小麥種質資源耐熱性評估研究進展

趙 鵬，王曉明，劉曼雙，許盛寶

(西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100)

小麥(TriticumaestivumL.)是全球重要的糧食作物之一，為人類提供了20%的能量[1]。小麥屬喜涼作物，超過適宜生長溫度范圍后，環境溫度每升高1 ℃，小麥減產約6%[2-3]。隨著全球變暖加劇，高溫已對世界各地的小麥生產造成嚴重影響[3-6]。研究表明，環境溫度每上升1 ℃，我國小麥減產約2.6%[3]。雖然我國小麥生產目前受高溫脅迫影響低于全球平均水平，但隨著全球變暖持續加強，高溫脅迫將對我國小麥生產造成嚴重威脅[7]，因此及時開展小麥耐熱性遺傳改良和耐熱小麥新品種選育，對保持當前小麥穩產高產、應對未來氣候變化、保障國家糧食安全具有重要的現實意義。

雖然氣候變暖及高溫脅迫對小麥生產的影響目前很受關注，但相對于產量、品質和抗病性來說，目前耐熱性尚不是小麥主要的育種改良目標，新審定品種的綜合耐熱能力甚至有下降的趨勢[6]。其原因一是育種家對小麥耐熱性遺傳改良重視程度不高，對種質資源的耐熱性評估缺乏積極性；二是不同地區的高溫脅迫特點不同，加上評估方法的差異，造成不同試驗中同一小麥材料耐熱性評估結果存在很大差異，限制了耐熱性評估結果的共享與耐熱資源的利用。因此，種質資源耐熱性的系統評估已成為小麥耐熱研究與育種實踐的重要限制環節，是小麥耐熱性研究的當務之急。本文通過回顧近年來小麥耐熱性研究進展，綜述了目前常用的小麥種質資源耐熱性評估指標與體系，以期為小麥耐熱資源有效評價與利用提供參考。

1 小麥耐熱基本機制

一般把作物在高溫條件下維持生存與產量的能力稱為耐熱性[8]。耐熱性與植物生理代謝密切相關。當環境溫度超出適宜范圍后，植物很多蛋白的功能會受損，基本的生命活動受到抑制。高溫增加了細胞膜系統(脂類)的不穩定性，促使膜系統破壞并產生自由基，加上高溫對呼吸鏈蛋白不同程度的抑制，容易造成氧化自由基的累積[9-10]。這些累積的氧化壓力會進一步的破壞膜系統結構以及蛋白的結構與功能，加重高溫的傷害，甚至威脅植物的生存。自然界的植物都具有一定耐高溫能力。為避免高溫的傷害，植物會激活抗氧化還原系統[10-12]及熱激蛋白[11,13-14]，控制氧化自由基的水平，保護或修復被高溫破壞的蛋白，維持植株的生命活動。此外，小麥還能通過降低冠層溫度、葉片卷曲或調整代謝等方式增加膜系統的穩定性[8,10,15,16]、降低葉綠素降解速率、早熟[17]與合理分配能量[18-19]，降低高溫的危害。

耐熱性屬于典型的多基因控制的數量性狀。每個參與耐熱的基因可能在作物品種間存在著大量有差異的等位基因，它們編碼的蛋白產物對高溫的敏感性可能存在顯著差異[20-21]，導致不同品種的耐熱性有異。這是我們能進行耐熱資源篩選的重要理論基礎。通過這些耐熱基因的互作，衍生出小麥耐熱的基本機制。小麥的基因組復雜，相應的耐熱機理研究較其他植物落后，但目前也發現一些小麥基因參與耐熱機制。如Tian等[22]研究發現，高溫脅迫下超表達TaOPR3可以提高小麥的耐熱性。Li等[23]利用227份小麥種質資源，通過對正常、干旱脅迫、熱脅迫和干旱熱脅迫四種條件下農藝性狀的全基因組關聯分析，鑒定到兩個與小麥耐熱性有關的候選基因。Wang等[24]認為，小麥RAD23基因對植物耐熱性改良發揮作用。Zang等[25]研究表明，鐵蛋白基因TaFER-5B可增強小麥的耐熱性。Qin等[26]發現，TaMBF1c在植物耐熱性中起著關鍵作用。這些耐熱基因的發掘可為小麥耐熱機理解析提供了重要思路和參考。

