謝鵬遠(yuǎn), 戚曉利

(佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

植物的耐低溫性對(duì)環(huán)境條件的一系列反應(yīng)主要包括結(jié)構(gòu)、生理和分子反應(yīng)。低溫脅迫也是在我國北方地區(qū)的發(fā)展花卉、蔬菜、果樹等植物產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)面臨的一個(gè)普遍問題[1]。低溫還會(huì)導(dǎo)致植物生長速度減慢、變色、葉片受損嚴(yán)重影響其的觀賞價(jià)值，通過對(duì)植物低溫脅迫下的表型和組織結(jié)構(gòu)響應(yīng)、低溫脅迫下的生理響應(yīng)、低溫脅迫下的分子響應(yīng)四個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步開發(fā)利用植物的耐寒性和篩選培育耐寒品種提供了具有科學(xué)性的參考。

1 低溫脅迫下植物的表型響應(yīng)

自然條件下，研究者通過觀察植物葉片的萎蔫程度、水漬斑面積、脫落程度和莖稈的透明度這些作為指標(biāo)來對(duì)植物的抗逆性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在觀測了6種常綠闊葉植物的越冬適應(yīng)性后，謝曉金[2]等將南京某地區(qū)常綠闊葉樹種的葉片在越冬的過程中出現(xiàn)的受凍狀況劃分為三種，再結(jié)合半致死溫度作為比較抗寒性強(qiáng)弱的指標(biāo)。丁紅映[3]等在對(duì)103份馬鈴薯種質(zhì)資源的耐寒性評(píng)價(jià)中，利用田間自然霜凍法通過對(duì)葉片霜凍表型分級(jí)鑒定再結(jié)合隸屬函數(shù)法，對(duì)103份馬鈴薯進(jìn)行了抗寒性比較。

2 低溫脅迫下植物的組織結(jié)構(gòu)響應(yīng)

在植物生理結(jié)構(gòu)上，葉片作為植物器官之一是起到了抗寒的主要作用。當(dāng)受到低溫脅迫的直接影響時(shí)，植物的葉片結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生差異。研究發(fā)現(xiàn)，烤煙幼苗葉片組織的緊密度和疏松度在低溫脅迫的時(shí)間不斷增加的條件下會(huì)隨之發(fā)生變化，其葉綠體也會(huì)遭受嚴(yán)重的破壞；反之，在李琦瑤[4]的這個(gè)研究中將低溫脅的時(shí)間減少，就會(huì)發(fā)現(xiàn)葉綠體的內(nèi)膜仍然保持著較強(qiáng)的光合作用。Nilsen[5]研究發(fā)現(xiàn)葉片下垂或萎蔫取決于葉柄葉片膨脹勢，受光照強(qiáng)度和溫度的影響。杜鵑葉葉柄的特征是大部分的皮層圍繞著一條小的維管束。葉片與水平方向的夾角與葉溫呈線性相關(guān)。然而，當(dāng)溫度高于-2℃時(shí)，這種關(guān)系的斜率對(duì)于弱光環(huán)境中的葉片來說更陡。隨后Nilsen又發(fā)現(xiàn)與葉片下垂相反，葉片卷曲與光強(qiáng)或葉片水分體積關(guān)系無關(guān)。事實(shí)上，卷葉依賴于葉片溫度，而不是光照強(qiáng)度或水分限制，因?yàn)榫砣~動(dòng)態(tài)發(fā)生在黑暗中，不受環(huán)境光照強(qiáng)度的影響，損壞只與少量卷葉有關(guān)。

3 低溫脅迫下植物的生理響應(yīng)

研究表明，受到低溫?fù)p傷的部分原因是細(xì)胞內(nèi)活性氧物種(ROS)的積累[6-7]。為了維持植物中ROS動(dòng)態(tài)上的平衡[8]，植物已經(jīng)進(jìn)化到使用酶和非酶系統(tǒng)來對(duì)抗ROS。與其他脅迫相似的是，活性氧(ROS)的攻擊與植物細(xì)胞的低溫脅迫有所關(guān)聯(lián)，甚至進(jìn)一步引起了氧化應(yīng)激。植物有特定的保護(hù)物質(zhì)，包括抗氧化劑分子和酶，以防御活性氧,在低溫脅迫下Peng[9]等人的研究表明，酶和非酶類抗氧化劑在消除紅樹林中過多的活性氧方面有重要作用。

低溫對(duì)未馴化幼苗的葉綠體膜有明顯的損傷作用，表現(xiàn)為葉綠體中MDA含量的升高。然而，馴化植株的丙二醛含量明顯低于未馴化植株。在倒卵草的研究中Liu等[10]發(fā)現(xiàn)，與未馴化幼苗相比，低溫鍛煉48h后，幼苗MDA、H2O2含量和O2產(chǎn)生速率顯著降低。

