植物低温胁迫响应及研究方法探析

张文洪，陈明壤，叶锦培，黄思涵，何源凯，廖广寿，彭俐方

(1.广西大学 林学院，广西 南宁 53004；2.广西壮族自治区苍梧县国有天洪岭林场，广西 梧州 543005)

1 引言

低温对植物的正常生理活动有着负面影响，限制了植物的分布，影响了作物的产量和品质，造成了冻害和冷害。植物低温胁迫的研究自1830年代起的近200年中取得了较大的进展，却仍未找到能够从根本上解决低温胁迫对植造成危害的方法。本文探究了在低温胁迫下，植物的形态特征、渗透调节物质等变化，植物抗寒性的鉴定方法，提出了增强植物抗寒的方法，以为植物低温胁迫的研究提供一些参考。

2 低温胁迫与植物的反应机制

2.1 低温胁迫与植物的形态特征

在低温胁迫处理下，植物的形态特征会发生明显的变化。主要表现在植株品控差、生长缓慢甚至受阻死亡，叶片黄化，开花结实率降低等[1]。研究表明：植物萎化是植株遭受低温胁迫后最易出现的状况，原因可能是低温造成植物细胞活性下降，进而影响植物根系的活性，使其吸水能力大大下降。植物的气孔闭合能力也会因低温下降，加剧了蒸腾作用对植株水分的损耗。最终，植物会因失水过多而萎化。同时，水分中含有植物生长所必须的有机物、无机盐和矿物质等。低温胁迫造成植物水分丧失，也会让植物丧失藏于水中的营养物质，植物在营养不良的情况下会出现植株品控差、生长缓慢甚至死亡的可能性。低温会降低生物体内酶的活性，包括植物进行光合作用的叶绿体色素合成酶[2]和呼吸作用的多种酶[3]，叶绿体色素合成酶的减少会降低叶绿素含量，使植物叶片黄化，植物营养物质储存减少，植物开花结果率下降；作用于呼吸的多种酶的减少会使植株无法正常进行呼吸作用，进而影响植株的生长发育，使得植物萎化。

2.2 低温胁迫与渗透调节物质

植物在不利于生长发育的环境中，通常会利用体内的渗透调节物质来减缓受到的伤害。同样,在低温胁迫下，植物也会想方设法地通过各种方法来保护自身。

2.2.1 低温胁迫与脯氨酸

在低温胁逆境下的植物，面临的主要危机之一就是脱水，而作为重要的渗透调节物质之一的脯氨酸就是防止植物水分丧失的重要物质。研究表明：在植物体内缺水的情况下，植物会产生脯氨酸，以提高植物体内水分含量，维持植物正常的生理活动。罗丹等[4]对低温逆境下的番茄幼苗进行了研究，发现在一定范围内，随着低温处理时间的增长，其叶片中脯氨酸的含量也会增加，直到到达脯氨酸保护的临界值时，幼苗体内的脯氨酸才会迅速下降。通过控制温度，史红梅、张桂香、张海燕等[5]对高粱幼苗体内脯氨酸的含量进行测定，研究发现：低温逆境条件下，其脯氨酸的含量，呈上升趋势；而在逐渐降低温度的处理下，抗寒能力强的高粱幼苗产生脯氨酸的速度大于抗寒性弱的高粱幼苗。因此可以推断，脯氨酸是衡量植物抗寒性强弱的重要指标之一。

2.2.2 低温胁迫与可溶性蛋白

研究表明，可溶性蛋白的含量与植物的耐寒性有着联系。在低温胁迫下，植物会大概率因失水而死亡，而可溶性蛋白含量的增加将会降低植物的水分的丧失，同时也提高植物细胞液浓度，增强植物的耐寒性[6]。

张志伟等[7]对多种小麦进行了低温逆境研究，发现在低温处理下，其体内的可溶性蛋白的含量明显增加，且随着天数的增加，其可溶性蛋白含量还在持续上升。而小麦体内的可溶性蛋白含量，常温处理下，几乎不变。还有些研究表明，在低温处理下，植株体内的可溶性蛋白质，为保护其重要部位，会发生转移，以抵抗低温带来的伤害。宣继萍等[8]对结缕草进行低温处理研究，发现结缕草体内会在低温环境中产生更多的可溶性蛋白，而可溶性蛋白产生速率较快的部位会将其转移到其他部位，以增强植株整体的耐寒能力。

