植物抗寒性機(jī)理研究綜述

低溫脅迫是植物栽培中常常遇到的一種災(zāi)害,它不僅會(huì)導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重?fù)p害,甚至引起植株死亡,給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的損失。本文綜述了寒害和凍害發(fā)生的生理機(jī)理,從形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)等方面論述了植物與抗寒性的關(guān)系。

1 植物寒害和凍害發(fā)生的生理機(jī)理

1.1寒害機(jī)理

喜溫植物在零下低溫條件下,原生質(zhì)流動(dòng)減慢或停止,水分平衡失調(diào),光合速率減弱,呼吸速率大起大落。零下低溫對(duì)組織的傷害,大致分為兩個(gè)步驟:第一步是膜相的改變,第二步是由于膜損壞而引起的代謝紊亂,導(dǎo)致死亡?？购匀醯闹参?由于生物膜的不飽和脂肪酸含量少,膜的液化程度較差,伸縮性小,在低溫來(lái)臨的時(shí)候,膜從液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài),膜收縮,出現(xiàn)裂縫。

1.2凍害機(jī)理

凍害是指溫度降低到 0℃以下,植物體內(nèi)結(jié)冰,導(dǎo)致細(xì)胞受傷甚至死亡的現(xiàn)象。有兩種情況:胞內(nèi)結(jié)冰和胞外結(jié)冰。胞內(nèi)結(jié)冰是指原生質(zhì)體和液泡相繼結(jié)冰,冰晶破壞原生質(zhì)體的結(jié)構(gòu),使細(xì)胞亞單位的有序隔離喪失,生物大分子結(jié)構(gòu)受損。細(xì)胞間結(jié)冰傷害的主要原因是原生質(zhì)過(guò)度脫水、破壞蛋白質(zhì)分子和原生質(zhì)凝固變性。細(xì)胞間結(jié)冰傷害的次要原因有兩個(gè):細(xì)胞間隙形成的冰晶體過(guò)大時(shí),對(duì)原生質(zhì)發(fā)生機(jī)械損害;溫度回升,冰晶體迅速融化,細(xì)胞壁易恢復(fù)原狀,而原生質(zhì)卻來(lái)不及吸水膨脹,原生質(zhì)有可能被撕破。胞外結(jié)冰指細(xì)胞間隙中靠近細(xì)胞壁的水分結(jié)冰,導(dǎo)致原生質(zhì)體過(guò)度失水,蛋白質(zhì)凝固變性,同時(shí)冰晶可能對(duì)原生質(zhì)膜造成機(jī)械損傷。

2 植株抗寒性機(jī)理研究概況

2.1形態(tài)特征與抗寒性的關(guān)系

2.1.1葉片含水量與抗寒性。植物組織內(nèi)含水量,尤其是葉片內(nèi)的含水量與植物抗寒性存在一定的關(guān)系。一般植物體內(nèi)含水量降低,固形物含量相對(duì)提高,可增加胞液濃度,使結(jié)冰的可能性降低,抗寒防凍能力增強(qiáng),楊躍華等發(fā)現(xiàn)秋冬茶樹(shù)成熟葉片含水量隨溫度的降低而降低。王靜等通過(guò)室外盆栽試驗(yàn)研究了秋末冬初冷蒿相對(duì)含水量的變化,研究發(fā)現(xiàn),隨著氣溫的下降,冷蒿體內(nèi)相對(duì)含水量也下降。

2.1.2葉片結(jié)構(gòu)與抗寒性。植物的抗寒性是長(zhǎng)期適應(yīng)低溫的一種遺傳特性。這種遺傳特性不僅與其內(nèi)部生理生化活動(dòng)和外界環(huán)境條件有關(guān),而且取決于自身形態(tài)結(jié)構(gòu)特征(如葉片組織結(jié)構(gòu)、莖的組織結(jié)構(gòu)和花器官的組織結(jié)構(gòu)等)。彭偉秀對(duì)不同抗寒性的杏品種葉片組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究認(rèn)為品種的抗寒性與葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度(CTR值)成正相關(guān),與疏松海綿組織厚度的指數(shù)(SR值)成負(fù)相關(guān)。單一組織的數(shù)量(如葉片總厚度、柵欄組織厚度或海綿組織厚度)往往會(huì)隨樣品所處生態(tài)條件和生理狀態(tài)的不同而發(fā)生變化,而葉片組織結(jié)構(gòu)的緊密度具有相對(duì)的穩(wěn)定性,反映了杏品種抗寒性遺傳上的差異。在低溫逆境下,植物受到傷害,外部形態(tài)表現(xiàn)為葉片卷曲、萎凋、黃化等;生理上也會(huì)出現(xiàn)傷害,包括呼吸作用失調(diào),根部吸水能力降低,細(xì)胞膜穩(wěn)定性降低,葉片氣孔調(diào)節(jié)失常等。

