桃抗寒性研究進展

李小蘭 郝蘭蘭 王鴻

摘要：綜述了桃樹抗寒相關(guān)的生理生化和分子機理研究進展，并展望了桃樹抗寒研究的發(fā)展趨勢，為深入研究桃樹的抗寒性機理和培育抗寒品種提供參考。

關(guān)鍵詞：桃;低溫;生理生化;分子機理

中圖分類號：S662.1? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）01-0012-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.01.003

Research Progress on Cold Resistance of Peach Tree

LI Xiaolan 1， 2， HAO Lanlan 1， 2， WANG Hong 1， 2

（1. Institute of Fruit and Floriculture Research， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. College of Horticulture， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：This paper summarizes the research progress of peach cold resistance， from the perspective of physiological biochemistry and molecular mechanism research， so as to provide a theoretical basis for the future cultivation of cold resistant varieties and gain a prospective understanding about the sustainable development of peach industry.

Key words：Peach;Low temperature;Physiology and biochemistry;Molecular mechanism

桃（Prunus persica L.）原產(chǎn)于中國[1 ]，屬薔薇科（Rosaceae）李屬（Prunus）桃亞屬（Amygdalus），是我國的主栽果樹之一[2 ]。溫度是影響桃樹生長發(fā)育及地理分布的一個重要環(huán)境因子。我國北方地區(qū)冬季氣候嚴寒，如果發(fā)生凍害，會給桃樹生產(chǎn)造成嚴重的損失[3 ]。此外，“倒春寒”的發(fā)生，也會使芽受到損傷，造成桃樹葉片不整齊而且較小，如果發(fā)生在花期或者幼果期，也會導致花朵或果實受凍，嚴重影響桃樹產(chǎn)量。我們綜述了桃樹低溫脅迫相關(guān)的抗寒生理以及抗寒分子機理研究的相關(guān)進展，旨在為桃樹抗寒性機理的深入研究及抗寒品種的培育提供參考，推動桃產(chǎn)業(yè)向可持續(xù)化發(fā)展邁進。

1? ?桃樹抗寒生理

1.1? ?脯氨酸與桃樹抗寒性

脯氨酸是植物體內(nèi)廣泛分布的滲透物質(zhì)之一，在逆境條件下可以維持細胞內(nèi)的環(huán)境平衡和穩(wěn)定，對植物的正常生長具有重要意義。在低溫脅迫下，脯氨酸通過鳥氨酸和谷氨酸兩種途徑合成并積累，且脯氨酸的積累量與植物組織的受傷害程度成正比[4 ]。前人對6個扁桃品種東、南、西和北方向枝條的受傷程度和脯氨酸含量進行研究發(fā)現(xiàn)，受害程度較輕的南面，脯氨酸含量也保持在較低的水平[5 ]。除此之外，脯氨酸含量也是衡量植物抗寒性強弱的重要指標。郭守華等[6 ]通過對同期成熟桃品種麗紅和早鳳王越冬枝和芽的脯氨酸含量測定發(fā)現(xiàn)，麗紅的越冬枝和芽的脯氨酸含量分別比早鳳王高179.76%和25.69%，證明麗紅桃在休眠期和花期均具有較強的抗低溫能力。

1.2? ?丙二醛與桃樹抗寒性

植物受到低溫脅迫時細胞內(nèi)的代謝平衡被破壞，產(chǎn)生過多的自由基，加劇膜脂過氧化，造成生物膜系統(tǒng)的損傷[7 ]。丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，是鑒定細胞膜是否被氧化的重要指標[8 ]，不僅可以與蛋白質(zhì)、核酸結(jié)合使其喪失功能[9 ]，還可以使葉綠素降解[10 ]， 降低光合作用。MDA含量還可以反映植物遭受逆境傷害的程度[11 ]。對3個抗寒性不同的扁桃品種在越冬和低溫處理過程中丙二醛含量測定的結(jié)果表明[12 ]，3個扁桃品種葉片和枝條內(nèi)的MDA含量變化始終是抗寒性弱的品種晉扁2號最高，抗寒性強的品種英吉沙最低，說明抗寒性弱的品種在低溫脅迫下受害程度更高。

