小麥耐高溫特性的生理機(jī)制與基因挖掘研究進(jìn)展

齊學(xué)禮，趙明忠，尹文生，李瑩，郭瑞，焦竹青，張煜*

（1河南省作物分子育種研究院，河南鄭州，450002；2河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，河南鄭州，450002；3焦作市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南焦作， 454100）

0 引言

小麥開花期以后若遇到高溫天氣將會對小麥的生長發(fā)育造成影響，若遇到連續(xù)高溫天氣，則可能會逼熟小麥，造成千粒重或穗粒數(shù)顯著降低，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低30%左右，同時(shí)也使籽粒品質(zhì)變劣（Asseng et al.，2015）。近年來世界范圍內(nèi)極端高溫天氣頻繁發(fā)生，對小麥生產(chǎn)造成較大影響，據(jù)報(bào)道氣溫每升高1℃，全球小麥產(chǎn)量降低4.1%~6.4%（Liu et al.，2016）。在我國小麥主產(chǎn)區(qū)，特別是黃淮海麥區(qū)和北部冬麥區(qū)，小麥生育后期經(jīng)常遭遇30℃以上的高溫天氣，且同時(shí)伴隨干旱、強(qiáng)光等逆境，形成干熱風(fēng)天氣，對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重影響，危害面積有時(shí)可達(dá)全國小麥種植面積的2/3以上，小麥減產(chǎn)10%~20%（Liu et al.，2014）。高溫脅迫已成為制約我國小麥生產(chǎn)的主要因素之一，研究小麥耐高溫的生理與分子機(jī)制，對培育耐高溫小麥新品種，研發(fā)小麥耐高溫栽培技術(shù)體系具有理論指導(dǎo)意義，也對保障我國糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 小麥耐高溫特性的生理機(jī)制研究進(jìn)展

1.1 高溫對小麥光合作用的影響

光合作用是植物感知高溫脅迫最迅速的生理過程，在其他有害性狀表達(dá)之前，光合速率已被顯著抑制（Feng et al.，2014），高溫對小麥生育后期光合作用的危害表現(xiàn)在光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）活性、碳同化速率均受到強(qiáng)烈抑制（Wahid et al.，2007）。高溫脅迫下光合機(jī)構(gòu)的PSII最先受到破壞，使PSII的有活性中心向無活性中心轉(zhuǎn)化，同時(shí)導(dǎo)致天線色素蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，造成天線脫落（Ashraf and Harris，2013）。此外，光合電子傳遞速率也受到強(qiáng)烈抑制，質(zhì)體醌QA的還原程度被降低，造成不可逆的光抑制（Nikolai et al.，2000）。

Rubisco是卡爾文循環(huán)中的一種羧化酶，也是植物光呼吸中不可缺少的加氧酶。相比其他羧化酶，Rubisco對高溫更加敏感。Parry等（2003）研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下小麥光合速率的降低與Rubisco活性下降趨勢一致，推測高溫抑制碳同化過程的作用位點(diǎn)為Rubisco。Schrader等（2004）進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下光合速率的降低主要是由于RuBP再生受到限制所致。

當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可反映植物光合作用的狀況，高溫等逆境脅迫直接或間接影響植物光合機(jī)構(gòu)的性能，特別是對PSII造成損傷（Krause and Weis，1991）。研究表明，耐高溫小麥品種在高溫脅迫下可保持較高的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和PSII實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII），F(xiàn)v/Fm可作為評價(jià)指標(biāo)來篩選耐高溫小麥種質(zhì)資源（Sharma et al.，2015）。

1.2 高溫對小麥葉綠素合成的影響

葉綠素是植物光合作用光反應(yīng)過程的重要色素，在光能捕獲、傳遞、轉(zhuǎn)化與能量傳遞中發(fā)揮重要作用，逆境脅迫會影響葉綠素合成，加速葉綠素降解（史典義等，2009）。高溫脅迫對葉綠體外膜和類囊體膜結(jié)構(gòu)造成破壞，致使細(xì)胞膜透性增加，造成ATP合成速率降低，葉綠素含量也隨之降低（郝召君等，2017）；當(dāng)小麥在灌漿期遭受高溫脅迫后，葉片衰老速度加快，葉片葉綠素降解加速，葉綠素含量顯著降低（Bergkamp et al.，2018）。葉綠素含量可反映不同小麥品種的耐高溫能力，高溫脅迫下耐高溫品種的葉綠素降解速率顯著低于高溫敏感品種，葉綠素含量仍能維持較高水平，從而維持較高的光合效率。因此，高溫下品種的葉綠素降解速率或含量常被用作篩選耐高溫小麥品種的指標(biāo)之一（李敏等，2021）。

