劉計(jì)濤，索海翠，李成晨，王 麗，單建偉，安 康，李小波

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

馬鈴薯是茄科茄屬一年生草本植物，原產(chǎn)于南美安第斯山脈，栽培歷史已逾7 000年，16世紀(jì)由南美傳播到歐洲，17世初開始傳播到中國(guó)。經(jīng)過不斷發(fā)展馬鈴薯已經(jīng)成為我國(guó)第四大糧食作物，2019年種植面積為490.15萬hm2，產(chǎn)量為7 033.8萬t，約占世界馬鈴薯總產(chǎn)量的1/4，連續(xù)多年穩(wěn)居世界首位（聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)）。

我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)域目前主要分為北方一季作區(qū)、西南一二季混作區(qū)、中原二季作區(qū)和南方冬作區(qū)4個(gè)區(qū)域。馬鈴薯塊莖產(chǎn)量高，富含糖類、蛋白質(zhì)和維生素以及人體必需的全部氨基酸，是維生素種類最全的糧食作物；維生素含量相當(dāng)于胡蘿卜的2倍，其中維生素B族含量是蘋果的4倍，素有“第二面包”和“地下蘋果”的美稱，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。盡管我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量巨大，但人均年消費(fèi)馬鈴薯僅為40 kg，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的100 kg。2015年我國(guó)啟動(dòng)了馬鈴薯主食化戰(zhàn)略，以改善國(guó)民膳食結(jié)構(gòu)；此外，馬鈴薯單產(chǎn)高且不與水稻、小麥等主糧作物爭(zhēng)地，是調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的重要替代物，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有重要意義［1］。

溫度、降水和日照等氣候條件顯著影響馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量［2］，隨著全球氣候變化，極端天氣頻發(fā)，低溫寒害對(duì)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成巨大挑戰(zhàn)，如北方一季作區(qū)和西南一二季混作區(qū)往往在春末秋初的播種期和收獲期容易遭受低溫寒害造成減產(chǎn)，南方冬作區(qū)在生長(zhǎng)中期（12月至次年1月）容易遭受短時(shí)間的低溫寒潮，導(dǎo)致地上部萎蔫甚至死亡，嚴(yán)重影響產(chǎn)量甚至絕收。2016年低溫寒潮導(dǎo)致廣東冬種馬鈴薯大面積減產(chǎn)，農(nóng)民損失嚴(yán)重。目前生產(chǎn)上主導(dǎo)馬鈴薯品種多為20世紀(jì)從國(guó)外引進(jìn)的品種或近緣雜交種，耐寒性差，易遭受低溫寒害嚴(yán)重影響產(chǎn)量、降低經(jīng)濟(jì)效益，嚴(yán)重制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展［3］。因此，探索馬鈴薯抗寒機(jī)制、培育抗寒新品種對(duì)于馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和保障國(guó)家糧食安全具有重要意義。本文主要對(duì)馬鈴薯抗寒資源、抗寒生理與分子機(jī)制等研究進(jìn)行綜述，以期對(duì)馬鈴薯的抗寒育種和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 低溫脅迫對(duì)馬鈴薯的影響

低溫脅迫是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)重要因子。低溫脅迫分為冷害脅迫（0～15℃）和凍害脅迫（低于0℃）。冷害脅迫能夠抑制細(xì)胞內(nèi)光合作用、呼吸作用和生化途徑酶的活性［4］，打破植物細(xì)胞內(nèi)活性氧清除機(jī)制和激素平衡，最終導(dǎo)致細(xì)胞的死亡以及作物減產(chǎn)［5］。凍害脅迫導(dǎo)致細(xì)胞間結(jié)晶水的形成，使細(xì)胞的脫水遭受滲透脅迫，最終導(dǎo)致膜的損傷甚至細(xì)胞死亡［6］。

