低温胁迫下植物光合生理研究进展

李晓靖，崔海军

（1.河北省塞罕坝机械林场总场，河北围场 068466；2.西南林业大学国家高原湿地研究中心，云南 昆明 650000）

植物受到温度的影响较大，温度过高、过低、变化速度、持续时间长短都会影响到植物的生理代谢变化。植物生长发育适温区的上限和下限分别是临界高温和临界低温，当环境温度低于临界温度时，植物会受到伤害，温度越低植物受害越重。低温会直接损害植物的光合机构，降低其光能同化率，同时增加热辐射消耗的比例，对植物造成严重伤害。长期低温冻害会诱导植物产生生态适应性，包括形态和生理两方面。温度的变化还能引起其他环境因子的变化，而环境因子的变化也会反过来影响植物的生理生化特性，进一步影响植物的生物量。

1 低温胁迫对光合作用影响

1.1 光合参数

光合作用的正常进行，受到各种环境因子的影响，温度是其中一个较为重要的因子，细胞内可利用的液态水是植物生命活动所必需的物质，温度低于冰点，液态水固化，植物将面临生长停滞甚至死亡，因此，植物体内温度超过冰点，植物才能正常生长发育。研究表明，随着低温胁迫时间的延长，植物净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）等光合参数会持续下降，低温胁迫解除，Pn、Gs、Tr有不同程度的回升［1-2］。低强度胁迫时，叶片的Pn、Gs、气孔限制值（Ls）、胞间CO2浓度（Ci）下降幅度较小，且胁迫解除后可恢复正常，随着胁迫强度增加，各测试指标变化显著，且恢复表现较差。光饱和点（LSP）和光补偿点（LCP）是植物利用光照能力强弱的重要指标，反应了植物光合作用的生理生化特征，植物的LSP较低，LCP较高，说明植物适应光的能力比较弱，光照生态幅也较窄。低温胁迫导致叶片对光辐射的利用能力下降，随着胁迫温度降低，叶片最大净光合速率、表观量子效率（AQY）及 LSP快速下降，LCP、暗呼吸速率（Rd）则呈上升趋势［3］。

1.2 叶绿体结构

叶片超微结构对胁迫的反应较为敏感，叶绿体是植物细胞进行光合作用的细胞器，正常情况下，叶绿体内类囊体平行排列，基质片层结构排列规则，结构清晰，叶绿体膜完整。低温胁迫时，叶绿体形态结构发生明显变化，如叶绿体普遍膨胀,基粒片层变薄，数目减少，被膜及质膜清晰度下降，线粒体嵴膨胀，嗜锇颗粒明显增多，核膜消失、质膜内陷，液泡膜扭曲变形，甚至解体，质体小球增多，叶肉淀粉含量下降［4-6］。随着胁迫温度的降低和时间的延长，高强度的低温胁迫会导致叶绿体结构分解、淀粉粒消失、质壁分离、细胞器崩溃降解等现象［7］。

1.3 叶绿素荧光参数

叶绿素荧光信号由植物体内发出，并且具有丰富的光合作用信息，这与植物的受胁迫程度相关，因此可以利用叶绿素荧光参数研究植物在胁迫条件下的光合作用，同时可以推测出环境胁迫对植物的影响程度［8］。低温胁迫影响叶片光能的吸收、转换与光合电子传递，致使过剩的激发能大量积累于PSⅡ反应中心，进而损伤植物叶片的PSⅡ反应中心，并导致叶片光合作用能力减弱。研究表明，随着低温胁迫的延长，叶片的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)均显著下降，电子传递速率(ETR)减慢，非光化学淬灭系数（NPQ）先上升后下降［9-12］。轻度低温胁迫时，NPQ升高，说明耗散过剩的光能可以保护光合机构。

2 低温胁迫对膜系统影响

2.1 膜结构

植物受到低温胁迫时，其生物膜会发生相变和结构变化，膜上产生孔道或龟裂，细胞膜的主动运输和选择透过性丧失，膜透性增加，膜内可溶性物质外渗增多，造成代谢紊乱，自由基等有害物质积累，使细胞受到损坏甚至死亡。低温引发的一系列生理反应可以导致细胞脱水、膜脂过氧化、胞壁间黏连及蛋白质变性。膜脂中的棕榈油酸、亚麻酸、亚油酸等不饱和脂肪酸含量的增加能有效降低膜脂的相变温度，从而提高植物抗寒性［13］。研究发现，抗寒性强的品种具有较高的脂肪酸不饱和度和不饱和脂肪酸指数，低温胁迫会诱导植物体内不饱和脂肪酸的形成，正常情况下，温度越低，其总脂肪酸含量、脂肪酸不饱和度、不饱和脂肪酸指数越高［14-15］。

