植物抗寒生理研究進(jìn)展

邱乾棟　呂曉貞　臧德奎　張　雷　張立才　杜淑輝

摘要：本文從生理的角度綜述了植物抗寒性研究概況，包括生物膜系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護(hù)酶系統(tǒng)等與抗寒性的關(guān)系，以及抗寒鍛煉對(duì)植物抗寒性的影響，并對(duì)未來的研究方向作了展望。

關(guān)鍵詞：植物；抗寒性；生理指標(biāo)；抗寒鍛煉

中圖分類號(hào)：Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001—4942(2009)08—0053—05

溫度是氣候因素中影響植物地理分布的主導(dǎo)因素，低溫脅迫是植物栽培中經(jīng)常遇到的一種災(zāi)害，涉及到糧食作物、園藝植物及其它許多經(jīng)濟(jì)植物。低溫影響植物的生長(zhǎng)代謝，引起植物相關(guān)生理指標(biāo)變化，導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)受損，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致死亡。因此，研究低溫對(duì)植物生理生化的影響及植物抗寒性生理具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。植物抗寒性的研究領(lǐng)域包括低溫條件下植物形態(tài)、生理生化特性、生態(tài)及細(xì)胞遺傳學(xué)等方面，本文就該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并提出了研究展望。

1生物膜系統(tǒng)與抗寒性的關(guān)系

1973年，Lyons提出了著名的“膜脂相變”假說，認(rèn)為溫度下降時(shí)，生物膜首先發(fā)生膜脂的物相變化，從液晶相變?yōu)槟z相，膜的外型和厚度也發(fā)生變化，可能使膜發(fā)生收縮，出現(xiàn)孔道或龜裂，因而膜的透性增大，膜內(nèi)可溶性物質(zhì)、電解質(zhì)大量向膜外滲漏，破壞細(xì)胞內(nèi)外離子平衡，造成“生理干旱”和“有毒物質(zhì)積累”。和生物膜系統(tǒng)有關(guān)的抗寒生理指標(biāo)有電導(dǎo)率、脂肪酸不飽和度、丙二醛等。

1.1電導(dǎo)率

植物受低溫影響后，膜透性增大，電解質(zhì)外滲，胞間物質(zhì)濃度增大，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率值變大。抗寒性較強(qiáng)的植物在凍害較輕的情況下，不僅膜透性的變化小，而且滲透性的變化可以逆轉(zhuǎn)，易恢復(fù)正常；反之，抗寒性弱的細(xì)胞或受害重者膜透性明顯增大，而且不能恢復(fù)正常以致造成傷害甚至死亡。這種變化明顯地出現(xiàn)在外部形態(tài)的變化之前，因此可以作為抗寒性的生理指標(biāo)。

用電導(dǎo)法測(cè)定膜透性變化來判斷植物的抗寒性是較可靠的方法，應(yīng)用廣泛。簡(jiǎn)令成等通過對(duì)小麥幼苗寒害的研究指出，在低溫脅迫下，質(zhì)膜完整性受到破壞后透性發(fā)生變化，K+等電解質(zhì)以及糖類和氨基酸等物質(zhì)外滲，因此，低溫引起膜結(jié)構(gòu)破壞是導(dǎo)致植物損傷和死亡的根本原因；李紀(jì)元等認(rèn)為用電導(dǎo)法評(píng)估黑木相思和灰木相思的抗寒性具有較高的準(zhǔn)確性。

1.2細(xì)胞膜脂肪酸組成

生物膜是植物細(xì)胞及細(xì)胞器與周圍環(huán)境間的一個(gè)界面結(jié)構(gòu)，其膜脂脂肪酸種類、鏈長(zhǎng)及其飽和度等直接影響到膜脂的性質(zhì)。膜脂脂肪酸的不飽和度被認(rèn)為與抗寒性密切相關(guān)。Steponkus的研究表明，冷敏感植物與抗冷植物相比，飽和脂肪酸含量要高；在冷馴化過程中，植物細(xì)胞不飽和脂肪酸含量升高。宋洪偉等將其應(yīng)用于小漿果資源的抗寒研究，在懸鉤子屬、獼猴桃屬、醋栗屬中，膜脂不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比值與抗寒性正相關(guān)。楊廣東對(duì)青椒的研究也表明，隨溫度降低，所有品種的不飽和脂肪酸含量增加，且在8℃時(shí)與品種抗冷性呈明顯的相關(guān)關(guān)系。