1.3? ?可溶性糖與桃樹抗寒性

可溶性糖與植物抵抗嚴寒之間的關(guān)系密切。研究發(fā)現(xiàn)，可溶性糖含量可增加細胞液濃度，提高滲透壓，從而減少低溫對組織細胞的傷害[13 ]。牛茹萱[14 ]選取9種不同類型桃資源的1年生桃枝條為試驗材料，測定其不同低溫處理下的可溶性糖含量，結(jié)果表明隨著溫度降低可溶性糖含量不斷增加，并在半致死溫度時可溶性糖積累量最高，從而起到保護作用。這與郭守華等[6 ]對2個不同品種的越冬枝和芽的研究結(jié)果相印證。

1.4? ?可溶性蛋白與桃樹抗寒性

與可溶性糖作用相似，可溶性蛋白作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物的抗寒反應(yīng)中也起著重要作用[15 ]。低溫脅迫改變原生質(zhì)膜透性，使大量細胞內(nèi)物質(zhì)外滲，可溶性蛋白含量增加，參與細胞的滲透調(diào)節(jié)，減少外界對植物造成傷害[16 ]。蘭建彬等[17 ]通過測定自然低溫和模擬低溫脅迫下黃金蒲桃葉片中的可溶性蛋白含量發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低可溶性蛋白含量不斷增加，并隨著低溫脅迫時間的延長呈明顯增加的趨勢。與王晨冰等[18 ]對品種北京7號桃樹的花器及幼果的研究相似。

1.5? ?相對電導率與桃樹抗寒性

細胞膜是分隔細胞和環(huán)境的屏障與界面，也是細胞與外界發(fā)生物質(zhì)交換的主要通道，是植物遭受低溫脅迫的原初位置，與植物抗寒性關(guān)系密切[19 ]。 植物組織受到低溫脅迫時，膜透性發(fā)生明顯改變，細胞內(nèi)的可溶性物質(zhì)及電解質(zhì)外滲，引起組織浸泡液電導率增大。外滲液電導率的變化大小可反應(yīng)植物組織受害程度[20 ]。對9個桃樹品種在不同低溫脅迫下的相對電導率測定發(fā)現(xiàn)，在相同的低溫條件下，金奧的相對電導率較高，表明低溫脅迫時該品種電解質(zhì)外滲較多，受凍害程度較重;王家莊毛桃相對電導率較低，說明該品種外滲較少，受凍害程度較輕[21 ]。

1.6? ?抗氧化酶與桃樹抗寒性

植物遭受低溫脅迫時產(chǎn)生大量的自由基和活性氧，引起膜脂過氧化、蛋白質(zhì)活性降低，導致植物代謝紊亂[22 ]。超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）是植物細胞中主要的抗氧化酶，起到清除植物體內(nèi)有害活性氧、保護細胞膜功能完好的作用。通過對麗紅和早鳳王桃花雌蕊SOD和POD活性的研究，郭守華等[6 ]發(fā)現(xiàn)低溫處理的2個品種的SOD和POD活性均高于室溫處理的，且低溫處理的麗紅SOD和POD活性均高于早鳳王。表明低溫刺激有升高SOD和POD活性的作用，也進一步說明麗紅比早鳳王有較強的低溫適應(yīng)能力。

2? ?桃樹抗寒分子機理

2.1? ?桃樹抗寒相關(guān)基因

2.1.1? ?RNA結(jié)合蛋白（RBD）? ? RNA結(jié)合蛋白（RNA- binding proteins）是近年來新發(fā)現(xiàn)的具有RRM保守區(qū)域的家族基因，其主要功能是結(jié)合RNA，在植物的生命代謝過程中起著重要作用。前人研究發(fā)現(xiàn)，RBD家族CbGRP基因在過表達之后能對植物組織和細胞起到保護作用，從而提高植物的抗逆性[23 ]。左波等[24 ]從品種中華壽桃中提取cDNA，克隆出具有RRM結(jié)構(gòu)域的PpRBD2基因，并利用RT-qPCR研究低溫脅迫下PpRBD2在4個桃品種中（2個抗寒品種，2個冷敏感品種）的表達量變化情況后發(fā)現(xiàn)，在不同時間的低溫脅迫下，該基因在抗寒桃中的表達量比不抗寒桃更高，且在中華壽桃中始終呈下降趨勢。表明PpRBD2基因的表達量與桃抗寒性成正比，且中華壽桃的葉片相較于其他3個品種桃的葉片低溫適應(yīng)性更差。

