柯媛媛，陳 翔，倪芊芊，張樂(lè)樂(lè)，劉綠洲，許 輝，魏鳳珍，李金才,2*

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部華東地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)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(yíng)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(duì)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(zhǎng)，預(yù)計(jì)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(zhǎng)率要達(dá)到2.4%[2-3]。工業(yè)革命以來(lái)，全球氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）氣候變化與土地特別報(bào)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(yù)計(jì)到2100年將再上升1.5℃以上[4]。而氣候變化導(dǎo)致極端低溫事件出現(xiàn)的頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(duì)黃淮麥區(qū)的小麥生產(chǎn)造成的危害較大。據(jù)報(bào)道，我國(guó)黃淮麥區(qū)河南省和山東省倒春寒一般發(fā)生頻率達(dá)30%以上，最高年份甚至達(dá)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(huì)產(chǎn)生一系列生理生態(tài)變化響應(yīng)低溫逆境，一般認(rèn)為由逆境脅迫引起的活性氧（reactive oxygen species，ROS）積累進(jìn)而導(dǎo)致的氧化脅迫是影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的主要原因[7]。ROS 是植物響應(yīng)非生物脅迫網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，它是化學(xué)性質(zhì)活潑、氧化能力極強(qiáng)的氧代謝物及其衍生的含氧物質(zhì)的總稱(chēng)，主要包括超氧陰離子（O2·）、過(guò)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(huì)影響小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量ROS 通過(guò)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(shí)導(dǎo)致“庫(kù)”器官小麥穗部花藥的氧化損傷，進(jìn)而敗育影響結(jié)實(shí)。低溫引起的ROS 積累還會(huì)導(dǎo)致小麥根系細(xì)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(dǎo)致減產(chǎn)。因此，明確低溫脅迫下小麥體內(nèi)ROS 代謝機(jī)制，對(duì)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(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響，并對(duì)未來(lái)的研究進(jìn)行展望，以期為我國(guó)小麥生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)與提質(zhì)增效提供理論參考。

1 低溫脅迫下活性氧作用機(jī)制

1.1 ROS 的產(chǎn)生

逆境脅迫下ROS 在質(zhì)膜、細(xì)胞壁、線粒體、葉綠體和過(guò)氧化物酶體等各種亞細(xì)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(xì)胞器更是產(chǎn)生ROS 的主要來(lái)源[10]。葉綠體類(lèi)囊體中PSⅠ和PSⅡ反應(yīng)中心是產(chǎn)生ROS 的主要場(chǎng)所[11]。低溫脅迫會(huì)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(duì)光合機(jī)構(gòu)造成破壞[12-14]，從而降低植株對(duì)光能的吸收效率，同時(shí)抑制暗反應(yīng)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(guān)鍵來(lái)源。植物線粒體電子傳遞鏈上的許多位點(diǎn)都能產(chǎn)生ROS，其包括4 種復(fù)合物，分別是NADH 脫氫酶（復(fù)合物Ⅰ）、琥珀酸脫氫酶（復(fù)合物Ⅱ）、輔酶Q- 細(xì)胞色素bc1 還原酶（復(fù)合物Ⅲ）和細(xì)胞色素c氧化酶（復(fù)合物Ⅳ），其中復(fù)合物Ⅰ和復(fù)合物Ⅲ是ROS 產(chǎn)生的主要位點(diǎn)[15]。低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致其組分的抑制或修飾，最終導(dǎo)致電子載體的過(guò)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(fù)合體Ⅰ和Ⅲ漏出，生成具有較強(qiáng)氧化作用的O2·，并通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)生成·OH、H2O2[16]。

