果樹抗寒機理與影響因素研究

趙崇宇，蘇 凱，劉春生，肖 坤，李 剛，武軍凱，肖 嘯，張立彬，張晨光

（河北科技師范學(xué)院園藝科技學(xué)院，河北秦皇島 066004）

溫度是影響果樹生長發(fā)育及果實質(zhì)量的重要環(huán)境因素，其中以凍害最為嚴(yán)重[1-2]。近年來極端天氣頻繁發(fā)生，果樹對低溫有一定的忍耐力，但遇到極端天氣時會發(fā)生凍害，影響果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展[3-5]。抗寒性是植物對低溫環(huán)境的長期適應(yīng)性下通過自然選擇以及遺傳變異獲得的抗寒能力。多年來，前人在不同層面對果樹抗寒性進行深入研究，如有學(xué)者發(fā)現(xiàn)細(xì)胞柵欄組織厚度、葉片厚度與抗寒性相關(guān)[5-6]，相對電導(dǎo)率、丙二醛以及可溶性蛋白等細(xì)胞膜透性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗寒性相關(guān)。也有學(xué)者提出，可通過施用氮磷鉀等礦質(zhì)元素、外源激素等措施來調(diào)節(jié)細(xì)胞膜通透性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量等提高其抗寒性[7-9]。

本文對細(xì)胞與組織器官結(jié)構(gòu)，細(xì)胞膜通透性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化等生理指標(biāo)與果樹抗寒性關(guān)系以及礦質(zhì)元素、激素等不同措施與果樹抗寒性關(guān)系進行了綜述，旨為果樹抗寒新品種選育、果樹生理深入研究以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，助力果樹產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

1 生理指標(biāo)與果樹抗寒性的關(guān)系

果樹受低溫脅迫時，可通過改變其組織結(jié)構(gòu)、生理生化指標(biāo)來抵御逆境環(huán)境。

1.1 細(xì)胞與組織器官結(jié)構(gòu)

葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)是果樹對環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果，能夠反映果樹抗寒性強弱，但相關(guān)性因品種而有所不同。高慶玉等[1]研究發(fā)現(xiàn)葡萄葉片中細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密度越大、柵欄組織越整齊、排列越緊密，品種抗寒性越強。李國華等[2]對澳洲堅果的研究發(fā)現(xiàn)氣孔密度與抗寒性呈正相關(guān)。田景花等[3]對四種核桃品種研究發(fā)現(xiàn)，核桃柵欄組織厚度、葉片厚度均與抗寒性呈正相關(guān)。而有研究發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫時，抗寒性強的葉片柵欄組織與海綿組織比抗寒性差的比值小[4]。因此，葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)越緊密、排列越整齊，抗寒性越好。

皮層與木質(zhì)部是植物枝干的組成部分。木栓層越厚，細(xì)胞層數(shù)越多、越厚且越整齊時果樹抗寒性越好。王麗雪等[5]利用電子顯微鏡觀察葡萄枝條內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)抗寒葡萄品種（如‘山葡萄’等）枝條木栓層厚，細(xì)胞層數(shù)多，木栓化程度高；對不同葡萄品種的枝條結(jié)構(gòu)進行電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)抗寒力強的‘山葡萄’品種，其細(xì)胞小而排列整齊，細(xì)胞壁較厚，抗寒力差的‘玫瑰香’各組織細(xì)胞大而松散，細(xì)胞壁薄。Renaut 等[6]認(rèn)為皮層與木質(zhì)部體積比與抗寒性緊密相關(guān)，木質(zhì)部越多則該樹種或品種的抗寒性越強。

1.2 細(xì)胞膜通透性

細(xì)胞膜通透性是反映果樹抗寒性的一項重要指標(biāo)，當(dāng)環(huán)境溫度降低時，細(xì)胞膜受損導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加，電解質(zhì)等物質(zhì)透過細(xì)胞膜外滲，引起電導(dǎo)率值的增加。蘇李維等[7]對葡萄枝條進行低溫脅迫研究，結(jié)果表明當(dāng)溫度越低時，葡萄枝條細(xì)胞膜受損情況越嚴(yán)重，電導(dǎo)率越高，當(dāng)溫度達到-35 ℃時電導(dǎo)率值到達峰值，已經(jīng)達到大多數(shù)品種葡萄的LT50（半致死溫度）。研究者還在對油棕[8]、蘋果[9]、桃[10]等的研究中得到同樣的結(jié)論，即當(dāng)溫度越低，植物細(xì)胞膜受損越嚴(yán)重，細(xì)胞膜通透性越高，相對電導(dǎo)率值越高。