2.2.3 低温胁迫与可溶性糖

研究表明：可溶性糖含量与植物抗寒性之间有密切关系。在低温下，为增强其细胞的控水力，植物体内的可溶性糖会增加，提高细胞液的浓度，以降低其冰点。同时，可以保护植物细胞质，增强细胞的抗寒能力。朱政等[9]对茶树进行低温胁迫处理，研究表明：植株体内的可溶性糖含量，在低温逆境下，会先降低而后再升高[10，12]。

3 植物抗寒性研究的常见方法

3.1 直接鉴定法

直接鉴定法一直是对于植物生长抗寒性的研究中最常用的鉴定方法之一，包括植物生长功能恢复法、田间样本鉴定分析法、人工模拟寒冻天气法等[13]。田间样本鉴定分析法的原理是在低温逆境下，植物的形态特征会发生明显变化，以植物形态特征的变化程度与作用时间为依据来确定植物的抗寒性。田间样本鉴定分析法多数直接采用一种聚合各类样本分析法方式来进行分析，聚类样本分析法主要是一种根据相似性的程度对分类样本元素进行综合分类的理想的多元属性统计分析方法，使得同一个分类样本元素之间的样本相似性远远强于其他不同类型的元素之间。刘艳等[14]通过演化相关性遗传系数分类法和遗传系统聚类方法探讨了豆科植物间的直系遗传演化关系。张家洋等[15]通过观察研究南京的10种行道树种在冬季的形态特征变化，得到了它们之间的抗寒性强弱。生长功能恢复法也是植物抗寒性研究中常用的方法。首先将同种植物放置于合理的范围内的不同低温中进行处理，随后取出植株并在良好的环境中测定植物生长功能恢复的最低温度，最后分析得出植物的抗寒性强弱[13]。田娟等[16]通过观察20个紫薇品种的形态特征变化和测量植物内脯氨酸含量、可溶性蛋白含量与丙二醛(MDA)含量等综合定量分析，确定了20个紫薇品种的抗寒性强弱。人工模拟寒冻天气法就是模拟自然界的低温环境，最后依据植物的受冻害程度来确定植株的抗寒性强弱。

3.2 间接鉴定法

植物抗寒性研究除直接鉴定法外，还可以通过间接鉴定法来确定植物抗寒性的强弱。鉴定指标包括植物细胞膜透性的测定、叶绿素细胞荧光和尿素dab酶的定位、氧化还原酶测定系统、脯氨酸的含量测定等。细胞膜生态系统通常最先受到低温环境伤害。逆境效应导致植物细胞膜外层通透性明显增加，细胞内物质大量渗入植物体细胞膜外，其电导值越大小与植物细胞膜受伤害程度呈负相关，电解质发生渗漏的这种测定方法是目前衡量植物细胞膜外层结构是否稳定的重要测量指标。冀支林等[17]探究了在自然降温下，雪松叶片中过氧化氢酶(CAT)活性在10月至次年3月间呈“M”状变化，而雪松叶片可溶性糖含量在冬季明显增加。刘弘等[18]在不同低温梯度下对2年生的香樟叶片进行低温胁迫处理，研究发现在0～-20℃的低温区间，香樟细胞膜的电解质渗出率逐渐升高；在温度低于-10℃的环境下，香樟叶片MDA含量明显升高。

3.3 综合鉴定法

由于存在实验误差、技术困难等因素，单一指标对植物抗寒性研究存在偶然性，所以为获得准确的数据，往往采用多个指标共同研究的综合鉴定法[19-21]。隶属函数法是一种用模糊数学综合评价植物抗冻性的方法，其隶属度计算公式[22]：

负效应指标：

Uab=1-(Xab-Xbmin)/(Xbmax-Xbmin)；

正效应指标：

Uab=(Xab-Xbmin)/(Xbmax-Xbmin)。

式(1)、(2)中：Uab为所有a单个品种在b函数指标的抗寒隶属温度数指标值；Xab为所有a单个品种隶属b函数指标的测定函数值；Xbmin为所有单个品种隶属b函数指标的最小测定值；Xbmax为所有单个品种隶属b函数指标的最大测定值。

