全怡吉，張躍彬，鄧軍，李如丹，樊仙，楊紹林

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，開遠(yuǎn)661699）

甘蔗為禾本科甘蔗屬C4作物，是重要的糖料和能源作物?，F(xiàn)主要集中種植于南北緯25°，巴西、印度和中國(guó)是世界上種植甘蔗面積最大的國(guó)家。甘蔗性喜高溫多濕，最適宜栽種于年積溫5500～8500℃，無霜期330d以上，年均空氣濕度60%，年降水量800～1200 mm，日照時(shí)數(shù)1195h以上，土壤pH6.5～7.5的地區(qū)。已有研究表明，最適宜的甘蔗生長(zhǎng)氣溫是30～32℃，超過40℃則不能正常生長(zhǎng)，低于0℃則會(huì)受害[1]。隨著溫室效應(yīng)的不斷加劇，全球氣候變化反常，我國(guó)大部分蔗區(qū)霜凍災(zāi)害加重，導(dǎo)致甘蔗生產(chǎn)和制糖工業(yè)發(fā)展受阻，經(jīng)濟(jì)受損。1999年，我國(guó)廣西、云南兩省受霜凍危害的甘蔗面積分別達(dá)有收面積的69.29%和50%；2008年，廣西蔗區(qū)80%以上甘蔗遭受霜凍危害，減產(chǎn)178萬噸，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)45億元；2011年，由于北方強(qiáng)冷空氣持續(xù)南下，造成廣西蔗區(qū)甘蔗砍收受阻的同時(shí)也嚴(yán)重影響了宿根蔗的萌芽[1-3]。因此，加強(qiáng)甘蔗抗低溫霜凍的研究，已成為甘蔗生產(chǎn)上急需解決的問題?，F(xiàn)將近年有關(guān)甘蔗霜凍的研究結(jié)果進(jìn)行概述，以期為進(jìn)一步探明甘蔗對(duì)低溫霜凍的響應(yīng)機(jī)理及抗寒新品種的選育、推廣提供參考。

1 霜凍對(duì)甘蔗生長(zhǎng)的影響

霜凍一般發(fā)生在甘蔗工藝成熟期，根據(jù)霜凍發(fā)生時(shí)的氣候條件和甘蔗受害表現(xiàn)，常將甘蔗霜凍分為干旱霜凍、陰雨霜凍和陰雨冷害等類型[4]。當(dāng)霜凍來臨時(shí)，甘蔗蔗莖生長(zhǎng)點(diǎn)最先受害，其次是心葉，隨著受害程度的加重，蔗葉和蔗莖均從上向下逐漸顯現(xiàn)受害癥狀。其癥狀主要表現(xiàn)為：心葉凍死后呈黑色，容易拔起；蔗莖生長(zhǎng)點(diǎn)凍死的不會(huì)再生心葉，生長(zhǎng)點(diǎn)未凍死的則會(huì)抽出呈塊狀白痕的心葉，繼續(xù)生長(zhǎng)，但對(duì)甘蔗生長(zhǎng)有影響；蔗葉干枯呈灰白色，不能進(jìn)行正常的光合作用；蔗莖上部較嫩的蔗芽呈黑褐色，死亡率高，蔗莖中、下部有葉鞘包被的蔗芽和老芽呈淡褐色，死亡率相對(duì)較低，霜凍嚴(yán)重時(shí)地上部蔗芽會(huì)被全部?jī)鏊?；蔗莖組織全部或部分呈水煮狀，節(jié)間全部或部分變色，有時(shí)節(jié)間開裂，散發(fā)酸腐味[5]。

