全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(8): 13151323 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家转基因生物新品种培育重大专项(2008ZX08003-004)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 张举仁, E-mail: jrzhang@sdu.edu.cn, Tel: 0531-88364350
第一作者联系方式: E-mail: weibluewind@yahoo.cn, Tel: 18754708660
Received(收稿日期): 2010-12-17; Accepted(接受日期): 2011-04-26; Published online(网络出版日期): 2011-06-13.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110613.1454.014.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.01315
转 betA基因增强小麦的干热风抗性
张伟伟 1 何春梅 2 张举仁 1,*
1山东大学生命科学学院, 山东济南 250100; 2山东省农业科学院玉米研究所 / 国家玉米改良中心济南分中心, 山东济南 250100
摘 要: 甜菜碱是细胞内重要的渗透调节物质, 其积累能有效提高植物对非生物逆境的抗性。以转 betA 基因小麦和
未转基因的野生型为材料, 在灌浆期模拟干热风胁迫处理植株 3 d, 研究干热风对植株生长和籽粒产量的影响。胁迫
处理后, 转基因植株保持较好长势, 叶片青枯失水较少, 旗叶持绿面积显著大于野生型。各株系植株的光合作用能力
和蔗糖磷酸合成酶(SPS)及蔗糖合成酶(SS)活性在胁迫处理后均有所下降, 转基因植株的净光合速率下降到 2.3~3.7 μmol
CO2 m2 s1, 而野生型下降到 1.2 μmol CO2 m2 s1; 野生型植株的 SPS和 SS活性的下降幅度分别为处理前 56.8%和
53.9%, 而转基因株系的下降幅度分别为 62.3%~69.8%和 56.5%~64.5%。干热风胁迫使得各株系植株的旗叶甜菜碱含
量升高, 但转基因株系的叶片甜菜碱含量比野生型的高 18%~87%。在甜菜碱保护作用下, 转基因植株在胁迫条件下
能够维持较高的光合速率, 合成较多的碳水化合物, 使得百粒重和单株产量均高于野生型。因此, 通过转 betA 基因
可显著提高小麦在干热风处理条件下的甜菜碱含量从而增强其抗干热风能力。
关键词: 小麦; 转 betA基因; 甜菜碱; 干热风抗性; 产量
Introduction of betA Gene Enhancing Tolerance to Hot-dry Windy Tolerance in
Wheat
ZHANG Wei-Wei1, HE Chun-Mei2, and ZHANG Ju-Ren1,*
1 School of Life Science, Shandong University, Jinan 250100, China; 2 Maize Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences / Jinan
Sub-Center of National Maize Improvement, Jinan 250100, China
Abstract: Hot-dry windy climate is the weather phenomenon of low humidity, high temperature, and wind stress occurring si-
multaneously, which causes great reduction of wheat yield in northern China during grain filling stage. As a compatible solute in
cells, glycinebetaine plays an important role in tolerance to environmental stresses of plants. In this study, we used three betA
transgenic wheat lines and their wild type (WT) to disclose the effects of glycinebetaine accumulation on the growth and yield
components of wheat plants suffering from hot-dry windy stress for three days. After the hot-dry windy treatment, the transgenic
plants maintained more vigorous growth compared with the WT and showed slower dehydration rates of flag leaf with signifi-
cantly larger green blade area than that of WT. Under the hot-dry windy stress, the photosynthetic ability and the activities of su-
crose phosphate synthase (SPS) and sucrose synthase (SS) in flag leaf were reduced in both transgenic lines and the WT. However,
the reductions were smaller in the transgenic lines than in the WT. After 3-day of stress, the net photosynthetic rates of the trans-
genic lines fell to 2.3–3.7 μmol CO2 m2 s1, while that of the WT plant was 1.2 μmol CO2 m2 s1. After the 3-day stress, the ac-
tivities of SPS and SS were decreased to 62.3–69.8% of the levels before stress treatment in the transgenic lines of those before
stress, whereas those were decreased to 56.5–64.5% of the levels before treatment in the WT plant. The glycinebetaine contents in
flag leaf were increased in all lines, especially in the transgenic lines (18–87% higher than that of WT). Based on these results, we
concluded that under the protection of glycinebetaine, the transgenic plants could maintain higher net photosynthetic rate than that
of the WT plant, resulting in more accumulation of carbohydrate and higher grain yield per plant and 100-grain weight after the
stress of hot-dry windy stress. Therefore, the betA transgenic wheat might be practical in improving tolerance to the hot-dry windy
climate in winter wheat.
