植物抗寒劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡紅遠，文卓瓊，熊海蓉，文祝友，熊遠福，王宇婷

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學理學院，湖南 長沙410128；2.武昌工學院，湖北 武漢430065；

3.湖南農(nóng)業(yè)大學分析測試中心，湖南 長沙410128；4.湖南農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，湖南 長沙410128）

我國是植物受凍害較嚴重的國家之一，低溫寒害是無法避免的自然災害，給我國造成了巨大的經(jīng)濟損失[1］。植物抗寒劑通過穩(wěn)定植物細胞膜結(jié)構(gòu)，使其保護系統(tǒng)和通透性不受破壞，從而適應逆環(huán)境，在抵御寒冷的同時，還能促進根系發(fā)達、增強光合作用等。植物抗寒劑的研究對于提高植物質(zhì)量和增強我國優(yōu)勢作物的競爭力具有較大的現(xiàn)實意義。

1 植物抗寒劑簡介

1.1 植物抗寒劑的定義

抗寒劑的定義比較廣泛，凡是能夠穩(wěn)定植物細胞膜結(jié)構(gòu)，誘發(fā)其發(fā)生一系列生理生化活動，并增強其抗寒性質(zhì)的藥品、試劑或者植物生長調(diào)節(jié)劑等，都可以稱為抗寒劑。

1.2 植物抗寒劑的特點

（1）施用方法比較簡單，一般為浸泡種子、植株生長過程中噴施[2］。趙華[3］利用抗寒劑對水稻種子進行浸種，并按照常規(guī)方式進行催芽播種，結(jié)果表明，抗寒劑能夠提高水稻秧苗素質(zhì)和成秧率。黃翔[4］以稀釋一定倍數(shù)的復合生物制劑對黃瓜葉面進行噴施，使黃瓜在（10±1）℃低溫脅迫下，能夠保持葉片含水率、相對較高的超氧化物歧化酶（SOD）活性和葡萄糖含量等，提高黃瓜幼苗的抗寒性。

（2）不同種類或同種類不同濃度的抗寒劑，作用效果不同。陳文超等[5］以福湘佳玉辣椒為試驗材料，以清水為對照，研究了低溫脅迫下噴施水楊酸、多效唑和甜菜堿3種抗寒劑對辣椒幼苗植株形態(tài)和生化指標的影響。結(jié)果表明：適宜濃度的3種抗寒劑均能減輕辣椒幼苗的低溫傷害程度、增加幼苗高度、壯苗；經(jīng)3種抗寒劑處理后，幼苗葉中的葉綠素、脯氨酸、可溶性糖含量和過氧化物酶（POD）活性均高于對照植株，可溶性糖、葉綠素含量的最大值分別比對照高61.54%和25.93%，POD活性和脯氨酸含量的最大值分別是對照的2.34倍和1.93倍；丙二醛含量與相對電導率的最小值分別比對照減少了79.31%和33.44%；水楊酸的抗寒效果較其它兩者好，且以濃度為7.5mmol·L－1水楊酸處理的效果最佳。孫剛等[6］研究了不同濃度配比的PEG、水楊酸和二甲基亞砜復合液對玉米種子抗寒性的影響，結(jié)果表明，不同配比的復合液處理玉米種子，其發(fā)芽率及各項生理指標均有顯著差異。

（3）省時省工，節(jié)約成本，綠色環(huán)保?？购畡┛梢栽谑覂?nèi)對作物種子進行包裹，然后在室外耕種，操作簡單；一般抗寒劑用量不大，且濃度較低；目前所用抗寒劑幾乎無毒無害、綠色環(huán)保。

（4）應用范圍廣泛?？捎糜诖筇镒魑?、果樹、蔬菜、花卉等領域[7］。

1.3 植物抗寒劑的作用機理

王紅等[8］通過測定抗寒劑對水稻線粒體膜流動性的冷穩(wěn)定作用時發(fā)現(xiàn)，在正常溫度下，經(jīng)抗寒劑處理后的水稻幼苗的線粒體膜流動性明顯提高；在低溫8℃下測試其膜流動性，測試值與在20℃時的相比，保持了它的低溫穩(wěn)定性。

因此，植物抗寒劑主要是通過提高植物細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其通透性和保護系統(tǒng)不受寒凍破壞。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）緩解電解質(zhì)外泄。經(jīng)抗寒劑處理，緩解了膜透性增大和膜內(nèi)離子、有機基質(zhì)的外泄，避免膜內(nèi)電解質(zhì)濃度過低而導致的失水[9－10］。

（2）提高葉綠素含量[11］。植物需通過葉綠素進行光合作用制造營養(yǎng)來保證其正常生長。

（3）大量積累可溶性糖。糖的大量積累，使細胞液濃度升高，防止其嚴重脫水且能降低冰點，細胞質(zhì)膠質(zhì)不至于遇冷凝固，從而增強了植物的抗寒性能[12］。

