青藏高原植物抗寒性研究進展

劉杰 拉多 張燕杰 武俊喜

（①②③西藏大學(xué)理學(xué)院 西藏拉薩850000④中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京100101）

青藏高原植物抗寒性研究進展

劉杰①拉多②張燕杰③武俊喜④

（①②③西藏大學(xué)理學(xué)院 西藏拉薩850000④中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京100101）

植物生長發(fā)育過程受到多種環(huán)境因子的影響，比如光照、溫度、水分等，其中溫度的高低對植物分布情況起著主導(dǎo)作用。生長在青藏高原高山環(huán)境中的植物，長期經(jīng)受著高寒缺氧、強烈的太陽輻射等生態(tài)因素以及氣候急劇變化的嚴重脅迫。文章主要分析了近年來青藏高原植物抗寒性與生物膜系統(tǒng)、抗氧化酶、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等方面的研究進展，并對該領(lǐng)域的研究前景進行了展望。

高山植物：抗寒性；低溫脅迫；生理生化；青藏高原

青藏高原屬于中緯度西風(fēng)帶和亞熱帶地區(qū)，再加上其地形復(fù)雜多變，平均海拔高度在4000m以上，有高山、湖泊、冰川等，形成了獨特的高原氣候特點，如空氣稀薄干燥、太陽輻射強烈、日照時間長和晝夜溫差大[1-2]，這些氣候特點對生長在該區(qū)域植物的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理代謝起到了多方面的影響[3]。

高原地帶人們的生產(chǎn)方式主要以農(nóng)牧業(yè)為主[4]，對優(yōu)質(zhì)牧草的需求量大，同時由于受低溫影響，許多引種農(nóng)作物不宜種植，部分種類的蔬菜、果樹等經(jīng)濟作物也無法在高原地帶正常生存，所以研究低溫脅迫對高原植物的影響作用及其機理，具有廣泛的應(yīng)用價值和實際意義。

1 青藏高原植物抗寒性研究現(xiàn)狀

由于青藏高原獨特的高原氣候和生境，在高寒地帶植被類型大部分都是多年生草本植物。因此，高原植物的抗寒性研究也主要是圍繞草本植物和部分灌木展開，其中早熟禾屬（Poa）和披堿草屬(Elymus)的禾本科植物研究比較詳細，這兩個屬的高原植物物種主要分布在青藏高原海拔3000m以上寒冷地帶，是高寒草甸的優(yōu)勢種，同時也是主要的牧草來源。(見附表1)

2 高原植物抗寒性的主要研究方向

近些年來，研究人員對植物寒害及抗寒性進行了深入的探討，尤其對植物抗寒性與其生理生化關(guān)系方面的研究更為廣泛，涉及到生物膜系統(tǒng)的破壞程度與植物抗寒能力的關(guān)系[5-6]，多種抗氧化酶的活性與抗寒性的內(nèi)在聯(lián)系[7]，以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與植物抗寒性的關(guān)系等諸多方面[8]。同時，隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對植物抗寒機理的研究逐漸滲透到分子生物學(xué)領(lǐng)域[9-10]。但對青藏高原植物抗寒性的研究目前還是停留在植物的生理生化方面的相關(guān)探索和研究，而分子生物學(xué)層面的研究則比較滯后。

2.1 生理生化方面的研究現(xiàn)狀

2.1.1 膜系統(tǒng)與植物抗寒性關(guān)系

植物體內(nèi)一些重要的生理生化反應(yīng)都在細胞膜上進行，而質(zhì)膜被認為是植物凍害發(fā)生的主要部位。電導(dǎo)儀法證實，冷害使植物細胞膜透性增加，細胞內(nèi)可溶性物質(zhì)大量外滲，引發(fā)植物代謝失調(diào)[11]。騰中華等[12]對青藏高原矮嵩草、垂穗披堿草和苔草三種高寒植物的質(zhì)膜透性變化與低溫半致死溫度（LT50）的關(guān)系進行了探討，結(jié)果表明這三種高寒植物的低溫半致死溫度(LT50)隨高原地區(qū)氣溫而改變，其中垂穗披堿草的抗寒力在三者中最強，矮嵩草次之，苔草最弱。嚴青等[13]研究了低溫脅迫對青海草地早熟禾、梭羅草和垂穗披堿草的幼苗抗性生理指標的影響，研究表明在一定條件下，隨著溫度的降低和脅迫時間的增長，三種牧草的質(zhì)膜透性均呈現(xiàn)增大趨勢，而且三者的增長幅度不同，其中青海草地早熟禾的增幅最小，表明其細胞膜比較穩(wěn)定，抗寒性最強。

