|
各位老师好！我是“一麦众承”第4组的赵玉胜，今天由我代表“黄淮麦客”小组值日。我们组还有李辉（组长）、蒋志凯、张宏波、陈家博、贾新合、谢永盾、张春艳、朱雪成、朱全贵、张广旭、吴云飞、李龙、李引、刘钊、马传喜、王桂凤、刘清瑞、张立超、董本波、卢云泽、胡学旭、雷梦林等多位老师，感谢“一麦众承”提供交流学习平台，主要分享我对小麦低温研究的一点儿浅显认识，不当之处请领域专家多多指正和帮助。
1.小麦耐低温研究的重要性
普通小麦 (Triticum aestivum L., 2n = 6x = 42, AABBDD) 是全球最重要的粮食作物之一，全世界约有35%-40%的人口以小麦作为主要食物与能量来源，为人类提供了约20%蛋白质和21%食物热量。因其良好的环境适应性而成为全世界种植面积最大、分布最广的粮食作物1。我国小麦种植面积和总产量居世界首位，2023年中央一号文件明确提出“全力抓好粮食生产”这一艰巨任务。因此，保证小麦品质和产量的提升对解决全球粮食安全问题和维护社会稳定都有着至关重要的作用。
受全球变暖的影响以及对高产和优质育种目标的关注，人们更趋于选择产量潜力大及品质好的冬小麦品系/种，忽视了对冬小麦低温耐受性的选择，导致很多品种或高产不抗寒或优质不抗寒。然而全球气候不仅引起平均温度的上升，同时还引起极端天气的频繁发生，另外冬小麦生育期比较漫长，横跨四季，更加剧了其遭受各种生物与非生物胁迫等多种不利因素的影响2。譬如近年来极端寒潮天气频发，导致我国小麦主产区多次遭受大面积的低温冻害，严重威胁着小麦的安全生产及国家粮食安全。因此，挖掘小麦耐低温基因资源，选育与种植耐低温、高产、优质的小麦新品种对保障小麦的安全生产，维护我国粮食安全具有重要意义。
2. 小麦低温研究的现状分析
低温冷害 (>0℃) 对植物造成的伤害主要包括细胞膜流动性变化，酶促反应速率下降，细胞骨架解聚和体内活性氧 (Reactive oxygen species, ROS) 的过量积累等。低温冻害 (<0℃) 会造成植物组织内出现冰晶，细胞间隙结冰会造成细胞膜的机械损伤，长时间和剧烈的冻害会造成植物的死亡3-5 (图1)。
小麦低温胁迫按照发生时期可以分为冬季低温胁迫（冬季冻害）和春季低温胁迫（春季冻害和低温冷害）。冬季冻害主要对营养生长时期的小麦产生影响，比如2022年冬季的断崖式降温使小麦叶片大面积受冻变枯，后期无法正常返青，造成小麦减产；春季冻害指倒春寒，常发生于小麦拔节期至孕穗期，影响小麦的生殖生长，对小麦影响更大；春季低温冷害是指小麦进入孕穗期后遭遇的低温6。小麦幼苗时期遭遇冷胁迫将会延迟萌发及形态建成，持续冷胁迫会导致发育迟缓、根冠表面积减少、叶片褪绿及破坏营养平衡，进而引起小麦产量和品质下降；而生殖生长时期对冷胁迫更加敏感，会造成花脱落、花粉不育、穗变形等，最终造成严重减产7。
2.1小麦低温表型鉴定：
目前小麦低温表型的鉴定主要采用田间直接鉴定，人工气候模拟鉴定和实验室内间接鉴定方法。田间鉴定是通过多个生态点，以耐低温或低温敏感的品种作为对照；人工气候模拟鉴定是在人工气候箱内给小麦以低温处理，观察小麦表型；实验室内多种间接鉴定方法，如分蘖节处和叶片的含水量，幼苗电导率，糖浓度等。一般来说，判断植物在低温胁迫下的耐受性的方法包括统计植物存活率以及肉眼直接判断植物的受损伤程度，近来的研究还常用到电解质渗漏法及叶绿素荧光测定法等方法测定植物遭受低温胁迫后的生理指标来衡量植物的低温耐受力。另外，检测细胞膜和细胞器膜状态、代谢物测定及特异蛋白表达的分析等方法也被用来研究植物低温应答。田间鉴定法需要依赖当年是否有极端寒潮天气发生，虽然有利于鉴定小麦真正生产条件下的低温耐受性，但靠天吃饭，不确定性太大，过分依赖田间表型鉴定，不利于耐低温研究的开展；如何将人工气候模拟与大田自然极端寒潮温度结合起来，并配合生理指标测定及表型组技术将会是未来小麦低温耐受性研究的发展方向。
2.2小麦低温应答相关基因位点的挖掘：
