烟草抗寒性研究进展

陶 宁， 杨友才

（湖南农业大学生物科技学院，长沙 410128）

温度是影响作物生长和分布的一种重要的生态因子，在作物遗传背景限制的前提下，对作物某些生长发育过程起着决定性作用[1]。在低温状态下，植物生长发育会受到影响，甚至导致植株死亡，给农业生产带来严重的损失[2]。

烟草原产于热带，是喜温作物，最适生长温度是 25～28℃，低于 10～13℃时生长停止，1～2℃时烟株死亡[3]。我国烟区分布广泛，各地温度条件差异很大，早春低温危害是我国南方烟区普遍存在的问题，严重影响优质烟叶的生产[4]。研究提高烟草抗寒性不仅具有理论意义，在解决实际生产问题上也具有广泛的应用价值。笔者拟对烟草在低温条件下的生长形态、生理生化特性、生态及细胞遗传学等领域的研究进展进行综述，在此基础上展望未来的研究方向和重点。

1 烟草种子发芽期抗寒性

植物在不同发育时期，其抗寒力是不同的。发育水平越低，抗寒性越易得到提高。这是因为植物在幼苗时容易改变它的遗传性，低温处理开始萌发的种子，可以提高它们的抗寒性[5]。

Bunn[5]和 Haroon等[6]认为 10～32℃均属烟草可发芽温度，发芽低限温度为 10℃，当温度低于10℃时，烟草种子的发芽受到抑制。Rosa[7]对烟草种子萌发第3天、第6天分别予以-2℃和-4℃的冷冻处理，发现-4℃低温对萌发后所有时期的烟草种子都构成了严重危害。陈学平等[8]对两个烟草品种进行了(2±0.5)℃、时间小于48 h的低温处理，结果表明低温对种子发芽早期影响大，早期处理的种子低温结束后，其发芽速率增快。

在低温胁迫下烟草的发芽特性方面，王玉芳等[9]用红花大金元种子在低于15℃时进行发芽试验，发现种子萌发明显受到抑制，发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数显著低于常温，幼苗鲜重、根长也都明显受到抑制。徐盛春[10]对烟草主栽品种发芽耐寒性进行鉴定，发现低温11℃时，烟草种子的相对发芽率、相对发芽指数、相对苗高、相对幼苗干重之间显著相关，是较好的耐寒性评价指标，同时也发现并不是所有指标均适用于烟草抗寒性鉴定，如相对平均发芽时间、相对根长。王树会等[11]研究发现品种K326裸种在温度低于12℃时前14 d不会发芽，随着温度的降低，发芽所需时间延长，当温度低至8℃时，裸种发芽时间需要37 d；同时种子发芽指数也随温度降低而降低。烟草包衣种发芽时间比裸种更晚，当温度低至8℃时，烟草包衣种不会发芽。

种子的萌发过程受体内激素的调节与控制，利用外源化学物质处理种子能调节萌发过程中内源激素的含量水平，从而调节种子的生理代谢，提高种子活力，促进壮苗[12]。适宜浓度的JA(茉莉酸)、Me－JA(茉莉酸甲酯)等均能提高烟草种子的发芽势，而一定浓度的赤霉素(GA3)则明显促进烟苗生长[13,14]。用一定浓度（CC）的氯化胆碱溶液浸种后能提高烟草种子的发芽指数和种子活力[15]。肖杨等[16]研究发现采用浓度0.1～0.9 mg/L赤霉素(GA3)处理浸种10min能有效打破烟草种子的休眠，提高萌发率。殷全玉等[17]研究结果显示水杨酸浸种可以促进低温下的烟草种子提前萌发，萌发率显著增大；水杨酸浸种的最佳剂量和浸种时间是0.5 mmol/L，浸泡48 h。

