植物響應亞適低溫的生長發育及分子機制研究進展

孫艷, 蒲文宣, 吳長征, 黃平俊, 孫銘雪, 宋德安, 劉來華*

(1.中國農業大學資源與環境學院, 植物-土壤互作教育部重點實驗室, 北京 100193; 2.湖南中煙工業有限責任公司, 技術中心煙葉研究所, 長沙 410007; 3.中國農業科學院煙草研究所, 山東 青島 266101)

非生物脅迫是影響植物生長發育的關鍵因素之一，可以導致植物體內產生過量活性氧(reactive oxygen species, ROS)，從而損傷細胞并且抑制光合作用，進而使農作物產量大大下降，并造成高額損失[1]。作為一種重要的非生物脅迫，冷脅迫影響著植物的生長、發育和地理分布[2]。此外，在生殖期冷脅迫會推遲植物抽穗、導致花粉不育，被認為是造成作物減產的關鍵因素之一[3]。由于全球64%的陸地區域最低平均氣溫在0 ℃以下[4]，因此為維持自身正常的生長發育，植物已經進化出一系列機制來有效減輕甚至避免低溫脅迫造成的損害[5]。將植物暴露于非凍結低溫條件下從而顯著提高植物耐寒性的過程稱為冷馴化[6-7]。Hannah等[8]曾報道冷馴化可以調控大量基因的表達。現已證實，在冷馴化過程中發生的一些分子和生理變化對提高植物的耐寒性起重要作用[9-10]。為應對不利的低溫環境，植物會作出一系列生理和代謝反應，通過復雜的信號轉導網絡激活大量應激反應基因并合成多種功能蛋白，從而賦予植物對低溫脅迫的耐受性[11]。

然而，對于不適應低溫生長環境的植物來說，冷害會引起植物的各種生理生化紊亂，導致生長受到抑制。在我國，農業生產者自古以來就認識到低溫冷害(俗稱“倒春寒”,late spring cold)的危害，即春季出現的前期氣溫高后期氣溫低，且后期氣溫明顯低于正常年份的天氣變化，從而造成農作物減產。近些年來，“倒春寒”這一氣象災害在我國南方地區頻繁發生，對農業生產帶來了嚴重危害。例如，我國湖南地區的煙苗在移栽后經常遇到“倒春寒”，其生長會出現嚴重衰勢。在“倒春寒”發生期間或發生后，通過采取一系列補救措施可以將其造成的損失降到最低。但是會在消耗大量人力和物力的同時，仍不可避免地造成減產。了解“倒春寒”對植物生長發育的潛在影響，將有助于制定適當策略來抵消甚至避免其造成的負面影響，從而使植物即使經受“倒春寒”依然能保持良好的生長態勢。

亞適低溫是指植物生長發育適宜溫度范圍以外的輕度低溫環境，而“倒春寒”便會導致這樣的現象。目前關于非生物脅迫對植物生長的研究主要包括高溫、低溫、干旱、淹水、重金屬、強光等方面[5]，而對介于低溫與正常生長溫度條件之間的亞適低溫對植物生長發育的影響及分子機制研究較少。本文綜述了亞適低溫對植物表型及其生理特性的影響以及施用外源激素等化學物質與植物抗寒性之間的關系，總結了植物應對冷脅迫的分子機制，以期為提高植物對亞適低溫的耐受性提供理論依據。

1 亞適低溫對植物生長發育和生理生化的影響

1.1 對植物生長發育的影響

在冷害脅迫下，植物會出現萎蔫、黃化或壞死等可見癥狀，而這些不良影響通常伴隨著細胞膜結構的變化。研究發現，質膜失穩和功能失調與植物的凍害密切相關，低溫能誘導水分從細胞內遷移到胞外空間，還會向植物細胞表面施加機械壓力[12]。植株長期接觸極端溫度會引起產量下降[13]，類似地，亞適低溫也會影響植物正常的生長發育。王克安等[14]報道，較低的溫度會明顯影響黃瓜幼苗的生物學產量，對幼苗根系的影響較莖、葉更顯著。舒英杰等[15]研究表明，亞適溫度抑制了苦瓜種子萌發和幼苗生長。楊全勇等[16]研究表明，亞適低溫影響黃瓜的水分和礦質代謝，影響其光合和呼吸作用，致使黃瓜的產量和品質下降。根區溫度能影響根系活力和代謝，進而對植株地上部的生長起促控作用[17]。黃瓜植株地上部的生長勢會隨著根區溫度的降低而減弱，這主要是由于根系的生命活動受到抑制，阻礙了水分和礦質元素的吸收運輸，限制了地上部的光合作用并影響有機物的產生，從而導致植株生長勢弱[18]，而且較低的根區溫度還會減少番茄植株的葉面積和主枝數[19]。何明明等[20]研究發現，亞適低溫能抑制番茄生長并降低其根系活力。總的來說，亞適低溫會影響植物正常的生長發育，尤其會顯著降低根系對水分和礦質養分的吸收能力，從而使作物的產量和品質大幅度下降。