（4）增加植物體內(nèi)游離脯氨酸含量。脯氨酸能提高細胞液濃度，保持細胞液與環(huán)境的滲透平衡，并且能夠溶解蛋白質(zhì)和減少可溶性蛋白質(zhì)的沉淀，是植物體內(nèi)最重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一[13］。

（5）減少苗體丙二醇（MDA）含量。MDA是植物在逆境環(huán)境中膜脂質(zhì)發(fā)生過氧化的產(chǎn)物，會降低膜的選擇透過性，并且隨著時間的延長，MDA含量越來越高，細胞存活率則會越來越低[14］。

（6）提高SOD、POD、過氧化氫酶（CAT）酶活性。SOD能夠?qū)⒓毎麅?nèi)積累的氧自由基轉(zhuǎn)化為H2O2；而POD和CAT能將H2O2轉(zhuǎn)化為H2O和O2，產(chǎn)物都能被細胞所利用，這3種酶被稱為植物組織的保護酶系統(tǒng)[15］。

2 植物抗寒劑的研究進展

2.1 國外抗寒劑的研究進展

國外對植物的膜結(jié)構(gòu)、脯氨酸含量與抗寒性的關(guān)系做了很多研究。20世紀60年代，Zeevaart和Ereelman指出，在低溫下，外源激素物質(zhì)，如脫落酸（ABA），能夠引導脯氨酸含量增加。20世紀80年代，Yamaki等[16］發(fā)現(xiàn)，植物受到寒冷襲擊時，質(zhì)膜的影響首當其沖。Kimball等[17］對多種抗寒性不同的牧草進行低溫實驗，結(jié)果表明，葉綠體膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與植物抗寒性呈正相關(guān)關(guān)系。

脯氨酸是一種有機溶劑，在植物體內(nèi)普遍存在。20世紀八九十年代，Borman等[18］在煙草上的試驗、Stewart[19］在蠶豆上的試驗等，都證實脯氨酸含量的增加可提高植物抗寒性。因為脯氨酸可以作為碳源和氮源，在逆境解除后，為細胞恢復提供很多能量[20］。脯氨酸是唯一可以保護植物免受單線態(tài)氧和自由基傷害的可溶性溶質(zhì)分子，可以螯合單線態(tài)氧，及時清除羥自由基，對質(zhì)膜和蛋白質(zhì)起到了較特殊的保護效果。植物體內(nèi)大量積累的脯氨酸在降低細胞酸性、解除氨毒等方面起重要作用，從而穩(wěn)定蛋白質(zhì)、DNA和細胞膜[21－22］。

20世紀末，國外也報道過一些能提高植物抗寒性的藥物，如Lee等[23－24］曾利用 ABA和 Tachigrance處理水稻，預防水稻凍害；Robertson等[25］通過ABA處理石楠，增強了細胞活力，促進了糖類物質(zhì)的吸收，穩(wěn)定了細胞膜的結(jié)構(gòu)，避免低溫下細胞膜遭到破壞；在前人的基礎上，Kurkela等[26］從擬南芥植物中克隆出了一種ABA誘導的轉(zhuǎn)錄物，并證實該產(chǎn)物與抗寒性有關(guān)。

近幾年，國外有從基因水平探討植物抗寒性的報道。2014年，Rasool等[27］總結(jié)了過去的15～20年，人們在研究植物冷適應現(xiàn)象方面所取得的不錯成果；并指出數(shù)百個基因的表達應對冷環(huán)境，導致數(shù)以百計的代謝物產(chǎn)生。Byun等[28］也提到了轉(zhuǎn)錄因子DaCBF7的表達與抗寒性的關(guān)系。目前，國外植物抗寒劑的應用非常廣泛，如應用于大田作物、果樹、蔬菜、花卉等領域。

2.2 國內(nèi)抗寒劑的研究進展

我國植物受寒害比較嚴重，過去都是采用傳統(tǒng)的御寒措施，如施放煙霧、花期噴水、樹干涂白，因不了解植物抗寒的機理而收效甚微。因此，我國開始從細胞、分子水平去探索與植物抗寒性有關(guān)的信息。20世紀90年代，我國不少研究者利用電導儀檢測質(zhì)膜穩(wěn)定性與植物抗寒性的關(guān)系，取得了一定成效[29］。

在單一抗寒劑方面：2006年，張海清等[30］用4種抗寒種衣劑對低溫脅迫下的2個早秈稻品種進行處理，結(jié)果表明，施用抗寒種衣劑的水稻根系活力增強，葉綠素和3種酶活性都提高，丙二醛和電滲率降低，探明了抗寒種衣劑對水稻秧苗的影響及其作用機理。2008年，魏安智等[31］在仁用杏花芽膨大期分別噴施ABA、“杏花防凍劑”、“凍害必施”和“天達－2116”等4種抗寒劑，也取得了同樣的效果。

