植物防冻剂对葡萄抗寒能力的影响研究进展*

刘 畅，杨兴旺，王小龙，王志强，刘凤之，王海波

（中国农业科学院果树研究所，农业农村部园艺作物种质资源利用重点实验室，辽宁省落叶果树矿质营养与肥料高效利用重点实验室，辽宁兴城 125100）

低温灾害是指作物生长器官因环境温度过低而受损，以致减产或绝产的农业气象灾害。葡萄（VitisviniferaL.）作为一种低温敏感作物常遭受不同程度的低温伤害[1]，特别是霜冻对葡萄植株生长发育的危害尤为严重。早霜冻多发生在晚秋早霜来临时，主要危害葡萄枝条和根系；晚霜冻常发生在早春葡萄萌芽生长期，主要危害葡萄嫩芽和幼叶。近年来，我国各地葡萄主产区霜冻灾害频发，严重制约了我国葡萄现代化产业发展。以晚霜低温灾害为例，我国晚霜冻现象多发生在寒冷季节向温暖季节过渡时期[2]，这一时期正值葡萄萌芽展叶期，北方地区冷空气活动频繁，当近地面空气层的温度骤降到0 ℃或0 ℃以下，葡萄嫩芽和幼叶表面的温度也迅速下降，致使幼嫩部位细胞短时间结冰脱水，植株代谢过程受到破坏，进而造成葡萄新梢、嫩芽和幼叶等新生组织损伤[3]，严重时可导致葡萄死亡，造成减产或绝产[4]。

为了降低低温灾害给葡萄生产带来的危害，国内外多采用树体涂白、熏烟防霜、覆膜防寒[5]等物理措施预防低温灾害，但其繁重的工作量往往需要投入大量的人力物力[6]，极大地增加了葡萄的生产成本。近年来，研究人员已成功筛选出多种有效的植物防冻剂，并广泛应用于生产中。因此，本文概述了植物防冻剂提高葡萄抗低温能力的研究进展，以期在葡萄栽培生产中能更安全、更合理地发挥外源防冻剂的作用，保障果农经济效益，推进我国葡萄产业的现代化进程。

1 低温对葡萄生长发育的影响

1.1 低温对葡萄生长特征的影响

葡萄不同组织器官受冻发生时的临界温度不同，受冻表现也不同。普遍认为，葡萄的芽眼、新梢和嫩枝的耐受低温为-1 ℃，新长出花序的耐受低温为0 ℃[7]。葡萄萌芽期的芽眼受到低温胁迫后从内部开始变色，芽干枯后切面失绿变褐、变黑[8]，受冻严重时将丧失萌发能力，甚至影响芽的第2 年萌发。叶片也是葡萄最易受冻的组织器官之一[9]。新生嫩叶受冻后表现为叶片表面褐变、干枯，畸形的组织无法继续进行光合作用，进而影响葡萄的生长发育。除此之外，葡萄新梢受冻后表现为新梢基部节间颜色由绿色转变为浅黄色至深褐色。由于萌芽期嫩梢的含水量较高，低温发生时新梢内的自由水以及细胞组织发生结冰，维管层细胞间分离阻碍维管层细胞自我修复[8]，最终抑制新梢的正常生长。若霜冻低温发生在葡萄生殖生长阶段，花穗会因无法正常授粉受精而影响开花坐果。

1.2 低温胁迫对葡萄生理特征的影响

低温灾害不仅引起了葡萄植株表观变化，同时也影响着植株的正常代谢途径，进而造成葡萄生长发育过程中生理指标的变化。

细胞膜被认为是植株受冻的首要部位[10]，这与质膜的流动性有一定关系。质膜的流动性包括膜脂和膜蛋白的流动，当植株处于低温胁迫时膜脂从液晶态变为凝胶相，镶嵌于膜脂上的膜蛋白被固定，酶系统受到破坏，质膜因收缩而出现孔道，甚至龟裂，丧失了主动运输功能和选择通透性，从而使细胞质膜透性增大，造成质膜内电解质外渗，质膜内、外离子失衡，最终导致植株代谢途径和功能紊乱[11]。细胞质膜透性的变化程度常用电导率来表达，范宗民等[12]、贾金辉[13]研究发现葡萄枝条的相对电导率均随温度的降低而增加。

