低溫脅迫下植物光合生理研究進展

李曉靖，崔海軍

（1.河北省塞罕壩機械林場總場，河北圍場 068466；2.西南林業(yè)大學國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650000）

植物受到溫度的影響較大，溫度過高、過低、變化速度、持續(xù)時間長短都會影響到植物的生理代謝變化。植物生長發(fā)育適溫區(qū)的上限和下限分別是臨界高溫和臨界低溫，當環(huán)境溫度低于臨界溫度時，植物會受到傷害，溫度越低植物受害越重。低溫會直接損害植物的光合機構(gòu)，降低其光能同化率，同時增加熱輻射消耗的比例，對植物造成嚴重傷害。長期低溫凍害會誘導植物產(chǎn)生生態(tài)適應(yīng)性，包括形態(tài)和生理兩方面。溫度的變化還能引起其他環(huán)境因子的變化，而環(huán)境因子的變化也會反過來影響植物的生理生化特性，進一步影響植物的生物量。

1 低溫脅迫對光合作用影響

1.1 光合參數(shù)

光合作用的正常進行，受到各種環(huán)境因子的影響，溫度是其中一個較為重要的因子，細胞內(nèi)可利用的液態(tài)水是植物生命活動所必需的物質(zhì)，溫度低于冰點，液態(tài)水固化，植物將面臨生長停滯甚至死亡，因此，植物體內(nèi)溫度超過冰點，植物才能正常生長發(fā)育。研究表明，隨著低溫脅迫時間的延長，植物凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）等光合參數(shù)會持續(xù)下降，低溫脅迫解除，Pn、Gs、Tr有不同程度的回升［1-2］。低強度脅迫時，葉片的Pn、Gs、氣孔限制值（Ls）、胞間CO2濃度（Ci）下降幅度較小，且脅迫解除后可恢復正常，隨著脅迫強度增加，各測試指標變化顯著，且恢復表現(xiàn)較差。光飽和點（LSP）和光補償點（LCP）是植物利用光照能力強弱的重要指標，反應(yīng)了植物光合作用的生理生化特征，植物的LSP較低，LCP較高，說明植物適應(yīng)光的能力比較弱，光照生態(tài)幅也較窄。低溫脅迫導致葉片對光輻射的利用能力下降，隨著脅迫溫度降低，葉片最大凈光合速率、表觀量子效率（AQY）及 LSP快速下降，LCP、暗呼吸速率（Rd）則呈上升趨勢［3］。

1.2 葉綠體結(jié)構(gòu)

葉片超微結(jié)構(gòu)對脅迫的反應(yīng)較為敏感，葉綠體是植物細胞進行光合作用的細胞器，正常情況下，葉綠體內(nèi)類囊體平行排列，基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)排列規(guī)則，結(jié)構(gòu)清晰，葉綠體膜完整。低溫脅迫時，葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，如葉綠體普遍膨脹,基粒片層變薄，數(shù)目減少，被膜及質(zhì)膜清晰度下降，線粒體嵴膨脹，嗜鋨顆粒明顯增多，核膜消失、質(zhì)膜內(nèi)陷，液泡膜扭曲變形，甚至解體，質(zhì)體小球增多，葉肉淀粉含量下降［4-6］。隨著脅迫溫度的降低和時間的延長，高強度的低溫脅迫會導致葉綠體結(jié)構(gòu)分解、淀粉粒消失、質(zhì)壁分離、細胞器崩潰降解等現(xiàn)象［7］。

1.3 葉綠素熒光參數(shù)

葉綠素熒光信號由植物體內(nèi)發(fā)出，并且具有豐富的光合作用信息，這與植物的受脅迫程度相關(guān)，因此可以利用葉綠素熒光參數(shù)研究植物在脅迫條件下的光合作用，同時可以推測出環(huán)境脅迫對植物的影響程度［8］。低溫脅迫影響葉片光能的吸收、轉(zhuǎn)換與光合電子傳遞，致使過剩的激發(fā)能大量積累于PSⅡ反應(yīng)中心，進而損傷植物葉片的PSⅡ反應(yīng)中心，并導致葉片光合作用能力減弱。研究表明，隨著低溫脅迫的延長，葉片的PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)均顯著下降，電子傳遞速率(ETR)減慢，非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）先上升后下降［9-12］。輕度低溫脅迫時，NPQ升高，說明耗散過剩的光能可以保護光合機構(gòu)。

2 低溫脅迫對膜系統(tǒng)影響

2.1 膜結(jié)構(gòu)

植物受到低溫脅迫時，其生物膜會發(fā)生相變和結(jié)構(gòu)變化，膜上產(chǎn)生孔道或龜裂，細胞膜的主動運輸和選擇透過性喪失，膜透性增加，膜內(nèi)可溶性物質(zhì)外滲增多，造成代謝紊亂，自由基等有害物質(zhì)積累，使細胞受到損壞甚至死亡。低溫引發(fā)的一系列生理反應(yīng)可以導致細胞脫水、膜脂過氧化、胞壁間黏連及蛋白質(zhì)變性。膜脂中的棕櫚油酸、亞麻酸、亞油酸等不飽和脂肪酸含量的增加能有效降低膜脂的相變溫度，從而提高植物抗寒性［13］。研究發(fā)現(xiàn)，抗寒性強的品種具有較高的脂肪酸不飽和度和不飽和脂肪酸指數(shù)，低溫脅迫會誘導植物體內(nèi)不飽和脂肪酸的形成，正常情況下，溫度越低，其總脂肪酸含量、脂肪酸不飽和度、不飽和脂肪酸指數(shù)越高［14-15］。

