低溫逆境脅迫下小麥ROS 代謝及調(diào)控機制研究進展

柯媛媛，陳 翔，倪芊芊，張樂樂，劉綠洲，許 輝，魏鳳珍，李金才,2*

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)部華東地區(qū)作物栽培科學觀測站，安徽合肥230036；2.江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210095）

小麥（TriticumaestivumL.）是世界三大糧食作物之一，其籽粒營養(yǎng)豐富。全球約60%的人口以小麥為主食，其穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)對保障全球糧食安全具有重要意義[1]。隨著全球人口大幅度增長，預計到2050 年，糧食作物產(chǎn)量需增加60%才能滿足全球人口的糧食需求，而小麥產(chǎn)量年均增長率要達到2.4%[2-3]。工業(yè)革命以來，全球氣候變暖已是不爭的事實，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）氣候變化與土地特別報告（Special Report on Climate Change and Land,SRCCL）指出，2006—2015 年全球陸地平均氣溫相較于1850—1900 年約升高了1.53℃，預計到2100年將再上升1.5℃以上[4]。而氣候變化導致極端低溫事件出現(xiàn)的頻率、強度和持續(xù)時間不斷增加[5]。低溫逆境主要包括零上冷害和零下凍害，其中倒春寒對黃淮麥區(qū)的小麥生產(chǎn)造成的危害較大。據(jù)報道，我國黃淮麥區(qū)河南省和山東省倒春寒一般發(fā)生頻率達30%以上，最高年份甚至達到70%[6]。因此，低溫逆境已成為限制小麥生產(chǎn)的主要非生物脅迫因素，影響著小麥的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)。

植物會產(chǎn)生一系列生理生態(tài)變化響應低溫逆境，一般認為由逆境脅迫引起的活性氧（reactive oxygen species，ROS）積累進而導致的氧化脅迫是影響植物正常生長發(fā)育的主要原因[7]。ROS 是植物響應非生物脅迫網(wǎng)絡中的重要組成部分，它是化學性質(zhì)活潑、氧化能力極強的氧代謝物及其衍生的含氧物質(zhì)的總稱，主要包括超氧陰離子（O2·）、過氧化氫（H2O2）、羥自由基（·OH）和單線態(tài)氧（1O2）等[8]。由低溫引起的ROS 在小麥不同器官的積累均會影響小麥的生長發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，過量ROS 通過影響葉片的光合作用和呼吸作用降低“源”器官的生產(chǎn)，同時導致“庫”器官小麥穗部花藥的氧化損傷，進而敗育影響結(jié)實。低溫引起的ROS 積累還會導致小麥根系細胞膜受損、膜質(zhì)產(chǎn)生脫脂化及磷脂游離，阻礙根系養(yǎng)分吸收，從而導致減產(chǎn)。因此，明確低溫脅迫下小麥體內(nèi)ROS 代謝機制，對保障小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。本文系統(tǒng)闡述了ROS 的產(chǎn)生、功能與清除，從小麥葉片生理、穗部發(fā)育與根系生理等方面總結(jié)了低溫脅迫下ROS 對小麥生長發(fā)育的影響，并對未來的研究進行展望，以期為我國小麥生產(chǎn)的防災減災與提質(zhì)增效提供理論參考。

1 低溫脅迫下活性氧作用機制

1.1 ROS 的產(chǎn)生

逆境脅迫下ROS 在質(zhì)膜、細胞壁、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等各種亞細胞室中均可產(chǎn)生（圖1）[9]，其中葉綠體、線粒體等具有高度氧化代謝活性的細胞器更是產(chǎn)生ROS 的主要來源[10]。葉綠體類囊體中PSⅠ和PSⅡ反應中心是產(chǎn)生ROS 的主要場所[11]。低溫脅迫會改變?nèi)~綠體內(nèi)PSⅡ的還原狀態(tài)，使其產(chǎn)生高水平的ROS，并對光合機構(gòu)造成破壞[12-14]，從而降低植株對光能的吸收效率，同時抑制暗反應中CO2的固定，原本傳遞給煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化型，NADP+）的電子泄露給氧分子，使其發(fā)生單電子還原，產(chǎn)生大量ROS。在