低温胁迫可以通过增加渗透调节物质含量以维持细胞膜的流动性和稳定性，提高葡萄抗低温能力，保证葡萄植株的正常生长[14]。葡萄体内渗透调节物质主要包括可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸等。当温度逐渐下降，葡萄体内的淀粉被水解为糖，可溶性糖含量增加[12,15]；而可溶性糖含量的增加又能够促进游离脯氨酸的累积，由于游离脯氨酸水溶性好、溶解度高，因此能够提高细胞的渗透压[16]，使细胞膜脂的相变温度降低，从而提高了植株自身的抗寒能力。由此可知，低温胁迫能够增加葡萄叶片中游离脯氨酸的含量[17]。不仅如此，不同品种葡萄枝条可溶性蛋白的含量在低温处理时也表现出增加的趋势[18]。可溶性蛋白质作为亲水胶体[7]，能够增加细胞内束缚水含量、降低冰点，使其能适应低温环境，并提高葡萄的抗寒性。

低温胁迫条件下，葡萄体内能产生大量的生物大分子和对膜脂有害的活性氧（超氧自由基、羟基自由基和过氧化氢），过量的活性氧会造成细胞质膜过氧化进而破坏细胞膜结构，降低细胞膜的稳定性和选择性。此时植株为了适应低温变化，开始激活体内超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化系统来清除活性氧和自由基，以减少或避免膜脂过氧化对细胞膜造成的伤害，从而使植株具备一定的抗寒能力。

2 植物防冻剂的种类及其抗寒机制

为了减轻低温对葡萄植株的危害，人们尝试用外源植物防冻剂提高葡萄抗低温能力。根据防冻剂的成分性质可分为无机盐类、有机化合物类、植物激素类和新型植物防冻剂。

2.1 无机盐类防冻剂

外源氯化钙（CaCl2）被证实能够提高葡萄的抗寒性。王丽[19]以巨峰、全球红和里扎马特葡萄为试材进行喷施CaCl2处理，结果显示5 mmol/L CaCl2能够缓解低温对葡萄植株的伤害。从生理学角度分析，Ca2+是植株必需的营养元素，能够促进植株可溶性糖积累，糖作为植株体内能量的直接来源可提高植株耐寒性；同时，Ca2+是维持细胞膜稳定的必需因子，其作为磷脂中磷酸根和蛋白质羟基之间连接的桥梁，可以使细胞壁和细胞膜结构更加稳定和完整，从而提高植株抗寒力[20]。

2.2 有机化合物类防冻剂

这一类植物防冻剂能够调控细胞膜渗透物质，增加蛋白质和细胞膜的结构稳定性，提高抗氧化物酶活性，清除植株体内多余的氧自由基，减少过氧化过程对植物造成的伤害[21]。

水杨酸（salicylic acid，SA）是一类小分子酚类化合物。在北红葡萄萌芽前喷施SA 能降低新梢的膜透性和丙二醛含量，提高可溶性糖和游离脯氨酸含量，提高葡萄抗寒能力[22]。这与王丽[19]的研究结果一致，SA 能有效缓解低温对巨峰、全球红和里扎马特葡萄的低温伤害。这可能是由于SA 通过降低质膜的相对透性以维持细胞渗透平衡作用，缓冲了低温胁迫对细胞膜的伤害；其次外源添加SA 能有效增加可溶性糖含量，从而产生充足的能量以维持能量消耗；另外，SA 作为一种调节物质能诱导SOD 和POD 活性的提高，葡萄体内较高的抗氧化酶活性保证了对自由基的清除能力，提高了其抗寒能力[19]。

氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是一种存在于植物体内的自由态四碳非蛋白氨基酸[23]。正常条件下，高等植物体内GABA 的含量较低；当遭受低温胁迫时，植株体内GABA 含量会大量积累，以适应低温环境。外源添加GABA 后，葡萄嫩芽冻害率和冻害指数均低于对照，葡萄叶片相对电导率与对照相比降低了37.6%，SOD 和POD 活性分别比对照增加了37.6%和121%[3]。其原因可能是低温条件下GABA 通过氨基酸代谢循环刺激植株体内SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶活性，抑制活性氧积累，防止细胞膜脂过氧化，维持了细胞膜的完整性，增加了葡萄的抗寒性。

萘乙酸（Naphthylacetic acid，NAA）是一种类似生长素的有机化合物。5 g/L NAA 显著提高了北红葡萄抗冻能力。这是由于NAA 能降低葡萄新梢的膜透性和丙二醛含量，增加可溶性糖、脯氨酸含量；另一方面，NAA 诱导了植株体内吲哚乙酸和脱落酸含量的增加，进而上调SOD、POD 和CAT 的活性以抵御体内活性氧含量，提高植株的抗寒性[24]。