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其含量多少可反映膜損傷強度[14]。研究表明[15-17]質(zhì)膜透性的增加與植物體內(nèi)MDA的含量呈現(xiàn)正相關(guān)，滕中華等[18]對青藏高原黑褐苔草的研究中也證實了這點。2.1.2抗氧化酶與植物抗寒性的關(guān)系

在低溫逆境下，植物對活性氧和自由基的利用率下降，從而體內(nèi)會積累過多的活性氧，導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生與清除之間的平衡遭到破壞，進而對植物造成傷害，嚴重時會導(dǎo)致細胞死亡[19]。但是植物在長期的自然選擇過程中，體內(nèi)形成了一套抗氧化防御系統(tǒng)，可以清除活性氧自由基，從而減小低溫對植物的傷害。植物體內(nèi)的酶防御系統(tǒng)主要由超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化酶、谷胱甘肽還原酶等酶構(gòu)成，目前國內(nèi)對抗氧化酶的研究以SOD、CAT、POD三種酶活性的報道為主[20]。陳玉珍等[21]通過對綿頭雪蓮花進行低溫鍛煉后測定其SOD、POD、CAT的活性，結(jié)果表明低溫鍛煉可以提高綿頭雪蓮花內(nèi)抗氧化酶活性，從而會削弱由低溫脅迫引起的膜蛋白和膜脂過氧化，避免對幼苗的傷害，提高其抗寒能力，這與韓發(fā)等[22]在青藏高原牧草對低溫的生理反應(yīng)研究中獲得的結(jié)果一致。蔡子平[23]對獨一味的研究和裴澤宇[24]對紫苞雪蓮的抗寒性研究表明在低溫脅迫下SOD、POD、CAT酶活性的增加能夠提高植物的抗寒性。

不同海拔的同一種植物，抗氧化酶的活性不同，抗寒性也存在差異。張波等[25]對青藏高原不同海拔地區(qū)唐古特山莨菪的抗氧化酶活性進行了比較研究，結(jié)果表明高山低溫環(huán)境對唐古特山莨菪的細胞膜具有一定的傷害性，這種傷害程度隨著海拔的升高而加劇。另外，高海拔地區(qū)海北的莨菪葉片內(nèi)SOD和CAT的活性相對較高，這與汪曉峰等[26]和付娟娟[27]的研究結(jié)果有相似之處。但包蘇科等[28]對不同海拔的微孔草抗氧化系統(tǒng)的研究表明生長在低海拔環(huán)境中的微孔草的抗氧化活性卻較高，這可能是微孔草與當(dāng)?shù)厣?/p>

境相互作用的結(jié)果。

2.1.3 滲透物質(zhì)調(diào)節(jié)與植物抗寒性的關(guān)系

可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和游離脯氨酸是植物細胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，當(dāng)?shù)蜏孛{迫時，它們的濃度增加，細胞的冰點降低，可以緩沖細胞過度脫水，從而提高植物細胞的保水能力，有利于植物在低溫環(huán)境中的生存[29-30]。李小安等[31]研究了低溫脅迫對青藏扁蓿豆與田苜蓿種子的游離脯氨酸和可溶性糖含量的影響，發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫下，脯氨酸和可溶性糖絕對含量增加有利于提高青藏扁蓿豆的抗寒性，而且青藏扁蓿豆的抗寒能力比較強，更適合于在高寒地區(qū)推廣種植。然而，有些植物的可溶性糖與其抗寒性并無相關(guān)性[32]，甚至在Hirsh[33]的研究中發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾個品種呈負相關(guān)。

同一種植物的滲透調(diào)節(jié)作用在不同海拔的生境下存在差異，從而影響植物的抗寒性[34]。韓發(fā)等[35]取自不同海拔的矮嵩草為試驗材料，研究了海拔對滲透調(diào)節(jié)物含量變化的影響，結(jié)果表明高海拔植株的蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉的含量比低海拔的含量增加顯著，同時發(fā)現(xiàn)，地下組織的這三種成分含量均極明顯高于地上部分含量，這是高海拔植物適應(yīng)高寒生態(tài)環(huán)境的一個重要特征。

2.2 分子生物學(xué)層面的研究現(xiàn)狀

植物體內(nèi)的抗寒基因在一定外界條件的誘導(dǎo)下，會直接影響植物抗寒性[36]。何濤[37]研究了青稞hbl t14.2基因在低溫、鹽脅迫以及ABA處理下的轉(zhuǎn)錄水平變化。結(jié)果表明，只在4℃低溫處理下的幼苗中檢測到了hbl t14.2基因的表達。同時，序列比對分析顯示青稞是通過多種途徑實現(xiàn)對低溫的適應(yīng)，是多基因共同作用的結(jié)果。金德善[38]通過對低溫誘導(dǎo)綿頭雪蓮愈傷組織蛋白質(zhì)組學(xué)的研究，得到41個差異表達蛋白質(zhì)，結(jié)果表明與代謝和蛋白質(zhì)合成等相關(guān)的蛋白對綿頭雪蓮愈傷組織的抗寒性起到重要作用。