一些最新的研究結(jié)果表明，植物細(xì)胞內(nèi)的可溶性糖在低溫脅迫下可以進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，主要會(huì)通過采用以下兩種策略來達(dá)到抵御低溫的目的：避免結(jié)冰(深度過冷)和耐凍(通過胞外凍結(jié)進(jìn)行細(xì)胞干燥)。這兩種抗寒機(jī)制都與可溶性糖的積累有關(guān)。在耐寒組織中，糖的保護(hù)功能歸因于它們在冷凍誘導(dǎo)的脫水過程中穩(wěn)定膜和蛋白質(zhì)的能力[11-12]。

光合作用是植物對(duì)低溫最敏感的過程。低溫對(duì)光合作用的影響可以通過測定CO2吸收、O2釋放以及葉綠素?zé)晒鈦矸从?。Jung[13]等人研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫降低了光合作用系統(tǒng)利用入射光子的能力，導(dǎo)致光抑制，其特征是光化學(xué)的量子產(chǎn)率降低和葉綠素?zé)晒獾臏p少。

低溫脅迫對(duì)植物光合作用產(chǎn)生的影響主要作用于以下兩個(gè)方面：第一，對(duì)光合機(jī)構(gòu)及暗反應(yīng)中的相關(guān)酶系產(chǎn)生直接損害,第二，光合電子傳遞、光合磷酸化及光抑制同時(shí)也會(huì)受到影響。為了進(jìn)一步探究植物受損的狀況，可以從葉綠素?zé)晒馓匦赃@一角度入手。因此，目前為了使觀賞花卉能夠減少來自低溫受到的損害，低溫馴化是一種方便、高效、低成本的方法，低溫馴化增加了PSII反應(yīng)中心的活性，進(jìn)一步提高光合電子傳遞速率來促進(jìn)ATP的合成。此外，它還減緩了光合作用電子從PSII反應(yīng)中心到QA、QB和PQ的轉(zhuǎn)移速度，這是由于低溫導(dǎo)致的。除PSII外，PSI(光系統(tǒng)I)也對(duì)低溫脅迫敏感。對(duì)PSI的破壞將導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)移的進(jìn)一步抑制，并加劇對(duì)PSII的損害程度[14]。

4 低溫脅迫下植物的分子響應(yīng)

轉(zhuǎn)錄組分析作為一項(xiàng)重要技術(shù)被諸多學(xué)者所采用的，廣泛應(yīng)用于對(duì)植物的抗寒生理實(shí)驗(yàn)研究中。低溫逆境脅迫引起蛋白質(zhì)含量的變化以及相關(guān)基因的響應(yīng)研究已引起了廣大研究者的普遍關(guān)注。

Zhang等對(duì)低溫處理前后柑橘的miRNAs進(jìn)行了比較研究，共鑒定出107個(gè)保守的miRNAs，分屬于44個(gè)miRNA家族，以及5個(gè)潛在的新miRNAs。生物信息學(xué)分析表明，36個(gè)保守的miRNAs和5個(gè)新的miRNAs分別受脅迫上調(diào)或下調(diào)，其中10個(gè)冷響應(yīng)miRNAs被定量RT-PCR證實(shí)。時(shí)程表達(dá)分析進(jìn)一步驗(yàn)證了所選擇的五個(gè)保守miRNAs的冷響應(yīng)能力。預(yù)測的冷響應(yīng)miRNAs靶基因編碼多種與非生物脅迫反應(yīng)有關(guān)的蛋白，包括特征良好的轉(zhuǎn)錄因子[15]。

5 結(jié) 語

植物對(duì)低溫響應(yīng)是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，目前對(duì)于植物耐低溫抗寒等研究，大部分是通過測定生理指標(biāo)以及結(jié)合表型或超微結(jié)構(gòu)來綜合評(píng)價(jià)，隨著轉(zhuǎn)錄組和蛋白組網(wǎng)絡(luò)調(diào)控技術(shù)的提升，其作為一種新的研究技術(shù)的也被廣泛應(yīng)用。每個(gè)植物生長發(fā)育的植物品種、地理位置、脅迫程度、脅迫方式是多樣的，所以低溫脅迫對(duì)其產(chǎn)生的影響也會(huì)體現(xiàn)出不同的差異性。由于環(huán)境因子存在的復(fù)雜性和其它因子的多變性，植物在面對(duì)復(fù)合環(huán)境因子脅迫時(shí)所產(chǎn)生的影響仍需更多的關(guān)注和深入的研究，為挑選具有較強(qiáng)抗寒能力的品種提供更多值得借鑒的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。