1.3 高溫對小麥細(xì)胞膜穩(wěn)定性的影響

小麥等植物受到高溫脅迫后，體內(nèi)活性氧類物質(zhì)含量顯著上升，導(dǎo)致細(xì)胞膜過氧化程度加重，降低膜的熱穩(wěn)定性（Suzuki et al.，2012）。Djanaguiraman等（2018）研究表明高溫脅迫下小麥光合速率的降低原因是細(xì)胞膜被氧化和酰化。1972年，Sullivan首次利用電導(dǎo)法進(jìn)行高粱和大豆品種的耐高溫性研究，認(rèn)為細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性可作為篩選耐高溫作物品種的指標(biāo)，隨后在小麥中也得到相同結(jié)論，高溫脅迫下不同小麥品種間的細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性存在顯著差異，可較好地反映小麥品種間耐高溫特性差異（Fokar et al.，1998）。Reynolds等（1994）測定了高溫脅迫下不同小麥品種膜穩(wěn)定性與產(chǎn)量的關(guān)系，結(jié)果顯示二者表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。

1.4 高溫對小麥滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

高溫脅迫發(fā)生時(shí)，植物細(xì)胞會增強(qiáng)體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成、積累溶質(zhì)、降低滲透勢，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累是植物適應(yīng)逆境的重要調(diào)節(jié)機(jī)制。植物細(xì)胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要有脯氨酸、可溶性糖和甜菜堿等，其作用主要為調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢、保護(hù)蛋白質(zhì)大分子、增加蛋白質(zhì)水合度、清除活性氧、維持光合活性，對提高植物耐高溫特性起重要作用（Sairam and Tyagi，2004）。高溫脅迫下，耐高溫品種較不耐高溫品種可積累更多脯氨酸（Todorov et al.，2003）。郭洪雪等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，隨著高溫脅迫時(shí)間的延長，小麥體內(nèi)的脯氨酸含量呈上升趨勢；Sun等（2018）在開花期對11個(gè)小麥品種進(jìn)行高溫脅迫，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)材料的旗葉脯氨酸含量平均提高17%；Dhyani等（2013）研究發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下耐高溫小麥品種的脯氨酸含量顯著高于其他品種。

鑒于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物耐高溫特性中的作用，前人也嘗試采用基因工程方法來提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高作物耐高溫特性目的。Wang等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)甜菜堿醛脫氫酶基因（BADH）可提高轉(zhuǎn)基因小麥葉片中的甜菜堿含量，進(jìn)而緩解高溫脅迫下小麥光合機(jī)構(gòu)的受損程度。

1.5 高溫對小麥活性氧清除系統(tǒng)酶活性的影響

超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）是植物活性氧清除系統(tǒng)的主要酶，對防止膜脂過氧化，減輕高溫造成的傷害有重要作用，抗氧化防御機(jī)制是植物抵御高溫脅迫的重要機(jī)制，與植物的耐高溫特性顯著正相關(guān)，不同小麥品種間的抗氧化酶活性可較好反映品種間耐高溫特性的差異，較高的抗氧化酶活性可有效清除植物體內(nèi)的超氧陰離子和過氧化氫等活性氧類物質(zhì)，進(jìn)而維持相對較高的光合效率（Wang et al.，2014）。研究表明，高溫脅迫導(dǎo)致小麥抗氧化酶活性下降，導(dǎo)致丙二醛等膜脂過氧化類物質(zhì)含量上升，膜脂過氧化程度加劇，但耐高溫小麥品種具有相對較高的抗氧化酶活性，從而降低光合機(jī)構(gòu)受損程度，維持相對較高的光合效率，并最終獲得較高的產(chǎn)量（王義芹等，2007）。

