劉涵淼，張 超，趙 敏，馮新宇，劉 洋，王 丹*

（1.通遼市農(nóng)牧科學研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.通遼市嘎達蘇種畜繁育中心，內(nèi)蒙古 通遼 029100）

玉米是我國最重要的經(jīng)濟作物之一，我國玉米帶北起黑龍江省黑河地區(qū)（N53°），南至海南島（N18°）。玉米喜溫，屬C4 作物，整個生長周期對溫度的需求比較高。近年來，由于生態(tài)環(huán)境的日益破壞，玉米在全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)和水資源缺乏的影響下，在其生育期內(nèi)極易受到極端溫度的影響而引發(fā)溫度脅迫，導致玉米生長情況和產(chǎn)量都發(fā)生了較大變化。當外界溫度達不到玉米正常生長所需時，其將受到生長環(huán)境的影響，對生長產(chǎn)生脅迫效應，進而會限制玉米生長，并改變玉米細胞器、組織、結(jié)構(gòu)和功能，最終造成作物減產(chǎn)[1]。農(nóng)作物在生長過程中經(jīng)常會遭遇冷害（即低溫脅迫），低溫脅迫是指在農(nóng)作物生長過程中，環(huán)境溫度雖然在0 ℃以上，但是不能滿足農(nóng)作物所需積溫，進而抑制作物生長，一般引起低溫脅迫的環(huán)境溫度為0～10 ℃。低溫脅迫對玉米生長的影響包括延遲型與障礙型，延遲型集中出現(xiàn)于營養(yǎng)生長期，障礙型集中出現(xiàn)于生殖生長期，都是導致玉米減產(chǎn)的起因。

低溫環(huán)境下在發(fā)生的時間和空間內(nèi)對玉米的影響沒有旱澇顯著，其隱蔽性較強。因此，基于人們大量研究低溫脅迫對玉米生理生化的影響，從低溫對玉米的危害及其適應機理、遺傳改良路徑、定向育種減輕玉米溫度脅迫的生理生化機制以及低溫下玉米差異蛋白質(zhì)組學研究等方面綜述，旨在為我國玉米栽培和育種研究提供參考。

1 低溫脅迫對玉米的傷害機理

1.1 對細胞膜系統(tǒng)的影響

細胞膜系統(tǒng)對外界環(huán)境變化呈動態(tài)平衡狀態(tài)[2]。處于正常環(huán)境下的細胞膜由飽和磷脂與不飽和磷脂交替排列而形成流動的液晶狀態(tài)，玉米處于低溫時會改變細胞膜的狀態(tài)，膜蛋白會發(fā)生解離，并且細胞膜分裂，致使細胞組織受到破壞，導致細胞質(zhì)向外滲透，細胞膜的離子平衡被打破，代謝發(fā)生異常，嚴重時可能會導致植株死亡。玉米在遇到低溫逆境時，細胞質(zhì)膜為了保證細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能，會使碳原子和碳碳雙鍵的數(shù)量發(fā)生變化，讓玉米對低溫環(huán)境逐步適應[3-4]。

低溫脅迫主要作用于玉米葉片的細胞膜系統(tǒng)，玉米細胞膜系統(tǒng)的損傷程度將會直接體現(xiàn)在細胞質(zhì)膜的透性上，對透性的影響主要體現(xiàn)在外界溫度和低溫脅迫作用時間上，溫度越低且低溫脅迫作用時間越長，細胞膜受到的危害越大，進而使細胞膜的透性增大。在低溫脅迫下，由于細胞的原生質(zhì)結(jié)構(gòu)受到影響，促使細胞膜透性增加，如果電解質(zhì)滲出率越高，表明受到的冷害越嚴重，玉米抗寒性越弱[5]。在低溫脅迫時間逐步增長的情況下，相對電導率呈先逐漸上升后大幅上升的趨勢，相對電導率大幅度上升說明了玉米細胞膜系統(tǒng)正在遭受著嚴重破壞。

1.2 對光合作用的影響

低溫脅迫影響玉米的光合作用，使其作用率明顯下降，而且低溫對葉綠體的影響大于線粒體。通過觀察葉綠體可以發(fā)現(xiàn)其開始時排列非常有序，然后逐步膨脹至變形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得不規(guī)則、淀粉粒的體積變化趨勢為由大變小，數(shù)目變少、控制葉綠素合成的基因表達量逐漸下降。因此可得出結(jié)論，低溫持續(xù)的時間跟強度會直接影響玉米的光合速率，使其呈顯著下降趨勢。張毅等（1992）[6]以丹玉13 為材料，盆栽培養(yǎng)至孕穗期、灌漿期，10 ℃低溫處理5 d，結(jié)果表明這兩個時期品種的光合速率相比對照大幅下降。從研究中發(fā)現(xiàn)，光合代謝、PSⅡ活性、光合色素含量等都會受到低溫脅迫的影響。陳銀萍等（2012）[7]以沈單16 為材料培養(yǎng)至3 葉期，4 ℃低溫處理，最終得出結(jié)論，在低溫脅迫的條件下，玉米葉片的葉綠素含量相比對照下降了18.59%。王連敏和王立志（1999）[8]在探索低溫條件玉米苗期對光合作用的影響時發(fā)現(xiàn)，玉米葉片的光合效率會受環(huán)境低溫影響，表現(xiàn)為溫度越低葉片中葉綠素含量越低，最終影響玉米產(chǎn)量。楊猛等（2012）[9]將金玉5、興墾3、吉單198 等品種培養(yǎng)至3 葉1 心期，分別開展5 ℃、7 ℃、9 ℃低溫處理，探索低溫條件下光合指標的改變。研究表明Pn（凈光合速率）在低溫條件下，處理時間越長，程度越強，3 個品種表現(xiàn)一致，Pn 一直在下降，低溫脅迫越強，Pn 下降越快。

