外源物质提高作物抗寒性研究进展

裴海荣+郭宗端+李伟+贾洪秀+袁凤英+王晓龙

摘要：低温是作物遇到的逆境胁迫中较为常见的一种，提高作物抗寒性，减少低温对作物的不利影响在农业生产中至关重要。综述了几类外源物质对提高作物抗寒性的影响，并对未来的研究重点进行了展望。

关键词：外源物质；抗寒性；作物

中图分类号：Q945.8 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）03-0409-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.003

Research Progress on Improving the Cold Resistance of Crops by Exogenous Materials

PEI Hai-rong， GUO Zong-duan， LI Wei， JIA Hong-xiu， YUAN Feng-ying， WANG Xiao-long

（National Engineering Technology Research Center for Controlled Release Fertilizers/Kingenta Ecological Engineering Limited Company，

Linshu 276700，Shandong，China）

Abstract： Low temperature is a common stress form of crops adversity stress. Improving the cold tolerance of crops is very important in agricultural production. The paper reviewed influence of several kinds of exogenous substances on improveing crop cold resistance， and the focus of the future research was also discussed.

Key words： exogenous substance； cold resistance； crops

溫度是影响植物生长的重要因素之一，同时也影响着不同种类植物的地理分布。在农业生产过程中，作物常受到低温的侵害，造成作物的生理障碍，引起作物减产甚至死亡。低温危害包括冷害和冻害，冷害是指在作物生长过程中，在零摄氏度以上低温对作物的损害。冷害使作物生理活动受到障碍，严重时某些组织遭到破坏。一些喜温作物如水稻、黄瓜、辣椒等经常发生冷害现象。冻害是指零摄氏度以下的低温使作物体内结冰，对作物造成的伤害。常发生的有越冬作物冻害、果树冻害和经济林木冻害等。冻害对农业威胁很大，如美国的柑橘、中国的冬小麦和柑橘常因冻害而遭受巨大损失[1，2]。

目前一般通过提高农艺栽培手段来减轻低温对作物的危害，如冬季采用温室大棚种植，覆膜种植等方式来提高温度，改善作物生长环境。也可以采用杂交育种或基因工程来培育抗寒能力优越的品种，减少低温的不利影响[3，4]。但改善农艺措施费时费工，杂交育种抗冷性资源不足，选择周期长，基因工程技术难度大。比较简单的办法就是使用外源物质来提高作物对寒冷的抗性，外源物质主要包括植物生长调节剂，如脱落酸、芸苔素内酯、水杨酸等；渗透调节物质，如可溶性糖、甜菜碱等；无机盐离子，如Ca+，K+等。

1 激素类物质

植物激素在提高植物抗低温能力方面有重要作用，是抗寒基因表达的启动因子之一。内源ABA被称为胁迫激素，在植物遭受低温胁迫时，含量大大增加，而赤霉素、生长素含量下降，玉米素核苷含量先降后升。外施激素类物质同样可以提高植物抗寒性，使用较多的是脱落酸、水杨酸、油菜素内酯等，主要作用包括以下几个方面：促进植物内源脱落酸的形成；降低电解质渗透率；增加渗透调节物质的含量；增强SOD及POD等酶的活性；诱导抗寒基因的表达及冷信号的传导[5]。

1.1 脱落酸

脱落酸被认为是植物对不同逆境因子产生响应的共同信号之一，它在许多逆境响应基因诱导表达中起到调控作用。当低温引起植物体内渗透调节改变时，可以促进脱落酸的积累并最终导致抗寒基因的表达，提高植物抗寒力。外源脱落酸的抗寒性诱导作用已经在棉花、苜蓿、油菜、黄瓜、小麦等作物中得到证实。Baker等[6]、Yamaguchi Shinozaki等[7]、Lang等[8]发现，拟南芥中部分冷诱导基因除受冷胁迫诱导外，还受脱落酸诱导。吴楚等[9]研究表明，低温驯化仅能引起少量的内源脱落酸和RAB18基因表达的变化，特别是对RAB18的调控，其转录物几乎测不出。当使用了外源脱落酸处理后，显著增加了RAB18基因的表达，这就说明外源使用脱落酸相比低温驯化，更能提高作物抗寒性。除了诱导抗寒基因表达外，也有人认为外源ABA能够稳定细胞质骨架以保护低温下膜结构的稳定性，进而增加抗寒性[10]。例如刘娜等[11]在甜菜幼苗上外施诱抗素，减少了膜脂过氧化产物的积累，降低了细胞膜透性，从而减轻了低温胁迫的伤害。