1.2 對植物生理生化特性的影響

亞適低溫不僅會改變植物的表型，還顯著影響細胞的生理生化特性。比如冷害會改變酶和膜代謝轉運體的結構、催化特性和功能[21-22]。劉次桃等[23]研究表明，低溫逆境會減少水稻葉綠素的合成，增加細胞的電解質滲漏、活性氧(ROS)和膜脂過氧化產物丙二醛(malondialdehyde, MDA)的含量，造成可溶性糖和脯氨酸在細胞內大量積累。陳青君等[24]研究表明，低溫脅迫會增加細胞膜透性，電解質滲漏率也隨之增大。楊阿明等[25]發現，亞適低溫鍛煉能明顯增加黃瓜幼苗葉片中的可溶性糖含量，且葉片中可溶性糖含量會隨著鍛煉時間的延長而逐漸升高。根區溫度會影響許多植物的生長并改變其體內的有關化學成分[26]。最近一項研究發現，與適宜的根區溫度相比，相對較低的根區溫度會使番茄體內的總糖和苯酚含量減少，而黃酮類化合物增加[19]。Adebooye等[27]研究也表明，根區亞適低溫會降低黃瓜植株體內的酚類物質、抗壞血酸及總葉綠素含量，并且經光系統分析發現與正常生長溫度相比，亞適低溫下植株的光化學效率(Fv/Fm)降低了41.67%，說明其能對光系統Ⅱ(PSⅡ)產生不利影響。

2 化學物質的施用與植物的抗寒性

目前對冷害的主要應對措施是通過在葉面噴肥以促進作物迅速恢復生長，或者通過及時補種盡可能將損失降到最低。但這些方法費時費力，且其有效性很大程度上取決于低溫的持續時間和作物的受災程度。目前已有研究證實，可以通過調控植物激素、添加化學物質甚至是施用稀土元素的方式提高植物對冷脅迫的抗性[28-32]。

2.1 植物激素

環境中的特異化學物質，如激素，被植物細胞膜上的受體特異性識別后，經蛋白質磷酸化和脫磷酸化作用將該信號放大進而傳遞到細胞核，觸發核內功能基因表達，以使植物在分子生理水平、生長發育或表型上作出反應。

已有研究證實，脫落酸(abscisic acid，ABA)在植物脅迫響應和抗逆中起著關鍵作用[28]。外源添加ABA能提高植物體內的抗氧化酶活性和多種滲透調節物質含量，從而維持膜結構的穩定性，增強植物的抗寒性[29-30]。在冷脅迫下，施用外源ABA可降低百慕大草(Cynodondactylon)細胞的電解質滲漏及其體內MDA和過氧化氫(H2O2)的含量，以增強其抗寒性[33]。外源ABA的施用還可以控制氣孔關閉以避免水分流失，保證了膜的正常功能[34]。湯日圣等[35]研究表明，辣椒苗遭遇冷脅迫時，施用ABA可以有效減緩超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性降低和MDA含量積累的速度，并且顯著增加脯氨酸和可溶性糖等滲透調節物質的含量。周碧燕等[36]也發現，外源ABA處理能增強荔枝抗冷性，減輕冷脅迫對其造成的傷害。此外，研究證實，油菜素內酯(brassinolide, BR)和赤霉素(gibberellin, GA)結合可以降低細胞膜透性和MDA含量，從而有利于提高吐魯番地區“火焰無核”葡萄的抗逆性[37]，并且24-表油菜素內酯還能減輕桃子在采收后的冷害脅迫[38]。用褪黑素處理桃果實，可以有效地抑制多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)的活性，從而使植物體內維持較高的總酚含量以提高植物對冷脅迫的適應性[39]。由此可見，植物生長調節物質在植物適應冷脅迫的過程中扮演著重要角色，對于農業生產具有重要的現實意義。

