高寒地區冬小麥抗寒育種研究進展

李卓夫，付連雙，王曉楠，孫艷麗，佟明耀

（東北農業大學農學院，哈爾濱 150030）

高寒地區冬季嚴酷的條件，造成冬小麥植株死亡，使單位面積上植株數目不足而嚴重減產，甚至全部植株凍死而使冬小麥絕產。在高寒地區開展冬小麥育種，提高冬小麥品種的抗寒性，培育有效分蘗力強的品種，可以部分或全部彌補冬季凍害的損失，在高寒地區種植冬小麥才有可能。經過嚴冬后，如果高寒地區冬小麥能夠全部存活，就可以形成較多的主穗，使得穗粒數和千粒重增加，有利于提高冬小麥的產量潛力。

冬小麥育種實踐反復證明，采用廣泛的冬小麥抗寒種質資源，用多種育種技術創造抗寒性遺傳變異，經過高寒條件下嚴格的定向選擇，就可以大幅度提高冬小麥的抗寒性水平。如美國的Hume，加拿大的Norstar、Kharkov22MC，前蘇聯的Alabaskaja、Ulianovkia均表現出穩定的抗寒性[1]；在黑龍江省，東北農業大學的小麥育種專家用3個強冬性的冬小麥品種雜交育成的“東農冬麥l號”，將冬小麥的種植范圍北延至黑龍江省饒河縣（北緯47°左右）[2]。

冬小麥經歷嚴冬后，翌年是否可以繼續存活的關鍵在于分蘗節是否安全越冬。國內外大多以冬小麥分蘗節的臨界致死溫度（LT50）作為冬小麥抗寒水平指標[1]。分蘗節是冬小麥植株地下部未伸長的節間、節和腋芽緊縮在一起的節群，具有再生性。在高寒地區冬季，冬小麥地上部位葉片將全部被凍死。只要分蘗節沒有受到損害，翌年春天從分蘗節部位發出新根，植株入冬前所形成的分蘗就可以繼續生長，地上部就可再長出新葉，即可達到生產上所謂的“返青”。隨著分子生物學研究的發展，目前，在冬小麥抗寒性的遺傳基礎方面的研究已經獲得了大量的證據，總結這方面的研究成果，將有助于提高冬小麥抗寒育種的成效。

1 高寒地區冬小麥冬季致死的原因

①小麥冬季致死的原因以及受傷害的程度，在地區之間及不同年份間變化很大。冬季致死的主要因素（單一的或聯合的）均與低溫本身有關（如極端的氣溫和土壤溫度，低于某一特定小麥品種所能忍耐的臨界溫度），包括：秋季出苗晚，或溫度突然降低；長時期冷凍引起組織干化[3]；0℃以下低溫持續時間過長；特別是在隆冬，氣溫低于-15℃，可使冬小麥冬季耐寒力快速喪失[4-6]；冷凍與融化交替出現，每次冷凍引起冰晶生長造成傷害[7]。

②冰蓋封閉也會導致冬麥致死，這是降雨、冬季溫度波動大的地區植株死亡的主要原因[8]。冰導熱性好，能加重低溫對植株的傷害；冰透氣性差，極端情況下植株由于吸不到氧氣而窒息死亡[9-10]。

③春天出現嚴重的倒春寒也會對冬小麥的葉或穗造成傷害。未經低溫鍛練的葉片只可以忍耐-4～-8 ℃的低溫[11]。

④低溫和雪還能引起間接傷害，如，凍拔現象，由于土壤中結冰，土體隆起，將植株推向地表，拉斷冬小麥的根，并使冬小麥的分蘗節及根暴露在地表以外，使冬小麥越冬主要部位失去土壤保護而死亡；在雪覆蓋時間較長的地區不會發生真菌性病害-雪腐病。對冬小麥冬季存活傷害最大的真菌是粉紅雪腐病菌（Microdochium nivale（Fries）Samuel and Hallet），以前稱為（Fusarium nivale（Fries）Ces.）。雖然粉紅雪腐病菌不能在冷凍條件下存活，但卻能忍受低溫，在0～5℃溫度范圍內對植株造成嚴重傷害。其他造成雪腐病的不太重要的真菌是灰色雪腐病菌（Typhula spp.），引起斑點狀雪腐病或腐爛病，以及菌核雪腐病（Sclerotinia borealis），引起雪腐病。