通过多年的努力，之前的研究人员鉴定了一些重要的抗寒遗传位点，但是具体的候选基因仍有待进一步明确。其中抗寒 (Frost resisitance) 位点Fr-1及Fr-2均位于5A染色体的长臂上，另外，GWAS分析发现在1A、1B、2A、2B、2D、3A、3D、4A及7D上也存在抗寒位点8。另外，众所周知冬小麦和春小麦的抗寒性存在明显差异，Vrn-A1不仅在决定春、冬麦习性方面起着重要作用，而且在抗寒性也发挥功能。有意思的是，Fr-1距离春化基因Vrn-A1的2cM处9。由于5AL染色体上Vrn-A1- Fr-1区段存在明显不同导致冬小麦抗寒性差异，此区段已被育种家用于小麦抗寒育种。此外，抗寒QTL位点QFr.jic-5D位于5D上，与Vrn-D1相距10 cM10，在小麦抗寒育种上也具有较大的育种潜力。
小麦响应低温胁迫是一个复杂的生物学过程，在转录水平、蛋白质及代谢物等各个水平均发生响应变化。近年来，伴随着组学技术的发展，关于小麦低温胁迫下的转录组学、蛋白组学和代谢组学的研究相继被报道。在营养生长阶段，研究者们主要对低温处理下的小麦苗期进行组学实验。Zhao等对三叶期的jing411进行4℃长期低温驯化 (CA) 或非驯化 (NA) 后，再用-5℃冷处理，结合转录组和代谢组分析发现脯氨酸合成通路、ABA及JA-Ile信号转导通路参与小麦冷胁迫响应过程11；利用基于iTRAQ的蛋白组的差异分析，发现参与碳水化合物代谢、胁迫响应及类苯基丙烷合成途径的蛋白对于小麦抗寒性至关重要12。Zhang等利用转录组、蛋白组、豆蔻酰化修饰组及GWAS联合分析，鉴定到与小麦抗寒性相关的糖酵解基因TaPGK (Phosphoglycerate Kinase)，冷处理诱导TaPGK的豆蔻酰化，促进其蛋白积累，进而促进丙酮酸盐的产生，增强小麦的冷耐受性；通过筛选TaPGK的互作蛋白，发现去豆蔻酰化修饰酶TaSRT1与TaPGK相互作用，将TaPGK去豆蔻酰化，从而抑制TaPGK蛋白积累，负调控小麦冷耐受性，此研究揭示了糖酵解途径参与小麦冷胁迫响应的机制，并为小麦抗寒育种改良提供了两个有效基因13。在生殖生长阶段，对幼穗发育处于药隔期的小麦模拟倒春寒处理，-5℃处理3天进行质谱检测，发现冷冻响应的蛋白主要参与信号转导、光合作用、氨基酸代谢及糖代谢等通路14；对耐冷和冷敏感品种小孢子花粉发育阶段进行低温处理后进行代谢组和脂质组分析，发现两个品种间在参与渗透保护的初级代谢物间存在差异，但脂质积累情况更能显著区分两者的低温响应差异，说明小麦品系的耐低温能力与维持膜流动性的膜脂的重塑能力相关15。因此，多组学联合分析在挖掘小麦低温应答过程中关键信号途径及主效基因展现着广大的应用潜力。
2.3小麦低温应答机制的解析：
近年的研究发现，植物对低温信号的应答机制是一个涉及多水平的复杂过程，其中包括低温信号感知、信号转导、转录水平调控、转录后水平调控、翻译及翻译后修饰水平调控等多个方面，在拟南芥中已经建立较为完善的低温信号转导途径 (图2)。低温会激活细胞质膜定位的Ca2 通道和蛋白激酶。蛋白激酶OST1 (Open Stomata 1), MPK3/6 (Mitogen-Activated Protein Kinase 3/6), BIN2 (Brassinosteroid-Insensitive 2), E3泛素连接酶 HOS1 (High Expression of Osmotically Responsive Gene 1), PUB25/26 (Plant U-Box 25) 以及E3-SUMO连接酶SIZ1 (Sap and Miz1 Domain-Containing Ligase1) 共同从翻译后修饰水平调控关键转录因子ICE1 (Inducer of CBF Expression 1) 和MYB15的蛋白稳定性16。CBFs (C-Repeat/DRE Binding Factors) 的转录水平同时受到正/负调节因子的调控以及蛋白水平受到BTFs (Basic Transcription Factor 3) 和14-3-3蛋白的调控。此外, 不依赖于CBF的信号途径以及表观遗传修饰同样参与低温信号转导 (图2)16-22。同时, 在作物水稻和玉米中, 低温信号组分也相继被报道。在水稻中，膜定位G蛋白调节子COLD1可以感知低温，激发Ca2 内流, 调控水稻耐寒性23。另外, Ca2 相关蛋白激酶OsCIPK3/7/12/15, OsCPK2424-26, 钙离子通道OsCNGC927以及下游转录因子OsICE1, OsbZIP73, OsMYB30等均参与水稻低温信号转导 28-30。