1.1 冷害脅迫對(duì)馬鈴薯的影響

馬鈴薯普通栽培品種喜冷涼，不耐低溫。幼苗生長(zhǎng)最適溫為18～21℃，高于30℃或低于7℃莖葉停止生長(zhǎng)［7］,當(dāng)馬鈴薯遭受0～15℃低溫脅迫時(shí)，主要表現(xiàn)為低溫冷害。如在馬鈴薯發(fā)芽階段，溫度低于4℃時(shí)，馬鈴薯芽萌發(fā)受抑制，溫度長(zhǎng)期處于5～7 ℃時(shí)，幼芽會(huì)形成極短的匍匐莖，頂端膨大形成小薯，或直接從塊莖芽眼處長(zhǎng)出夢(mèng)生薯，嚴(yán)重影響出苗。在馬鈴薯苗期，溫度低于12 ℃時(shí)，馬鈴薯植株能夠形成花芽但不能開放，低于7 ℃時(shí)莖葉停止生長(zhǎng)；低溫可使馬鈴薯塊莖提早形成，低于7 ℃時(shí)塊莖膨大緩慢［8］。此外，在南方冬作區(qū)持續(xù)的低溫往往伴隨陰雨，會(huì)造成大田栽培的馬鈴薯光合作用降低和葉片黃化萎蔫［9］。秦玉芝等［10］對(duì)9個(gè)馬鈴薯品種進(jìn)行低溫處理，通過對(duì)葉片光合速率分析，發(fā)現(xiàn)10℃下所有材料的表觀量子速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著降低。研究還表明，低溫冷害能夠促進(jìn)馬鈴薯葉片葉綠素降解，導(dǎo)致光合速率降低，最終影響產(chǎn)量［11］。低溫處理（4 ℃/2 ℃，晝/夜）霜凍敏感材料中薯3號(hào)和耐霜凍材料Solanum acaule（03079-45）幼苗，發(fā)現(xiàn)兩者總?cè)~綠素含量都呈先降后升的趨勢(shì)，但變化速率存在差異［12］。冷害脅迫還能夠影響根的活性，張麗莉等［13］以克新18號(hào)、克新13號(hào)和早大白3個(gè)馬鈴薯品種為試材，進(jìn)行低溫脅迫（7 ℃）處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫顯著抑制馬鈴薯根的生長(zhǎng)，降低根系活力；脅迫解除后，根長(zhǎng)迅速增加，根系活力顯著增強(qiáng)。在S. cereale中，低溫脅迫影響根對(duì)N的吸收，導(dǎo)致木質(zhì)部N含量減少60%，產(chǎn)量降低［14］。在塊莖成熟階段，低溫冷害造成韌皮損傷，導(dǎo)致塊莖橫切面出現(xiàn)布滿整個(gè)塊莖或分布于受害一側(cè)的網(wǎng)狀壞死；隨著冷害程度加深，維管束環(huán)周圍出現(xiàn)黑褐色斑點(diǎn)，在臍端附近表現(xiàn)更嚴(yán)重，塊莖內(nèi)部的粉紅色病變也可能是由冷害引起［8］。

1.2 凍害脅迫對(duì)馬鈴薯的影響

低溫凍害（低于0 ℃）會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯減產(chǎn)甚至絕收［15］，我國(guó)4個(gè)馬鈴薯主要種植區(qū)都會(huì)遭受低溫凍害，如南方冬作區(qū)冬種馬鈴薯播種淺、覆蓋薄，在12月至次年2月易受低溫霜凍危害［16］。在馬鈴薯發(fā)芽階段，溫度降至-1 ℃時(shí)，馬鈴薯種薯會(huì)因凍害死亡，導(dǎo)致缺苗減產(chǎn)。在苗期，7 ℃為馬鈴薯莖葉生長(zhǎng)的最低溫度，當(dāng)溫度降到-2℃時(shí)幼苗受凍害，表現(xiàn)為葉片迅速萎蔫、干枯，生長(zhǎng)點(diǎn)受損；凍害解除后，葉片呈水浸狀，死亡后變黑萎蔫，或表現(xiàn)皺縮、畸形，葉出現(xiàn)壞死性斑點(diǎn)，莖桿出現(xiàn)斑駁，頂端優(yōu)勢(shì)消失，莖節(jié)及下部芽和副芽萌發(fā)，造成主莖分枝叢生，-3℃時(shí)莖葉全部?jī)鏊溃?7］。馬鈴薯的花在溫度低于-0.5 ℃時(shí)會(huì)受到凍害，低于-1 ℃時(shí)致死，造成花不開放，花蕾和花朵脫落、蔫枯；當(dāng)氣溫低于-2 ℃時(shí)，馬鈴薯塊莖停止生長(zhǎng)，塊莖遭受低溫凍害解凍后，其組織由基本色變成桃紅色或火紅色，直至變?yōu)榛疑⒑稚蚝谏?，凍傷組織迅速變軟、腐爛。此外，馬鈴薯受低溫凍害后，植株整體表現(xiàn)為長(zhǎng)勢(shì)不齊，易感染病菌，直接影響產(chǎn)量［7］。