2.2 稀土元素

研究表明，一定濃度范圍的稀土元素也能提高植物體內SOD、過氧化氫酶(catalase, CAT)等的活性，增強植物的抗逆性，提高作物產量，并改善品質[40-41]。在冷害脅迫下，施用鈰可以提高黃瓜幼苗的葉綠素和脯氨酸含量，進而從生理上提高黃瓜幼苗的抗冷性[31]。舒英杰等[15]研究發現，采用硝酸鈰浸種有利于冷脅迫下苦瓜種子萌發和幼苗生長。低濃度的稀土元素可促進作物生長發育、提高抗逆性，但在高濃度下會對作物生長產生毒害作用[42-43]。如大田栽培作物遇到干旱、低溫、鹽漬等逆境條件時，稀土離子能維持植物細胞膜的通透性和穩定性，提高代謝過程中的氧化酶活性，以增強其對不良環境的抵抗能力。

2.3 其他化學物質

氨基乙酰丙酸(aminolevulinic acid, ALA)是一種具有多種生理功能的內源生長調節物質[44]，低濃度ALA可以增強作物的抗逆性，促進葉綠素合成并調節植物的生長[32,45]。徐銘等[46]研究發現，葉面噴施ALA可以明顯增加番茄的株高和葉片中的葉綠素相對含量，增加產量并且改善番茄果實品質。汪良駒等[47]研究表明，外源ALA的應用能顯著提高植物抵抗冷脅迫的能力。因此，ALA在植物抗逆性方面具有很高的應用價值。還有研究報道，施用多效唑(PP333)會提高香蕉內源ABA含量和SOD活性，增強香蕉的抗寒性[48]。添加S-甲基蛋氨酸(SMM)能降低細胞膜損傷，從而減少豌豆、玉米、大豆等作物葉片和根系中的電解質滲漏，有利于提高作物抵抗低溫的能力[49]。草酸和1-甲基環丙烯同時施用或外源施加甘氨酸甜菜堿可以減少植物的MDA含量和相對電解質滲漏率，從而減輕冷害傷害[50-51]，說明部分化學物質的施用能有效地提高植物對ROS的清除能力，增強植物對逆境脅迫的適應性。

3 植物響應冷害的分子機制

隨著分子生物學研究手段的不斷完善，對植物響應冷脅迫的研究已經逐步深入到分子水平。據報道，信號轉導能介導植物對極端溫度、高光強度、滲透脅迫等非生物脅迫的響應[52]。細胞內的激酶和轉錄因子可通過信號轉導途徑調控下游冷反應基因的表達，從而誘導分子和生理改變，以提高植物的耐冷性[10,53]。有關研究表明，植物適應冷害的能力與體內編碼耐寒性基因的表達水平有關[54-55]。

3.1 冷應激基因定位

在冷應激過程中，植物細胞質游離Ca2+含量迅速增加，鈣調素結合轉錄激活因子(CAMTA)協助將Ca2+信號轉導到下游基因，以調控相應基因的表達使植物對環境刺激作出反應[56]。Doherty等[57]報道，鈣調素(CAM)與CBF2基因啟動子中的作用元件結合，能調節CBF表達，提高植物的抗凍性。CBF/DREB1調節因子能參與冷應激反應基因的表達，其在轉基因植株中過表達能增強植物對低溫、干旱和高鹽脅迫的耐受性[58]。一些研究已經報道了CBF/DREB途徑的存在及其在提高水稻耐冷性方面的作用[59-61]。Soltész等[62]報道，TaCBF14和TaCBF15在小麥耐冷性中也發揮了重要作用，并且有研究表明植物的抗凍性會因CBF的表達受抑制而減弱[63-64]，進一步說明CBF在植物冷應激反應中扮演重要角色。研究發現，CBF誘導COR基因的表達，這些基因能提高植物的抗寒性[65]。CBF1與COR15a、COR78、COR6.6、COR47啟動子中的DNA調控元件CRT/DRE結合，從而刺激轉錄以應對低溫和缺水環境[66]。有關CORs在植物抗寒性方面的作用已得到證實，Artus等[67]報道，在擬南芥中過表達COR15a植株葉綠體的抗凍性提高了約2 ℃，原生質體的耐寒性提高了約1 ℃。但是過表達CBF/DREB1的轉錄組分析表明，在擬南芥中只有約12%的COR基因受到CBF/DREB1的控制[68-69]，說明除COR基因外，其他基因也可能參與了植物的耐冷性反應。研究發現，在擬南芥中過量表達CBF3基因在提高COR蛋白含量的同時，穩定細胞膜的脯氨酸和可溶性糖的含量也隨之增加，從而提高了植物的抗寒性[70]。