2 霜凍對(duì)甘蔗蔗莖品質(zhì)的影響

甘蔗受霜凍后除細(xì)胞、組織、器官受損和壞死，其體內(nèi)的蔗糖分會(huì)逐漸降低，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)還原糖、膠體和蔗汁酸度增加的現(xiàn)象，降低產(chǎn)糖率和品質(zhì)[6]。其中，宿根蔗的蔗糖分、錘度比新植蔗下降多，而新植蔗的還原糖上升、純度下降則比宿根蔗多[5]。因此，霜凍后的甘蔗蔗糖分和錘度變化可用于甘蔗品種耐性評(píng)價(jià)。譚宏偉等[7]調(diào)查了桂中自然凍害后的田間甘蔗蔗糖分，發(fā)現(xiàn)低溫下蔗糖分均出現(xiàn)了不同程度的降低，降低了0.21%～0.48%（絕對(duì)值，下同），宿根蔗蔗糖分降幅比新植蔗大；簡(jiǎn)純度降低了0.37%～1.48%，新植蔗的降幅比宿根蔗大。楊榮仲等[8]通過對(duì)霜凍前后20個(gè)甘蔗品種（系）的品質(zhì)性狀分析，發(fā)現(xiàn)不論甘蔗受霜凍危害程度的輕或重，其品質(zhì)性狀都會(huì)受到影響，蔗糖分和理論產(chǎn)糖量分別降低了1.28%和10.31%。

3 霜凍對(duì)甘蔗生理生化特性的影響

3.1 霜凍對(duì)甘蔗組織結(jié)構(gòu)細(xì)胞的影響

細(xì)胞是植物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，細(xì)胞受損是植物受到傷害的重要標(biāo)志。低溫下，植物體會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)膜分裂，原生質(zhì)體收縮，液泡內(nèi)容物凝集成塊，大液胞裂解成無數(shù)小液胞，線粒體出現(xiàn)空洞等現(xiàn)象[9-15]。楊麗濤等[16]人研究發(fā)現(xiàn)，低溫霜凍下甘蔗維管組織的韌皮部最先受到傷害，葉最嚴(yán)重，其次是基本組織的薄壁細(xì)胞，表皮和機(jī)械組織未受傷害；陳榮發(fā)等[17]用掃描電鏡觀察霜凍前后的新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22）和桂糖28號(hào)（GT28）兩個(gè)甘蔗品種的根系，發(fā)現(xiàn)隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)二者的細(xì)胞形狀發(fā)生嚴(yán)重變形，液泡變小，核膜斷裂，細(xì)胞核解體，根系線粒體細(xì)胞的內(nèi)嵴被破壞，線粒體膨脹、雙層膜受損、出現(xiàn)空泡。

3.2 霜凍對(duì)甘蔗膜系統(tǒng)的影響

細(xì)胞膜是植物體內(nèi)重要的界面結(jié)構(gòu)，細(xì)胞與外界環(huán)境的物質(zhì)交換及能量代謝都要通過其進(jìn)行，它的完整性和選擇透性也直接影響了植物的生理功能[18]。低溫下植物細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除間的平衡會(huì)被打破，造成氧化物不斷積累，膜蛋白和膜內(nèi)脂變化，細(xì)胞膜選擇性喪失，胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，對(duì)植物造成傷害。已有研究指出，低溫凍害后甘蔗蔗莖的細(xì)胞膜透性會(huì)增大，細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)滲透率提高，蔗莖細(xì)胞膜透性從基部向頂部呈下降趨勢(shì)，同一部位的節(jié)間比節(jié)的膜透性大，細(xì)胞內(nèi)膜脂過氧化作用加劇，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）大量積累，相對(duì)電導(dǎo)率增大[5，19-23]，說明相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量的變化可作為衡量甘蔗細(xì)胞膜受害程度的標(biāo)志性生理指標(biāo)，以及甘蔗對(duì)逆境響應(yīng)強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.3 霜凍對(duì)甘蔗光合作用的影響

