植物抗寒生理研究进展

邱乾栋　吕晓贞　臧德奎　张　雷　张立才　杜淑辉

摘要：本文从生理的角度综述了植物抗寒性研究概况，包括生物膜系统、渗透调节物质、保护酶系统等与抗寒性的关系，以及抗寒锻炼对植物抗寒性的影响，并对未来的研究方向作了展望。

关键词：植物；抗寒性；生理指标；抗寒锻炼

中图分类号：Q945.78文献标识号：A文章编号：1001—4942(2009)08—0053—05

温度是气候因素中影响植物地理分布的主导因素，低温胁迫是植物栽培中经常遇到的一种灾害，涉及到粮食作物、园艺植物及其它许多经济植物。低温影响植物的生长代谢，引起植物相关生理指标变化，导致植物的生长受损，严重时导致死亡。因此，研究低温对植物生理生化的影响及植物抗寒性生理具有重要的理论和实践价值。植物抗寒性的研究领域包括低温条件下植物形态、生理生化特性、生态及细胞遗传学等方面，本文就该领域的研究进展进行综述，并提出了研究展望。

1生物膜系统与抗寒性的关系

1973年，Lyons提出了著名的“膜脂相变”假说，认为温度下降时，生物膜首先发生膜脂的物相变化，从液晶相变为凝胶相，膜的外型和厚度也发生变化，可能使膜发生收缩，出现孔道或龟裂，因而膜的透性增大，膜内可溶性物质、电解质大量向膜外渗漏，破坏细胞内外离子平衡，造成“生理干旱”和“有毒物质积累”。和生物膜系统有关的抗寒生理指标有电导率、脂肪酸不饱和度、丙二醛等。

1.1电导率

植物受低温影响后，膜透性增大，电解质外渗，胞间物质浓度增大，从而导致电导率值变大。抗寒性较强的植物在冻害较轻的情况下，不仅膜透性的变化小，而且渗透性的变化可以逆转，易恢复正常；反之，抗寒性弱的细胞或受害重者膜透性明显增大，而且不能恢复正常以致造成伤害甚至死亡。这种变化明显地出现在外部形态的变化之前，因此可以作为抗寒性的生理指标。

用电导法测定膜透性变化来判断植物的抗寒性是较可靠的方法，应用广泛。简令成等通过对小麦幼苗寒害的研究指出，在低温胁迫下，质膜完整性受到破坏后透性发生变化，K+等电解质以及糖类和氨基酸等物质外渗，因此，低温引起膜结构破坏是导致植物损伤和死亡的根本原因；李纪元等认为用电导法评估黑木相思和灰木相思的抗寒性具有较高的准确性。

1.2细胞膜脂肪酸组成

生物膜是植物细胞及细胞器与周围环境间的一个界面结构，其膜脂脂肪酸种类、链长及其饱和度等直接影响到膜脂的性质。膜脂脂肪酸的不饱和度被认为与抗寒性密切相关。Steponkus的研究表明，冷敏感植物与抗冷植物相比，饱和脂肪酸含量要高；在冷驯化过程中，植物细胞不饱和脂肪酸含量升高。宋洪伟等将其应用于小浆果资源的抗寒研究，在悬钩子属、猕猴桃属、醋栗属中，膜脂不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值与抗寒性正相关。杨广东对青椒的研究也表明，随温度降低，所有品种的不饱和脂肪酸含量增加，且在8℃时与品种抗冷性呈明显的相关关系。

1.3丙二醛(MDA)含量

植物为维持正常生理代谢，体内产生的一些有毒物质会被及时清理掉，但当受到低温胁迫时，正常生理代谢被破坏，有毒物质不能被及时清除，从而对机体产生伤害。活性氧会引起膜脂的过氧化作用，产生膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)，从而导致膜的完整性被破坏。因此，MDA的含量是鉴别和了解逆境胁迫对生物膜危害程度的重要指标之一。

罗娅对草莓的研究表明，低温使草莓叶片电解质渗漏率加大和MDA含量增加，原因是低温条件下，抗氧化系统不能有效清除过多的活性氧，O₂和HO₂OO₂的含量持续增加，诱发膜脂过氧化程度加剧和细胞膜透性加大。何开跃对福建柏低温胁迫的研究同样表明，MDA含量随着温度的降低而逐渐升高。MDA一旦升高，表明细胞膜脂质过氧化程度加剧，植物细胞膜系统受到破坏，即膜系统失去其原有的选择性透性，导致电解质的渗漏和细胞水势的下降。这种伤害一旦形成便无法逆转。

2渗透调节物质与抗寒性的关系

渗透调节是植物在逆境胁迫时出现的一种调节方式，由细胞生物合成和吸收累积某些物质来完成其调节过程。在逆境条件下，细胞内主动积累溶质来降低细胞液的渗透势，以防止细胞过度失水。渗透调节物质主要包括可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和甜菜碱等。

