甘蔗霜凍研究進展

全怡吉，張躍彬，鄧軍，李如丹，樊仙，楊紹林

（云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所，開遠661699）

甘蔗為禾本科甘蔗屬C4作物，是重要的糖料和能源作物?，F主要集中種植于南北緯25°，巴西、印度和中國是世界上種植甘蔗面積最大的國家。甘蔗性喜高溫多濕，最適宜栽種于年積溫5500～8500℃，無霜期330d以上，年均空氣濕度60%，年降水量800～1200 mm，日照時數1195h以上，土壤pH6.5～7.5的地區(qū)。已有研究表明，最適宜的甘蔗生長氣溫是30～32℃，超過40℃則不能正常生長，低于0℃則會受害[1]。隨著溫室效應的不斷加劇，全球氣候變化反常，我國大部分蔗區(qū)霜凍災害加重，導致甘蔗生產和制糖工業(yè)發(fā)展受阻，經濟受損。1999年，我國廣西、云南兩省受霜凍危害的甘蔗面積分別達有收面積的69.29%和50%；2008年，廣西蔗區(qū)80%以上甘蔗遭受霜凍危害，減產178萬噸，經濟損失達45億元；2011年，由于北方強冷空氣持續(xù)南下，造成廣西蔗區(qū)甘蔗砍收受阻的同時也嚴重影響了宿根蔗的萌芽[1-3]。因此，加強甘蔗抗低溫霜凍的研究，已成為甘蔗生產上急需解決的問題。現將近年有關甘蔗霜凍的研究結果進行概述，以期為進一步探明甘蔗對低溫霜凍的響應機理及抗寒新品種的選育、推廣提供參考。

1 霜凍對甘蔗生長的影響

霜凍一般發(fā)生在甘蔗工藝成熟期，根據霜凍發(fā)生時的氣候條件和甘蔗受害表現，常將甘蔗霜凍分為干旱霜凍、陰雨霜凍和陰雨冷害等類型[4]。當霜凍來臨時，甘蔗蔗莖生長點最先受害，其次是心葉，隨著受害程度的加重，蔗葉和蔗莖均從上向下逐漸顯現受害癥狀。其癥狀主要表現為：心葉凍死后呈黑色，容易拔起；蔗莖生長點凍死的不會再生心葉，生長點未凍死的則會抽出呈塊狀白痕的心葉，繼續(xù)生長，但對甘蔗生長有影響；蔗葉干枯呈灰白色，不能進行正常的光合作用；蔗莖上部較嫩的蔗芽呈黑褐色，死亡率高，蔗莖中、下部有葉鞘包被的蔗芽和老芽呈淡褐色，死亡率相對較低，霜凍嚴重時地上部蔗芽會被全部凍死；蔗莖組織全部或部分呈水煮狀，節(jié)間全部或部分變色，有時節(jié)間開裂，散發(fā)酸腐味[5]。

2 霜凍對甘蔗蔗莖品質的影響

甘蔗受霜凍后除細胞、組織、器官受損和壞死，其體內的蔗糖分會逐漸降低，同時還會出現還原糖、膠體和蔗汁酸度增加的現象，降低產糖率和品質[6]。其中，宿根蔗的蔗糖分、錘度比新植蔗下降多，而新植蔗的還原糖上升、純度下降則比宿根蔗多[5]。因此，霜凍后的甘蔗蔗糖分和錘度變化可用于甘蔗品種耐性評價。譚宏偉等[7]調查了桂中自然凍害后的田間甘蔗蔗糖分，發(fā)現低溫下蔗糖分均出現了不同程度的降低，降低了0.21%～0.48%（絕對值，下同），宿根蔗蔗糖分降幅比新植蔗大；簡純度降低了0.37%～1.48%，新植蔗的降幅比宿根蔗大。楊榮仲等[8]通過對霜凍前后20個甘蔗品種（系）的品質性狀分析，發(fā)現不論甘蔗受霜凍危害程度的輕或重，其品質性狀都會受到影響，蔗糖分和理論產糖量分別降低了1.28%和10.31%。

