觀賞植物抗寒性改良技術(shù)探討

葛慧蓮

(科爾沁右翼前旗園林管理所，內(nèi)蒙古 興安盟 137400)

在目前植物培養(yǎng)的過程中，低溫環(huán)境是影響植物正常生長的關(guān)鍵性因素之一，對植物的地理分布特點(diǎn)以及繁衍生長都產(chǎn)生了非常不良的影響。在目前的城市綠化工作中，露地栽培的觀賞性植物有著較高的觀賞價值，但是其抗寒性卻普遍不強(qiáng)[1]，在具體的推廣與栽培過程中存在著不小的阻力，尤其是對于我國一些寒冷地區(qū)來說，提高觀賞性植物的抗寒性能是當(dāng)前城市綠化工作中的重要工作內(nèi)容。近些年來，我國的生物工程技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)基本上完成了全基因組測序和植物轉(zhuǎn)錄組的工作，科學(xué)家也基本上掌握了大量與抗寒有關(guān)的基因[2]，在基因工程技術(shù)不斷完善的技術(shù)背景下，已經(jīng)可以有針對性地從遺傳角度對對觀賞植物的抗寒性能進(jìn)行調(diào)控與改良，且取得了非常不錯的效果，本文也將從生物工程這個角度探討與分析觀賞性植物的抗寒改良技術(shù)。

1 影響植物抗寒能力的主要因素分析

1.1 外部影響因素分析

外部影響因素會對植物的抗寒能力產(chǎn)生極大影響，影響觀賞植物抗寒性的因素主要包括低溫、光照和光周期、水分等外部環(huán)境條件[1]，而且土壤的水分含量也是影響植物抗寒能力的關(guān)鍵因素。

1.2 植物自身的因素分析

除了外部的影響因素之外，觀賞植物自身的遺傳基因，生長速率和發(fā)育水平等內(nèi)部因素也會對抗寒性產(chǎn)生極大影響，尤其是植物存在著生殖隔離的情況，所以自身遺傳基因的不同會導(dǎo)致每一類植物對于外界溫度的敏感性不同。根據(jù)目前行業(yè)內(nèi)的研究成果來看，植物的生長速率與抗寒性強(qiáng)弱之間存在著負(fù)相關(guān)的關(guān)系，如果觀賞性植物處于較低的發(fā)育水平，就可以通過影響其遺傳性狀來改變該植物的抗寒性能。如，在當(dāng)前的生物工程研究領(lǐng)域中，可以在窄葉羽扇豆的種子時期通過對其種子大量的加水促進(jìn)其萌發(fā)進(jìn)而緩解低溫因素對其生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響。在隨后的研究中，學(xué)者們也發(fā)現(xiàn)，植物的生殖過程中親代環(huán)境的條件也會對后代的表現(xiàn)產(chǎn)生較大的影響，具體來說就是將親本在不同溫度下培養(yǎng)的后代暴露在外界冷凍以及低溫的條件下，那么在寒冷環(huán)境中生長的親本光和產(chǎn)量相對會恢復(fù)更快。

2 觀賞性植物抗寒性響應(yīng)機(jī)制分析

低溫環(huán)境對于觀賞性植物的基因表達(dá)有著很強(qiáng)的抑制作用，在低溫的環(huán)境下，植物的生物膜會受到低溫的脅迫，而且植物的生物膜系統(tǒng)在低溫脅迫的情況下可以改變膜質(zhì)脂肪酸不飽和度。通過對葡萄植株的試驗可以看出，在低溫條件的脅迫下，葡萄幼株的光合參數(shù)、碳水化合物的濃度以及相關(guān)酶的活性均表現(xiàn)出了非常顯著的變化。這也從另外一個角度說明了植物的光合作用的特征、碳水化合物的代謝過程與植物的抗寒性有著非常緊密的關(guān)聯(lián)性[4]。而且在外界低溫的脅迫之下，觀賞性植物的體內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧，而大量活性氧的存在會在植物的體內(nèi)形成抗氧化的物質(zhì)，進(jìn)而在植物的體內(nèi)形成氧化應(yīng)激反應(yīng)，這樣可以刺激植物體內(nèi)合成抗氧化類物質(zhì)、滲透性物質(zhì)等，從而對植物的抗寒性能產(chǎn)生較大影響。