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

圖1 低溫脅迫下細(xì)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(zhǎng)的小麥體內(nèi)，ROS 的生成與消除可通過(guò)調(diào)節(jié)其抗氧化酶系統(tǒng)來(lái)維持動(dòng)態(tài)平衡[8]。輕中度低溫脅迫下，ROS 在植物體內(nèi)起著關(guān)鍵的調(diào)控作用，可作為信號(hào)分子感應(yīng)外界低溫環(huán)境的變化，誘導(dǎo)植物表達(dá)防御基因，從而激發(fā)抗氧化系統(tǒng)發(fā)揮作用，消除過(guò)量ROS 的不利影響[8]。但隨著低溫脅迫持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的增加，小麥體內(nèi)ROS 的積累達(dá)到一定閾值，超出細(xì)胞自身的清除能力，此時(shí)ROS 便轉(zhuǎn)換為“細(xì)胞殺手”，使小麥整個(gè)氧化還原系統(tǒng)的代謝紊亂[20]。重度低溫脅迫下，ROS 會(huì)觸發(fā)細(xì)胞程序性死亡信號(hào)[21]。細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是植物生長(zhǎng)周期中的必要過(guò)程，雖然不利于作物產(chǎn)量形成，但它可以消除受損細(xì)胞，重新分配營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而為作物生長(zhǎng)提供有利條件[22]。此外，ROS 可通過(guò)調(diào)節(jié)離子通道的關(guān)閉、改變細(xì)胞內(nèi)的氧化狀態(tài)及與受體蛋白結(jié)合等方式來(lái)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(guò)度積累對(duì)細(xì)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(guò)體內(nèi)酶活性的改變來(lái)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(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)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(gè)響應(yīng)逆境脅迫和參與反應(yīng)的酶，可催化體內(nèi)的O2·發(fā)生歧化反應(yīng)，將O2·轉(zhuǎn)化為O2和H2O2，減輕自由基造成的傷害，維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性[24]。POD 能夠以酚類(lèi)物質(zhì)為底物分解H2O2[25]。而CAT 作為一種多功能酶，主要負(fù)責(zé)過(guò)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(lèi)黃酮等可與ROS 直接反應(yīng)或作為酶的底物清除ROS。AsA-GSH 循環(huán)可通過(guò)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(lái)不斷生成AsA 和GSH，從而維持細(xì)胞內(nèi)ROS 的代謝平衡[19]。因此，小麥遭遇低溫逆境時(shí)，可以通過(guò)增強(qiáng)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(dòng)。

圖2 小麥抗氧化防御系統(tǒng)

2 低溫脅迫下ROS 對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1 葉片

作為對(duì)低溫最敏感的生理過(guò)程之一，光合作用是小麥產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，小麥生物量的90%以上來(lái)自光合產(chǎn)物[27-28]。葉片是小麥進(jìn)行光合作用的主要器官，低溫脅迫會(huì)破壞葉片葉綠體結(jié)構(gòu)，造成葉片光合器官的損傷，對(duì)光能的吸收、傳遞和利用效率降低（圖3）[29]。葉綠體對(duì)低溫非常敏感，其不僅是進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器，還是環(huán)境脅迫的傳感器[30]。葉綠體類(lèi)囊體中PSⅠ和PSⅡ反應(yīng)中心是ROS 產(chǎn)生的主要場(chǎng)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(huì)引起核基因表達(dá)的重新編程，導(dǎo)致失綠和PCD，并通過(guò)2 種與類(lèi)囊體膜相關(guān)的核編碼葉綠體蛋白質(zhì)EXECUTER1（EX1）和EX2，誘導(dǎo)相關(guān)反應(yīng)[33]。

2.2 穗部

作為小麥光合同化物的重要儲(chǔ)存器官，穗分化的小穗數(shù)和小花數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系極為密切。倒春寒發(fā)生時(shí)，小麥穗部正處于生長(zhǎng)發(fā)育的敏感時(shí)期[34]，當(dāng)外界環(huán)境低溫達(dá)到一定的閾值時(shí)，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(guò)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(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞質(zhì)雄性不育小麥的重要胞質(zhì)來(lái)源，ROS 的過(guò)量積累誘導(dǎo)抗氧化酶基因的異常表達(dá)，造成小麥絨氈層細(xì)胞的延遲凋亡和小孢子的結(jié)構(gòu)異常，最終導(dǎo)致D2型細(xì)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(yīng)的保持系[35]。張自陽(yáng)等研究發(fā)現(xiàn)，小麥的抗氧化酶系統(tǒng)不能及時(shí)清除具有危害的O2·和H2O2，使小麥幼穗組織細(xì)胞受到傷害，導(dǎo)致穗部結(jié)實(shí)率下降[38]。因此，低溫逆境下小麥花藥內(nèi)會(huì)積累大量ROS，造成花藥的氧化損傷，導(dǎo)致正常發(fā)育的花藥發(fā)生細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致小花敗育無(wú)法結(jié)實(shí)。

