外源物質提高作物抗寒性研究進展

裴海榮+郭宗端+李偉+賈洪秀+袁鳳英+王曉龍

摘要：低溫是作物遇到的逆境脅迫中較為常見的一種，提高作物抗寒性，減少低溫對作物的不利影響在農業生產中至關重要。綜述了幾類外源物質對提高作物抗寒性的影響，并對未來的研究重點進行了展望。

關鍵詞：外源物質；抗寒性；作物

中圖分類號：Q945.8 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）03-0409-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.003

Research Progress on Improving the Cold Resistance of Crops by Exogenous Materials

PEI Hai-rong， GUO Zong-duan， LI Wei， JIA Hong-xiu， YUAN Feng-ying， WANG Xiao-long

（National Engineering Technology Research Center for Controlled Release Fertilizers/Kingenta Ecological Engineering Limited Company，

Linshu 276700，Shandong，China）

Abstract： Low temperature is a common stress form of crops adversity stress. Improving the cold tolerance of crops is very important in agricultural production. The paper reviewed influence of several kinds of exogenous substances on improveing crop cold resistance， and the focus of the future research was also discussed.

Key words： exogenous substance； cold resistance； crops

溫度是影響植物生長的重要因素之一，同時也影響著不同種類植物的地理分布。在農業生產過程中，作物常受到低溫的侵害，造成作物的生理障礙，引起作物減產甚至死亡。低溫危害包括冷害和凍害，冷害是指在作物生長過程中，在零攝氏度以上低溫對作物的損害。冷害使作物生理活動受到障礙，嚴重時某些組織遭到破壞。一些喜溫作物如水稻、黃瓜、辣椒等經常發生冷害現象。凍害是指零攝氏度以下的低溫使作物體內結冰，對作物造成的傷害。常發生的有越冬作物凍害、果樹凍害和經濟林木凍害等。凍害對農業威脅很大，如美國的柑橘、中國的冬小麥和柑橘常因凍害而遭受巨大損失[1，2]。

目前一般通過提高農藝栽培手段來減輕低溫對作物的危害，如冬季采用溫室大棚種植，覆膜種植等方式來提高溫度，改善作物生長環境。也可以采用雜交育種或基因工程來培育抗寒能力優越的品種，減少低溫的不利影響[3，4]。但改善農藝措施費時費工，雜交育種抗冷性資源不足，選擇周期長，基因工程技術難度大。比較簡單的辦法就是使用外源物質來提高作物對寒冷的抗性，外源物質主要包括植物生長調節劑，如脫落酸、蕓苔素內酯、水楊酸等；滲透調節物質，如可溶性糖、甜菜堿等；無機鹽離子，如Ca+，K+等。

1 激素類物質

植物激素在提高植物抗低溫能力方面有重要作用，是抗寒基因表達的啟動因子之一。內源ABA被稱為脅迫激素，在植物遭受低溫脅迫時，含量大大增加，而赤霉素、生長素含量下降，玉米素核苷含量先降后升。外施激素類物質同樣可以提高植物抗寒性，使用較多的是脫落酸、水楊酸、油菜素內酯等，主要作用包括以下幾個方面：促進植物內源脫落酸的形成；降低電解質滲透率；增加滲透調節物質的含量；增強SOD及POD等酶的活性；誘導抗寒基因的表達及冷信號的傳導[5]。