2.1.2? ? CBF（C-repeat binding factor）轉(zhuǎn)錄因子? ? 在冷調(diào)節(jié)信號通路中，CBF轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控著許多與冷誘導相關(guān)功能基因的表達，被認為是應(yīng)對冷應(yīng)激的主調(diào)節(jié)因子，增強該轉(zhuǎn)錄因子的作用就能使植物的抗冷性得到顯著提高[25 ]。Liang等[26 ]分析了桃果實在采后貯藏過程中CBF轉(zhuǎn)錄因子對低溫脅迫的響應(yīng)，結(jié)果表明PpCBF1，PpCBF5和PpCBF6基因的轉(zhuǎn)錄均受低溫誘導。宋艷波等[27 ]人以毛桃的基因組DNA和cDNA為模板，經(jīng)過PCR和RT- PCR克隆PpCBF2基因，并利用qRT-PCR分析品種早紅霞和大久保葉片中PpCBF2在4 ℃低溫下的表達特性。結(jié)果表明早紅霞和大久保PpCBF2基因受低溫誘導，且品種間表達差異與品種抗冷性相關(guān)。這與代培紅等[28 ]對新疆野扁桃CBF1基因與桃抗寒性相關(guān)的結(jié)論相似。

2.1.3? ? MYB（v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）轉(zhuǎn)錄因子? ? 植物中最早發(fā)現(xiàn)的MYB轉(zhuǎn)錄因子是玉米的CI基因[29 ]。MYB轉(zhuǎn)錄因子是植物應(yīng)對非生物脅迫中重要的轉(zhuǎn)錄因子家族之一[30 ]，其共同特征是在N端都具有一段高度保守的DNA結(jié)合域，廣泛參與植物的生長發(fā)育和代謝調(diào)控[31 ]。申晴等[32 ]以3個抗寒性不同的桃品種自然越冬的韌皮部為試驗材料，克隆桃MYB3基因并比較不同溫度下PpMYB3在3個桃品種同一部位的相對表達量。結(jié)果表明，在抗寒性較強的毛桃、優(yōu)25-3中PpMYB3基因的相對表達量隨溫度降低整體呈下降趨勢，而在不抗寒品種21世紀中隨溫度降低呈上升趨勢，推測PpMYB3轉(zhuǎn)錄因子可能在桃抗寒方面起到負調(diào)節(jié)作用。Zhang 等[33 ]的研究也表明，過表達MtMYB3會導致轉(zhuǎn)基因植株對冷脅迫的耐受力減弱。

2.1.4? ? 超氧化物歧化酶（SOD）基因? ? 超氧化物歧化酶作為抗氧化防護系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，在抵御植物低溫脅迫過程中發(fā)揮著重要作用。SOD是一種金屬蛋白，根據(jù)該蛋白結(jié)合的金屬輔因子的不同可以將SOD酶分為不同的類型。Fe-SOD是一種較為古老的SOD，主要存在于植物的葉綠體中[34 ]。申晴等人以桃抗寒性不同的品種為材料，克隆并分析桃Fe-SOD基因在不同低溫脅迫下不同品種韌皮部中的表達量，并將PpFe-SOD基因轉(zhuǎn)化到本氏煙草中獲得陽性轉(zhuǎn)基因煙草植株[35 ]。結(jié)果表明，隨著溫度的降低，PpFe-SOD表達量在不同桃品種的韌皮部中整體呈上升趨勢，并且PpFe-SOD基因的轉(zhuǎn)基因煙草植株具有更高的耐冷性，推測該基因與桃樹抗寒性呈正相關(guān)。

2.1.5? ? 桃3GT、FAD 6、ATP 9和ATP 4基因? ? 黃佳[36 ]基于TMT定量蛋白組學分析技術(shù)，挖掘桃抗寒相關(guān)基因3GT（花青素3-O葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶）、FAD6（脂肪酸去飽和酶）、ATP9（ATP基因）和ATP4（ATP基因），隨后以抗寒性不同的桃品種為試驗材料克隆Pp3GT、PpFAD6、PpATP9和PpATP4，并分析自然低溫和模擬低溫條件下以上4個基因在不同桃品種不同部位的表達模式，結(jié)果表明，Pp3GT、PpFAD6、PpATP9和PpATP4基因與桃抗寒性具有一定關(guān)聯(lián)。