2.3 植物激素类防冻剂

植物激素类防冻剂一般作为信号分子在低温胁迫中调节植物生长。

芸苔素内酯（Brassinosteroids，BRs）是一种新型甾醇类植物激素。低温胁迫条件下，外源BRs 能减少葡萄叶片中丙二醛含量，增加叶片中可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸的含量[25]。除此之外，外源喷施BRs 还可以提高葡萄叶片抗氧化酶SOD、POD 和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性，进而降低葡萄叶片氧自由基和丙二醛的累积，激活葡萄抗氧化酶系统，增加抗氧化物质和渗透调节物质的含量，以提高葡萄的抗寒性。另外，外源BRs 还能增加葡萄叶片中抗坏血酸（ASA）和谷胱甘肽（GSH）的含量[25]。ASA 和GSH 作为氧化应激条件下的抗氧化剂，其含量的增加说明低温胁迫能够促进ASAGSH 循环，而APX 又能够通过ASA-GSH 循环将H2O2分解为H2O[26]，抑制葡萄幼嫩组织细胞脂质过氧化作用，缓解低温胁迫对葡萄造成的伤害。

脱落酸（Abscisic acid，ABA）又称S-诱抗素，是一种半萜类结构的内源性激素[27]。ABA 作为植物防冻剂已广泛应用于葡萄生产中。在低温条件下，外源喷施ABA 能够显著降低相对电导率和丙二醛含量，增加北红葡萄新梢中的可溶性糖和游离脯氨酸含量，显著提高SOD、POD 和CAT 抗氧化酶的活性[28]。但不同浓度ABA 对葡萄新梢耐低温能力的影响差异较大，低、中浓度处理的葡萄新梢游离脯氨酸和可溶性糖含量均高于对照，而高浓度处理则能减少脯氨酸和可溶性糖的积累，也就是说低浓度ABA 能有效提高葡萄抗霜冻能力。一般认为，ABA提高植株抗寒性机制是激活了植株细胞保护系统，稳定了细胞膜结构的完整性。近年来，研究者们通过分析基因表达来解释ABA 调控植物的抗寒机制。例如，低温胁迫下外源添加ABA 后拟南芥低温诱导基因PHH78[29]、ABF1和ABF4[30]的表达，从而提高拟南芥抗寒性。但目前，分析防冻剂诱导葡萄抗寒基因表达的研究尚不多见。

褪黑素（Melatonin，MT）是一种吲哚类小分子化合物[31]。有研究发现，MT 在提高植物抗氧化能力及植物对低温的抗性等方面都发挥着重要的作用。仝亚军等[31]研究了外源MT 对SN15 葡萄防御霜冻作用的影响，喷施100 nmol/L MT 后葡萄幼叶的多项生理指标都有显著变化，幼叶的相对电导率比对照下降了20.9%，丙二醛含量减少了21%，说明轻度低温胁迫下褪黑素能减轻葡萄叶片的受冻程度。

2.4 新型植物防冻剂

近年来，新型植物防冻剂广泛应用于葡萄生产中，并起到了较好的抗寒效果。例如，氯苯胺灵（Chlorpropham）和马来酰肼（Maleic hydrazide），其中氯苯胺灵是一种活性高的芳香氨基甲酯类植物生长调节剂，而马来酰肼是一种植物生长抑制剂。3 g/L 氯苯胺灵和5 g/L 马来酰肼可以通过延迟葡萄萌芽，提高新梢抗晚霜冻能力[32]。植物精油能够提高葡萄保护酶活性和渗透调节物质的含量，以提高巨峰葡萄的抗寒性[33]。但是，目前对于新型植物防冻剂的抗寒机理仍缺乏深入的研究，特别是新型植物防冻剂的安全性评价更是缺乏有力的报道。

3 问题与展望

受全球气候的影响，我国极端低温天气频发，低温灾害严重制约了我国葡萄产业的健康发展。因此，通过应用植物防冻剂提高葡萄抗低温能力已成为研究的热点。但是，随着植物防冻剂的应用及其调控机制的揭示，一些新的问题也随之而来。例如，植物防冻剂在不同葡萄品种和部位之间的使用效果差异缺乏有效的数据，不同植物防冻剂对同一葡萄品种抗寒性的影响效果仍需进一步探索，部分植物防冻剂的使用效果评价及作用机理更是缺乏完整的解析。

为了更好地发挥植物防冻剂的作用，一方面可以研发多元复合型植物防冻剂，基于植物防冻剂之间的协同特性，在提高葡萄抗寒能力的同时，也提高葡萄其他耐受性，增强植株自身的抗性；另一方面应尽量选择或研发成本低、无毒性、无残留、降解快的植物防冻剂，以节约经济成本、提高葡萄生产效率；最后，只有将植物防冻剂提高葡萄抗寒性机理研究与大田试验相结合，才能将植物防冻剂切实地应用到葡萄现代化生产中。