2.2 膜代谢产物

低温胁迫条件下，植物体内会积累过多的活性氧，影响植物的膜脂过氧化作用，进一步使叶片中丙二醛含量增加，加速植物老化［16］。丙二醛是膜脂过氧化的终产物之一，是一种有毒物质，它通过和叶片内一些物质发生反应，使其改变其本身生理结构，失去原有生理功能和活性，最终导致植物受到损害。丙二醛含量越高，细胞受到胁迫的程度越深。一般认为，丙二醛损害细胞膜的程度较深，它通过膜脂过氧化，损害细胞膜原有结构和功能，从而改变其生理功能和活性，进一步影响其他生理代谢的进行［17］。植物在胁迫条件下，丙二醛含量有升高趋势，但是随着胁迫时间的延长和胁迫程度的加深，其含量有下降趋势［18］。自由基使脂质发生过氧化反应产生丙二醛，进一步导致生命大分子物质的聚合，产生细胞毒性。研究发现，丙二醛可以反应植物的氧化伤害程度，但是细胞壁中丙二醛含量比叶片细胞中丙二醛含量可以更准确的反应植物的受害程度［19］。

3 低温胁迫对渗透调节物质影响

3.1 可溶性糖

可溶性糖包括绝大部分的单糖、寡糖，属于非结构性碳水化合物。可溶性糖是植物体内重要的渗透调节物质之一，植物在低温环境中，会增加糖类物质的含量，加强植物营养吸收，从而提高抗寒性［17,20-22］。低温胁迫初期，可溶性糖是植物体内主要的渗透调节物质，随着胁迫时间的延长，可溶性蛋白等物质开始起作用。淀粉是一种多糖。植物通过制造淀粉的方式贮存能量，淀粉可以看作是葡萄糖的高聚体，它储存在植物的根部、枝干等木质部中，低温胁迫条件下，淀粉转化为糖类等其他化合物，来增强植物的抗寒性［23］。淀粉等大分子碳水化合物分解产生可溶性糖，淀粉和可溶性糖保持动态平衡，低温胁迫时，为提高植物抗寒性，可溶性糖与淀粉含量比率会变大［24］。

3.2 可溶性蛋白

可溶性蛋白是研究植物抗寒性的重要指标之一，通常以小分子状态存在，并可溶于水或其他溶剂。可溶性蛋白亲水性强，低温胁迫条件下，可溶性蛋白含量会逐渐增加，使细胞内束缚水含量增加，细胞保水能力提高，从而提高细胞质内浓度，降低结冰的可能性，增加植物抗寒性，如抗寒蛋白。然而，植物细胞同时产生水解酶，加速蛋白质的分解，导致蛋白质匮乏［25-27］。对盐肤木、假连翘、老鸭嘴和葛藤幼苗进行低温胁迫，其可溶性蛋白含量在一定时间内持续增加［1］。对橄榄油进行低温胁迫，其可溶性蛋白含量呈先上升后降低趋势［28］。对茶树叶片进行低温胁迫，其可溶性蛋白含量先下降再上升，随着胁迫时间延长，其含量超过处理前水平，说明低温诱导产生了新蛋白［20］。

3.3 脯氨酸

低温胁迫条件下，植物体内液态水温度逐渐降到冰点以下，形成冰晶，使植物细胞壁外面的水膜结冰，随着温度的逐渐下降，冰晶范围逐渐增加，最终导致细胞原生壁浓缩，细胞逝水。植物为了自身各项生理过程正常进行，会在体内产生大量低分子化合物，这为植物在解除胁迫后恢复之前正常生长提供必须的物质准备［29］。这些低分子化合物包括脯氨酸、甜菜碱和可溶性糖等物质。

