沈賢輝，劉剛 （長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025）

溫度是植物生長(zhǎng)的必要條件，也是氣候因素中影響植物地理分布的主導(dǎo)因素。低溫脅迫是作物栽培中經(jīng)常遇到的一種災(zāi)害，涉及糧食、園藝植物及其他許多經(jīng)濟(jì)作物。低溫影響植物的生長(zhǎng)代謝，引起植物相關(guān)生理指標(biāo)發(fā)生變化，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受損，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致死亡。抗寒性是植物在對(duì)寒冷環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)中，通過(guò)自身的變異和自然選擇獲得的抵抗能力［1］。植物抗寒性主要來(lái)自兩方面的適應(yīng)性變化，一是細(xì)胞膜體系穩(wěn)定性的提高，二是避免細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰［2］。因此，研究低溫對(duì)植物生理生化的影響及植物抗寒生理具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值［3－4］。

1 葉綠素與抗寒性的關(guān)系

色素雖然與植物的抗寒力無(wú)直接關(guān)系，但已有研究表明，光合作用中的光反應(yīng)是物理過(guò)程，對(duì)溫度不敏感，而碳同化是酶促反應(yīng)，很容易受低溫抑制［5］。因此與落葉樹木不同，越冬常綠植物在冬季氣溫很低時(shí)，光合碳同化的能力很弱，而較多的葉綠素仍會(huì)吸收較多光能，容易發(fā)生光抑制，產(chǎn)生單線態(tài)氧，對(duì)植物造成傷害［6－7］。應(yīng)葉青等［5］的研究結(jié)果表明，紅桿寒竹在自然越冬過(guò)程中，隨著溫度降低，低溫脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，葉綠素含量下降，以減少活性氧的產(chǎn)生，減小對(duì)植物體的傷害。

植物在低溫脅迫下，大多數(shù)植物的光合速率明顯下降，引起原因是多方面的，其直接原因是影響光合組織的結(jié)構(gòu)和活性，如葉綠體類囊體膜的組分、透性以及流動(dòng)性，葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)葉綠素含量等［8］。龔培灶等［9］的研究結(jié)果表明，PEG能減緩低溫下葉綠素含量下降，說(shuō)明PEG對(duì)葉綠體膜結(jié)構(gòu)有一定的保護(hù)作用，減緩了低溫下葉綠素的分解速度。許多研究證實(shí)，在低溫脅迫下，植物葉片的葉綠素含量會(huì)下降。王寧等［10］的研究也證實(shí)了低溫脅迫下光蠟樹苗木葉內(nèi)的葉綠素含量會(huì)降低。葉綠素含量，是反應(yīng)葉片受傷程度最為直觀的指標(biāo)［11］，劉曉娟等［12］的研究表明，寒潮過(guò)后葉綠素含量明顯降低。

2 脯氨酸與抗寒性的關(guān)系

脯氨酸作為誘導(dǎo)調(diào)節(jié)劑與抗寒性關(guān)系密切，其含量與植物抗性呈正相關(guān)［13］，在逆境條件下，脯氨酸對(duì)植物有保護(hù)作用［14］。游離脯氨酸含量，在正常環(huán)境下，植物體內(nèi)游離脯氨酸含量較低，但在溫度降低時(shí)，植物體內(nèi)游離脯氨酸含量可增加10到100倍，其積累量與低溫程度、植物抗寒性有關(guān)，因此測(cè)定植物體內(nèi)游離脯氨酸的含量，在一定程度上可以判斷植物對(duì)低溫的抵抗力［15］。劉遵春等［16］研究發(fā)現(xiàn)，隨著處理溫度的降低，杏梅、杏李枝條形成層中脯氨酸含量呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，抗寒性越強(qiáng)的品種，增加的倍數(shù)越高。

