植物對低溫脅迫的生理響應(yīng)及外源脫落酸緩解脅迫效應(yīng)的研究進展

項洪濤，鄭殿峰，何寧，李琬，王曼力，王詩雅

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，黑龍江 哈爾濱150086；2.廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江524088；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

植物在自然界中生長和生存，其生育進程中不可避免地會受到低溫、干旱、鹽堿等極端環(huán)境因子的影響，其中溫度對植物生長發(fā)育影響較大，甚至是導(dǎo)致植物死亡的關(guān)鍵環(huán)境因子［1］。低溫作為重要的環(huán)境因子影響著植物的地理分布和物種多樣性，并且對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的威脅［2］。在全球氣候變暖的背景下，氣溫變化卻比較波動，極端天氣頻繁出現(xiàn)，作物的低溫、寒凍災(zāi)害日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降［3］，且嚴(yán)重時可引起植株死亡，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失［4］。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，勞動人民智慧地總結(jié)出了多種多樣的抵御低溫的方法，比如熏煙法、培育抗冷品種、對植物進行低溫馴化等不同形式的物理學(xué)、育種學(xué)和栽培學(xué)等方法，這些方法較為有效但又存在明顯的弊端。通過挖掘植物自身的抗冷潛力，開啟植物體自我保護機制是一種重要的抗逆途徑。通過施用外源激素或植物生長調(diào)節(jié)劑來刺激植物理化過程并提高抗逆能力，已經(jīng)越來越受到廣泛關(guān)注。近年來外源脫落酸（abscisic acid，ABA）在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越多，因其具有抑制作物生長的生理效應(yīng)，在壯根健苗、促進早熟、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)以及抗逆減災(zāi)領(lǐng)域中均有報道，尤其是近年來分子生物學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)明確了植物抗冷過程中存在著一條明顯的依賴內(nèi)源ABA 途徑，這間接說明了施用外源ABA 可能具有很好的抵御低溫的效應(yīng)。因此，通過全面總結(jié)植物對低溫脅迫的應(yīng)激反應(yīng)變化及外源ABA 的緩解效應(yīng)，對尋找提高植物抗冷、耐冷途徑，增強植物抵御低溫的能力、挖掘有效的農(nóng)業(yè)措施具有極大幫助，同時對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能也具有重要的現(xiàn)實意義。

1 植物對低溫脅迫的生理應(yīng)激響應(yīng)

植物的生長發(fā)育受內(nèi)外因素的共同影響，外部因素包括光照強度、光周期和溫度變化等，內(nèi)部因素則有激素水平，理化進程和信號傳導(dǎo)等［2］。植物在整個生命過程中不斷適應(yīng)外部環(huán)境并通過信號傳導(dǎo)調(diào)整內(nèi)外部因素平衡，安全完成一個完整的生命周期活動。但在一個生命周期內(nèi)，植物的發(fā)育進程中不可避免地遭受或強或弱的逆境脅迫，比如干旱、風(fēng)雹、水淹、低溫等。低溫對植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)展、理化代謝途徑、生長發(fā)育進程都具有較大影響甚至傷害，低溫條件下植物自身會產(chǎn)生復(fù)雜的生物化學(xué)和生理學(xué)上的應(yīng)激響應(yīng)，以應(yīng)對和適應(yīng)低溫環(huán)境。植物對低溫脅迫的適應(yīng)性和抵抗能力既受系統(tǒng)發(fā)育的遺傳基因控制，又受個體發(fā)育過程中生理狀態(tài)制約［5］，植物遭受低溫脅迫后，會開啟一系列應(yīng)激的自我防護機制，這些保護系統(tǒng)之間相互有機協(xié)調(diào)，以最大程度降低傷害，具體如圖1 所示。

1.1 低溫脅迫對植物光合生理的影響

光合作用是植物生長最根本的基礎(chǔ)，其以二氧化碳（CO2）和水分（H2O）為反應(yīng)底物，通過較為復(fù)雜的生化過程生成光合碳同化物，是植物體內(nèi)有機營養(yǎng)和碳架結(jié)構(gòu)的物質(zhì)來源。Ainsworth 等［6］指出光合作用是植物生長的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，但對冷害也最為敏感。低溫脅迫對光合作用的影響很大，主要原因是低溫能夠通過光抑制影響光合系統(tǒng)，嚴(yán)重的低溫脅迫還會導(dǎo)致光氧化被破壞，再者低溫會降低植物體內(nèi)的光合作用酶活性，從而影響光合作用［7］。