1.1 脫落酸

脫落酸被認為是植物對不同逆境因子產生響應的共同信號之一，它在許多逆境響應基因誘導表達中起到調控作用。當低溫引起植物體內滲透調節改變時，可以促進脫落酸的積累并最終導致抗寒基因的表達，提高植物抗寒力。外源脫落酸的抗寒性誘導作用已經在棉花、苜蓿、油菜、黃瓜、小麥等作物中得到證實。Baker等[6]、Yamaguchi Shinozaki等[7]、Lang等[8]發現，擬南芥中部分冷誘導基因除受冷脅迫誘導外，還受脫落酸誘導。吳楚等[9]研究表明，低溫馴化僅能引起少量的內源脫落酸和RAB18基因表達的變化，特別是對RAB18的調控，其轉錄物幾乎測不出。當使用了外源脫落酸處理后，顯著增加了RAB18基因的表達，這就說明外源使用脫落酸相比低溫馴化，更能提高作物抗寒性。除了誘導抗寒基因表達外，也有人認為外源ABA能夠穩定細胞質骨架以保護低溫下膜結構的穩定性，進而增加抗寒性[10]。例如劉娜等[11]在甜菜幼苗上外施誘抗素，減少了膜脂過氧化產物的積累，降低了細胞膜透性，從而減輕了低溫脅迫的傷害。

1.2 水楊酸

水楊酸是存在于植物中的一種酚類物質，是激活植物防御反應的自然信號物質之一，可以通過韌皮部運輸，從而誘導系統獲得抗性。同時，水楊酸是一種生熱素，能誘導植物體生熱，其誘導的生熱效應是植物對低溫環境的一種適應。在低溫脅迫下，水楊酸可顯著提高幼苗葉片細胞膜的穩定性，抑制葉片中丙二醛的積累，提高過氧化氫酶、過氧化物酶等酶的活性[12，13]。何淑玲等[14]用0.3 mg/L水楊酸溶液處理狹葉紅景天，發現能夠提高Ca2+-ATP、Mg2+-ATP的活性，減輕細胞膜的傷害，提高幼苗抗寒能力。王玉坤等[15]利用0.3 mmol/L水楊酸溶液對番茄種子進行浸種處理，待幼苗長至2葉1心時進行低溫脅迫，結果發現水楊酸能夠顯著降低細胞質膜透性與MDA含量，提高可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素含量，增強幼苗抗寒性。Chen等[16]則有不同的觀點，發現水楊酸是激活某些防衛反應的重要信號因子，其作用是作為配體與過氧化氫酶結合，抑制該酶的活性，使細胞內過氧化氫含量增加，誘導防衛反應。

1.3 蕓苔素內酯

蕓苔素內酯是一種新型激素，是目前公認的活性最高，最廣譜的植物生長激素，能減輕作物在低溫脅迫和回溫恢復過程中的傷害作用，而且能促進根系和基葉的正常生長和健壯度。研究發現，使用蕓苔素可以提高禾本科作物如水稻[17]、玉米[18]、小麥[19]的抗寒能力，同時，對一些茄果類等經濟作物也有類似的作用[20，21]。其作用機理可能是通過鈣信使系統或激素類作用來調節作物抗冷力的形成，阻止產生過多的自由基，或誘導激活相關酶系統如過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等來降低自由基對膜脂的氧化作用，從而穩定膜的結構與功能，增強膜的防衛作用，使作物適應低溫環境，促進生長[22]。王炳奎等[23]發現，水稻種子用蕓苔素內酯浸種后，水稻幼苗在低溫脅迫時維持了較高的超氧化物歧化酶的活性，減緩了丙二醛的積累，保持較高的ATP水平，促進了脯氨酸的積累。周玉萍等[24]也發現蕓苔素內酯可以提高香蕉幼苗低溫脅迫時和低溫脅迫后葉片過氧化物酶活性，進而減輕低溫對香蕉的傷害。

1.4 多胺

多胺類化合物普遍存在于植物細胞內，主要有精胺（Spm）、亞精胺（Spd）、腐胺（Put）和尸胺（Cad）等，某些多胺以有機多聚陽離子的形態與帶負電荷的核酸、蛋白質等結合，影響其構相，進而間接地影響DNA、RNA的表達。遇到低溫等逆境脅迫時，多胺能夠保護膜結構不受破壞，并能夠與膜上的磷脂作用，增強膜的穩定性[25，26]。噴施亞精胺能夠增加低溫脅迫下植物體內游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的含量，并增加抗氧化保護酶SOD、POD和CAT的活性，進而增加植株抗寒性[27，28]。多胺能夠提高果實的耐冷性，50 mg/L亞精胺處理可以減輕果肉褐變，延緩冷害發生，降低桃果實的冷敏性，延長保鮮期[29]。外源腐胺也有同樣效果，使用腐胺處理能夠提高低溫脅迫下芒果內源多胺的含量，維持果皮SOD活性在較高水平，使細胞膜透性增加緩慢，緩解冷害的發生[30]。