果樹受到低溫脅迫時細(xì)胞內(nèi)的代謝平衡被破壞，產(chǎn)生過多的自由基，加劇膜脂過氧化，造成生物膜系統(tǒng)損傷[11]。丙二醛（MDA）是膜質(zhì)過氧化的最終分解產(chǎn)物，是判斷細(xì)胞膜是否被氧化的一個重要依據(jù)[12]。閆忠業(yè)等[13]以六個蘋果品種為試材進行低溫處理，結(jié)果表明抗寒性強的品種隨著溫度降低，MDA 含量低且穩(wěn)定，反之則含量高且不穩(wěn)定。潘翠萍等[14]通過對六個枇杷品種抗寒性評價得出LT50越低則MDA 含量越低且穩(wěn)定，LT50越高MDA含量越高且不穩(wěn)定。此外，一些學(xué)者在對棗[15]、葡萄[16]等研究中發(fā)現(xiàn)，MDA 與溫度呈負(fù)相關(guān)性，即當(dāng)MDA 指數(shù)低時，抗寒性強；反之則抗寒性弱。

1.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是果樹響應(yīng)非生物脅迫的重要物質(zhì)，其含量與抗寒性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

在低溫脅迫下，植物體內(nèi)可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖等）含量的增加有利于細(xì)胞液濃度增加，降低水勢，使細(xì)胞不易冷凝固，同時供給機體能量，使機體內(nèi)各種生命活動順利進行，避免或降低低溫對植物的傷害[17-18]。有研究發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫下可溶性糖含量呈先降低后升高的趨勢，并且抗寒性強品種比抗寒性弱品種可溶性糖含量高[19-20]。總之，這些結(jié)果均表明可溶性糖含量與果樹抗寒性呈正相關(guān)。

前人已測定了眾多植物中的可溶性蛋白質(zhì)含量，但不同品種中反應(yīng)各不相同。研究者在對豆梨[21]研究中發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白質(zhì)含量隨著溫度降低而升高且抗寒性強的品種在較低溫度下能夠積累更多的可溶性蛋白質(zhì)。而馬娟[22]在研究時發(fā)現(xiàn)，可溶性蛋白含量隨脅迫時間的延長呈先增加后降低的趨勢，說明樹體在低溫脅迫初期可通過增加可溶性蛋白含量來提高自身的滲透調(diào)節(jié)能力，但若較長時間處于低溫的環(huán)境條件下，會逐漸超過其所能忍受低溫的閾值，阻礙植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成，其含量開始慢慢減少。

游離脯氨酸能夠維持生物膜和酶蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且作為非酶促抗氧化物質(zhì)清除逆境下大量生成的活性氧，增強植物的抗寒性[23]。對不同品種葡萄和蘋果進行低溫脅迫后發(fā)現(xiàn)，脯氨酸積累越高抗寒性越強[24-25]。而姜慧等[26]研究時發(fā)現(xiàn)脯氨酸含量隨處理溫度的降低呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)?shù)蜏孛{迫來臨時，脯氨酸含量上升可能是脯氨酸本身的合成加強造成的，同樣的當(dāng)脅迫溫度超過植物所能忍耐的閾值時，體內(nèi)脯氨酸的合成會受阻，從而使得脯氨酸含量下降。

1.4 抗氧化能力

果樹在低溫下對氧氣利用能力顯著降低，在代謝過程中多余的氧氣轉(zhuǎn)化為活性氧和自由基，產(chǎn)生氧化脅迫造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的損傷，加劇膜脂過氧化。細(xì)胞中主要的抗氧化酶有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等，POD 可阻止過氧化氫的積累，減少羥基自由基；SOD 能與活性氧和自由基發(fā)生反應(yīng)，保護膜的穩(wěn)定性，清除果樹在新陳代謝過程中產(chǎn)生的活性氧與自由基，對果樹具有保護作用；CAT 同樣可去除自由基，減少低溫引起的膜質(zhì)過氧化[27]。孟詩原等[28]研究發(fā)現(xiàn)果樹抗寒性越強則抗氧化酶活性高。范宗民等[29]對葡萄砧木的研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化酶變化趨勢不同，隨著溫度的降低，SOD 活性呈“M”型，POD 活性則先上升后下降，CAT 活性持續(xù)升高。

2 礦質(zhì)元素與果樹抗寒性的關(guān)系

施用礦質(zhì)元素可以有效提高果樹對低溫逆境的抵抗能力，當(dāng)樹體有足夠的養(yǎng)分供應(yīng)時，對低溫、干旱等逆境脅迫就會有較強的抵抗能力[30]。礦質(zhì)元素也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中常用的抗寒以及刺激對果樹吸收以及植物生長的方法。