引起冬季致死的各逆境因素，其相對重要程度在地區間存在很大差異。在烏克蘭，長達100年的資料分析表明，由低溫造成的冬季死亡占總死亡比例的35%，由交替凍融引起的占26%，由冰蓋封凍引起的占22%[10]。在波蘭，影響冬小麥冬季存活的主要因素有低溫，凍干和病原真菌的感染[12]。在北美大平原，引起冬小麥冬季死亡的主要因素為長期低溫凍干，秋季冷馴化不充分和無法預測的極限低溫的時間和持續期。在加拿大西部冬季死亡的最初原因是凍干[3]。Olien發現，冬季死亡最可能發生在“倒春寒”的低溫脅迫下，此時冬小麥植株開始萌發，根莖組織含水量高，抗寒力已經降低[13]。正確估計某一地區影響冬季存活主要因素的出現頻率，是育種中決定親本選擇與抗寒性測定程序的基礎，也有利于改進資源分配效率。

2 冬小麥耐寒性的誘導與保持

小麥植株可以通過不同的遺傳與生理機制應對上述冬季脅迫中的任何一種。例如，植株耐凍性與抗雪腐病性的遺傳機制就不同。然而，在引起冬季死亡的大多數事件中，基本過程是冷凍，即植株組織中冰晶形成。冷凍傷害一般不是低溫本身的結果，而是由細胞脫水造成的，常發生細胞外結冰[1]。細胞膜被認為是冷凍傷害的最初部位[14]。Mizuno等發現，在低溫馴化期和冷凍期，小麥線粒體基因變化也對抗寒性有較大影響[15]。

耐凍性被定義為植株在細胞外組織結冰，沒有對膜或其他細胞器造成顯著傷害情況下而存活。這是生理、生物化學和物理反應的結果，也是在較適宜的環境條件下，適當發育階段所發生的植物細胞結構變化的結果[16-18]，這個過程稱為低溫鍛煉或低溫馴化[11,19]。

低溫馴化由2個階段組成，冷涼（＞0℃）溫度下的應答和冰凍（-3～-5℃）溫度下的應答。在植物馴化的第1階段所表現出來的特性是在液泡中糖分積累，組織滲透勢降低而引起的組織水勢的降低。這與脫落酸水平顯著增加有關，并導致蛋白質合成的修飾。谷類作物間在0℃以上馴化開始的溫度差異很大。冬黑麥開始的溫度較高，因此，其低溫馴化期長于冬小麥。春小麥和春大麥在2℃以上溫度馴化不能開始[3]。膜特性的可逆修飾性可導致薄壁細胞組織進一步水勢下降，似乎在由霜凍引起的馴化中發揮重要作用[20]。低溫作為最初的誘導因素起作用，而其他因素（水分脅迫，風等）也會引起冷凍耐性達到某個水平。低溫本身或次級因素（ABA、葡萄糖、脂肪酸、水分狀態），都會對初始信號產生應答，導致在膜上、蛋白質、ABA激素受體產生結構變化，反過來調控冷馴化中基因的表達[3]。有幾個基因已經在不同植物中被鑒定出來，有低溫誘導型（Low temperature induction，LTI）和冷調控型（Cold regulation，COR）。這些基因表達可對細胞膜起保護作用[21]。與霜敏感基因型比較，抗霜凍品種冷馴化進行得較快，而脫馴化則較慢，建議不同耐凍水平的品種，馴化應有不同誘導溫度閾值。大麥中，抗冷凍品種的誘導馴化溫度較高，可積累COR蛋白質[22]。

品種耐凍性并不固定，隨著時間、溫度、土壤含水量、植株含水量、營養狀況、生理階段及狀態而變化。在很大程度上依賴于冷馴化或鍛煉過程[23-26]。實際上，不同品種間未經鍛煉的植株間耐凍性差異可以忽略，而在充分鍛煉后，才能顯示出品種間差異。鍛煉過程可以被終止、逆轉、重新開始。一般在自然條件下，耐凍性的動態特性表現為3個階段[27]：階段1，秋季的鍛煉時期，經此期冬小麥獲得耐凍性；階段2，耐性保持期，在此期內，臨界溫度或致死溫度發生變化，這依賴于冬季溫度波動情況；階段3，耐性喪失期，通常在冬季結束時，植株失去了耐凍性。