2 小麥耐高溫特性的基因挖掘研究進(jìn)展

作物耐高溫特性屬于復(fù)雜數(shù)量性狀，品種的耐高溫特性受測定指標(biāo)、生育時(shí)期和脅迫方法等多種因素影響，表型鑒定較困難，相對于農(nóng)作物抗病、品質(zhì)、產(chǎn)量等主要性狀功能基因，作物耐高溫功能基因發(fā)掘進(jìn)展相對較慢（辛明明等，2017）。水稻耐高溫分子機(jī)制的研究較深入，中國科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所林鴻宣院士團(tuán)隊(duì)在水稻耐高溫基因挖掘方面取得重要進(jìn)展，在國際上率先克隆出水稻耐高溫基因TT1、TT2和TT3（Li et al.，2015；Kan et al.，2022；Zhang et al.，2022），為水稻耐高溫遺傳改良提供了重要的基因資源。與水稻相比，小麥耐高溫基因挖掘研究進(jìn)展相對緩慢，目前尚未定位到直接與小麥耐高溫特性相關(guān)的主效QTL，已發(fā)現(xiàn)的部分耐高溫基因的作用機(jī)制也不完全清楚。

2.1 小麥耐高溫QTL定位研究進(jìn)展

目前主要是以產(chǎn)量相關(guān)性狀的耐高溫指數(shù)或耐高溫間接性狀作為表型值來進(jìn)行小麥耐高溫QTL定位研究。通常在正常和高溫處理下，或僅在高溫處理下調(diào)查群體的生物量、產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、可溶性糖含量、灌漿持續(xù)期、冠層溫度、葉片相對含水量、葉綠素含量、葉綠素降解速率、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、細(xì)胞膜受損程度、類囊體膜受損程度等表型數(shù)據(jù)。目前，定位到的耐高溫相關(guān)QTL幾乎覆蓋小麥基因組全部21條染色體，發(fā)現(xiàn)的QTL數(shù)量雖多，但對表型變異的貢獻(xiàn)率較低，部分定位結(jié)果見表1。

表1 已定位的部分小麥耐高溫相關(guān)性狀QTLTable 1 A summary of high temperature tolerance related QTLs in wheat

2.2 小麥耐高溫功能基因研究進(jìn)展

目前，科研人員已采用基因差異表達(dá)譜分析和轉(zhuǎn)錄組測序等技術(shù)分離了一批小麥耐高溫特性相關(guān)基因，同時(shí)利用酵母轉(zhuǎn)化體系、擬南芥或小麥遺傳轉(zhuǎn)化體系驗(yàn)證了基因功能，這些基因多數(shù)是提高小麥耐高溫特性的轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)，調(diào)控?zé)峒さ鞍谆虮磉_(dá)，降低脂膜過氧化程度，降低葉綠素降解速率等作用機(jī)制提高小麥耐高溫特性（圖1）。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究中心在小麥耐高溫功能基因研究方面居國際領(lǐng)先地位，近年來，已解析了TaMBF1、TaGCN5、TaOPR3、TaMBF1c、TaHAG1等一批小麥耐高溫基因作用機(jī)制。部分提高小麥耐高溫特性基因詳見表2。

表2 已發(fā)現(xiàn)的部分提高小麥耐高溫特性基因Table 2 A summary of high temperature tolerance related genes in wheat

圖1 小麥耐高溫分子機(jī)制Fig.1 The molecular mechanisms of wheat to high temperature tolerance

3 展望

培育耐高溫小麥新品種是應(yīng)對全球變暖、實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及保障國家糧食安全的有效途徑之一，開展小麥耐高溫生理機(jī)制、耐高溫基因挖掘與機(jī)制解析工作，對耐高溫小麥新品種培育具有重要的理論指導(dǎo)意義。目前，在小麥耐高溫生理機(jī)制研究方面已取得較大進(jìn)展，但在小麥耐高溫分子機(jī)制研究方面還相對落后，科研人員尚未通過正向遺傳學(xué)的方法克隆到耐高溫主效基因，未來小麥耐高溫生理與分子機(jī)制研究應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面。