光合作用是植物賴以生存的基礎(chǔ)，也是植物對(duì)低溫響應(yīng)最明顯的生理過程之一，在低溫脅迫下植物光合作用的光合器官結(jié)構(gòu)、參與光合作用相關(guān)的酶活性、氣孔導(dǎo)度、光合電子傳遞和碳同化過程等會(huì)受到影響。葉綠體是光合作用中最重要且受低溫影響最敏感的細(xì)胞器，而葉綠素是光能主要的吸收物質(zhì)，其含量的多少?zèng)Q定了植物的光合效率。Du Y C等[24]研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗屬熱帶種Badila、中國(guó)種Yomitanzan和甘蔗雜交種NiF4在10℃低溫脅迫下光合速率均出現(xiàn)不同幅度的下降；唐仕云等[26]也研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗幼苗葉片在低溫脅迫下除凈光合速率（Pn）出現(xiàn)下降，其氣孔導(dǎo)度（Gs）和葉綠素?zé)晒鈪?shù)（Fv/Fm）也會(huì)顯著降低。張木清等[25]對(duì)甘蔗葉片進(jìn)行低溫脅迫處理后，發(fā)現(xiàn)蔗葉葉綠素含量降低，且Fv/Fm、量子產(chǎn)量（Y）和Rfd值等也呈下降趨勢(shì)，認(rèn)為低溫破壞了PSⅡ結(jié)構(gòu)，影響了光合作用的碳同化，孫富等[22]的研究驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3.4 霜凍對(duì)甘蔗體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的影響

植物在逆境下會(huì)應(yīng)激形成多種同工酶或非酶的抗氧化防御系統(tǒng)來清除體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧，并維持動(dòng)態(tài)平衡。其中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）是植物體內(nèi)主要的抗氧化酶類，SOD主要負(fù)責(zé)將逆境下植物體內(nèi)形成的超氧物陰離子自由基（O2-）快速歧化成過氧化氫（H2O2）和分子氧，而CAT和POD是分解H2O2的關(guān)鍵酶，它們可與其他重要抗氧化酶相互協(xié)調(diào)配合，清除植物體內(nèi)過剩自由基，維持自由基正常，保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷，并有效地提高植物的抗性。大量研究報(bào)道，植物處于逆境時(shí)，不同逆境、不同物種、不同發(fā)育時(shí)期以及不同組織器官的抗氧化酶活性均會(huì)改變。

陳少裕[19]為探討甘蔗低溫脅迫與膜脂過氧化的關(guān)系以及甘蔗清除自由基的能力與其抗寒性強(qiáng)弱之間的關(guān)系，在福引79-9和閩糖77-208兩個(gè)甘蔗品種伸長(zhǎng)后期取+3葉片進(jìn)行低溫處理，結(jié)果表明葉片SOD活性隨著脅迫溫度的下降和時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。孫富等[22]、陸思思等[27]、孫波等[28]分別對(duì)ROC22和GT28兩個(gè)甘蔗品種進(jìn)行低溫處理，發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下幼苗葉綠體、節(jié)間、根系的SOD和POD活性均呈上升趨勢(shì)，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，活性呈下降趨勢(shì)，且耐寒品種GT28的SOD、POD活性顯著高于ROC22的活性，認(rèn)為耐寒品種GT28具有較強(qiáng)的活性氧清除能力，從而能較好地維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性；此外，陸思思等還發(fā)現(xiàn)不同部位節(jié)間的酶活性水平表現(xiàn)不同，較嫩節(jié)間的酶活性比較老節(jié)間的酶活性高。張木清等[25]低溫脅迫甘蔗種莖研究發(fā)現(xiàn)，葉片的POD活性上升及同工酶譜帶數(shù)增加。陸國(guó)盈等[29]研究結(jié)果表明，不同甘蔗品種在冰水浸苗下的葉片POD活性變化并不明顯。陳榮發(fā)等[17]應(yīng)用桶栽試驗(yàn)詳細(xì)研究了低溫脅迫下ROC22和GT28甘蔗幼苗根系線粒體的生理生化特性，結(jié)果表明CAT活性分別在第1、3天達(dá)到最高，隨后急劇下降，在第5天到達(dá)最低值后上升。

3.5 霜凍對(duì)甘蔗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

逆境脅迫下，植物往往會(huì)主動(dòng)調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透，保持細(xì)胞滲透平衡，維持自身正常的代謝活動(dòng)，抵御或消除逆境傷害。其中脯氨酸（PRO）、可溶性蛋白（CPR）和可溶性糖是植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可提高植物細(xì)胞保水能力，保護(hù)原生質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，提高細(xì)胞液濃度，降低細(xì)胞質(zhì)冰點(diǎn)，減輕逆境對(duì)植物的傷害。因此，植物體內(nèi)的PRO、CPR和可溶性糖含量常被視為植物遭受逆境后反映其代謝情況的敏感生理指標(biāo)。