1.2 水杨酸

水杨酸是存在于植物中的一种酚类物质，是激活植物防御反应的自然信号物质之一，可以通过韧皮部运输，从而诱导系统获得抗性。同时，水杨酸是一种生热素，能诱导植物体生热，其诱导的生热效应是植物对低温环境的一种适应。在低温胁迫下，水杨酸可显著提高幼苗叶片细胞膜的稳定性，抑制叶片中丙二醛的积累，提高过氧化氢酶、过氧化物酶等酶的活性[12，13]。何淑玲等[14]用0.3 mg/L水杨酸溶液处理狭叶红景天，发现能够提高Ca2+-ATP、Mg2+-ATP的活性，减轻细胞膜的伤害，提高幼苗抗寒能力。王玉坤等[15]利用0.3 mmol/L水杨酸溶液对番茄种子进行浸种处理，待幼苗长至2叶1心时进行低温胁迫，结果发现水杨酸能够显著降低细胞质膜透性与MDA含量，提高可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素含量，增强幼苗抗寒性。Chen等[16]则有不同的观点，发现水杨酸是激活某些防卫反应的重要信号因子，其作用是作为配体与过氧化氢酶结合，抑制该酶的活性，使细胞内过氧化氢含量增加，诱导防卫反应。

1.3 芸苔素内酯

芸苔素内酯是一种新型激素，是目前公认的活性最高，最广谱的植物生长激素，能减轻作物在低温胁迫和回温恢复过程中的伤害作用，而且能促进根系和基叶的正常生长和健壮度。研究发现，使用芸苔素可以提高禾本科作物如水稻[17]、玉米[18]、小麦[19]的抗寒能力，同时，对一些茄果类等经济作物也有类似的作用[20，21]。其作用机理可能是通过钙信使系统或激素类作用来调节作物抗冷力的形成，阻止产生过多的自由基，或诱导激活相关酶系统如过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶等来降低自由基对膜脂的氧化作用，从而稳定膜的结构与功能，增强膜的防卫作用，使作物适应低温环境，促进生长[22]。王炳奎等[23]发现，水稻种子用芸苔素内酯浸种后，水稻幼苗在低温胁迫时维持了较高的超氧化物歧化酶的活性，减缓了丙二醛的积累，保持较高的ATP水平，促进了脯氨酸的积累。周玉萍等[24]也发现芸苔素内酯可以提高香蕉幼苗低温胁迫时和低温胁迫后叶片过氧化物酶活性，进而减轻低温对香蕉的伤害。

1.4 多胺

多胺类化合物普遍存在于植物细胞内，主要有精胺（Spm）、亚精胺（Spd）、腐胺（Put）和尸胺（Cad）等，某些多胺以有机多聚阳离子的形态与带负电荷的核酸、蛋白质等结合，影响其构相，进而间接地影响DNA、RNA的表达。遇到低温等逆境胁迫时，多胺能够保护膜结构不受破坏，并能够与膜上的磷脂作用，增强膜的稳定性[25，26]。喷施亚精胺能够增加低温胁迫下植物体内游离脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的含量，并增加抗氧化保护酶SOD、POD和CAT的活性，进而增加植株抗寒性[27，28]。多胺能够提高果实的耐冷性，50 mg/L亚精胺处理可以减轻果肉褐变，延缓冷害发生，降低桃果实的冷敏性，延长保鲜期[29]。外源腐胺也有同样效果，使用腐胺處理能够提高低温胁迫下芒果内源多胺的含量，维持果皮SOD活性在较高水平，使细胞膜透性增加缓慢，缓解冷害的发生[30]。

