低溫脅迫下甘藍生理生化研究進展

邱源，黃丹楓

（上海交通大學農業與生物學院，200240）

低溫對植物的為害是一個世界性的問題，對農作物的影響尤為突出，不僅會限制農作物的栽種范圍，也會造成農作物減產，甚至引起植株死亡，是我國農業生產中的重要自然災害之一，自20世紀末低溫對農作物的為害性引起人們注意后，國內外許多學者從細胞和分子生物學水平對植物的抗寒性進行了研究，并取得了一些重大進展[1～3]。近年來，隨著科技的進步，植物抗寒性的研究逐步向縱深方向發展，目前對蔬菜、果樹、水稻等農作物的抗寒性也有了較深的研究，在葡萄、李、柑橘等果樹植物，在白菜類、甘藍類、瓜類等蔬菜作物，在水稻、油菜、玉米等傳統農作物，在銀杏、杜鵑、月季等園林植物的抗寒性研究上也取得了一系列成果，形成一系列鑒定方法。在蔬菜作物中，甘藍類蔬菜具有種植區域廣、耐寒性強的特點，已逐步成為長江流域冬季蔬菜的最主要品種之一，因此在低溫對十字花科甘藍種作物的生理生化影響的研究上取得了重要進展，主要集中在以下幾個方面。

1 低溫脅迫對細胞膜透性的影響

植物對溫度脅迫的適應主要在于細胞膜，植物體內細胞的膜系統以及細胞器膜體系與植物抗寒性有十分密切的關系。當植物受到凍害時，其生物膜發生相變，膜結構也隨之發生改變，進而使膜上酶系活性發生變化，引起細胞生理生化過程異常，低溫作用引起膜結構破壞，透性增加，電解質大量外滲，使細胞受損，持續冷凍溫度最終引起細胞死亡，因此不同植物抗寒能力不同，電解質外滲也存在明顯的差異。膜結構和功能主要受膜組分的調節，植物的抗寒性與細胞在低溫下能否保持膜的流動性和穩定性有關，膜的流動性越小，植物的抗寒性越弱，膜的流動性越大，植物的抗寒性越強[4]。

李世成等[5]報道，甘藍型油菜在20℃時，各品種質膜相對透性差異不大，隨著溫度的下降，各品種的質膜相對透性出現不同程度的增加，尤其降至5℃后，各品種的質膜相對透性增加幅度明顯不同。細胞膜相對透性均隨溫度的下降而增加，抗寒能力強的品種在冷害時膜透性有明顯的穩定性[6]。

2 低溫對細胞滲透物的影響

2.1 低溫對可溶性糖的影響

糖在植物抗寒機制上大約從3個方面起作用：①通過糖的積累降低冰點，增強細胞的保水能力；②通過糖的代謝，產生其他保護性物質及能源；③細胞的生命物質及生物膜對細胞起保護作用。可溶性糖是冷害和凍害條件下的細胞內外的保護物質，其含量與多數植物的抗寒性呈正相關[7]，低溫后耐寒品種的可溶性糖含量上升幅度大于不耐寒品種，不同時期表現出相同的趨勢[8]。

在許多植物上的抗寒性研究結果表明，可溶性糖的含量增加能增強植物體的抗寒能力。王磊等報道[9]，在甘藍品種中，隨著溫度的下降，可溶性糖含量明顯上升，感受凍害低溫后，甘藍可溶性糖含量逐漸下降，抗凍性強的品種下降幅度小于抗凍性差的品種，在適宜的溫度條件下，抗寒性強的品種可溶性糖的含量比抗寒性差的品種高。吳能表等[10]報道，5℃低溫對甘藍處理0～30 min，植物體內可溶性糖含量變化表現出“升—降—升”的趨勢，在處理后5 min時達到第一個峰值，在10～15 min達到低值。處理0～180 min，植物體內可溶性糖含量變化也表現出“升—降—升”的趨勢，30～60 min達到第一峰值，低值一般出現在90 min。

2.2 低溫對可溶性蛋白的影響

可溶性蛋白的含量與植物的抗寒性之間存在著密切的關系，在低溫環境下，可溶性蛋白含量增加能有效增強細胞的持水能力，減少原生質因結冰而致死的幾率。一般認為低溫脅迫后組織內可溶性蛋白增加是植物產生抗寒性的重要過程，隨著組織內可溶性蛋白含量的增加，植物的抗寒性也增強。甘藍的抗凍性與其蛋白質合成系統運行直接相關，在凍害溫度下抗凍品種其蛋白質合成系統運行正常，而抗凍能力弱的品種蛋白質合成系統則受到抑制[11]。

