劉紅杰，任德超，陳玉霞，金艷華，倪永靜，黃建英，胡 新

（1.商丘市農(nóng)林科學(xué)院，河南商丘 476000；2.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘 476000；3.虞城縣園藝技術(shù)推廣中心，河南虞城 476300）

小麥是我國重要的糧食作物，其產(chǎn)量的豐歉是關(guān)乎國計民生的大事。小麥霜凍害是僅次于干旱的一大農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害，它分布廣泛、面積大、危害嚴重，尤其在黃淮海麥區(qū)最為嚴重，嚴重影響和制約小麥生產(chǎn)，給國家糧食安全帶來隱患。霜凍害是指在作物生長旺盛期或生長發(fā)育的重要時期溫度驟降至0℃以下，發(fā)生細胞液結(jié)冰而造成細胞死亡[1]。近年來，隨著全球氣候變暖，初春氣溫冷暖交替異常，極端天氣事件頻繁出現(xiàn)，小麥安全生產(chǎn)也將面臨嚴峻考驗。所以，加強小麥霜凍害發(fā)生機理以及霜凍害防御措施等方面的研究，對小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)以及保障國家糧食安全具有重要意義。本文對近年來關(guān)于冬小麥霜凍害發(fā)生機理以及防御措施等方面的最新研究進展進行歸納，現(xiàn)綜述如下：

1 影響小麥抗霜力的因素

1.1 冬小麥春化特性與抗霜凍力的關(guān)系

人們普遍認為，冬性、半冬性品種抗凍能力較強，而且春季發(fā)育進程較慢，拔節(jié)期較遲，能夠避開或抵抗霜凍低溫，從而避免或降低霜凍害。但抗霜凍與抗凍機制不同，越冬期發(fā)生凍害時，植物本身已經(jīng)歷低溫鍛煉，發(fā)生適應(yīng)性反應(yīng)，如生長減緩或停止，組織含水量降低，細胞表面糖蛋白層增厚[2]，ABA激素水平應(yīng)激升高[3]，以及可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸等內(nèi)含物增多[4]。而霜害發(fā)生時，植物已從休眠狀態(tài)蘇醒，進入旺盛生長狀態(tài)，細胞分裂和分化速度加劇，如果此時環(huán)境溫度驟降，植物只能依靠自身遺傳的抗逆性來抵御低溫凍害。趙鵬等[5]研究結(jié)果表明，抗霜性與抗凍性之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系?？箖隽^強的冬性品種，抗霜凍的能力不一定就強，反之，抗凍力較弱、發(fā)育進程快的早熟品種也可能具有較強的抗霜性?？梢?，品種的抗霜性與冬小麥春化特性沒有直接關(guān)系，而可能與冬小麥品種自身遺傳的抗逆特性有關(guān)。這與鐘秀麗等[1]研究發(fā)現(xiàn)，品種抗凍力與抗霜力之間不存在顯著性相關(guān)關(guān)系，抗凍力極強的冬性品種（如3214），其抗霜力卻較弱；抗霜力很強的春性品種（如洛珍1號），其抗凍力則明顯弱于半冬性、冬性品種的結(jié)論一致?？梢?，隨著全球氣候變暖，初春冷暖空氣交替無常，霜凍害發(fā)生越來越頻繁、不規(guī)律，推廣抗凍力強的冬性、半冬性品種并不能完全杜絕或避免霜凍害帶來的損失。因此，鑒定和篩選抗霜凍品種是目前亟待解決的問題。

