植物抗寒剂的研究现状及发展趋势

胡红远，文卓琼，熊海蓉，文祝友，熊远福，王宇婷

（1.湖南农业大学理学院，湖南 长沙410128；2.武昌工学院，湖北 武汉430065；

3.湖南农业大学分析测试中心，湖南 长沙410128；4.湖南农业大学动物科技学院，湖南 长沙410128）

我国是植物受冻害较严重的国家之一，低温寒害是无法避免的自然灾害，给我国造成了巨大的经济损失[1］。植物抗寒剂通过稳定植物细胞膜结构，使其保护系统和通透性不受破坏，从而适应逆环境，在抵御寒冷的同时，还能促进根系发达、增强光合作用等。植物抗寒剂的研究对于提高植物质量和增强我国优势作物的竞争力具有较大的现实意义。

1 植物抗寒剂简介

1.1 植物抗寒剂的定义

抗寒剂的定义比较广泛，凡是能够稳定植物细胞膜结构，诱发其发生一系列生理生化活动，并增强其抗寒性质的药品、试剂或者植物生长调节剂等，都可以称为抗寒剂。

1.2 植物抗寒剂的特点

（1）施用方法比较简单，一般为浸泡种子、植株生长过程中喷施[2］。赵华[3］利用抗寒剂对水稻种子进行浸种，并按照常规方式进行催芽播种，结果表明，抗寒剂能够提高水稻秧苗素质和成秧率。黄翔[4］以稀释一定倍数的复合生物制剂对黄瓜叶面进行喷施，使黄瓜在（10±1）℃低温胁迫下，能够保持叶片含水率、相对较高的超氧化物歧化酶（SOD）活性和葡萄糖含量等，提高黄瓜幼苗的抗寒性。

（2）不同种类或同种类不同浓度的抗寒剂，作用效果不同。陈文超等[5］以福湘佳玉辣椒为试验材料，以清水为对照，研究了低温胁迫下喷施水杨酸、多效唑和甜菜碱3种抗寒剂对辣椒幼苗植株形态和生化指标的影响。结果表明：适宜浓度的3种抗寒剂均能减轻辣椒幼苗的低温伤害程度、增加幼苗高度、壮苗；经3种抗寒剂处理后，幼苗叶中的叶绿素、脯氨酸、可溶性糖含量和过氧化物酶（POD）活性均高于对照植株，可溶性糖、叶绿素含量的最大值分别比对照高61.54%和25.93%，POD活性和脯氨酸含量的最大值分别是对照的2.34倍和1.93倍；丙二醛含量与相对电导率的最小值分别比对照减少了79.31%和33.44%；水杨酸的抗寒效果较其它两者好，且以浓度为7.5mmol·L－1水杨酸处理的效果最佳。孙刚等[6］研究了不同浓度配比的PEG、水杨酸和二甲基亚砜复合液对玉米种子抗寒性的影响，结果表明，不同配比的复合液处理玉米种子，其发芽率及各项生理指标均有显著差异。

（3）省时省工，节约成本，绿色环保。抗寒剂可以在室内对作物种子进行包裹，然后在室外耕种，操作简单；一般抗寒剂用量不大，且浓度较低；目前所用抗寒剂几乎无毒无害、绿色环保。

（4）应用范围广泛。可用于大田作物、果树、蔬菜、花卉等领域[7］。

1.3 植物抗寒剂的作用机理

王红等[8］通过测定抗寒剂对水稻线粒体膜流动性的冷稳定作用时发现，在正常温度下，经抗寒剂处理后的水稻幼苗的线粒体膜流动性明显提高；在低温8℃下测试其膜流动性，测试值与在20℃时的相比，保持了它的低温稳定性。

因此，植物抗寒剂主要是通过提高植物细胞膜结构的稳定性，使其通透性和保护系统不受寒冻破坏。具体表现在以下几个方面：

（1）缓解电解质外泄。经抗寒剂处理，缓解了膜透性增大和膜内离子、有机基质的外泄，避免膜内电解质浓度过低而导致的失水[9－10］。

（2）提高叶绿素含量[11］。植物需通过叶绿素进行光合作用制造营养来保证其正常生长。

（3）大量积累可溶性糖。糖的大量积累，使细胞液浓度升高，防止其严重脱水且能降低冰点，细胞质胶质不至于遇冷凝固，从而增强了植物的抗寒性能[12］。

（4）增加植物体内游离脯氨酸含量。脯氨酸能提高细胞液浓度，保持细胞液与环境的渗透平衡，并且能够溶解蛋白质和减少可溶性蛋白质的沉淀，是植物体内最重要的渗透调节物质之一[13］。

（5）减少苗体丙二醇（MDA）含量。MDA是植物在逆境环境中膜脂质发生过氧化的产物，会降低膜的选择透过性，并且随着时间的延长，MDA含量越来越高，细胞存活率则会越来越低[14］。

（6）提高SOD、POD、过氧化氢酶（CAT）酶活性。SOD能够将细胞内积累的氧自由基转化为H2O2；而POD和CAT能将H2O2转化为H2O和O2，产物都能被细胞所利用，这3种酶被称为植物组织的保护酶系统[15］。