1.3丙二醛(MDA)含量

植物為維持正常生理代謝，體內(nèi)產(chǎn)生的一些有毒物質(zhì)會(huì)被及時(shí)清理掉，但當(dāng)受到低溫脅迫時(shí)，正常生理代謝被破壞，有毒物質(zhì)不能被及時(shí)清除，從而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生傷害?；钚匝鯐?huì)引起膜脂的過氧化作用，產(chǎn)生膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)，從而導(dǎo)致膜的完整性被破壞。因此，MDA的含量是鑒別和了解逆境脅迫對(duì)生物膜危害程度的重要指標(biāo)之一。

羅婭對(duì)草莓的研究表明，低溫使草莓葉片電解質(zhì)滲漏率加大和MDA含量增加，原因是低溫條件下，抗氧化系統(tǒng)不能有效清除過多的活性氧，O₂和HO₂OO₂的含量持續(xù)增加，誘發(fā)膜脂過氧化程度加劇和細(xì)胞膜透性加大。何開躍對(duì)福建柏低溫脅迫的研究同樣表明，MDA含量隨著溫度的降低而逐漸升高。MDA一旦升高，表明細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度加劇，植物細(xì)胞膜系統(tǒng)受到破壞，即膜系統(tǒng)失去其原有的選擇性透性，導(dǎo)致電解質(zhì)的滲漏和細(xì)胞水勢(shì)的下降。這種傷害一旦形成便無法逆轉(zhuǎn)。

2滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗寒性的關(guān)系

滲透調(diào)節(jié)是植物在逆境脅迫時(shí)出現(xiàn)的一種調(diào)節(jié)方式，由細(xì)胞生物合成和吸收累積某些物質(zhì)來完成其調(diào)節(jié)過程。在逆境條件下，細(xì)胞內(nèi)主動(dòng)積累溶質(zhì)來降低細(xì)胞液的滲透勢(shì)，以防止細(xì)胞過度失水。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和甜菜堿等。

2.1可溶性糖

一般認(rèn)為，糖類物質(zhì)的積累與植物的抗寒性呈正相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)可溶性糖含量高可增加細(xì)胞液濃度，降低水勢(shì)，增強(qiáng)保水能力。糖還能提供碳源和底物，誘導(dǎo)其它與抗寒性相關(guān)的生理生化過程，有助于抗寒性的增強(qiáng)；同時(shí)還具有保護(hù)蛋白質(zhì)避免低溫所引起的凝固作用，進(jìn)一步提高植物抗寒性。

嚴(yán)寒靜對(duì)梔子的研究發(fā)現(xiàn)，氣溫下降時(shí)梔子葉片中可溶性糖含量逐月上升，氣溫最低的1月可溶性糖含量為氣溫最高的9月的1.6倍。菠菜可溶性糖含量在低溫處理3～5 d期間大幅度上升，而且抗寒性較強(qiáng)的班德菠菜可溶性糖含量增加幅度明顯高于抗寒性較弱的勝先鋒菠菜。在葡萄中，抗寒性強(qiáng)的品種可溶性糖和可溶性蛋白含量高，抗寒性差的品種含量低，但無論抗寒性強(qiáng)弱，可溶性糖含量均隨溫度下降而增加，以抗寒性強(qiáng)的增加幅度大，抗寒性差的增加幅度小，枝條中可溶性糖和可溶性蛋白含量與電解質(zhì)滲出率呈顯著相關(guān)，含量高的品種電解質(zhì)滲出率明顯低。在日本厚樸和冷蒿抗寒性研究中也得到了同樣的結(jié)果。

2.2可溶性蛋白

可溶性蛋白質(zhì)的親水性較強(qiáng)，能增加細(xì)胞的保水能力，從而提高植物抗寒性。可溶性蛋白與植物抗寒性呈顯著正相關(guān)。高志紅對(duì)果梅的研究表明，低溫下其枝條內(nèi)可溶性蛋白和可溶性糖含量等與抗寒性呈顯著相關(guān)，可作為抗寒種質(zhì)篩選的指標(biāo)；李生泉認(rèn)為，在不同低溫鍛煉期間。棉苗中可溶性蛋白質(zhì)含量的增加和品種的抗冷性表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)。羅軍武等對(duì)茶樹體內(nèi)可溶性蛋白含量的測(cè)定結(jié)果也表明，抗寒性強(qiáng)的品種可溶性蛋白質(zhì)含量高，抗寒性弱的品種可溶性蛋白質(zhì)含量較低，經(jīng)方差分析達(dá)到極顯著或顯著水平的差異，從而認(rèn)為葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量可作為抗寒性強(qiáng)弱鑒定的生化指標(biāo)。此外，抗冷性較強(qiáng)的大蕉葉片中可溶性蛋白質(zhì)的絕對(duì)含量一直低于抗冷性較弱的香蕉，但增幅卻比香蕉的大，這說明在植物的冷脅迫過程中，蛋白質(zhì)的增加量可能比蛋白質(zhì)的絕對(duì)含量起著更為重要的作用。

