果树抗寒机理与影响因素研究

赵崇宇，苏 凯，刘春生，肖 坤，李 刚，武军凯，肖 啸，张立彬，张晨光

（河北科技师范学院园艺科技学院，河北秦皇岛 066004）

温度是影响果树生长发育及果实质量的重要环境因素，其中以冻害最为严重[1-2]。近年来极端天气频繁发生，果树对低温有一定的忍耐力，但遇到极端天气时会发生冻害，影响果树产业发展[3-5]。抗寒性是植物对低温环境的长期适应性下通过自然选择以及遗传变异获得的抗寒能力。多年来，前人在不同层面对果树抗寒性进行深入研究，如有学者发现细胞栅栏组织厚度、叶片厚度与抗寒性相关[5-6]，相对电导率、丙二醛以及可溶性蛋白等细胞膜透性、渗透调节物质与抗寒性相关。也有学者提出，可通过施用氮磷钾等矿质元素、外源激素等措施来调节细胞膜通透性、渗透调节物质的含量等提高其抗寒性[7-9]。

本文对细胞与组织器官结构，细胞膜通透性、渗透调节物质、抗氧化等生理指标与果树抗寒性关系以及矿质元素、激素等不同措施与果树抗寒性关系进行了综述，旨为果树抗寒新品种选育、果树生理深入研究以及农业生产提供科学依据，助力果树产业健康发展。

1 生理指标与果树抗寒性的关系

果树受低温胁迫时，可通过改变其组织结构、生理生化指标来抵御逆境环境。

1.1 细胞与组织器官结构

叶片细胞结构是果树对环境长期适应的结果，能够反映果树抗寒性强弱，但相关性因品种而有所不同。高庆玉等[1]研究发现葡萄叶片中细胞结构紧密度越大、栅栏组织越整齐、排列越紧密，品种抗寒性越强。李国华等[2]对澳洲坚果的研究发现气孔密度与抗寒性呈正相关。田景花等[3]对四种核桃品种研究发现，核桃栅栏组织厚度、叶片厚度均与抗寒性呈正相关。而有研究发现在低温胁迫时，抗寒性强的叶片栅栏组织与海绵组织比抗寒性差的比值小[4]。因此，叶片细胞结构越紧密、排列越整齐，抗寒性越好。

皮层与木质部是植物枝干的组成部分。木栓层越厚，细胞层数越多、越厚且越整齐时果树抗寒性越好。王丽雪等[5]利用电子显微镜观察葡萄枝条内部结构，发现抗寒葡萄品种（如‘山葡萄’等）枝条木栓层厚，细胞层数多，木栓化程度高；对不同葡萄品种的枝条结构进行电镜观察，发现抗寒力强的‘山葡萄’品种，其细胞小而排列整齐，细胞壁较厚，抗寒力差的‘玫瑰香’各组织细胞大而松散，细胞壁薄。Renaut 等[6]认为皮层与木质部体积比与抗寒性紧密相关，木质部越多则该树种或品种的抗寒性越强。

1.2 细胞膜通透性

细胞膜通透性是反映果树抗寒性的一项重要指标，当环境温度降低时，细胞膜受损导致细胞膜通透性增加，电解质等物质透过细胞膜外渗，引起电导率值的增加。苏李维等[7]对葡萄枝条进行低温胁迫研究，结果表明当温度越低时，葡萄枝条细胞膜受损情况越严重，电导率越高，当温度达到-35 ℃时电导率值到达峰值，已经达到大多数品种葡萄的LT50（半致死温度）。研究者还在对油棕[8]、苹果[9]、桃[10]等的研究中得到同样的结论，即当温度越低，植物细胞膜受损越严重，细胞膜通透性越高，相对电导率值越高。

