植物低溫脅迫響應及研究方法探析

張文洪，陳明壤，葉錦培，黃思涵，何源凱，廖廣壽，彭俐方

(1.廣西大學 林學院，廣西 南寧 53004；2.廣西壯族自治區(qū)蒼梧縣國有天洪嶺林場，廣西 梧州 543005)

1 引言

低溫對植物的正常生理活動有著負面影響，限制了植物的分布，影響了作物的產(chǎn)量和品質，造成了凍害和冷害。植物低溫脅迫的研究自1830年代起的近200年中取得了較大的進展，卻仍未找到能夠從根本上解決低溫脅迫對植造成危害的方法。本文探究了在低溫脅迫下，植物的形態(tài)特征、滲透調節(jié)物質等變化，植物抗寒性的鑒定方法，提出了增強植物抗寒的方法，以為植物低溫脅迫的研究提供一些參考。

2 低溫脅迫與植物的反應機制

2.1 低溫脅迫與植物的形態(tài)特征

在低溫脅迫處理下，植物的形態(tài)特征會發(fā)生明顯的變化。主要表現(xiàn)在植株品控差、生長緩慢甚至受阻死亡，葉片黃化，開花結實率降低等[1]。研究表明：植物萎化是植株遭受低溫脅迫后最易出現(xiàn)的狀況，原因可能是低溫造成植物細胞活性下降，進而影響植物根系的活性，使其吸水能力大大下降。植物的氣孔閉合能力也會因低溫下降，加劇了蒸騰作用對植株水分的損耗。最終，植物會因失水過多而萎化。同時，水分中含有植物生長所必須的有機物、無機鹽和礦物質等。低溫脅迫造成植物水分喪失，也會讓植物喪失藏于水中的營養(yǎng)物質，植物在營養(yǎng)不良的情況下會出現(xiàn)植株品控差、生長緩慢甚至死亡的可能性。低溫會降低生物體內酶的活性，包括植物進行光合作用的葉綠體色素合成酶[2]和呼吸作用的多種酶[3]，葉綠體色素合成酶的減少會降低葉綠素含量，使植物葉片黃化，植物營養(yǎng)物質儲存減少，植物開花結果率下降；作用于呼吸的多種酶的減少會使植株無法正常進行呼吸作用，進而影響植株的生長發(fā)育，使得植物萎化。

2.2 低溫脅迫與滲透調節(jié)物質

植物在不利于生長發(fā)育的環(huán)境中，通常會利用體內的滲透調節(jié)物質來減緩受到的傷害。同樣,在低溫脅迫下，植物也會想方設法地通過各種方法來保護自身。

2.2.1 低溫脅迫與脯氨酸

在低溫脅逆境下的植物，面臨的主要危機之一就是脫水，而作為重要的滲透調節(jié)物質之一的脯氨酸就是防止植物水分喪失的重要物質。研究表明：在植物體內缺水的情況下，植物會產(chǎn)生脯氨酸，以提高植物體內水分含量，維持植物正常的生理活動。羅丹等[4]對低溫逆境下的番茄幼苗進行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內，隨著低溫處理時間的增長，其葉片中脯氨酸的含量也會增加，直到到達脯氨酸保護的臨界值時，幼苗體內的脯氨酸才會迅速下降。通過控制溫度，史紅梅、張桂香、張海燕等[5]對高粱幼苗體內脯氨酸的含量進行測定，研究發(fā)現(xiàn)：低溫逆境條件下，其脯氨酸的含量，呈上升趨勢；而在逐漸降低溫度的處理下，抗寒能力強的高粱幼苗產(chǎn)生脯氨酸的速度大于抗寒性弱的高粱幼苗。因此可以推斷，脯氨酸是衡量植物抗寒性強弱的重要指標之一。

2.2.2 低溫脅迫與可溶性蛋白

研究表明，可溶性蛋白的含量與植物的耐寒性有著聯(lián)系。在低溫脅迫下，植物會大概率因失水而死亡，而可溶性蛋白含量的增加將會降低植物的水分的喪失，同時也提高植物細胞液濃度，增強植物的耐寒性[6]。

張志偉等[7]對多種小麥進行了低溫逆境研究，發(fā)現(xiàn)在低溫處理下，其體內的可溶性蛋白的含量明顯增加，且隨著天數(shù)的增加，其可溶性蛋白含量還在持續(xù)上升。而小麥體內的可溶性蛋白含量，常溫處理下，幾乎不變。還有些研究表明，在低溫處理下，植株體內的可溶性蛋白質，為保護其重要部位，會發(fā)生轉移，以抵抗低溫帶來的傷害。宣繼萍等[8]對結縷草進行低溫處理研究，發(fā)現(xiàn)結縷草體內會在低溫環(huán)境中產(chǎn)生更多的可溶性蛋白，而可溶性蛋白產(chǎn)生速率較快的部位會將其轉移到其他部位，以增強植株整體的耐寒能力。

