劉曉娜，劉麗杰，丁美云，王璐瑤，孫玉婷，鄭暄睿，張東向

植物激素水楊酸調(diào)控小麥抗寒性研究進展

劉曉娜，劉麗杰，丁美云，王璐瑤，孫玉婷，鄭暄睿，張東向

（齊齊哈爾大學(xué) 生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

介紹了植物激素水楊酸（Salicylic acid，SA）調(diào)控小麥抗寒性的研究概況．結(jié)果表明，一定濃度的水楊酸可以促進低溫脅迫后小麥種子的萌發(fā)，抗寒性不同的小麥所需SA的最適濃度也不同，但都在0.005~0.100 mmol/L之間；SA可以抑制小麥細(xì)胞膜脂過氧化，使細(xì)胞膜的完整性得到保持，并且使冬小麥細(xì)胞核的受損程度降低；外源SA可以提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、脯氨酸以及可溶性蛋白的含量，促進蔗糖的合成，抑制蔗糖的降解，提高糖酵解代謝途徑中關(guān)鍵酶的活性，在低溫脅迫的前期促進抗壞血酸（ASA）、總ASA、谷胱甘肽（GSH）、總GSH含量的提高，在低溫脅迫的后期促進抗壞血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循環(huán)的進行．通過調(diào)節(jié)，SA處理使冬小麥在越冬過程中積累了更多的中間代謝產(chǎn)物，從而產(chǎn)生充足的能量以維持其在越冬期間的能量消耗，為其安全越冬提供物質(zhì)和能量保障，并且在抗寒性強的小麥品種中，SA對抗寒性的調(diào)控更加明顯．

水楊酸；小麥；抗寒性

水楊酸（Salicylic acid，SA）也稱鄰羥基苯甲酸，是一種能夠調(diào)控植物生長發(fā)育，并且影響環(huán)境脅迫的內(nèi)源信號酚類化合物[1-3]．1828年，微量的水楊糖苷被成功分離，1838年學(xué)者Piria將這種活性成分命名為SA．外源SA可以影響植物的種子萌發(fā)，還可以作為一種重要的信號分子，在植物響應(yīng)生物脅迫中起重要作用．寒害是非生物脅迫的一種，限制著世界范圍內(nèi)農(nóng)作物的分布以及產(chǎn)量．冷脅迫促進了黃瓜、小麥和擬南芥根中內(nèi)源SA的積累[4-6]，說明SA也參與到植物冷脅迫的響應(yīng)過程中．因此，本文總結(jié)了SA對小麥抗寒性的調(diào)控，以期為揭示激素SA調(diào)控冬小麥抗寒性的機制，探索植物激素提高農(nóng)作物抗寒性奠定一定的理論基礎(chǔ)，并為田間大面積生產(chǎn)提供一定的實踐基礎(chǔ)．

1　SA對低溫下小麥種子萌發(fā)及細(xì)胞膜穩(wěn)定性的影響

小麥經(jīng)SA浸種，-5 ℃低溫脅迫處理24 h后，隨著SA處理濃度的增加，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，種苗的電導(dǎo)率和MDA含量則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，即先下降后上升，不同品種小麥種子萌發(fā)所需的最適SA濃度不同，但都在0.005~0.100 mmol/L之間．由此可見，低濃度的SA處理可以抑制小麥細(xì)胞膜脂過氧化，使細(xì)胞膜的完整性得到保持，可以在一定程度上減緩低溫對種子的傷害，促進種子在低溫下萌發(fā)．但是，SA濃度太高時則對小麥種子在低溫下萌發(fā)有抑制作用，不同品種小麥由于抗寒性不同，種子萌發(fā)所需的最適SA濃度也不同[7]．

2　外源SA對冬小麥生理特性的影響

將小麥幼苗進行低溫脅迫，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過SA預(yù)處理的小麥幼苗中可溶性糖含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量均增加，MDA含量則先降低后升高，H2O2含量降低，說明SA預(yù)處理可能通過降低膜透性和提高膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及提高可溶性糖、脯氨酸和蛋白質(zhì)的含量來提高小麥幼苗的抗寒性．當(dāng)SA的濃度為1.5 mmol/L時，小麥幼苗的抗寒性最強[8-9]．SA預(yù)處理后，不同抗寒性小麥的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、PSII最大光量子產(chǎn)量、光化學(xué)猝滅系數(shù)等光合參數(shù)總體上都高于對照，表明外源SA對低溫下的小麥幼苗在光合活性以及光保護方面起到了促進作用，而且小麥的抗寒性越強，這種影響越顯著．