試驗中，不同品種的玉米葉片，在遭遇到低溫脅迫時，隨著脅迫時間增加，F(xiàn)v/Fm 整體上都呈下降趨勢，溫度越低Fv/Fm 越低。光系統(tǒng)PSⅡ的潛在活性用Fv/Fo 來表達，低溫條件處理的過程中，隨著低溫脅迫時間的延長，對照的Fv/Fo 整體上沒有顯著的變化趨勢，但是其余各個處理的玉米葉片，F(xiàn)v/Fo 都呈下降趨勢，表明低溫脅迫破壞了光合系統(tǒng)的正常運行，降低了PSⅡ的潛在活性[10-12]。

1.3 對呼吸作用的影響

在低溫脅迫的影響下，呼吸作用在玉米的表現(xiàn)中呈波動趨勢，在初期有所加強，之后又在既定范圍內(nèi)隨著溫度的降低而降低。低溫條件下會危害線粒體的雙層膜，致使其嵴結(jié)構(gòu)遭到破壞，未形成的細胞核消失，線粒體的整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于低溫脅迫產(chǎn)生變化，氧化磷酸化發(fā)生解偶聯(lián)，無氧呼吸比重增加。

有研究表明，低溫脅迫處理玉米幼苗，環(huán)境溫度在6 ℃以下玉米幼苗的線粒體在7 d 時損傷程度輕微，呼吸作用呈小幅下降趨勢，但不明顯，隨著處理時間的增加，其受損程度越來越大，呼吸速率下降顯著。李月梅等（1991）[13]以玉米龍單3 號為試材，研究低溫條件下玉米呼吸作用的變化，研究表明，在10 ℃和14 ℃溫度處理下，玉米幼苗（兩葉一心）的呼吸強度相比對照（18 ℃）分別降低了36.3%和22.6%；上述條件下，玉米（灌漿期）的呼吸強度相比對照（18 ℃）分別降低了35.4%和25.8%。因此可以得出結(jié)論，低溫持續(xù)時間越長，玉米植株呼吸強度下降越明顯，長時間處于低溫脅迫條件下的玉米植株，植株內(nèi)部的乙醇、乙醛含量增加，因此會受到冷害影響。

1.4 對保護酶活性的影響

低溫條件下，作物的生物氧自由基會隨著低溫脅迫程度的增加而增加，生物功能分子會因自由基的氧化能力而遭到破壞，玉米可以誘導有效的抗氧化系統(tǒng)，以保護自己免受氧化損傷，抗氧化酶可以達到消滅自由基的效果，都是存在于細胞中的有效路徑，一些抗氧化酶活性增加可能是由于溫度引起的非特異性反應，抗氧化酶活性的高低表現(xiàn)為作物抗逆性的大小，其中SOD 活性與玉米的抗逆性及耐受性有著密切的關(guān)系，SOD 是生物體內(nèi)具有關(guān)鍵作用的酶，SOD 可以有效殺死生物體內(nèi)的活性氧或者其他過氧化物自由基，阻止超氧自由基對細胞膜的損害。POD 活性、CAT 活性與玉米抗性有很大的相關(guān)性。低溫冷害產(chǎn)生的超氧自由基可以被POD 活性和CAT 活性有效清除。通過低溫處理研究了東農(nóng)250 等7 個品種的抗寒性，結(jié)果表明SOD 活性大體上都是先升后降的變化過程，SOD 活性的上升幅度隨抗寒性的增強而增大，SOD 活性的降低幅度隨著抗寒性的增強而減弱；POD 活性對照低溫程度的增強，呈先降低后增高的趨勢，POD 活性增加值越大，表明品種的抗寒性越強；CAT 活性變化規(guī)律大體上與SOD 活性一致，同樣呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，進而說明品種間抗寒性的差異。同一溫度處理下，如果品種的抗寒性越強，CAT 活性隨之增加，如果品種的抗寒性較弱，CAT 活性隨之降低。