2 烟草苗期抗寒性研究

早春低温是常见的自然现象，在烟草苗期、移栽早期及大田生长后期均有冷害现象发生，尤以幼苗为甚，其中又以 3～4叶期抗寒性最弱，随着幼苗的生长抗寒性逐渐增强。

2.1 烟草苗期抗寒性形态表现

冷害本质上是低温对植物体造成的生理损伤。农作物特别是一些热带或亚热带起源的喜温植物如玉米、水稻、棉花、甜椒等经常发生冷害现象，受害时间偏长，则将出现局部伤亡，甚至植株死亡导致产量降低和品质下降[18]。正是由于冷害伤害了细胞的正常功能和结构，特别是细胞质膜和细胞器膜系，导致代谢发生紊乱，结构和组织遭到破坏，进而在形态上出现伤痕，对植株整个生育过程均造成不利影响。此外，冷害会致使植物群体生长发育不均，对机械收获十分不利[19]。

烟株冷害发生后，叶片边缘内卷或舌状伸展，舌状叶和心叶颜色发白或浅黄色，甚至出现烟苗畸形，生长停止。试验证明，烟苗在－5℃～3℃条件下，持续2～3 h，或－2～0℃条件下，持续15～16 h，就会产生幼叶变黄或呈微白色的症状。低温伤害可抑制烟株的生长发育，在无霜期短的烟区，秋季早霜可使烟叶呈水渍状枯萎死亡，无使用价值。

低温对烟草苗期生长的影响主要有两方面:一是烟草苗期生长受害，大田前期生长缓慢，茎杆木质化，变成“小老苗”。烟苗移栽后，地温很低，老根变褐、变黑，新根生不出来，导致还苗期、生根期推迟，影响烟草的团棵和旺长，严重影响烟叶的质量。二是低温诱导早花，而且诱导能力很强，特别是烟株长到6～12片叶时，如果气温在13～18℃或更低，持续10～20 d，早花株率最高，会导致烟草产量下降[20]。

在烟草幼苗不同部位对低温胁迫的响应差异上，李军营等[21]在短期(1 h)低温处理烤烟幼苗时发现，抵抗低温的能力排序为芽>叶≥茎>根，长期(24～72 h)低温处理时，最易受到伤害的部位是根部，其次是茎，再次是芽和叶片。王小彦等[22]研究结果表明同一叶片不同部位对低温响应不同，前远侧脉区(ML)比近侧脉区(EL)更具有氧化能力，低温处理前后ML都比EL具有较强的H2O2清除能力。李永平等[6]对 5个烟草品种苗期的抗寒性进行鉴定，结果显示在低温胁迫下烟草幼苗的地上部比地下部敏感，而地下部变化不大。

2.2 烟草抗寒性生理变化

植物对温度逆境的适应主要在于细胞膜，特别是质膜和类囊体膜的特性，低温胁迫下植物体内发生一系列的生理生化反应，还涉及到糖类、蛋白质、渗透性调节物质及保护性酶系统和代谢活性等生理代谢过程。

2.2.1 生物膜系统与烟草的抗寒性

当植物遭受低温胁迫时，植物胞外或胞内结冰，冰晶溶液比液态溶液的水势低，因而胞内的水分通过质膜流出，导致细胞严重脱水[23，24]。研究表明，生物膜是低温冷害作用的首要部位[25]。低温伤害的原初反应发生在生物膜系统类脂分子的相变上，膜脂由液晶态变成凝胶态，导致原生质流动停止，通透性增大，膜内可溶性物质、电解质大量向膜外渗透，破坏了细胞内外的离子平衡，从而使植物细胞受到伤害[26,27]，所以可通过细胞膜电解质渗透情况来评价植物细胞遭受伤害的程度[28]。许多植物通过改变膜脂成分、活化抗氧化系统和积累渗透调节物质等以缓解低温造成的机械伤害和生理伤害[29]。植物受到低温胁迫时，活性氧增多，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的含量是了解逆境胁迫对生物膜危害程度的重要指标之一[30]。晋艳等[31]研究说明烟草品种幼苗的膜透性都随着胁迫温度的降低和胁迫时间的增加而增加。陈卫国[20]研究进一步表明低温胁迫下烟草的细胞膜通透性和MDA含量出现明显的上升，且随低温胁迫程度的增大，MDA含量和细胞膜透性呈极显著相关。张燕等[32]研究显示烟草幼苗在低温下叶片MDA 含量随低温胁迫时间的延长呈逐步增加的趋势，但是用 PEG 处理的叶片，MDA含量增长较慢，表明PEG有减缓膜脂过氧化作用，降低MDA积累的作用，能提高细胞膜的稳定性和膜脂过氧化的保护能力。