2 馬鈴薯抗寒資源及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 馬鈴薯野生種抗寒資源

馬鈴薯的抗寒性主要分為抗凍害脅迫型和凍害敏感型兩類，即能夠在-4℃以下存活的品種為抗凍害脅迫型，只能在-2.5 ℃以上存活的為凍害敏感型［17］。Chen等［18］對(duì)馬鈴薯野生種和栽培種進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)，并根據(jù)半致死溫度和低溫馴化的程度將馬鈴薯分為五類：（I）抗凍害脅迫型且能夠被低溫馴化，主要包括S. acaule、S. commersonii、S. multidissectum和S. chomatophilum；（II）抗凍害脅迫型且不能夠被低溫馴化，主要包括S.bolviense、S. megistacroiobum和S. sanctae-rosae；（III）凍害敏感性且能夠被低溫馴化，主要包括S. oplocense和S. polytrichon；（IV）凍害敏感性且不能夠被低溫馴化，主要包括S. brachistotrichum、S. cardiophyllum和S. fendleri等，LT50范圍是-2.5～3.5℃，其中馬鈴薯普通栽培種S. tuberosum的耐受溫度為-3 ℃；（V）冷害敏感型，只有S.trifldum一個(gè)種 。國(guó)內(nèi)許多育種家也對(duì)馬鈴薯野生種進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)。趙喜娟等［19］通過人工冷凍法對(duì)18個(gè)野生種的97份材料進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明S. acaule、S. bukasovii、S. commersonii等抗寒能力最強(qiáng)，S. chomatophilum、S. demissum、S.megistacrolobum和S. acaule等中也具有較強(qiáng)抗寒能力。李飛等［20］通過人工冷凍鑒定結(jié)合聚類分析的方法對(duì)25份S. acaule無性系材料進(jìn)行抗寒評(píng)價(jià)，低溫馴化前主要分為霜凍敏感型（12份）、耐凍型（11份）、強(qiáng)耐凍型（2份），低溫馴化后霜凍敏感型減少9份，耐凍型和強(qiáng)耐凍型材料分別增加到12份和10份，且這個(gè)抗寒評(píng)價(jià)與田間自然霜凍評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