2 植物抗寒剂的研究进展

2.1 国外抗寒剂的研究进展

国外对植物的膜结构、脯氨酸含量与抗寒性的关系做了很多研究。20世纪60年代，Zeevaart和Ereelman指出，在低温下，外源激素物质，如脱落酸（ABA），能够引导脯氨酸含量增加。20世纪80年代，Yamaki等[16］发现，植物受到寒冷袭击时，质膜的影响首当其冲。Kimball等[17］对多种抗寒性不同的牧草进行低温实验，结果表明，叶绿体膜结构的稳定性与植物抗寒性呈正相关关系。

脯氨酸是一种有机溶剂，在植物体内普遍存在。20世纪八九十年代，Borman等[18］在烟草上的试验、Stewart[19］在蚕豆上的试验等，都证实脯氨酸含量的增加可提高植物抗寒性。因为脯氨酸可以作为碳源和氮源，在逆境解除后，为细胞恢复提供很多能量[20］。脯氨酸是唯一可以保护植物免受单线态氧和自由基伤害的可溶性溶质分子，可以螯合单线态氧，及时清除羟自由基，对质膜和蛋白质起到了较特殊的保护效果。植物体内大量积累的脯氨酸在降低细胞酸性、解除氨毒等方面起重要作用，从而稳定蛋白质、DNA和细胞膜[21－22］。

20世纪末，国外也报道过一些能提高植物抗寒性的药物，如Lee等[23－24］曾利用 ABA和 Tachigrance处理水稻，预防水稻冻害；Robertson等[25］通过ABA处理石楠，增强了细胞活力，促进了糖类物质的吸收，稳定了细胞膜的结构，避免低温下细胞膜遭到破坏；在前人的基础上，Kurkela等[26］从拟南芥植物中克隆出了一种ABA诱导的转录物，并证实该产物与抗寒性有关。

近几年，国外有从基因水平探讨植物抗寒性的报道。2014年，Rasool等[27］总结了过去的15～20年，人们在研究植物冷适应现象方面所取得的不错成果；并指出数百个基因的表达应对冷环境，导致数以百计的代谢物产生。Byun等[28］也提到了转录因子DaCBF7的表达与抗寒性的关系。目前，国外植物抗寒剂的应用非常广泛，如应用于大田作物、果树、蔬菜、花卉等领域。

2.2 国内抗寒剂的研究进展

我国植物受寒害比较严重，过去都是采用传统的御寒措施，如施放烟雾、花期喷水、树干涂白，因不了解植物抗寒的机理而收效甚微。因此，我国开始从细胞、分子水平去探索与植物抗寒性有关的信息。20世纪90年代，我国不少研究者利用电导仪检测质膜稳定性与植物抗寒性的关系，取得了一定成效[29］。

在单一抗寒剂方面：2006年，张海清等[30］用4种抗寒种衣剂对低温胁迫下的2个早籼稻品种进行处理，结果表明，施用抗寒种衣剂的水稻根系活力增强，叶绿素和3种酶活性都提高，丙二醛和电渗率降低，探明了抗寒种衣剂对水稻秧苗的影响及其作用机理。2008年，魏安智等[31］在仁用杏花芽膨大期分别喷施ABA、“杏花防冻剂”、“冻害必施”和“天达－2116”等4种抗寒剂，也取得了同样的效果。

在混合抗寒剂方面：2010年，罗立津等[32］以甜椒为材料，以冠菌素、ABA和矿源黄腐酸为调节剂，采用三元复配剂和各种单剂进行灌根处理，结果表明，三元复配剂和单剂都能起到抗寒效果，但三元复配剂效果更明显，表现了一定的协同诱导效应。李洋等[33］以SNP＋混合剂A处理黄瓜幼苗，结果比单独用SNP处理要好。

在不同植物中的应用：黄伟峰等[34］以竹醋液为基液配制了不同的茶树抗寒剂，并进行了茶树生理抗寒指标的测试，结果表明，B2配方能够显著提高茶树的抗寒性，稳定茶叶产量。何璐等[35］用抗寒剂分别在常温和低温下对棉花幼苗进行处理，结果表明，抗寒剂在低温条件下对幼苗促进更为明显。于永畅等[36］以蕙兰“大一品”为材料，采用不同浓度的ABA和PP333对其进行叶面喷施后低温处理，结果表明，2种抗寒剂都缓和了蕙兰的冷害程度，并且在浓度分别为15mg·L－1、20mg·L－1时效果最佳。目前，我国抗寒剂只是在一些主要的作物上有应用，有待进一步研发。

3 抗寒剂研发存在的问题及发展趋势

目前对单一抗寒剂的研究较多，研究表明，复合抗寒剂更能满足当前的需求。ABA是目前已知抗寒效果最好的单一抗寒剂，但成本太高，所以控制成本和研究复合制剂是今后抗寒剂研发的主攻方向。

（1）开发新品种。需要在了解抗寒剂作用机理的基础上研发新品种：一是在不同植物中进行探索，提取出新品种抗寒剂，尤其是植物源抗寒剂；二是提取出用量小、效果好的品种；三是筛选出对植物威胁小、在安全方面有保证的品种。

（2）发展多功能的混合制剂。抗寒剂可以不仅仅只有抗寒功能，通过对不同制剂进行复配，找到合适的配方，使抗寒效果最佳，而且还可具有一定的有利于植物生长的附加功能，这才是抗寒剂的真正意义所在。

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