2.2.3 低溫脅迫與可溶性糖

研究表明：可溶性糖含量與植物抗寒性之間有密切關系。在低溫下，為增強其細胞的控水力，植物體內的可溶性糖會增加，提高細胞液的濃度，以降低其冰點。同時，可以保護植物細胞質，增強細胞的抗寒能力。朱政等[9]對茶樹進行低溫脅迫處理，研究表明：植株體內的可溶性糖含量，在低溫逆境下，會先降低而后再升高[10，12]。

3 植物抗寒性研究的常見方法

3.1 直接鑒定法

直接鑒定法一直是對于植物生長抗寒性的研究中最常用的鑒定方法之一，包括植物生長功能恢復法、田間樣本鑒定分析法、人工模擬寒凍天氣法等[13]。田間樣本鑒定分析法的原理是在低溫逆境下，植物的形態(tài)特征會發(fā)生明顯變化，以植物形態(tài)特征的變化程度與作用時間為依據(jù)來確定植物的抗寒性。田間樣本鑒定分析法多數(shù)直接采用一種聚合各類樣本分析法方式來進行分析，聚類樣本分析法主要是一種根據(jù)相似性的程度對分類樣本元素進行綜合分類的理想的多元屬性統(tǒng)計分析方法，使得同一個分類樣本元素之間的樣本相似性遠遠強于其他不同類型的元素之間。劉艷等[14]通過演化相關性遺傳系數(shù)分類法和遺傳系統(tǒng)聚類方法探討了豆科植物間的直系遺傳演化關系。張家洋等[15]通過觀察研究南京的10種行道樹種在冬季的形態(tài)特征變化，得到了它們之間的抗寒性強弱。生長功能恢復法也是植物抗寒性研究中常用的方法。首先將同種植物放置于合理的范圍內的不同低溫中進行處理，隨后取出植株并在良好的環(huán)境中測定植物生長功能恢復的最低溫度，最后分析得出植物的抗寒性強弱[13]。田娟等[16]通過觀察20個紫薇品種的形態(tài)特征變化和測量植物內脯氨酸含量、可溶性蛋白含量與丙二醛(MDA)含量等綜合定量分析，確定了20個紫薇品種的抗寒性強弱。人工模擬寒凍天氣法就是模擬自然界的低溫環(huán)境，最后依據(jù)植物的受凍害程度來確定植株的抗寒性強弱。

3.2 間接鑒定法

植物抗寒性研究除直接鑒定法外，還可以通過間接鑒定法來確定植物抗寒性的強弱。鑒定指標包括植物細胞膜透性的測定、葉綠素細胞熒光和尿素dab酶的定位、氧化還原酶測定系統(tǒng)、脯氨酸的含量測定等。細胞膜生態(tài)系統(tǒng)通常最先受到低溫環(huán)境傷害。逆境效應導致植物細胞膜外層通透性明顯增加，細胞內物質大量滲入植物體細胞膜外，其電導值越大小與植物細胞膜受傷害程度呈負相關，電解質發(fā)生滲漏的這種測定方法是目前衡量植物細胞膜外層結構是否穩(wěn)定的重要測量指標。冀支林等[17]探究了在自然降溫下，雪松葉片中過氧化氫酶(CAT)活性在10月至次年3月間呈“M”狀變化，而雪松葉片可溶性糖含量在冬季明顯增加。劉弘等[18]在不同低溫梯度下對2年生的香樟葉片進行低溫脅迫處理，研究發(fā)現(xiàn)在0～-20℃的低溫區(qū)間，香樟細胞膜的電解質滲出率逐漸升高；在溫度低于-10℃的環(huán)境下，香樟葉片MDA含量明顯升高。

3.3 綜合鑒定法

由于存在實驗誤差、技術困難等因素，單一指標對植物抗寒性研究存在偶然性，所以為獲得準確的數(shù)據(jù)，往往采用多個指標共同研究的綜合鑒定法[19-21]。隸屬函數(shù)法是一種用模糊數(shù)學綜合評價植物抗凍性的方法，其隸屬度計算公式[22]：

負效應指標：

Uab=1-(Xab-Xbmin)/(Xbmax-Xbmin)；

正效應指標：

Uab=(Xab-Xbmin)/(Xbmax-Xbmin)。

式(1)、(2)中：Uab為所有a單個品種在b函數(shù)指標的抗寒隸屬溫度數(shù)指標值；Xab為所有a單個品種隸屬b函數(shù)指標的測定函數(shù)值；Xbmin為所有單個品種隸屬b函數(shù)指標的最小測定值；Xbmax為所有單個品種隸屬b函數(shù)指標的最大測定值。