2.1可溶性糖

一般认为，糖类物质的积累与植物的抗寒性呈正相关。细胞内可溶性糖含量高可增加细胞液浓度，降低水势，增强保水能力。糖还能提供碳源和底物，诱导其它与抗寒性相关的生理生化过程，有助于抗寒性的增强；同时还具有保护蛋白质避免低温所引起的凝固作用，进一步提高植物抗寒性。

严寒静对栀子的研究发现，气温下降时栀子叶片中可溶性糖含量逐月上升，气温最低的1月可溶性糖含量为气温最高的9月的1.6倍。菠菜可溶性糖含量在低温处理3～5 d期间大幅度上升，而且抗寒性较强的班德菠菜可溶性糖含量增加幅度明显高于抗寒性较弱的胜先锋菠菜。在葡萄中，抗寒性强的品种可溶性糖和可溶性蛋白含量高，抗寒性差的品种含量低，但无论抗寒性强弱，可溶性糖含量均随温度下降而增加，以抗寒性强的增加幅度大，抗寒性差的增加幅度小，枝条中可溶性糖和可溶性蛋白含量与电解质渗出率呈显著相关，含量高的品种电解质渗出率明显低。在日本厚朴和冷蒿抗寒性研究中也得到了同样的结果。

2.2可溶性蛋白

可溶性蛋白质的亲水性较强，能增加细胞的保水能力，从而提高植物抗寒性。可溶性蛋白与植物抗寒性呈显著正相关。高志红对果梅的研究表明，低温下其枝条内可溶性蛋白和可溶性糖含量等与抗寒性呈显著相关，可作为抗寒种质筛选的指标；李生泉认为，在不同低温锻炼期间。棉苗中可溶性蛋白质含量的增加和品种的抗冷性表现出明显的正相关。罗军武等对茶树体内可溶性蛋白含量的测定结果也表明，抗寒性强的品种可溶性蛋白质含量高，抗寒性弱的品种可溶性蛋白质含量较低，经方差分析达到极显著或显著水平的差异，从而认为叶片中可溶性蛋白质含量可作为抗寒性强弱鉴定的生化指标。此外，抗冷性较强的大蕉叶片中可溶性蛋白质的绝对含量一直低于抗冷性较弱的香蕉，但增幅却比香蕉的大，这说明在植物的冷胁迫过程中，蛋白质的增加量可能比蛋白质的绝对含量起着更为重要的作用。

2.3脯氨酸

游离脯氨酸作为渗透调节物质具有水溶性和水势高、在细胞内积累无毒性等特点，能保持原生质与环境渗透平衡。植物受到冷胁迫时，游离脯氨酸能促进蛋白质水合作用，由于亲水、疏水表面的相互作用，蛋白质胶体亲水面积增大，保护酶的空间结构为生化反应提供足够的自由水和生理活性物质，从而对细胞起到一定的保护作用。正

常情况下，植物体内游离脯氨酸含量很低，但受到逆境胁迫时，游离脯氨酸的含量会有很大变化。

姜卫兵对无花果的研究发现，抗寒性强的品种冬季脯氨酸积累保持较高水平，而抗寒性较弱的品种则处于较低水平，这表明脯氨酸积累在量上的差异与品种抗寒性密切相关。丁灿对斑茅的研究表明，冬季叶片的脯氨酸含量是夏季的7.7倍，且脯氨酸含量与原生地海拔、纬度之间存在密切的正相关关系，温度的降低是导致叶片中脯氨酸含量增加的真正原因。低温胁迫下，喜树叶片内脯氨酸含量也表现出升高趋势，而且叶片内脯氨酸含量的高低可作为衡量喜树不同类型抗寒性的指标。

3保护酶系统与抗寒性的关系

植物体内存在活性氧和自由基的清除保护酶系统，包括过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(sOD)以及抗坏血酸氧化酶(ASA—POD)等。正常情况下，细胞内活性氧的产生与清除处于一种动态平衡，不会引起伤害。但当处于逆境条件时，细胞自由基产生和清除的平衡遭到破坏而出现活性氧的积累，高水平的活性氧可能加剧膜脂过氧化和膜蛋白的聚合，从而破坏膜结构和功能，这种累积超过一定的阈值，就会发生膜伤害，甚至导致植物死亡。

在膜保护酶与抗寒性的研究中，以SOD的研究最多。SOD与植物多种抗逆性相联系。根据所含金属辅基的不同，可将其分为Cu，Zn—SOD、Mn—SOD和Fe—SOD三种类型。SOD在好氧生物体内对防御活性氧伤害起重要作用，可专一清除超氧阴离子自由基(O₂)，将其转变成过氧化氢(H₂O₂)。而POD和CAT可以有效地将H₂O₂转变成O₂，从而消除O₂对生物体的毒害。CAT是清除H202的主要酶类，还可以清除线粒体电子传递、B-脂肪酸氧化及光呼吸氧化过程中产生的H₂O₂。