2.3 根系

根系是小麥吸收水分和運(yùn)輸土壤N、P、K 等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的主要器官，其生理活性直接影響小麥地上部的生長(zhǎng)和生物量的積累，進(jìn)而影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)[39]。低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致小麥根系細(xì)胞中ROS 代謝失調(diào)，根系活力下降，地上部分生長(zhǎng)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?yàn)榈蜏貙?dǎo)致小麥根細(xì)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(yīng)性反應(yīng)，調(diào)節(jié)其生理代謝過(guò)程,減緩逆境傷害，但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，保護(hù)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(dǎo)致小麥根系的細(xì)胞死亡和生長(zhǎng)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(yīng)激反應(yīng)，SOD、POD 和CAT 活性均顯著提高，且抗寒性強(qiáng)的品種對(duì)于低溫脅迫的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)于抗寒性弱的品種[42]。此外，低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致根系細(xì)胞膜的脂質(zhì)過(guò)氧化程度加劇，細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失，透性增大，相對(duì)電導(dǎo)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(duì)電導(dǎo)率均升高，說(shuō)明隨著脅迫溫度的降低，根系細(xì)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(guò)氧化作用，造成膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的損傷，最終導(dǎo)致小麥的根系養(yǎng)分吸收受阻，地上部生長(zhǎng)緩慢，植株細(xì)弱。

圖3 ROS 對(duì)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(yīng)用

應(yīng)用外源化學(xué)調(diào)控物質(zhì)可以通過(guò)激活小麥抗氧化系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)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M(fèi)DA 含量和降低O2·產(chǎn)生速率，增強(qiáng)SOD、POD 和CAT 活性，有效減少膜脂損傷和緩解低溫脅迫對(duì)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(guò)上調(diào)小麥葉片和分糵節(jié)中AsA-GSH 循環(huán)中關(guān)鍵酶的活性并誘導(dǎo)編碼vtc1基因的表達(dá)，進(jìn)而減輕冷脅迫所誘導(dǎo)的氧化脅迫對(duì)植物的傷害[47]。因此，應(yīng)用外源化學(xué)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(qiáng)小麥的耐寒能力，在一定程度上減緩或抑制低溫對(duì)小麥的脅迫作用。然而，ABA、SA 等化調(diào)劑使用成本較高，無(wú)法在實(shí)際生產(chǎn)中大范圍推廣和應(yīng)用。因此，在未來(lái)的研究中，應(yīng)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(shí)與無(wú)人機(jī)飛防相結(jié)合，提升我國(guó)小麥栽培管理和生產(chǎn)服務(wù)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(duì)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(shì)下，低溫事件頻發(fā)，嚴(yán)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(jī)制，基于源庫(kù)理論從葉片、穗部、根系等方面闡述活性氧對(duì)小麥的危害機(jī)理以及小麥抗氧化系統(tǒng)對(duì)活性氧的清除機(jī)制。研究表明，ROS作為信號(hào)分子，除了介導(dǎo)環(huán)境脅迫的響應(yīng)外，對(duì)調(diào)控植物的發(fā)育進(jìn)程也起著重要作用，且與不同類(lèi)型的植物激素產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。此外，也有相關(guān)研究利用ROS 來(lái)提高轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)量、增加轉(zhuǎn)錄因子穩(wěn)定性、增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合DNA 能力來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的功能[48]，進(jìn)一步調(diào)節(jié)逆境響應(yīng)相關(guān)基因表達(dá)，從而改善植物抗逆性，維持作物的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。通過(guò)基因工程技術(shù)調(diào)控活性氧的水平來(lái)提高植物的抗逆性會(huì)有很廣泛的應(yīng)用前景，但當(dāng)前仍有許多問(wèn)題尚待進(jìn)一步闡釋?zhuān)瑢?duì)ROS 在響應(yīng)非生物脅迫方面的研究還需要進(jìn)行深入探索。