3 霜凍對甘蔗生理生化特性的影響

3.1 霜凍對甘蔗組織結構細胞的影響

細胞是植物體基本的結構和功能單位，細胞受損是植物受到傷害的重要標志。低溫下，植物體會出現細胞質膜分裂，原生質體收縮，液泡內容物凝集成塊，大液胞裂解成無數小液胞，線粒體出現空洞等現象[9-15]。楊麗濤等[16]人研究發(fā)現，低溫霜凍下甘蔗維管組織的韌皮部最先受到傷害，葉最嚴重，其次是基本組織的薄壁細胞，表皮和機械組織未受傷害；陳榮發(fā)等[17]用掃描電鏡觀察霜凍前后的新臺糖22號（ROC22）和桂糖28號（GT28）兩個甘蔗品種的根系，發(fā)現隨處理時間的延長二者的細胞形狀發(fā)生嚴重變形，液泡變小，核膜斷裂，細胞核解體，根系線粒體細胞的內嵴被破壞，線粒體膨脹、雙層膜受損、出現空泡。

3.2 霜凍對甘蔗膜系統(tǒng)的影響

細胞膜是植物體內重要的界面結構，細胞與外界環(huán)境的物質交換及能量代謝都要通過其進行，它的完整性和選擇透性也直接影響了植物的生理功能[18]。低溫下植物細胞內活性氧的產生與清除間的平衡會被打破，造成氧化物不斷積累，膜蛋白和膜內脂變化，細胞膜選擇性喪失，胞內電解質外滲，對植物造成傷害。已有研究指出，低溫凍害后甘蔗蔗莖的細胞膜透性會增大，細胞內的電解質滲透率提高，蔗莖細胞膜透性從基部向頂部呈下降趨勢，同一部位的節(jié)間比節(jié)的膜透性大，細胞內膜脂過氧化作用加劇，膜脂過氧化產物丙二醛（MDA）大量積累，相對電導率增大[5，19-23]，說明相對電導率和MDA含量的變化可作為衡量甘蔗細胞膜受害程度的標志性生理指標，以及甘蔗對逆境響應強弱的評價指標。

3.3 霜凍對甘蔗光合作用的影響

光合作用是植物賴以生存的基礎，也是植物對低溫響應最明顯的生理過程之一，在低溫脅迫下植物光合作用的光合器官結構、參與光合作用相關的酶活性、氣孔導度、光合電子傳遞和碳同化過程等會受到影響。葉綠體是光合作用中最重要且受低溫影響最敏感的細胞器，而葉綠素是光能主要的吸收物質，其含量的多少決定了植物的光合效率。Du Y C等[24]研究發(fā)現，甘蔗屬熱帶種Badila、中國種Yomitanzan和甘蔗雜交種NiF4在10℃低溫脅迫下光合速率均出現不同幅度的下降；唐仕云等[26]也研究發(fā)現，甘蔗幼苗葉片在低溫脅迫下除凈光合速率（Pn）出現下降，其氣孔導度（Gs）和葉綠素熒光參數（Fv/Fm）也會顯著降低。張木清等[25]對甘蔗葉片進行低溫脅迫處理后，發(fā)現蔗葉葉綠素含量降低，且Fv/Fm、量子產量（Y）和Rfd值等也呈下降趨勢，認為低溫破壞了PSⅡ結構，影響了光合作用的碳同化，孫富等[22]的研究驗證了這一點。

3.4 霜凍對甘蔗體內抗氧化酶系統(tǒng)的影響

植物在逆境下會應激形成多種同工酶或非酶的抗氧化防御系統(tǒng)來清除體內產生的活性氧，并維持動態(tài)平衡。其中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）是植物體內主要的抗氧化酶類，SOD主要負責將逆境下植物體內形成的超氧物陰離子自由基（O2-）快速歧化成過氧化氫（H2O2）和分子氧，而CAT和POD是分解H2O2的關鍵酶，它們可與其他重要抗氧化酶相互協(xié)調配合，清除植物體內過剩自由基，維持自由基正常，保護細胞免受氧化損傷，并有效地提高植物的抗性。大量研究報道，植物處于逆境時，不同逆境、不同物種、不同發(fā)育時期以及不同組織器官的抗氧化酶活性均會改變。