2 高溫對小麥生產的危害

2.1 小麥受高溫危害程度的影響因素

高溫對小麥生產危害的程度受小麥生育階段、高溫發生時間、持續時間和強度等多個因素影響。小麥是喜冷涼作物，最適生長溫度為10～ 24 ℃[8,27]。小麥不同生育階段的最適溫度不同[28]，高溫對其生長發育造成的影響也不相同[6]。如小麥在幼穗分化二棱期即使經歷了較為嚴重的高溫脅迫，其隨后的生長發育受影響也不大[29]。有時苗期適度經歷高溫，反而有利于增加小麥產量[7,30]。另外，高溫發生的具體時間也是影響高溫脅迫危害程度的重要因素，如夜間溫度維持在20 ℃以上就能造成小麥嚴重的產量損失[8]。此外，不同強度高溫脅迫造成的傷害也不同。目前普遍認為小麥嚴重高溫脅迫的臨界溫度為34 ℃，溫度超過該值時會對小麥造成顯著的傷害[6,7,31]，因此溫度達到34 ℃以上時被認為會產生嚴重熱脅迫。但25～34 ℃這個溫度區間造成的傷害，在不同品種、生育時期及試驗溫度設置中，往往有比較大的差異。最后，短期熱脅迫和長期連續高溫脅迫造成的危害也不同，長期熱脅迫的累加效應更傾向于造成不可逆的細胞水平傷害[9,28]。因此，在分析高溫對小麥造成的傷害時，需要區別高溫發生的時間、強度以及持續的時間，這是小麥及其他植物耐熱性研究的共同難點，不同環境和條件下很難得到一致的研究結果[32]。

2.2 高溫對小麥不同生育階段的影響

高溫對植物傷害的本質是改變細胞內蛋白和生物膜等的分子結構與功能，從而影響這些分子參與的各項生命活動，因此高溫對小麥生長發育的各個方面均有影響。研究表明，高溫在小麥的各個生育階段均會造成傷害[3,28]。但從小麥生長發育的進程來看，小麥的苗期一般伴隨著春季逐漸升溫[18]，極少出現高溫脅迫的天氣，受傷害概率比較低。而進入抽穗與開花期后，高溫發生的頻率顯著增加，小麥受脅迫的概率也隨之增加，是小麥耐熱研究與育種改良的重點關注期。

高溫在苗期主要影響小麥的光合作用。光合作用的膜系統和關鍵酶對高溫非常敏感，是高溫影響小麥生長的重要環節[9,33]，受損的光合作用會直接影響小麥的生物產量。需要注意的是不僅在苗期，小麥整個生長周期的光合作用都會被高溫所抑制[2-3]，造成生物產量降低，最終導致籽粒產量的損失。

拔節至開花期高溫會影響小麥穗和花的發育及花粉育性，從而減少單株小穗數和穗粒數[28]。小麥單穗開花一般依據氣候狀況，需要幾天才能完成。不同于玉米和水稻，小麥開花習性比較特殊，會根據溫度的變化，避開當日最高溫完成授粉過程，有效減少高溫的傷害[34]。雖然小麥可以通過自身調節減少高溫的傷害，但開花期的高溫，尤其是結合了干旱脅迫的干熱風，會嚴重降低小麥花粉活性，干擾雙受精過程，從而造成收獲籽粒數損失，所以開花期仍被認為是小麥對高溫脅迫的敏感時期[31,35-39]。但由于授粉時，花粉是大量富足的，高溫造成的花粉活力降低是否是小麥不育小穗增加的主要原因，尚需進一步探究。此外，開花前與開花時高溫引起的小麥子房和雌配子體發育推遲造成的不育[34,40]，也未引起足夠的重視。

進入灌漿期后，小麥的籽粒數已基本確定，此時高溫對產量形成的影響主要是降低粒重。然而研究表明，相較于高溫敏感的葉片與光合過程[9,33]，高溫下籽粒的日平均灌漿速率并沒有受到顯著影響，籽粒的灌漿過程可以通過同化物的重新分配來保證灌漿速率，從而適應高溫脅迫[18]。由此可見，該階段高溫脅迫所造成的粒重降低，主要是由于脅迫下葉片衰老加速、灌漿時間縮短導致的[8,18,27,41]。因此，增強高溫下葉片的持綠(stay-green)能力已成為提高小麥耐熱性廣泛認可的關鍵努力方向[42]。

3 小麥耐熱性的評估方法

早期調查發現不同品種的耐熱性具有很大差異[43-45]，表明現存的小麥品種中蘊含著巨大的耐熱基因資源，如何有效評價這些種質資源的耐熱性是進行育種利用的一個關鍵問題，也是目前小麥耐熱機理研究的重要突破口。

3.1 耐熱性評價指標

盡管高溫影響小麥生長發育的各個方面[28]，但小麥作為糧食作物，產量是人們最終關注的目標性狀，因此產量相關的指標被認為是最直接的耐熱性評價指標。小麥灌漿期是遭受高溫脅迫最頻繁的時期，高溫在這個階段主要造成粒重下降，因此高溫下粒重降低的幅度是最普遍采用的耐熱指標[18,46]。

