植物抗寒生理研究进展

沈贤辉，刘刚 （长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025）

温度是植物生长的必要条件，也是气候因素中影响植物地理分布的主导因素。低温胁迫是作物栽培中经常遇到的一种灾害，涉及粮食、园艺植物及其他许多经济作物。低温影响植物的生长代谢，引起植物相关生理指标发生变化，导致植物生长受损，严重时导致死亡。抗寒性是植物在对寒冷环境的长期适应中，通过自身的变异和自然选择获得的抵抗能力［1］。植物抗寒性主要来自两方面的适应性变化，一是细胞膜体系稳定性的提高，二是避免细胞内结冰［2］。因此，研究低温对植物生理生化的影响及植物抗寒生理具有重要的理论与实践价值［3－4］。

1 叶绿素与抗寒性的关系

色素虽然与植物的抗寒力无直接关系，但已有研究表明，光合作用中的光反应是物理过程，对温度不敏感，而碳同化是酶促反应，很容易受低温抑制［5］。因此与落叶树木不同，越冬常绿植物在冬季气温很低时，光合碳同化的能力很弱，而较多的叶绿素仍会吸收较多光能，容易发生光抑制，产生单线态氧，对植物造成伤害［6－7］。应叶青等［5］的研究结果表明，红杆寒竹在自然越冬过程中，随着温度降低，低温胁迫时间延长，叶绿素含量下降，以减少活性氧的产生，减小对植物体的伤害。

植物在低温胁迫下，大多数植物的光合速率明显下降，引起原因是多方面的，其直接原因是影响光合组织的结构和活性，如叶绿体类囊体膜的组分、透性以及流动性，叶绿体的亚显微结构叶绿素含量等［8］。龚培灶等［9］的研究结果表明，PEG能减缓低温下叶绿素含量下降，说明PEG对叶绿体膜结构有一定的保护作用，减缓了低温下叶绿素的分解速度。许多研究证实，在低温胁迫下，植物叶片的叶绿素含量会下降。王宁等［10］的研究也证实了低温胁迫下光蜡树苗木叶内的叶绿素含量会降低。叶绿素含量，是反应叶片受伤程度最为直观的指标［11］，刘晓娟等［12］的研究表明，寒潮过后叶绿素含量明显降低。

2 脯氨酸与抗寒性的关系

脯氨酸作为诱导调节剂与抗寒性关系密切，其含量与植物抗性呈正相关［13］，在逆境条件下，脯氨酸对植物有保护作用［14］。游离脯氨酸含量，在正常环境下，植物体内游离脯氨酸含量较低，但在温度降低时，植物体内游离脯氨酸含量可增加10到100倍，其积累量与低温程度、植物抗寒性有关，因此测定植物体内游离脯氨酸的含量，在一定程度上可以判断植物对低温的抵抗力［15］。刘遵春等［16］研究发现，随着处理温度的降低，杏梅、杏李枝条形成层中脯氨酸含量呈现明显增加趋势，抗寒性越强的品种，增加的倍数越高。

脯氨酸是渗透调节物质，脯氨酸积累越多，植物抗性越强。低温胁迫下，脯氨酸具有维持细胞结构、细胞运输并调节细胞的渗透压等功能，使植物具有一定抗逆性，对植物细胞起保护作用［17］。低温胁迫刺激脯氨酸及其他氨基酸的合成及抑制其氧化降解，使许多植物体内脯氨酸含量增加［18］，从而提高蛋白质稳定性，增加植物抗寒性。何峰江等［19］的研究表明，随着处理温度下降，枝条中游离脯氨酸含量呈增高趋势。当植物受到低温胁迫时，游离脯氨酸的积累不仅发挥渗透调节作用，更重要的是对膜脂和蛋白起到保护作用，防止活性氧对膜脂和蛋白的过氧化作用［20］。在夏清柱等［21］的研究中，低温胁迫1d时，脯氨酸含量迅速升高，随着胁迫时间延长，其含量呈现持续缓慢上升趋势，随着温度由28℃降低至4℃，脯氨酸含量呈升高趋势，避免或减少蛋白质变性，同时对冰冻敏感的蛋白质起保护作用，调节植物的正常生命活动，以减轻低温逆境带来的伤害，增强其自身抗寒能力。