陳少裕[19]為探討甘蔗低溫脅迫與膜脂過氧化的關系以及甘蔗清除自由基的能力與其抗寒性強弱之間的關系，在福引79-9和閩糖77-208兩個甘蔗品種伸長后期取+3葉片進行低溫處理，結果表明葉片SOD活性隨著脅迫溫度的下降和時間的延長而下降。孫富等[22]、陸思思等[27]、孫波等[28]分別對ROC22和GT28兩個甘蔗品種進行低溫處理，發(fā)現低溫脅迫下幼苗葉綠體、節(jié)間、根系的SOD和POD活性均呈上升趨勢，隨處理時間的延長，活性呈下降趨勢，且耐寒品種GT28的SOD、POD活性顯著高于ROC22的活性，認為耐寒品種GT28具有較強的活性氧清除能力，從而能較好地維持細胞膜結構和功能的穩(wěn)定性；此外，陸思思等還發(fā)現不同部位節(jié)間的酶活性水平表現不同，較嫩節(jié)間的酶活性比較老節(jié)間的酶活性高。張木清等[25]低溫脅迫甘蔗種莖研究發(fā)現，葉片的POD活性上升及同工酶譜帶數增加。陸國盈等[29]研究結果表明，不同甘蔗品種在冰水浸苗下的葉片POD活性變化并不明顯。陳榮發(fā)等[17]應用桶栽試驗詳細研究了低溫脅迫下ROC22和GT28甘蔗幼苗根系線粒體的生理生化特性，結果表明CAT活性分別在第1、3天達到最高，隨后急劇下降，在第5天到達最低值后上升。

3.5 霜凍對甘蔗滲透調節(jié)物質的影響

逆境脅迫下，植物往往會主動調節(jié)細胞滲透，保持細胞滲透平衡，維持自身正常的代謝活動，抵御或消除逆境傷害。其中脯氨酸（PRO）、可溶性蛋白（CPR）和可溶性糖是植物體內主要的滲透調節(jié)物質，可提高植物細胞保水能力，保護原生質膜結構，提高細胞液濃度，降低細胞質冰點，減輕逆境對植物的傷害。因此，植物體內的PRO、CPR和可溶性糖含量常被視為植物遭受逆境后反映其代謝情況的敏感生理指標。

研究表明，低溫脅迫下甘蔗的葉片和根系中的PRO、CPR、可溶性糖含量隨低溫脅迫處理時間的延長而增加，但不同品種之間的含量存在明顯差異，耐寒性強品種比不耐寒品種增加明顯[23，30-35]；同時也有研究發(fā)現，在低溫脅迫下隨著處理時間的延長，甘蔗葉片和根系中的可溶性糖含量呈降低趨勢[28，32]，CPR含量呈先降低后增加趨勢[36]。陸思思等[27]研究還發(fā)現，ROC22和GT28兩個甘蔗品種不同部位節(jié)間的CPR含量隨低溫處理時間的延長先增加后降低，且在整個處理期間耐寒品種GT28的CPR含量變化波動不大。張保青[32]研究發(fā)現，不同品種CPR含量的變化沒有明顯的規(guī)律，認為是因不同品種的甘蔗具有復雜的遺傳背景和自然環(huán)境低溫脅迫因素的復雜性所導致。因此，滲透調節(jié)物質與甘蔗抗寒性間的關系還有待進一步的研究分析。

3.6 霜凍對甘蔗內源激素的影響

植物的生長發(fā)育、基因表達及對逆境的響應都與其體內的激素水平相關。低溫脅迫下，植物體內滲透調節(jié)發(fā)生變化的同時，其內源激素水平積累也發(fā)生著變化[37]，已有諸多研究證明脫落酸（ABA）、水楊酸（SA）、赤霉素（GA）和細胞分裂素（ZR）等植物激素會順序性或連鎖性地參與植物對低溫脅迫的響應[38-39]，其中ABA的作用較為重要。黃杏等[23]發(fā)現，低溫脅迫下甘蔗幼苗葉片中的ABA含量增加，GA含量降低，生長素（IAA）和ZR含量呈先降低后增加再降低趨勢，其中ABA和GA含量存在基因型差異，耐寒品種中ABA含量較高，GA含量較低，認為當甘蔗受到低溫脅迫時，其體內的激素發(fā)揮協(xié)調作用，各種激素相互促進、制約達到一個新的平衡，從而適應低溫脅迫的影響。