Keywords: Wheat; betA transgene; Glycinebetaine; Resistance to hot-dry windy; Yield
1316 作 物 学 报 第 37卷

干热风是春末夏初我国内陆地区经常会出现的
一种高温低湿并伴随着一定风力的灾害气候 [1], 一
般持续 1~3 d。我国华北、西北和黄淮流域的大部地
区在发生干热风的年份, 小麦可减产 5%~40%。小麦
对干热风危害的敏感期在灌浆高峰期和灌浆后期 ,
胁迫持续会引起细胞失水、叶片色素遭到破坏、光
合作用无法正常进行、蒸腾加剧等一系列生理变化
失调的现象, 影响干物质的合成和输送, 导致灌浆
不足 , 造成小麦提早枯熟 , 秕粒严重 , 甚至枯萎死
亡。长期以来, 国内外学者对如何提高植物的抗干
热风能力开展了广泛而深入的研究, 一方面采用改
良土壤、合理灌溉、喷洒叶面肥等农业措施减少损
失, 另一方面通过培育抗干热风新品种来提高作物
的适应性和胁迫条件下的丰产性。传统育种方法周
期长、定向性差、效率低, 又受到种质资源匮乏或
难以利用的限制。随着植物基因工程的发展以及大
量抗逆基因的鉴定和克隆, 利用基因工程方法培育
抗逆作物新品种已成为减轻逆境胁迫造成损失的重
要手段。
植物受干热风伤害的机制研究国内外学者都很
重视, 然而通过基因工程途径提高小麦对干热风耐
受性研究的报道很少。研究表明 , 甘氨酸甜菜碱
(N,N,N-三甲基甘氨酸, glycine betaine, 以下简称甜
菜碱)在细胞内的积累受环境胁迫的诱导, 对于提高
植物抗逆性(如抗盐、干旱、低温和热胁迫等)具有非
常重要的作用, 并且其在植物体内的积累浓度与植
株抗胁迫能力呈正相关[2-4]。外源施用甜菜碱会促进
多种植物在胁迫条件下的生长和产量[5-7]。
在高等植物中, 甜菜碱由胆碱经两步氧化反应
合成, 先由胆碱单加氧酶(CMO)催化生成甜菜碱醛,
后者在甜菜碱醛脱氢酶(BADH)的催化下生成甜菜
碱。大肠杆菌(E. coli)中从胆碱到甜菜碱的合成途径
与植物中类似, 由胆碱脱氢酶(CDH)和 BADH 两种
酶催化。其中 CDH由 betA基因编码, 催化胆碱形成
甜菜碱醛, 并几乎以相同的速率催化甜菜碱醛脱氢
产生甜菜碱[8]。目前, 参与甜菜碱合成的基因 COD、
CDH、CMO和 BADH等已转入多种植物, 使转基因
植株中甜菜碱有不同水平的积累, 并增强了植株对
非生物逆境的耐受性[9-13]。He等[14-15]将来自 E. coli
的 betA 基因转入小麦, 获得了逆境条件下甜菜碱含
量显著提高的转基因植株; 通过抗性检测和生理指
标测定, 肯定了转基因小麦具有明显提高的耐盐性
和耐旱性。
本研究以转 betA 基因小麦 T3代纯合株系和非
转基因对照品种为材料, 在小麦灌浆期人工模拟干
热风处理, 观察植株生长及衰老速率变化, 测定了
旗叶的甘氨酸甜菜碱含量、净光合速率和荧光参数
的变化、以及糖代谢的关键酶活性等, 探讨转 betA
基因能否提高小麦对热、旱、风共胁迫的抗性, 目
的是为小麦抗干热风育种提供资料。
1 材料与方法
1.1 实验材料
以小麦品种济南 17为野生型, 其转 betA基因纯
合株系为 L1、L2和 L3。遗传转化菌株为携带 mini-Ti
质粒 pCAMBIA1300-Pubi::betA-P35S::bar 的农杆菌
LBA4404。其中 Pubi 为玉米泛素 ubiquintin 基因启
动子, P35S为烟草花叶病毒 35S启动子, bar基因为
筛选标记基因 , 编码草丁膦乙酰基转移酶 (PAT,
phosphinothricin acetyltransferase)。经除草剂筛选、
PCR鉴定、Southern blotting及 RT-PCR检测, 确定
在转基因株系中 betA和 bar基因已达到纯合并稳定
表达[14-15]。
1.2 干热风处理
将转基因株系和野生型的种子播于装有同样壤
土的花盆中(直径 30 cm, 高 20 cm), 每个株系 8盆,
每盆 25粒。三叶期定苗, 每盆保留长势一致的小苗
16 株。正常浇水下生长, 并于室外进行春化处理。
