外源生长调节剂对植物抗寒性的影响

孙玉洁,王国槐

(湖南农业大学农学院,长沙 410128)

植物生长调节剂(Plant growth regulators)是人工合成的、具有植物激素活性的一类有机物质,他们在较低的浓度下即可对植物的生长发育表现出促进或抑制作用。植物生长调节剂的应用可克服气候条件对农业生产造成的不利影响,同时也充分显示出其在防灾、避灾方面的独特作用和效果[1]。因此,植物生长调节剂的研究和应用是植物生理学和植物营养学中十分重要和活跃的领域[2]。植物生长调节物质在提高作物抗逆性方面也将发挥越来越重要的作用。本文对外源物质在植物抗寒方面的理论进行综述。

根据黄翔的分类,植物生长调节剂可分为三个种类,一是激素类物质,二是非激素类有机物质,三是非激素类无机物质[3]。

1 激素类物质

植物激素在提高植物抗低温和提高微管抗冷稳定性方面具有很重要的作用,是抗寒基因表达的启动因子之一。同时外施激素类物质同样也能增强植物的抗寒性。例如目前研究较多的脱落酸(ABA)对植物抗寒所起的作用[4]。外源ABA处理可使鹰嘴豆抗低温能力明显提高,丙二醛和 H2O2(过氧化氢)含量降低[5]。还有多效唑、油菜素内酯、烯效唑、6-苄基腺嘌呤(6-BA)等都是研究得较多的植物激素类调节剂。它们的作用机理主要表现在:(1)降低电解质渗透率,增加细胞膜透性;(2)增加可溶性糖的积累;(3)增强体内 POD和SOD的酶活性;(4)增加脯氨酸的积累;(5)降低丙二醛含量;(6)诱导抗寒基因的表达及冷信号的传导。

1.1 脱落酸

内源脱落酸是植物的“抗逆诱导因子”,被称为“胁迫激素”。在植物的生长发育过程中,它的主要功能是诱导植物产生对不良生长环境的抗性。在寒冷胁迫下,脱落酸启动细胞抗冷基因的表达,诱导植物产生抗寒能力。一般而言,抗寒性强的植物品种,其内源脱落酸含量高于抗寒性弱的品种,这已在多种植物上被证实,如水稻[6,7]、辣椒[8]、玉米[9]等。 党秋玲用 ABA处理番茄种子,处理后的番茄种子与对照比较,其发芽率、抗冷指标、生理指标均有显著差异,提高了幼苗内容物的含量,促进了幼苗的抗寒性,并得出浸种参考浓度为0.10‰～ 0.06‰[10]。此后,于晶用 ABA对冬小麦进行根浸和叶喷处理,研究了 ABA对冬小麦的整株抗冷性,结果显示,外源 ABA对小麦的抗冷性有很大影响,低浓度的ABA可以促进低温下小麦的生长,提高其抗冷性,而高浓度则抑制生长。 ABA提高小麦抗冷性的最适浓度为10-7mol/L,且根施效果优于叶面喷施[11]。魏安智等对仁用杏花芽膨大期喷施 18 mg/L ABA,结果表明,可使其半致死温度分别降低 2.73,1.73和0.38℃;MDA含量分别降低 37.76%,55.1%和45.41%;SOD酶活性分别提高 2.3%,9.9%和 0.7%;POD酶活性分别提高9.0%,0.7%和3.4%;可溶性糖含量分别提高6.5%,5.24%和12.3%;内源ABA含量分别提高 275%,1.7%和 8.3%;使 ABA/GA3维持较高水平。结果证实,外源ABA可在不影响仁用杏花蕾、花朵和幼果发育进程的情况下,提高仁用杏花期的抗寒力[12]。油菜方面,刘本坤等用 ABA对油菜进行处理,使得油菜根颈增粗,生物学产量提高。

