾速率和气孔导度均较非低温胁迫处理显著下降，胞间CO2浓度均有较大幅度的升高，抗寒性最强的小麦品种受影响最小。

2.5 内源激素

植物内源激素是植物生长调节的重要物质之一，伴随着小麦生长发育的每个阶段。植物内源激素变化与植物的抗寒性息息相关，其中脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）在植物抵御低温胁迫过程中起到重要作用。ABA 在冷胁迫应激反应中起到稳定细胞膜结构、促进气孔关闭和诱导下游抗寒基因表达等作用[50]。赵春江等[51]研究越冬期不同抗寒性小麦品种植株内源激素含量，发现强抗寒性冬性小麦品种中ABA 含量高于弱抗寒性春性小麦品种，而弱抗寒性春性小麦品种中GA 含量高于强抗寒性冬性小麦品种。刘丽杰等[52]研究发现，在低温胁迫条件下，喷施ABA 可提高糖酵解和三羧酸循环途径相关代谢酶的活性，从而提高小麦抗寒性。在分蘖期和拔节期进行低温胁迫处理，发现抗寒性较差的小麦品种根系中GA3含量增加，ABA含量下降，而生长素（IAA）含量表现为在分蘖期增加、拔节期下降，根系受低温影响较大[37]。李春燕等[53]研究表明，在经过重度低温胁迫处理后，小麦ABA含量提高，GA3含量降低，从而减缓低温胁迫对小麦植株的伤害。另外，在植物冷驯化过程中内源ABA 含量增加，可以诱导低温胁迫相关基因的表达，使小麦抗寒性提高[54‐55]。

3 小麦抗寒分子机制研究进展

植物遭到低温胁迫时，通过细胞膜对低温信号进行感知并转导，许多抗寒相关转录因子参与了信号转导过程，调控下游抗寒相关基因的表达[56]，产生多种相互关联的表达产物及蛋白质等，以减弱或抵御低温对自身造成的损伤，使其能够适应低温环境并维持正常的生理代谢活动和正常发育节奏[57‐58]。

3.1 抗寒基因

小麦的抗寒性通常由多基因控制[59]。1978 年，KACPERSKA-PALACZ[60]首次发现小麦1B、1D、2B等8条染色体与幼苗抗寒性相关。通过小麦单体和代换系分析，发现在小麦21 对染色体中至少有10对染色体与抗寒性相关，关系最大的是5A 和5D染色体[61]。随着小麦抗寒性分子机制的深入研究，一系列小麦（营养生长阶段）低温胁迫相关基因被克隆，如小麦WCS120（Wheat cold acclimation 50 ku protein 120）家族基因[62]和低温响应蛋白（Cold response protein，COR）基因[63]等。其中，WCS120基因仅受低温诱导表达，WCS120 蛋白在低温胁迫条件下大量积累，可以作为小麦苗期抗寒性鉴定的重要指标[64]。COR属于低温诱导型基因，它编码的COR 蛋白属于冷应答蛋白，多个此类基因协同作用可增强植物的抗寒性[65]。小麦叶绿体蛋白WCS19为非ABA 依赖型蛋白，在冷驯化时被转运至叶绿体的间质层，冷胁迫条件下，WCS19基因只在抗寒植株中表达，在低温敏感型材料中不表达[66]。在基因功能方面，研究较多的抗寒相关基因有春化（Vernalization）基因Vrn1、Vrn2、Vrn3和抗寒（Frost resistance）基因Fr1、Fr2及CBF/DREB（C‐repeat binding factor/dehydration‐responsive element‐binding）基因[67‐70]。Vrn1 是春化作用正调控因子，调控茎尖生长点从营养生长向生殖生长的转变[71]。而Vrn2是春化作用负调控因子，是小麦成花的抑制因子[72]。Fr1、Fr2基因都位于第5同源群染色体长臂上，与小麦的抗寒性密切相关[73]。STORLIE 等[74]研究发现，冬小麦抗寒性的不同是由于Vrnl-Frl区段的差异导致的，表明小麦5AL 染色体上的Vrn1-Frl 区段对抗寒性作用明显，可用于小麦抗寒育种。CBF/DREB转录因子在低温胁迫条件下能够结合COR基因启动子区域的顺式作用元件，激活下游COR基因表达，低温胁迫条件下过表达CBF/DREB 基因能够显著增强小麦的抗寒性[75]。李婷[76]在小麦中克隆5 个TaCBFs 基因，其均可以被低温胁迫诱导表达，且具有组织特异性。