3 保护酶系统与抗寒性的关系

植物体内存在活性和自由基的清除保护酶系统，主要包括过氧化氢酶 （CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶 （SOD）。正常情况下，活性氧的产生和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聚合，从而破坏膜结构和功能，这种累计超过一定的阈值，就会发生膜伤害，甚至导致植物死亡［4］。

超氧化物歧化酶 （SOD）是存在于植物细胞中最重要的清除活性氧的酶之一，对保护膜系统的稳定性有重要作用，其活性水平的高低与植物耐性有关，与过氧化氢酶 （CAT）、过氧化物酶 （POD）等组成植物的酶防御系统，在这个系统中SOD能够歧化·为O2和H2O2，而POD和CAT则催化H2O2形成H2O，通过SOD、POD和CAT的协同作用，可有效降低自由基的积累及阻遏·、H2O2通过Fenton Haber－Weiss反应［22－23］向破坏极强的OH转化，从而避免或减轻了自由基对生物大分子的降解破坏及对生物膜的损害，是植物抗逆性提高［24］。刘伟等［25］研究发现，抗寒性强的葡萄品种的CAT、POD和SOD酶活性高，随着时间和温度的变化下降缓慢，而抗寒性差的品种酶活性低，随着时间和温度变化下降剧烈。李建等［26］研究发现厚壁毛竹各保护酶的活性均高于毛竹，其中较敏感部位——叶的超氧化物歧化酶 （SOD）、过氧化氢酶 （CAT）、过氧化物酶 （POD）的活性分别高出毛竹10.12%、38.10%、52.76%，笋、芽各酶的活性也比毛竹高，综合各保护酶活性表明，厚壁毛竹各器官的抗性高于毛竹。于晶等［27］在北方寒地田间自然条件下，通过对越冬期间抗寒小麦品种东农冬麦1号和非抗寒品种济麦22抗寒相关生理指标的测定发现，东农冬麦1号的超氧化物歧化酶 （SOD）和过氧化物酶（POD）的活性均高于济麦22。

4 外源物质对植物抗寒性的影响

根据外源物质作用方式的不同，可以将外源物质分为两大类：一是通过抑制植物的生长，促进抗寒锻炼来提高植物的抗寒力，如冠菌素、矮壮素、脱落酸等物质；二是通过提高植物膜的稳定性，来增强小麦对低温胁迫的抵抗和适应，如氯化钙、氨基乙醇和不饱和脂肪酸等物质［1］。

Roerstonctal等［28］通过脱落酸 （ABA）处理，明显增强了细胞的活力，并促进外源蔗糖的吸收，从而使羟基取代蛋白质和膜上束缚水，维持细胞结构的稳定性，防止逆境下的变性。魏安智等［29］研究发现，外源喷施ABA能诱导内源ABA增加，抑制GA3的形成，使ABA／GA3值增大，SOD和POD酶的活性增强，可溶性糖含量增加和MDA含量降低，导致膜通透性减小，膜结构的完整性得到保护，使电解质渗出率减小，半致死温度降低，从而提高仁用杏开花坐果期的抗寒性。

龚培灶等［9］的研究表明，聚乙二醇处理后的烟草幼苗能明显提高抗寒性能。主要表现在：（1）减缓叶绿素的分解速度，提高光合作用效率；（2）加速可溶性蛋白的降解，增强质膜流动性；（3）降低含量，减轻细胞毒害作用；（4）提高POD、CAT、SOD保护酶系活性，利于清除过多的自由基。杨春祥等［30］发现，给油桃植株喷施适当浓度CaCl2溶液，可降低低温胁迫下油桃和幼果膜透性和丙二醛含量；李轶乐等［31］对青竹叶槭抗寒生理指标的相关性研究发现，喷施CaCl2可明显提高青竹叶槭植株的抗寒能力。

5 展望

植物，尤其是温带植物，其抗寒性是长期进化的结果，不仅包含自身的遗传因素和生理特征，更与外界环境有关。未来植物的抗寒性研究应从如下方面突破：（1）探寻植物合适的外源物质，将外源物质喷施时期、浓度及次数合理化、规范化，使植物的抗性达到最高水平。（2）研究抗寒基因，尽量通过转基因技术，在一定程度上提高植物的耐寒性，并且不能仅是依靠单个基因，要形成复杂稳定的多个基因直接或间接作用的调控网络。

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