2.2抗寒生理反應(yīng)及抗寒生理機(jī)制研究進(jìn)展

2.2.1細(xì)胞膜系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗寒性的關(guān)系。細(xì)胞膜是凍害損傷的關(guān)鍵部位,是胞外結(jié)冰向胞內(nèi)結(jié)冰擴(kuò)展的天然屏障,也是細(xì)胞水分調(diào)節(jié)的部位。細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性與植物抗寒性存在密切關(guān)系。低溫可導(dǎo)致植物細(xì)胞膜透性增加,細(xì)胞內(nèi)可溶性物質(zhì)大量外滲,從而引發(fā)植物代謝失調(diào)。1973年,Lyons提出“膜脂相變”假說(shuō),低溫會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞膜從液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相,膜收縮,而結(jié)果是導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大。細(xì)胞膜透性與抗寒能力密切相關(guān),一般認(rèn)為抗寒性強(qiáng)的植物在低溫脅迫時(shí)有明顯的穩(wěn)定性。電解質(zhì)滲出率是植物抗性強(qiáng)弱的基本指標(biāo),在研究細(xì)胞膜透性與植物抗寒性關(guān)系的時(shí)候,許多人采用電導(dǎo)法,測(cè)定植物的電解質(zhì)滲出率。廖明康等在對(duì)杏的抗寒力測(cè)試中發(fā)現(xiàn)杏的電解質(zhì)滲出率隨溫度下降而上升,抗寒能力強(qiáng)的品種相對(duì)電導(dǎo)率值一直較低。鄧令毅等在研究葡萄品種抗寒性時(shí),發(fā)現(xiàn)葡萄的抗寒性基本與其質(zhì)膜透性的大小呈顯著負(fù)相關(guān)。在蘇鐵和五葉地錦的研究結(jié)果也與該結(jié)果一致。

低溫一方面引起細(xì)胞質(zhì)膜 ATP 酶活性的降低或失活,從而使細(xì)胞對(duì)物質(zhì)的主動(dòng)吸收和運(yùn)輸功能降低,物質(zhì)的被動(dòng)轉(zhuǎn)移和滲透增加,細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)外滲,水分散失,喪失膨壓,結(jié)果使細(xì)胞及植物有機(jī)體同周圍環(huán)境的物質(zhì)交換的平衡關(guān)系遭到破壞;另一方面,寒害激活細(xì)胞內(nèi)部一些細(xì)胞器上 ATP 酶水解活性,起初,這可能是有機(jī)體對(duì)外界損傷因子的一種保護(hù)性反應(yīng),即通過(guò)提高能量的釋放來(lái)抵御寒冷的侵襲。但引起細(xì)胞內(nèi) ATP 含量的急劇減少,從而導(dǎo)致生物合成速度的降低和停止。這兩方面的結(jié)果造成了整個(gè)細(xì)胞生理生化過(guò)程的破壞。如果寒害時(shí)間較短,傷害是可逆的,如果寒害持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),則隨著破壞過(guò)程的發(fā)展而導(dǎo)致死亡。

2.2.2游離脯氨酸與抗寒性的關(guān)系。游離脯氨酸的抗性作用是調(diào)節(jié)和維護(hù)結(jié)構(gòu)中融凍后原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡,防止水分散失,促進(jìn)蛋白質(zhì)與水的結(jié)合,增加蛋白質(zhì)的可溶性?？购詮?qiáng)的品種上升的幅度大,抗寒性弱的品種上升幅度小。

李建設(shè)等的研究發(fā)現(xiàn),茄子體內(nèi)脯氨酸的含量在低溫脅迫后增加,增加幅度與品種的抗寒性強(qiáng)弱成正相關(guān);在番茄積累脯氨酸的突變體中,脯氨酸積累與其抗寒性提高相一致。

劉興宇對(duì)厚樸的研究和熊佑清對(duì)大葉黃楊的抗寒性研究表明,隨著寒害的深入脯氨酸含量一直呈上升趨勢(shì)。在越冬條件下,多年生植物,如水杉、楊樹(shù)、銀杏及冬小麥等體內(nèi)有大量脯氨酸積累。

2.2.3細(xì)胞內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)變化、膜脂過(guò)氧化作用與抗寒性的關(guān)系。植物在低溫脅迫下細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷可能與自由基和活性氧引起的膜脂過(guò)氧化和蛋白質(zhì)破壞有關(guān)。植物體內(nèi)也同時(shí)存在一些清除自由基和活性氧的酶類和非酶類物質(zhì)。前者如過(guò)氧化氫酶(CAT),過(guò)氧化物酶((POD),超氧化物歧化酶(SOD),抗壞血酸氧化酶(ASAPOD)等;活性氧傷害細(xì)胞的機(jī)理在于活性氧導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化,保護(hù)酶活性降低,同時(shí)產(chǎn)生較多的膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物(如丙二醛、乙烷等),膜的完整性被破壞。其次,活性氧積累過(guò)多,也會(huì)使膜脂產(chǎn)生脫酞化作用,磷脂游離,膜結(jié)構(gòu)破壞。

