齐学礼，赵明忠，尹文生，李莹，郭瑞，焦竹青，张煜*
（1河南省作物分子育种研究院，河南郑州，450002；
2河南农业大学学报编辑部，河南郑州，450002；
3焦作市农业农村局，河南焦作， 454100）
小麦开花期以后若遇到高温天气将会对小麦的生长发育造成影响，若遇到连续高温天气，则可能会逼熟小麦，造成千粒重或穗粒数显著降低，严重时可导致小麦产量降低30%左右，同时也使籽粒品质变劣（Asseng et al.，2015）。近年来世界范围内极端高温天气频繁发生，对小麦生产造成较大影响，据报道气温每升高1℃，全球小麦产量降低4.1%~6.4%（Liu et al.，2016）。在我国小麦主产区，特别是黄淮海麦区和北部冬麦区，小麦生育后期经常遭遇30℃以上的高温天气，且同时伴随干旱、强光等逆境，形成干热风天气，对小麦产量和品质造成严重影响，危害面积有时可达全国小麦种植面积的2/3以上，小麦减产10%~20%（Liu et al.，2014）。高温胁迫已成为制约我国小麦生产的主要因素之一，研究小麦耐高温的生理与分子机制，对培育耐高温小麦新品种，研发小麦耐高温栽培技术体系具有理论指导意义，也对保障我国粮食安全具有重要的现实意义。
1.1 高温对小麦光合作用的影响
光合作用是植物感知高温胁迫最迅速的生理过程，在其他有害性状表达之前，光合速率已被显著抑制（Feng et al.，2014），高温对小麦生育后期光合作用的危害表现在光系统I（PSI）和光系统II（PSII）活性、碳同化速率均受到强烈抑制（Wahid et al.，2007）。高温胁迫下光合机构的PSII最先受到破坏，使PSII的有活性中心向无活性中心转化，同时导致天线色素蛋白构象发生改变，造成天线脱落（Ashraf and Harris，2013）。此外，光合电子传递速率也受到强烈抑制，质体醌QA的还原程度被降低，造成不可逆的光抑制（Nikolai et al.，2000）。
Rubisco是卡尔文循环中的一种羧化酶，也是植物光呼吸中不可缺少的加氧酶。相比其他羧化酶，Rubisco对高温更加敏感。Parry等（2003）研究发现，高温胁迫下小麦光合速率的降低与Rubisco活性下降趋势一致，推测高温抑制碳同化过程的作用位点为Rubisco。Schrader等（2004）进一步研究发现，高温胁迫下光合速率的降低主要是由于RuBP再生受到限制所致。
当植物遭受逆境胁迫时，叶绿素荧光参数的变化可反映植物光合作用的状况，高温等逆境胁迫直接或间接影响植物光合机构的性能，特别是对PSII造成损伤（Krause and Weis，1991）。研究表明，耐高温小麦品种在高温胁迫下可保持较高的最大光化学效率（Fv/Fm）和PSII实际光化学效率（ΦPSII），Fv/Fm可作为评价指标来筛选耐高温小麦种质资源（Sharma et al.，2015）。
1.2 高温对小麦叶绿素合成的影响
叶绿素是植物光合作用光反应过程的重要色素，在光能捕获、传递、转化与能量传递中发挥重要作用，逆境胁迫会影响叶绿素合成，加速叶绿素降解（史典义等，2009）。高温胁迫对叶绿体外膜和类囊体膜结构造成破坏，致使细胞膜透性增加，造成ATP合成速率降低，叶绿素含量也随之降低（郝召君等，2017）；
当小麦在灌浆期遭受高温胁迫后，叶片衰老速度加快，叶片叶绿素降解加速，叶绿素含量显著降低（Bergkamp et al.，2018）。叶绿素含量可反映不同小麦品种的耐高温能力，高温胁迫下耐高温品种的叶绿素降解速率显著低于高温敏感品种，叶绿素含量仍能维持较高水平，从而维持较高的光合效率。因此，高温下品种的叶绿素降解速率或含量常被用作筛选耐高温小麦品种的指标之一（李敏等，2021）。
1.3 高温对小麦细胞膜稳定性的影响
小麦等植物受到高温胁迫后，体内活性氧类物质含量显著上升，导致细胞膜过氧化程度加重，降低膜的热稳定性（Suzuki et al.，2012）。Djanaguiraman等（2018）研究表明高温胁迫下小麦光合速率的降低原因是细胞膜被氧化和酰化。1972年，Sullivan首次利用电导法进行高粱和大豆品种的耐高温性研究，认为细胞膜热稳定性可作为筛选耐高温作物品种的指标，随后在小麦中也得到相同结论，高温胁迫下不同小麦品种间的细胞膜热稳定性存在显著差异，可较好地反映小麦品种间耐高温特性差异（Fokar et al.，1998）。Reynolds等（1994）测定了高温胁迫下不同小麦品种膜稳定性与产量的关系，结果显示二者表现为显著正相关。