二價鈣離子、植物激素以及蛋白質(zhì)磷酸化等也能夠調(diào)控植物體內(nèi)低溫誘導(dǎo)基因的表達(dá)，在植物體中，二價鈣離子是具有感受器功效的，植物在受到外界低溫的脅迫之后，就會誘導(dǎo)細(xì)胞釋放出大量的二價鈣離子，進(jìn)一步激活蛋白酶參與到蛋白質(zhì)的磷酸化過程中，從而誘導(dǎo)靶基因的表達(dá)。而且蛋白激酶中的絲裂原活化蛋白激酶可以在低溫的條件下在植物的體內(nèi)產(chǎn)生一系列的改變與反應(yīng)，尤其是會在植物體內(nèi)形成級聯(lián)反應(yīng)，而該反應(yīng)則是將外界的環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為細(xì)胞反應(yīng)的重要信號模塊。除此之外，植物激素對植物正常的生長和發(fā)育起到了非常重要的調(diào)節(jié)作用，而且對植物的抗寒性能也有著非常巨大的影響作用。在目前的研究中，水楊酸、褪黑素、茉莉酸、多胺等植物激素都可以使用CBF的依賴性和非依賴性從而對觀賞性植物的抗寒性功能進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)。從整體上來說，在低溫的脅迫下，植物的某些正常功能會受到抑制，這對于觀賞性植物的生長以及環(huán)境的適應(yīng)起到了非常不好的影響，所以在目前的研究領(lǐng)域中，為了使得觀賞性植物能夠具有更好的抗寒性能力，越來越多的學(xué)者開始從植物體內(nèi)基因表達(dá)以及抗寒性響應(yīng)機(jī)制等內(nèi)容來深入研究。

3 觀賞植物抗寒性改良技術(shù)的分析

3.1 傳統(tǒng)農(nóng)作物培育技術(shù)的抗寒性改良技術(shù)分析

在我國傳統(tǒng)農(nóng)作物培育技術(shù)中，為了進(jìn)一步提升農(nóng)作物的抗寒性能，往往會采用耐寒品種的篩選、育種、栽培等傳統(tǒng)方式進(jìn)行。其中最重要的就是選種育種工作，但是這個過程往往要經(jīng)歷較長的時間，在我國農(nóng)作物培育的領(lǐng)域中，該方法在擴(kuò)大觀賞性植物栽培范圍、提高觀賞性植物的經(jīng)濟(jì)價值作出了巨大的貢獻(xiàn)。如，我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)進(jìn)行了長達(dá)半個多世紀(jì)的“南梅北移”工作，對于竹子、梅花、菊花、杜鵑等植物進(jìn)行了抗寒性性能的培育，取得了非常不錯的成果。

在傳統(tǒng)的培育手段中還可以對觀賞性植物進(jìn)行抗寒性鍛煉，尤其是在觀賞植物移植之前需要對其進(jìn)行抗寒性鍛煉，該工作能夠有效地改變觀賞性植物細(xì)胞膜脂肪酸的不飽和度，從而進(jìn)一步增強(qiáng)植物細(xì)胞的穩(wěn)定性結(jié)果，進(jìn)而提升其抗寒性能[5]。如，在對咖啡樹進(jìn)行抗寒性鍛煉的過程中，可以明顯地檢測到咖啡樹的總?cè)~綠體膜磷脂和總脂肪酸含量明顯提升。

利用抗寒性砧木嫁接來提升觀賞性植物的抗寒性能也是一種比較常用的方法。如，在提升柑橘的抗寒性能過程中，可以使用砧木、接穗聯(lián)合使用的方法來提高柑橘的抗寒性能，并且能夠提升果實的產(chǎn)量與質(zhì)量，同時在嫁接的過程中還進(jìn)一步增強(qiáng)了柑橘對于生物或者非生物脅迫的耐受性。

3.2 外部施加植物激素與外源物質(zhì)調(diào)控技術(shù)分析

對于觀賞性植物施加外部植物激素可以有效地提高其抗寒能力。如，在培育的過程中使用ABA來處理百慕大草和葡萄能夠有效地緩解植株所受到的冷脅迫，有效提高其抗寒性能。同時可以使用外源褪黑素對茶樹的葉片進(jìn)行預(yù)處理，有效增強(qiáng)觀賞性植物的抗氧化能力的同時還能夠?qū)υ撝参铿F(xiàn)有的氧化還原穩(wěn)態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定，從而減少氧化應(yīng)激的情況。還可以使用外源物質(zhì)調(diào)控技術(shù)來進(jìn)行抗寒性能的提升，在該過程中，最常用到的就是二價鈣離子，通過對植物的外源施加二價鈣離子來進(jìn)一步緩解植物膜質(zhì)的過氧化程度，從而全面提高植物的抗寒性能。此外，在葡萄植株抗寒性能的培育過程中，可以外部施加鉀離子來進(jìn)一步提升其抗寒性能；大量的研究實踐結(jié)果表明，鉀離子是一種誘導(dǎo)觀賞植物冷馴化的有效營養(yǎng)物質(zhì)，所以在目前葡萄的培育過程中，工作人員往往會在其表面噴灑一定濃度的硫酸鉀來提高葡萄植株的抗寒能力。