2.2 膜代謝產(chǎn)物

低溫脅迫條件下，植物體內(nèi)會積累過多的活性氧，影響植物的膜脂過氧化作用，進一步使葉片中丙二醛含量增加，加速植物老化［16］。丙二醛是膜脂過氧化的終產(chǎn)物之一，是一種有毒物質(zhì)，它通過和葉片內(nèi)一些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使其改變其本身生理結(jié)構(gòu)，失去原有生理功能和活性，最終導致植物受到損害。丙二醛含量越高，細胞受到脅迫的程度越深。一般認為，丙二醛損害細胞膜的程度較深，它通過膜脂過氧化，損害細胞膜原有結(jié)構(gòu)和功能，從而改變其生理功能和活性，進一步影響其他生理代謝的進行［17］。植物在脅迫條件下，丙二醛含量有升高趨勢，但是隨著脅迫時間的延長和脅迫程度的加深，其含量有下降趨勢［18］。自由基使脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)產(chǎn)生丙二醛，進一步導致生命大分子物質(zhì)的聚合，產(chǎn)生細胞毒性。研究發(fā)現(xiàn)，丙二醛可以反應(yīng)植物的氧化傷害程度，但是細胞壁中丙二醛含量比葉片細胞中丙二醛含量可以更準確的反應(yīng)植物的受害程度［19］。

3 低溫脅迫對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)影響

3.1 可溶性糖

可溶性糖包括絕大部分的單糖、寡糖，屬于非結(jié)構(gòu)性碳水化合物?？扇苄蕴鞘侵参矬w內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，植物在低溫環(huán)境中，會增加糖類物質(zhì)的含量，加強植物營養(yǎng)吸收，從而提高抗寒性［17,20-22］。低溫脅迫初期，可溶性糖是植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，隨著脅迫時間的延長，可溶性蛋白等物質(zhì)開始起作用。淀粉是一種多糖。植物通過制造淀粉的方式貯存能量，淀粉可以看作是葡萄糖的高聚體，它儲存在植物的根部、枝干等木質(zhì)部中，低溫脅迫條件下，淀粉轉(zhuǎn)化為糖類等其他化合物，來增強植物的抗寒性［23］。淀粉等大分子碳水化合物分解產(chǎn)生可溶性糖，淀粉和可溶性糖保持動態(tài)平衡，低溫脅迫時，為提高植物抗寒性，可溶性糖與淀粉含量比率會變大［24］。

3.2 可溶性蛋白

可溶性蛋白是研究植物抗寒性的重要指標之一，通常以小分子狀態(tài)存在，并可溶于水或其他溶劑?？扇苄缘鞍子H水性強，低溫脅迫條件下，可溶性蛋白含量會逐漸增加，使細胞內(nèi)束縛水含量增加，細胞保水能力提高，從而提高細胞質(zhì)內(nèi)濃度，降低結(jié)冰的可能性，增加植物抗寒性，如抗寒蛋白。然而，植物細胞同時產(chǎn)生水解酶，加速蛋白質(zhì)的分解，導致蛋白質(zhì)匱乏［25-27］。對鹽膚木、假連翹、老鴨嘴和葛藤幼苗進行低溫脅迫，其可溶性蛋白含量在一定時間內(nèi)持續(xù)增加［1］。對橄欖油進行低溫脅迫，其可溶性蛋白含量呈先上升后降低趨勢［28］。對茶樹葉片進行低溫脅迫，其可溶性蛋白含量先下降再上升，隨著脅迫時間延長，其含量超過處理前水平，說明低溫誘導產(chǎn)生了新蛋白［20］。

3.3 脯氨酸

低溫脅迫條件下，植物體內(nèi)液態(tài)水溫度逐漸降到冰點以下，形成冰晶，使植物細胞壁外面的水膜結(jié)冰，隨著溫度的逐漸下降，冰晶范圍逐漸增加，最終導致細胞原生壁濃縮，細胞逝水。植物為了自身各項生理過程正常進行，會在體內(nèi)產(chǎn)生大量低分子化合物，這為植物在解除脅迫后恢復之前正常生長提供必須的物質(zhì)準備［29］。這些低分子化合物包括脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖等物質(zhì)。