2 非激素物质

除了激素类物之外，一些无机盐离子如Ca2+，能够通过稳定细胞结构，促进低温信号传导，诱导抗寒基因表达来提高作物抗寒性。有机渗透调节物质如甜菜碱、脯氨酸、可溶性糖等是一种重要的抗寒剂，目前研究与应用比较多。在低温胁迫时，膜系统受到破坏，细胞液外渗，导致细胞内外平衡失调。渗透调节物质可以提高细胞液浓度，维持渗透压，保护膜系统组分，提供生命活动所需要的养分，还可以产生新的功能蛋白酶和生长激素来抵抗逆境胁迫，相互协同调节内环境，提高植物抗寒性。

2.1 钙

钙离子能够提高植物的抗寒性，主要从以下3个方面发挥作用。

一是能保持细胞膜的稳定性，维持细胞膜正常功能，进而提高植物抗寒力。Ca2+作为磷脂的磷酸根和蛋白质羧基间连接的桥梁，使膜的结构变得更为牢固[31]，能够提高相关酶系统如过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶等来降低自由基对膜脂的氧化作用，保持细胞膜的功能，防止细胞超微结构的破坏[32-35]。

二是通过加固细胞壁影响植物耐冷性。细胞壁能够防止胞外冰冻脱水引起细胞塌陷损伤，一些植物在低温条件下，细胞壁加厚并木质化[36]，Ca2+正是细胞壁加厚和木质化的调节者。Eklund等[37，38]研究表明，钙离子浓度影响细胞壁成分的合成，低浓度的钙离子降低细胞壁内木质素和非纤维素多糖的积累，高浓度Ca2+则增加非纤维素多糖和木质素的合成及其在细胞壁中的沉积。Ca2+能刺激植物细胞分泌过氧化物酶到细胞壁中并提高其活性，通过这种酶的催化作用，使细胞壁中伸展蛋白形成异二酪氨酸双酚酯桥，导致伸展蛋白分子间以及伸展蛋白与多糖分子之间的连接，从而加强细胞壁的牢固性[39]。

三是作为第二信使促进低温信号的传导，诱导抗冻基因的表达。Lam等[40]发现，通过细胞内Ca2+浓度的增加，可诱导叶绿素a和b束缚蛋白转录体的增加。在苜蓿上使用Ca2+螯合剂BAPTA或Ca2+通道阻断剂La3+，抑制了低温诱导的Ca2+的输入，同时减弱了冷适应基因Cas15和Cas18基因的表达，降低了苜蓿的抗冻能力。相反地，使用Ca2+载体A23187和Ca2+通道促活剂Bay K8644促进Ca2+流入细胞，则诱导了抗冻基因Cas15和Cas18的表达，增加了其抗寒性[41]。

2.2 甜菜碱

甜菜碱不带电荷，溶解度很高，广泛存在于生物体内，许多作物在遭受逆境胁迫时，可以合成并在细胞内累积甜菜碱[42]。Koster等[43]将黑麦品种Puma在寒冷环境中培育4周，植物体内甜菜碱含量逐渐增加。Kishitani等[44]研究表明，抗寒能力强的大麦品种，在低温条件下甜菜碱含量较常温时增加5倍左右，而抗寒力弱的品种仅增加两倍。植物抗寒力的强弱与甜菜碱的增加量呈正相关的关系，增加越多，抗寒能力越强。甜菜碱作为细胞内重要的渗透调节物质，能有效地维持低温下蛋白质和生物膜的结构与功能。Coughlan等[45]研究表明，在低温胁迫下，甜菜碱可以减轻低温对菠菜叶绿体类囊体的伤害，原因可能是甜菜碱本身是季铵化阳离子，可与膜外蛋白质的羧基阴离子相互作用，稳定低温下细胞膜的结构。苏文潘等[46]在香蕉上外喷甜菜碱溶液降低了香蕉幼苗叶片细胞膜脂过氧化水平和细胞膜透性增加的程度，减小了超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性的下降幅度，并提高了过氧化氢酶活性，从而提高香蕉幼苗的抗冷能力，尤以7.5 mmol/L甜菜碱处理的效果最好。Bateman等[47]证明，甜菜碱能够稳定蛋白质的三级结构，阻止或逆转由一些非相容性溶质对蛋白质三级结构的破坏。甜菜碱提高作物抗寒性还可能与其能够诱导抗寒基因表达有关，Allard等[48]报道甜菜碱处理诱导了小麦抗寒基因wcor 410和wcor 413的表达，进而提高了小麦的抗寒力。