1.2 冬小麥幼穗分化進程與抗霜力的關(guān)系

冬小麥進入拔節(jié)期之前，生長點未離開地面，節(jié)間未伸長，分蘗節(jié)比較集中，又有層層葉鞘保護，所以，冬小麥抗低溫能力比較強，即使遭遇較強的霜凍害，也不能對冬小麥生長發(fā)育以及產(chǎn)量造成嚴重影響。拔節(jié)期之后，冬小麥進入幼穗分化的關(guān)鍵時期，對低溫十分敏感。在冬小麥幼穗分化進程中有個低溫敏感期，這個時期之后，抗霜凍力增強。目前，關(guān)于冬小麥霜凍害敏感時期的研究方法主要有兩大類：第一類，基于自然霜凍害發(fā)生后田間調(diào)查統(tǒng)計的結(jié)果?；矢ψ云鸬萚6]發(fā)現(xiàn)，雌雄蕊分化、藥隔形成期、四分體時期都是低溫敏感時期，如果此時期出現(xiàn)低溫，冬小麥幼穗凍害程度較重；胡新等[7]研究結(jié)果顯示，雌雄蕊原基形成到藥隔前期是冬小麥晚霜凍敏感時期；日本的吉田久[8]認為，雌雄蕊分化期最敏感；黃紹華等[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，藥隔前期的冬小麥幼穗最易受凍害。大田自然凍害情況比較復(fù)雜，具有顯著正空間自相關(guān)特性，凍害程度相近樣點具有局域空間集聚分布特性[10]，且低溫強度和品種發(fā)育進程無法控制，對品種抗霜力的分析也比較籠統(tǒng)，很難找到抗霜力對低溫躍變的幼穗分化期。這類方法總結(jié)出的結(jié)論對霜凍害程度和分布調(diào)查以及指導(dǎo)冬小麥生產(chǎn)具有重要意義。第二類，在不同幼穗分化時期，應(yīng)用人工霜箱對不同品種冬小麥進行人工模擬霜凍試驗，測定冬小麥抗霜力變化趨勢。劉平湘等[11]以百農(nóng)矮抗58、豫麥49-198、豫農(nóng)949和偃展4110四個品種為材料，研究發(fā)現(xiàn)，雌雄蕊至藥隔期都是小麥幼穗分化的低溫敏感時期，在藥隔期幼穗抗霜凍力驟降，而雌雄蕊分化期以及藥隔期之后，抗霜力下降的趨勢比較平緩，并提出品種抗霜性鑒定應(yīng)該在雌雄蕊至藥隔期進行。鐘秀麗等[12]研究認為，雌雄蕊分化期之前以及進入藥隔期之后，幼穗死傷率上升趨勢緩慢，而藥隔期幼穗死傷率驟升。藥隔期是冬小麥幼穗低溫敏感期，品種抗霜力的鑒定以及篩選抗霜品種應(yīng)該在幼穗敏感期（藥隔期）進行；王春艷等[13]研究發(fā)現(xiàn)，雌雄蕊未到藥隔初期冰點溫度最高，此時期可能是冬小麥凍害的敏感時期；趙鵬等[5]研究發(fā)現(xiàn)，藥隔期是冬小麥低溫敏感期。這類方法得出的結(jié)論比較一致，藥隔期是冬小麥抗霜力發(fā)生躍變的時期，即低溫敏感期。此方法對冬小麥抗霜力鑒定以及抗霜品種的篩選具有重要意義。

1.3 冬小麥品種特性與抗霜力的關(guān)系

鐘秀麗等[1]、胡新等[7]認為，冬小麥第一節(jié)間長度與抗霜力有顯著相關(guān)性。自然霜凍害發(fā)生時，夜間溫度隨著冠層高度的升高而降低。因此，第一節(jié)間越長，幼穗受嚴寒脅迫的程度就越大。同時，胡新等[7]還認為，分蘗力強、葉色深綠、豎葉型的品種抗霜力也較強。筆者認為，在播期、播量相近的條件下，分蘗力強的冬小麥品種，其群體較大，能夠提高小麥擋風(fēng)防風(fēng)的能力，且與豎葉型的品種一樣能夠更好地包裹幼穗，以防嚴寒的侵襲。而葉色深綠的品種，SPAD值高，葉綠素含量大，光合能力強，可能其細胞液濃度也較高，因此，抗霜力也就較高。此外，李茂松等[14]認為，篩選抗霜冬小麥品種應(yīng)該選擇拔節(jié)期晚，但抽穗成熟期正常的品種。此類冬小麥品種僅是利用春季幼穗發(fā)育進程緩慢，拔節(jié)期遲，能夠避開霜凍低溫的侵害，從而降低霜凍害的風(fēng)險。但是，此類品種并不一定是具有較高抗霜力的品種。