1.4 高温对小麦渗透调节物质含量的影响
高温胁迫发生时，植物细胞会增强体内渗透调节物质的合成、积累溶质、降低渗透势，进而保护细胞，渗透调节物质积累是植物适应逆境的重要调节机制。植物细胞内的渗透调节物质主要有脯氨酸、可溶性糖和甜菜碱等，其作用主要为调节细胞渗透势、保护蛋白质大分子、增加蛋白质水合度、清除活性氧、维持光合活性，对提高植物耐高温特性起重要作用（Sairam and Tyagi，2004）。高温胁迫下，耐高温品种较不耐高温品种可积累更多脯氨酸（Todorov et al.，2003）。郭洪雪等（2007）研究发现，随着高温胁迫时间的延长，小麦体内的脯氨酸含量呈上升趋势；
Sun等（2018）在开花期对11个小麦品种进行高温胁迫，发现试验材料的旗叶脯氨酸含量平均提高17%；
Dhyani等（2013）研究发现高温胁迫下耐高温小麦品种的脯氨酸含量显著高于其他品种。
鉴于渗透调节物质在植物耐高温特性中的作用，前人也尝试采用基因工程方法来提高渗透调节物质的积累，进而实现提高作物耐高温特性目的。Wang等（2010）研究发现，过表达甜菜碱醛脱氢酶基因（BADH）可提高转基因小麦叶片中的甜菜碱含量，进而缓解高温胁迫下小麦光合机构的受损程度。
1.5 高温对小麦活性氧清除系统酶活性的影响
超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）是植物活性氧清除系统的主要酶，对防止膜脂过氧化，减轻高温造成的伤害有重要作用，抗氧化防御机制是植物抵御高温胁迫的重要机制，与植物的耐高温特性显著正相关，不同小麦品种间的抗氧化酶活性可较好反映品种间耐高温特性的差异，较高的抗氧化酶活性可有效清除植物体内的超氧阴离子和过氧化氢等活性氧类物质，进而维持相对较高的光合效率（Wang et al.，2014）。研究表明，高温胁迫导致小麦抗氧化酶活性下降，导致丙二醛等膜脂过氧化类物质含量上升，膜脂过氧化程度加剧，但耐高温小麦品种具有相对较高的抗氧化酶活性，从而降低光合机构受损程度，维持相对较高的光合效率，并最终获得较高的产量（王义芹等，2007）。
作物耐高温特性属于复杂数量性状，品种的耐高温特性受测定指标、生育时期和胁迫方法等多种因素影响，表型鉴定较困难，相对于农作物抗病、品质、产量等主要性状功能基因，作物耐高温功能基因发掘进展相对较慢（辛明明等，2017）。水稻耐高温分子机制的研究较深入，中国科学院上海植物生理生态研究所林鸿宣院士团队在水稻耐高温基因挖掘方面取得重要进展，在国际上率先克隆出水稻耐高温基因TT1、TT2和TT3（Li et al.，2015；
Kan et al.，2022；
Zhang et al.，2022），为水稻耐高温遗传改良提供了重要的基因资源。与水稻相比，小麦耐高温基因挖掘研究进展相对缓慢，目前尚未定位到直接与小麦耐高温特性相关的主效QTL，已发现的部分耐高温基因的作用机制也不完全清楚。
2.1 小麦耐高温QTL定位研究进展
目前主要是以产量相关性状的耐高温指数或耐高温间接性状作为表型值来进行小麦耐高温QTL定位研究。通常在正常和高温处理下，或仅在高温处理下调查群体的生物量、产量、穗数、穗粒数、千粒重、可溶性糖含量、灌浆持续期、冠层温度、叶片相对含水量、叶绿素含量、叶绿素降解速率、叶绿素荧光参数、细胞膜受损程度、类囊体膜受损程度等表型数据。目前，定位到的耐高温相关QTL几乎覆盖小麦基因组全部21条染色体，发现的QTL数量虽多，但对表型变异的贡献率较低，部分定位结果见表1。
表1 已定位的部分小麦耐高温相关性状QTLTable 1 A summary of high temperature tolerance related QTLs in wheat
2.2 小麦耐高温功能基因研究进展