果树受到低温胁迫时细胞内的代谢平衡被破坏，产生过多的自由基，加剧膜脂过氧化，造成生物膜系统损伤[11]。丙二醛（MDA）是膜质过氧化的最终分解产物，是判断细胞膜是否被氧化的一个重要依据[12]。闫忠业等[13]以六个苹果品种为试材进行低温处理，结果表明抗寒性强的品种随着温度降低，MDA 含量低且稳定，反之则含量高且不稳定。潘翠萍等[14]通过对六个枇杷品种抗寒性评价得出LT50越低则MDA 含量越低且稳定，LT50越高MDA含量越高且不稳定。此外，一些学者在对枣[15]、葡萄[16]等研究中发现，MDA 与温度呈负相关性，即当MDA 指数低时，抗寒性强；反之则抗寒性弱。

1.3 渗透调节物质

可溶性糖、可溶性蛋白质和游离脯氨酸等渗透调节物质是果树响应非生物胁迫的重要物质，其含量与抗寒性呈显著正相关关系。

在低温胁迫下，植物体内可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖等）含量的增加有利于细胞液浓度增加，降低水势，使细胞不易冷凝固，同时供给机体能量，使机体内各种生命活动顺利进行，避免或降低低温对植物的伤害[17-18]。有研究发现在低温胁迫下可溶性糖含量呈先降低后升高的趋势，并且抗寒性强品种比抗寒性弱品种可溶性糖含量高[19-20]。总之，这些结果均表明可溶性糖含量与果树抗寒性呈正相关。

前人已测定了众多植物中的可溶性蛋白质含量，但不同品种中反应各不相同。研究者在对豆梨[21]研究中发现可溶性蛋白质含量随着温度降低而升高且抗寒性强的品种在较低温度下能够积累更多的可溶性蛋白质。而马娟[22]在研究时发现，可溶性蛋白含量随胁迫时间的延长呈先增加后降低的趋势，说明树体在低温胁迫初期可通过增加可溶性蛋白含量来提高自身的渗透调节能力，但若较长时间处于低温的环境条件下，会逐渐超过其所能忍受低温的阈值，阻碍植物体内蛋白质合成，其含量开始慢慢减少。

游离脯氨酸能够维持生物膜和酶蛋白的结构稳定性，而且作为非酶促抗氧化物质清除逆境下大量生成的活性氧，增强植物的抗寒性[23]。对不同品种葡萄和苹果进行低温胁迫后发现，脯氨酸积累越高抗寒性越强[24-25]。而姜慧等[26]研究时发现脯氨酸含量随处理温度的降低呈先上升后下降的趋势，当低温胁迫来临时，脯氨酸含量上升可能是脯氨酸本身的合成加强造成的，同样的当胁迫温度超过植物所能忍耐的阈值时，体内脯氨酸的合成会受阻，从而使得脯氨酸含量下降。

1.4 抗氧化能力

果树在低温下对氧气利用能力显著降低，在代谢过程中多余的氧气转化为活性氧和自由基，产生氧化胁迫造成细胞结构与功能的损伤，加剧膜脂过氧化。细胞中主要的抗氧化酶有超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等，POD 可阻止过氧化氢的积累，减少羟基自由基；SOD 能与活性氧和自由基发生反应，保护膜的稳定性，清除果树在新陈代谢过程中产生的活性氧与自由基，对果树具有保护作用；CAT 同样可去除自由基，减少低温引起的膜质过氧化[27]。孟诗原等[28]研究发现果树抗寒性越强则抗氧化酶活性高。范宗民等[29]对葡萄砧木的研究发现，抗氧化酶变化趋势不同，随着温度的降低，SOD 活性呈“M”型，POD 活性则先上升后下降，CAT 活性持续升高。

2 矿质元素与果树抗寒性的关系

施用矿质元素可以有效提高果树对低温逆境的抵抗能力，当树体有足够的养分供应时，对低温、干旱等逆境胁迫就会有较强的抵抗能力[30]。矿质元素也是农业生产过程中常用的抗寒以及刺激对果树吸收以及植物生长的方法。