Mckersie发现植物叶绿体中SOD的超量产生可保护植物不受冷伤害。而植物组织在低温胁迫下，SOD酶活性一般是先升高后下降，表明低温诱导SOD酶活性增强。所以可用SOD值下降时的温度高低作为抗寒性鉴定的标准。

研究表明，抗寒性强的桉树的SOD活性对低温的反应能力比抗寒性弱的敏感，山葡萄枝条中过氧化物酶活性随着低温锻炼过程中抗寒力的提高而提高，且抗寒性强的种类酶活性更高。马占相思树苗的CAT活性随着温度的降低先下降然后升高，这表明其对低温有一个适应过程，随着胁迫加深，活性又下降；POD、SOD活性都随着温度下降逐渐下降，但下降幅度不大，表明CAT、POD、SOD在低温严重胁迫过程中，仍具有较高的活性，仍能清除活性氧自由基，以减少对膜的伤害。马德华对黄瓜的研究则显示，低温下POD活性与耐低温能力关系密切，与对照相比，POD活性相对增加量与耐低温能力之间亦表现为正相关。陈旭微对豌豆和绿豆的研究发现。低温胁迫后，抗冷性豌豆下胚轴内SOD活性极显著上升，而在冷敏感绿豆中，SOD活性一直维持在较高水平，这也证实了参与活性氧清除反应的第一个酶是SOD，它在抗氧化酶类中处于重要地位。

此外，植物体内脱落酸(ABA)等激素的含量也与植物抗寒性有关。低温条件下，植物体内累积的ABA能对低温调控基因及RAB基因进行调控，从而提高植物的抗寒性。对甘蓝和茶树抗寒力的研究均表明了ABA与抗寒力的关系。因此，ABA是一种逆境应激激素。

4抗寒锻炼对植物抗寒性的影响

细胞膜是细胞对外界的屏障。当细胞面临环境的低温胁迫时，需要进行渗透调节以维持细胞内外渗透平衡，因此必然会使机体内参与渗透调节的物质如脯氨酸、糖、蛋白质等发生变化，从而避免冻害，提高植物抗寒能力。

研究表明，低温锻炼后不同抗寒品种冬小麦细胞内蛋白质含量的增加与其品种的抗寒性成正相关；马占相思树脯氨酸和可溶性糖含量随着低温胁迫程度加深和时间延长，表现出持续增加趋势；低温胁迫下红掌叶片SOD酶活性逐渐上升，但经冷锻炼的极显著高于对照，说明冷锻炼可以显著提高SOD酶活性。低温条件不仅会使细胞活性氧水平提高，同时也可诱导植物防御体系的建立。陈玉珍对绵头雪莲花组培苗的研究显示，经2℃低温锻炼，可溶性蛋白质和脯氨酸含量明显升高，锻炼后可溶性蛋白质含量仍高于低温锻炼期问的水平，SOD、CAT活性明显升高，POD活性逐步升高。

因此，低温锻炼可以诱导植物抗寒机制的建立，最终提高植物对低温的适应能力。这在红松、假俭草、香樟等多种植物的抗寒性研究中均得到了证实。

5研究展望

近年来，对植物抗寒生理的研究已经很多，并取得了一定进展，主要涉及抗冻蛋白、细胞信号转导与抗寒基因的表达、低温对ATP酶及细胞物质代谢的影响等方面。但要从根本上提高植物抗寒性，仍需促进抗寒基因的表达，从而诱导抗冻蛋白的合成。今后对于植物抗寒生理的研究将集中在以下几个方面。

①由于植物内部结冰主要的伤害部位是膜，所以冰冻伤害和低温驯化的膜生物学是今后研究的重要内容之一。

②在发生低温冻害时，往往伴随着其它逆境胁迫如旱、涝、盐碱等，因此，应将低温胁迫与其它逆境环境相结合进行研究。

③植物抗寒性受多种特异的数量抗性基因调控，因此鉴定植物抗寒性必须是多方面的。在对植物抗寒性进行鉴别时，不同的生理指标得出的结论往往不一致，单一指标不能正确反映植物抗寒性实质，只有综合评价并采用多种方法印证，才能得出正确结论，这也将是今后研究工作的重点。

④低温胁迫导致植物光合强度下降，引起低温光氧化和光破坏，而且低温后的受害情况往往与光照密切相关。另外，在低温胁迫下，植物的呼吸作用在一定温度范围内也会随温度下降而下降。因此，低温对植物生理代谢的间接影响也是今后研究的热点。

⑤关于低温对植物的驯化机理及某些激素类物质对植物体抗寒力的影响等方面还未研究清楚，如ABA与脯氨酸的生物合成以及ABA对有关基因的调控机理。这些问题也有待进一步研究。