上述每個階段不僅受基因型影響（包括春化要求、光周期反應）或發育階段因素影響（包括株齡），而且還受環境因素影響[28-30]。例如，如果土壤含水量過多或過少，冬性谷物的冷馴化效果就會有極大的變化[31]。同樣的，0℃以下低溫時間過長，會使冬小麥苗耐凍性大幅度下降。有試驗表明，冬小麥充分鍛煉后，植株越冬部位最強耐凍性在-15℃下僅能忍耐6 d，在-18℃下僅能存活24 h，在-23℃下僅能存活12 h[32]。幼苗的越冬部位在低溫下暴露時間過長，所獲得的耐凍性就會大幅度降低，可在比初冬時高得多的溫度下被凍死。所以，高寒地區冬小麥分蘗節在土壤中的位置對于冬小麥越冬返青率影響至關重要。

初冬耐凍水平相同的品種間在應對長時間冷凍溫度的能力上差異相當大。冷凍低溫的持續期與低溫強度是確定冬小麥耐凍性喪失及隨后的冬季死亡的主要因素。植株耐凍性還受植株營養狀況[33]、除草劑[34]、病毒感染[35]及種子帶病原[36]，如散黑穗病（Tilletia foetida and T.caries）的影響。這就是要檢測基因在耐凍性上的差異，必須嚴格控制環境條件盡可能一致的原因[37]。

3 冬小麥抗寒性的遺傳基礎

耐寒性是許多細胞及植株性狀中復雜生理機制綜合表達的結果[38-41]。大量研究表明，耐凍性的遺傳控制是復雜的，涉及多基因。在影響對低溫耐性上，小麥21條染色體中有15條與之有關[42]。Monroy等的試驗則發現，在冬小麥冷馴化過程中，有至少450個基因在轉錄水平上發生了變化[43]。Skinner在用抗寒性不同的品種進行試驗時，在低溫馴化期間及馴化后，發現有423個基因的表達水平發生了顯著的變化，其中，有68個基因在冷凍處理中上調表達量高達至少5倍；而在這68個基因中，有17個屬于編碼CBF、WRKT及鋅指蛋白的，表明這17個上調表達的基因主要在轉錄調控上發揮作用；另外，這68個基因中有16個編碼細胞分裂素、磷酸化酶、Ca傳遞蛋白或葡萄糖基轉移酶，說明這些基因在信號傳導中發揮作用；還有6個上調基因編碼葉綠素a/b結合蛋白，表明其作用主要是在低溫下保護色素分子[44]。有的主基因對低溫應答有較大影響[45]，如控制光周期反應基因（Fr）與控制春化反應的基因（Vrm），其中Fr1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。耐凍性與春化要求有關，這可以部分的由控制耐凍性的主基因與2個控制生長習性的基因連鎖關系上得到解釋。另外，春化基因作為關鍵的發育因素已經被鑒定對低溫誘導結構基因表達的持續期有應答反應[46]。最近數據顯示，在轉錄水平上發生了低溫誘導結構基因表達過程中春化基因對調控過程施加的影響[47]。

與春小麥相比，冬小麥開始低溫馴化的溫度高，春小麥的低溫鍛煉僅能達到非常有限的程度。同樣，在春季，完全春化后的冬小麥經重新低溫鍛煉僅能達到春性谷類作物的水平。很明顯，高水平的耐凍性僅能在“休眠”的，不能快速發育的植株上獲得；因此，冬性谷物幼苗所獲得的春化程度與耐凍性程度間存在著很強的關聯[24]。而在北歐，春化時間極長的冬小麥品種卻在耐凍性上僅達中級水平[3]。Braun發現，生長習性與耐凍性間存在高度顯著相關（r=0.67～0.77），這可以解釋 45%～60%的耐凍性變異是由春化要求差異造成的[48]。

已經發現，耐凍性與匍匐生長習性有關。1個控制匍匐生長習性的基因與5A染色體上的Fr1和Vrn1基因緊密連鎖[25]。遺傳連鎖也許還不能解釋所觀察到的關聯，因為，匍匐生長植株很少暴露在低溫和干燥條件下，可以被雪很好地保護。值得提起的是匍匐生長類型，在秋季休眠的幼小植株上常可見到，也能出現在春化要求較低但對光周期反應要求高的品種上。小麥中，這樣的品種通常僅有中等耐凍性，但在大麥上，最耐凍的品種中有些就屬于對光長敏感，而對春化要求較低的類型。