脯氨酸具有较强的水合能力，植物体内游离脯氨酸较多，它在植物逆境胁迫下是一种渗透保护剂，积累的脯氨酸在植物体内具有重要作用，是植物体必不可缺的物质。它既可以作为细胞质内渗透调节物质，还可以稳定生物大分子结构。抗逆性强的品种，体内的脯氨酸含量也较高，因此通过测定脯氨酸含量大小可以判断植物的抗逆性［30］。研究发现，低温胁迫条件下，叶片内脯氨酸含量逐渐增加，脯氨酸通过保护植物体内的各项保护物质并启动相应的抗胁迫代谢来减少胁迫对植物造成的伤害［31-32］。一般认为，随着胁迫程度的加深，植物体内脯氨酸含量呈上升趋势，脯氨酸含量越高，植物受到胁迫后的受损症状越严重，因此根据脯氨酸含量可以间接判断植物的耐胁迫能力［33-34］。也有研究发现，对衣藻胞内脯氨酸含量进行研究发现，随着胁迫时间延长，脯氨酸含量先升高后降低，-5℃，48 h后脯氨酸含量基本维持不变，可能是因为植物受到胁迫时，各方面生理活动能力降低，使合成脯氨酸的原料和能量也有所减少，进一步造成脯氨酸合成受阻，因此其含量最后维持不变［35］。

4 低温胁迫对保护酶系统影响

适宜条件下，植物体内活性氧处于一种动态平衡状态，是不会对植物造成严重伤害的，但是在胁迫条件下，植物对氧气的利用能力降低，过量的氧气转化成活性氧，对植物细胞结构造成严重伤害，进而影响植物的生理生化功能［36］。过剩的氧气对需氧植物有一定毒性，活性氧过度积累从另一方面会促使植物体内的抗氧化酶系统增强，进一步减轻活性氧对植物自身的伤害。抗氧化系统包括抗氧化酶和非酶成分，抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶 (POD)、多酚氧化酶(PPO)和过氧化氢酶(CAT)，以及在 ASA—GSH循环中发挥主要作用的谷胱甘肽转移酶 (GST)、谷胱甘肽还原酶(GR)，非酶物质包括类胡萝卜素(carotenoid，Car)、生育酚(VE)、抗坏血酸(ASA)和谷胱甘肽(glutathione，GSH)等［37］。

植物受到低温胁迫时，清除超氧阴离子的SOD活性增加并产生过氧化氢（H2O2）等物质，这些物质氧化能力极强，对植物机体的伤害极大。过氧化物酶可以催化过氧化氢氧化产生水，降低膜内不饱和脂肪酸的过氧化程度。因此，抗氧化酶系统可以清除植物体内过剩的氧气，从而使活性氧对植物的伤害程度降低。植物在胁迫条件下，过氧化氢清除系统会遭到破坏，活性氧含量会随之增加，SOD会逐渐失去活性，进一步损害活性氧清除体系。

SOD、POD、CAT是植物体内活性氧清除系统的重要酶类，不同胁迫条件、胁迫程度、植物品种、降温模式对三种酶的影响差别较大。

研究表明，低温胁迫初期，植物对环境有自适应能力，叶片体内的SOD、POD、CAT活性显著提高［38-40］。随着处理温度的降低、胁迫时间的延长，植株冻害等级与冻害指数增加，SOD、POD、CAT活性随胁迫程度加重开始降低，此时达到了植物抗寒性的临界点，处理结束后3天，抗氧化酶活性较处理结束当天有所升高［41］。

低温胁迫处理后，抗寒性强的品种叶片中SOD和POD的活性比抗寒性差的品种高，随着低温胁迫时间的延长，抗寒性差的品种抗氧化酶活性的下降幅度也较大，一般认为植物会通过增强保护酶活性来缓解胁迫造成的过氧化伤害，从而表现出较强的抗寒能力［4,42-44］，另外，不同品种植株在低温胁迫后，体内抗氧化酶活性的强弱和亚细胞中的定位不同［45］。

不同降温模式对抗氧化酶活性的影响差别较大，采取缓降和骤降两种降温模式对植物进行低温胁迫，发现经过骤降模式低温胁迫后的植物，其体腔液中SOD、CAT活性对低温的响应相对于缓降模式更为敏感，对低温环境表现出一定的适应性［46］。通过人工低温胁迫和入冬自然降温两种降温模式处理植株，发现人工低温胁迫时，SOD活性呈现先升高后降低的趋势，自然降温过程中，SOD活性呈现逐渐下降的趋势［47］。

5 结 语

低温胁迫对植物生长发育的影响，因植物品种、地理位置、胁迫程度、胁迫方式不同而异。植物应对低温胁迫的生理机制及其抗性表现在光合响应、渗透调节、活性氧清除、叶片超微结构变化等方面。目前，植物应对低温胁迫方面的研究取得一定进展，但由于环境因子种类繁多，并随着其它因子的变化而改变，复合环境因子胁迫对植物的影响待进一步深入研究，以便筛选出抗寒性较强的品种。