王磊等[9]研究表明，在適宜的溫度條件下，甘藍不同品種的可溶性蛋白含量存在著明顯的差異，隨著溫度的下降，各品種體內可溶性蛋白含量的變化也有一定的差異，總體呈上升的趨勢，當溫度下降到一定程度后，抗寒能力弱的可溶性蛋白含量則呈現出下降的趨勢，這與Heber[12]在小麥上的研究結果相一致。

2.3 低溫對游離脯氨酸的影響

在游離氨基酸中，脯氨酸與植物的抗寒性的關系受到廣泛的關注，脯氨酸含有亞氨基，它的疏水吡咯烷能與蛋白質的疏水區結合，而親水基團分布于表面，增加了蛋白質的親水表面，提高了蛋白質的溶解度，從而提高了可溶性蛋白質的含量，維持低溫時酶的構象。

王磊等[9]研究表明，隨著溫度的下降，甘藍各品種細胞內的游離脯氨酸含量急劇上升，在凍害溫度條件下，除抗凍性較差的品種外，脯氨酸含量仍能保持繼續上升的趨勢，其中以冬冠1號上升最快，脯氨酸的含量與抗寒性強弱具有密切關系，呈現明顯的正相關性。吳能表等[10]報道，5℃低溫對甘藍處理時，細胞內脯氨酸含量表現出明顯的“升—降—升”的變化規律，其中在0～3 min脯氨酸含量上升緩慢，在3～5 min脯氨酸上升達到峰值，在15 min以后，脯氨酸含量幾乎降到對照水平，并維持較長時間，然后又逐漸上升。

2.4 低溫對內源激素ABA的影響

內源激素脫落酸（ABA），是一種應急激素，主要通過保護膜結構、維護膜功能[13]和啟動抗寒基因[14]而提高植物抗低溫能力。脫落酸可由氧化作用和結合作用被代謝。脫落酸主要有5個方面作用：①抑制與促進生長；②維持芽與種子休眠；③促進果實與葉的脫落；④促進氣孔關閉；⑤影響開花；⑥影響性分化。吳能表等[10]報道，5℃低溫對甘藍處理 0～30 min、0～180 min，甘藍體內ABA含量均呈現升-降-升的趨勢。

2.5 低溫對丙二醛的影響

丙二醛（MDA）為膜脂過氧化產物，其含量高低與植物所受逆境脅迫程度有關，低溫環境下，細胞內的活性氧代謝平衡被破壞，從而有利于活性氧或超氧化物自由基的產生。這種氧化會對細胞膜造成很大的損傷，細胞膜的滲漏會引起外界鈣大量進入細胞質內，鈣離子與鈣調蛋白結合激活了磷脂酶A2，結果使不飽和脂肪酸解脫下來，不飽和脂肪酸在脂氧合酶的作用下形成羥基過氧化物，它能自發分解出MDA，這種MDA又能使更多的鈣離子進入細胞質[15]，引起連鎖反應，所以細胞內MDA的含量變化是質膜損傷程度的重要標志之一。

吳能表等[10]研究表明，5℃低溫處理甘藍 0～30 min，處理初期MDA含量基本沒有升高，隨著處理時間的延長，MDA含量有所上升，隨即又下降，最后再呈現上升趨勢；在0～180 min內，MDA含量呈現升-降-升-降的變化規律，說明在逆境初期，植株具有一定的忍耐能力，隨著低溫處理時間的延長，MDA含量又顯著下降，說明體內酶保護系統啟動。通過對甘藍幼苗低溫處理，植株體內MDA含量隨著脅迫時間延長，含量急劇上升[16]。

3 小結與展望

甘藍屬于耐寒性較好的大宗蔬菜品種之一，在全國具有較強的適應性并得到了廣泛的種植，但由于極端低溫的影響，經常遭受凍害使品質下降，給甘藍的安全生產帶來了一定的影響。低溫對甘藍的膜透性產生明顯的影響，抗寒能力強的品種一般表現出明顯的流動性和穩定性，對細胞內可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、內源ABA以及丙二醛等含量也都有一定的影響，根據這些物質受低溫影響的變化規律，可以鑒定甘藍品種抗寒性的強弱，可以在低溫來臨前通過人為增施一些物質，提高細胞內此類物質的含量以增加甘藍的抗寒性，降低因低溫帶來的凍害或冷害損失。

低溫脅迫對甘藍的影響方面，眾多學者主要集中在零上低溫對膜透性及滲透物方面的研究，在0℃以下的低溫脅迫對甘藍抗寒生理生化研究還較少，對各種滲透物間的相互研究還需要進一步深入。低溫只是影響甘藍生長的一個方面，因此在加強單一因子研究的基礎上，研究雙因子或多因子共同作用是甘藍生理研究的重要內容。

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