圖1 低溫脅迫對植物生理代謝的影響Fig.1 Effect of low temperature stress on plant physiological metabolism

1.1.1 低溫脅迫對植物光合色素的影響 葉綠素和類胡蘿卜素參與光合作用，涉及光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的相關(guān)過程。植物葉綠素包括葉綠素a 和葉綠素b，一份在光反應(yīng)中心負(fù)責(zé)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，其余葉綠素則負(fù)責(zé)光能的捕獲和傳遞［8］。低溫脅迫可以破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，使葉綠素生物合成受阻［9］，引起葉片內(nèi)葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量降低、植株黃化［10］。楊碧云等［11］研究表明低溫脅迫達到一定強度時，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）含量、葉綠素a/b 值均呈下降趨勢。類胡蘿卜素在植物體內(nèi)可起到保護葉綠素類免受逆境因子影響導(dǎo)致光氧化破壞的作用，低溫條件下類胡蘿卜素含量也發(fā)生明顯變化，有報道指出類胡蘿卜素含量隨著處理溫度的下降和處理時間延長而降低［12］。周真珍等［7］表明低溫脅迫降低了植物葉片內(nèi)葉綠素含量，并明確指出兩個原因：一是因為低溫降低了葉綠素合成酶活性，使葉綠素生物合成受阻，二是原有葉綠體色素氧化分解，引起葉綠素含量減少。葉綠素含量的減少不利于葉綠體對光能的吸收利用［13］，影響光能捕獲，光合電子傳遞受阻［14］，導(dǎo)致光合能力下降，碳同化受到抑制，植株生長遲緩，產(chǎn)量與質(zhì)量下降［4］。

1.1.2 低溫脅迫對植物光合參數(shù)的影響 低溫直接影響植物光合器官的結(jié)構(gòu)和活性，也間接影響其光合作用，光合參數(shù)可直接反映其光合作用的強弱［15］。光合參數(shù)主要包含以下4 項指標(biāo)：氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間CO2濃度（Ci）、葉片凈光合速率（Pn）以及蒸騰速率（Tr）。氣孔是植物與大氣進行CO2和水汽交換的通道，植物在光下進行光合作用，通過氣孔吸收CO2，氣孔導(dǎo)度的高低會影響光合作用［16］。CO2是植物進行光合作用的底物，細(xì)胞間CO2濃度影響植物的光合速率［7］。而凈光合速率是植物光合系統(tǒng)功能的直接體現(xiàn)，也是植物光合系統(tǒng)工作正常與否的判斷依據(jù)［7］。有報道指出低溫導(dǎo)致光合參數(shù)受到顯著抑制，降低葉片Pn、Gs以及Tr［17］，楊晶等［18］也指出隨著低溫脅迫時間的延長，Pn、Gs以及Tr會持續(xù)下降，這與崔波等［19］的研究相同。但不同研究中Ci的變化趨勢卻不完全相同，鄭春芳等［17］指出低溫使Ci顯著增加，楊晶等［18］的研究結(jié)論是Ci會小幅下降，而崔波等［19］的研究表明Ci先下降后上升。光合參數(shù)之間進行協(xié)同工作，共同抵御低溫對光合作用的影響。低溫對光合作用最明顯的影響就是Pn的降低，F(xiàn)arquhar 等［20］研究認(rèn)為，低溫導(dǎo)致光合速率下降的因素既有氣孔因素也有非氣孔因素。如果Pn、Gs及Tr同時下降，Ci也相應(yīng)下降，即氣孔因素占主導(dǎo)［19］；如果Pn、Gs及Tr下降的同時Ci升高，則是由非氣孔因素阻礙CO2的利用，造成Ci的積累所致［21］。