2.2 馬鈴薯栽培種抗寒資源

馬鈴薯普通栽培種主要是S. tuberosum，被認(rèn)為是低溫敏感型且不能被低溫馴化，隨著馬鈴薯抗寒育種研究的不斷深入，育種專家們已經(jīng)篩選出許多具有一定抗寒性的材料，并作為親本進(jìn)行馬鈴薯抗寒育種。丁紅映等［21］用隸屬函數(shù)法和聚類分析法對(duì)103份馬鈴薯種質(zhì)資源的耐寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出16份抗寒材料，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，國(guó)外引入種質(zhì)資源的抗寒性最強(qiáng)，國(guó)內(nèi)種質(zhì)資源中北方一季作區(qū)抗寒性強(qiáng)于其他地區(qū)?？梢?，從抗寒優(yōu)勢(shì)區(qū)引進(jìn)資源，有利于改善馬鈴薯抗寒性。董建科等［22］分別以 MLM266-2、Lucky和 RH89-039-16、10908-06作為抗感對(duì)照種，對(duì)140份馬鈴薯栽培種及8份種間雜種材料進(jìn)行了抗寒能力和馴化抗寒能力鑒定，篩選出Alaska Frostless、Simcoe、M1、華渝5號(hào)和華薯11號(hào)等9份抗寒性較強(qiáng)的栽培種材料，以及14FT24-10和14FT04-25兩份種間雜種材料。劉浩等［23］采用自然霜凍法，對(duì)寧夏西吉縣14個(gè)馬鈴薯主栽品種進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，晉薯7號(hào)、新大平、內(nèi)薯7號(hào)抗寒性較強(qiáng)，夏波蒂、大西洋、寧薯8號(hào)、隴薯6號(hào)、隴薯3號(hào)等5個(gè)品種抗寒性中等，青薯168、中心24號(hào)、寧薯9號(hào)、寧薯4號(hào)、虎頭、云薯6號(hào)等6個(gè)品種為霜凍敏感型。黃先群等［24］對(duì)地方品種普安紫洋芋和費(fèi)烏瑞它自然及輻射變異株系的抗寒性進(jìn)行鑒定，獲得了費(fèi)烏瑞它自然變異抗寒株系Ⅲ-25-5和輻射變異抗寒株系3-23X。此外，許多研究對(duì)馬鈴薯的栽培種進(jìn)行了抗寒性評(píng)價(jià)，為未來馬鈴薯抗寒新品種的選育提供了參考［19］。

2.3 馬鈴薯抗寒評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3.1 形態(tài)及生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)評(píng)價(jià) 植物形態(tài)學(xué)相關(guān)指標(biāo)可以作為低溫脅迫損傷的直接鑒定依據(jù)［25］。關(guān)于馬鈴薯的形態(tài)學(xué)特征與抗寒性的關(guān)系已有相關(guān)研究，如Palta等［26］研究24個(gè)抗寒性不同的馬鈴薯品種生長(zhǎng)習(xí)性、葉片形狀、氣孔指數(shù)和柵狀組織的數(shù)目，結(jié)果表明抗寒性品種有2個(gè)柵狀組織，不抗寒品種僅1個(gè)；抗寒性品種的氣孔指數(shù)是不抗寒品種的3倍，且抗寒性品種具有更多小而厚的葉片，因此，氣孔指數(shù)和柵欄組織被認(rèn)為可以作為馬鈴薯抗寒性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

馬鈴薯苗期抗寒性的鑒定還可以根據(jù)植株的凍害程度。對(duì)植株的器官、組織進(jìn)行評(píng)價(jià)。Vega等［27］對(duì)101個(gè)不同種的2 635份馬鈴薯材料在低溫脅迫恢復(fù)后的植株?duì)顟B(tài)進(jìn)行低溫?fù)p傷評(píng)級(jí)，根據(jù)葉片莖稈的表型確定了0～6級(jí)的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。涂衛(wèi)等［28］在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算植株受損傷害指數(shù)建立了馬鈴薯苗期抗寒評(píng)價(jià)體系，該評(píng)價(jià)體系與半致死溫度評(píng)價(jià)體系結(jié)果一致，可以用于大量材料的抗寒性篩選?？芩龋?9］利用該方法對(duì)137個(gè)普通栽培種雜交組合的16 068個(gè)后代進(jìn)行抗寒篩選（-3 ℃），篩選出相對(duì)抗寒組合26個(gè)，包括13個(gè)抗寒母本和7個(gè)抗寒父本；對(duì)抗寒親本進(jìn)行半致死溫度驗(yàn)證，結(jié)果與評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