1.2 多效唑(PP333)和烯效唑

多效唑也是使用较为广泛的调节剂,可提高多种作物抗逆性。它通过根、茎和叶片均可被植物吸收。根部吸收的多效唑主要是通过木质部向植株顶端运转。叶片吸收后,能抑制植株或枝条的生长。这种抑制作用主要是通过抑制赤霉素的合成达到的。它的主要生理效应是:(1)改变作物内源激素水平,延缓生长。植物的节间生长主要是由赤霉素(GA)调节的,多效唑抑制GA合成,因而能够延缓生长,矮化植株;(2)增加叶绿素、核酸、蛋白质的含量。叶绿素以及遗传物质是植株内最重要的抗衰老激素,他们含量的增加,说明植株的生命力很旺盛;(3)提高植物的抗逆性,能使表皮细胞膨胀,造成气孔被挤压下陷,这些都是造成气孔阻力增加、蒸腾降低、水分散失减少的原因。周琴等用不同浓度的多效唑处理油菜幼苗,结论和前人一致,说明PP333处理可提高叶片细胞膜系统保护酶活性,消除自由基积累,从而一定程度上增强了油菜抗低温胁迫的能力[13]。邱运亮等使用 PP333对一年生赤按 15022叶面喷施和土壤施用,结果表明,无论叶面喷施,还是土壤施用,PP333均能显著抑制赤按冬梢的生长和腋芽的萌发,使之在严寒来临之前停止生长。经PP333处理,赤按叶内细胞保护酶在冬季低温下仍然维持较高的活性,阻抑膜脂过氧化。这样即防止了低温对膜系统的损伤,又抑制了叶绿素的降解,可溶性糖积累多,均有利于提高赤按的抗寒性[14]。叶明儿等以温州蜜柑为实验材料,于晚秋梢萌芽前叶面喷施 250～ 2000 ppm多效唑后,可溶性糖比对照提高 6.3%～ 12.8%,淀粉含量提高 10.3%～31.9%,钾提高 4.9%～13.1%,秋梢叶片内的脯氨酸含量也提高6.9%～22.2%,使其越冬期抗寒性提高[15]。

烯效唑也是抑制植物体内赤霉素的生物合成,其作用原理跟多效唑类似,降低植物生长素的水平,抑制细胞生长,能使植株矮化从而防止倒伏。它通过植物根部吸收后,在植物体内传导,有稳定细胞膜结构、增加脯氨酸和糖含量的作用,提高植物抗逆性,使植物能耐寒。姚雄等用不同浓度的烯效唑对水稻浸种,研究了不同类型低温胁迫对秧苗受害率及部分抗寒生理指标的影响。结果得出低温胁迫下施烯效唑能提高水稻秧苗抗寒性,最佳浸种浓度为40 mg/L。低温胁迫下与对照比较,烯效唑浸种降低了丙二醛含量、电解质外渗率的增加幅度、叶片 SPAD(soil and plant analyzer development)值、根活力及呼吸速率的下降幅度,同时提高了可溶性糖及游离脯氨酸增加幅度,增强了秧苗的抗寒性[16]。周训文等用烯效唑对玉米进行的浸种试验表明,至幼苗 4叶期后,烯效唑有提高出叶速度、增加叶龄的作用,表现了较好的壮苗长势长相,且这种控高促壮效应随烯效唑浓度的增大而增强,随叶龄的升高而减弱。苗高与浓度间呈极显著的直线负相关,而叶面积和叶龄均与浓度呈极显著的二元线性关系,浓度在 40～ 60 mg/L范围内,烯效唑浸种对幼苗的调控效应较好,当浓度达到 80 mg/L时,因株高的显著降低,物质积累量少,促壮效应减弱,不利于培育壮苗[17]。杨建新等用0.05μ g/mL烯效唑浸油菜种子,能阻止其幼苗在4℃,36 h低温胁迫下的细胞膜电解质渗漏,提高SOD,CAT活性和游离脯氨酸、可溶性蛋白质以及 Vc含量,降低 MDA含量和减缓低温对油菜幼苗叶绿素的毒害[18]。

1.3 油菜素内酯(BR)