返青后间苗, 每盆保留 12株长势一致的植株。各花
盆施肥、浇水量一致。植株拔节前期统计单株分蘖数。
小麦开花 10 d后, 每株系各随机选取 4盆置于
自然条件(对照)和实验棚中生长。自然条件为光照
13 h/11 h (光/暗), 温度 24~28℃/15~18℃ (昼/夜),
湿度 30%~40%/50%以上(昼/夜), 日间风速 0~2 m s1。
实验棚用塑料薄膜覆盖, 棚内一端垂直放置由相间
1.5 cm 的地热丝(连接在可调变压器上)组成的加热
网(固定在木框上), 用一台 120 W的电风扇送风, 花
盆均匀排放在风速 3 m s1的实验区, 并使其受风一
致。棚内温度、湿度和风速分别用温度计、湿度计
和风速计测量, 及时调整风扇距离和电热丝电压以
控制棚内风速和温度进行灌浆期模拟干热风胁迫处
理 3 d, 然后恢复到自然条件下继续生长。干热风胁
迫处理的参数为光照 13 h/11 h (光/暗), 温度 32℃
/20℃ (昼/夜), 湿度 30%以下/50% (昼/夜), 日间风
速约 3 m s1。处理过程中每天 18:00浇水, 每盆 800~
1 000 mL, 用量筒量取, 维持土壤相对含水量在 70%
第 8期 张伟伟等: 转 betA基因增强小麦的干热风抗性 1317


左右。在胁迫处理的不同时间点选取叶龄相仿、生
长状态一致的旗叶测定甜菜碱含量及其他生理和农
艺指标。
1.3 旗叶甜菜碱含量的测定
按照 Quan 等 [12]的方法测定旗叶甜菜碱含量 ,
分别取干热风胁迫处理 0、1、2、3 d的小麦旗叶约
0.5 g, 在液氮中速冻; 解冻后于玻璃注射器中挤压
汁液。汁液于 4℃、12 000g下离心 10 min; 取上清
液用氮气吹干, 用 500 µL D2O(重水)溶解, 加入终
浓度为 1 mmol L–1 的 3-(三甲基硅 )丙烷磺酸钠
[3-(trimethylsilyl) propanesulfonic acid, sodium salt,
DSS]为内标 , 于 Bruker AM500 核磁共振波谱仪
(Bruker BioSpin, 瑞士)中测定 1H 谱(由清华大学闫
永彬完成), 根据甜菜碱的-(CH3)3 谱峰面积与 DSS
的-(CH3)3谱峰面积的比例计算甜菜碱含量[16]。
1.4 旗叶生理指标测定方法
1.4.1 可溶性糖和蔗糖含量 取小麦叶片约 0.1
g, 105℃杀青 10 min后烘干称干重。用煮沸提取叶
片中可溶性总糖, 用蒽酮法定量可溶性总糖含量[17],
用间苯二酚法测定蔗糖含量[18]。
1.4.2 叶绿素含量 取叶片 0.1 g, 用 80%丙酮浸
提法提取叶绿素[19], 叶绿素含量 CT = 20.29D645 +
8.05D663。
1.4.3 光合速率和叶绿素荧光参数 灌浆期小麦
在干热风胁迫前(0 d)和胁迫处理 3 d内, 每天 8:00~
12:00 时分别用 LI-6400 便携式光合仪(LI-Cor Inc.,
美国)测定叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和
胞间二氧化碳浓度。测定时用光合仪配备的红蓝光
源 6400-02BLED Source控制光子通量密度为 1 200
µmol m–2 s–1, 空气相对湿度约为 25%, 叶面温度为
29~36℃, 环境 CO2浓度为 390 μmol mol–1, O2浓度
为 21%。采用 FMS-2 型便携脉冲调制式荧光仪
(Hansatech, 英国)测定初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、
可变荧光(Fv)、最大光化学效率(Fv/Fm), 暗适应时间
为 20 min。
1.4.4 蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性
按照 Rufty 等[20]的方法测定 SPS 和 SS 的活性,
以蔗糖量表示酶活性高低。取叶片 0.1 g左右, 加 5
mL Hepes-NaOH 缓冲液(pH 7.5), 冰浴研磨成匀浆,