2 玉米耐低溫研究

2.1 玉米耐低溫栽培技術(shù)研究

選用耐低溫品種，嚴禁越區(qū)種植，可在種子播前低溫鍛煉、適時早播、地膜覆蓋，并適當增施磷鉀肥，合理耕作，并開展田間管理工作，比如及時除草、間苗、除蘗、壟作、秸稈還田等。

2.2 玉米耐低溫品種選育

研究表明，熱帶高地的品系和玉米帶馬齒型的內(nèi)布拉斯加硬稈綜合種群體內(nèi)的耐冷變異體是最優(yōu)異的耐寒資源。李紅飛等（2014）[14]采用654 份玉米自交系為試材鑒定其耐低溫特性，通過聚類分析篩選出具有強耐低溫特性的自交系共計30 份和對低溫脅迫強敏感自交系共計43 份，為培育耐低溫玉米新品種提供了種質(zhì)資源。

耐低溫玉米雜交種組合模式主要采用：玉米自交系（具有耐低溫特性）×玉米自交系（具有耐低溫特性）；玉米自交系（具有耐低溫特性）×玉米自交系；玉米自交系×耐低溫玉米自交系。選育雜交品種時，要選擇在低溫條件下玉米幼苗早發(fā)性強、植株緊湊或半緊湊、果穗結(jié)實好、籽粒飽滿、生育期適宜等優(yōu)良性狀的品種。

2.3 玉米耐低溫遺傳改良研究

分子生物學研究和遺傳改良為耐低溫育種提供了理論支撐，在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外廣泛且深入探索。分子標記技術(shù)的成熟使玉米耐低溫基因定位的研究獲得長足的進步。

截至目前，已經(jīng)有超過2 000 個玉米QTL 被錄入到玉米育種數(shù)據(jù)庫中，并且被應用在選育耐低溫玉米品種工作中，作為分子標記的輔助選擇。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)業(yè)上取得了巨大進展，科研人員可在短時間內(nèi)培育出抗冷性強的品種。目前，轉(zhuǎn)基因常用的方法有農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)化法、基因槍法（粒子轟擊細胞法）等。美國德克薩斯大學試驗站的Prodi Gene 公司通過電激法對玉米進行抗凍基因?qū)胙芯?，并成功在玉米的原生質(zhì)中獲得表達，AFP 可以使植株具有一定的抗冷性。研究表明，在低溫條件下細胞膜系統(tǒng)通過原生質(zhì)溶液的冰點降低、一致重結(jié)晶的形成，并通過修飾細胞外冰晶的生長形態(tài)達到被保護效果，進而調(diào)節(jié)細胞內(nèi)原生質(zhì)體的冷態(tài)。

2.4 玉米耐低溫差異蛋白質(zhì)組學研究

蛋白質(zhì)是細胞功能的執(zhí)行者，直接影響作物生長發(fā)育，低溫脅迫會引起特異蛋白的產(chǎn)生。楊猛等（2013）[15]通過對3 個不同低溫敏感玉米品種幼苗葉片低溫處理，進行蛋白質(zhì)組學分析共鑒定出27 個功能蛋白，3 個類型中耐低溫品種功能蛋白表達率最高，敏感型表達率最低，表明功能蛋白表達與溫度敏感程度存在相關(guān)性。為了加深了解作物抗逆機制以及如何提高作物抗逆性能，就必須找到與抗逆相關(guān)的蛋白。

3 小結(jié)與展望

低溫會破壞玉米葉片的細胞膜系統(tǒng)，破壞細胞膜的離子平衡，導致其代謝紊亂，并且削弱玉米植株的光合作用和呼吸作用，并對其保護酶活性產(chǎn)生影響，以上因素會直接影響到玉米產(chǎn)量，嚴重時甚至會造成植株死亡，所以早春的低溫冷害是影響我國玉米產(chǎn)量水平的重要因素之一。

我國東北地區(qū)以及華北地區(qū)發(fā)生低溫冷害的頻率相對較高，平均3～5 年會發(fā)生1 次一般性的低溫冷害，減產(chǎn)幅度達5%～15%；平均5～10 年會發(fā)生1 次較為嚴重的低溫冷害，減產(chǎn)幅度達15%以上。因此系統(tǒng)研究低溫脅迫對玉米生理生化機理的影響對提升玉米耐低溫能力顯得極為重要，需從以下4 個方面進行。

一是尋找耐低溫的品種資源，通過遠緣雜交或者回交等路徑把這些優(yōu)質(zhì)的基因表達轉(zhuǎn)入到育種材料中。

二是玉米耐低溫基因的鑒定、篩選及其遺傳機理研究，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)提升玉米的耐低溫抗性，選育抗寒性較強的玉米品種。

三是以傳統(tǒng)的育種方式作為基礎(chǔ)，借助分子標記輔助育種，選育研究耐低溫的玉米品種。

四是利用蛋白質(zhì)組學技術(shù)鑒定分析蛋白功能，為選育耐低溫玉米品種提供理論支撐。