1.1.3 低溫脅迫對植物葉綠素?zé)晒夥磻?yīng)的影響 葉綠素?zé)晒庑盘栍芍参矬w內(nèi)發(fā)出，并且具有豐富的光合作用信息，這與植物受脅迫程度相關(guān)。低溫脅迫影響光能的吸收、轉(zhuǎn)換與光電子傳遞，致使過剩的激發(fā)能大量積累于光合系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）反應(yīng)中心，進而損傷植物葉片的PSⅡ反應(yīng)中心，并導(dǎo)致葉片光合作用能力減弱［22］。有報道指出，短時低溫脅迫下，植物葉片光合色素含量和構(gòu)成比例幾乎沒有變化，但是葉片PSⅡ的有效光化學(xué)效率（Fv′/Fm′）和實際光化學(xué)效率（ΦpsⅡ）出現(xiàn)明顯降低，光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）的變化也相似，而葉片的非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）迅速增大［8］。劉蕾蕾等［23］對小麥（Triticum aestivum）的研究表明隨著低溫持續(xù)時間的延長，葉片最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、實際光化學(xué)效率（ΦpsⅡ）呈先下降后上升的趨勢，并指出一般在低溫脅迫2～5 d，葉片ΦpsⅡ降至最低。葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）隨低溫持續(xù)時間的延長呈先下降后升高趨勢，并且隨溫度的降低呈下降趨勢，而葉片的非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）與低溫持續(xù)時間關(guān)系不大，但隨著低溫強度加劇呈較為顯著的上升趨勢。

1.2 低溫脅迫對植物逆境生理的影響

低溫脅迫通常會導(dǎo)致植物的形態(tài)和生理生化發(fā)生變化，其對細(xì)胞內(nèi)部的生理改變主要有以下4 個方面：活性氧類物質(zhì)積累、膜質(zhì)過氧化物含量變化、抗氧化酶活性及非酶抗氧化劑含量變化以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化。一般來說低溫脅迫可以引發(fā)植物體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）類物質(zhì)如過氧化氫（H2O2）、超氧陰離子（O2—·）等物質(zhì)的積累，從而增加植物的氧化應(yīng)激反應(yīng)。大量的氧自由基對細(xì)胞膜傷害很大，引起膜質(zhì)過氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的丙二醛（MDA），MDA 能夠抑制細(xì)胞保護酶活性，從而加劇膜質(zhì)過氧化，同時其本身也是具有細(xì)胞毒性的物質(zhì)，它能夠和酶蛋白結(jié)合、交聯(lián)，從而使保護酶失去活性，也就進一步破壞膜結(jié)構(gòu)。一定脅迫程度內(nèi)，抗氧化酶體系和非酶抗氧化劑能夠有效清除ROS 并消除它們的不利影響。同時植物應(yīng)激低溫脅迫也會帶來滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化，如脯氨酸、甜菜堿等物質(zhì)會有所提高，來維持細(xì)胞膜的滲透調(diào)節(jié)功能，從而增強植物體對低溫脅迫的抵抗能力［24］。

1.2.1 低溫脅迫對植物活性氧物質(zhì)積累及膜質(zhì)過氧化的影響 植物代謝所產(chǎn)生的ROS 包括超氧陰離子（O2—·）、氫氧根離子（OH-）、羥基自由基（?OH）、過氧化氫（H2O2）等［25］?；钚匝踝鳛橹参镄盘栟D(zhuǎn)導(dǎo)中第二信使，在植物生長發(fā)育中起重要作用［26］。正常條件下，植物能夠維持自身ROS 平衡，但當(dāng)植物暴露于低溫環(huán)境下，細(xì)胞穩(wěn)態(tài)被破壞并產(chǎn)生過量ROS，如果超量的ROS 未被及時清除便積累在植物體內(nèi)，會加劇植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化傷害，并對細(xì)胞膜系統(tǒng)產(chǎn)生損害［27］，干擾作物的生理生化過程，最終制約作物產(chǎn)量和品質(zhì)［28］。李海燕等［29］研究表明低溫脅迫使O2—·產(chǎn)生速率和H2O2含量顯著增加，并指出低溫時間越長，增加趨勢越明顯。張愛冬等［30］也指出隨著溫度降低，植物葉片O2—·產(chǎn)生速率和H2O2含量均呈上升的趨勢，這促使細(xì)胞膜透性增大，胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，加劇膜質(zhì)過氧化作用。MDA 是細(xì)胞膜過氧化產(chǎn)物，其含量高低是質(zhì)膜受損嚴(yán)重與否的重要指標(biāo)［31］，MDA 含量與植物耐寒性間呈負(fù)相關(guān)，脅迫程度越強，MDA 積累量越多。項洪濤等［32］指出低溫導(dǎo)致植物體內(nèi)MDA 含量增加，并隨脅迫強度和脅迫時間的增加而增多。鄧化冰等［33］也指出低溫能夠?qū)е轮参锶~片MDA 含量顯著增加，加劇膜質(zhì)過氧化程度，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)破壞，質(zhì)膜透性加大，電解質(zhì)外滲，從而影響葉片的生理生化機能。

