孫艷, 蒲文宣, 吳長(zhǎng)征, 黃平俊, 孫銘雪, 宋德安, 劉來華*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 植物-土壤互作教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193; 2.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司, 技術(shù)中心煙葉研究所, 長(zhǎng)沙 410007; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所, 山東 青島 266101)

非生物脅迫是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素之一，可以導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生過量活性氧(reactive oxygen species, ROS)，從而損傷細(xì)胞并且抑制光合作用，進(jìn)而使農(nóng)作物產(chǎn)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(zhǎng)、發(fā)育和地理分布[2]。此外，在生殖期冷脅迫會(huì)推遲植物抽穗、導(dǎo)致花粉不育，被認(rèn)為是造成作物減產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[3]。由于全球64%的陸地區(qū)域最低平均氣溫在0 ℃以下[4]，因此為維持自身正常的生長(zhǎng)發(fā)育，植物已經(jīng)進(jìn)化出一系列機(jī)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(jié)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(bào)道冷馴化可以調(diào)控大量基因的表達(dá)?，F(xiàn)已證實(shí)，在冷馴化過程中發(fā)生的一些分子和生理變化對(duì)提高植物的耐寒性起重要作用[9-10]。為應(yīng)對(duì)不利的低溫環(huán)境，植物會(huì)作出一系列生理和代謝反應(yīng)，通過復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)激活大量應(yīng)激反應(yīng)基因并合成多種功能蛋白，從而賦予植物對(duì)低溫脅迫的耐受性[11]。

然而，對(duì)于不適應(yīng)低溫生長(zhǎng)環(huán)境的植物來說，冷害會(huì)引起植物的各種生理生化紊亂，導(dǎo)致生長(zhǎng)受到抑制。在我國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者自古以來就認(rèn)識(shí)到低溫冷害(俗稱“倒春寒”,late spring cold)的危害，即春季出現(xiàn)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(nóng)作物減產(chǎn)。近些年來，“倒春寒”這一氣象災(zāi)害在我國(guó)南方地區(qū)頻繁發(fā)生，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重危害。例如，我國(guó)湖南地區(qū)的煙苗在移栽后經(jīng)常遇到“倒春寒”，其生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰勢(shì)。在“倒春寒”發(fā)生期間或發(fā)生后，通過采取一系列補(bǔ)救措施可以將其造成的損失降到最低。但是會(huì)在消耗大量人力和物力的同時(shí)，仍不可避免地造成減產(chǎn)。了解“倒春寒”對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的潛在影響，將有助于制定適當(dāng)策略來抵消甚至避免其造成的負(fù)面影響，從而使植物即使經(jīng)受“倒春寒”依然能保持良好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

亞適低溫是指植物生長(zhǎng)發(fā)育適宜溫度范圍以外的輕度低溫環(huán)境，而“倒春寒”便會(huì)導(dǎo)致這樣的現(xiàn)象。目前關(guān)于非生物脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的研究主要包括高溫、低溫、干旱、淹水、重金屬、強(qiáng)光等方面[5]，而對(duì)介于低溫與正常生長(zhǎng)溫度條件之間的亞適低溫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響及分子機(jī)制研究較少。本文綜述了亞適低溫對(duì)植物表型及其生理特性的影響以及施用外源激素等化學(xué)物質(zhì)與植物抗寒性之間的關(guān)系，總結(jié)了植物應(yīng)對(duì)冷脅迫的分子機(jī)制，以期為提高植物對(duì)亞適低溫的耐受性提供理論依據(jù)。

1 亞適低溫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化的影響

1.1 對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

在冷害脅迫下，植物會(huì)出現(xiàn)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(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的變化。研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)膜失穩(wěn)和功能失調(diào)與植物的凍害密切相關(guān)，低溫能誘導(dǎo)水分從細(xì)胞內(nèi)遷移到胞外空間，還會(huì)向植物細(xì)胞表面施加機(jī)械壓力[12]。植株長(zhǎng)期接觸極端溫度會(huì)引起產(chǎn)量下降[13]，類似地，亞適低溫也會(huì)影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育。王克安等[14]報(bào)道，較低的溫度會(huì)明顯影響黃瓜幼苗的生物學(xué)產(chǎn)量，對(duì)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(fā)和幼苗生長(zhǎng)。楊全勇等[16]研究表明，亞適低溫影響黃瓜的水分和礦質(zhì)代謝，影響其光合和呼吸作用，致使黃瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)下降。根區(qū)溫度能影響根系活力和代謝，進(jìn)而對(duì)植株地上部的生長(zhǎng)起促控作用[17]。黃瓜植株地上部的生長(zhǎng)勢(shì)會(huì)隨著根區(qū)溫度的降低而減弱，這主要是由于根系的生命活動(dòng)受到抑制，阻礙了水分和礦質(zhì)元素的吸收運(yùn)輸，限制了地上部的光合作用并影響有機(jī)物的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致植株生長(zhǎng)勢(shì)弱[18]，而且較低的根區(qū)溫度還會(huì)減少番茄植株的葉面積和主枝數(shù)[19]。何明明等[20]研究發(fā)現(xiàn)，亞適低溫能抑制番茄生長(zhǎng)并降低其根系活力。總的來說，亞適低溫會(huì)影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，尤其會(huì)顯著降低根系對(duì)水分和礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收能力，從而使作物的產(chǎn)量和品質(zhì)大幅度下降。