植物的非光合組織中，線粒體是ROS 產(chǎn)生的關鍵來源。植物線粒體電子傳遞鏈上的許多位點都能產(chǎn)生ROS，其包括4 種復合物，分別是NADH 脫氫酶（復合物Ⅰ）、琥珀酸脫氫酶（復合物Ⅱ）、輔酶Q- 細胞色素bc1 還原酶（復合物Ⅲ）和細胞色素c氧化酶（復合物Ⅳ），其中復合物Ⅰ和復合物Ⅲ是ROS 產(chǎn)生的主要位點[15]。低溫脅迫會導致其組分的抑制或修飾，最終導致電子載體的過度還原，從而引發(fā)ROS 的生成。其中，小部分電子自呼吸鏈酶復合體Ⅰ和Ⅲ漏出，生成具有較強氧化作用的O2·，并通過特定的化學反應生成·OH、H2O2[16]。

此外，低溫脅迫導致細胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS 可作為重要的信號分子參與細胞逆境響應過程，傳遞低溫信號[17]，并受質(zhì)膜上Ca2+激活調(diào)節(jié)，通過細胞質(zhì)中Ca2+濃度的變化來將外界刺激轉(zhuǎn)化成植物可以感知的內(nèi)部信號[18],介導植物完成一系列生理生化反應,從而實現(xiàn)植物對低溫環(huán)境刺激的感知和響應。

圖1 低溫脅迫下細胞內(nèi)ROS 的產(chǎn)生（改自王福祥等[19]）

1.2 ROS 的功能

在正常環(huán)境下生長的小麥體內(nèi)，ROS 的生成與消除可通過調(diào)節(jié)其抗氧化酶系統(tǒng)來維持動態(tài)平衡[8]。輕中度低溫脅迫下，ROS 在植物體內(nèi)起著關鍵的調(diào)控作用，可作為信號分子感應外界低溫環(huán)境的變化，誘導植物表達防御基因，從而激發(fā)抗氧化系統(tǒng)發(fā)揮作用，消除過量ROS 的不利影響[8]。但隨著低溫脅迫持續(xù)時間和強度的增加，小麥體內(nèi)ROS 的積累達到一定閾值，超出細胞自身的清除能力，此時ROS 便轉(zhuǎn)換為“細胞殺手”，使小麥整個氧化還原系統(tǒng)的代謝紊亂[20]。重度低溫脅迫下，ROS 會觸發(fā)細胞程序性死亡信號[21]。細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是植物生長周期中的必要過程，雖然不利于作物產(chǎn)量形成，但它可以消除受損細胞，重新分配營養(yǎng)物質(zhì)，從而為作物生長提供有利條件[22]。此外，ROS 可通過調(diào)節(jié)離子通道的關閉、改變細胞內(nèi)的氧化狀態(tài)及與受體蛋白結(jié)合等方式來發(fā)揮第二信使的調(diào)控作用[23]。

1.3 ROS 的清除

小麥的抗氧化系統(tǒng)主要包含酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)（圖2），可緩解因ROS 過度積累對細胞造成的氧化損傷。低溫脅迫下，小麥抗氧化防御系統(tǒng)被激活，且通過體內(nèi)酶活性的改變來抵御低溫脅迫。在這些抗氧化酶系統(tǒng)中，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）是最主要的3種抗氧化酶，三者協(xié)同作用可有效減緩低溫逆境下小麥的氧化損傷。SOD 是ROS 清除的第一道防線，它是首個響應逆境脅迫和參與反應的酶，可催化體內(nèi)的O2·發(fā)生歧化反應，將O2·轉(zhuǎn)化為O2和H2O2，減輕自由基造成的傷害，維持細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性[24]。POD 能夠以酚類物質(zhì)為底物分解H2O2[25]。而CAT 作為一種多功能酶，主要負責過氧化物酶體中H2O2的清除[26]。此外，非酶物質(zhì)如抗壞血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、脯氨酸、類黃酮等可與ROS 直接反應或作為酶的底物清除ROS。AsA-GSH 循環(huán)可通過AsA/脫氫型抗壞血酸（DHA）、GSH/氧化型谷胱苷肽（GSSG）和還原型輔酶Ⅱ（NADPH）/NADP+的氧化還原來不斷生成AsA 和GSH，從而維持細胞內(nèi)ROS 的代謝平衡[19]。因此，小麥遭遇低溫逆境時，可以通過增強抗氧化系統(tǒng)有效地清除ROS，從而維持小麥植株的正常生命活動。