1.4 抗霜凍力鑒定方法

目前，主要采用幼穗鏡檢或植株受凍癥狀變化鑒定抗霜凍力的強弱。王春艷等[13]、胡新等[7]通過對冬小麥進行生態(tài)考察及幼穗鏡檢，將霜凍害程度分為5級，即1級為幼穗未發(fā)現(xiàn)明顯凍傷害，2級為凍傷小于1/3，3級為凍傷介于1/3～1/2，4級為凍傷大于1/2但未全部凍死，5級為幼穗全部凍死；李春燕等[15]根據(jù)葉片和分蘗受凍程度將霜凍害分為5級，即1級為無凍害，2級為葉尖受凍發(fā)黃不超過1/3，3級為葉尖受凍1/3～1/2，4級為葉片全部黃枯，5級為植株或大部分分蘗凍死。藥隔期是冬小麥抗霜力對低溫敏感的躍變期，如在此時期采用人工霜箱模擬自然霜凍試驗，然后根據(jù)冬小麥幼穗凍傷情況或植株葉片分蘗受凍情況，對小麥抗凍霜力進行鑒定，凍傷等級越小抗霜力就越強，反之抗霜力越弱。

李茂松等[16]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥拔節(jié)期細胞液濃度與凍害程度、凍害百分率呈極顯著負相關(guān)。這可能是由于細胞液濃度高，不但可以降低細胞結(jié)冰的冰點，而且可以降低細胞內(nèi)與細胞間的滲透壓，減小細胞因細胞質(zhì)脫水而引起質(zhì)壁分離的風(fēng)險，從而保護細胞結(jié)構(gòu)完整，免受低溫凍害造成細胞死亡。因此，細胞液濃度可以作為鑒定和篩選抗霜品種的指標之一。葉片可溶性糖和不飽和脂肪酸含量是鑒定冬小麥抗凍力強弱的一個較好的指標[17]。但鐘秀麗等[12]研究發(fā)現(xiàn)，品種抗霜力與葉片可溶性糖含量之間無顯著相關(guān)性。因此，葉片可溶性糖和不飽和脂肪酸含量對抗霜力的影響有待進一步深入研究。

2 冬小麥霜凍害防御措施與對策

2.1 培育抗霜品種，優(yōu)化種植布局

培育抗霜凍力強的冬小麥品種是解決霜凍害的重要途徑。目前，培育不但抗霜凍力強，而且具有農(nóng)藝性狀好，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥品種的方法途徑主要有四個：第一個，從現(xiàn)有大面積推廣應(yīng)用的品種中鑒定和篩選出抗霜凍力強，同時兼具早熟、穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和優(yōu)良農(nóng)藝性狀等特性的小麥品種。選出的抗霜凍品種不僅可以直接大面積推廣應(yīng)用，而且可以作為常規(guī)育種的親本材料?，F(xiàn)有冬小麥品種雖然較多，但兼具農(nóng)藝性狀好、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、抗霜凍力強的品種卻不多，無法滿足全國小麥種植區(qū)域環(huán)境條件多樣化、霜凍害程度多樣化的特性；第二個，將鑒定和篩選出的目標品種作為常規(guī)育種親本，選育抗霜凍能力較強，農(nóng)藝性狀好，產(chǎn)量、品質(zhì)更佳的品種。常規(guī)育種年限較長，工作量較大，很難短時間內(nèi)選育出很多高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的抗霜凍品種；第三個，通過生物基因工程技術(shù)將有關(guān)的抗凍基因轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)性狀好、產(chǎn)量品質(zhì)高的小麥品種。