1.2 對(duì)植物生理生化特性的影響

亞適低溫不僅會(huì)改變植物的表型，還顯著影響細(xì)胞的生理生化特性。比如冷害會(huì)改變酶和膜代謝轉(zhuǎn)運(yùn)體的結(jié)構(gòu)、催化特性和功能[21-22]。劉次桃等[23]研究表明，低溫逆境會(huì)減少水稻葉綠素的合成，增加細(xì)胞的電解質(zhì)滲漏、活性氧(ROS)和膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(malondialdehyde, MDA)的含量，造成可溶性糖和脯氨酸在細(xì)胞內(nèi)大量積累。陳青君等[24]研究表明，低溫脅迫會(huì)增加細(xì)胞膜透性，電解質(zhì)滲漏率也隨之增大。楊阿明等[25]發(fā)現(xiàn)，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(huì)隨著鍛煉時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高。根區(qū)溫度會(huì)影響許多植物的生長(zhǎng)并改變其體內(nèi)的有關(guān)化學(xué)成分[26]。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與適宜的根區(qū)溫度相比，相對(duì)較低的根區(qū)溫度會(huì)使番茄體內(nèi)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(qū)亞適低溫會(huì)降低黃瓜植株體內(nèi)的酚類物質(zhì)、抗壞血酸及總?cè)~綠素含量，并且經(jīng)光系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)與正常生長(zhǎng)溫度相比，亞適低溫下植株的光化學(xué)效率(Fv/Fm)降低了41.67%，說明其能對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)產(chǎn)生不利影響。

2 化學(xué)物質(zhì)的施用與植物的抗寒性

目前對(duì)冷害的主要應(yīng)對(duì)措施是通過在葉面噴肥以促進(jìn)作物迅速恢復(fù)生長(zhǎng)，或者通過及時(shí)補(bǔ)種盡可能將損失降到最低。但這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且其有效性很大程度上取決于低溫的持續(xù)時(shí)間和作物的受災(zāi)程度。目前已有研究證實(shí)，可以通過調(diào)控植物激素、添加化學(xué)物質(zhì)甚至是施用稀土元素的方式提高植物對(duì)冷脅迫的抗性[28-32]。

2.1 植物激素

環(huán)境中的特異化學(xué)物質(zhì)，如激素，被植物細(xì)胞膜上的受體特異性識(shí)別后，經(jīng)蛋白質(zhì)磷酸化和脫磷酸化作用將該信號(hào)放大進(jìn)而傳遞到細(xì)胞核，觸發(fā)核內(nèi)功能基因表達(dá)，以使植物在分子生理水平、生長(zhǎng)發(fā)育或表型上作出反應(yīng)。

已有研究證實(shí)，脫落酸(abscisic acid，ABA)在植物脅迫響應(yīng)和抗逆中起著關(guān)鍵作用[28]。外源添加ABA能提高植物體內(nèi)的抗氧化酶活性和多種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，從而維持膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)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(xì)胞的電解質(zhì)滲漏及其體內(nèi)MDA和過氧化氫(H2O2)的含量，以增強(qiáng)其抗寒性[33]。外源ABA的施用還可以控制氣孔關(guān)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(shí)，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(diào)節(jié)物質(zhì)的含量。周碧燕等[36]也發(fā)現(xiàn)，外源ABA處理能增強(qiáng)荔枝抗冷性，減輕冷脅迫對(duì)其造成的傷害。此外，研究證實(shí)，油菜素內(nèi)酯(brassinolide, BR)和赤霉素(gibberellin, GA)結(jié)合可以降低細(xì)胞膜透性和MDA含量，從而有利于提高吐魯番地區(qū)“火焰無核”葡萄的抗逆性[37]，并且24-表油菜素內(nèi)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(shí)，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(nèi)維持較高的總酚含量以提高植物對(duì)冷脅迫的適應(yīng)性[39]。由此可見，植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物適應(yīng)冷脅迫的過程中扮演著重要角色，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)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(nèi)SOD、過氧化氫酶(catalase, CAT)等的活性，增強(qiáng)植物的抗逆性，提高作物產(chǎn)量，并改善品質(zhì)[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(jìn)而從生理上提高黃瓜幼苗的抗冷性[31]。舒英杰等[15]研究發(fā)現(xiàn)，采用硝酸鈰浸種有利于冷脅迫下苦瓜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。低濃度的稀土元素可促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高抗逆性，但在高濃度下會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)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(shí)，稀土離子能維持植物細(xì)胞膜的通透性和穩(wěn)定性，提高代謝過程中的氧化酶活性，以增強(qiáng)其對(duì)不良環(huán)境的抵抗能力。