2.2? ?桃樹響應(yīng)低溫信號的主要途徑

2.2.1? ? Ca2+信號轉(zhuǎn)導途徑與桃樹抗寒性? ? 植物受到低溫脅迫時，細胞質(zhì)中的Ca2+濃度會增加[37 ]。增加的Ca2+濃度被Ca2+傳感器蛋白解碼從而調(diào)節(jié)外界的脅迫[38 ]。Ca2+傳感器蛋白包括鈣調(diào)蛋白、鈣調(diào)蛋白樣蛋白、Ca2+依賴性蛋白激酶、鈣調(diào)蛋白 b（CBL）和 CBL 互作蛋白激酶（CIPKs）。牛茹萱[14 ]通過對不同低溫下的丁家壩李光桃1年生枝條進行轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)，編碼類鈣調(diào)蛋白的 gene 25406 和 gene1782以及編碼 CBL 互作蛋白激酶的 gene237 在-15 ℃和-35 ℃時顯著上調(diào)。表明特定的受體蛋白可以識別低溫誘導，促進鈣調(diào)蛋白通路，激發(fā)下游通路響應(yīng)低溫，從而增加丁家壩李光桃的耐寒性。

2.2.2? ? 類黃酮合成途徑與桃樹抗寒性? ? 類黃酮是重要的次生代謝物質(zhì)，為植物苯丙烷類代謝的分支產(chǎn)物，影響植物的基礎(chǔ)代謝和抗逆反應(yīng)[39 - 42 ]。當植物處于逆境時，體內(nèi)代謝紊亂引起氧自由基超量積累，應(yīng)激合成的大量類黃酮物質(zhì)增強植物體的自由基清除和抗氧化活力[43 ]。目前已經(jīng)證實，在擬南芥和菠菜等多種植物體中類黃酮積累與植物的抗逆性呈正相關(guān)[44 - 46 ]。周平等[47 ]對不同時間低溫處理的桃樹葉片進行轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果當限定校正P < 0.05時，差異基因顯著富集于類黃酮合成和芪類等次生物的合成和代謝。其中，類黃酮合成相關(guān)基因在低溫處理樣品中表達量顯著上調(diào)，證實類黃酮物質(zhì)的合成有利于增強桃樹葉片低溫耐受，降低低溫傷害。

2.2.3? ? MAPK級聯(lián)通路和ABA信號通路與桃樹抗寒性? ? 在牛茹萱[14 ]對不同低溫脅迫下1年生枝條抗寒機制的研究，除了表明Ca2+信號轉(zhuǎn)導途徑在丁家壩李光桃抗寒途徑中發(fā)揮重要作用外，還發(fā)現(xiàn)了2個上調(diào)的MAPK基因（gene17867和gene 22219）以及與ABA信號通路相關(guān)的DEGs顯著上調(diào)，這說明低溫脅迫可以激活丁家壩李光桃的MAPK信號通路和ABA信號轉(zhuǎn)導途徑。而絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路和ABA信號轉(zhuǎn)導途徑在植物應(yīng)對低溫脅迫的響應(yīng)是眾所周知的[48 - 51 ]，推測MAPK信號通路和ABA信號轉(zhuǎn)導途徑可能在丁家壩李光桃的抗寒過程中發(fā)揮作用。

3? ?展望

我國桃種質(zhì)資源豐富，已利用東北抗寒的毛桃及琿春桃、河西走廊李光桃為親本，育成了能抗-30 ℃以下低溫的新品種酒香1號、敖東寒桃、鐵嶺秋桃等，但對于抗寒相關(guān)的基因以及抗寒資源的抗寒機理研究方面仍有很大的空間。目前對桃樹抗寒性的研究在生理層面居多，分子層面相對較少?？购且环N受多基因調(diào)控的數(shù)量遺傳性狀，應(yīng)將抗寒生理學與分子學結(jié)合， 綜合分析各種抗寒指標， 為桃抗寒栽培種的培育提供理論基礎(chǔ)。并應(yīng)用分子生物學和基因工程技術(shù)， 將植物抗寒性與遺傳基因、酶系統(tǒng)的多態(tài)性等結(jié)合起來，進一步探討桃抗寒本質(zhì)，改進并加快抗寒桃育種進程，推動桃產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展。

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