3.2 抗寒组学

小麦响应低温胁迫是一个复杂的生物学过程，不仅基因水平上会发生变化，转录、蛋白质和代谢水平上也会发生相应变化。近年来，随着组学技术的发展，小麦抗寒相关转录组学、蛋白组学和代谢组学研究相继被报道。利用小麦基因芯片分析低温胁迫下小麦药隔初期表达谱变化，发现有多个基因在转录水平上发生变化，其中102 个基因的表达水平在低温胁迫处理1 d 或3 d 后发生大幅度的改变，这些基因编码CBF/DREB、冷诱导蛋白、钙依赖蛋白激酶等[77]。ZHAO 等[78]利用RNA-seq 技术研究小麦幼苗茎基部经4 ℃长期低温驯化和-5 ℃短期低温处理后基因表达谱变化，结果显示在转录水平上有多个共表达的差异基因，主要参与合成冷诱导相关蛋白、叶绿素a/b 结合蛋白、信号转导蛋白和转录因子等；同时经转录组和代谢组联合分析差异基因和差异代谢物，发现ABA/茉莉酸（JA）信号转导和脯氨酸生物合成关键途径基因在调控小麦抗寒性中起着重要作用。ZHANG 等[79]对药隔期低温处理后的小麦幼穗进行转录组测序和数字表达谱分析，有359 个差异基因被KEGG 注释，确定了一系列低温胁迫响应的候选基因。ZHANG 等[80]利用蛋白质双向电泳（2-DE）和质谱（MALDI-TOF-MS）技术对低温胁迫处理的2个小麦品种以及由二者创制的F10重组自交系群体后代进行低温响应蛋白鉴定，分析显示差异蛋白质涉及胁迫/防御、碳水化合物、碳代谢、蛋白质代谢等多种生化途径，并在低温响应蛋白中发现1个PAP6-like蛋白，可能在增强小麦抗寒性过程中起到重要作用。利用GC-TOF/MS 代谢组学检测技术分析冬小麦在低温胁迫条件下的差异代谢物，发现氨基酸代谢、糖类物质代谢、氮素代谢随温度降低出现不同程度的变化，使冬小麦更适应低温环境[81]。CHEONG 等[82]利用代谢组学和脂质体谱研究耐冷和低温敏感小麦品种在小孢子期的低温响应情况，评估2 个品种在低温驯化期间的穗代谢产物和脂类变化，发现品种间在参与渗透保护的初级代谢产物方面均表现出质和量的差异，但脂质积累的差异能够更加显著地区分2个小麦品系的低温响应差异。

4 展望

小麦抗寒性研究对黄淮麦区，特别是对河南省、山东省近年春季倒春寒多发地区的意义重大，倒春寒频发、随机、不可预见对小麦生长发育带来了难以预料的损失。目前，针对小麦抗寒性研究有几种观点，有学者认为小麦抗寒性与幼穗发育进程有关，即由于自身发育节奏慢可能处于二棱期或小花分化期而躲避了春季倒春寒，而与品种本身抗寒能力无关，可以通过合适的光周期和春化特性调节发育节律，避免冬季和春季的低温冻害[83]。也有学者认为，小麦品种抗寒能力有差异，在遭遇倒春寒后，生理和表型没有发生显著变化，抗寒性强的品种受到影响较小，而抗寒性差的品种则难以适应温度骤降环境[23，35]，幼穗发育受到不可逆转的影响[13]。还有学者认为，营养生长阶段和生殖发育阶段抗寒机制有所不同[84]。因此，关注小麦动态发育节奏，培育冬春季抗寒能力强、生产上躲避倒春寒的品种是目前小麦育种学家亟待解决的问题。

植物的抗寒性是体内一系列生理生化过程共同作用的结果，受众多冷响应基因共同调控，同时还受外界环境的制约。目前，小麦抗寒性鉴定生理指标过多，测定和分析结果及综合评价方法较复杂，且对于冬春季的低温冻害还没有统一且有效的鉴定方法。因此，筛选有效的抗寒生理指标，快速准确鉴定小麦抗寒性十分重要。相比于拟南芥和水稻，小麦苗期营养生长阶段的抗寒机制研究较为深入，而春季小麦进入生殖生长阶段的抗寒研究进展较落后，目前主要集中于前期若干低温诱导基因的同源克隆以及利用反向遗传学进行低温响应基因的挖掘和功能研究方面，初步建立了小麦低温响应途径，但还未克隆到抗倒春寒基因和进行相关分子标记开发，抗寒基因信号转导和调控表达、抗寒蛋白的结构和功能等尚不清晰。随着高通量测序、蛋白组学和代谢组学的迅速发展，未来可以从RNA、蛋白质和代谢物水平更好地揭示小麦对低温胁迫不同层次的响应，挖掘与抗寒相关的新基因、新蛋白质和差异代谢物，进行多组学联合分析，系统开展小麦抗寒机制研究。过去研究小麦抗寒性多针对单基因，而抗寒性是多基因共同调控的复杂性状，未来可采用多个基因共转化来提高小麦抗寒性。