研究表明，低溫脅迫下甘蔗的葉片和根系中的PRO、CPR、可溶性糖含量隨低溫脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但不同品種之間的含量存在明顯差異，耐寒性強(qiáng)品種比不耐寒品種增加明顯[23，30-35]；同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，甘蔗葉片和根系中的可溶性糖含量呈降低趨勢(shì)[28，32]，CPR含量呈先降低后增加趨勢(shì)[36]。陸思思等[27]研究還發(fā)現(xiàn)，ROC22和GT28兩個(gè)甘蔗品種不同部位節(jié)間的CPR含量隨低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后降低，且在整個(gè)處理期間耐寒品種GT28的CPR含量變化波動(dòng)不大。張保青[32]研究發(fā)現(xiàn)，不同品種CPR含量的變化沒有明顯的規(guī)律，認(rèn)為是因不同品種的甘蔗具有復(fù)雜的遺傳背景和自然環(huán)境低溫脅迫因素的復(fù)雜性所導(dǎo)致。因此，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與甘蔗抗寒性間的關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究分析。

3.6 霜凍對(duì)甘蔗內(nèi)源激素的影響

植物的生長(zhǎng)發(fā)育、基因表達(dá)及對(duì)逆境的響應(yīng)都與其體內(nèi)的激素水平相關(guān)。低溫脅迫下，植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)發(fā)生變化的同時(shí)，其內(nèi)源激素水平積累也發(fā)生著變化[37]，已有諸多研究證明脫落酸（ABA）、水楊酸（SA）、赤霉素（GA）和細(xì)胞分裂素（ZR）等植物激素會(huì)順序性或連鎖性地參與植物對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)[38-39]，其中ABA的作用較為重要。黃杏等[23]發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下甘蔗幼苗葉片中的ABA含量增加，GA含量降低，生長(zhǎng)素（IAA）和ZR含量呈先降低后增加再降低趨勢(shì)，其中ABA和GA含量存在基因型差異，耐寒品種中ABA含量較高，GA含量較低，認(rèn)為當(dāng)甘蔗受到低溫脅迫時(shí)，其體內(nèi)的激素發(fā)揮協(xié)調(diào)作用，各種激素相互促進(jìn)、制約達(dá)到一個(gè)新的平衡，從而適應(yīng)低溫脅迫的影響。

4 甘蔗霜凍的分子機(jī)制研究

在逆境脅迫條件下，植物一些正常表達(dá)的基因被關(guān)閉，一些與逆境相適應(yīng)的基因受到誘導(dǎo)得到表達(dá)，其產(chǎn)物參與植物對(duì)逆境的耐受性反應(yīng)，引起植物一系列形態(tài)、生理生化功能以及分子結(jié)構(gòu)上的改變，這些變化反過來又影響植物的生長(zhǎng)。近年來，植物對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)在基因表達(dá)上的研究越來越多，如紫花苜蓿[40]、擬南芥[41]、番茄[42]、水稻[43]、黃瓜[44]、玉米[45]等。大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物受到低溫脅迫后，活性氧相關(guān)基因、脫水蛋白、熱激家族蛋白、CBF轉(zhuǎn)錄因子、NAC轉(zhuǎn)錄因子和WRKY轉(zhuǎn)錄因子等基因發(fā)生調(diào)控，對(duì)揭示植物發(fā)生低溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制有了更深入的了解。McKersie等[40]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-SOD基因的過度表達(dá)可以提高紫花苜蓿的越冬能力；李慧聰?shù)热薣45]對(duì)冷脅迫下的玉米進(jìn)行基因表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)受脅迫后熱激家族蛋白基因上調(diào)；Liu H等人[42]分析了番茄在低溫處理前后的基因表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)大量NAC轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受低溫誘導(dǎo)強(qiáng)烈。