2.1 氮肥

氮肥是世界化肥生產(chǎn)和使用量最大的肥料種類，適宜的氮肥用量對于提高作物產(chǎn)量、改善產(chǎn)品質(zhì)量有重要作用。曾有不少學(xué)者研究氮肥與果樹抗寒性間的關(guān)系。Koo 等[31]對柑橘進行耐寒性研究時發(fā)現(xiàn)，葉片氮濃度維持在2.5%～2.7%為最佳范圍，當(dāng)?shù)陀诨蚋哂诖酥禃r，葉片受到低溫傷害較大。何香等[32]對庫爾勒香梨葉面噴施0.3%濃度氮肥后發(fā)現(xiàn)，庫爾勒香梨可溶性糖、脯氨酸、MDA 含量上升，表明增施氮肥對庫爾勒香梨抗寒性具有正向作用。此外，一些學(xué)者在研究腰果[33]、桃[34]、蘋果[35]等抗寒性與氮肥含量關(guān)系時也得到相同的結(jié)論。綜上所述，追施氮肥要以科學(xué)為主，氮肥施入過量造成苗木秋季枝條旺長、木質(zhì)化程度低、倒伏等現(xiàn)象，會導(dǎo)致抗寒能力下降、產(chǎn)量下降，而氮肥施入量過少，植株達不到安全越冬的生理狀態(tài)，植株又會受凍嚴(yán)重從而造成減產(chǎn)。

2.2 磷肥

磷肥是果農(nóng)的主施肥料之一，可促進植物生長、增加莖枝的堅韌度、提高植物適應(yīng)外界環(huán)境條件的能力、抗旱、抗寒以及抗倒伏等。研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下，植株相對葉綠素含量、光合作用速率、不飽和脂肪酸指數(shù)升高，施磷肥可減緩葉綠素含量下降，提高光合速率等，增強低溫下耐寒能力[36]。劉春花[37]發(fā)現(xiàn)磷肥可增加核桃葉片中可溶性糖、可溶性蛋白含量，細(xì)胞膜透性逐漸降低，可溶性糖、細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白含量是衡量植物抗寒與否的重要指標(biāo)。除此之外，磷肥可提升柑橘[38]、蘋果[39]、楊梅[40]抗寒性也得到研究證實。

2.3 鉀肥

鉀肥是農(nóng)業(yè)三大基礎(chǔ)肥料之一，可提高植物抗逆性、抗寒性、抗病蟲害等的能力，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。王一峰等[41]對兩年生核桃幼樹葉面噴施硫酸鉀（K2SO4）發(fā)現(xiàn)適當(dāng)噴施有利于核桃抗寒能力的增加，但噴施過多則會影響核桃的正常生長。有研究發(fā)現(xiàn)硫酸鉀雖然可以提高抗寒性，但施用過多硫酸鉀則不能正常生長[42]。Safoora[43]對橄欖葉噴鉀肥發(fā)現(xiàn)施用鉀肥特別是施用鉀肥濃度在2%以下時，增加了橄欖滲透石化合物和抗氧化酶活性，對橄欖的耐寒性有顯著提升。前人對棗[44]、梨[32]葡萄[45]等研究均得出正向結(jié)論。

2.4 其他礦質(zhì)元素

有關(guān)氮磷鉀配合施用或其他礦質(zhì)元素對植物生長，增產(chǎn)等方面已有很多報道，但對其抗寒性影響研究甚少。在過去的文獻中，有研究發(fā)現(xiàn)氯化鉀、硅酸鈉、氯化鈣均能提高蜘蛛抗寒性，其中在5 ℃處理中氯化鈣（82～118 mg/L）表現(xiàn)優(yōu)于氯化鉀優(yōu)于硅酸鈉；在0 ℃處理中氯化鉀（160～271 mg/L）優(yōu)于硅酸鈉優(yōu)于氯化鈣。何香[46]研究發(fā)現(xiàn)對庫爾勒香梨葉片噴施磷酸二氫鉀、硝酸銨以及硼酸鈉后可提升其抗寒能力，磷酸二氫鉀與硝酸銨效果較為顯著；而硼酸鈉雖提高樹體營養(yǎng)元素的積累，但在提高其抗寒能力上效果并不明顯。研究者對葡萄抗寒性研究中，發(fā)現(xiàn)磷鐵鈣復(fù)合肥對紅地球葡萄抗寒性促進效果最為明顯[47]。也有研究者發(fā)現(xiàn)在每年株施2 kg 常規(guī)復(fù)合肥（N 15%，P2O513%，K2O 17%）的基礎(chǔ)上配合施用菜枯（2.5～7.5 kg），對常山胡柚抗寒性有顯著提升[48]。

3 激素與果樹抗寒性的關(guān)系

近年來有關(guān)激素與果樹抗寒性研究成果較多，為完善激素對果樹抗寒性作用機制，本文分析植物激素對果樹抗寒性影響，旨為果樹生產(chǎn)、果樹越冬提供參考依據(jù)。

