低温胁迫下甘蓝生理生化研究进展

邱源，黄丹枫

（上海交通大学农业与生物学院，200240）

低温对植物的为害是一个世界性的问题，对农作物的影响尤为突出，不仅会限制农作物的栽种范围，也会造成农作物减产，甚至引起植株死亡，是我国农业生产中的重要自然灾害之一，自20世纪末低温对农作物的为害性引起人们注意后，国内外许多学者从细胞和分子生物学水平对植物的抗寒性进行了研究，并取得了一些重大进展[1～3]。近年来，随着科技的进步，植物抗寒性的研究逐步向纵深方向发展，目前对蔬菜、果树、水稻等农作物的抗寒性也有了较深的研究，在葡萄、李、柑橘等果树植物，在白菜类、甘蓝类、瓜类等蔬菜作物，在水稻、油菜、玉米等传统农作物，在银杏、杜鹃、月季等园林植物的抗寒性研究上也取得了一系列成果，形成一系列鉴定方法。在蔬菜作物中，甘蓝类蔬菜具有种植区域广、耐寒性强的特点，已逐步成为长江流域冬季蔬菜的最主要品种之一，因此在低温对十字花科甘蓝种作物的生理生化影响的研究上取得了重要进展，主要集中在以下几个方面。

1 低温胁迫对细胞膜透性的影响

植物对温度胁迫的适应主要在于细胞膜，植物体内细胞的膜系统以及细胞器膜体系与植物抗寒性有十分密切的关系。当植物受到冻害时，其生物膜发生相变，膜结构也随之发生改变，进而使膜上酶系活性发生变化，引起细胞生理生化过程异常，低温作用引起膜结构破坏，透性增加，电解质大量外渗，使细胞受损，持续冷冻温度最终引起细胞死亡，因此不同植物抗寒能力不同，电解质外渗也存在明显的差异。膜结构和功能主要受膜组分的调节，植物的抗寒性与细胞在低温下能否保持膜的流动性和稳定性有关，膜的流动性越小，植物的抗寒性越弱，膜的流动性越大，植物的抗寒性越强[4]。

李世成等[5]报道，甘蓝型油菜在20℃时，各品种质膜相对透性差异不大，随着温度的下降，各品种的质膜相对透性出现不同程度的增加，尤其降至5℃后，各品种的质膜相对透性增加幅度明显不同。细胞膜相对透性均随温度的下降而增加，抗寒能力强的品种在冷害时膜透性有明显的稳定性[6]。

2 低温对细胞渗透物的影响

2.1 低温对可溶性糖的影响

糖在植物抗寒机制上大约从3个方面起作用：①通过糖的积累降低冰点，增强细胞的保水能力；②通过糖的代谢，产生其他保护性物质及能源；③细胞的生命物质及生物膜对细胞起保护作用。可溶性糖是冷害和冻害条件下的细胞内外的保护物质，其含量与多数植物的抗寒性呈正相关[7]，低温后耐寒品种的可溶性糖含量上升幅度大于不耐寒品种，不同时期表现出相同的趋势[8]。

在许多植物上的抗寒性研究结果表明，可溶性糖的含量增加能增强植物体的抗寒能力。王磊等报道[9]，在甘蓝品种中，随着温度的下降，可溶性糖含量明显上升，感受冻害低温后，甘蓝可溶性糖含量逐渐下降，抗冻性强的品种下降幅度小于抗冻性差的品种，在适宜的温度条件下，抗寒性强的品种可溶性糖的含量比抗寒性差的品种高。吴能表等[10]报道，5℃低温对甘蓝处理0～30 min，植物体内可溶性糖含量变化表现出“升—降—升”的趋势，在处理后5 min时达到第一个峰值，在10～15 min达到低值。处理0～180 min，植物体内可溶性糖含量变化也表现出“升—降—升”的趋势，30～60 min达到第一峰值，低值一般出现在90 min。

2.2 低温对可溶性蛋白的影响

可溶性蛋白的含量与植物的抗寒性之间存在着密切的关系，在低温环境下，可溶性蛋白含量增加能有效增强细胞的持水能力，减少原生质因结冰而致死的几率。一般认为低温胁迫后组织内可溶性蛋白增加是植物产生抗寒性的重要过程，随着组织内可溶性蛋白含量的增加，植物的抗寒性也增强。甘蓝的抗冻性与其蛋白质合成系统运行直接相关，在冻害温度下抗冻品种其蛋白质合成系统运行正常，而抗冻能力弱的品种蛋白质合成系统则受到抑制[11]。