春化要求高且光長反應要求也高的，以及引起冬季休眠的其他機制，使植株進入生殖生長階段（分生組織分化）延遲，一般均與晚熟性有關。在一個冬燕麥的試驗中，所選擇的較高水平耐凍性也表現較晚熟特性，還常比理想株高更高[49]。類似的關聯也可在小麥上觀察到。這種關聯性使得培育早熟、矮稈、抗寒的冬小麥品種更為困難。然而，通過比較來自于品種Yogo的冬小麥株高等基因系時發現，僅以株高進行耐寒性選擇無效[50]。這說明耐寒性與株高間的關聯可能依賴于所具有的株高基因數量及遺傳背景。

4 冬小麥抗寒育種技術

在育種程序中，操縱類似耐寒性這樣的復雜性狀是一個很困難的任務，因為涉及的基因數量大，與環境間互作關系多[5,42]。但培育耐凍性小麥的主要困難卻在于普遍存在的耐凍性常與低產和晚熟相關聯。

許多與耐凍性有關的性狀，如春季生長晚，或細胞小，對產量均有負向作用，特別是在早春降雨環境下快速生長以及早熟性對避免后期干旱和高溫很重要時，冬小麥育種的難度更大。除此之外，其他一些育種目標將使所有感興趣的性狀遺傳進展減慢。因此，育種目標不應該是使耐寒性達到最強，而應培育出在某一具體地區耐凍性水平夠用的最低限的品種。正如Fowler等指出，一般來說，最成功的冬小麥品種僅有比種植區域所要求的最低耐寒性略高一些的耐寒水平[51]。確定某個地區所需最低水平耐寒性并不是一個簡單的工作[52-53]。應以估計冬季死亡風險為基礎，既要有氣象數據，又要有在本地區品種表現的信息。對歷史氣象數據進行仔細分析，包括最低溫度及出現的時間與頻率，是有用的，但并不充分。同樣低溫對于小麥植株可能有相當不同的影響，這依賴于低溫出現前的溫度格局及其他因素，這樣才能確定應獲得的耐寒性水平。有些作物模型，如CERES，也可用來模擬耐寒性及冬季死亡，可用于估計冬季死亡的風險。

一種較簡單，但非常有用的方法，是用在耐寒性水平上有差異的品種在相應地區做長期冬季死亡試驗及越冬性試驗記錄而獲得的數據[54-55]。一般在一個地區多年種植一個品種，通過其所表現的偶然但不很嚴重的冬季死亡來判斷該品種的耐寒性水平并不困難。通常在10年中有1年出現一定程度冬季死亡的頻率是可接受的。可接受的風險可以高些或低些，這依賴于經濟、社會及其他因素。如果能鑒定出這樣一個品種，就可作為在本地區所需最低耐寒性水平最好的標準。在所有耐性試驗中必須要有對照，以用于提供耐性水平的變化范圍。當較高耐寒水平的小麥品種種植在冬季風險較低的地區時，在沒有凍害的年份，其產量損失可能會大于在嚴酷冬季年份較高越冬成活植株所增加的產量。

培育耐寒性的育種策略將依賴于所用基因庫中抗性水平的比率及目標地區所需最低耐凍性水平。如果雜交中所用親本大多具有與所需耐凍水平相等或更高時，保持這個水平就相對容易，通過應用中等選擇壓力，淘汰不耐寒的后代就可達到目的。相反，所用的親本抗寒性不夠強，如春性×冬性，建議選擇壓力要大，早代就要對抗寒性進行選擇，以便恢復到所需耐寒性的水平。早代選擇，淘汰春性的類型，可能是非常有效的[56-58]。耐寒性育種在冬小麥種植邊緣地區可能更加困難，所要求的耐寒性水平更高。Grafius指出，在本世紀還存在著谷類最大耐寒潛力改良的空白地帶。植物育種家在提高最大耐寒性上表現不夠充分，應開發曾在過去種植過的冬性谷類作物中耐寒的地方品種所聚集的所有抗寒基因。在高產基因型中恢復這種最強耐寒性，只有在大的分離群體中應用非常高的選擇壓力才有可能達到要求[59]。