4℃下 10 000g离心 10 min, 取上清液置于冰浴中,
作为酶提取液备用。SPS的反应混合液(70 μL)包括
7.5 mmol L1 UDPG、7.5 mmol L1 F-6-P、15 mmol
L1 MgC12、50 mmol L1 Hepes-NaOH (pH 7.5)和适
量酶提取液; SS的反应混合液与 SPS不同之处在于
以果糖代替 F-6-P。30℃下反应 10 min后, 以 70 μL
NaOH (1 mmol L1)终止反应; 然后 80℃保温 8 min
以破坏未反应的 F-6-P和果糖。冷却后, 以间苯二酚
法测定蔗糖含量。
1.5 农艺指标的测定方法
按照杨巧凤等[21]的测定方法分别测定干热风处
理组和对照组植株的旗叶面积、穗长、穗粒数、百
粒重和株粒重。
1.6 数据分析
采用 Sigmaplot 9.0软件进行统计学分析和图表
作图, 除特别注明外, 均以 3 次重复的平均值±标准
差为表征值。以 SPSS软件中 LSD法进行多重比较,
比较相同条件下野生型和转基因株系间是否存在显
著差异(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 干热风胁迫前后不同株系小麦的生长状况
和叶片的甜菜碱含量
干热风处理前所有株系小麦长势基本一致。随
着干热风胁迫的进程, 旗叶逐渐失水, 从顶端至基
部持续青枯, 下部黄叶增多且叶片脱落加速, 最终
旗叶卷曲萎蔫, 茎秆青干。但转基因株系植株整体
长势较好, 绿叶面积明显大于野生型的。在正常生
长条件下, 转基因株系的甜菜碱含量与野生型没有
显著差异; 干热风胁迫 3 d后, 所有株系的旗叶甜菜
碱含量都大幅度提高, 而转基因株系的甜菜碱含量
上升幅度远大于野生型, 其中株系 L2 和 L3 与野生
型达到显著差异(表 1), 并且 L2和 L3株系的绿叶面
积也较野生型大。这表明甜菜碱积累水平的提高有
利于增强植株的抗干热风能力。
2.2 干热风处理下旗叶叶绿素含量的变化
在正常生长条件下, 随着小麦植株的衰老, 旗
叶叶绿素含量逐渐降低(数据未显示)。测定结果表明,
在胁迫处理前转基因株系和野生型对照的旗叶叶绿
素含量差别不大, 干热风处理的第 1 天, 各株系叶
绿素含量都略有升高(图 1), 这可能是由于干热风胁
迫下植株叶片迅速失水导致单位鲜重所含的干物质
量增加所致。在胁迫的第 2 天和第 3 天, 各株系植
株的叶绿素含量均持续降低, 但转基因株系的叶绿
素含量降低幅度较小, 其中转基因株系 L2 和 L3 的
叶绿素含量在此期已明显高于野生型的。根据各株
系叶片的甜菜碱含量及甜菜碱的功能, 可以看出转
基因植株叶片中较高浓度的甜菜碱有效保护了叶绿
体的膜结构[22-23], 降低了叶绿素降解速率。
1318 作 物 学 报 第 37卷

表 1 干热风处理前后小麦旗叶中甜菜碱含量
Table 1 Glycinebetaine contents in the flag leaves before and after hot-dry windy treatment
甜菜碱含量 Gglycinebetaine content (μmol g1 DW) 转基因株系
Transgenic line 处理前
Before treatment
处理后 1 d
1 day after treatment
处理后 3 d
3 days after treatment
野生型对照 Wild type 57.28±2.41 a 76.70±0.74 a 100.30±5.47 a
L1 61.42±3.33 a 91.68±4.92 a 118.27±3.20 a
L2 70.84±3.60 a 111.06±3.20 b 187.44±11.62 c
L3 67.65±1.28 a 101.47±5.76 b 136.43±6.53 b
数据后不同字母代表株系间差异达显著(P<0.05)差异(LSD法)。
Values followed by different letters are significantly at different P < 0.05 (LSD’s MRT).