4 甘蔗霜凍的分子機制研究

在逆境脅迫條件下，植物一些正常表達的基因被關閉，一些與逆境相適應的基因受到誘導得到表達，其產物參與植物對逆境的耐受性反應，引起植物一系列形態(tài)、生理生化功能以及分子結構上的改變，這些變化反過來又影響植物的生長。近年來，植物對低溫脅迫的響應在基因表達上的研究越來越多，如紫花苜蓿[40]、擬南芥[41]、番茄[42]、水稻[43]、黃瓜[44]、玉米[45]等。大多數研究發(fā)現，當植物受到低溫脅迫后，活性氧相關基因、脫水蛋白、熱激家族蛋白、CBF轉錄因子、NAC轉錄因子和WRKY轉錄因子等基因發(fā)生調控，對揭示植物發(fā)生低溫脅迫的響應機制有了更深入的了解。McKersie等[40]發(fā)現，Fe-SOD基因的過度表達可以提高紫花苜蓿的越冬能力；李慧聰等人[45]對冷脅迫下的玉米進行基因表達分析，發(fā)現受脅迫后熱激家族蛋白基因上調；Liu H等人[42]分析了番茄在低溫處理前后的基因表達差異，發(fā)現大量NAC轉錄因子的表達受低溫誘導強烈。

Nogueira等[46]通過分析低溫脅迫后甘蔗RNA的表達譜，分離鑒定出34個冷誘導ESTS序列，發(fā)現了20個響應低溫脅迫的新基因；Menossi等[47]發(fā)現，低溫脅迫后甘蔗幼苗的34種基因表達上調，25種基因表達受到抑制；陳香玲等[48]利用cDNA-SCOT方法對ROC22和GT28兩個甘蔗品種低溫脅迫后的基因表達進行研究，發(fā)現低溫下二者有部分相同的基因表達，其中有2個功能未知TDF只在耐寒品種GT28中穩(wěn)定出現；黃巧玲[49]利用單向電泳檢測低溫下甘蔗葉綠體蛋白質相對含量，發(fā)現隨處理時間的延長蛋白質相對含量降低，進一步的雙向電泳結果表明，在低溫脅迫下下調蛋白明顯多于上調蛋白，且多數蛋白點在處理24 d時明顯降解，通過對幾個差異較明顯的蛋白點進行質譜分析，發(fā)現這些差異蛋白與葉綠體光能的吸收、電子傳遞和能量合成有關，認為低溫脅迫抑制了甘蔗的光合作用，影響了其正常生長，孫富等[22]研究結果驗證了這一點；王盛等[50]通過qRT-PCR分析了低溫脅迫下GT28幼苗的Cu/Zn-SOD表達情況，發(fā)現Cu/Zn-SOD在低溫下表達顯著上調，認為該基因參與甘蔗抵御低溫脅迫；葉冰瑩等[51]利用qRT-PCR技術測定4℃低溫下福農39號糖代謝關鍵酶UGPase相對表達量，發(fā)現UGPase基因表達量呈上調趨勢；成偉等[52]通過對4℃低溫脅迫下福農40進行熒光定量分析，發(fā)現轉錄激活因子ScCBF1基因的相對表達量在處理30 min后強烈上調表達，2 h時達最大值，基因表達量是0 h的6倍，隨后降低；Park等[53]通過轉錄組學分析發(fā)現，低溫脅迫下不同耐寒甘蔗品種中有600個差異表達基因，其中大部分基因涉及到跨膜轉運活性。

5 討論

目前，對甘蔗響應低溫脅迫的研究已逐步由低溫下的生理生化反應發(fā)展到響應的內在機制及生存、進化、適應等方面上來，并取得了顯著進展；但多數研究是在室內模擬低溫條件下進行的，與實際生產環(huán)境存在一定的偏差，研究材料較為集中單一，對生理研究側重于分析測定各種抗氧化酶和滲透調節(jié)物質的變化，對低溫脅迫下相關分子應答途徑和基因轉錄調控方面的研究還不夠深入，因此，在前人的研究基礎上可結合RNA測序、染色質免疫共沉淀、QTL定位、DNA測序及基因組重測序技術來進一步深入研究甘蔗對多種逆境的交叉響應、植物激素以及信號蛋白與耐寒性的關系、抗寒相關基因及其相關的信號途徑，為甘蔗種質資源耐寒性評價、篩選以及抗寒品種的鑒定提供理論依據。另外，在實際生產中人們主要是采取熏煙、灌水、覆蓋、施肥等措施來防御霜凍危害，目前已有諸多研究證實通過外源噴施化學調節(jié)劑（如水楊酸、抗壞血酸、脫落酸、草酸等）能有效提高植物的抗逆性，但對提高甘蔗抗逆性方面的研究報道較少，因此，可開展甘蔗與抗霜凍保護劑的相關研究，這將對生產中緩解霜凍危害具有重要實踐意義。