3.2 冷應激中ROS水平基因調控

應激過程中，ROS的增加被認為是激活應激反應途徑的信號[71]。Tyystj?rvi[72]報道了生理代謝副產物ROS、H2O2、超氧陰離子(O2-)、羥基自由基(OH-)和單線態氧(1O2)，也參與植物對冷脅迫的響應，與植物細胞中誘導基因的表達、蛋白質的合成和氧化應激密切相關[73-74]。在應激過程中，ROS會大量積累，這是因為植物受非生物脅迫刺激后氣孔關閉，限制了CO2的吸收，減少了光合電子傳遞鏈，促進了超氧化物、H2O2或1O2的產生[75-76]。受冷脅迫影響的水稻細胞內會產生ROS，發生膜脂過氧化作用并損傷膜系統[77]，最終導致細胞損傷或死亡。Airaki等[78]還報道，冷脅迫會引起植物可溶性非酶抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)含量增加。ROS濃度增加會產生氧化應激，會促進膜脂過氧化、破壞酶活性以及降解DNA等作用，能破壞植物的正常代謝，從而影響植物的生長發育。

3.3 冷應激中ABA依賴和ABA非依賴途徑相關基因調控

ABA在非生物脅迫的信號傳導途徑中起著重要作用，它介導了許多反應，包括脅迫感知、細胞成分的信號轉導、基因表達，最終導致一系列應對脅迫的代謝變化[79-80]。擬南芥和其他幾種植物的微陣列分析表明，植物可以通過ABA依賴和ABA非依賴途徑對非生物脅迫作出反應，形成高度復雜的基因網絡(圖1)[81-83]。ABA依賴的信號途徑包括DREB1/DREB2、MYC/MYB、bZIP調節因子，而不依賴ABA的調節因子有DREB1/DREB2、NAC和ZF-HD。轉錄因子可以與各種應激相關基因啟動子區域中的順式作用元件相互作用，調控下游基因的表達，從而提高植物對冷害和干旱等非生物脅迫的耐受性[84]。ABA依賴和ABA非依賴途徑在植物應答非生物脅迫過程中起著十分重要的調控作用，轉錄因子可以調節脅迫誘導基因的表達，參與冷應答途徑并減小植物受損傷的程度，以增強植物對冷脅迫的適應能力。

4 展望

植物的正常生長發育和形態建成需要適宜的溫度環境。近年來，“倒春寒”天氣的頻繁發生嚴重制約了我國農林業的生產和發展，造成了巨大的經濟損失。植物在生長發育過程中突遭“倒春寒”后，其生長會出現明顯衰勢，甚至會因低溫持續時間較長而死亡。受“倒春寒”影響，植物會產生一系列的生理及代謝變化，如電解質滲漏增加，植物內源激素ABA和葉綠素含量的改變，以及ROS、MDA、脯氨酸等代謝物含量的升高等。為應對這種不利影響，植物體內清除ROS的酶促和非酶促系統保護機制發揮作用，細胞內的激酶和轉錄因子也可以通過信號轉導途徑調控下游冷反應基因的表達，其基因產物能特異性地清除冷害造成的不良代謝物，從而增強植物的抗寒性。

為減少亞適低溫對作物生長發育帶來的危害，可以通過噴施葉面肥或在冷脅迫期間施用生長調節劑等化學物質降低作物受凍程度，從而降低產量損失，但這些做法耗時耗力，且其效益取決于冷害持續的時間和作物受損程度。為從根源上緩解甚至消除亞適低溫對作物生長發育的不良影響，可以通過上調作物抗寒性相關基因，在分子水平上改善作物的冷適應特性。利用基因組學篩選、鑒定亞適低溫敏感基因和冷脅迫耐受基因，通過超表達抗寒基因或敲除冷敏感基因，以期通過遺傳改良或基因工程等手段培育對亞適低溫環境具有抗性的作物新品種。研究植物響應亞適低溫的生長發育及分子機制為加速選育耐亞適低溫的優質品種提供了理論指導，對于作物生產可持續發展有重要意義。