3.3 利用當(dāng)前生物基因工程來提升抗寒性能力分析

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的生物工程技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是以基因工程為代表的生物技術(shù)在生物實踐過程中得到了良好的應(yīng)用，在優(yōu)良品種的培育過程中，運(yùn)用基因工程可以有效地縮短育種周期，而且將植物的優(yōu)良性狀保留下來。在目前的研究領(lǐng)域中，可以分為生物基因氛圍調(diào)控性基因和功能性基因2種類型，其中，調(diào)控性基因可以通過對生物體內(nèi)冷信號調(diào)節(jié)過程傳導(dǎo)機(jī)制以及基因的表達(dá)過程進(jìn)行調(diào)控，從而間接實現(xiàn)提升觀賞性植物的抗寒性能。而功能性基因與觀賞性植物的抗寒性有著直接的聯(lián)系，所以可以直接改變植物的功能性基因組，從而實現(xiàn)抗寒性能的提升。

可以在植物內(nèi)部導(dǎo)入調(diào)控基因，根據(jù)目前行業(yè)的研究成果來看，CBF轉(zhuǎn)錄因子是改變植物抗寒性能的關(guān)鍵性表達(dá)基因，而且CBF基因在低溫的環(huán)境下，在植物內(nèi)部的含量會進(jìn)一步增加，如，在白毛楊的體內(nèi)導(dǎo)入胡楊PeCBF4a基因，在煙草中導(dǎo)入菊花DmDREBa基因都可以顯著地提升該植物的抗寒性能，這些試驗的最終結(jié)果也表明了植物的CBF轉(zhuǎn)錄因子對于植物本身的抗寒能力提升有著非常良好的效果?？梢栽谥参矬w內(nèi)導(dǎo)入功能性基因來提升該植物的抗寒性能，通過以上的分析可以知道，功能性基因與觀賞性植物的抗寒性有直接的聯(lián)系，所以可以直接改變植物的功能性基因組，從而實現(xiàn)抗寒性能的提升。如，在觀賞性植物中，利用過表達(dá)脂肪酸去飽和代謝路徑中關(guān)鍵酶基因，能夠通過增加這種膜質(zhì)脂肪酸不飽和度來有效地調(diào)控與改良植物的抗寒性能；歐洲油菜植物體內(nèi)往往會含有含量較多的表達(dá)烏桕的SsSAD基因，將該基因?qū)氲狡渌愋臀镔|(zhì)中可以使得轉(zhuǎn)基因植物表現(xiàn)出較高的C18∶2、C18∶3含量，從而使得抗寒性能得到了顯著地提升。同時，為了更加有效地增加植物的抗寒性能，還可以在植物的內(nèi)部導(dǎo)入一些能夠催化飽和脂肪酸順式雙鍵形成的酶。但是需要注意的是，抗氧化酶應(yīng)當(dāng)與抗氧化劑結(jié)合使用，從而表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，從而保持細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)。近些年的生物工程研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)的編碼抗氧化酶的基因轉(zhuǎn)錄水平的增加和編碼的合成抗氧化劑的基因增加對于植物的抗寒性能提升有著良好的效果，而且該基因的增加對于植物中各種非生物脅迫的植物中ROS過度積累也起到了非常重要的保護(hù)作用。

除此之外，還可以在觀賞性植物體中過表達(dá)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成相關(guān)生物代謝路徑中關(guān)鍵酶基因，通過這種方法來提高滲透物質(zhì)的積累數(shù)量，從而來調(diào)控和改良植物的抗寒能力。如，在煙草的體中存在著超量表達(dá)的PtrA/NINV基因，在假儉草中超量表達(dá)的百慕大CdSAMDC1基因，將兩者基因組合之后所得到的轉(zhuǎn)基因植株具有更高的抗寒性能，該試驗結(jié)果也再次表明了，若在觀賞性植物中具有超量表達(dá)棉子糖合成酶、參與多胺生物合成酶以及不可逆的水解蔗糖酶等物質(zhì)都能夠有效地提升觀賞性植物的抗寒能力。該研究結(jié)果也為觀賞植物抗寒性能的提升與改良提供了技術(shù)方面的支持。

4 結(jié)語

由于我國生物基因工程的發(fā)展與進(jìn)步，通過基因工程的相關(guān)技術(shù)手段來改良觀賞性植物的抗寒性能已經(jīng)具備了現(xiàn)實可能性。在目前的實踐領(lǐng)域中，通常還是采用傳統(tǒng)的農(nóng)作物培育手段、外源性物質(zhì)調(diào)節(jié)手段以及基因組的改良手段，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，轉(zhuǎn)錄組、代謝組等表達(dá)分析技術(shù)已經(jīng)相對比較完善，在這樣的技術(shù)背景下，科學(xué)研究人員已經(jīng)從現(xiàn)有的植物體內(nèi)獲得了大量的抗寒性基因，這為提升觀賞性植物抗寒性能提供了技術(shù)方面的可能性，但是從整體應(yīng)用效果來看，基因工程的應(yīng)用還存在著一定的不足之處，在未來的研究過程中仍然需要不斷地探索與實踐，從而研究出更好的觀賞性植物抗寒性改良技術(shù)。