抗寒性隶属温度函数方法，如今广泛应用于我国的牧草、小麦、葡萄、苹果和核桃等[23～29]。

陈绮翎等[30]在探究烤烟耐低温性强弱时，利用人工控制温度和测量植物体渗透调节物质含量相结合、形态特征分析与灰色关联分析相结合的方法，最后确定烤烟的抗寒性强弱。杨慧菊等[31]人员利用了隶属函数综合分析法分别比较了不同类型土豆栽培品种在不同低温逆境下的土豆抗寒性强弱。

4 提高植物抗寒性的途径

4.1 植物低温锻炼

植物低温锻炼就是一种让植物在逐步适应低温环境中激发植物抗寒基因表达的方法。将植物置于能够正常进行生理活动的低温环境中，并且在低温环境中持续一段时间，以此来诱导植物的抗寒基因的表达。低温环境可以由人工控制，也可以是自然低温[32]。不同耐寒品种的抗冻植物，其抗冻性能是有很大区别的[33]。在低温逆境条件下，植物的细胞活性下降，进而影响植物根系的活性和气孔闭合能力，根系吸水能力下降与蒸腾作用使植物水分损耗。同时，植株体内的一些生物酶活性(cat、sod、pod、atp酶)显著升高[34]。Kazuoka等[35]研究发现，多数植物低温处理一段时间后，对低温的敏感性都表现出明显下降的趋势。同时，参与植物体生命活动的大多数渗透调节物质含量都有所提高。但其他一些学者也得出不同的结论[36]。

4.2 化学诱导的调控作用

植物在生长发育过程中，往往是在多种植物激素共同控制下生长。每种激素都对植物的生理生化过程中扮演着重要角色。因此，可以通过化学诱导来提高植物的抗寒性[37]。其中，对各类植物生长耐低温性具有影响的研究中，常在植物脱落酸(aba)、聚乙二醇(PEG)等中广泛展开。在寒冷环境胁迫下，脱落酸可以激活某些植物细胞基因，以产生新的抗寒反应能力[38]。在番茄等[39～41]茄科植物上已经研究证实。作物生产化工与控制技术，在未来的现代农业和农艺生产当中，也是优质高效农艺技术的重要组成配套技术[38]。如今我国的发展阶段，化学诱导的控制技术尚且单调，并不能与当前的农业生产紧密配合。

4.3 基因工程

提高植物抗寒性的方法多种多样，但归根结底都是通过外部刺激来激发植物的抗寒性基因，以增强植物的抗寒性。而基因工程则是直接作用于植物基因，通过编码植物的抗寒基因来提高植物的抗寒性。因而具有快速、准确的优点。但由于现代植物个体基因转移工程仍然是一个尚不成熟的热点领域，可供借鉴参考的案例并不多，还存在着许多问题有待解决。如：①目前可广泛利用的标靶目的抗寒基因不多；②同时转移多个植物基因的工程技术不成熟；③基于转基因的生物表达机制系统不健全完善。

5 总结与思考

植物低温胁迫的研究一直广受关注，特别是在农林业领域具有至关重要的地位。植物抗寒性的强弱受多种因素影响，单一的指标测量并不能够获得准确的结果，如单以植物细胞内可溶性糖的含量一项指标来鉴定植物抗寒性强弱，则过于单薄，其结论可能因实验误差而与事实相悖。因此，通常采用多个指标共同鉴定能得到较为准确的结果，同时，综合的鉴定方法也将成为未来科研人员最常用的方法。目前来看，植物细胞内多种生物酶与渗透调节物质都与植物抗寒性强弱密切相关，具体联系还需科研人员运用各类分析方法多加研究。此外，在提高植物抗寒性的途径中，对于植物幼苗的养护管理也是十分重要的一项。通过合理的种植方式，适时的施肥，恰当的管理，于冬季前获得茁壮的幼苗，才能使植物获得较高的抗寒性。综合近几年的研究来看，提高植物抗寒性基因工程技术的研究越来越受到科研人员的关注。通过直接作用于植物基因来获得理想的植株，具有着绝对的优势，但这项工程却还在走向成熟的过程中。一旦人们掌握了其中的关键技术，将会使人们对低温胁迫研究的提高到一个全新的领域。