Ma[39]等從生理生化和蛋白質(zhì)組學(xué)角度分析了釘柱萎陵菜在青藏高原不同海拔高度的適應(yīng)策略，研究表明初級代謝產(chǎn)物和脯氨酸都對植物抗寒性有重要作用，DNA的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)降解也參與了高山植物適應(yīng)環(huán)境的機制，此研究還顯示相對基因組或轉(zhuǎn)錄組分析而言，蛋白質(zhì)組學(xué)方法能夠更直接地揭示高山植物適應(yīng)自然環(huán)境潛在的分子機制。Li[40]等運用比較蛋白質(zhì)組學(xué)分析了高山嵩草在不同海拔下的蛋白動態(tài)模式結(jié)果表明，提高抗氧化蛋白和熱休克蛋白(HSPs)的表達水平有利于高山嵩草對高原極端環(huán)境的適應(yīng)。上述研究表明，高通量蛋白質(zhì)、DNA測序方法和蛋白質(zhì)組學(xué)相結(jié)合的研究策略將為植物的抗性研究提供有用信息。

3 結(jié)論和展望

綜上所述，低溫脅迫引起的植物抗寒性反應(yīng)是一個復(fù)雜的生理生化過程，受諸多因素和條件的制約，如時間、海拔、含水量、光照及營養(yǎng)狀況等。因此，植物抗寒性具有不穩(wěn)定性。目前青藏高原植物的抗寒性研究，雖然取得了一定的進展，但是還需要更深入的研究。筆者認為今后對于高原植物抗寒性的生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究應(yīng)從以下三方面入手：①目前對于外源物質(zhì)與高原植物抗寒性的關(guān)系研究比較缺乏，所以今后需要探討適于高原植物的外源物質(zhì)，如CaCl2、SA、ABA等。外源物質(zhì)噴施時期、濃度大小及次數(shù)合理化、規(guī)范化等，能夠為高原抗寒植物大規(guī)模的培育提供理論基礎(chǔ)；②在高原植物抗寒性研究手段上，目前大多數(shù)研究主要采用人工氣候室模擬低溫脅迫，而且主要局限于不同低溫及持續(xù)時間長短對植

物生理生化變化的研究，其具有局限性，然而自然環(huán)境中植物的抗寒性易受到各種環(huán)境因子影響，尤其在高寒缺氧的青藏高原地帶，具有極端低溫、寒潮、干旱、霜凍等環(huán)境條件，所以今后應(yīng)當(dāng)結(jié)合野外實驗，提高研究成果的科學(xué)性和實用性；③目前對于青藏高原植物抗寒生理生化變化的分子機制研究甚少，而且通過轉(zhuǎn)基因或植入抗凍蛋白等分子生物技術(shù)來提高植物抗寒性的研究也極其缺乏，應(yīng)該在此方面進行加強。

附表1 2001～2015年青藏高原植物抗寒性所研究主要物種及其方向

青藏高原蘊含豐富且珍貴的藥用植物，而且該區(qū)域具有一些特有的名貴藏藥材，因此高原植物的抗寒性研究，不僅有獨特的科學(xué)價值，也具有潛在的巨大社會經(jīng)濟價值，對青藏高原的農(nóng)、林、牧業(yè)以及經(jīng)濟的發(fā)展具有積極的推動作用。

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Research Progressof Cold Resistanceof Tibet Plateau Plants

Liu Jie①La Duo②Zhang Yan-jie③Wu Jun-xi④
(①②③SchoolofScience,TibetUniversity,Lhasa 850000,China;④InstituteofGeographic Sciencesand NaturalResourcesResearch,Chinese Academy ofSciences,Beijing 100101,China)

The process of plant growth is effected by various environmental factors,such as light,temperature andmoisture.Temperature playsa leading role in influencing the distribution of plants.A seriesof physiological reactions occurs in plantwhile the environmental temperature is too low or too high.The Tibetan Plateau is the highestand the largestplateau in theworld.Plantswhich grow in alpine environmentsuffer from long-term eco?logical factors such as cold hypoxia,strong solar radiation,and serious stressof frequentclimate changes.In this paper,the researches on plant cold hardiness and physiological reaction related to extreme environmental tem?perature in the Tibetan Plateau in recent yearsweremainly summarized,and future prospects in the field of the researchwere discussed aswell.

plateau plant;cold hardiness;cold stress;physiology and biochemistry;Tibetan Platea

10.16249/j.cnki.54-1034/c.2015.02.009

Q945

A

1005-5738(2015)02-055-06

[責(zé)任編輯：張建偉]

2015-09-12

劉杰，男，漢族，湖南湘潭人，西藏大學(xué)理學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向為高原植物抗逆性。