2.3 可溶性糖

可溶性糖也是一类渗透调节物质，常见的有蔗糖、葡萄糖、果糖、海藻多糖等。在低温逆境下植物体内常积累大量的可溶性糖。可溶性糖之所以能提高组织的抗冷性，可能有以下几个方面的原因：一是通过糖的积累降低冰点，增强细胞的保水能力；二是通过糖的代谢产生其他保护性物质及能源；三是对细胞的生命物质及生物膜起保护作用。

2.4 脯氨酸

脯氨酸是一种重要的有机渗透调节物质，在低温条件时，体内脯氨酸含量可提高10～100倍[49]。脯氨酸含量的增加有助于细胞或组织的保水，同时还可以作为碳水化合物的来源及酶和细胞结构的保护剂，来提高作物抗寒性[50]。植物除了自身合成脯氨酸外，外喷脯氨酸同样能起到提高抗寒性的效果。乔俊鹏等[51]在模拟降温过程中的深山含笑上喷施0.2 g/L脯氨酸溶液，结果发现，脯氨酸能够明显提高SOD酶的活性，降低丙二醛的含量，提高作物抗寒性。肖伏娥等[52]在水稻幼苗上喷施50 mg/kg的脯氨酸溶液，经过低温处理后，结果发现喷施脯氨酸的处理较对照水稻体内过氧化物酶活性和脯氨酸含量均明显增加，死苗率降低，表明外源脯氨酸有助于提高水稻抗寒性。

3 展望

现有研究表明，施用外源物质来提高作物抗寒性是有效可行的，尤其是诱抗素、水杨酸、甜菜碱等一些植物生长调节剂或渗透调节物质已经出现了商品化的产品，并且实际应用效果较好。但针对不同作物施用外源物质的最佳时间、最佳浓度等不明确。除了商品化的产品外，大部分抗寒试验都是实验室条件下完成，缺乏实际使用经验，并且试验往往与分子机制及细胞水平的理论研究相互割离。未来关于外源物质抗寒试验大田条件下应注重实际使用效果，实验室条件下注重理论研究，实验室、大田试验相结合，为外源物质在提高作物抗寒性上发挥更大作用。

参考文献：

[1] 潘瑞炽.植物生理学[M].第六版，北京：高等教育出版社，2008.

[2] 任 军，黄志霖，曾立雄，等.低温胁迫下植物生理反应机理研究进展[J].世界林业研究，2013，26（6）：15-20.

[3] 黎定军，高必达.植物抗寒冻胁迫基因工程研究进展[J].作物研究，2000（3）：45-48.

[4] 严学东，庄南生.植物抗寒育种研究进展简述[J].热带农业科技，2006，29（2）：18-22，27.

[5] 黄 翔.复合外源活性物质对几种作物抗寒性的影响及其机理研究[D].武汉：华中农业大学，2008.

[6] BAKER S S，WILHELM K S，THOMASHOW M F. The 5-region of Arabidopsis thaliana cor15a has cis-acting elements that confer cold-，drought-and ABA-regulated gene expression[J].Plant Molecular Biology，1994，24（5）：701-713.

[7] YAMAGUCHI-SHINOZAKI K，SHINOZAKI K. A novel cis-acting element in an Arabidopsis gene is involved in responsiveness to drought， low-temperature， or high-salt stress[J].The Plant Cell，1994，6（2）：251-264.

[8] L？魡NG V，PALVA E T. The expression of a rab-related gene， rab18， is induced by abscisic acid during the cold acclimation process of Arabidopsis thaliana （L.） Heynh[J]. Plant Molecular Biology，1992，20（5）：951-962.