2.3.2 電導(dǎo)率擬合Logistic方程鑒定法 大量研究結(jié)果表明，離子滲透率擬合Logistic方程進(jìn)行回歸分析，以拐點(diǎn)溫度指示植物組織的半致死溫度（LT50）可以更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)植物的抗寒性［30］。電導(dǎo)率測(cè)定法配合Logistic方程鑒定馬鈴薯抗寒性已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。李飛等［12］對(duì)25份野生種和不抗寒對(duì)照種中薯3號(hào)進(jìn)行低溫脅迫（-7～0 ℃）處理，通過測(cè)定離體葉片的離子滲透率并擬合Logistic方程得到了LT50，中薯3號(hào)的LT50為-2.5 ℃，野生種馬鈴薯3079-444的LT50最低為-8 ℃，與前人研究結(jié)果一致。李華偉等［31］以18份馬鈴薯資源和47份馬鈴薯后代品系為材料，采用低溫脅迫處理馬鈴薯離體葉片，測(cè)定其相應(yīng)電導(dǎo)率，擬合Logistic方程得出其半致死溫度LT50，將供試材料分為低溫敏感型、中間型、耐寒性較強(qiáng)3類，篩選出耐寒性強(qiáng)的2份資源及4份后代品系。鞏慧玲等［32］對(duì)二倍體材料H28-7和RH及其雜交后代H7R-3，-15，-175，-199以及四倍體栽培種大西洋、斯諾登、卡它丁和布爾斑克進(jìn)行低溫馴化并利用電導(dǎo)率擬合Logistic方程比較LT50，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)低溫馴化時(shí)，二倍體H28-7的最高，經(jīng)低溫馴化后，H28-7、H7R-15和H7R-175等3個(gè)材料的LT50幾乎不變，其他材料的LT50均有所降低。

2.3.3 生化指標(biāo)結(jié)合隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)法 低溫脅迫對(duì)植物的細(xì)胞膜系統(tǒng)、保護(hù)酶系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光合作用都會(huì)產(chǎn)生不利影響［33］，植物抗氧化性作為影響抗逆性的關(guān)鍵因子，是植物對(duì)低溫脅迫的應(yīng)激反應(yīng)?；钚匝酰≧OS）是生物有氧代謝過程中的一類化學(xué)分子，包括氧離子、過氧化物和含氧自由基，低溫脅迫會(huì)誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生和積累，對(duì)蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等產(chǎn)生氧化傷害。此外，ROS通過降解不飽和脂肪酸會(huì)產(chǎn)生MDA影響細(xì)胞膜的滲透性，導(dǎo)致細(xì)胞和組織死亡［34］。楊慧菊等［35］分析了10個(gè)馬鈴薯栽培種在低溫脅迫條件下的葉片相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性 、過氧化物酶（POD）活性和可溶性蛋白含量，發(fā)現(xiàn)抗寒性強(qiáng)的品種SOD、POD和可溶性蛋白含量高于不抗寒品種，葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量則呈相反趨勢(shì)。

為將這些生理指標(biāo)更好地與馬鈴薯抗寒性關(guān)聯(lián)起來，采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)馬鈴薯抗寒性是一種更為有效的方法［36］。楊慧菊等［35］以馬鈴薯葉片各項(xiàng)生理指標(biāo)作為抗寒性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法和聚類分析法對(duì)馬鈴薯的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果與低溫脅迫后植株霜凍損傷評(píng)分結(jié)果相符。

3 馬鈴薯抗寒生理機(jī)制

3.1 低溫脅迫與活性氧清除機(jī)制

低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞ROS積累，最終引起細(xì)胞損傷，提升ROS清除系統(tǒng)被認(rèn)為是賦予植物脅迫耐性的重要途徑之一。植物活性氧清除機(jī)制關(guān)鍵酶包括抗壞血酸過氧化物酶（APX），SOD、POD和過氧化氫酶（CAT），低溫脅迫后，植物葉片POD、CAT和SOD活性顯著升高，APX和CAT能夠清除游離自由基，SOD能夠催化超氧根離子，減少氧化脅迫損傷［37］。辛翠花等［11］研究表明，低溫（5 ℃）處理48 h后，馬鈴薯品種大西洋的SOD活性先降后升，POD活性先升后降。許娟等［38］對(duì)兩類感抗寒性馬鈴薯品種進(jìn)行低溫脅迫處理（5℃），發(fā)現(xiàn)低溫脅迫后葉片POD、CAT和SOD活性明顯升高，且抗寒品種活性氧清除酶活性高于不抗寒品種。外源鈣素、水楊酸（SA）處理可提高SOD、POD和CAT活性，減輕低溫脅迫對(duì)細(xì)胞的氧化損傷度，加快細(xì)胞修復(fù)速度，提高馬鈴薯植株抗寒性［39-40］，以上研究結(jié)果表明，馬鈴薯抗寒性與活性氧清除機(jī)制密切相關(guān)。