開花期高溫會影響小麥穗發育，因此小麥產量構成因素中穗數與穗粒數也被用作是耐熱性評價指標，但應用得并不普遍。隨著大家對高溫導致穗粒數降低的認識增加，上述指標近年來受到越來越多的重視[34,40]。目前看來，將產量三要素(穗數、穗粒數與粒重)相結合，才能較全面地評估小麥種質的耐熱性。

此外，植物的一些細胞結構與生理生化指標對高溫脅迫特別敏感，如細胞膜穩定性、葉片葉綠素含量、氣孔導度等[43,47-50]。這些指標往往與光合作用和生物產量密切相關，間接影響小麥的最終籽粒產量，因此這些指標也常常作為小麥耐熱性的間接評價指標[41,46,51]。由于未必能全面準確反映小麥的真實產量損失，這些指標不適合作為耐熱種質篩選的依據。但這些指標能反映一些產量要素降低的內在原因，對于解析品種的耐熱機理有重要作用。

總體來說，盡管耐熱性的評價指標很多，但考慮到小麥是糧食作物，產量仍然是目前主要的評價依據，在種質評價和育種利用時，更多關注產量要素會更加可靠。在明確了種質的耐熱特點后，結合更多的生理生化指標，有助于進一步揭示相應的耐熱機理。

3.2 耐熱性評估體系

耐熱性評估體系是耐熱種質資源篩選與耐熱機理研究的基礎。目前，分期播種結合粒重下降程度調查是進行小麥耐熱性評估的常用體系[18,42,52-53]。通過晚播小麥，人為使小麥生育期推后，在春季氣溫逐步上升的背景下，晚播小麥在拔節、抽穗、開花和灌漿各個生育階段經歷的環境溫度較正常播種材料高，從而模擬出不同生育階段的高溫脅迫。然后以晚播材料產量相關性狀下降程度為指標，評估耐熱性。這個系統的優點是簡單易行，適合不同規模的種質資源耐熱性評估；缺點是田間環境溫度難以控制、干擾因素多、試驗重復性差，需要多年多點試驗降低環境因素的干擾，提高耐熱性評估的準確性。分期播種是目前大規模耐熱性鑒定最合適的方法，但需要較大的經費投入與多個單位人員的協同參與，沒有政府與行業部門的支持難以實現。

塑料大棚、玻璃溫室以及小區塑料棚等也是常用的人工增溫方法[23,30]，通過使用塑料遮蓋增溫，借助"溫室效應"對小麥進行高溫處理，而后利用產量相關性狀下降程度和細胞膜相對熱損傷率為指標，進行耐熱性評估[54]。這個系統的增溫效果顯著且操作簡便，成本低，試驗結果比較準確，是進行小麥耐熱性鑒定可靠的方法[17]。但該體系存在局部溫度、光照和蒸發差異大，棚內水分情況與自然條件不一致以及溫度失控的可能性，且不適合進行大規模耐熱種質評估。全控溫溫室是最為理想的熱處理方式，但設備成本和能源消耗巨大。因此，該體系可用于特定區域的親本種質和品系的耐熱性評估，為親本選擇與特殊材料的耐熱鑒定提供參考。

此外，利用培養箱模擬關鍵發育時期的高溫脅迫，也是常用的耐熱評估方式，如對開花期[40,55]、灌漿期[56-58]的耐熱性評估。這種評估方式往往結合一些間接的耐熱指標共同進行，如葉綠素含量、抗氧化活性等[57-59]，從而增強評估結果的可靠性。實踐中，多種耐熱性評估方式結合進行，也有助于進一步厘清種質資源的耐熱性特點[52]，從而更好地應用到耐熱基礎研究和育種實踐中。但該體系空間較小，僅適合少量材料的耐熱性評估。

4 小麥耐熱性分類

由于高溫脅迫具有發生時間、強度和持續時間的差異[32]，目前尚缺乏簡單穩定且統一的小麥耐熱評價指標和評估體系，不同區域和不同研究方法得到的耐熱評價很難重復[3,32]，阻礙了耐熱資源的交流、分享和利用。

特定生育時期和特定高溫條件下的耐熱能力則可以用垂直耐熱性來描述和反映。目前常用的苗期、開花期和灌漿期等特定生育時期的高溫耐受性評估，可以劃分為此類。此外，特定地區種質的垂直耐熱性可以劃分到特定高溫條件的范疇。由于小麥高溫脅迫受環境影響大，不同地域高溫發生的時間及光照、濕度等環境條件都有差異，因此不必強求同一種質在所有的地域都表現出一致的耐熱性，篩選出針對某一特定區域的耐熱材料，對于育種或基礎研究同樣具有重要價值。通過這種方式，以彌補水平耐熱性評估時地域針對性的不足，拓展水平耐熱性評估結果的利用潛力。

