油茶低温响应研究进展

刘文鑫 刘亚男

(九江学院江西油茶研究中心 江西九江 332005)

油茶(Camellia oleifera)属山茶科(Theaceae)山茶属(Camellia)的常绿小乔木，是中国南方特有的木本油料树种[1]。近年来，由于中国南方地区冬季频发冻害、雪灾，特别是长江中下游地区等油茶主产区常发生低温冻害，导致油茶产量降低，因此，对油茶开展系统的耐寒相关研究尤为重要。通过研究油茶在低温下的生理反应和调控机制，明确其响应低温的内在机理，从而在低温胁迫来临前及时采取措施，以达到降低低温冻害对油茶产生的不利影响的目的，对油茶产业的发展有重要意义。低温使植物的生理活动受到影响，同时植物的各种蛋白含量、酶活性也随之发生改变，相应抗寒基因的表达和响应机制也发生了改变。

尽管油茶对低温环境有较高的耐受性，但严重低温造成的冻害也会导致树势减弱，引发病害，影响未来的生长和产量，严重限制了其主要产区的经济发展。在植物中，冷胁迫会引起植物在生理学、生物化学和分子生物学方面的变化[2-4]。冷胁迫主要通过诱导光系统I和光系统II的光抑制进而影响光合机制[5]。此外，叶绿体电子传递链的缺陷会导致活性氧(ROS)的过量产生[6-7]。ROS的过量积累会导致膜脂过氧化反应的增加，进而损害重要的生物大分子[8]。因此，为了消除过量的ROS，植物形成了一系列的抗氧化防御机制，包括酶抗氧化剂和非酶抗氧化剂，以保护细胞免受ROS的伤害[6-8]，主要的酶抗氧化剂包括过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)等；非酶抗氧化剂包括谷胱甘肽(GSH)、抗坏血酸(ASA)、半胱氨酸(Cys)等[9]。低温胁迫导致光合碳还原电子通量的减少与SOD和APX活性的显著增强密切相关[10]。虽然关于植物耐冷的分子机制在其他物种上已经进行了深入的研究，但对于油茶关于低温胁迫下分子的相关研究停留在转录组分析层面上[11-12]。

植物叶片的内部和外部结构能在一定程度上反映植物的生理适应性，因此叶片结构的差异和变化可以作为研究植物抗逆性的依据之一[13]，而在生理结构上起主要作用的是叶片[14-15]。前人对多种植物进行低温胁迫处理后的研究发现，低温胁迫对植物的生长发育会造成不利影响。因此，在油茶的抗寒性研究中叶片解剖结构的差异及生理生化特性的变化成为了研究油茶抗寒性与否的重要指标。

1低温胁迫对油茶叶片形态结构的影响

叶片是植物进化过程中对环境变化较敏感且可塑性较大的器官。低温胁迫后，植物通过改变外部形态来响应胁迫环境，叶片的组织结构与抗寒性密切相关。环境因子的临时改变不会导致叶片结构发生很大的变化，结构是植物对环境条件长期适应的体现。因此，在抗寒性研究中，叶片的形态和解剖结构特征可以作为一个评价植株抗寒性的重要指标之一[16]。植物可以通过改变叶形、叶厚及结构等特征来适应环境胁迫，叶片结构中各组织的大小和所占的比例等与抗寒性密切相关[17]。前人已经做了很多关于叶片结构与抗寒性的相关研究[18-20]，并且分析植物叶片解剖结构已成为评价植物抗寒性的重要方法，并应用于不同物种抗寒性的研究[18-22]。

曾建亮等[23]通过对6个油茶品种的叶片解剖结构分析，发现油茶的耐寒性主要受到叶片解剖结构指标中上表皮厚度、海绵组织厚度、组织结构紧密度和气孔密度的影响。张鑫[24]通过对不同生态区域油茶品种叶片解剖结构进行观察测定发现，不同地区间油茶的叶片表皮结构差异十分显著，组织厚度最大的凤阳油茶更能够忍受低温环境。气孔开度最小的凤阳油茶，可能与其分布在安徽油茶的最北侧有关。不同物种的油茶气孔密度差异较大且显著，同一物种间的无显著差异，油茶品种不同气孔开度不同，环境会导致相同品种油茶的气孔开度差异。叶片气孔密度越小，抗寒性越强，密度越大，抗寒性越弱。