抗寒性隸屬溫度函數(shù)方法，如今廣泛應用于我國的牧草、小麥、葡萄、蘋果和核桃等[23～29]。

陳綺翎等[30]在探究烤煙耐低溫性強弱時，利用人工控制溫度和測量植物體滲透調節(jié)物質含量相結合、形態(tài)特征分析與灰色關聯(lián)分析相結合的方法，最后確定烤煙的抗寒性強弱。楊慧菊等[31]人員利用了隸屬函數(shù)綜合分析法分別比較了不同類型土豆栽培品種在不同低溫逆境下的土豆抗寒性強弱。

4 提高植物抗寒性的途徑

4.1 植物低溫鍛煉

植物低溫鍛煉就是一種讓植物在逐步適應低溫環(huán)境中激發(fā)植物抗寒基因表達的方法。將植物置于能夠正常進行生理活動的低溫環(huán)境中，并且在低溫環(huán)境中持續(xù)一段時間，以此來誘導植物的抗寒基因的表達。低溫環(huán)境可以由人工控制，也可以是自然低溫[32]。不同耐寒品種的抗凍植物，其抗凍性能是有很大區(qū)別的[33]。在低溫逆境條件下，植物的細胞活性下降，進而影響植物根系的活性和氣孔閉合能力，根系吸水能力下降與蒸騰作用使植物水分損耗。同時，植株體內的一些生物酶活性(cat、sod、pod、atp酶)顯著升高[34]。Kazuoka等[35]研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)植物低溫處理一段時間后，對低溫的敏感性都表現(xiàn)出明顯下降的趨勢。同時，參與植物體生命活動的大多數(shù)滲透調節(jié)物質含量都有所提高。但其他一些學者也得出不同的結論[36]。

4.2 化學誘導的調控作用

植物在生長發(fā)育過程中，往往是在多種植物激素共同控制下生長。每種激素都對植物的生理生化過程中扮演著重要角色。因此，可以通過化學誘導來提高植物的抗寒性[37]。其中，對各類植物生長耐低溫性具有影響的研究中，常在植物脫落酸(aba)、聚乙二醇(PEG)等中廣泛展開。在寒冷環(huán)境脅迫下，脫落酸可以激活某些植物細胞基因，以產(chǎn)生新的抗寒反應能力[38]。在番茄等[39～41]茄科植物上已經(jīng)研究證實。作物生產(chǎn)化工與控制技術，在未來的現(xiàn)代農業(yè)和農藝生產(chǎn)當中，也是優(yōu)質高效農藝技術的重要組成配套技術[38]。如今我國的發(fā)展階段，化學誘導的控制技術尚且單調，并不能與當前的農業(yè)生產(chǎn)緊密配合。

4.3 基因工程

提高植物抗寒性的方法多種多樣，但歸根結底都是通過外部刺激來激發(fā)植物的抗寒性基因，以增強植物的抗寒性。而基因工程則是直接作用于植物基因，通過編碼植物的抗寒基因來提高植物的抗寒性。因而具有快速、準確的優(yōu)點。但由于現(xiàn)代植物個體基因轉移工程仍然是一個尚不成熟的熱點領域，可供借鑒參考的案例并不多，還存在著許多問題有待解決。如：①目前可廣泛利用的標靶目的抗寒基因不多；②同時轉移多個植物基因的工程技術不成熟；③基于轉基因的生物表達機制系統(tǒng)不健全完善。

5 總結與思考

植物低溫脅迫的研究一直廣受關注，特別是在農林業(yè)領域具有至關重要的地位。植物抗寒性的強弱受多種因素影響，單一的指標測量并不能夠獲得準確的結果，如單以植物細胞內可溶性糖的含量一項指標來鑒定植物抗寒性強弱，則過于單薄，其結論可能因實驗誤差而與事實相悖。因此，通常采用多個指標共同鑒定能得到較為準確的結果，同時，綜合的鑒定方法也將成為未來科研人員最常用的方法。目前來看，植物細胞內多種生物酶與滲透調節(jié)物質都與植物抗寒性強弱密切相關，具體聯(lián)系還需科研人員運用各類分析方法多加研究。此外，在提高植物抗寒性的途徑中，對于植物幼苗的養(yǎng)護管理也是十分重要的一項。通過合理的種植方式，適時的施肥，恰當?shù)墓芾恚诙厩矮@得茁壯的幼苗，才能使植物獲得較高的抗寒性。綜合近幾年的研究來看，提高植物抗寒性基因工程技術的研究越來越受到科研人員的關注。通過直接作用于植物基因來獲得理想的植株，具有著絕對的優(yōu)勢，但這項工程卻還在走向成熟的過程中。一旦人們掌握了其中的關鍵技術，將會使人們對低溫脅迫研究的提高到一個全新的領域。