小麥抗寒生理生化特性與分子機理研究進展

李鵬　孫明柱　張鳳云等

摘 要：低溫嚴重威脅著小麥生產，研究小麥抗寒性機理具有重要意義。本文從內源激素和游離氨基酸含量及保護性酶活性變化、抗寒基因的染色體定位、冷誘導基因、小麥抗凍蛋白等方面對國內外小麥抗寒性研究進展進行了綜述。

關鍵詞：小麥； 抗寒性； 生理生化特性； 分子機理

中圖分類號：S512.101文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）09-0134-04

溫度是影響植物分布、產量和品質的重要環境因素，低溫不僅限制植物的種植范圍，還會造成減產和品質下降，嚴重時甚至導致植物死亡、顆粒無收。全球每年因低溫傷害造成的農作物損失高達數千億元[1]。自2009年11月份以來我國華北地區氣候異常，低溫造成小麥凍害，嚴重影響到華北糧食產量。因此，小麥抗寒性機理和抗寒育種一直是研究的熱點領域之一。小麥的抗寒性機理極為復雜，包括許多生理生化和分子反應，盡管研究者對低溫傷害機理進行了廣泛研究，但是對于抗寒性的確切機理仍未能闡述清楚。因此探索小麥受到低溫脅迫時的生理生化特性變化及分子機制，不僅在基礎理論上具有重要意義，而且對于實現小麥穩產、保障糧食安全也具有重要價值。本文從內源激素和游離氨基酸含量變化、保護性酶活性變化、抗寒基因的染色體定位、冷誘導基因、抗凍蛋白等方面對國內外小麥抗寒性研究進展進行綜述。

1 小麥抗寒生理生化特征

關于小麥經過抗寒鍛煉后發生的一系列生理生化變化已開展了很多研究，結果表明，低溫能夠誘導新蛋白質的合成、降低組織含水量、改變膜流動性、提高抗氧化物質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，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，用電導率、細胞液濃度等作為質膜透性指標，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[3～5]。小麥經受低溫后產生的一系列變化主要表現在以下幾個方面：

1.1 內源激素含量發生變化

植物內源激素與小麥生長發育的各階段緊密相關[6]。趙春江等[7]對4個不同基因型小麥品種在越冬過程中植株內源激素變化的測定結果表明，冬性和春性小麥表現出明顯的差異。脫落酸水平在抗寒性較強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，抗寒性強的品種的生長素在冬前較高，認為植物內源激素脫落酸、赤霉素和生長素與不同基因型小麥的抗寒能力有關。 Lalk等[8]的研究也表明，在冬小麥冷馴化過程中內源脫落酸含量增加。脫落酸含量瞬間提高能夠誘導冷誘導基因的表達，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，促進可溶性糖和谷胱甘肽的積累，降低細胞膜透性，從而增強小麥的抗寒能力[9]。

1.2 游離氨基酸含量發生變化

一些學者通過對高等植物的抗寒研究認為，細胞內游離氨基酸含量與植物抗寒性存在著相關性。脯氨酸在植物體內作為滲透物質，起著滲透調節的作用[10]。脯氨酸含有亞氨基，增加了蛋白質的親水表面，提高了蛋白質的溶解度，從而提高可溶性蛋白質的含量，維持低溫狀態時酶的構象。在低溫脅迫時，脯氨酸的表達量提高，并在許多植物器官內積累。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發現，在強抗寒小麥中，游離脯氨酸、羥脯氨酸和糖蛋白含量比未經低溫馴化處理時高達數倍；而弱抗寒小麥品種各物質的增加量較小。

1.3 保護性酶活性變化

在低溫條件下，植物體細胞內自由基產生和消除的平衡會遭到破壞，導致積累的自由基對細胞膜系統造成傷害。而自由基的產生和消除由細胞中的保護系統所控制，保護系統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。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120個小麥品種進行低溫處理，并對處理前后的小麥幾丁質酶活力進行了測定，結果表明低溫培養后所有品種的幾丁質酶活性均有不同程度的提高，說明低溫條件誘導了小麥中幾丁質酶活性的提高，從而抵抗不利環境。劉艷陽等[3]采用室內模擬低溫處理小麥 133 個系的 DH 群體幼苗，研究了低溫脅迫對小麥幼苗葉片脂質過氧化作用的產物及相關酶活性的影響，結果表明，低溫處理后脂質過氧化作用的產物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，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。

2 小麥抗寒分子機理研究

研究發現，小麥抗寒的生理生化反應是由于低溫改變基因表達所引起的。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基因，所有參與小麥低溫脅迫反應的基因及其蛋白產物都要經過低溫誘導才能表達、合成和積累[15～17]。對于小麥抗寒性分子機理，研究人員已從染色體定位、冷誘導基因克隆以及抗凍蛋白分離等方面進行了廣泛研究。

2.1 小麥抗寒基因的染色體定位

許多研究結果一致認為，耐寒性是一個復雜的性狀，在21對染色體中至少有10對與耐霜凍或耐寒性有關，關系最大的是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期發揮抗寒作用。現已證實，小麥5A染色體長臂上的Vrn1-Fr1區段對耐寒性起主要作用，冬性小麥耐寒性不同是由于有不同的Vrn1-Fr1區段[20]。