[9] 吴 楚，王政权.脱落酸及其类似物与植物抗寒性之间的关系[J].植物生理学报，2000，36（6）：562-567.

[10] 简令成.植物抗寒机理研究的新进展[J].植物学报，1992，9（3）：17-22.

[11] 刘 娜，宋柏权，杨 骥，等.低温胁迫下甜菜纸筒苗叶喷植物调节剂试验[J].中国农学通报，2014，30（34）：35-40.

[12] 王 丽，王燕凌，廖 康.外源水杨酸处理对全球红葡萄植株抗寒性的影响[J].新疆农业大学学报，2005，28（2）：51-54.

[13] 孙 艳，崔鸿文，胡 荣.水杨酸对黄瓜幼苗壮苗的形成及抗低温胁迫能力的生理效应[J].西北植物学报，2000，20（4）：616-620.

[14] 何淑玲，马令法，杨敬军，等.外源水杨酸对低温胁迫下狭叶红景天幼苗生理及膜伤害的影响[J].北方园艺，2015（17）：61-65.

[15] 王玉昆，赵 敏，杜彩云，等.外源物质引发处理对番茄幼苗耐冷性的影响[J].江苏农业科学，2015，43（2）：160-161.

[16] CHEN Z，SILVA H，KLESSIG D F.Active oxygen species in the induction of plant systemic acquired resistance by salicylic acid[J].Science，1993，262（5141）：1883-1886.

[17] 廖新华，张建华，王建军，等.芸苔素内酯对水稻孕穗期冷害的防治初报[J].云南大学学报（自然科学版），1999，21（2）：153-155.

[18] 周 天，周曉梅，胡勇军，等.油菜素内酯对玉米幼苗抗冷性的影响[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2004，25（1）：6-8.

[19] 张煜星，阎 洁，崔卫东，等.表油菜素内酯对小麦幼苗抗冷性的影响[J].石河子农学院学报（自然科学版），1995（2）：15-18.

[20] MANDAVA N B. Plant growth-promoting brassinosteroids[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1988，39（1）：23-52.

[21] 丁锦新，陶晓东，黄素青.表油菜素内酯对黄瓜幼苗抗冷性的影响[J].浙江农业科学，1998（4）：195-197.

[22] 陈善娜，刘继梅，游慧灵，等.抗寒剂和高油菜素内酯对高原水稻抗冷性的影响[J].植物分类与资源学报，1997（2）：184-190.

[23] 王炳奎，曾广文.表油菜素内酯对水稻幼苗抗冷性的影响[J].植物生理学报，1993（1）：38-42.

[24] 周玉萍，郑燕玲，田长恩，等.脱落酸、多效唑和油菜素内酯对低温期间香蕉过氧化物酶和电导率的影响[J].广西植物，2002， 22（5）：444-448.

[25] 刘 丹.亚精胺提高玉米幼苗抗寒性及其与NO关系的研究[D].江苏徐州：江苏师范大学，2013.

[26] 徐锦华，羊杏平，刘 广，等.西瓜耐冷性研究进展[J].江苏农业科学，2010（5）：208-210.

[27] 袁菊红.外源亚精胺对越冬金边瑞香抗寒性的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2012（5）：129-135.

[28] 张 帆，郁继华，颉建明，等.外源ALA和Spd对低温弱光下辣椒幼苗光合作用及抗氧化系统的影响[J].中国农业科学，2013， 46（11）：2298-2306.

[29] 冯志宏，赵迎丽，李建华，等.亚精胺处理对大久保桃果实冷敏性的影响[J].农业机械学报，2009，40（12）：151-155.

[30] 张昭其，李雪萍，洪汉君，等.外源腐胺减轻芒果冷害的研究[J].福建农业学报，2000，15（2）：32-36.

[31] STEPONKUS P L. Role of the plasma membrane in freezing injury and cold acclimation[J].Annual Review of Plant Physiology，1984，35（1）：543-584..