王磊等[9]研究表明，在适宜的温度条件下，甘蓝不同品种的可溶性蛋白含量存在着明显的差异，随着温度的下降，各品种体内可溶性蛋白含量的变化也有一定的差异，总体呈上升的趋势，当温度下降到一定程度后，抗寒能力弱的可溶性蛋白含量则呈现出下降的趋势，这与Heber[12]在小麦上的研究结果相一致。

2.3 低温对游离脯氨酸的影响

在游离氨基酸中，脯氨酸与植物的抗寒性的关系受到广泛的关注，脯氨酸含有亚氨基，它的疏水吡咯烷能与蛋白质的疏水区结合，而亲水基团分布于表面，增加了蛋白质的亲水表面，提高了蛋白质的溶解度，从而提高了可溶性蛋白质的含量，维持低温时酶的构象。

王磊等[9]研究表明，随着温度的下降，甘蓝各品种细胞内的游离脯氨酸含量急剧上升，在冻害温度条件下，除抗冻性较差的品种外，脯氨酸含量仍能保持继续上升的趋势，其中以冬冠1号上升最快，脯氨酸的含量与抗寒性强弱具有密切关系，呈现明显的正相关性。吴能表等[10]报道，5℃低温对甘蓝处理时，细胞内脯氨酸含量表现出明显的“升—降—升”的变化规律，其中在0～3 min脯氨酸含量上升缓慢，在3～5 min脯氨酸上升达到峰值，在15 min以后，脯氨酸含量几乎降到对照水平，并维持较长时间，然后又逐渐上升。

2.4 低温对内源激素ABA的影响

内源激素脱落酸（ABA），是一种应急激素，主要通过保护膜结构、维护膜功能[13]和启动抗寒基因[14]而提高植物抗低温能力。脱落酸可由氧化作用和结合作用被代谢。脱落酸主要有5个方面作用：①抑制与促进生长；②维持芽与种子休眠；③促进果实与叶的脱落；④促进气孔关闭；⑤影响开花；⑥影响性分化。吴能表等[10]报道，5℃低温对甘蓝处理 0～30 min、0～180 min，甘蓝体内ABA含量均呈现升-降-升的趋势。

2.5 低温对丙二醛的影响

丙二醛（MDA）为膜脂过氧化产物，其含量高低与植物所受逆境胁迫程度有关，低温环境下，细胞内的活性氧代谢平衡被破坏，从而有利于活性氧或超氧化物自由基的产生。这种氧化会对细胞膜造成很大的损伤，细胞膜的渗漏会引起外界钙大量进入细胞质内，钙离子与钙调蛋白结合激活了磷脂酶A2，结果使不饱和脂肪酸解脱下来，不饱和脂肪酸在脂氧合酶的作用下形成羟基过氧化物，它能自发分解出MDA，这种MDA又能使更多的钙离子进入细胞质[15]，引起连锁反应，所以细胞内MDA的含量变化是质膜损伤程度的重要标志之一。

吴能表等[10]研究表明，5℃低温处理甘蓝 0～30 min，处理初期MDA含量基本没有升高，随着处理时间的延长，MDA含量有所上升，随即又下降，最后再呈现上升趋势；在0～180 min内，MDA含量呈现升-降-升-降的变化规律，说明在逆境初期，植株具有一定的忍耐能力，随着低温处理时间的延长，MDA含量又显著下降，说明体内酶保护系统启动。通过对甘蓝幼苗低温处理，植株体内MDA含量随着胁迫时间延长，含量急剧上升[16]。

3 小结与展望

甘蓝属于耐寒性较好的大宗蔬菜品种之一，在全国具有较强的适应性并得到了广泛的种植，但由于极端低温的影响，经常遭受冻害使品质下降，给甘蓝的安全生产带来了一定的影响。低温对甘蓝的膜透性产生明显的影响，抗寒能力强的品种一般表现出明显的流动性和稳定性，对细胞内可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、内源ABA以及丙二醛等含量也都有一定的影响，根据这些物质受低温影响的变化规律，可以鉴定甘蓝品种抗寒性的强弱，可以在低温来临前通过人为增施一些物质，提高细胞内此类物质的含量以增加甘蓝的抗寒性，降低因低温带来的冻害或冷害损失。

低温胁迫对甘蓝的影响方面，众多学者主要集中在零上低温对膜透性及渗透物方面的研究，在0℃以下的低温胁迫对甘蓝抗寒生理生化研究还较少，对各种渗透物间的相互研究还需要进一步深入。低温只是影响甘蓝生长的一个方面，因此在加强单一因子研究的基础上，研究双因子或多因子共同作用是甘蓝生理研究的重要内容。

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