圖2 小麥抗氧化防御系統(tǒng)

2 低溫脅迫下ROS 對小麥生長發(fā)育的影響

2.1 葉片

作為對低溫最敏感的生理過程之一，光合作用是小麥產(chǎn)量形成的基礎，小麥生物量的90%以上來自光合產(chǎn)物[27-28]。葉片是小麥進行光合作用的主要器官，低溫脅迫會破壞葉片葉綠體結(jié)構(gòu)，造成葉片光合器官的損傷，對光能的吸收、傳遞和利用效率降低（圖3）[29]。葉綠體對低溫非常敏感，其不僅是進行光合作用的細胞器，還是環(huán)境脅迫的傳感器[30]。葉綠體類囊體中PSⅠ和PSⅡ反應中心是ROS 產(chǎn)生的主要場所[29]。而低溫能改變?nèi)~綠體內(nèi)PSⅡ的還原狀態(tài)，原本傳遞給NADP+的電子泄露給氧分子，使其發(fā)生單電子還原，產(chǎn)生大量的ROS[32]。另外，葉綠體中產(chǎn)生的1O2會引起核基因表達的重新編程，導致失綠和PCD，并通過2 種與類囊體膜相關的核編碼葉綠體蛋白質(zhì)EXECUTER1（EX1）和EX2，誘導相關反應[33]。

2.2 穗部

作為小麥光合同化物的重要儲存器官，穗分化的小穗數(shù)和小花數(shù)與產(chǎn)量的關系極為密切。倒春寒發(fā)生時，小麥穗部正處于生長發(fā)育的敏感時期[34]，當外界環(huán)境低溫達到一定的閾值時，花藥內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，可引起小麥花藥氧化還原體系的紊亂，造成花藥的氧化脅迫（圖3）。大量研究表明，花藥內(nèi)ROS 的過量積累是引起花藥敗育的主要因素之一[35-36]。劉子涵等研究發(fā)現(xiàn)，D2型細胞質(zhì)是細胞質(zhì)雄性不育小麥的重要胞質(zhì)來源，ROS 的過量積累誘導抗氧化酶基因的異常表達，造成小麥絨氈層細胞的延遲凋亡和小孢子的結(jié)構(gòu)異常，最終導致D2型細胞質(zhì)雄性不育系的花粉敗育[37]。Wang 等研究發(fā)現(xiàn)，小麥生理型雄性不育系中花藥內(nèi)O2·的生成速率和H2O2的含量均顯著高于相應的保持系[35]。張自陽等研究發(fā)現(xiàn)，小麥的抗氧化酶系統(tǒng)不能及時清除具有危害的O2·和H2O2，使小麥幼穗組織細胞受到傷害，導致穗部結(jié)實率下降[38]。因此，低溫逆境下小麥花藥內(nèi)會積累大量ROS，造成花藥的氧化損傷，導致正常發(fā)育的花藥發(fā)生細胞凋亡，最終導致小花敗育無法結(jié)實。