2.3脯氨酸

游離脯氨酸作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)具有水溶性和水勢(shì)高、在細(xì)胞內(nèi)積累無毒性等特點(diǎn)，能保持原生質(zhì)與環(huán)境滲透平衡。植物受到冷脅迫時(shí)，游離脯氨酸能促進(jìn)蛋白質(zhì)水合作用，由于親水、疏水表面的相互作用，蛋白質(zhì)膠體親水面積增大，保護(hù)酶的空間結(jié)構(gòu)為生化反應(yīng)提供足夠的自由水和生理活性物質(zhì)，從而對(duì)細(xì)胞起到一定的保護(hù)作用。正

常情況下，植物體內(nèi)游離脯氨酸含量很低，但受到逆境脅迫時(shí)，游離脯氨酸的含量會(huì)有很大變化。

姜衛(wèi)兵對(duì)無花果的研究發(fā)現(xiàn)，抗寒性強(qiáng)的品種冬季脯氨酸積累保持較高水平，而抗寒性較弱的品種則處于較低水平，這表明脯氨酸積累在量上的差異與品種抗寒性密切相關(guān)。丁燦對(duì)斑茅的研究表明，冬季葉片的脯氨酸含量是夏季的7.7倍，且脯氨酸含量與原生地海拔、緯度之間存在密切的正相關(guān)關(guān)系，溫度的降低是導(dǎo)致葉片中脯氨酸含量增加的真正原因。低溫脅迫下，喜樹葉片內(nèi)脯氨酸含量也表現(xiàn)出升高趨勢(shì)，而且葉片內(nèi)脯氨酸含量的高低可作為衡量喜樹不同類型抗寒性的指標(biāo)。

3保護(hù)酶系統(tǒng)與抗寒性的關(guān)系

植物體內(nèi)存在活性氧和自由基的清除保護(hù)酶系統(tǒng)，包括過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(sOD)以及抗壞血酸氧化酶(ASA—POD)等。正常情況下，細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于一種動(dòng)態(tài)平衡，不會(huì)引起傷害。但當(dāng)處于逆境條件時(shí)，細(xì)胞自由基產(chǎn)生和清除的平衡遭到破壞而出現(xiàn)活性氧的積累，高水平的活性氧可能加劇膜脂過氧化和膜蛋白的聚合，從而破壞膜結(jié)構(gòu)和功能，這種累積超過一定的閾值，就會(huì)發(fā)生膜傷害，甚至導(dǎo)致植物死亡。

在膜保護(hù)酶與抗寒性的研究中，以SOD的研究最多。SOD與植物多種抗逆性相聯(lián)系。根據(jù)所含金屬輔基的不同，可將其分為Cu，Zn—SOD、Mn—SOD和Fe—SOD三種類型。SOD在好氧生物體內(nèi)對(duì)防御活性氧傷害起重要作用，可專一清除超氧陰離子自由基(O₂)，將其轉(zhuǎn)變成過氧化氫(H₂O₂)。而POD和CAT可以有效地將H₂O₂轉(zhuǎn)變成O₂，從而消除O₂對(duì)生物體的毒害。CAT是清除H202的主要酶類，還可以清除線粒體電子傳遞、B-脂肪酸氧化及光呼吸氧化過程中產(chǎn)生的H₂O₂。

Mckersie發(fā)現(xiàn)植物葉綠體中SOD的超量產(chǎn)生可保護(hù)植物不受冷傷害。而植物組織在低溫脅迫下，SOD酶活性一般是先升高后下降，表明低溫誘導(dǎo)SOD酶活性增強(qiáng)。所以可用SOD值下降時(shí)的溫度高低作為抗寒性鑒定的標(biāo)準(zhǔn)。

研究表明，抗寒性強(qiáng)的桉樹的SOD活性對(duì)低溫的反應(yīng)能力比抗寒性弱的敏感，山葡萄枝條中過氧化物酶活性隨著低溫鍛煉過程中抗寒力的提高而提高，且抗寒性強(qiáng)的種類酶活性更高。馬占相思樹苗的CAT活性隨著溫度的降低先下降然后升高，這表明其對(duì)低溫有一個(gè)適應(yīng)過程，隨著脅迫加深，活性又下降；POD、SOD活性都隨著溫度下降逐漸下降，但下降幅度不大，表明CAT、POD、SOD在低溫嚴(yán)重脅迫過程中，仍具有較高的活性，仍能清除活性氧自由基，以減少對(duì)膜的傷害。馬德華對(duì)黃瓜的研究則顯示，低溫下POD活性與耐低溫能力關(guān)系密切，與對(duì)照相比，POD活性相對(duì)增加量與耐低溫能力之間亦表現(xiàn)為正相關(guān)。陳旭微對(duì)豌豆和綠豆的研究發(fā)現(xiàn)。低溫脅迫后，抗冷性豌豆下胚軸內(nèi)SOD活性極顯著上升，而在冷敏感綠豆中，SOD活性一直維持在較高水平，這也證實(shí)了參與活性氧清除反應(yīng)的第一個(gè)酶是SOD，它在抗氧化酶類中處于重要地位。