3.2 低溫脅迫與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

低溫脅迫尤其是凍害脅迫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞脫水，形成滲透脅迫最終造成細(xì)胞死亡。植物細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)包括可溶性蛋白、離子、糖類和脯氨酸等。研究表明，低溫脅迫條件下，抗寒品種脯氨酸含量高于不抗寒品種，脯氨酸的含量與抗寒性呈正相關(guān)［41］，且作為抗寒馬鈴薯品種鑒定的生理指標(biāo)［38］。除脯氨酸外，可溶性蛋白含量在低溫脅迫條件下也顯著降低［36,38］。糖類及糖醇、氨基酸及其衍生物在調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透脅迫耐性中也起著重要作用。在抗寒馬鈴薯品種S. commersonii中，低溫促進(jìn)蔗糖、果糖、葡萄糖以及甜菜苷和棉子糖等低聚糖的積累，且抗寒品種顯著高于不抗寒品種［42］。此外，多胺類物質(zhì)也在馬鈴薯抗寒過程中發(fā)揮重要功能，研究發(fā)現(xiàn)，在凍害脅迫敏感型馬鈴薯S. phureja和Desiree中多胺的含量處于較低水平且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但在抗凍性品種S.acaule和 88-35-7中存在較高水平的可溶性多胺成分［43］。外源施加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如鈣素、脫落酸、亞精胺和油菜素內(nèi)酯等能夠顯著增強(qiáng)可溶性糖和蛋白以及脯氨酸等含量［39,44］。

低溫脅迫下，植物葉片的離子滲透率增加，細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA積累，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜透性的增加。許多研究表明，MDA含量與馬鈴薯植株的抗寒性呈負(fù)相關(guān)，是抗寒馬鈴薯鑒定的生理指標(biāo)［32，38］。鈣素預(yù)處理能夠顯著降低離子滲透率和MDA含量，維持膜的穩(wěn)定性降低膜損傷［39］。

4 馬鈴薯抗寒分子機(jī)制

4.1 基因組水平

許多作物包括水稻等利用基因組學(xué)分析手段對(duì)作物性狀的遺傳規(guī)律進(jìn)行解析［45］。馬鈴薯普通栽培種被認(rèn)為是低溫敏感型且不能被低溫馴化。但馬鈴薯野生種S. commersonii是抗寒性最強(qiáng)的，通過基因組水平分析發(fā)現(xiàn)，與S. tuberosum相比，S.commersonii基因組的雜合性（僅為1.5%）顯著低于栽培種（53%～59%），且基因組較小，這種差異主要是由基因間的序列長(zhǎng)度差異引起的。參考轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)注釋基因組預(yù)測(cè)了1 703個(gè)microRNA以及18, 882個(gè)非編碼RNA。在非編碼RNA中有20%能夠靶定到低溫脅迫響應(yīng)基因上，這些低溫響應(yīng)基因共預(yù)測(cè)到39 290個(gè)蛋白，其中有126個(gè)低溫脅迫相關(guān)基因是S. tuberosum上沒有的，進(jìn)化樹分析發(fā)現(xiàn)S. commersonii與S. tuberosum的分離發(fā)生在230萬年前［46］。S. commersonii基因組測(cè)序?yàn)檠芯狂R鈴薯的馴化以及創(chuàng)制馬鈴薯新資源提供了參考。

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，在表觀遺傳學(xué)層面研究馬鈴薯抗寒機(jī)制也逐漸展開。在植物基因組區(qū)域存在許多激活的順式調(diào)節(jié)DNA元件，被定義為DNA超敏感位點(diǎn)（DHS）。Zeng等［47］繪制了馬鈴薯低溫脅迫的DHS圖譜，并發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫條件下，染色質(zhì)可及性和二價(jià)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶H3K4me3-H3K27me3修飾增強(qiáng)，影響低溫脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)馬鈴薯植株的低溫脅迫耐性。