图 1 干热风处理后野生型和转基因株系旗叶叶绿素含量的变化
Fig. 1 Changes of chlorophyll content in flag leaves of the wild
type and transgenic lines after hot-dry windy treatment
WT: 野生型对照; L1, L2, L3: 转基因株系。不同字母代表株系间
差异达显著(P<0.05)差异(LSD法)。
WT: wild type; L1, L2, L3: transgenic lines. Bars superscripted by
different letters are significantly different at P < 0.05 (LSD’s
MRT).

2.3 干热风胁迫对光合作用和叶绿素荧光的影响
干热风胁迫对所有植株的净光合速率、气孔导
度和蒸腾速率都有抑制作用, 但转基因植株的受影
响程度明显低于野生型。干热风胁迫 3 d时, 净光合
速率均已大幅度下降, 但 3 个转基因株系的净光合
速率为 2.3~3.7 μmol CO2 m2 s1, 显著高于野生型
的 1.2 μmol CO2 m2 s1 (图 2-A)。在胁迫处理 3 d时,
野生型植株的气孔导度和蒸腾速率分别降低到处理
前的 19.4%和 25.4%, 而转基因植株则降低到处理前
的 21.6%~27.7%和 38.2%~41.1%, 降低幅度明显低
于野生型(图 2-B)。转基因植株和野生型植株的胞间
CO2浓度在处理前和干热风处理的第 1 天和第 2 天
无明显差别, 但到胁迫处理第 3 天时, 转基因株系
的胞间 CO2 浓度小幅降低 , 而野生型植株的胞间
CO2浓度明显升高(图 2-C), 而此期净光合速率很低,
这表明在干热风胁迫下野生型植株的叶片光系统受
损严重, 胞间 CO2 不能被有效利用。在干热风处理
早期, 旗叶蒸腾速率迅速降低(图 2-D), 叶温升高较
快(图 2-E)。在胁迫处理 2 d 后, 旗叶蒸腾速率趋于
稳定(图 2-D), 叶温则缓慢上升(图 2-E), 转基因株系
的蒸腾速率相对较高, 旗叶温度也明显低于野生型
的。维持较高的蒸腾速率和适宜的叶片温度有利于
叶片维持正常的生理机能和籽粒较高的灌浆速率 ,
因此, 转基因株系具有明显提高的抗干热风能力。
干热风处理后, 所有株系的 Fv/Fm值都降低; 但
与野生型相比, 转基因株系植株的 Fv/Fm 仍然维持
在一个较高的水平(图 2-F)。这说明在干热风胁迫条
件下, 转基因小麦能维持较高的 PSII 光化学活性,
具有较高的抗干热风胁迫能力。
2.4 干热风胁迫对可溶性总糖和蔗糖含量的影响
胁迫处理前各株系旗叶中的可溶性总糖含量基
本一致, 蔗糖含量也没有明显差异。其中可溶性糖
含量大约为 120 mg g1 DW, 蔗糖含量约为 57 mg
g1 DW (图 3)。干热风处理过程中, 各株系旗叶的可
溶性总糖和蔗糖含量均下降, 但下降幅度不同。胁
迫处理 3 d 时, 转基因株系 L2 和 L3 的可溶性总糖
及蔗糖含量为 79 mg g1 DW和 41 mg g1 DW, 均显
著高于野生型的 67 mg g1 DW和 34 mg g1 DW。这
一结果与这两个株系的甜菜碱含量和净光合速率较
高相对应。
2.5 干热风处理前后 SPS和 SS活性的变化
干热风处理前, 各株系旗叶的 SPS与 SS的活性
没有明显差异(图 4), 其中 SPS活性为 21.2~22.1 mg
Sucrose g1 FW h1, SS活性为 17.9~18.2 mg Sucrose
g1 FW h1。干热风胁迫 3 d时, 野生型植株的 SPS
和 SS 活性分别为处理前的 56.8%和 53.9%; 而转基
因株系旗叶中两种酶的活性下降较小, SPS 下降为处
理前的 62.3%~69.8%, SS 下降为 56.5%~64.5%, 其中
株系 L2的 SPS活性和 SS活性显著高于野生型(图 4)。