玉米中ZmICE1, bZIP68及ZmRR1 (type-A Response Regulator 1) 也被发现在响应低温中发挥重要作用31-33。关于小麦中的低温响应机制的研究还相对较少，大都是基于同源基因功能的探索。小麦中有5个ICE基因, 37个CBF基因，11个COR基因，通过系统发育树比较发现, ICE1及COR较CBF在单子叶植物中具有更近的进化亲缘关系34。将TaICE41或TaICE87在拟南芥中过表达会增强其抗冻性35，将TaCBF14或TaCBF15在大麦中过表达会促进下游HvCOR14b表达上调, 进而增强大麦的冷耐受力36. 在小麦中依赖于ABA的COR基因Wrab15/17/18/19及不依赖于ABA的COR基因WCS19, WCS120, Wcor14, Wcor15在冷胁迫处理下显著上调37。另外，植物激素参与调控冷信号。SnRK2s 是ABA信号的核心调控激酶，在之前报道中，小麦中编码ABA响应SnRK2蛋白激酶的PKABA1的转录水平受干旱、低温及渗透压诱导38。TaSnRK2.3, TaSnRK2.4和TaSnRK2.6的表达受冷诱导39-42。过表达编码BR受体的TaBRI1增强拟南芥的抗寒性43。同时，表观修饰调控也参与到小麦的冷响应过程44。冬小麦需要经历低温春化作用以获取开花的能力，这其中涉及到基因包括TaVRN1 (VERNALIZATION 1), TaVRN2, TaVRN3/TaFT1 (FLOWERING LOCUS T1), TaVRN-D4及TaVER2 (VERNALIZATION-RELATED 2), 组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3的动态调控影响TaVRN1和TaFT1的表达。小麦的耐低温性是一个非常复杂的性状，除了与拟南芥等植物共同保守的响应机制外，是否存在其特异的信号通路还有待进一步探究。
3. 展望
植物的低温耐受性是体内一系列生理生化过程共同作用的结果，受众多基因组成低温应答网络共同调控，同时还受外界环境的制约。因此，建立稳定可靠、高通量的、适用于不同品种及不同生育期的评价体系，将对未来耐低温小麦种质资源的鉴定，小麦耐低温育种基因资源的挖掘，以及小麦的低温应答机制解析十分重要。
事实上，近年来基于图形处理及机器学习等技术的表型组学的发展势头迅猛，在作物表型鉴定方面具有精准及高通量等优势，并且基于无人机遥感的表型组学已经开始应用在小麦抗寒位点挖掘上。Chen等利用无人机采集450份冬小麦的越冬后的生长图像，建立基于图像的表型组分析，利用GWAS分析得到包含Vrn-A1位点在内的7个QTL位点45。刘易雪等针对4个试验地491份小麦核心种质资源的抗冻性状，基于无人机多光谱遥感及机器学习，建立了以冠层叶绿素含量指数为抗冻指标的高通量表型方法；并利用GWAS分析筛选到3个已知与抗寒性相关的位点，包括2B短臂上编码Cor14b蛋白的基因、5A长臂上Fr-1和Fr-2位点及3AL上的一个位点46。上述结果表明表型组学技术能很好地鉴定到已知的重要抗寒位点，在小麦低温研究和抗逆育种方面具有广阔前景。
然而对在自然状态下大田中生长的小麦来讲，影响其表型的因素除了温度之外，还包括水分、湿度、风速等诸多因素，因此一般只能得出表型与温度的相关性，而想要判断其中的因果关系就需要依据大田温度数据来建立稳定可靠的室内表型鉴定体系。我们课题组在这方面做了一些初步尝试，利用2022年末的极端寒潮天气，从种植在北京昌平试验田的约2700份小麦品种AK58 EMS诱变M4突变体群体中筛选到抗寒性突变体6个以及寒敏感突变体23个。根据小麦品种AK58苗期叶部冻害指数及存活率，我们课题组初步建立了小麦品种AK58在实验室内的苗期耐低温评价体系，并进一步最终确定了大田环境下鉴定到的抗寒性突变体4个以及寒敏感突变体16个。目前我们正在进一步优化该耐低温评价体系，并以此为基础结合表型组学技术探索更加稳定可靠、高通量的适用于不同品种及不同生育期的表型评价体系，希望能给小麦低温研究以及抗逆育种提供帮助。
参考文献 (由于篇幅限制，未能将列表展示，请领域同行见谅)： 作者简介：赵玉胜，中国科学院遗传与发育生物学研究所课题组长。课题组主要从事小麦温度适应性研究，欢迎交流合作，并请各位老师专家多多指导和帮助。联系方式18513890838（同微信）。
|