油菜素内酯提高作物的抗逆性在国内外近年研究较多,是生命科学的一个研究热点。BR是具有植物生长调节作用的第一个甾醇类化合物,在低浓度(10-5～10-6mg/L)下能显示各种活性,是一类新的植物内源激素,具有增强植物营养生长、促进细胞分裂和生殖生长、促进受精的作用。油菜素内脂能提高植物对高温和低温、干旱、高盐、病原菌等多种逆境的抗性。它是一种新型植物激素,其在植物体内含量极低,但生理活性却极高,植物经过极低浓度处理便能表现出明显的生理效应。张志刚等用油菜素内酯与氯化钙复配,处理复合逆境下的黄瓜,结果提高了黄瓜叶片中脯氨酸和木质素含量,降低了电解质渗出率和丙二醛(MDA)含量,增强了各类酶活性,并且得出两种药品复配比单一施用效果好[19]。陈善娜等研究发现,采用油菜素内酯处理植物,可以提高在低温胁迫时植物的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶 (POD)活性,减少丙二醛(MDA)积累,增加非酶促系统还原型谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(ASA)含量;低温胁迫时,油菜素内酯可以清除植物体内的活性氧,诱导非酶促系统的抗冷效果,并减轻不同抗冷性的植物幼苗在低温胁迫和回温恢复过程中的伤害作用,且能促进幼苗根系和茎叶的正常生长和健壮度。在此基础上提出了其作用机理可能是通过Ca2+及钙信使系统或激素类作用来调节抗冷力的形成,防止植物幼苗产生过多的自由基,或诱导形成较多的自由基清除剂来减轻膜脂过氧化作用,从而稳定膜的结构与功能,增强膜的防卫能力,以适应低温逆境的变化,促进生长[20]。王三根等将油菜素内酯和抗坏血酸配合施用,对水稻抗寒力起到加和作用。低温冷害前后喷洒可有效地降低电解质渗漏率,促进可溶性糖和脯氨酸的积累,对冷害后幼苗恢复生长,提高叶绿素和蛋白质含量,增强根系活力与发根力有明显效果[21]。

1.4 6-苄基腺嘌呤 (6-BA)

苄基腺嘌呤是植物的一种抗衰老剂,具有较高的细胞分裂素活性,在植物体内移动性差,对被处理植物的生理作用,局限于处理的部位及附近,主要用在促进植物细胞分裂。常用于组织培养中,与一定比例的生长素配合,以促进愈伤组织细胞分裂、增长与伸长,诱导组织的分化和器官的分化。6-BA是一种人工合成的细胞分裂素,能打破种子休眠,延缓叶片衰老,促进植物生长,增强植物抗逆性,在农业和园艺上应用较广[22,23]。细胞分裂素对种子萌发促进作用的最早报道是用激动素打破莴苣种子的休眠,促进萌发提高发芽率。宗学凤等用低浓度6-BA处理水稻种子,指出6-BA能维持冷害水稻苗叶绿体较高的能量水平,提高冷胁迫水稻幼苗膜保护酶 SOD,POD和 CAT的活性,降低MDA的含量。他认为 6-BA提高水稻幼苗抗冷性,可能是增强膜保护酶 SOD,POD和 CAT的活性,减缓膜脂过氧化作用和增加植物体内可溶性蛋白总量,提高其中热稳定蛋白含量以及增加冷害水稻幼苗组织内ATP的含量,尤其是维持叶绿体适当的能量水平。在周琴的试验中,6-苄基腺嘌呤和多效唑浓度均为 50 mg/L时,叶片中抗氧化物保护酶活性和根系活力达到最大值,从而提高油菜幼苗抗寒性[24]。

2 外源非激素类有机物质

水杨酸(SA)是一种植物体内含有的单元酚类植物生长调节剂,可被植物的叶、茎、花吸收,有相当重要的传导作用。它是植物体内的次生代谢产物,其生理作用,一是提高作物的抗逆能力;二是有利于花的授粉。经水杨酸处理后可以提高番茄[25]、西瓜[26]等幼苗的抗冷性。经过冷锻炼的黄瓜幼苗叶片中游离态 SA含量增加2.5倍以上[27]。外源 SA可显著提高系统的稳定性,提高黄瓜幼苗抵抗冷胁迫的能力[28]。舒英杰等用不同浓度的水杨酸对黄瓜进行浸种,发现能提高黄瓜种子萌发时对低温的抗性,并得出了在10℃的温度条件下,0.05 g/L是水杨酸的最佳浓度[29]。