2 非激素物質

除了激素類物之外，一些無機鹽離子如Ca2+，能夠通過穩定細胞結構，促進低溫信號傳導，誘導抗寒基因表達來提高作物抗寒性。有機滲透調節物質如甜菜堿、脯氨酸、可溶性糖等是一種重要的抗寒劑，目前研究與應用比較多。在低溫脅迫時，膜系統受到破壞，細胞液外滲，導致細胞內外平衡失調。滲透調節物質可以提高細胞液濃度，維持滲透壓，保護膜系統組分，提供生命活動所需要的養分，還可以產生新的功能蛋白酶和生長激素來抵抗逆境脅迫，相互協同調節內環境，提高植物抗寒性。

2.1 鈣

鈣離子能夠提高植物的抗寒性，主要從以下3個方面發揮作用。

一是能保持細胞膜的穩定性，維持細胞膜正常功能，進而提高植物抗寒力。Ca2+作為磷脂的磷酸根和蛋白質羧基間連接的橋梁，使膜的結構變得更為牢固[31]，能夠提高相關酶系統如過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等來降低自由基對膜脂的氧化作用，保持細胞膜的功能，防止細胞超微結構的破壞[32-35]。

二是通過加固細胞壁影響植物耐冷性。細胞壁能夠防止胞外冰凍脫水引起細胞塌陷損傷，一些植物在低溫條件下，細胞壁加厚并木質化[36]，Ca2+正是細胞壁加厚和木質化的調節者。Eklund等[37，38]研究表明，鈣離子濃度影響細胞壁成分的合成，低濃度的鈣離子降低細胞壁內木質素和非纖維素多糖的積累，高濃度Ca2+則增加非纖維素多糖和木質素的合成及其在細胞壁中的沉積。Ca2+能刺激植物細胞分泌過氧化物酶到細胞壁中并提高其活性，通過這種酶的催化作用，使細胞壁中伸展蛋白形成異二酪氨酸雙酚酯橋，導致伸展蛋白分子間以及伸展蛋白與多糖分子之間的連接，從而加強細胞壁的牢固性[39]。

三是作為第二信使促進低溫信號的傳導，誘導抗凍基因的表達。Lam等[40]發現，通過細胞內Ca2+濃度的增加，可誘導葉綠素a和b束縛蛋白轉錄體的增加。在苜蓿上使用Ca2+螯合劑BAPTA或Ca2+通道阻斷劑La3+，抑制了低溫誘導的Ca2+的輸入，同時減弱了冷適應基因Cas15和Cas18基因的表達，降低了苜蓿的抗凍能力。相反地，使用Ca2+載體A23187和Ca2+通道促活劑Bay K8644促進Ca2+流入細胞，則誘導了抗凍基因Cas15和Cas18的表達，增加了其抗寒性[41]。