2.3 其他化學(xué)物質(zhì)

氨基乙酰丙酸(aminolevulinic acid, ALA)是一種具有多種生理功能的內(nèi)源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)[44]，低濃度ALA可以增強(qiáng)作物的抗逆性，促進(jìn)葉綠素合成并調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)[32,45]。徐銘等[46]研究發(fā)現(xiàn)，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(duì)含量，增加產(chǎn)量并且改善番茄果實(shí)品質(zhì)。汪良駒等[47]研究表明，外源ALA的應(yīng)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(yīng)用價(jià)值。還有研究報(bào)道，施用多效唑(PP333)會(huì)提高香蕉內(nèi)源ABA含量和SOD活性，增強(qiáng)香蕉的抗寒性[48]。添加S-甲基蛋氨酸(SMM)能降低細(xì)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(zhì)滲漏，有利于提高作物抵抗低溫的能力[49]。草酸和1-甲基環(huán)丙烯同時(shí)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(duì)電解質(zhì)滲漏率，從而減輕冷害傷害[50-51]，說明部分化學(xué)物質(zhì)的施用能有效地提高植物對(duì)ROS的清除能力，增強(qiáng)植物對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)性。

3 植物響應(yīng)冷害的分子機(jī)制

隨著分子生物學(xué)研究手段的不斷完善，對(duì)植物響應(yīng)冷脅迫的研究已經(jīng)逐步深入到分子水平。據(jù)報(bào)道，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)能介導(dǎo)植物對(duì)極端溫度、高光強(qiáng)度、滲透脅迫等非生物脅迫的響應(yīng)[52]。細(xì)胞內(nèi)的激酶和轉(zhuǎn)錄因子可通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控下游冷反應(yīng)基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)分子和生理改變，以提高植物的耐冷性[10,53]。有關(guān)研究表明，植物適應(yīng)冷害的能力與體內(nèi)編碼耐寒性基因的表達(dá)水平有關(guān)[54-55]。

3.1 冷應(yīng)激基因定位

在冷應(yīng)激過程中，植物細(xì)胞質(zhì)游離Ca2+含量迅速增加，鈣調(diào)素結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子(CAMTA)協(xié)助將Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到下游基因，以調(diào)控相應(yīng)基因的表達(dá)使植物對(duì)環(huán)境刺激作出反應(yīng)[56]。Doherty等[57]報(bào)道，鈣調(diào)素(CAM)與CBF2基因啟動(dòng)子中的作用元件結(jié)合，能調(diào)節(jié)CBF表達(dá)，提高植物的抗凍性。CBF/DREB1調(diào)節(jié)因子能參與冷應(yīng)激反應(yīng)基因的表達(dá)，其在轉(zhuǎn)基因植株中過表達(dá)能增強(qiáng)植物對(duì)低溫、干旱和高鹽脅迫的耐受性[58]。一些研究已經(jīng)報(bào)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(bào)道，TaCBF14和TaCBF15在小麥耐冷性中也發(fā)揮了重要作用，并且有研究表明植物的抗凍性會(huì)因CBF的表達(dá)受抑制而減弱[63-64]，進(jìn)一步說明CBF在植物冷應(yīng)激反應(yīng)中扮演重要角色。研究發(fā)現(xiàn)，CBF誘導(dǎo)COR基因的表達(dá)，這些基因能提高植物的抗寒性[65]。CBF1與COR15a、COR78、COR6.6、COR47啟動(dòng)子中的DNA調(diào)控元件CRT/DRE結(jié)合，從而刺激轉(zhuǎn)錄以應(yīng)對(duì)低溫和缺水環(huán)境[66]。有關(guān)CORs在植物抗寒性方面的作用已得到證實(shí)，Artus等[67]報(bào)道，在擬南芥中過表達(dá)COR15a植株葉綠體的抗凍性提高了約2 ℃，原生質(zhì)體的耐寒性提高了約1 ℃。但是過表達(dá)CBF/DREB1的轉(zhuǎn)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(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中過量表達(dá)CBF3基因在提高COR蛋白含量的同時(shí)，穩(wěn)定細(xì)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(yīng)激中ROS水平基因調(diào)控