2.2 小麥冷誘導基因

冷誘導基因在特定條件（主要是低溫和短日照）下才能夠啟動和表達，進而使細胞表現出抗寒力。在抗寒基因表達前，抗寒能力僅僅是一種潛能。低溫誘導植物抗寒基因表達的機制一般認為有兩種：一種是依賴于 ABA （abscisic acid），另一種是不依賴于 ABA 的。小麥中受ABA誘導的冷誘導基因包括wrab15[21]、wrab17[22～23]、wrab18[21]、wrab19[22，24]，而不受 ABA誘導的基因包括 wcs19[25]、wcor14[26]、wcor15[27]。閆小燕等[28]為闡明冷誘導基因wcs19與小麥幼苗抗寒性的關系，對233份小麥資源進行了幼苗抗寒性鑒定及wcs19基因STS檢測，結果表明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基因表達水平有關。SOD基因的表達在小麥抗寒性反應中也發揮著重要作用，試驗證明，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節機制[29]。高軒[30]利用cDNA-AFLP和RACE技術獲得了編碼小麥抗凍蛋白的基因TaAFPⅢ，并將該基因轉入煙草中進行功能研究，結果表明該基因能夠顯著提高材料的抗凍能力，說明TaAFPⅢ在植物抗低溫反應中發揮著重要作用。

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，具有冰晶形態效應、熱滯效應和重結晶抑制效應[31]，能以非線性形式降低水溶液的冰點，但對熔點影響甚微，從而導致水溶液的熔點和冰點之間出現差值，它們在受低溫環境脅迫時能使有機體抵御冰凍環境[32]。Terzioglu等[33]對低溫處理后小麥可溶性蛋白含量的變化分析表明，小麥根中產生了新的蛋白質。郭麗紅等[34]從低溫處理的小麥幼苗中分離到一類熱穩定的抗凍蛋白，當濃度為10 g/L時，測得其熱滯活性為0.3℃，此類蛋白對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。抗凍蛋白濃度能夠改變冰晶生長的方式和速度，低濃度時隨著抗凍蛋白濃度的增加冰晶生長速度呈上升趨勢，但當抗凍蛋白濃度增加到一定值時冰晶生長速度不再增加[35]。

3 展 望

提高小麥的抗寒能力，培育抗寒小麥新品種對于糧食生產具有十分重要的意義。目前對于小麥抗寒性生理生化特性和分子機理進行了大量研究，提高了對小麥抗寒機制的認識，形成了較為完整的理論和技術體系，但是由于小麥抗寒性是一個由眾多基因調控的復雜系統，對其確切機理仍未能闡述清楚。分子生物學的快速發展為小麥抗寒性分子機理研究提供了先進的技術手段，但是目前的研究主要集中在單個基因上，仍需對多基因的協調作用以及信號轉導、調控基因的表達、抗凍蛋白的結構特征和生理功能等方面進行更深入的研究，進一步加強對分子生物學新技術的開發利用，從而更全面、更深入地揭示小麥的抗寒機理。

參 考 文 獻：

[1] 鄧江明，簡令成. 植物抗凍機理研究新進展：抗凍基因表達及功能[J].植物學通報， 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. 低溫脅迫對小麥葉片細胞膜脂質過氧化產物及相關酶活性的影響[J]. 麥類作物學報， 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].安徽農業科學， 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期生化反應及抗性分析[J].華北農學報，2001， 16（4）： 42-46.

[6] 李宗霆， 周 燮.植物激素及其免疫檢測技術[M].南京： 江蘇科學技術出版社，1996，1137-1421.

[7] 趙春江， 康書江， 王紀華， 等. 植物內源激素與不同基因型小麥抗寒性關系的研究[J].華北農學報， 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.小麥抗寒性機理研究[J].山西農業科學， 2008， 36（1）：49-52.

[10]李 志， 王 剛， 吳忠義， 等. 脯氨酸與植物抗滲透脅迫基因工程改良研究進展[J]. 河北師范大學學報， 2005， 29（4）： 405-408.

[11]陳 璇， 李金耀， 馬 紀， 等.低溫脅迫對春小麥和冬小麥葉片游離脯氨酸含量變化的影響[J].新疆農業科學， 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系[J]. 植物遺傳資源學報， 2004，5（1）： 6-11.

[13]王玉玲， 康 潔. 低溫脅迫對冬小麥苗期和拔節期生理生化特性的影響[J]. 河南農業科學， 2004， 5： 3-6.

[14]徐恩靜， 閆小燕， 王志學， 等. 低溫處理對小麥幾丁質酶活性的影響[J].安徽農業科學，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胞膜透性的QTL定位[J]. 作物學報， 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.冷誘導基因wcs19與小麥抗寒性關系研究[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化研究[D].武漢： 華中科技大學， 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展[J]. 西北植物學報， 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校學報，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.