黄腐酸(FA)也能增强油菜幼苗超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性和提高抗坏血酸含量,抑制丙二醛(MDA)的产生,提高抗寒力[30]。曹永翔等用脱落酸、水杨酸、多效唑、茉莉酸作为外源诱导处理番茄幼苗,结果表明处理后的番茄幼苗抗冷性明显高于对照[31]。周歧伟等用半胱氨酸、抗坏血酸和二苯胺为外源自由基清除剂,研究其对低温胁迫下香蕉的保护作用,发现半胱氨酸、抗坏血酸等自由基清除剂对减轻香蕉由于低温胁迫引起的自由基伤害效果明显,在提高香蕉抗冷能力过程中起到积极作用[32]。李芸瑛等以甜菜碱根施黄瓜幼苗,结果表明可缓解低温胁迫后的叶中叶绿素含量的下降,保持相对较高的净光合速率和抗氧化酶活性,削弱丙二醛积累,保持细胞膜的相对完整性,提高幼苗存活率[33]。 Makela等用甜菜碱对油菜进行叶面喷施,2 h后甜菜碱被转运到根中,1 d后在其余部分均检测到甜菜碱的存在,并且发现环境因素如干旱胁迫会影响植物体对甜菜碱的吸收和运输[34]。李茂富等用甜菜碱(BT)和壳聚糖(CT S)混合处理香蕉幼苗,显著提高了香蕉幼苗的抗冷性,并且得出两药剂的最佳比例为0.3%CT S+5 mmol/L BT,在寒害发生前 1～ 3 d施用效果最佳[35]。此外,甜菜碱还能减轻黄瓜果实贮藏期间的冷害,提高其抗冷性[36]。

3 外源非激素类无机物质

钙具有防止膜损伤和渗漏的作用,在维护细胞壁、细胞膜的结构和功能中起着重要作用。同时,Ca2+作为第二信使在驯化生理过程中起着重要的作用,这已为大多数学者在不同作物上证实,例如,茄子[37]、辣椒[38]、油菜[39]。在香蕉幼苗冷胁迫期间喷施 H2O2与CaCl2,可减少细胞质泄漏,提高叶片 POD活性,增加可溶性糖含量及减缓叶绿素降解等[40]。

一些研究表明,钾能增强植物抗冻、抗旱、抗盐的能力。施用钾肥常能增强植物的抗逆性。冬小麦、春玉米、马铃薯以及葡萄等果树,凡是土壤供钾较好或在缺钾土壤上增施钾肥,均能增强其抗寒性,减少冻害。施钾较高的情况下,玉米幼苗表现出了膜渗透率的相对下降,并且叶片萎蔫的幅度下降,植株过氧化酶活性比较稳定;而低钾植株的酶活性普遍升高,说明施用钾肥可影响膜的透性,有助于保持细胞的正常代谢,减轻植物的低温伤害[41]。杨金英也同样证实了高浓度 K+能够促进水曲柳幼苗体内游离脯氨酸的积累,并且效果显著,同时高浓度的 K+对水曲柳和紫锻可溶性糖的积累有明显的促进作用[42]。

施用Zn,Cu,Mn增加植物抗寒性是近期抗寒领域研究的热点。李涛采用液培法研究了 Cu,Zn和Mn在黄瓜幼苗抗冷性中的作用发现:Cu,Zn和 Mn具有提高 Mn-SOD及 Cu/Zn-SOD活性,显著降低电解质渗漏率的重要功能[43]。孙东旭研究指出,高低温对植物体内硼的吸收和运输有较大的影响,从而推测植株的单株粒重和硼含量有一定的关系[44]。硼、钼通过维持低温下较高保护酶活性和降低活性氧水平也能提高草坪草的抗寒力[45]。

4 展 望

在未来的农业和生产当中,作物化控技术作为农业生产的新技术,是传统农艺技术的发展与补充,也是高产优质高效生产技术的重要配套技术。但就现阶段植物生长调节剂的应用状况而言,这种成就还只是初步的,随着农业生产的发展,它将与育种技术和实用生物工程技术一样在更大范围内得到应用。就现阶段植物生长调节剂的应用状况而言,研发新品种和发展多功能的混合制剂是今后的主要方向。

(1)新品种的研发。在植物生长调节剂的研发方面,一是向多品种发展;二是向高效发展,研发出浓度小效用大的调节剂;三是研发新的植物生长调节物质;四是向安全性发展。植物调节剂除了要求对植物安全外,还要求系统研究新品种的动物急性毒性和慢性毒性,测定农药残留量。

(2)发展多功能的混合制剂。早前在对植物抗寒调节剂的研究中主要集中在单一物质对于植物抗寒的作用,往往不能得到较好的调节效果。今后的研究方向有趋向于对植物施用复合物质,发现不同类型的调节剂之间的加和作用,克服不利气候条件对农业生产的不良影响。总之,植物生长调节剂混合使用是一项新技术,应用时要在充分了解各类调节剂生理功能和两者混合后的相互关系的基础上,筛选有效增作用的最佳配方,使植物生长调节剂更好的在农业生产上应用。

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