3　外源SA對冬小麥細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響

強抗寒冬小麥東農(nóng)冬麥1號在三葉期時噴施1×10-4mol/L SA，在整個越冬期，SA預(yù)處理的冬小麥細(xì)胞核的受損程度降低，細(xì)胞的核膜邊緣比較清晰，線粒體的結(jié)構(gòu)也清晰并且完整，內(nèi)嵴的數(shù)目和分蘗節(jié)中線粒體的數(shù)目也有所增加．在越冬期的最低溫-25 ℃時，SA處理后的小麥莖和分蘗節(jié)的細(xì)胞核膜也受到了輕微的破壞，核膜和線粒體的外膜出現(xiàn)模糊不清的現(xiàn)象，但與對照相比，受損明顯減輕；在0 ℃以上溫度時，SA預(yù)處理的小麥莖和分蘗節(jié)細(xì)胞中前質(zhì)體和淀粉粒的數(shù)目增加，分蘗節(jié)中的液泡數(shù)目也顯著多于對照組．并且外源SA處理后的冬小麥莖和分蘗節(jié)中的MDA含量也都低于對照組，說明在寒地冬小麥越冬過程中，SA預(yù)處理減輕了低溫對冬小麥膜系統(tǒng)造成的損傷，增強了低溫下小麥細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了冬小麥的低溫適應(yīng)能力及寒地冬小麥的返青率（從85%提高到91%）[10]．

4　外源SA對冬小麥蔗糖代謝的影響

不同抗寒性小麥東農(nóng)冬麥1號和濟麥22在三葉期時噴施不同濃度的水楊酸（0，0.5，1 mmol/L），在越冬過程中，SA促進了可溶性總糖、蔗糖、果糖的積累，降低了淀粉的積累，并且在較低溫度下，SA促進了抗寒性強的冬小麥東農(nóng)冬麥1號比抗寒性弱的冬小麥濟麥22積累更多的可溶性糖．SA處理促進了蔗糖的合成而抑制了蔗糖的分解，結(jié)果導(dǎo)致蔗糖在冬小麥根、莖、葉片中得到了積累，也體現(xiàn)在蔗糖合成代謝的相關(guān)酶蔗糖磷酸合成酶以及蔗糖合成酶的活性提高，蔗糖分解代謝相關(guān)酶酸性轉(zhuǎn)化酶和堿性/中性轉(zhuǎn)化酶的活性降低．蔗糖磷酸合成酶基因和蔗糖合成酶基因的表達(dá)也受到SA的影響而提高，同時酸性轉(zhuǎn)化酶基因和堿性/中性轉(zhuǎn)化酶基因的表達(dá)受到SA的抑制，說明蔗糖代謝既涉及到了蔗糖代謝相關(guān)酶基因表達(dá)水平的調(diào)控又涉及到了酶活水平的調(diào)控[11]．

5　外源SA對冬小麥糖酵解代謝的影響

糖酵解代謝途徑中糖類和丙酮酸的積累可以提高植物在低溫下的生存能力．以東農(nóng)冬麥1號和濟麥22號為材料，用1 mmol/L的外源SA進行噴灑葉片．結(jié)果表明，外源SA預(yù)處理促進了冬小麥根莖和葉片中糖類的積累，包括蔗糖、果糖以及可溶性還原糖，同時也促進了丙酮酸含量的積累，這種促進作用在根莖中比在葉片中更加明顯．SA處理使2種冬小麥根莖和葉片中糖酵解代謝途徑中的關(guān)鍵酶己糖激酶和磷酸果糖激酶的活性增加，也顯著增加了東農(nóng)冬麥1號根莖和葉片中丙酮酸激酶的活性，但是對于抗寒性相對較弱的濟麥22號而言，SA處理組在0 ℃以下低溫時根莖和葉片中的丙酮酸激酶活性顯著低于對照．說明SA對抗寒性強的東農(nóng)冬麥1號的糖酵解代謝途徑影響更加明顯，通過提高其糖酵解代謝途徑中關(guān)鍵酶的活性，使冬小麥在越冬過程中積累了更多的中間代謝產(chǎn)物，從而產(chǎn)生充足的能量以維持其在越冬期間的能量消耗，為使其安全越冬提供物質(zhì)和能量保障．通過對糖酵解代謝關(guān)鍵酶的基因表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)SA處理可使己糖激酶基因和磷酸果糖激酶基因上調(diào)表達(dá)，并且這種促進作用在抗寒性強的東農(nóng)冬麥1號中表現(xiàn)更加明顯，對于丙酮酸激酶基因而言，外源SA促進了東農(nóng)冬麥1號小麥葉片和根莖中該基因的表達(dá)，但抑制了濟麥22號小麥葉片和根莖中該基因的表達(dá)，從分子水平上也證實了外源SA能夠調(diào)節(jié)糖酵解代謝途徑，從而提高小麥的耐寒性[12]．