脯氨酸是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，脯氨酸積累越多，植物抗性越強(qiáng)。低溫脅迫下，脯氨酸具有維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞運(yùn)輸并調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓等功能，使植物具有一定抗逆性，對(duì)植物細(xì)胞起保護(hù)作用［17］。低溫脅迫刺激脯氨酸及其他氨基酸的合成及抑制其氧化降解，使許多植物體內(nèi)脯氨酸含量增加［18］，從而提高蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，增加植物抗寒性。何峰江等［19］的研究表明，隨著處理溫度下降，枝條中游離脯氨酸含量呈增高趨勢(shì)。當(dāng)植物受到低溫脅迫時(shí)，游離脯氨酸的積累不僅發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)作用，更重要的是對(duì)膜脂和蛋白起到保護(hù)作用，防止活性氧對(duì)膜脂和蛋白的過(guò)氧化作用［20］。在夏清柱等［21］的研究中，低溫脅迫1d時(shí)，脯氨酸含量迅速升高，隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，其含量呈現(xiàn)持續(xù)緩慢上升趨勢(shì)，隨著溫度由28℃降低至4℃，脯氨酸含量呈升高趨勢(shì)，避免或減少蛋白質(zhì)變性，同時(shí)對(duì)冰凍敏感的蛋白質(zhì)起保護(hù)作用，調(diào)節(jié)植物的正常生命活動(dòng)，以減輕低溫逆境帶來(lái)的傷害，增強(qiáng)其自身抗寒能力。

3 保護(hù)酶系統(tǒng)與抗寒性的關(guān)系

植物體內(nèi)存在活性和自由基的清除保護(hù)酶系統(tǒng)，主要包括過(guò)氧化氫酶 （CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶 （SOD）。正常情況下，活性氧的產(chǎn)生和清除處于一種動(dòng)態(tài)平衡，不會(huì)引起傷害。但當(dāng)處于逆境條件時(shí)，細(xì)胞自由基產(chǎn)生和清除的平衡遭到破壞而出現(xiàn)活性氧的積累，高水平的活性氧可能加劇膜脂過(guò)氧化和膜蛋白聚合，從而破壞膜結(jié)構(gòu)和功能，這種累計(jì)超過(guò)一定的閾值，就會(huì)發(fā)生膜傷害，甚至導(dǎo)致植物死亡［4］。

超氧化物歧化酶 （SOD）是存在于植物細(xì)胞中最重要的清除活性氧的酶之一，對(duì)保護(hù)膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要作用，其活性水平的高低與植物耐性有關(guān)，與過(guò)氧化氫酶 （CAT）、過(guò)氧化物酶 （POD）等組成植物的酶防御系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中SOD能夠歧化·為O2和H2O2，而POD和CAT則催化H2O2形成H2O，通過(guò)SOD、POD和CAT的協(xié)同作用，可有效降低自由基的積累及阻遏·、H2O2通過(guò)Fenton Haber－Weiss反應(yīng)［22－23］向破壞極強(qiáng)的OH轉(zhuǎn)化，從而避免或減輕了自由基對(duì)生物大分子的降解破壞及對(duì)生物膜的損害，是植物抗逆性提高［24］。劉偉等［25］研究發(fā)現(xiàn)，抗寒性強(qiáng)的葡萄品種的CAT、POD和SOD酶活性高，隨著時(shí)間和溫度的變化下降緩慢，而抗寒性差的品種酶活性低，隨著時(shí)間和溫度變化下降劇烈。李建等［26］研究發(fā)現(xiàn)厚壁毛竹各保護(hù)酶的活性均高于毛竹，其中較敏感部位——葉的超氧化物歧化酶 （SOD）、過(guò)氧化氫酶 （CAT）、過(guò)氧化物酶 （POD）的活性分別高出毛竹10.12%、38.10%、52.76%，筍、芽各酶的活性也比毛竹高，綜合各保護(hù)酶活性表明，厚壁毛竹各器官的抗性高于毛竹。于晶等［27］在北方寒地田間自然條件下，通過(guò)對(duì)越冬期間抗寒小麥品種東農(nóng)冬麥1號(hào)和非抗寒品種濟(jì)麥22抗寒相關(guān)生理指標(biāo)的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，東農(nóng)冬麥1號(hào)的超氧化物歧化酶 （SOD）和過(guò)氧化物酶（POD）的活性均高于濟(jì)麥22。