2.2.2 代谢活性与烟草抗寒性

对呼吸作用的影响。植物在刚受到冷害时，呼吸速率会比正常时还高，这是一种保护作用，以维持体内代谢和能量的供给，但时间较长以后，呼吸速率便大大降低[33]。低温胁迫能使线粒体双层膜损伤破坏，影响有氧呼吸的强度，无氧呼吸比重增大。张燕等[34]的研究表明在5℃低温下，烟草幼苗中呼吸速率呈上升趋势，随低温持续时间的延长，幼苗呼吸速率下降较快，但是用 PEG 处理的烟草幼苗的呼吸速率下降的速度和幅度均低于对照。周克功等[35]用黄花烟草愈伤组织做试验，结果显示4℃时线粒体呼吸以细胞色素途径为主，第2天以交替途径为主，到第5天后又以细胞色素途径为主，而不经低温胁迫的烟株则自始至终均以细胞色素途径为主。

对光合作用的影响。低温下光合速率明显下降，对于起源于热带和亚热带的冷敏感植物，当温度降至引起冷害的临界温度时，会受到强烈的抑制。低温胁迫直接影响光合系统的功能和结构，对植物叶绿素含量及叶绿素a/b比值、叶绿体亚显微结构、光合能量代谢及光合系统 Ⅱ ( P S Ⅱ )活性等一系列重要的生理生化过程都有明显影响。晋艳等[3]研究发现低温胁迫下烟草幼苗叶绿素 a、叶绿素 b和叶绿素总量因叶绿体受损而下降。陈卫国[20]研究发现随着低温胁迫加重，叶绿素含量逐渐减少，而且Chla/Chlb值增大，且降解速度Chlb>Chla。张燕等[36]用 PEG处理低温胁迫下的烟草幼苗发现叶绿素含量均高于对照，表明PEG对叶绿素有一定的保护作用，因而减缓了叶绿素在低温下的分解速度。易建华等[37]研究了低温对烟苗叶片光合特性的影响，结果表明: 在16，8，3 ℃条件下，净光合速率(Pn)、表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)、RuBP最大再生能力随温度的降低显著下降，在8，3℃条件下发生了低温光抑制现象。