隨著全球氣溫變暖，冬暖春寒現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，已改變了冬小麥的生長發(fā)育狀況，冬小麥發(fā)育期提前，而且種植的冬小麥品種出現(xiàn)春化趨勢，增加了遭遇低溫霜凍害的風(fēng)險。因此，深入了解不同地區(qū)初春霜凍溫度出現(xiàn)規(guī)律以及該地區(qū)冬小麥幼穗分化規(guī)律，合理布局不同抗霜凍性品種。霜凍害少發(fā)、晚發(fā)地區(qū)以耐晚播、拔節(jié)晚而成熟期正常的品種為主；霜凍害頻發(fā)、早發(fā)地區(qū)以抗霜能力強的品種為主，可以有效降低霜凍害的危害。

2.2 培育壯苗，增強冬小麥抗霜能力

隨著全球氣溫變暖，冬前和初春的有效積溫明顯增加，不但小麥植株干物質(zhì)量和分蘗數(shù)明顯增加，而且加快了小麥發(fā)育進程，拔節(jié)期提前，造成個體偏旺，群體質(zhì)量下降，以致霜凍低溫來臨時無法抵御低溫凍害。因此，培育壯苗也是提高小麥抗霜凍能力一個有效農(nóng)藝措施。目前，培育壯苗的農(nóng)藝措施有：（1）適時播種、合理密植，不但可以有效控制小麥生長，防止出現(xiàn)旺苗、弱苗，降低霜凍害威脅。而且可以延遲小麥拔節(jié)期，以避開初春溫度異常時期，降低霜凍害風(fēng)險；（2）科學(xué)施肥，應(yīng)做到有機肥和底肥足，氮磷鉀配比合適，增施磷肥，達到養(yǎng)分供給協(xié)調(diào)，提高小麥抗霜凍能力；（3）提高整地和播種質(zhì)量，避免土壤過于蓬松跑墑、漏墑以及深籽、叢籽、露籽現(xiàn)象，確保苗齊、苗壯，增強抗霜凍能力；（4）合理灌水，可以在土壤干旱時寒潮來臨前，提高土壤和空氣濕度，緩沖地面溫度變幅，避免田間溫度驟變，降低霜凍害；（5）合理利用植物生長調(diào)節(jié)劑，以控制小麥地上部分的生長，避開低溫霜凍害，提高小麥抗霜凍能力。

2.3 INA菌的研究與應(yīng)用

冰核菌廣泛附生于植物表面。正常情況下植物細胞中的游離水在-8～-7℃的低溫下不會結(jié)冰，但當冰核菌存在時，以冰核菌為異質(zhì)冰核因子的冰晶就會形成，從而使植物組織及細胞產(chǎn)生過冷卻作用，進而引起宿主植株組織的凍傷損害。孫福在等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米、水稻等禾本科植物中存在大量的冰核菌，且在早春、晚秋霜凍季節(jié)數(shù)量最大。

冰核菌在霜凍的發(fā)生中起重要作用[19]。目前，對冰核菌抗霜方面的研究主要有：一是利用化學(xué)藥劑殺死或清除作物上的冰核菌，以降低作物的冰結(jié)點；二是通過生物工程技術(shù)手段，培育基因工程菌，利用該菌爭奪營養(yǎng)和寄生能力更強的特性，限制和清除冰核菌在作物上的繁殖，提高作物耐霜能力；三是從INA細菌上分離特異性噬菌體，利用噬菌體寄生在冰核菌體內(nèi)，以吸收冰核菌體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)自我繁殖的特性，造成冰核菌解體死亡。具有殺死和清除冰核菌的化學(xué)物質(zhì)有：人用鏈霉素（500×10-6），銅水合劑（1.25 g/L），辛基苯偶酰二甲基銨，一羧酸酯化丙烯酸聚合物等。拮抗菌：M232A、A510、A506拮抗菌，RNA506和生防31兩種生防菌株以及Candida sp的酵母菌；基因工程菌：INA基因重組或誘變產(chǎn)生的INA.p.s，PFT-8等，具有抑菌、促生、定殖能力和抗逆性強的特征。