2.6 干热风胁迫对小麦产量及其构成因子的影响
成熟期正常条件下生长的各株系, 其旗叶持绿
第 8期 张伟伟等: 转 betA基因增强小麦的干热风抗性 1319




图 2 干热风处理对旗叶光合速率(A)、气孔导度(B)、胞间二氧化碳浓度(C)、蒸腾速率(D)、旗叶温度(E)和光系统 II
光化学效率(F)的影响
Fig. 2 Effects of hot-dry windy treatment on photosynthetic rate(A), stomatal conductance(B), intracellular CO2 concentration(C),
transpiration rate(D), leaf temperature(E), and photochemical efficiency of photosystem II (F) in flag leaf
WT: 野生型对照; L1, L2, L3: 转基因株系。不同字母代表株系间差异达显著(P<0.05)差异(LSD法)。
WT: wild type; L1, L2, L3: transgenic lines. Bars superscripted by different letters are significantly different at P < 0.05 (LSD’s MRT).

面积、穗长、穗粒数、百粒重、株粒重等产量指标
都相差不大。与之相比, 干热风处理后各株系小麦
的穗长和穗粒数略有降低, 但株系之间差异不显著;
各株系的旗叶持绿面积均有减小, 但转基因株系的
旗叶持绿面积大于野生型的旗叶持绿面积, 尤其是
株系 L2, 其旗叶持绿面积减小到未处理组的 94.8%,
与野生型(减小到未处理组的 85.1%)有显著差异; 各
株系植株的百粒重、株粒重在干热风胁迫后均显著
低于未处理组 , 其中野生型的株粒重下降 31.2%,
转基因株系 L1、L2、L3的株粒重分别下降 19.5%、
6.2%和 10.6% (表 2)。由此可见, 干热风处理后转基
因株系的单株产量与野生型相比, 仍保持较高水平。
3 讨论
甜菜碱基因工程已在植物抗逆研究方面得到广
泛应用[8-12]。He等[14-15]研究表明, 引入 betA基因的
1320 作 物 学 报 第 37卷



图 3 干热风处理对旗叶可溶性总糖(A)和蔗糖含量(B)的影响
Fig. 3 Effect of hot-dry windy treatment on the contents of total soluble sugar (A) and sucrose (B) in flag leaves
WT: 野生型对照; L1, L2, L3: 转基因株系。不同字母代表株系间差异达显著(P<0.05)差异(LSD法)。
WT: wild type; L1, L2, L3: transgenic lines. Bars superscripted by different letters are significantly different at P < 0.05 (LSD’s MRT).



图 4 干热风处理对蔗糖磷酸合成酶(A)和蔗糖合成酶活性(B)的影响
Fig. 4 Effect of hot-dry windy treatment on activities of the sucrose phosphate synthase (A) and sucrose synthase (B)
WT: 野生型对照; L1, L2, L3: 转基因株系。不同字母代表株系间差异达显著(P<0.05)差异(LSD法)。
WT: wild type; L1, L2, L3: transgenic lines. Bars superscripted by different letters are significantly different at P < 0.05 (LSD’s MRT).