2.2.3 保护性酶系统与烟草抗寒性

低温下由于植物对 O2的利用能力降低，多余的 O2则被转化成对植物有毒害作用的活性氧（ROS）。活性氧增多会导致膜脂过氧化加剧，引起膜蛋白的变性，并最终导致植物受到伤害和死亡，因此必须通过植物抗氧化酶系统及时清除[38]。植物抗氧化酶系统分为酶促和非酶促两类，酶促防御系统包括:超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)等；非酶促防御系统包括谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸(ASA)等[39]。这些物质协同作用以去除植物体内的活性氧自由基，其中尤以 SOD最为重要，它是植物体内第一个清除活性氧的关键抗氧化酶。刘鸿先等[40]研究表明，烟草的低温伤害与细胞膜系统脂质过氧化作用和活性氧清除系统活性的降低存在密切关系，这点与前人的研究结果一致。低温胁迫下这些抗氧化酶活性会发生变化，冷敏感植物抗氧化酶活性呈先增加后下降的趋势；而抗冷植物能维持较高的抗氧化酶活性[41]。烟草幼苗在5℃低温下，胁迫l d，叶片中抗坏血酸和还原型谷光甘肽含量均有所上升，随胁迫时间的延长，其含量不断下降[36]。相关研究表明，随着低温胁迫时间的增加，烟草幼苗内的CAT和SOD活性降低，而POD活性增加[32]。张燕等[36]研究在低温胁迫期下，分别用PEG和CaCl2处理烟苗种子，烟草SOD、CAT、POD等活性显著高于对照，其膜脂过氧化产物和质膜透性及 O2－含量均低于对照，细胞相对电导率低，恢复生长后，幼苗膜透性和保护酶活性恢复较快。朱振乾等[42]用CuSO4处理烟草幼苗，发现CuSO4低于0.08 g/L时，CuSO4施用量增加能促进烟草生长，而且低温胁迫下，POD活性随CuSO4浓度增加而上升。这些研究表明通过外源化学物质处理烟草可以缓解保护性酶系统活性下降趋势，提高烟草抗寒能力。

2.2.4 渗透调节物质与烟草抗寒性

植物在适应环境胁迫的过程中会产生一些具有保水作用的渗透调节物质，如脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖等。在低温胁迫下，植物通过诱导该类物质生成的基因的大量表达，增加这类物质的积累，维持渗透压的平衡，从而避免低温伤害[43]。脯氨酸具有溶解度高，在细胞内积累无毒性，水溶液水势较高等特点，低温胁迫下，游离脯氨酸可能是通过保护酶的空间结构，为生化反应提供足够的自由水及化学和生理活性物质，对细胞起保护作用，此外脯氨酸与蛋白质相互作用可以增加蛋白质的可溶性，从而增强蛋白质的水合能力[44]。因此脯氨酸含量的高低可作为衡量植物抗冷性的指标。烟草幼苗在经过PEG处理后，脯氨酸含量随低温胁迫时间的延长逐步增多[36]。说明了游离Pro含量与烟草抗寒性有密切的关系。陈卫国[20]深入研究发现低温胁迫下烟草中脯氨酸含量的响应程度耐寒性强的品种强于耐寒性弱的品种。甜菜碱的化学性质与脯氨酸相似，它一方面通过与蛋白质的相互作用保护生物大分子在高电解质浓度下不变性；另一方面又可以作为渗透平衡物维持细胞的膨压[45]。

可溶性糖的含量与植物的抗冷性密切相关，低温下植株中可溶性糖积累是作为渗透调节物质和防脱水剂而起作用的，它可以降低细胞水势，增强持水力。多数情况下，可溶性糖类的含量可作为植物抗冷性鉴定的重要参数。张燕等[36]的研究表明:在 5℃低温下，烟草幼苗可溶性糖含量随处理时间的延长而增加。但是同一低温条件下，持续胁迫的可溶性总糖含量的增加度极显著高于间歇胁迫间的[20]。

3 小结与展望

对烟草抗寒性方面的研究还有待进一步加强。仅从某一个层面去研究烟草的抗寒性或抗寒性中的某个环节是远远不够的，在发生低温冻害时，往往伴随着其他逆境胁迫如旱、涝、盐碱等，因此应将低温胁迫与其他因素相结合进行研究。对烟草抗寒性的评价也必须是多方面的，指标单一化很难反映植物的抗寒性实质，应该明确各项指标的变化规律，综合各个指标之间的关系及协同作用，形成抗寒指标鉴定体系，才能得出正确的结论，目前在许多作物上已基本建立抗寒指标鉴定体系，但在烟草上研究较少。而且关于烟草种子资源的耐寒性的综合鉴定研究也少见报道。在植物抗寒机制研究中，低温诱导蛋白的发现为植物抗寒性的研究提供了一条新的途径，这些蛋白质具有高度的热稳定性和亲水性，能够保护植物细胞免受低温伤害，但是目前真正分离纯化出来的低温诱导蛋白并不多，而且植物的抗寒分子机理特别是抗冻蛋白的结构特征和生理功能研究仍不够深入，因此利用内源低温诱导蛋白和外源化学物质调控技术来提高烟草的抗寒能力将是烟草抗寒性研究的重点领域。

[1]沈 漫，王明庥，黄敏仁.植物抗寒机理研究进展[J].植物学通报，1997，14(2)：1−8.