引入的耐凍基因在后代中分離的現象，僅出現在中等抗性水平或有不抗寒親本的雜交組合中，而在最抗寒的親本組合中多不出現。采用種間雜交，從其他物種（如黑麥）引入新抗寒基因有望進一步提高小麥抗寒性，但目前還沒有在普通小麥中成功的先例。許多科學家曾嘗試過避免直接冷凍植株，因為，冷凍室費用高，試驗誤差大。建議采用間接測試方法來估計耐性水平，取代冷凍試驗。植株含水量在鍛煉期下降，特別是耐寒的基因型更加明顯。發現鍛煉后含水量與冬季存活能力相關[51]。

脯氨酸也被認為當植株遭受多種脅迫時，包括霜凍，有保護作用。冷馴化階段在葉片和苗中積累大量的自由脯氨酸，脯氨酸積累量與基因型專化耐霜性呈正相關[60]。鍛煉后測定脯氨酸含量能提供有關品種潛在耐凍性的信息。在耐凍水平與特殊冷調節（COR）小麥蛋白（WCS120）間存在緊密相關性。這種應答抗體可鑒別耐霜與霜敏感小麥品種[61]。因此，這種蛋白質可用作選擇耐凍性的一個分子標記[57]。8天齡小麥苗的組織電阻被發現與耐凍性相關。這是一種育種計劃中非常方便適用的選擇工具，并可實現利用人工氣候室加代[17,62]。限制性片段長度多態性（RFLP）及其他分子標記也可用于鑒定耐寒性有正向作用等位基因的存在。間接方法雖然非常吸引人，但通常僅能描述在控制基因型耐凍性差異的某些機制，因此或許僅能開發育種中有用的部分遺傳潛力。此外，這些方法通常花費太貴，因此，只局限于較深入的研究項目。

5 展 望

自從本世紀初在高寒地區種植冬小麥品種Minhardi以來，提高對低溫脅迫抗性的育種進展很小[59]。然而，這種理論涉及到小麥植株能存活的絕對最低溫度。世界上冬小麥種植區域中大多數不需要小麥品種具有這么高水平耐寒性。結果，許多冬小麥育種計劃中的主要育種目標沒有關注冬小麥生產中所用品種的耐寒水平的丟失，這使冬小麥品種的耐寒性喪失程度更大。

冬小麥的耐寒性一般要通過創造大量遺傳變異，并在常規田間條件下篩選來提高。越冬后田間存活率測定目前仍然是大多數冬小麥育種計劃中標準操作規程。在人工控制環境下或用其他間接方法測定冬小麥的抗寒水平，由于其成本過高，還難于在育種實踐中加以應用。鑒定控制抗寒基因，開發分子標記，將會克服一些在田間試驗和/或控制環境選擇中存在的部分問題。然而，田間試驗還將保留相當長時間，直到最終冬小麥品種的耐寒性能用其他更為方便準確的方法測量。

要提高小麥耐寒性育種效率，應在品種要推廣區域，依據溫度波動，雪覆蓋度，病害等方面的長期觀測數據，確定使冬小麥冬季死亡的各逆境因素的先后順序，以明確育種鑒定中應考慮的主要逆境因子及水平，建議從以下幾個方面考慮：

①由于冬小麥耐寒性水平與品種生產力水平（如產量）存在一定程度的負相關，因此，應估計相應種植區冬小麥品種所需的最低耐寒水平，將冬季受凍害水平降至可接受水平，即品種的越冬返青率在70%左右時，其產量等水平可以不斷提高。

②建立一套對照品種，代表假定最大與最小冬季死亡風險，以供本地區育種長期種植，作為育種后代鑒定選擇的標準。

③利用各種機會在田間選擇，減少冬季不耐寒品系出現的機率。

④改進人工冷凍操作程序，使之適應現有儀器及潛能。將種植、鍛煉、冷凍、恢復生長等過程標準化，以提高可重復性。

⑤建立一個耐寒親本與高代品系的數據庫。在冬小麥耐寒育種的雜交組合中，不能缺少耐寒性理想的材料作親本。

*本文為特邀綜述。

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