2.3 根系

根系是小麥吸收水分和運輸土壤N、P、K 等礦質(zhì)營養(yǎng)的主要器官，其生理活性直接影響小麥地上部的生長和生物量的積累，進而影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)[39]。低溫脅迫會導致小麥根系細胞中ROS 代謝失調(diào)，根系活力下降，地上部分生長遲緩（圖3）。裴紅賓等研究表明，低溫脅迫后小麥根系SOD 和POD 活性顯著提高，這可能是因為低溫導致小麥根細胞中ROS 積累，從而激活體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生適應性反應，調(diào)節(jié)其生理代謝過程,減緩逆境傷害，但隨著脅迫時間的延長，保護酶系統(tǒng)受到抑制[40]。馮漢清等研究發(fā)現(xiàn)，小麥根系中H2O2和MDA 含量不斷上升，導致小麥根系的細胞死亡和生長減緩[41]。張文靜等研究指出，分蘗期和拔節(jié)期低溫脅迫，小麥根系產(chǎn)生應激反應，SOD、POD 和CAT 活性均顯著提高，且抗寒性強的品種對于低溫脅迫的適應調(diào)節(jié)能力強于抗寒性弱的品種[42]。此外，低溫脅迫會導致根系細胞膜的脂質(zhì)過氧化程度加劇，細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)流失，透性增大，相對電導率升高，造成小麥根系膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的損傷。姜麗娜等研究表明，低溫脅迫后小麥根系相對電導率均升高，說明隨著脅迫溫度的降低，根系細胞膜受傷害程度增大[43]。因此，低溫脅迫下根系中的ROS 大量積累，致使膜脂中不飽和脂肪酸發(fā)生過氧化作用，造成膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的損傷，最終導致小麥的根系養(yǎng)分吸收受阻，地上部生長緩慢，植株細弱。

圖3 ROS 對小麥植株的傷害

3 外源化調(diào)劑在低溫脅迫下小麥ROS 清除中的應用

應用外源化學調(diào)控物質(zhì)可以通過激活小麥抗氧化系統(tǒng)來增強小麥抗寒能力，是緩解低溫脅迫的有效手段。荊恩恩等發(fā)現(xiàn)外源氯化膽堿（CC）可減少MDA 含量和降低O2·產(chǎn)生速率，增強SOD、POD 和CAT 活性，有效減少膜脂損傷和緩解低溫脅迫對小麥的傷害[44]。還有研究表明，外源水楊酸（SA）、脫落酸（ABA）、茉莉酸（AsA）、茉莉酸甲脂（JA）可顯著降低低溫脅迫后小麥葉片H2O2的含量和O2·的產(chǎn)生速率，提高植株的抗寒能力[45-46]。Foyer 等研究表明，低溫脅迫下外源ABA 通過上調(diào)小麥葉片和分糵節(jié)中AsA-GSH 循環(huán)中關鍵酶的活性并誘導編碼vtc1基因的表達，進而減輕冷脅迫所誘導的氧化脅迫對植物的傷害[47]。因此，應用外源化學調(diào)控物質(zhì)可降低低溫逆境下植物體內(nèi)ROS 的含量和產(chǎn)生速率，增強小麥的耐寒能力，在一定程度上減緩或抑制低溫對小麥的脅迫作用。然而，ABA、SA 等化調(diào)劑使用成本較高，無法在實際生產(chǎn)中大范圍推廣和應用。因此，在未來的研究中，應尋找效益好且可大批量投入大田生產(chǎn)中的化調(diào)物質(zhì)，同時與無人機飛防相結(jié)合，提升我國小麥栽培管理和生產(chǎn)服務能力。

4 結(jié)論與展望

作為世界三大糧食作物之一，小麥的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)對保障全球糧食安全具有極其重要的意義。尤其在全球變暖的趨勢下，低溫事件頻發(fā)，嚴重影響小麥生產(chǎn)。本文系統(tǒng)闡述了低溫脅迫下小麥植株活性氧的作用機制，基于源庫理論從葉片、穗部、根系等方面闡述活性氧對小麥的危害機理以及小麥抗氧化系統(tǒng)對活性氧的清除機制。研究表明，ROS作為信號分子，除了介導環(huán)境脅迫的響應外，對調(diào)控植物的發(fā)育進程也起著重要作用，且與不同類型的植物激素產(chǎn)生關聯(lián)。此外，也有相關研究利用ROS 來提高轉(zhuǎn)錄因子表達量、增加轉(zhuǎn)錄因子穩(wěn)定性、增強轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合DNA 能力來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的功能[48]，進一步調(diào)節(jié)逆境響應相關基因表達，從而改善植物抗逆性，維持作物的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。通過基因工程技術調(diào)控活性氧的水平來提高植物的抗逆性會有很廣泛的應用前景，但當前仍有許多問題尚待進一步闡釋，對ROS 在響應非生物脅迫方面的研究還需要進行深入探索。