4.2 轉(zhuǎn)錄組水平

轉(zhuǎn)錄組分析是解析馬鈴薯脅迫響應(yīng)的重要手段。Alicia等［48］以DM1-3 516 R44為材料，通過轉(zhuǎn)錄組分析其在鹽、干旱和高溫等非生物脅迫和馬鈴薯晚疫病等非生物脅迫，通過參考擬南芥進(jìn)行對(duì)比，揭示了不同的脅迫響應(yīng)調(diào)節(jié)通路和差異基因。在馬鈴薯低溫脅迫的研究中，轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)已得到逐步推廣。馬鈴薯野生種S. commersonii在低溫馴化和非低溫馴化條件下低溫脅迫進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，表明，低溫馴化條件下差異基因?yàn)?20個(gè)，非低溫馴化條件下差異基因?yàn)?84個(gè)，前者特異差異基因?yàn)?1個(gè)，后者為135個(gè)；GO分析兩種條件下差異的代謝通路，發(fā)現(xiàn)非低溫馴化條件下差異基因主要富集到細(xì)胞質(zhì)部分，細(xì)胞器代謝、光合作用和油菜素內(nèi)酯代謝途徑；低溫馴化條件下差異基因主要富集到金屬和鎘離子代謝、共質(zhì)體以及液泡代謝途徑［46］。利用轉(zhuǎn)錄組結(jié)合蛋白組分析馬鈴薯S.tuberosum低溫脅迫響應(yīng)，表明抗氧化相關(guān)基因和蛋白受低溫脅迫誘導(dǎo)表達(dá)明顯，光合作用相關(guān)基因受低溫脅迫抑制表達(dá)；此外，一些氨基酸和糖類代謝相關(guān)的基因和酶類受低溫脅迫影響顯著［49］。通過對(duì)馬鈴薯栽培種Bintje和其矮化突變體進(jìn)行RNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)突變體中脅迫相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)，包括溫度脅迫響應(yīng)蛋白COR413-PM2等［50］。

4.3 基因功能

目前，在植物響應(yīng)低溫脅迫的分子機(jī)制方面已經(jīng)開展了大量研究，主要包括植物激素、轉(zhuǎn)錄因子、激酶以及功能蛋白等［51-52］。其中ICE-CBFCOR信號(hào)傳導(dǎo)途徑被認(rèn)為在低溫馴化中起關(guān)鍵作用［53］。馬鈴薯中存在 CBF3-CBF1-CBF2-CBF-2B和CBF5-CBF4兩個(gè)基因簇，通過比較馬鈴薯S.tuberosum和S.commersonii中CBF基因家族發(fā)現(xiàn)，在S. tuberosum上存在CBF4和CBF5基因，且CBF4與CBF5是聯(lián)系在一起的，但在S.commersonii中只有CBF4［54］。馬鈴薯中只有CBF1和CBF4能夠被低溫誘導(dǎo)表達(dá)，在S. tuberosum和S.commersonii中過表達(dá)ScCBF1提升了植株的干旱脅迫耐性，與對(duì)照相比脯氨酸含量顯著升高［55］。

低溫脅迫影響細(xì)胞膜的流動(dòng)性，導(dǎo)致滲透性降低，最終細(xì)胞解體死亡。馬鈴薯stearoyl-ACP desaturase（ω-9）基因在細(xì)胞膜脂質(zhì)去飽和中發(fā)揮重要功能，與不抗寒品種S. tuberosum相比，在抗寒品種S. commersonii中，低溫脅迫能夠顯著誘導(dǎo)ω-9基因的表達(dá)，在S. tuberosum中過表達(dá)ω-9改變了細(xì)胞膜脂肪酸脂質(zhì)的組成，提升了馬鈴薯植株的抗寒性［56］。在S. commersonii、S. acaule和S. cardiophyllum中ω-6脫氫酶基因（FAD2）的序列分析發(fā)現(xiàn)，核苷酸中有8個(gè)位點(diǎn)的差異導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的氨基酸殘基變化，其中第11和第44位氨基酸殘基與馬鈴薯冷馴化存在一定的相關(guān)性，表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn)，低溫馴化后FAD2基因在3個(gè)馬鈴薯野生種中表達(dá)上調(diào)，但S. commersonii和S. acaule的FAD2基因表達(dá)水平顯著高于S. cardiophyllum［57］。