[32] 王丽萍，任良玉，王 冉，等.钙对黄瓜幼苗生长及抗氧化系统的影响[J].河北农业大学学报，2004，27（1）：34-37.

[33] 张 燕，方 力，李天飞，等.钙对低温胁迫的烟草幼苗某些酶活性的影响[J].植物学报，2004，19（3）：342-347.

[34] 梁 颖，王三根.Ca2+对低温下水稻幼苗膜的保护作用[J].作物学报，2001，27（1）：59-64.

[35] 侯丽霞.CaCl2浸种对低温胁迫下水稻幼苗生理指标的影响[J]. 江苏农业科学，2013，41（8）：70-71.

[36] RAJASHEKAR C B， LAFTA A. Cell-wall changes and cell tension in response to cold acclimation and exogenous abscisic acid in leaves and cell cultures[J].Plant Physiology，1996， 111（2）：605-612.

[37] EKLUND L，ELIASSON L. Effects of Calcium Ion Concentration on Cel Wall Synthesis[J].Journal of Experimental Botany，1990，41（7）：863-867.

[38] EKLUND L. Relations between indoleacetic acid，calcium ions and ethylene in the regulation of growth and cell wall composition in Picea abies[J].Journal of experimental botany，1991， 42（6）：785-789.

[39] WILSON L G，FRY J C. Extensin—a major cell wall glycoprotein[J].Plant， Cell & Environment，1986，9（4）：239-260.

[40] LAM E，BENEDYK M，CHUA N H. Characterization of phytochrome-regulated gene expression in a photoautotrophic cell suspension：Possible role for calmodulin[J].Molecular and cellular biology，1989，9（11）：4819-4823.

[41] MONROY A F，DHINDSA R S. Low-temperature signal transduction： Induction of cold acclimation-specific genes of alfalfa by calcium at 25 degrees C[J].The Plant Cell，1995，7（3）： 321-331.

[42] 韓冬芳，李雪萍，李 军，等.甜菜碱提高植物抗寒性的机理及其应用[J].热带亚热带植物学报，2010，18（2）：210-216.

[43] KOSTER K L， LYNCH D V. Solute accumulation and compartmentation during the cold acclimation of Puma rye[J]. Plant Physiology，1992，98（1）：108-113.

[44] KISHITANI S， WATANABE K， YASUDA S， et al. Accumulation of glycinebetaine during cold acclimation and freezing tolerance in leaves of winter and spring barley plants[J]. Plant， Cell & Environment，1994，17（1）：89-95.

[45] COUGHLAN S J， HEBER U. The role of glycinebetaine in the protection of spinach thylakoids against freezing stress[J]. Planta，1982，156（1）：62-69.

[46] 蘇文潘，李茂富，黄华孙.甜菜碱对低温胁迫下香蕉幼苗细胞膜保护酶活性的影响[J].南方农业学报，2005，36（1）：21-24.

[47] BATEMAN J B，EVANS G F，BROWN P R，et al. Dielectric properties of the system bovine albumin：urea：betaine in aqueous solution[J].Physics in Medicine & Biology，1992，37（1）：175-82.

[48] ALLARD F， HOUDE M， KR？魻L M， et al. Betaine improves freezing tolerance in wheat[J].Plant and Cell Physiology，1998， 39（11）：1194-1202.

[49] 沈贤辉，刘 刚.植物抗寒生理研究进展[J].长江大学学报（自然科学版），2014（17）：40-42.

[50] KHEDR A H A，ABBAS M A，WAHID A A A， et al. Proline induces the expression of salt-stress-responsive proteins and may improve the adaptation of Pancratium maritimum L. to salt-stress[J].Journal of Experimental Botany，2003，54（392）：2553-2562.

[51] 乔俊鹏，夏鹏云，梅海军，等.脯氨酸、维生素C和CaCl2处理对深山含笑抗寒性的影响[J].江西农业学报，2010，22（2）：40-42.

[52] 肖伏娥，胡 扬.外源脯氨酸与水稻幼苗的抗寒性[J].湖南农学院学报，1988，14（2）：15-19.