1.2.2 低溫脅迫對植物抗氧化系統(tǒng)的影響 植物在自然選擇中進化出多種ROS 清除機制來進行自我防護，通過這些機制來響應(yīng)氧化應(yīng)激。植物體內(nèi)這些抗氧化機制包括保護酶系統(tǒng)和非酶抗氧化劑［24］。當(dāng)遭遇逆境脅迫時，植物會自動開啟保護系統(tǒng)抵御逆境因子帶來的威脅，進而盡量維持正常的生理代謝活動，免受損害。保護酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）。正常情況下，這些酶之間相互配合、銜接，能夠自動氧化體內(nèi)不斷產(chǎn)生的活性氧類物質(zhì)，這些物質(zhì)的產(chǎn)生和清除處于一種動態(tài)平衡的狀態(tài)，所以植物不會受到傷害。低溫脅迫起初誘發(fā)抗氧化酶活性上升，但隨著脅迫加劇，這些抗氧化酶活性下降，嚴(yán)重的低溫脅迫積累了過量的活性氧，使活性氧和防御系統(tǒng)的動態(tài)平衡遭到了破壞，從而加劇膜質(zhì)過氧化作用，產(chǎn)生大量的MDA，進而導(dǎo)致膜系統(tǒng)受到損傷使得植物受到傷害。植物通過SOD、POD 和CAT 三者協(xié)同作用，使體內(nèi)的氧自由基維持在較低水平，可以在一定程度上減緩或防御低溫脅迫。項洪濤等［34］研究指出低溫可導(dǎo)致植物體內(nèi)SOD、POD 和CAT 活性先升高后下降，短時期內(nèi)可清除多余的ROS，但隨著低溫脅迫時間的延長，這種保護機能逐漸下降甚至崩潰，這與李春燕等［35］的報道相似，其指出低溫處理一段時間后保護酶活性表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，并表明這種持續(xù)下降的現(xiàn)象是低溫對作物造成了不可恢復(fù)的傷害。非酶抗氧化劑主要有抗壞血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH），AsA 具有清除H2O2、OH-等功能，而GSH 是重要的活性物質(zhì)，其能夠幫助保持免疫系統(tǒng)不被破壞，并且具有抗氧化作用和整合解毒作用，防止細(xì)胞膜過氧化，從而保證細(xì)胞膜完整并行使正常功能［4］。有報道指出，隨著低溫強度的增加，AsA 和GSH 都呈先增加后降低的變化趨勢［36］，說明達到一定低溫閾值后，即超出了AsA?GSH 循環(huán)的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力后，二者含量迅速降低，還原能力下降，植物受害加重。鄭春芳等［17］指出AsA?GSH 循環(huán)是調(diào)控植物響應(yīng)低溫的重要途徑，并表明低溫脅迫降低了AsA 和GSH的含量。

1.2.3 低溫脅迫對植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響 植物在遭受冷害的同時還會受到水分脅迫和滲透脅迫，一些具有保水作用的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖和可溶性蛋白等物質(zhì)會大量增加，以維持細(xì)胞的滲透平衡，減小低溫傷害［37］。脯氨酸含量與植物脅迫之間存在正相關(guān)關(guān)系，它可以通過維持細(xì)胞膨脹或滲透平衡來賦予植物脅迫耐受性，從而穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)，防止電解質(zhì)泄露，使活性氧的濃度維持在正常范圍內(nèi)，在植物抗脅迫中發(fā)揮著重要作用［24］。植物體內(nèi)可溶性物質(zhì)如可溶性糖和可溶性蛋白，能夠提高細(xì)胞液濃度，增加細(xì)胞持水組織中的非結(jié)冰水，是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的增加有利于提高植物的抗寒性［5］。甜菜堿（GB）是一種水溶性生物堿，無毒無害且廣泛存在于動植物中，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓以維持生物膜及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的完整，具有較好的抗逆功能［38］。植物受到低溫脅迫后，體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量都會有所增加，共同抵御低溫脅迫，維持正常的生理代謝，這在水稻（Oryza sativa）［34］、玉米（Zea may）［24］、紫花苜蓿（Medicago sativa）［38］、豇豆（Vigna unguiculata）［27］、絲瓜（Luffa cylindrica）［30］以及馬鈴薯（Solanum tuberosum）［7］等多種作物中得到廣泛驗證。