3.1 加強(qiáng)耐高溫小麥新材料創(chuàng)制

優(yōu)異的耐高溫小麥新材料是開展耐高溫功能基因組學(xué)研究和新品種培育的基礎(chǔ)，科研人員應(yīng)對小麥近緣種、農(nóng)家種、大面積推廣品種、育成新品系等小麥種質(zhì)資源進(jìn)行耐高溫特性鑒定，以發(fā)現(xiàn)的耐高溫小麥材料為親本，綜合采用常規(guī)育種、表型精準(zhǔn)鑒定、生理育種、單倍體育種、分子標(biāo)記輔助和加代育種等技術(shù)，創(chuàng)制耐高溫特性表現(xiàn)突出的小麥新材料，為小麥耐高溫基因挖掘與新品種培育提供材料支撐。

3.2 加強(qiáng)小麥耐高溫表型精準(zhǔn)鑒定技術(shù)體系構(gòu)建

高通量精準(zhǔn)鑒定小麥耐高溫特性是更深入研究小麥耐高溫生理機(jī)制、耐高溫功能基因挖掘與品種選育的前提，傳統(tǒng)的耐高溫相關(guān)性狀鑒定技術(shù)存在準(zhǔn)確度不高和通量偏低等問題，不能較好地滿足小麥耐高溫研究需求。未來應(yīng)建立以成像技術(shù)、三維重建和人工智能等高新技術(shù)為基礎(chǔ)，以高通量、智能化和動態(tài)無損測定為特征，可對小麥材料進(jìn)行多尺度和高通量精準(zhǔn)鑒定的小麥耐高溫表型鑒定技術(shù)體系，為耐高溫基因挖掘與新品種培育提供技術(shù)支撐。

3.3 加強(qiáng)小麥耐高溫基因挖掘工作

由于小麥基因組龐大而復(fù)雜，且耐高溫性狀屬于復(fù)雜數(shù)量性狀，因此，克隆耐高溫小麥基因仍較困難。目前，科研人員采用基因表達(dá)譜分析和轉(zhuǎn)錄組測序等技術(shù)分離到一些耐高溫相關(guān)基因，但利用這些基因還很難進(jìn)行小麥耐高溫分子設(shè)計(jì)育種。2018年六倍體小麥“中國春”參考基因組序列的釋放，為快速定位和克隆小麥耐高溫關(guān)鍵基因提供了契機(jī)，相信隨著高通量測序和分子標(biāo)記技術(shù)，以及表型精準(zhǔn)鑒定技術(shù)的不斷進(jìn)步，將來一定會有多個(gè)小麥耐高溫基因被克隆，推動小麥功能基因組學(xué)和分子育種向前發(fā)展。

3.4 加強(qiáng)基因編輯與轉(zhuǎn)基因技術(shù)在育種中的應(yīng)用

以CRISPR/Cas9系統(tǒng)為代表的基因組編輯技術(shù)極大拓寬了作物育種方法，使精準(zhǔn)定向改良成為可能，揭開了作物育種新篇章。科研人員可在特定基因組位點(diǎn)上改變、添加或刪除DNA序列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)期育種目標(biāo)。在小麥耐高溫基因編輯育種方面，應(yīng)在耐高溫性狀基因編輯靶向位點(diǎn)方面加強(qiáng)研究，

為基因編輯技術(shù)在小麥耐高溫遺傳改良應(yīng)用方面打下基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)早已成為全世界植物育種領(lǐng)域應(yīng)用最成功的遺傳工程技術(shù)之一，該技術(shù)通過導(dǎo)入外源基因而實(shí)現(xiàn)作物改良目標(biāo)。目前，國內(nèi)已有多家單位引進(jìn)日本煙草公司的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)，有力推動了我國在小麥遺傳轉(zhuǎn)化方面的研究進(jìn)展，“十三五”期間在國家轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)的支持下，我國科學(xué)家已將多個(gè)耐高溫基因?qū)氲街魍菩←溒贩N中，獲得了一批耐高溫特性顯著提高的小麥新材料。在功能基因挖掘取得重大進(jìn)展后，基因工程技術(shù)在培育耐高溫小麥新品種方面將會發(fā)揮更大作用。