應(yīng)激過程中，ROS的增加被認(rèn)為是激活應(yīng)激反應(yīng)途徑的信號(hào)[71]。Tyystj?rvi[72]報(bào)道了生理代謝副產(chǎn)物ROS、H2O2、超氧陰離子(O2-)、羥基自由基(OH-)和單線態(tài)氧(1O2)，也參與植物對(duì)冷脅迫的響應(yīng)，與植物細(xì)胞中誘導(dǎo)基因的表達(dá)、蛋白質(zhì)的合成和氧化應(yīng)激密切相關(guān)[73-74]。在應(yīng)激過程中，ROS會(huì)大量積累，這是因?yàn)橹参锸芊巧锩{迫刺激后氣孔關(guān)閉，限制了CO2的吸收，減少了光合電子傳遞鏈，促進(jìn)了超氧化物、H2O2或1O2的產(chǎn)生[75-76]。受冷脅迫影響的水稻細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生ROS，發(fā)生膜脂過氧化作用并損傷膜系統(tǒng)[77]，最終導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡。Airaki等[78]還報(bào)道，冷脅迫會(huì)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(huì)產(chǎn)生氧化應(yīng)激，會(huì)促進(jìn)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(zhǎng)發(fā)育。

3.3 冷應(yīng)激中ABA依賴和ABA非依賴途徑相關(guān)基因調(diào)控

ABA在非生物脅迫的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中起著重要作用，它介導(dǎo)了許多反應(yīng)，包括脅迫感知、細(xì)胞成分的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)，最終導(dǎo)致一系列應(yīng)對(duì)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(duì)非生物脅迫作出反應(yīng)，形成高度復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)(圖1)[81-83]。ABA依賴的信號(hào)途徑包括DREB1/DREB2、MYC/MYB、bZIP調(diào)節(jié)因子，而不依賴ABA的調(diào)節(jié)因子有DREB1/DREB2、NAC和ZF-HD。轉(zhuǎn)錄因子可以與各種應(yīng)激相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)域中的順式作用元件相互作用，調(diào)控下游基因的表達(dá)，從而提高植物對(duì)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(yīng)答非生物脅迫過程中起著十分重要的調(diào)控作用，轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)節(jié)脅迫誘導(dǎo)基因的表達(dá)，參與冷應(yīng)答途徑并減小植物受損傷的程度，以增強(qiáng)植物對(duì)冷脅迫的適應(yīng)能力。

4 展望

植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成需要適宜的溫度環(huán)境。近年來，“倒春寒”天氣的頻繁發(fā)生嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)林業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中突遭“倒春寒”后，其生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)明顯衰勢(shì)，甚至?xí)虻蜏爻掷m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)而死亡。受“倒春寒”影響，植物會(huì)產(chǎn)生一系列的生理及代謝變化，如電解質(zhì)滲漏增加，植物內(nèi)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(yīng)對(duì)這種不利影響，植物體內(nèi)清除ROS的酶促和非酶促系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制發(fā)揮作用，細(xì)胞內(nèi)的激酶和轉(zhuǎn)錄因子也可以通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控下游冷反應(yīng)基因的表達(dá)，其基因產(chǎn)物能特異性地清除冷害造成的不良代謝物，從而增強(qiáng)植物的抗寒性。

為減少亞適低溫對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)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(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等化學(xué)物質(zhì)降低作物受凍程度，從而降低產(chǎn)量損失，但這些做法耗時(shí)耗力，且其效益取決于冷害持續(xù)的時(shí)間和作物受損程度。為從根源上緩解甚至消除亞適低溫對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的不良影響，可以通過上調(diào)作物抗寒性相關(guān)基因，在分子水平上改善作物的冷適應(yīng)特性。利用基因組學(xué)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(dá)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(duì)亞適低溫環(huán)境具有抗性的作物新品種。研究植物響應(yīng)亞適低溫的生長(zhǎng)發(fā)育及分子機(jī)制為加速選育耐亞適低溫的優(yōu)質(zhì)品種提供了理論指導(dǎo)，對(duì)于作物生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。