1.3 低溫脅迫對植物細(xì)胞膜組分和結(jié)構(gòu)的影響

細(xì)胞膜是植物體細(xì)胞及細(xì)胞器與外界環(huán)境之間進行物質(zhì)和能量交換的場所，同時也是細(xì)胞感應(yīng)外界環(huán)境中各種逆境脅迫信號的細(xì)胞結(jié)構(gòu)［39］。細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性與植物抗逆性存在密切關(guān)系，其穩(wěn)定性和流動性是細(xì)胞生命活動的基礎(chǔ)，也是形成植物抗逆能力的關(guān)鍵［40］。細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)是一種動態(tài)平衡體系，構(gòu)成細(xì)胞膜磷脂雙分子層中的脂肪酸成分及其飽和水平與膜穩(wěn)定性密切相關(guān)，細(xì)胞膜的穩(wěn)定性得益于細(xì)胞膜膜質(zhì)的流動性［41］。當(dāng)植物細(xì)胞受到低溫脅迫達到一定的相變溫度時，脂膜會由流動性的液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榻┯驳哪z相，引發(fā)膜質(zhì)的脂肪酸鏈由無序排列變?yōu)橛行蚺帕?，這阻礙了膜的正常生理功能，會導(dǎo)致膜透性增大，細(xì)胞液外滲，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡［40?42］。膜質(zhì)相變程度與不同脂肪酸含量及比例關(guān)系密切，通常認(rèn)為植物的膜質(zhì)相變溫度降低是由于不飽和脂肪酸含量的增高，進而增加了脂肪酸鏈的不飽和程度，不飽和程度越大，膜的流動性越大，穩(wěn)定性越好，使植物耐寒性得到提高［39，41］。當(dāng)受到低溫脅迫時，許多植物體內(nèi)會產(chǎn)生較多不飽和度較高的脂肪酸（亞麻酸、油酸、亞油酸等）來抵御低溫［4］。相關(guān)報道也指出隨氣溫下降膜質(zhì)組分中飽和脂肪酸減少，不飽和脂肪酸特別是亞油酸大幅增加，使膜質(zhì)相變溫度下降，對于保持膜流動性和正常生理功能有重要作用［40］，類似的研究結(jié)果在繡線菊（Spiraea salicifolia）［40］、小麥［42］、結(jié)縷草（Zoysia japonica）［39］等植物中都有報道。

1.4 低溫脅迫對植物內(nèi)源激素水平的影響

植物激素是植物生長發(fā)育的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)，對逆境產(chǎn)生響應(yīng)的激素信號分子，廣泛參加作物生理過程的調(diào)控［43］。ABA、水楊酸（SA）和茉莉酸（JA）是非生物脅迫反應(yīng)的重要影響因素。ABA 作為一種能夠提高植物抗逆能力的“非生物應(yīng)激激素”，既是植物響應(yīng)非生物脅迫的信號，也是引起植物體內(nèi)適應(yīng)性調(diào)節(jié)反應(yīng)和基因表達的重要因子，參與非生物脅迫下的調(diào)控應(yīng)答［44］。SA 和JA 介導(dǎo)的信號傳遞途徑與植物抗性密切相關(guān)，細(xì)胞內(nèi)增加的SA 能激活抗氧化酶系統(tǒng)，使冷應(yīng)答基因的表達量上調(diào)，從而減少細(xì)胞膜的氧化損傷，增強植物的抗寒能力［45］。JA 作為信號分子參與調(diào)控植物的生長發(fā)育及低溫、干旱等非生物脅迫，有報道指出外源茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）能夠誘導(dǎo)熱激蛋白家族轉(zhuǎn)錄，通過增加抗氧化劑合成、降低脂氧合酶活性從而增加植物抵御冷害能力，說明JA 信號途徑參與了植物對低溫的響應(yīng)與適應(yīng)過程［46］。生長素（IAA）、赤霉素（GA）和細(xì)胞分裂素（CTK）是植物體內(nèi)重要的生長類激素，對植物生長和發(fā)育起重要作用。其中IAA 和GA 廣泛地參與到植物抗低溫系統(tǒng)中，GA 被認(rèn)為與植物抗寒性有關(guān)，但是作用效果不如ABA 明顯［31］。李春燕等［35］研究表明低溫處理能促使植物體內(nèi)ABA 含量增加、GA 含量降低。項洪濤等［34］也表明當(dāng)植株受到低溫脅迫時，生活力下降，內(nèi)源激素水平發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)為ABA 大量增加，IAA 和GA 含量減少，ABA/GA 和ABA/IAA 提高，抑制作物生長發(fā)育，降低損耗，各激素之間協(xié)同作用抵御低溫脅迫。而劉學(xué)慶等［31］研究指出，低溫脅迫后，植物體內(nèi)的ABA、IAA 和GA 的含量都呈先增高后降低的變化趨勢，這與植物的品種特性及低溫處理的時間有關(guān)。