目前，科研人员已采用基因差异表达谱分析和转录组测序等技术分离了一批小麦耐高温特性相关基因，同时利用酵母转化体系、拟南芥或小麦遗传转化体系验证了基因功能，这些基因多数是提高小麦耐高温特性的转录因子表达，调控热激蛋白基因表达，降低脂膜过氧化程度，降低叶绿素降解速率等作用机制提高小麦耐高温特性（图1）。中国农业大学小麦研究中心在小麦耐高温功能基因研究方面居国际领先地位，近年来，已解析了TaMBF1、TaGCN5、TaOPR3、TaMBF1c、TaHAG1等一批小麦耐高温基因作用机制。部分提高小麦耐高温特性基因详见表2。
表2 已发现的部分提高小麦耐高温特性基因Table 2 A summary of high temperature tolerance related genes in wheat
图1 小麦耐高温分子机制Fig.1 The molecular mechanisms of wheat to high temperature tolerance
培育耐高温小麦新品种是应对全球变暖、实现小麦高产稳产及保障国家粮食安全的有效途径之一，开展小麦耐高温生理机制、耐高温基因挖掘与机制解析工作，对耐高温小麦新品种培育具有重要的理论指导意义。目前，在小麦耐高温生理机制研究方面已取得较大进展，但在小麦耐高温分子机制研究方面还相对落后，科研人员尚未通过正向遗传学的方法克隆到耐高温主效基因，未来小麦耐高温生理与分子机制研究应重点加强以下几个方面。
3.1 加强耐高温小麦新材料创制
优异的耐高温小麦新材料是开展耐高温功能基因组学研究和新品种培育的基础，科研人员应对小麦近缘种、农家种、大面积推广品种、育成新品系等小麦种质资源进行耐高温特性鉴定，以发现的耐高温小麦材料为亲本，综合采用常规育种、表型精准鉴定、生理育种、单倍体育种、分子标记辅助和加代育种等技术，创制耐高温特性表现突出的小麦新材料，为小麦耐高温基因挖掘与新品种培育提供材料支撑。
3.2 加强小麦耐高温表型精准鉴定技术体系构建
高通量精准鉴定小麦耐高温特性是更深入研究小麦耐高温生理机制、耐高温功能基因挖掘与品种选育的前提，传统的耐高温相关性状鉴定技术存在准确度不高和通量偏低等问题，不能较好地满足小麦耐高温研究需求。未来应建立以成像技术、三维重建和人工智能等高新技术为基础，以高通量、智能化和动态无损测定为特征，可对小麦材料进行多尺度和高通量精准鉴定的小麦耐高温表型鉴定技术体系，为耐高温基因挖掘与新品种培育提供技术支撑。
3.3 加强小麦耐高温基因挖掘工作
由于小麦基因组庞大而复杂，且耐高温性状属于复杂数量性状，因此，克隆耐高温小麦基因仍较困难。目前，科研人员采用基因表达谱分析和转录组测序等技术分离到一些耐高温相关基因，但利用这些基因还很难进行小麦耐高温分子设计育种。2018年六倍体小麦“中国春”参考基因组序列的释放，为快速定位和克隆小麦耐高温关键基因提供了契机，相信随着高通量测序和分子标记技术，以及表型精准鉴定技术的不断进步，将来一定会有多个小麦耐高温基因被克隆，推动小麦功能基因组学和分子育种向前发展。
3.4 加强基因编辑与转基因技术在育种中的应用
以CRISPR/Cas9系统为代表的基因组编辑技术极大拓宽了作物育种方法，使精准定向改良成为可能，揭开了作物育种新篇章。科研人员可在特定基因组位点上改变、添加或删除DNA序列，进而实现预期育种目标。在小麦耐高温基因编辑育种方面，应在耐高温性状基因编辑靶向位点方面加强研究，
为基因编辑技术在小麦耐高温遗传改良应用方面打下基础。转基因技术早已成为全世界植物育种领域应用最成功的遗传工程技术之一，该技术通过导入外源基因而实现作物改良目标。目前，国内已有多家单位引进日本烟草公司的遗传转化技术，有力推动了我国在小麦遗传转化方面的研究进展，“十三五”期间在国家转基因重大专项的支持下，我国科学家已将多个耐高温基因导入到主推小麦品种中，获得了一批耐高温特性显著提高的小麦新材料。在功能基因挖掘取得重大进展后，基因工程技术在培育耐高温小麦新品种方面将会发挥更大作用。
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