[2]于凤玲，支庆祥.低温对植物的危害以及植物的抗寒性[J].畜牧与饲料科学，2009，30(9)：190−192.

[3]晋 艳，杨宇虹，华水金，等.低温胁迫对烟草主要保护性酶类和化学成分的影响[J].烟草农业科学，2006，2(1)：42−46.

[4]陈卫国，李永亮，周冀衡，等.烤烟品种耐寒性及相关生理指标的研究[J].中国烟草科学，2008，29(3)：39−42.

[5]Bunn JM，Splinter WE.The effect of temperature，moisture and light on the germination probability of bright leaf to bacco seed[J].Tob Sci，1961，(5)：63−66.

[6]Haroon M，Long RC，Weybrev JA.Effect of day/night temperature on seeding establishment of Nicotiana tobacco in controlled environments[J].Agronomy Journal，1972，64：491−493.

[7]Rosa.Low temperatures damage germination tobacco seed[J].Lighter，1970，40(2)：22−23.

[8]陈学平，郭家明，解彩君，等.低温对烟草种子发芽的影响[J].烟草科技，1994，(1)：31−34.

[9]王玉芳，贺化祥，张明生，等.光照、温度和盐胁迫对红花大金元种子萌发的影响[J].种子，2009，28(12)：19−22.

[10]徐盛春.烟草种子和幼苗多胺代谢的调控及与其耐寒性关系的研究[D].杭州：浙江大学农业与生物技术学院，2009.

[11]王树会，黄成江.低温对烟草种子萌发的影响[J].中国种业，2008，(5)：48−49.

[12]谭小莉，黄芩芬，梁和平，等.植物生长调节剂在烟草上的应用研究与展望[J].广西农业科学，2009，40(4)：406−409.

[13]韩锦锋，刘华山.茉莉酸对烟草种子萌发和初生芽生长的影响[J].植物生理学通讯，1999，35(3)：193−195.

[14]招启柏，宋 平，王广志，等.光、温、激素对烟草种子萌发和幼苗生长的影响[J].中国烟草学报，2001，7(4)：29−32.

[15]鲁坤存，李爱华，颜合洪.植物生长调节剂对烟苗生长发育及生理特性的影响[J].烟草科技，2004，(11)：36−39.

[16]肖 杨，陈 雁，董华林.影响烟草种子萌发的理化因素研究[J].安徽农业科学，2008，36(34)：14871−14872.

[17]殷全玉，张利军，柯油松，等.水杨酸浸种对低温下烟草种子萌发率和几个与幼苗抗寒性有关的生理生化指标影响[J].植物生理学通讯，2007，43(1)：189−190.

[18]刘 鹏，刘庆忠，王 勇，等.喜温作物的低温损伤及其抗冷性的研究进展[J].山东农业科学，2004，(1)：74−79.

[19]王 毅，杨宏福，李树德.园艺植物冷害和抗冷性的研究[J].园艺学报，1994，21(3)：239−244.

[20]陈卫国.不同烤烟品种抗寒性及相关生理生化指标的研究[D].长沙：湖南农业大学，2007.

[21]李军营，李大肥，杨字虹，等.烤烟幼苗响应温度胁迫的部位差异[J].烟草科技，2009，11：52−55.

[22]王小彦，石永春，余海涛，等.烟草叶片不同部位对低温响应的研究[J].河南大学学报，2009，39(3)：290−293.