1.5 低溫脅迫對植物重要冷反應(yīng)基因表達的影響

植物的抗寒過程是一個由多個轉(zhuǎn)錄因子或多種信號途徑相關(guān)基因相互平行或交叉協(xié)作，共同調(diào)控的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，最終產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和生理物質(zhì)的變化，從而增強植物的抗寒能力［47］。近年來，基因表達的變化成為植物提高抗冷性理化機制的研究熱點。低溫引起植物生長停滯，涉及光合能量生成的許多基因被下調(diào)，這可能是為了防止光氧化損傷的更大風(fēng)險。脂肪酸脫氫酶（fatty acid desaturase，F(xiàn)AD）是植物膜質(zhì)中不飽和脂肪酸合成的關(guān)鍵酶，負(fù)責(zé)調(diào)控脂肪酸不飽和度［48］。研究表明低溫脅迫誘導(dǎo)擬南芥（Arabidopsis thaliana）AtFAD8 基因［49］、大豆（Glycine max）GmFAD3 基因［50］、紫蘇（Perilla frutescens）FAD3 基因［48］的表達，進而提高植株體內(nèi)不飽和脂肪酸含量，保持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，增強了植物抵抗冷害的能力。隨著研究的不斷深入，人們對以CBF（C-repeat-binding factors）轉(zhuǎn)錄因子為核心的低溫信號通路有了更為清晰的認(rèn)識，CBF家族成員串聯(lián)排列在擬南芥第4 條染色體上，分別命名為CBF1（DREB1B）、CBF2（DREB1C）和CBF3（DREB1A）。報 道 指 出 過 量 表 達CBF1、CBF2 和CBF3（DREB1A）均能大幅提高植株的抗凍性，并顯著誘導(dǎo)植株體內(nèi)COR（Cold-regulated）基因的表達［51］。在擬南芥野生型植株中，過表達CBF基因能夠顯著增強植株的抗凍性。同樣，CBF1 和CBF3 基因敲減的植株對凍敏感。然而，CBF2 突變體（cbf2）植株則表現(xiàn)抗凍的表型，基因表達分析發(fā)現(xiàn)，CBF2 負(fù)反饋調(diào)控CBF1 和CBF3 的表達。將擬南芥中CBF基因過表達到其他植物中同樣能夠增強其抗凍能力，暗示著CBF 在植物響應(yīng)低溫過程中是非常重要而且保守的［52］。CBF的基因表達同時受轉(zhuǎn)錄激活因子和抑制子的調(diào)控。現(xiàn)在已知的正調(diào)控因子有ICE1（inducer of CBF expression 1）、ICE2 和CAMATA（calmodulin-binding transcription actieator）蛋白［52］。ICE1 蛋白能夠結(jié)合到CBF3 的啟動子區(qū)調(diào)節(jié)CBF3 基因的表達。ice1-1 突變體對低溫敏感，而過表達ICE1 基因則導(dǎo)致植物抗凍。ICE2 是ICE1 的同源基因，能夠通過調(diào)節(jié)CBF1 的表達正向調(diào)控植物對低溫的響應(yīng)［52?53］。冷害脅迫下，植物體內(nèi)CBF3 表達增加可以使總可溶性糖含量增加，包括蔗糖、棉子糖、葡萄糖和果糖［54］，進而維持細(xì)胞的滲透平衡，緩解低溫脅迫。

2 外源ABA 緩解植物低溫脅迫的效應(yīng)

植物內(nèi)源激素調(diào)控植物的生長及對逆境的應(yīng)答［55］。ABA 是20 世紀(jì)60 年代發(fā)現(xiàn)和鑒定出的一種植物內(nèi)源激素，在植物對脅迫耐受性和抗性中發(fā)揮著重要作用。外源激素通過改變內(nèi)源激素水平調(diào)節(jié)植物生理代謝，低溫脅迫下外源ABA 能夠促進植物體內(nèi)ABA 的合成和運輸［56］，進而調(diào)控植物的抗逆性。

2.1 低溫脅迫下外源ABA 緩解光合生理的效應(yīng)