3.1 脫落酸（ABA）

20世紀(jì)末，人們注意到脫落酸（ABA）與果樹抗寒性有關(guān)。ABA 是目前研究最多的抗寒性激素，在逆境環(huán)境下產(chǎn)生相應(yīng)信號因子。在低溫脅迫下，植物體內(nèi)脫落酸含量與抗寒性呈正相關(guān)。劉艷等[49]通過對梨的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)游離脫落酸（F-ABA） 含量增加時，結(jié)合脫落酸（C-ABA）含量就會降低，從而提高了梨的抗寒性能力。王楚僑等[50]通過外源ABA 對低溫脅迫下火龍果苗研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫增加了丙二醛、電導(dǎo)率含量，而外源ABA處理后顯著降低了丙二醛電導(dǎo)率含量增加其綜合評價，提高火龍果苗抗寒性。

3.2 赤霉素（GA3）

赤霉素同樣是與抗寒相關(guān)的激素，學(xué)者們對其有一定的研究。研究表明，抗寒力的強弱與赤霉素的含量變化幅度有關(guān)。在杏樹的研究中發(fā)現(xiàn)，即抗寒性強的杏品種赤霉素含量低于抗寒性弱的品種。其中ABA 與GA 的比值變化是判斷果樹受凍害程度的重要指標(biāo)。ABA/GA比值增高，電導(dǎo)率含量與半致死溫度（LT50）下降，表明抗寒力提高[51]。楊文莉[52]以不同濃度（GA、ABA）處理對輪臺白杏抗寒性的影響，得出相似結(jié)果，即赤霉素處理后可顯著提高果樹滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高果樹抗寒性。

3.3 乙烯

乙烯是植物健康細(xì)胞代謝產(chǎn)物，又稱催熟激素。可促進植物成熟與著色，乙烯在植物生物脅迫和非生物脅迫有著重要作用[53]。Liu 等[54]對桃抗寒研究中發(fā)現(xiàn)，不同濃度乙烯處理均降低其電導(dǎo)率提高其抗寒性。前人研究發(fā)現(xiàn)，乙烯通過冷反應(yīng)基因調(diào)控植物抗寒性。通過基因過表達發(fā)現(xiàn)可促進番茄和煙草中的乙烯合成，提高植物抵御低溫環(huán)境的能力，乙烯在植物中低溫環(huán)境中的差異可能是植物對環(huán)境的適應(yīng)性表現(xiàn)所致[55]。因此，乙烯對調(diào)節(jié)果樹抗寒性具有正向作用。

4 小結(jié)與討論

綜上所述，低溫脅迫引起果樹抗寒性反應(yīng)是一個復(fù)雜的生理生化過程，由諸多生理生化指標(biāo)中體現(xiàn)，但不同品種間均存在差異，主要抗寒指標(biāo)如可溶性蛋白、丙二醛、脯氨酸等含量在不同品種中不同。今后應(yīng)針對不同果樹品種對抗寒性生理生化指標(biāo)反應(yīng)進行更深入研究，建立科學(xué)可靠且高效完整的果樹抗寒性生理生化評價系統(tǒng)。此外，礦質(zhì)元素、激素與果樹抗寒性的關(guān)系間的研究對果樹重要性是顯而易見的，盡管前人對此已經(jīng)進行了一定的研究，但目前對礦質(zhì)元素、激素與果樹抗寒性關(guān)系間的相關(guān)研究還較為薄弱。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是試驗因素較為單一，主要集中在氮磷鉀、ABA、IAA、GA 單一施用或氮磷鉀復(fù)合肥對果樹抗寒性關(guān)系中，而關(guān)于其他礦質(zhì)元素、激素對果樹抗寒性的影響鮮有報道；不同配比及施用量礦質(zhì)元素、激素對果樹抗寒性影響的研究較少；二是研究多集中在單因素對果樹抗寒性的影響中，由于不同種間抗寒性生理指標(biāo)較多且不同種間響應(yīng)有所差異，目前眾多果樹種間并未建立可靠高效且完整的抗寒評價系統(tǒng)，這需要廣大學(xué)者共同努力，明確各植物種不同生理生化指標(biāo)之間關(guān)系以及協(xié)同作用，利用多指標(biāo)綜合分析，明確與抗寒性相關(guān)指標(biāo)，為不同措施與果樹抗寒性關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)；三是由于地域的差異，同品種但不同地域可能導(dǎo)致不同措施與果樹抗寒性間關(guān)系的不同結(jié)果，這需要眾多學(xué)者共同努力填補地域?qū)ζ渑c果樹抗寒性關(guān)系間的影響，為后人提供科學(xué)依據(jù)。隨著植物栽培生理學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、不斷完善，應(yīng)當(dāng)深入研究不同措施在果樹抗寒性中的作用，用以指導(dǎo)生產(chǎn)，推動各地農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。