表 2 干热风对小麦产量及其构成因子的影响
Table 2 Effect of hot-dry windy on the wheat yield and yield components
株系
Line
旗叶持绿面积
Green area of flag leaf (cm2)
穗粒数
Grain number per spike
百粒重
100-grain weight (g)
株粒重
Grain weight per plant (g)
对照 Control
WT 12.74±0.47 a 31.25±0.66 a 3.55±0.03 a 3.83±0.28 a
L1 12.50±0.52 a 31.88±1.47 a 3.47±0.06 a 3.88±0.26 a
L2 12.71±0.54 a 31.88±0.63 a 3.60±0.05 a 4.07±0.24 a
L3 12.70±0.41 a 31.25±0.96 a 3.51±0.08 a 3.78±0.31 a
干热风胁迫 Hot-dry windy stress
WT 10.85±0.28 a 29.38±0.65 a 3.00±0.05 a 2.64±0.17 a
L1 11.62±0.55 a 30.88±1.17 a 3.15±0.07 a 3.13±0.12 b
L2 12.05±0.20 b 30.63±0.63 a 3.30±0.04 b 3.82±0.32 c
L3 11.77±0.24 a 30.75±0.56 a 3.13±0.05 a 3.38±0.23 b
WT: 野生型对照。表中数据为 12次重复的平均值±标准差。数据后不同字母代表株系间差异达显著(P<0.05)差异(LSD法)。
WT: wild type. Data are means ±SD of 12 measurements. Values followed by different letters are significantly at different P < 0.05
(LSD’s MRT).

苗期小麦对干旱和高盐胁迫的耐受能力均表现显著
提高。在我国, 对小麦产量影响最大的非生物胁迫
是植株开花灌浆期遇到的干热风, 转 betA 基因的小
麦是否具有明显提高的抗干热风能力是一个值得关
注的问题。本试验以转 betA基因小麦纯合株系为材
料, 通过人工模拟干热风气候, 观测转基因小麦和
第 8期 张伟伟等: 转 betA基因增强小麦的干热风抗性 1321


受体济南 17植株的抗性差异, 同时测定小麦旗叶的
甘氨酸甜菜碱含量、叶绿素含量、光合速率和各种
合成酶的活性等, 肯定了转 betA 基因的小麦具有明
显提高的抗干热风能力, 并且抗性程度与叶片甘氨
酸甜菜碱含量存在正相关。这为小麦抗干热风育种
提供了重要资料和操作方案。
甜菜碱提高植物抗逆性的生理与分子机制一直
是植物抗逆生理研究的热点课题, 但过去对甜菜碱
抗逆作用的研究以单一逆境处理为主, 对于它在提
高植株共胁迫抗性中的作用关注较少。在本研究中,
我们观测了转基因小麦对干热风胁迫的适应能力以
及甜菜碱积累对旗叶光合作用及籽粒产量的影响 ,
发现甜菜碱积累能有效提高植株对低湿、高温、风
力三重逆境的抗性, 验证了甜菜碱积累可改善植物
的耐热性、耐旱性和耐盐性的结论[10-14,22-23]。甜菜碱
作为一种可溶性小分子化合物, 对细胞内大分子及
膜结构的保护作用大于其渗透调节作用。
甜菜碱是细胞内的一种保护物质, 在天然合成
甘氨酸甜菜碱的植物中, 若在正常生境中积累过高
甜菜碱会影响植株生长; 而在胁迫条件下, 甜菜碱
的积累量会明显增加, 提高植株的抗逆性。小麦是
一种能够积累较高甜菜碱的作物, 且植株合成能力
与生长发育阶段有关, 一般幼嫩植株含量较高(以干
重为基础), 虽然转基因植株中含有外源胆碱脱氢酶
基因(betA), 但在正常条件下甜菜碱浓度仍维持在
相对稳定的水平。当植株遭受胁迫处理时, 甘氨酸
甜菜碱合成基因的转录速率上升和 /或转录本的降