6　外源SA對小麥抗氧化系統(tǒng)的影響

有研究表明，外源SA能顯著提高低溫脅迫下冬小麥超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）的活性[13-14]．但也有研究表明，CAT的活性受到SA的抑制[15]，SOD和POD活性的增加更加明顯，表明SOD和POD在活性氧的清除過程中起到更大的作用．外源SA在低溫脅迫過程中也影響了一些非酶抗氧化物質(zhì)的積累，在低溫脅迫的前期（4，0 ℃）時，使冬小麥體內(nèi)的抗壞血酸（ASA）、總ASA、谷胱甘肽（GSH）、總GSH含量提高，也使ASA/DHA和GSH/GSSG的比值增加．但隨著溫度繼續(xù)下降，這些物質(zhì)的含量也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，說明ASA和GSH主要是在低溫脅迫的前期清除冬小麥體內(nèi)的活性氧[14]34-39．在低溫脅迫后期（-10，-20℃），外源SA促進了抗壞血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循環(huán)關(guān)鍵酶抗壞血酸過氧化物酶（APX）、單脫氫抗壞血酸還原酶（MDHAR）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）、谷胱甘肽還原酶（GR）活性的增加和基因表達(dá)，表明在低溫脅迫的后期，活性氧代謝中ASA-GSH循環(huán)起到了非常重要的作用．

7　結(jié)語

綜上所述，一定濃度的外源SA可以提高低溫下小麥種子的發(fā)芽率，增加細(xì)胞膜的穩(wěn)定性．在低溫脅迫過程中，外源SA可以提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、脯氨酸以及可溶性蛋白的含量，降低了細(xì)胞核的受損程度，減輕了低溫對冬小麥膜系統(tǒng)造成的損傷，促進了蔗糖的合成，抑制了蔗糖的降解，提高了糖酵解代謝途徑中關(guān)鍵酶的活性．在低溫脅迫的前期促進了抗壞血酸（ASA）、總ASA、谷胱甘肽（GSH）、總GSH含量提高．在低溫脅迫的后期促進了抗壞血酸-谷胱甘肽（ASA-GSH）循環(huán)的進行．通過以上調(diào)節(jié)，SA處理使冬小麥在越冬過程中積累了更多的中間代謝產(chǎn)物，從而產(chǎn)生充足的能量以維持其在越冬期間的能量消耗，為使其安全越冬提供物質(zhì)和能量保障．

總之，SA對低溫下小麥抗寒性的影響是一種錯綜復(fù)雜的過程，既涉及到生理方面的影響，也涉及到分子和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的影響，如何從基因水平、代謝水平及蛋白質(zhì)水平解析SA對小麥抗寒性影響的機制是下一步研究所關(guān)注的重點．因此，今后可通過組學(xué)方法（轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)）系統(tǒng)地研究SA如何調(diào)控小麥的抗寒性，為小麥的抗寒育種及提高寒地小麥的返青率及產(chǎn)量提供一定的理論基礎(chǔ)．

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Research progress of plant hormone salicylic acid regulating cold resistance of wheat

LIU Xiaona，LIU Lijie，DING Meiyun，WANG Luyao，SUN Yuting，ZHENG Xuanrui，ZHANG Dongxiang

（School of Life Science and Agriculture Forestry，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

The research survey of the plant hormone salicylic acid regulating the cold resistance of wheat was introduced．The results showed that a certain concentration of salicylic acid could promote the germination of seeds after low temperature stress，and the optimal concentration of SA for wheat with different cold resistance was also different，but they were all in the range of 0.005-0.100 mmol/L．Salicylic acid could inhibit lipid peroxidation of wheat cell membrane，maintain the integrity of cell membrane，and reduce the degree of nuclear damage in winter wheat．Exogenous SA could increase the content of soluble sugar，proline and soluble protein，promote the synthesis of sucrose，inhibit the degradation of sucrose，and improve the activity of key enzymes in glycolysis pathway．In the early stage of low temperature stress，the content of ascorbic acid（ASA），total ASA，glutathione（GSH）and total GSH were increased，and in the late stage of low temperature stress，the circulation of ascorbic acid glutathione（AsA-GSH）was promoted．Through the above regulation，SA treatment made winter wheat accumulate more intermediate metabolites during the wintering process，so as to generate sufficient energy to maintain its wintering period and provide material and energy guarantee for its safe overwintering，and in the wheat varieties with strong cold resistance，the regulation of SA on cold resistance is more obvious．

salicylic acid；wheat；cold resistance

Q945

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.016

1007-9831（2020）04-0074-04

2019-12-26

黑龍江省教育廳項目（135209265）；植物性食品加工技術(shù)特色學(xué)科專項（YSTSXK201877）；黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（201910232023）

劉曉娜（1998-），女，黑龍江齊齊哈爾人，在讀本科生．E-mail：2303629782@qq.com

劉麗杰（1980-），女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事生物技術(shù)研究．E-mail：liulijie2001@163.com