低溫脅迫對(duì)植物的不同器官中抗氧化酶活性的影響也不相同。小麥幼苗冷鍛煉過(guò)程中,葉片中SOD活性下降,但根中則上升;POD活性在葉片中上升,而根中下降,CAT活性在葉中及根中都下降。大量研究表明SOD酶基因在植物體內(nèi)的超表達(dá)與抗寒性呈正相關(guān),但也有一些報(bào)道指出SOD與植物抵抗低溫?zé)o關(guān)。野生巴以杏SOD活性,隨溫度降低呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)溫度繼續(xù)降低,野生巴以杏SOD活性呈下降趨勢(shì)。當(dāng)溫度繼續(xù)降低.SOD活性也隨著降低,可能是超氧自山基積累已破壞了植物組織細(xì)胞正常代謝功能。無(wú)法再適應(yīng)低溫脅迫的原因。POD是植物細(xì)胞的保護(hù)性酶,活性越高、變化越大,抗寒能力越強(qiáng)。隨脅迫溫度的降低,野生巴以杏枝條POD酶活性的總體變化趨勢(shì)為升—降—升。

2.2.4丙二醛含量與抗寒性。MDA 是膜質(zhì)過(guò)氧化作用的最終產(chǎn)物,對(duì)質(zhì)膜有毒害作用,其含量多少代表膜損傷程度的大小,MDA 的表現(xiàn)與膜透性的表現(xiàn)構(gòu)成一對(duì)矛盾的統(tǒng)一體,膜透性直接反映膜傷害程度,MDA 間接表示膜受損狀況,并兼有反饋?zhàn)饔谩?/p>

在崔英等實(shí)驗(yàn)中,對(duì)3種三葉草對(duì)照及刈割的 MDA 含量變化,14℃時(shí)3種三葉草對(duì)照及刈割的 MDA 含量都維持在較低的水平。在自然降溫過(guò)程中,隨著溫度的降低三種草對(duì)照及刈割的 MDA 含量都有增加,各草種在不同階段出現(xiàn) MDA 含量下降和增高交替的變化情況,但總體上各草種的 MDA 含量均明顯高于 14℃時(shí)。

艾琳在研究鮮食葡萄抗寒性時(shí)指出,隨著處理溫度的下降,5個(gè)抗寒性不同的葡萄品種根系MDA含量變化趨勢(shì)增加幅度不同,抗寒性強(qiáng)的其含量增加少,抗寒性弱的增加多。王飛等對(duì)杏花器官耐寒性研究表明:MDA含量隨溫度降低而增加,并發(fā)現(xiàn)抗寒性強(qiáng)的品種低溫脅迫下含量低于抗寒性弱的品種。楊春祥的研究表明,早熟油桃各花蕾和花朵MDA含量隨溫度下降而升高,溫度越低含量越高。因此,MDA含量在低溫處理下的變化也可作為衡量植物抗寒性的一個(gè)生理指標(biāo)。

2.2.5低溫脅迫對(duì)植物光合作用的影響。低溫脅迫條件下,大多數(shù)植物都表現(xiàn)出明顯下降。低溫對(duì)光合作用影響有兩個(gè)方面:第一,低溫直接影響葉綠素的合成、光合器官的結(jié)構(gòu)和活性;第二,低溫影響植物體內(nèi)的其它生理過(guò)程,從而間接地影響光合作用,如低溫引起水分脅迫,氣孔對(duì)C02擴(kuò)散阻力的增加,光合產(chǎn)物運(yùn)輸受阻等,從而導(dǎo)致光合產(chǎn)物在葉片的積累。

Tayfor等的研究表明:高粱、玉米在受低溫脅迫時(shí)其光合速率迅速下降,大豆光合速率下降較慢。從低溫處理過(guò)的植物回到正常溫度后光合速率恢復(fù)的程度來(lái)看,光合速率恢復(fù)程度可作為判斷植物抗寒能力的大小。

郭延平等在研究低溫處理對(duì)溫州蜜柑的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),低溫脅迫下溫州蜜柑葉片的氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、光合表觀量子效率及光合作用的光飽和光強(qiáng)和C02飽和濃度降低,細(xì)胞間隙CO2濃度、光補(bǔ)償點(diǎn)和CO2補(bǔ)償點(diǎn)提高。

冷害下根系和葉片細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)破壞,葉綠體類囊體基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)破壞,葉綠素代謝失調(diào)、功能減弱,CO2同化速率顯著降低,凈光合作用減少。(收稿:2009-06-17)

作者簡(jiǎn)介:張向榮(1981-),女,中共黨員,湖南漣源人,現(xiàn)攻讀湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)觀賞園藝學(xué)碩士學(xué)位。