在混合抗寒劑方面：2010年，羅立津等[32］以甜椒為材料，以冠菌素、ABA和礦源黃腐酸為調(diào)節(jié)劑，采用三元復配劑和各種單劑進行灌根處理，結(jié)果表明，三元復配劑和單劑都能起到抗寒效果，但三元復配劑效果更明顯，表現(xiàn)了一定的協(xié)同誘導效應。李洋等[33］以SNP＋混合劑A處理黃瓜幼苗，結(jié)果比單獨用SNP處理要好。

在不同植物中的應用：黃偉峰等[34］以竹醋液為基液配制了不同的茶樹抗寒劑，并進行了茶樹生理抗寒指標的測試，結(jié)果表明，B2配方能夠顯著提高茶樹的抗寒性，穩(wěn)定茶葉產(chǎn)量。何璐等[35］用抗寒劑分別在常溫和低溫下對棉花幼苗進行處理，結(jié)果表明，抗寒劑在低溫條件下對幼苗促進更為明顯。于永暢等[36］以蕙蘭“大一品”為材料，采用不同濃度的ABA和PP333對其進行葉面噴施后低溫處理，結(jié)果表明，2種抗寒劑都緩和了蕙蘭的冷害程度，并且在濃度分別為15mg·L－1、20mg·L－1時效果最佳。目前，我國抗寒劑只是在一些主要的作物上有應用，有待進一步研發(fā)。

3 抗寒劑研發(fā)存在的問題及發(fā)展趨勢

目前對單一抗寒劑的研究較多，研究表明，復合抗寒劑更能滿足當前的需求。ABA是目前已知抗寒效果最好的單一抗寒劑，但成本太高，所以控制成本和研究復合制劑是今后抗寒劑研發(fā)的主攻方向。

（1）開發(fā)新品種。需要在了解抗寒劑作用機理的基礎上研發(fā)新品種：一是在不同植物中進行探索，提取出新品種抗寒劑，尤其是植物源抗寒劑；二是提取出用量小、效果好的品種；三是篩選出對植物威脅小、在安全方面有保證的品種。

（2）發(fā)展多功能的混合制劑?？购畡┛梢圆粌H僅只有抗寒功能，通過對不同制劑進行復配，找到合適的配方，使抗寒效果最佳，而且還可具有一定的有利于植物生長的附加功能，這才是抗寒劑的真正意義所在。

[1]劉金成.冬季蔬菜防寒防凍技術(shù)[J］.蔬菜世界，2013，（11）：20－21.

[2]李訓貞，梁滿中，周廣洽，等.水稻抗寒劑的效應及其施用技術(shù)[J］.生命科學研究，2001，5（1）：80－83.

[3]趙華.農(nóng)作物應用植物抗寒劑效果好[J］.植物保護，2010，（24）：29－30.

[4]黃翔.復合生物制劑對黃瓜幼苗抗寒性的影響[J］.湖北農(nóng)業(yè)科學，2011，50（4）：741－744.

[5]陳文超，楊博智，周書棟，等.3種誘導劑對辣椒幼苗抗寒性的影響[J］.湖南農(nóng)業(yè)大學學報，2011，37（4）：396－399.

[6]孫剛，曹敏建，張弘，等.不同濃度配比的PEG、二甲基亞砜和水楊酸引發(fā)對玉米種子抗寒性的影響[J］.玉米科學，2014，22（3）：86－90.

[7]田丹青，劉曉靜，葛亞英，等.葉面噴施ABA對蝴蝶蘭抗寒性影響的初探[J］.浙江農(nóng)業(yè)科學，2010，（6）：1252－1253.

[8]王紅，簡令成，張舉紅.抗寒劑對水稻線粒體膜流動性的冷穩(wěn)定作用[J］.植物學通報，1994，11（3）：43－44.

[9]鄭典元，夏依依，丁占平.殼寡糖對水稻幼苗生長及抗寒性能的影響[J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學，2012，40（4）：77－79.

[10]粱穎，王三根.Ca2＋對低溫下水稻幼苗膜的保護作用[J］.作物學報，2001，27（1）：59－64.

[11]劉曉娟，李成仁，劉佳，等.低溫對南洋櫻花生理影響及抗寒劑的篩選[J］.中國園藝文摘，2010，（7）：19－21.

[12]潘瑞熾，董愚得.植物生理學[M］.第三版.北京：高等教育出版社，2000：218－328.

[13]王小華，莊南生.脯氨酸與植物抗寒性的研究進展[J］.植物保護科學，2008，24（11）：398－401.