2低温对油茶生理特性的影响

2.1低温对油茶光合特性的影响

光合作用是一个对非生物胁迫高度敏感的生理过程[25]。光合速率可作为研究植物光合特性的重要参数，是反映植物生长状况、抗逆性及推断植物生产力的重要指标。植物光合作用对环境条件变化非常敏感，可用来反映植物对不利环境的适应性[26]。植物叶片的结构对光合作用影响明显。叶片越厚，光合能力越强，叶片越薄，光合能力越弱[27-28]。

低温会导致植物吸收的光能超过能够利用的光能，引起光抑制[29]。吴玲利等[30]人研究发现，“华硕”和“华鑫”油茶苗在冷驯化25d时两个品种的Pn、Gs、Tr、Fv/Fm及qP均显著降低，在常温25°C恢复7d后以上指标均增加。高璐鑫等[31]研究发现亚低温胁迫处理的油茶叶片PSII与PSI活性均发生抑制；亚低温胁迫下油茶叶片光合机构电子传递链活性显著降低，导致叶片光合机构的光合性能降低。王雨水[32]研究发现“杂优闽 1”油茶幼苗在冷胁迫处理时，经低温锻炼的净光合速率降低程度小于未经低温锻炼的，且常温恢复后，前者能很快恢复，后者的没有恢复，说明低温锻炼能显著提高油茶幼苗的抗寒性，可以有效地避免冷胁迫的伤害。陈丽文等[33]研究发现低温导致油茶的最大光化学效率(Fv/Fm)降低。低温预处理后可提高油茶的抗寒性，因此光合特性的变化可以作为判断油茶抗寒性差异的指标之一。

2.2对保护酶系统的影响

植物在正常生命活动中会产生ROS。冷胁迫影响植物的生长，使植物对能量的利用率降低，从而导致光合作用降低和ROS的形成。在低温条件下，ROS的过量产生对植物有一定的毒性，需要经过一系列的抗氧化系统进行清除。但随着胁迫时间和程度的加剧，活性氧的积累量超过抗氧化系统的清除能力，导致膜脂过氧化，引起膜系统损伤，植物受到伤害甚至死亡[34]。在胁迫中，SOD能够清除活性氧自由基，有利于提高植物的抗氧化能力；POD能够分解产生的过氧化氢，有助于提高植物的抗氧化能力[35]。CAT能够清除过剩的活性氧、保护细胞，从而增强植物的抗逆性。大量研究表明，这3种保护性酶与植物低温胁迫密切相关。

低温处理后，广西油茶的CAT活性在20℃时最高，湖南油茶的在15℃时最高；两种油茶中的SOD活性均在20℃时最高；广西油茶中POD活性在15℃时最高，湖南油茶的在10 ℃时最高。大别山1号油茶随低温处理时间的延长，CAT和POD活性不断降低降低[36]。遭受10～0℃范围内的低温胁迫处理，油茶幼苗尚能形成低温适应机制；而遭受-10℃及以下低温处理时，油茶幼苗机体代谢机能则几乎失去平衡。经低温锻炼的油茶幼苗叶片SOD、CAT和APX活性高于未经低温锻炼的，说明低温锻炼有利于保护酶在诱导油茶抗寒性上发挥着重要作用[32]。

2.3对渗透调节物质的影响

低温胁迫下，植物可通过积累各种渗透调节物质如，可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸等来提高自身的渗透调节能力，与植物耐寒性有密切关系[37]。可溶性糖含量的增加有助于细胞液浓度的提高，降低细胞的冰点，进而减少细胞损伤，能显著降低低温胁迫对植物细胞造成的损害，提高植物抗逆性[38-39]。低温胁迫下，可溶性蛋白能够通过增加细胞内束缚水的含量来降低细胞受损程度。低温胁迫下脯氨酸通过保护蛋白质的完整性，增强相关酶的活性来抵御冷害，还可以通过减少植物体内因胁迫产生的ROS，防止细胞程序性死亡，保护植物细胞免受损害，降低膜脂过氧化程度[40]。