4 外源物質(zhì)對(duì)植物抗寒性的影響

根據(jù)外源物質(zhì)作用方式的不同，可以將外源物質(zhì)分為兩大類：一是通過(guò)抑制植物的生長(zhǎng)，促進(jìn)抗寒鍛煉來(lái)提高植物的抗寒力，如冠菌素、矮壯素、脫落酸等物質(zhì)；二是通過(guò)提高植物膜的穩(wěn)定性，來(lái)增強(qiáng)小麥對(duì)低溫脅迫的抵抗和適應(yīng)，如氯化鈣、氨基乙醇和不飽和脂肪酸等物質(zhì)［1］。

Roerstonctal等［28］通過(guò)脫落酸 （ABA）處理，明顯增強(qiáng)了細(xì)胞的活力，并促進(jìn)外源蔗糖的吸收，從而使羥基取代蛋白質(zhì)和膜上束縛水，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止逆境下的變性。魏安智等［29］研究發(fā)現(xiàn)，外源噴施ABA能誘導(dǎo)內(nèi)源ABA增加，抑制GA3的形成，使ABA／GA3值增大，SOD和POD酶的活性增強(qiáng)，可溶性糖含量增加和MDA含量降低，導(dǎo)致膜通透性減小，膜結(jié)構(gòu)的完整性得到保護(hù)，使電解質(zhì)滲出率減小，半致死溫度降低，從而提高仁用杏開花坐果期的抗寒性。

龔培灶等［9］的研究表明，聚乙二醇處理后的煙草幼苗能明顯提高抗寒性能。主要表現(xiàn)在：（1）減緩葉綠素的分解速度，提高光合作用效率；（2）加速可溶性蛋白的降解，增強(qiáng)質(zhì)膜流動(dòng)性；（3）降低含量，減輕細(xì)胞毒害作用；（4）提高POD、CAT、SOD保護(hù)酶系活性，利于清除過(guò)多的自由基。楊春祥等［30］發(fā)現(xiàn)，給油桃植株噴施適當(dāng)濃度CaCl2溶液，可降低低溫脅迫下油桃和幼果膜透性和丙二醛含量；李軼樂等［31］對(duì)青竹葉槭抗寒生理指標(biāo)的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，噴施CaCl2可明顯提高青竹葉槭植株的抗寒能力。

5 展望

植物，尤其是溫帶植物，其抗寒性是長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，不僅包含自身的遺傳因素和生理特征，更與外界環(huán)境有關(guān)。未來(lái)植物的抗寒性研究應(yīng)從如下方面突破：（1）探尋植物合適的外源物質(zhì)，將外源物質(zhì)噴施時(shí)期、濃度及次數(shù)合理化、規(guī)范化，使植物的抗性達(dá)到最高水平。（2）研究抗寒基因，盡量通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，在一定程度上提高植物的耐寒性，并且不能僅是依靠單個(gè)基因，要形成復(fù)雜穩(wěn)定的多個(gè)基因直接或間接作用的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

［1］李嬌，楊培珠，李立功，等.影響小麥抗寒性的主要因素 ［J］.天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，17（5）：32－35.

［2］Bruce J A，Michaela C M，Johnathan A N，et al.Stressful“memories”of plants：Evidence and possible mechanisms［J］.Plant Science，2007，173：603－608.

［3］孫玉潔，王國(guó)槐.植物抗寒生理的研究進(jìn)展 ［J］.作物研究，2009，23（5）：293－297.

［4］邱乾棟，呂曉貞，臧德奎，等.植物抗寒生理研究進(jìn)展 ［J］.山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（8）：53－57.

［5］應(yīng)葉青，魏建芬，郭璟，等.自然低溫對(duì)紅桿寒竹生理特性的影響 ［J］.竹子研究匯刊，2010，29（3）：10－14.

［6］Sukumakan N P，Weiser C J.Method of determining cold hardinessby electrical conductivity in potato ［J］.Hort Science，1972，7：467－468.

［7］Zeiger T.Plantphysiology ［M］.Sunderland，Massachu－setts：Sinauer Associates Inc，2002.

［8］晉艷，楊宇虹，華水金，等.低溫脅迫對(duì)煙草主要保護(hù)性酶類和化學(xué)成分的影響 ［J］.煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，2（1）：44.