脯氨酸具有較強的水合能力，植物體內(nèi)游離脯氨酸較多，它在植物逆境脅迫下是一種滲透保護劑，積累的脯氨酸在植物體內(nèi)具有重要作用，是植物體必不可缺的物質(zhì)。它既可以作為細胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，還可以穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)。抗逆性強的品種，體內(nèi)的脯氨酸含量也較高，因此通過測定脯氨酸含量大小可以判斷植物的抗逆性［30］。研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫條件下，葉片內(nèi)脯氨酸含量逐漸增加，脯氨酸通過保護植物體內(nèi)的各項保護物質(zhì)并啟動相應(yīng)的抗脅迫代謝來減少脅迫對植物造成的傷害［31-32］。一般認為，隨著脅迫程度的加深，植物體內(nèi)脯氨酸含量呈上升趨勢，脯氨酸含量越高，植物受到脅迫后的受損癥狀越嚴重，因此根據(jù)脯氨酸含量可以間接判斷植物的耐脅迫能力［33-34］。也有研究發(fā)現(xiàn)，對衣藻胞內(nèi)脯氨酸含量進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫時間延長，脯氨酸含量先升高后降低，-5℃，48 h后脯氨酸含量基本維持不變，可能是因為植物受到脅迫時，各方面生理活動能力降低，使合成脯氨酸的原料和能量也有所減少，進一步造成脯氨酸合成受阻，因此其含量最后維持不變［35］。

4 低溫脅迫對保護酶系統(tǒng)影響

適宜條件下，植物體內(nèi)活性氧處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，是不會對植物造成嚴重傷害的，但是在脅迫條件下，植物對氧氣的利用能力降低，過量的氧氣轉(zhuǎn)化成活性氧，對植物細胞結(jié)構(gòu)造成嚴重傷害，進而影響植物的生理生化功能［36］。過剩的氧氣對需氧植物有一定毒性，活性氧過度積累從另一方面會促使植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)增強，進一步減輕活性氧對植物自身的傷害?？寡趸到y(tǒng)包括抗氧化酶和非酶成分，抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶 (POD)、多酚氧化酶(PPO)和過氧化氫酶(CAT)，以及在 ASA—GSH循環(huán)中發(fā)揮主要作用的谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶 (GST)、谷胱甘肽還原酶(GR)，非酶物質(zhì)包括類胡蘿卜素(carotenoid，Car)、生育酚(VE)、抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(glutathione，GSH)等［37］。

植物受到低溫脅迫時，清除超氧陰離子的SOD活性增加并產(chǎn)生過氧化氫（H2O2）等物質(zhì)，這些物質(zhì)氧化能力極強，對植物機體的傷害極大。過氧化物酶可以催化過氧化氫氧化產(chǎn)生水，降低膜內(nèi)不飽和脂肪酸的過氧化程度。因此，抗氧化酶系統(tǒng)可以清除植物體內(nèi)過剩的氧氣，從而使活性氧對植物的傷害程度降低。植物在脅迫條件下，過氧化氫清除系統(tǒng)會遭到破壞，活性氧含量會隨之增加，SOD會逐漸失去活性，進一步損害活性氧清除體系。

SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)的重要酶類，不同脅迫條件、脅迫程度、植物品種、降溫模式對三種酶的影響差別較大。

研究表明，低溫脅迫初期，植物對環(huán)境有自適應(yīng)能力，葉片體內(nèi)的SOD、POD、CAT活性顯著提高［38-40］。隨著處理溫度的降低、脅迫時間的延長，植株凍害等級與凍害指數(shù)增加，SOD、POD、CAT活性隨脅迫程度加重開始降低，此時達到了植物抗寒性的臨界點，處理結(jié)束后3天，抗氧化酶活性較處理結(jié)束當天有所升高［41］。

低溫脅迫處理后，抗寒性強的品種葉片中SOD和POD的活性比抗寒性差的品種高，隨著低溫脅迫時間的延長，抗寒性差的品種抗氧化酶活性的下降幅度也較大，一般認為植物會通過增強保護酶活性來緩解脅迫造成的過氧化傷害，從而表現(xiàn)出較強的抗寒能力［4,42-44］，另外，不同品種植株在低溫脅迫后，體內(nèi)抗氧化酶活性的強弱和亞細胞中的定位不同［45］。

不同降溫模式對抗氧化酶活性的影響差別較大，采取緩降和驟降兩種降溫模式對植物進行低溫脅迫，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過驟降模式低溫脅迫后的植物，其體腔液中SOD、CAT活性對低溫的響應(yīng)相對于緩降模式更為敏感，對低溫環(huán)境表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性［46］。通過人工低溫脅迫和入冬自然降溫兩種降溫模式處理植株，發(fā)現(xiàn)人工低溫脅迫時，SOD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，自然降溫過程中，SOD活性呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢［47］。

5 結(jié) 語

低溫脅迫對植物生長發(fā)育的影響，因植物品種、地理位置、脅迫程度、脅迫方式不同而異。植物應(yīng)對低溫脅迫的生理機制及其抗性表現(xiàn)在光合響應(yīng)、滲透調(diào)節(jié)、活性氧清除、葉片超微結(jié)構(gòu)變化等方面。目前，植物應(yīng)對低溫脅迫方面的研究取得一定進展，但由于環(huán)境因子種類繁多，并隨著其它因子的變化而改變，復合環(huán)境因子脅迫對植物的影響待進一步深入研究，以便篩選出抗寒性較強的品種。