解速率下降(一般多聚核糖体中的 mRNA 寿命长),
使得甘氨酸甜菜碱的积累量迅速升高, 从而增强植
株抗逆性[24]。由于转基因小麦株系中增加了外源基
因 betA 的转录本, 因此在胁迫条件下转基因株系中
的甜菜碱含量比对照显著升高(表 1)。在 3个转基因
系中, L2 的表现显著好于其他两个株系, 这可能是
由于 L2 中外源基因 betA 的转录本最高、积累的甜
菜碱含量最高(表 1)从而抗逆性最强的缘故[14-15]。
光合作用是植物最重要的代谢活动之一, 是作
物生长和产量形成的基础。逆境条件下作物光合作
用的维持是其逆境适应性的基础。在小麦灌浆过程
中, 籽粒中的同化物主要是来自花后形成的光合产
物[25-26]。小麦叶片叶绿素含量高低是反映其光合作
用能力强弱的重要指标之一, 而旗叶是花后同化物
生产与输出的主要器官。小麦旗叶叶绿素含量与其
净光合强度呈显著正相关[27]。在植物的细胞中, 叶
绿体是对非生物逆境最为敏感的细胞器之一, 干热
风引起叶绿体结构破坏, 加速了叶绿素降解导致叶
片叶绿素含量大幅度减少。我们发现干热风胁迫后,
转 betA 基因小麦株系旗叶叶绿素含量降低较少, 旗
叶的气孔导度和净光合速率的受抑制程度较低 ,
Fv/Fm值较高, 这表明甜菜碱可以稳定和保护光合作
用机构. 如 PSII复合体、Rubisco等[22-23]。干热风短
时间处理会使得蒸腾作用骤然加剧, 持续处理则会
使蒸腾速率不断下降[3]。在本试验中, 旗叶蒸腾速率
和气孔导度的变化表现出明显的对应关系, 即气孔
导度降低, 蒸腾速率下降。在干热风处理早期, 不同
株系的植株蒸腾速率迅速下降, 这可能是导致叶温
升高的主要因素, 但蒸腾速率降低到一定程度后相
对稳定, 而叶温继续升高, 进而导致叶绿素降解速
率增加, 叶片严重受损。然而转基因植株的蒸腾速
率在干热风处理后明显高于野生型的, 这对于水分
和无机盐吸收及运输有一定的有益作用, 同时还降
低了叶片温度, 有利于光合作用。在干热风处理过
程中转基因植株的叶片温度低于野生型的结果与上
述结论一致。因此, 提高小麦叶片耐热性和增加根
系吸水能力是增强植株抗干热风能力的重要措施。
我们还发现, 在正常条件下转基因植株和野生型植
株的籽粒产量无显著差别, 经干热风胁迫后, 转基
因株系的百粒重、株粒重等产量构成因子受到的影
响显著低于野生型的(表 2), 这表明甜菜碱在转基因
植株中的较高积累能力不仅未降低植株产量, 而且
能够使植株在胁迫下保持较好的长势、合成更多的
光合产物, 从而形成更高的籽粒产量。
叶片光合作用固定的 CO2主要以淀粉或蔗糖的
形式分别贮藏于叶绿体和细胞质中, 其中蔗糖是糖
类韧皮部运输的主要形式。在照光条件下小麦叶片
主要积累蔗糖[28]。叶片蔗糖积累量是由合成与降解
共同控制的。SS 是一种胞质酶 , 可催化蔗糖合成
与分解 , 但通常认为主要起分解蔗糖的作用 , 其
活性高低和持续期长短决定着籽粒的灌浆速率和
持续时间 , 并与籽粒的体积和重量密切相关。而
SPS 是蔗糖合成途径中的主要限速酶 , 在光合产
物向蔗糖的转化过程中起关键的调控作用 [29]。在
本研究中 , 干热风处理 3 d 后 , 转基因株系旗叶中
两种酶的活性都高于野生型的, 可溶性总糖和蔗糖
含量的变化也表现出相同的趋势, 即转基因株系的
旗叶能够积累更多的光合产物。这些指标的变化反
映了干热风胁迫后转基因植株比野生型具有较高百
1322 作 物 学 报 第 37卷

粒重和单株籽粒产量的生理基础。
4 结论
转 betA基因小麦植株内甜菜碱含量明显提高。
在干热风处理 3 d 后, 转基因株系的旗叶持绿性较
野生型明显改善, 光合特性参数的下降幅度也显著
低于野生型; 另外, 转基因株系保持了相对较高的
SPS 和 SS 活性, 从而能够合成较多的碳水化合物,
最终达到增加小麦百粒重和单株产量的结果。

致谢：感谢清华大学闫永彬帮助测定甜菜碱含量。
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