此外，植物體內(nèi)脫落酸(ABA)等激素的含量也與植物抗寒性有關(guān)。低溫條件下，植物體內(nèi)累積的ABA能對(duì)低溫調(diào)控基因及RAB基因進(jìn)行調(diào)控，從而提高植物的抗寒性。對(duì)甘藍(lán)和茶樹抗寒力的研究均表明了ABA與抗寒力的關(guān)系。因此，ABA是一種逆境應(yīng)激激素。

4抗寒鍛煉對(duì)植物抗寒性的影響

細(xì)胞膜是細(xì)胞對(duì)外界的屏障。當(dāng)細(xì)胞面臨環(huán)境的低溫脅迫時(shí)，需要進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)以維持細(xì)胞內(nèi)外滲透平衡，因此必然會(huì)使機(jī)體內(nèi)參與滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)如脯氨酸、糖、蛋白質(zhì)等發(fā)生變化，從而避免凍害，提高植物抗寒能力。

研究表明，低溫鍛煉后不同抗寒品種冬小麥細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量的增加與其品種的抗寒性成正相關(guān)；馬占相思樹脯氨酸和可溶性糖含量隨著低溫脅迫程度加深和時(shí)間延長(zhǎng)，表現(xiàn)出持續(xù)增加趨勢(shì)；低溫脅迫下紅掌葉片SOD酶活性逐漸上升，但經(jīng)冷鍛煉的極顯著高于對(duì)照，說明冷鍛煉可以顯著提高SOD酶活性。低溫條件不僅會(huì)使細(xì)胞活性氧水平提高，同時(shí)也可誘導(dǎo)植物防御體系的建立。陳玉珍對(duì)綿頭雪蓮花組培苗的研究顯示，經(jīng)2℃低溫鍛煉，可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸含量明顯升高，鍛煉后可溶性蛋白質(zhì)含量仍高于低溫鍛煉期問的水平，SOD、CAT活性明顯升高，POD活性逐步升高。

因此，低溫鍛煉可以誘導(dǎo)植物抗寒機(jī)制的建立，最終提高植物對(duì)低溫的適應(yīng)能力。這在紅松、假儉草、香樟等多種植物的抗寒性研究中均得到了證實(shí)。

5研究展望

近年來，對(duì)植物抗寒生理的研究已經(jīng)很多，并取得了一定進(jìn)展，主要涉及抗凍蛋白、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與抗寒基因的表達(dá)、低溫對(duì)ATP酶及細(xì)胞物質(zhì)代謝的影響等方面。但要從根本上提高植物抗寒性，仍需促進(jìn)抗寒基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)抗凍蛋白的合成。今后對(duì)于植物抗寒生理的研究將集中在以下幾個(gè)方面。

①由于植物內(nèi)部結(jié)冰主要的傷害部位是膜，所以冰凍傷害和低溫馴化的膜生物學(xué)是今后研究的重要內(nèi)容之一。

②在發(fā)生低溫凍害時(shí)，往往伴隨著其它逆境脅迫如旱、澇、鹽堿等，因此，應(yīng)將低溫脅迫與其它逆境環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行研究。

③植物抗寒性受多種特異的數(shù)量抗性基因調(diào)控，因此鑒定植物抗寒性必須是多方面的。在對(duì)植物抗寒性進(jìn)行鑒別時(shí)，不同的生理指標(biāo)得出的結(jié)論往往不一致，單一指標(biāo)不能正確反映植物抗寒性實(shí)質(zhì)，只有綜合評(píng)價(jià)并采用多種方法印證，才能得出正確結(jié)論，這也將是今后研究工作的重點(diǎn)。

④低溫脅迫導(dǎo)致植物光合強(qiáng)度下降，引起低溫光氧化和光破壞，而且低溫后的受害情況往往與光照密切相關(guān)。另外，在低溫脅迫下，植物的呼吸作用在一定溫度范圍內(nèi)也會(huì)隨溫度下降而下降。因此，低溫對(duì)植物生理代謝的間接影響也是今后研究的熱點(diǎn)。

⑤關(guān)于低溫對(duì)植物的馴化機(jī)理及某些激素類物質(zhì)對(duì)植物體抗寒力的影響等方面還未研究清楚，如ABA與脯氨酸的生物合成以及ABA對(duì)有關(guān)基因的調(diào)控機(jī)理。這些問題也有待進(jìn)一步研究。