2.1 氮肥

氮肥是世界化肥生产和使用量最大的肥料种类，适宜的氮肥用量对于提高作物产量、改善产品质量有重要作用。曾有不少学者研究氮肥与果树抗寒性间的关系。Koo 等[31]对柑橘进行耐寒性研究时发现，叶片氮浓度维持在2.5%～2.7%为最佳范围，当低于或高于此值时，叶片受到低温伤害较大。何香等[32]对库尔勒香梨叶面喷施0.3%浓度氮肥后发现，库尔勒香梨可溶性糖、脯氨酸、MDA 含量上升，表明增施氮肥对库尔勒香梨抗寒性具有正向作用。此外，一些学者在研究腰果[33]、桃[34]、苹果[35]等抗寒性与氮肥含量关系时也得到相同的结论。综上所述，追施氮肥要以科学为主，氮肥施入过量造成苗木秋季枝条旺长、木质化程度低、倒伏等现象，会导致抗寒能力下降、产量下降，而氮肥施入量过少，植株达不到安全越冬的生理状态，植株又会受冻严重从而造成减产。

2.2 磷肥

磷肥是果农的主施肥料之一，可促进植物生长、增加茎枝的坚韧度、提高植物适应外界环境条件的能力、抗旱、抗寒以及抗倒伏等。研究发现低温胁迫下，植株相对叶绿素含量、光合作用速率、不饱和脂肪酸指数升高，施磷肥可减缓叶绿素含量下降，提高光合速率等，增强低温下耐寒能力[36]。刘春花[37]发现磷肥可增加核桃叶片中可溶性糖、可溶性蛋白含量，细胞膜透性逐渐降低，可溶性糖、细胞膜透性、可溶性蛋白含量是衡量植物抗寒与否的重要指标。除此之外，磷肥可提升柑橘[38]、苹果[39]、杨梅[40]抗寒性也得到研究证实。

2.3 钾肥

钾肥是农业三大基础肥料之一，可提高植物抗逆性、抗寒性、抗病虫害等的能力，在农业生产中发挥着不可替代的重要作用。王一峰等[41]对两年生核桃幼树叶面喷施硫酸钾（K2SO4）发现适当喷施有利于核桃抗寒能力的增加，但喷施过多则会影响核桃的正常生长。有研究发现硫酸钾虽然可以提高抗寒性，但施用过多硫酸钾则不能正常生长[42]。Safoora[43]对橄榄叶喷钾肥发现施用钾肥特别是施用钾肥浓度在2%以下时，增加了橄榄渗透石化合物和抗氧化酶活性，对橄榄的耐寒性有显著提升。前人对枣[44]、梨[32]葡萄[45]等研究均得出正向结论。

2.4 其他矿质元素

有关氮磷钾配合施用或其他矿质元素对植物生长，增产等方面已有很多报道，但对其抗寒性影响研究甚少。在过去的文献中，有研究发现氯化钾、硅酸钠、氯化钙均能提高蜘蛛抗寒性，其中在5 ℃处理中氯化钙（82～118 mg/L）表现优于氯化钾优于硅酸钠；在0 ℃处理中氯化钾（160～271 mg/L）优于硅酸钠优于氯化钙。何香[46]研究发现对库尔勒香梨叶片喷施磷酸二氢钾、硝酸铵以及硼酸钠后可提升其抗寒能力，磷酸二氢钾与硝酸铵效果较为显著；而硼酸钠虽提高树体营养元素的积累，但在提高其抗寒能力上效果并不明显。研究者对葡萄抗寒性研究中，发现磷铁钙复合肥对红地球葡萄抗寒性促进效果最为明显[47]。也有研究者发现在每年株施2 kg 常规复合肥（N 15%，P2O513%，K2O 17%）的基础上配合施用菜枯（2.5～7.5 kg），对常山胡柚抗寒性有显著提升[48]。