低溫脅迫對植物最直接的影響就是光合功能下降，一般認(rèn)為低溫破壞葉片細(xì)胞中葉綠體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉綠素降解，影響光能捕獲、轉(zhuǎn)化及分配，光合電子傳遞受阻、光合機構(gòu)遭到破壞、碳同化受到抑制，最終導(dǎo)致葉片光合能力下降。噴施外源ABA 后，作物葉片的保護機能提高，過多的自由基可以被及時清除，以減少細(xì)胞膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物的生成，并降低自由基對葉綠體的破壞，在促進光合色素合成的同時，保護光合色素結(jié)構(gòu)，使葉片中葉綠素和類胡蘿卜含量處于較高水平，最終保護光合系統(tǒng)［57］。祁利潘等［58］指出低溫條件下噴施低濃度的ABA 能夠提高PSⅡ的光化學(xué)效率（Fv/Fm），李平等［59］報道外源ABA 能有效防御低溫傷害，其可減緩葉片光合作用的下降和葉綠素?zé)晒獾拇銣?，提高作物存活率。黃宇等［60］的研究指出噴施外源ABA 能減緩低溫下葉片Pn、Gs、Tr及Ci，提高葉片的光合能力，進而提高植物幼苗的抗冷性。田禮欣等［61］也指出噴施適當(dāng)濃度的外源ABA 能夠顯著緩解由低溫脅迫導(dǎo)致的作物葉片Pn、Gs及Tr的下降幅度，提高Fv/Fm和Fv/Fo，降低Fo水平，進而提高幼苗葉片的光合能力，提高PSⅡ反應(yīng)中心活性，促進物質(zhì)積累，提高玉米幼苗的耐冷性。

2.2 低溫脅迫下外源ABA 調(diào)控抗逆生理的效應(yīng)

外源ABA 具有調(diào)控植物的抗逆生理的功能，在抵御低溫脅迫方面具有多條路徑，其核心機制是減少活性氧類物質(zhì)的積累，降低膜質(zhì)過氧化程度，減少其對細(xì)胞膜的損失，保障細(xì)胞膜的正常滲透調(diào)節(jié)功能以維持正常的生理代謝。主要應(yīng)激反應(yīng)是增強抗氧化酶活性，增加非酶抗氧化劑含量，提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，以調(diào)節(jié)MDA含量降低、減少H2O2等ROS 物質(zhì)的積累。項洪濤等［34］報道指出外源ABA 能夠提高低溫脅迫時植物體內(nèi)SOD、POD 以及CAT 的活性，并可同時提高脯氨酸、可溶性糖等可溶類物質(zhì)的含量，抵御低溫傷害。李平等［59］指出低溫條件下，外源ABA 能夠降低葉片內(nèi)MDA 的積累，緩解脅迫。方彥等［62］指出外源ABA 能提高作物氧化酶活性，同時減緩膜質(zhì)過氧化物MDA 的積累，具有提高作物抗寒性的誘導(dǎo)效應(yīng)，Xiang 等［63］表明低溫條件下外源ABA能提高水稻葉片內(nèi)脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量，有效提高SOD、POD 和CAT 活性，增強水稻的抗冷性。蒲高斌等［64］指出低溫脅迫下外源ABA 能有效提高西瓜（Citrullus lanatus）幼苗葉片中SOD 和CAT 活性、降低MDA 的積累，維持膜的完整性，同時促進滲透保護物質(zhì)脯氨酸和可溶性糖的增加，增強植株的抗寒性，同時也表明這是外源ABA 有效提高西瓜幼苗抗冷性、減輕低溫對西瓜苗傷害的主要生理基礎(chǔ)。

2.3 低溫脅迫下外源ABA 調(diào)控細(xì)胞膜組分及結(jié)構(gòu)的效應(yīng)

抗冷能力較高的植物之所以有這樣的特性，從膜脂結(jié)構(gòu)的角度來看，一是因為在長期對低溫的適應(yīng)過程和自然選擇過程中，其本身形成了具有較多不飽和脂肪酸的狀態(tài)，這由遺傳基因決定，二是因為在應(yīng)激低溫的理化反應(yīng)中，能在細(xì)胞膜中優(yōu)先積累較多的不飽和脂肪酸并使之迅速參與膜的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)抵御低溫環(huán)境的生理需求［65］。膜質(zhì)中脂肪酸不飽和度對于植物的低溫適應(yīng)性尤為關(guān)鍵，調(diào)整脂肪酸的不飽和度是植物適應(yīng)低溫脅迫的重要方式［66］，較多的不飽和脂肪酸能維持細(xì)胞的流動性，為跨膜蛋白質(zhì)和酶功能發(fā)揮提供適宜的環(huán)境［67］。王軍虹等［65］指出低溫條件下，外源ABA 能夠使小麥體內(nèi)的不飽和脂肪酸明顯提高，并表明其原因是ABA 的噴施有利于亞麻酸（18：3）的積累，進而提高抗寒力。付翀等［68］也表明外源ABA 能相對提高亞麻酸（18：3）的含量，進而提高作物的抗冷能力。徐琛［69］的研究也證實了外源ABA 能提高低溫條件下作物體內(nèi)不飽和脂肪酸含量，增強作物的抗寒性。