[14]陳杰忠，徐春香，梁立峰.低溫對香蕉葉片中蛋白質(zhì)及脯氨酸的影響[J］.華南農(nóng)業(yè)大學學報，1999，20（3）：54－58.

[15]楊文鈺，徐精文，張鴻.烯效唑?qū)ρ砻缈购缘挠绊懠捌渥饔脵C理研究[J］.雜交水稻，2003，18（2）：53－57.

[16]YAMAKI S，URITANI I.The mechanism of chilling injury in sweet potatoes，Part V.Biochemical mechanism of chilling injury with special reference to mitochondrial lipid components[J］.Agro Biological Chemistry，1972，36：47－55.

[17]KIMBALL S L，SALISBURY F B.Ultrastructural changes of plants exposed to low temperature[J］.Amer J Bot，1973，60（10）：1028－1033.

[18]BORMAN H C，JANSHAN E V N.Nieotianana tabacum callus studies ABA increase resistance to cold damage[J］.Physiol Plant，1980，48：491－493.

[19]STEWART T S.Amino acid transport in pl－ants[J］.Trends Plant Sci，1998，3：188.

[20]HARE P D，CRESS W A.Metabolic implications of stress induced proline accumulation in plants[J］.Plant Growth Regul，1997，21（2）：79－102.

[21]AAJUM F，RISHI V，AHMED F.Compatibility of osmolytas with Gibbs energy of stabilization of proteins[J］.Biochim Biophya Acta，2000，1476（1）：75－84.

[22]MATYSIK J，ALIA B B，MOHANTY P.Molecular mechanisms of quenching of reactive oxygen species by proline under stress in plants[J］.Curr Sci，2002，82：525－532.

[23]LEE J Y，LEE J H，RYA I S.Effect of abscisic acid application and its mechanism on the chilling injury of rice plants[J］.Plant Environment，1987，9（2）：60－65.

[24]LEE B K，CHAI W Y.Effect of miture of hymexazole and metolaxyl on growth and low temperature injury in rice seedling[J］.Korear Journal of Crop Science，1990，35：201－210.

[25]ROBERTSON A J，ISHIKAWA M，GUSTA L V，et al.Abscisic acid－induced heat tolerance in BromusincnnisLcyss cell－suspension culture：Heat－stable，abscisic acid－responsive polypeptides in combination with sucrose confer，enhanced the mostability[J］.Plant Physiol，1994，105（1）：181－190.

[26]KURKELA S，F(xiàn)RANCK M.Cloning and characterization of cold and ABA－inducible Arabidopsis gene[J］.Plant Mol Biol，1990，18：127－129.

[27]RASOOL S，SINGH S，HASANUZZAMAN M，et al.Plant resistance under cold stress：Metabolomics，proteomics，and genomic approaches[M］／／Emerging Technologies and Management of Crop Stress Tolerance：Volume 1.Biological Techniques，Academic Press，2014：79－98.

[28]BYUN M Y，JUNGEUN L，LI H C，et al.Constitutive expression of DaCBF7，an antarctic vascular plant deschampsia antarcti－ca CBF homolog，resulted in improved cold tolerance in transgenic rice plants[J］.Plant Science，2015，236：61－74.

[29]龔明，劉友谷，朱培仁.低溫和干旱鍛煉對雜交粳稻無性系抗寒性的生理效應[J］.南京農(nóng)業(yè)大學學報，1989，（1）：162－168.

[30]張海清，鄒應斌，肖國超，等.抗寒種衣劑對早秈稻秧苗抗寒性的影響及其作用機理的研究[J］.中國農(nóng)業(yè)科學，2006，39（11）：2220－2227.

[31]魏安智，楊途熙，張睿，等.抗寒劑誘導仁用杏花期抗寒力研究[J］.西北植物學報，2008，28（3）：535－541.

[32]羅立津，洪淑珠，吳慧玲.三種植物生長調(diào)節(jié)劑對甜椒幼苗抗寒性的協(xié)同誘導效應[J］.科技導報，2010，28（15）：36－40.

[33]李洋，張芃，張曉茜，等.SNP復合抗冷劑對黃瓜幼苗耐冷性的影響[J］.浙江農(nóng)業(yè)學報，2015，27（2）：200－205.

[34]黃偉峰，商晗武，高永生，等.竹醋基液抗寒劑對茶樹抗寒性的影響[J］.茶葉科學，2012，32（5）：432－440.

[35]何璐，張小勇，莫海濤，等.抗寒生化制劑對棉花幼苗生理生化特性的影響[J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39（14）：8247－8249.

[36]于永暢，張林，王厚新，等.ABA和PP333對蕙蘭抗寒性的影響[J］.中國農(nóng)學通報，2013，29（25）：125－129.