［9］龔培灶，朱興華，王錚敏.聚乙二醇處理對(duì)煙草種子活力及幼苗抗寒生理的影響 ［J］.三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27（6）：571－576.

［10］王寧，徐杰，吳軍，等.噴施不同外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下的光蠟樹苗部分抗旱生理指標(biāo)的影響 ［J］.西部林業(yè)科學(xué)，2010，39（1）：31－35.

［11］戴玉池.5種抗寒劑對(duì)早稻相早秈25號(hào)幼苗的耐寒生理鑒定及其利用 ［J］.湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（3）：88－94.

［12］劉曉娟，李成仁，劉佳，等.低溫對(duì)南洋櫻花生理影響及抗寒劑的篩選 ［J］.中國(guó)園藝文摘，2010，（7）：19－22.

［13］王娟，李德全.逆境條件下植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累與活性氧代謝 ［J］.植物學(xué)通報(bào)，2001，18（3）：459－465.

［14］趙福庚，何龍飛，羅慶云.植物逆境生理生態(tài)學(xué) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：193－216.

［15］楊軼華，曲線，孫波，等.北方園林彩葉植物抗寒性研究進(jìn)展 ［J］.國(guó)土與自然資源研究，2012，（4）：90－92.

［16］劉遵春，豁澤春.不同杏梅、杏李品種枝條抗寒性研究 ［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，47（7）：802－804.

［17］王克安，王冰，顧三軍.低溫對(duì)黃瓜生理系列化、代謝功能及形態(tài)的影響 ［J］.山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，1998，（4）：52－55.

［18］劉祖祺，張石誠(chéng).植物逆境生理生態(tài)學(xué) ［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1994：8－80.

［19］何峰江，謝軍，耿文娟，等.不同杏品種抗寒生理研究 ［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012，（16）：86，90.

［20］王翼川，李志軍，徐雅麗，等.低溫脅迫對(duì)海島棉幼苗生理生化特性的影響 ［J］.中國(guó)棉花，2001，28（5）：13－14.

［21］夏清柱.人工低溫脅迫下腰果葉片生理生化指標(biāo)的變化 ［J］.經(jīng)濟(jì)林研究，2012，30（12）：28－32.

［22］Elstner E F.Oxygen activation and oxygen toxcity［J］.Annual Review of Plant Physiology，1982，33：73－96.

［23］Fridovich I.Superoxide radical and superoxide dismurases［J］.Annual Review of Biochwmistry，1995，64：97－112.

［24］李超勇，衛(wèi)秀英，白利杰，等.低溫脅迫對(duì)小麥品種過(guò)氧化物酶的影響 ［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48（5）：1067－1069.

［25］劉偉，曲凌慧，劉洪慶，等.低溫脅迫對(duì)葡萄保護(hù)酶和氧自由基的影響 ［J］.北方園藝，2008，（5）：21－24.

［26］李建，楊清培，方楷，等.厚壁毛竹與毛竹的抗寒生理比較研究 ［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（3）：537－541.

［27］于晶，張林.高寒地區(qū)冬小麥東農(nóng)冬麥1號(hào)越冬前的生理生化特性 ［J］.作物學(xué)報(bào)，2008，34（11）：2019－2025.

［28］Robertson A J，Ishikawa M，Gusta LV，et al.Abscisic acid induced heat tolerance in Bromus incnnis Lcyss cell－suspension－culture：Heat－stablc，adscisic acid－responsive poly peptidcs in combination with sucrose confer enhancee thermostability ［J］.Plant Physiol，1994，105：181－190.

［29］魏安智，楊途熙，張睿，等.外源ABA對(duì)仁用杏花期抗寒力及相關(guān)生理指標(biāo)的影響 ［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（5）：79－84.

［30］楊春祥，李憲利，高東升，等.鈣對(duì)低溫脅迫下油桃花果膜脂過(guò)氧化和保護(hù)酶活性的影響 ［J］.落葉果樹，2004，（6）：1－3.

［31］李軼樂，吳軍，尚忠海，等.低溫脅迫及CaCl2處理對(duì)青竹葉槭抗寒指標(biāo)的影響 ［J］.北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，23（4）：46－49.