此外，植物激素作為重要的調(diào)節(jié)因子廣泛參與低溫脅迫耐性的響應(yīng)，在許多植物中已進(jìn)行了較為深入的研究。在馬鈴薯中低溫脅迫通過誘導(dǎo)ABA信號(hào)途徑AREB3和ABI5的表達(dá)直接調(diào)控StADC1的表達(dá)，并介導(dǎo)腐胺合成增強(qiáng)CBF途徑上相關(guān)基因的表達(dá)來提高馴化抗寒性［58］。馬鈴薯ScmiR390-5p通過抑制SCLRRK1的表達(dá)參與低溫脅迫響應(yīng)的調(diào)節(jié)，且ScmiR390-5p/SCLRRK1調(diào)控模塊在鹽脅迫、滲透脅迫和6-BA響應(yīng)中也起重要作用［59］。低溫脅迫誘導(dǎo)乙烯響應(yīng)蛋白StEREBP1的表達(dá)，過表達(dá)StEREBP1提升了馬鈴薯植株的抗寒性，且與對(duì)照相比馬鈴薯產(chǎn)量提升30%［60］。過表達(dá)StGA2ox1基因，降低馬鈴薯植株體內(nèi)活性GA的含量，誘導(dǎo)脅迫響應(yīng)基因RD28、DREB1、WRKY1和SnRK2的表達(dá)，提升了脯氨酸含量，表現(xiàn)出更強(qiáng)的低溫脅迫耐性［61］。

馬鈴薯普通栽培種不耐低溫且不能被馴化，因此引入外源抗寒基因也是解決馬鈴薯抗寒性的選擇之一。在馬鈴薯栽培種（cv.Desiree）中異源表達(dá)擬南芥DREB1A和DREB1B顯著增強(qiáng)馬鈴薯植株抗寒性，與對(duì)照相比，轉(zhuǎn)基因植株的脯氨酸含量較高［62］。在馬鈴薯中利用脅迫誘導(dǎo)性啟動(dòng)子rd29A異源表達(dá)AtCBF1和AtCBF3基因，能夠提升馬鈴薯植株的抗寒性，并且能夠最大限度的減少對(duì)產(chǎn)量的影響［63］。同樣地，將藍(lán)藻Δ12酰脂質(zhì)脫氫酶desA基因過表達(dá)到S. tuberosum中，轉(zhuǎn)基因植株脂肪酸含量比對(duì)照高42%，且經(jīng)過低溫脅迫表現(xiàn)出更強(qiáng)的脅迫耐性［64］。這些分子機(jī)制的研究為馬鈴薯抗寒分子育種提供了理論依據(jù)和基因資源。

5 展望

馬鈴薯抗寒性研究逐漸成為育種專家們關(guān)注的重點(diǎn)，解析馬鈴薯抗寒的分子機(jī)制，挖掘抗寒遺傳位點(diǎn)，最終培育抗寒馬鈴薯新品種，已經(jīng)成為新的挑戰(zhàn)。馬鈴薯普通栽培種遺傳基礎(chǔ)狹窄，抗寒育種面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，馬鈴薯抗寒性是由多基因控制，調(diào)控機(jī)制復(fù)雜。因此，亟需收集抗寒性強(qiáng)的資源，拓寬?cǎi)R鈴薯育種親本的遺傳基礎(chǔ)；結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)手段，挖掘抗寒關(guān)鍵的遺傳位點(diǎn)，通過分子設(shè)計(jì)育種、倍性育種等手段更快、更高效地進(jìn)行育種。隨著馬鈴薯抗寒研究的不斷深入，育種技術(shù)的不斷提高，馬鈴薯抗寒育種將會(huì)取得突破性進(jìn)展。