越冬自然低温过程中，亚林4号其他4种油茶相比有更高的可溶性蛋白含量、SOD活性、脯氨酸含量，并且可溶性糖降幅最小，表明其具有更强的抗寒性[41]。随着亚低温胁迫处理时间的延长，油茶“华硕”叶片中可溶性糖含量增加，淀粉含量降低，表明油茶通过促进淀粉向可溶性糖转化，缓解了亚低温对光合机构的进一步伤害[31]。随低温胁迫时间延长叶片可溶性蛋白含量显著上升，在低温处理72h时，高州油茶的可溶性蛋白含量与对照相比上升了7倍；而普通油茶的与对照相比上升了4倍，普通油茶表现出较强的抗寒性[42]。

2.4对膜透性的影响

生物膜是细胞的基本结构，组成了各种细胞器的膜系统。低温胁迫处理后，植物细胞膜物相发生变化，膜的透性增大，电解质外渗，电导率升高。相对电导率越高，细胞膜透性越大，说明细胞膜受害程度越大，导致抗寒性降低[43]。相对电导率和丙二醛含量呈显著正相关。MDA是细胞膜膜脂过氧化作用的产物之一，其含量能反映膜受损程度和植物组织抗氧化的能力[44-45]。一般而言，MDA与植物抗性呈负相关，即MDA的含量越高，植物组织或器官受损的程度就越大，植物的抗性就越弱。

在低温处理过程中，油茶的相对电导率均随温度的降低而上升，基本呈“S”型[46]。10℃和0℃处理4d后，大别山1号油茶叶片的MDA含量与25℃处理下相比分别增加了85.81%和32%。-10℃处理下，MDA含量增加了3倍[36]。在低温锻炼期间，“杂优闽1”油茶幼苗叶片的MDA含量没有发生明显变化，说明低温锻炼没有引起叶片的过氧化。但在冷胁迫期间，经过和未经过低温锻炼的油茶幼苗叶片的MDA含量均有所增加，但未经低温锻炼的油茶幼苗MDA含量增加幅度显著大于经过低温锻炼的，说明冷胁迫对经过低温锻炼的油茶幼苗的膜脂过氧化影响较小[32]，说明经过低温锻炼后可减轻膜脂过氧化的影响。

3外源物质对油茶低温胁迫下抗性的影响

近年来，通过喷施外源调节物质来提高植物抗寒性的方法已经得到广泛认可，在其他物种中也有了大量研究，而油茶中的相关研究较少。与喷施清水组相比，外源甜菜碱能够显著缓解低温胁迫下油茶相对电导率的升高，增加可溶性糖、可溶性蛋白的含量，提高SOD酶活性，降低超氧阴离子的含量，从而增强油茶对低温的抗性[47]。向低温胁迫的油茶喷施脱落酸(ABA)、CaCl2水溶液和抗坏血酸3种抗冻剂后发现，油茶的根系活力、可溶性蛋白质含量、叶绿素含量、叶绿素荧光参数均高于对照组，油茶的MDA含量均低于对照组，说明喷施抗冻剂可以有效减少低温胁迫对油茶的损害，提高油茶的抗冻性和适应性，对油茶的栽培和推广有重要意义[48]。变温低温胁迫处理并喷施CaCl2溶液后能够降低油茶叶片的相对电导率、可溶性糖、丙二醛的增幅，提高脯氨酸、可溶性蛋白含量，提高SOD、POD活性，且低温前喷施CaCl2溶液较低温后喷施的效果要好[49]。

4展望

低温胁迫是限制植物生长和发育的主要限制因素之一，特别是对于油茶这种具有重要经济价值的油料作物，低温还会导致其产量降低、减少主产区的收益。目前关于油茶低温胁迫的研究主要集中在比较不同品种油茶的抗性、胁迫下油茶的生理生化、光合特性及叶片结构等变化的单一方面的研究。油茶抗性的差异受各个方面的影响，因此以后的研究要将不同方面的研究进行综合分析，这样才能更全面地了解油茶不同抗性的差异原因。另外，关于油茶与抗寒相关的分子生物学研究较少，特别是关于抗寒相关基因的筛选及其表达机理的研究还不够深入，因此对低温胁迫下油茶抗寒或耐寒相关基因的挖掘是亟需解决的问题。随着现代研究手段的不断发展以及其他物种的研究不断完善，有必要通过现代分析育种技术以及其他物种的研究方法来有目的地改量高产但抗性差的油茶品种，为油茶产业提供技术支撑。