3 激素与果树抗寒性的关系

近年来有关激素与果树抗寒性研究成果较多，为完善激素对果树抗寒性作用机制，本文分析植物激素对果树抗寒性影响，旨为果树生产、果树越冬提供参考依据。

3.1 脱落酸（ABA）

20世纪末，人们注意到脱落酸（ABA）与果树抗寒性有关。ABA 是目前研究最多的抗寒性激素，在逆境环境下产生相应信号因子。在低温胁迫下，植物体内脱落酸含量与抗寒性呈正相关。刘艳等[49]通过对梨的研究发现，当游离脱落酸（F-ABA） 含量增加时，结合脱落酸（C-ABA）含量就会降低，从而提高了梨的抗寒性能力。王楚侨等[50]通过外源ABA 对低温胁迫下火龙果苗研究发现，低温胁迫增加了丙二醛、电导率含量，而外源ABA处理后显著降低了丙二醛电导率含量增加其综合评价，提高火龙果苗抗寒性。

3.2 赤霉素（GA3）

赤霉素同样是与抗寒相关的激素，学者们对其有一定的研究。研究表明，抗寒力的强弱与赤霉素的含量变化幅度有关。在杏树的研究中发现，即抗寒性强的杏品种赤霉素含量低于抗寒性弱的品种。其中ABA 与GA 的比值变化是判断果树受冻害程度的重要指标。ABA/GA比值增高，电导率含量与半致死温度（LT50）下降，表明抗寒力提高[51]。杨文莉[52]以不同浓度（GA、ABA）处理对轮台白杏抗寒性的影响，得出相似结果，即赤霉素处理后可显著提高果树渗透调节物质，提高果树抗寒性。

3.3 乙烯

乙烯是植物健康细胞代谢产物，又称催熟激素。可促进植物成熟与着色，乙烯在植物生物胁迫和非生物胁迫有着重要作用[53]。Liu 等[54]对桃抗寒研究中发现，不同浓度乙烯处理均降低其电导率提高其抗寒性。前人研究发现，乙烯通过冷反应基因调控植物抗寒性。通过基因过表达发现可促进番茄和烟草中的乙烯合成，提高植物抵御低温环境的能力，乙烯在植物中低温环境中的差异可能是植物对环境的适应性表现所致[55]。因此，乙烯对调节果树抗寒性具有正向作用。

4 小结与讨论

综上所述，低温胁迫引起果树抗寒性反应是一个复杂的生理生化过程，由诸多生理生化指标中体现，但不同品种间均存在差异，主要抗寒指标如可溶性蛋白、丙二醛、脯氨酸等含量在不同品种中不同。今后应针对不同果树品种对抗寒性生理生化指标反应进行更深入研究，建立科学可靠且高效完整的果树抗寒性生理生化评价系统。此外，矿质元素、激素与果树抗寒性的关系间的研究对果树重要性是显而易见的，尽管前人对此已经进行了一定的研究，但目前对矿质元素、激素与果树抗寒性关系间的相关研究还较为薄弱。主要体现在以下几个方面：一是试验因素较为单一，主要集中在氮磷钾、ABA、IAA、GA 单一施用或氮磷钾复合肥对果树抗寒性关系中，而关于其他矿质元素、激素对果树抗寒性的影响鲜有报道；不同配比及施用量矿质元素、激素对果树抗寒性影响的研究较少；二是研究多集中在单因素对果树抗寒性的影响中，由于不同种间抗寒性生理指标较多且不同种间响应有所差异，目前众多果树种间并未建立可靠高效且完整的抗寒评价系统，这需要广大学者共同努力，明确各植物种不同生理生化指标之间关系以及协同作用，利用多指标综合分析，明确与抗寒性相关指标，为不同措施与果树抗寒性关系提供科学依据；三是由于地域的差异，同品种但不同地域可能导致不同措施与果树抗寒性间关系的不同结果，这需要众多学者共同努力填补地域对其与果树抗寒性关系间的影响，为后人提供科学依据。随着植物栽培生理学技术的不断发展、不断完善，应当深入研究不同措施在果树抗寒性中的作用，用以指导生产，推动各地农业产业持续快速发展。