Nogueira等[46]通過分析低溫脅迫后甘蔗RNA的表達(dá)譜，分離鑒定出34個(gè)冷誘導(dǎo)ESTS序列，發(fā)現(xiàn)了20個(gè)響應(yīng)低溫脅迫的新基因；Menossi等[47]發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫后甘蔗幼苗的34種基因表達(dá)上調(diào)，25種基因表達(dá)受到抑制；陳香玲等[48]利用cDNA-SCOT方法對(duì)ROC22和GT28兩個(gè)甘蔗品種低溫脅迫后的基因表達(dá)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低溫下二者有部分相同的基因表達(dá)，其中有2個(gè)功能未知TDF只在耐寒品種GT28中穩(wěn)定出現(xiàn)；黃巧玲[49]利用單向電泳檢測(cè)低溫下甘蔗葉綠體蛋白質(zhì)相對(duì)含量，發(fā)現(xiàn)隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)蛋白質(zhì)相對(duì)含量降低，進(jìn)一步的雙向電泳結(jié)果表明，在低溫脅迫下下調(diào)蛋白明顯多于上調(diào)蛋白，且多數(shù)蛋白點(diǎn)在處理24 d時(shí)明顯降解，通過對(duì)幾個(gè)差異較明顯的蛋白點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)這些差異蛋白與葉綠體光能的吸收、電子傳遞和能量合成有關(guān)，認(rèn)為低溫脅迫抑制了甘蔗的光合作用，影響了其正常生長(zhǎng)，孫富等[22]研究結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)；王盛等[50]通過qRT-PCR分析了低溫脅迫下GT28幼苗的Cu/Zn-SOD表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)Cu/Zn-SOD在低溫下表達(dá)顯著上調(diào)，認(rèn)為該基因參與甘蔗抵御低溫脅迫；葉冰瑩等[51]利用qRT-PCR技術(shù)測(cè)定4℃低溫下福農(nóng)39號(hào)糖代謝關(guān)鍵酶UGPase相對(duì)表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)UGPase基因表達(dá)量呈上調(diào)趨勢(shì)；成偉等[52]通過對(duì)4℃低溫脅迫下福農(nóng)40進(jìn)行熒光定量分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄激活因子ScCBF1基因的相對(duì)表達(dá)量在處理30 min后強(qiáng)烈上調(diào)表達(dá)，2 h時(shí)達(dá)最大值，基因表達(dá)量是0 h的6倍，隨后降低；Park等[53]通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下不同耐寒甘蔗品種中有600個(gè)差異表達(dá)基因，其中大部分基因涉及到跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)活性。

5 討論

目前，對(duì)甘蔗響應(yīng)低溫脅迫的研究已逐步由低溫下的生理生化反應(yīng)發(fā)展到響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制及生存、進(jìn)化、適應(yīng)等方面上來，并取得了顯著進(jìn)展；但多數(shù)研究是在室內(nèi)模擬低溫條件下進(jìn)行的，與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境存在一定的偏差，研究材料較為集中單一，對(duì)生理研究側(cè)重于分析測(cè)定各種抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化，對(duì)低溫脅迫下相關(guān)分子應(yīng)答途徑和基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面的研究還不夠深入，因此，在前人的研究基礎(chǔ)上可結(jié)合RNA測(cè)序、染色質(zhì)免疫共沉淀、QTL定位、DNA測(cè)序及基因組重測(cè)序技術(shù)來進(jìn)一步深入研究甘蔗對(duì)多種逆境的交叉響應(yīng)、植物激素以及信號(hào)蛋白與耐寒性的關(guān)系、抗寒相關(guān)基因及其相關(guān)的信號(hào)途徑，為甘蔗種質(zhì)資源耐寒性評(píng)價(jià)、篩選以及抗寒品種的鑒定提供理論依據(jù)。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中人們主要是采取熏煙、灌水、覆蓋、施肥等措施來防御霜凍危害，目前已有諸多研究證實(shí)通過外源噴施化學(xué)調(diào)節(jié)劑（如水楊酸、抗壞血酸、脫落酸、草酸等）能有效提高植物的抗逆性，但對(duì)提高甘蔗抗逆性方面的研究報(bào)道較少，因此，可開展甘蔗與抗霜凍保護(hù)劑的相關(guān)研究，這將對(duì)生產(chǎn)中緩解霜凍危害具有重要實(shí)踐意義。