2.4 低溫脅迫下外源ABA 調(diào)控內(nèi)源激素水平的效應(yīng)

內(nèi)源激素在植物生長和生存的各個生物學(xué)進程均發(fā)揮著關(guān)鍵作用，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)乙烯（ethylene，ET）、油菜素內(nèi)酯（brassinolide，BR）和茉莉酸（JA）可通過CBF 信號通路影響植物的低溫耐受性［2］。前人研究指出各類激素間有相互拮抗和相互促進的關(guān)系，各種激素之間的動態(tài)平衡是調(diào)節(jié)植物生長和生存的關(guān)鍵所在［34］，段娜等［70］指出內(nèi)源激素水平及激素間的平衡變化對植物應(yīng)激非生物脅迫起到重要作用。通常認(rèn)為內(nèi)源ABA 與植物抗逆關(guān)系最為密切，有報道指出ABA 是應(yīng)激低溫的重要信號因子，對細(xì)胞的微管結(jié)構(gòu)具有保護功能，低溫脅迫下植物大量快速積累ABA，發(fā)揮保護功能［43］。黃杏等［71］指出低溫條件下施用外源ABA 改變了作物體內(nèi)激素水平，ABA含量增加、GA 含量降低。李馨園等［43］也表明低溫脅迫能促進作物內(nèi)源ABA 水平提高，外施ABA 可以更進一步加強內(nèi)源ABA 的合成，加強各種生理生化保護機制，提高植物的抗冷性。Xiang 等［63］指出低溫條件下，葉面噴施外源ABA 促進葉片內(nèi)源ABA 含量增加，同時降低了IAA 和GA 的含量，并指出外源ABA 提高了作物抵御低溫的機能。

3 結(jié)論與展望

我國地大物博，幅員遼闊，南北跨度大，各地區(qū)生態(tài)環(huán)境迥異，氣候條件差別大，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求更為嚴(yán)格和復(fù)雜。雖然全球氣候變暖，但我國北方夏季突發(fā)低溫情況反而有加劇的趨勢，南方的倒春寒天氣也時有發(fā)生，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極為不利，如何抵御突發(fā)的氣象災(zāi)害來穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個重大的并且持續(xù)的科學(xué)問題。

低溫對作物產(chǎn)量影響巨大，嚴(yán)重時甚至可以導(dǎo)致絕產(chǎn)。目前，研究學(xué)者已經(jīng)逐步掌握了植物抵御低溫的生理機制，在此基礎(chǔ)上順延摸索緩解或抵御低溫的措施，外施植物生長物質(zhì)來提高植物的抗逆能力已經(jīng)達成廣泛共識，通過化控方法抵御逆境脅迫雖然取得了一些成效，但還是較為片面，而且更大程度上是緩解，而沒有達到安全度過突發(fā)低溫的短暫時期，這還需要廣大農(nóng)業(yè)科研工作者繼續(xù)挖掘新方法，探索新途徑。一是通過現(xiàn)有掌握的植物抗逆生理機制，合成新的、效果更好的調(diào)節(jié)劑，或者開發(fā)新的調(diào)節(jié)劑復(fù)配產(chǎn)品，使得應(yīng)用效果更好；二是根據(jù)試驗和生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)更多的抗低溫品種，通過育種手段，逐代篩選，育成高抗且高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的植物新品種，同時也可以通過全基因組關(guān)聯(lián)分析快速鑒定與深入挖掘耐低溫的相關(guān)基因，結(jié)合多組學(xué)聯(lián)合分析等技術(shù)更加方便地解析調(diào)控機理，從分子水平提高植物耐寒性，最終應(yīng)用于育種改良達到提高作物耐寒性的目的，實現(xiàn)災(zāi)年穩(wěn)產(chǎn)、平年豐產(chǎn)的生產(chǎn)目標(biāo)。