2.4 抗霜凍基因與轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用

控制光周期反應(yīng)基因（Fr）與控制春化反應(yīng)的基因（Vrn）均對低溫應(yīng)答有較大影響，其中Frl在5A染色體上，與Vrn1基因緊密連鎖，但可以重組；Fr2在5D染色體上，與Vrn3連鎖，也容易分開。目前，VRN1基因作為關(guān)鍵的發(fā)育因素已被鑒定對小麥抗寒性有直接關(guān)聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn)，VRN1基因是小麥抗寒性的關(guān)鍵性調(diào)控位點之一，其表達水平與小麥抗寒性呈負相關(guān)系[20]，顯性基因VRN1會顯著降低品種的抗寒性，2個或3個VRN1基因的品種一般抗寒性都很弱，而3個位點都為隱性基因是品種具有強抗寒性的前提條件。VRN1包含了位于小麥5A、5B、5D染色體長臂的3個基因，即Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1，其中Vrn-A1對小麥品種抗寒性的影響大于Vrn-D1。80%以上抗寒性好的品種在Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1這3個位點都為隱性基因[21]。Vrn-A1、Vrn-B1和Vrn-D1位點都為隱性基因型是品種抗寒性強、穩(wěn)產(chǎn)性和適應(yīng)性高的前提條件。但少數(shù)具有Vrn1基因的品種也有較好的抗寒性表現(xiàn)，一些具有vrn-A1vrn-B1vrn-D1基因型的品種也可能出現(xiàn)較嚴重凍害，如極端低溫天氣致使小麥凍害偏重。選育、推廣vrn-A1vrn-B1vrn-D1基因型的強抗寒性品種是降低或避免低溫霜凍害以及小麥安全生產(chǎn)發(fā)展的需求[21]。

目前，國內(nèi)外植物抗寒基因工程主要針對抗寒功能基因和抗寒調(diào)控基因。功能基因是提高植物抗寒性直接相關(guān)的基因，如冷誘基因、脂肪酸去飽和酶基因和抗氧化酶基因等對細胞膜起保護作用的基因[22]；而調(diào)控基因主要是通過調(diào)控抗寒基因的表達、寒冷信號傳導(dǎo)等過程來提高植物的耐寒性，如CBF轉(zhuǎn)錄因子基因等。雖然基因工程是使植物獲得抗霜凍能力的有效途徑，但抗寒基因工程研究畢竟是一個新興研究領(lǐng)域，有許多技術(shù)和問題有待進一步研究和解決。植物抗寒性是多種基因控制的數(shù)量性狀，而目前抗寒基因研究大多圍繞單個基因，僅靠轉(zhuǎn)移1個基因就使植物獲得抗霜凍能力比較困難。但同時轉(zhuǎn)移多個基因的技術(shù)還不夠成熟；植物抗霜凍力受一個龐大的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制，涉及大量基因，而目前分離基因很少且種類單一，很難取得更大突破。因此，必須從不同植物中分離更多基因，并深入研究其抗霜凍分子機理；抗霜凍基因只有在逆境下才能較好地提高植物抗霜凍水平。如果外源基因在非逆境下還進行高表達，將會給植物帶來許多負面效應(yīng)，甚至導(dǎo)致植物生長嚴重延滯。因此，如何有效控制外源基因的表達，將是抗寒基因工程研究與應(yīng)用不可逾越的鴻溝。相信隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用基因工程方法提高農(nóng)作物的抗霜凍能力將會取得重大進展，并會得到廣泛應(yīng)用和推廣。

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