這種耐熱性分類的優點在于，通過大規模多年多點的分期播種，進行耐熱的水平耐性鑒定，可以將大量種質資源分類(強中弱)。由于在水平耐性的鑒定過程中，已經進行了不同環境下產量構成因素的調查，可以根據水平耐性鑒定中得到的小穗數、穗粒數、粒重等結果，將種質資源進一步分解為不同生育時期的垂直耐性。例如，某一品種的可育小穗率，在各種環境下都比較穩定，我們則可以初步判斷這個品種在開花期具有較強的垂直耐熱性，然后再用溫室或培養箱進行垂直耐熱性的精確評估和驗證，從而明確不同種質準確的耐熱特性和潛在利用價值。

5 小麥耐熱種質資源研究進展

世界范圍內有數以萬計的小麥種質資源，僅我國就有4.3萬份[51]，為小麥耐熱研究提供了龐大的資源。一般認為，熱帶地區生長的作物更有希望進化或富集到耐熱的等位基因，如從非洲引進的水稻中發現了TT1基因[63]，為從自然界中挖掘耐熱基因資源提供了重要參考。印度和巴勒斯坦是受夏季高溫脅迫較為嚴重的地區[3]，早期研究表明，由巴勒斯坦引進的小麥種質資源具有較好的耐熱性[64]，但目前全球范圍的種質資源還缺少系統耐熱評估，亟需加強。國內也有相關機構和人員采用分期播種和人工增溫的方法，利用熱感指數等耐熱性評價指標對國內外小麥材料進行了耐熱性評估，鑒定出一批耐熱性較好的材料[61-62,65-67]。這些耐熱的小麥材料適合當地環境，并表現出較為穩定的耐熱性，為小麥耐熱遺傳改良、培育耐熱品種提供了有力支撐。但這些材料在不同環境中能否表現出穩定的耐熱性，它們的耐熱性的生理與分子基礎都尚需進一步評估與檢測，從而應用到更廣泛的育種與耐熱基礎研究中。

除了對現有小麥耐熱種質資源進行評價和利用，我們也必須做更充分的準備，擴展小麥耐熱資源，以應對日益嚴重的全球變暖問題。目前的小麥耐熱研究中，有一些提高和創制耐熱資源的思路可以借鑒。雜交重組是聚合耐熱性最快也是最常用的方法。例如從來自同一組合的DH群體中能篩選出耐熱性顯著優于雙親的子代[68]，通過輪回選擇進一步將優異的耐熱等位基因富集在后代中[69]，從而創制出更耐熱的種質資源。另外，越來越多的研究表明，核質互作對小麥耐熱性會產生重要作用[70-71]，因此開發細胞質耐熱資源也是創制新的小麥耐熱種質的一個思路。細胞質中的線粒體與葉綠體都是對熱敏感的細胞器，且擁有自己的基因組，通常只從上一代的母體進行遺傳。互交產生的同核異細胞質系將是進一步評估與發現細胞質耐熱性的關鍵技術策略[72]。此外，種間雜交形成的染色體滲入系有可能成為一個很有潛力的耐熱研究方向[57]。人工合成六倍體小麥可以引入野生二倍體[52]和四倍體小麥的耐熱資源[53]。我國在異源種質導入小麥中有很多成功的經驗，可以借鑒到小麥耐熱資源的創制中。

6 展 望

小麥是我國主要的糧食作物，開花和灌漿期高溫嚴重威脅著小麥產量，選育耐熱高產穩產品種是有效提高我國小麥生產水平的重要途徑，而小麥種質資源的耐熱性評估是進行耐熱育種和耐熱機制研究的基礎。由于高溫脅迫和小麥耐熱性狀的復雜性，小麥材料的耐熱性需要多年多點重復鑒定才能準確評估。同時，現有的評價指標具有一定的局限性，需要多個評價指標綜合考慮，研究成本較大，導致目前系統的耐熱研究不多，嚴重制約了小麥耐熱性的基礎研究和遺傳改良。系統地建立小麥耐熱性評價體系和耐熱種質資源評估，既需要行業協作，也需要政府部門未雨綢繆的統籌協調與經費支持，從而才能突破目前瓶頸，推進耐熱優異種質資源的鑒定和應用。厘清現有小麥資源的耐熱性特點，因地制宜地總結出這些耐熱資源利用方法，是應對全球變暖最直接與最有效的行動，對于保證世界糧食的持續穩定供應與我國小麥自給自足具有重要意義。