[23]Yeh Y，Feeney RE.Antifreeze proteins-structures and mechanisms of function[J].Chem Rev，1996，96(2)：601−617.

[24]DeVries AL.Antifreeze glycopeptides and peptides：Interactions with ice and water[J].Meth Enzymol，1986，127：293−303.

[25]Warren GJ，Thorlby GJ，Knight MR.The molecular biological approach to understanding freezing tolerance in the model plant，Arabidopsis thaliana[J].Env Stressors and Gene Re，2000，(1)：245−258.

[26]Lyons JM.Chilling injury in plants[J].Annu Rev Plant Physiol，1973，24：445−466.

[27]Orvar BL，Sangwan V，Omann F，et a1.Early steps in cold sensing by plant cells：the role of actin cytoskeleton and membrane fluidity[J].Plant Journa1，2000，23(6)：785−794.

[28]Wanner LA，Junttila O.Cold induced freezing tolerance in Arabidopsis[J].Plant Physiology，1999， 120(6)：391−399.

[29]张 勇，汤浩茹，罗 娅.植物对低温胁迫的响应及其分子改良研究进展[J].安徽农业科学，2006，34(14)：3268−3272.

[30]张学明.桉树在低温胁迫下的膜脂过氧化作用和膜伤害[J].经济林研究，1994，12(增刊)：l2−14.

[31]晋 艳，杨宇虹，华水金，等.低温胁迫对烟草保护性酶类及氮和碳化合物的影响[J].西南师范大学学报，2007，32(3)：74−79.

[32]张 燕，方 力，李天飞，等.低温胁迫下PEG对烟草幼苗膜脂过氧化作用的影响[J].西南农业大学学报，2001，23(6)：549−552.

[33]马文月.植物冷害和抗冷性的研究进展[J].安徽农业科学，2004，32(5)：1003−1006.

[34]张 燕，方 力，姚照兵，等.PEG和低温胁迫对烟草幼苗某些生理特性的影响[J].吉林农业大学学报，2002，24(6)：14−l9.

[35]周克功.低温胁迫下甘肃黄花烟草愈伤组织的抗氧化呼吸[J].植物学报，2000，42(7)：675−683.

[36]张 燕，方 力，姚照兵，等.PEG对烟草幼苗耐低温胁迫能力的生理效应[J].西北农业学报，2003，12(1)：63−67.

[37]易建华，孙在军.烟草光合作用对低温响应[J].作物学报，2004，30(6)：582−588.

[38]Apel K，Hirt H.Reactive oxygen species：Metabolism，oxidative stress，and signal transduction[J].Annu Rev Plant Biol，2004，55：73−379.

[39]Soumen B.Reactive oxygen species and oxidative burst Roles in stress，senescence and signal transduction in plants[J].Curr Sci，2005，89：1113−1121.

[40]刘鸿先，曾韶西，王以柔，等.低温对不同耐寒力的黄瓜幼苗子叶各细胞器的超氧物歧化酶的影响[J].植物生理学报，1985，11(1)：48−57.

[41]Zhou BY，Guo ZF，Liu ZL.Effects of abscisic acid on antioxidant systems of stylosanthes guianensis (Aublet)sw.under chilling stress[J].Crop Sci，2005，45(2)：599−605.

[42]朱振乾，黄成江，晋 艳，等.低温胁迫下铜对烤烟幼苗生长及抗冷性的影响[J].中国烟草学报，2008，14(6)：37−40.

[43]周筱娟.低温诱导的植物抗冻基因研究进展[J].绍兴文理学院学报，2004，24(9)：65−69.

[44]赵福庚，刘友良.胁迫条件下高等植物体内脯氨酸代谢及调节的研究进展[J].植物学通报，1999，16(5)：9−16.

[45]孟 凤，郁松林，郑强卿，等.甜菜碱与植物抗逆性关系之研究进展[J].中国农学通报，2008，24(4)：225−228.