2.2 甜菜堿

甜菜堿不帶電荷，溶解度很高，廣泛存在于生物體內，許多作物在遭受逆境脅迫時，可以合成并在細胞內累積甜菜堿[42]。Koster等[43]將黑麥品種Puma在寒冷環境中培育4周，植物體內甜菜堿含量逐漸增加。Kishitani等[44]研究表明，抗寒能力強的大麥品種，在低溫條件下甜菜堿含量較常溫時增加5倍左右，而抗寒力弱的品種僅增加兩倍。植物抗寒力的強弱與甜菜堿的增加量呈正相關的關系，增加越多，抗寒能力越強。甜菜堿作為細胞內重要的滲透調節物質，能有效地維持低溫下蛋白質和生物膜的結構與功能。Coughlan等[45]研究表明，在低溫脅迫下，甜菜堿可以減輕低溫對菠菜葉綠體類囊體的傷害，原因可能是甜菜堿本身是季銨化陽離子，可與膜外蛋白質的羧基陰離子相互作用，穩定低溫下細胞膜的結構。蘇文潘等[46]在香蕉上外噴甜菜堿溶液降低了香蕉幼苗葉片細胞膜脂過氧化水平和細胞膜透性增加的程度，減小了超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性的下降幅度，并提高了過氧化氫酶活性，從而提高香蕉幼苗的抗冷能力，尤以7.5 mmol/L甜菜堿處理的效果最好。Bateman等[47]證明，甜菜堿能夠穩定蛋白質的三級結構，阻止或逆轉由一些非相容性溶質對蛋白質三級結構的破壞。甜菜堿提高作物抗寒性還可能與其能夠誘導抗寒基因表達有關，Allard等[48]報道甜菜堿處理誘導了小麥抗寒基因wcor 410和wcor 413的表達，進而提高了小麥的抗寒力。

2.3 可溶性糖

可溶性糖也是一類滲透調節物質，常見的有蔗糖、葡萄糖、果糖、海藻多糖等。在低溫逆境下植物體內常積累大量的可溶性糖?？扇苄蕴侵阅芴岣呓M織的抗冷性，可能有以下幾個方面的原因：一是通過糖的積累降低冰點，增強細胞的保水能力；二是通過糖的代謝產生其他保護性物質及能源；三是對細胞的生命物質及生物膜起保護作用。

2.4 脯氨酸

脯氨酸是一種重要的有機滲透調節物質，在低溫條件時，體內脯氨酸含量可提高10～100倍[49]。脯氨酸含量的增加有助于細胞或組織的保水，同時還可以作為碳水化合物的來源及酶和細胞結構的保護劑，來提高作物抗寒性[50]。植物除了自身合成脯氨酸外，外噴脯氨酸同樣能起到提高抗寒性的效果。喬俊鵬等[51]在模擬降溫過程中的深山含笑上噴施0.2 g/L脯氨酸溶液，結果發現，脯氨酸能夠明顯提高SOD酶的活性，降低丙二醛的含量，提高作物抗寒性。肖伏娥等[52]在水稻幼苗上噴施50 mg/kg的脯氨酸溶液，經過低溫處理后，結果發現噴施脯氨酸的處理較對照水稻體內過氧化物酶活性和脯氨酸含量均明顯增加，死苗率降低，表明外源脯氨酸有助于提高水稻抗寒性。

3 展望

現有研究表明，施用外源物質來提高作物抗寒性是有效可行的，尤其是誘抗素、水楊酸、甜菜堿等一些植物生長調節劑或滲透調節物質已經出現了商品化的產品，并且實際應用效果較好。但針對不同作物施用外源物質的最佳時間、最佳濃度等不明確。除了商品化的產品外，大部分抗寒試驗都是實驗室條件下完成，缺乏實際使用經驗，并且試驗往往與分子機制及細胞水平的理論研究相互割離。未來關于外源物質抗寒試驗大田條件下應注重實際使用效果，實驗室條件下注重理論研究，實驗室、大田試驗相結合，為外源物質在提高作物抗寒性上發揮更大作用。

參考文獻：

[1] 潘瑞熾.植物生理學[M].第六版，北京：高等教育出版社，2008.

[2] 任 軍，黃志霖，曾立雄，等.低溫脅迫下植物生理反應機理研究進展[J].世界林業研究，2013，26（6）：15-20.

[3] 黎定軍，高必達.植物抗寒凍脅迫基因工程研究進展[J].作物研究，2000（3）：45-48.

[4] 嚴學東，莊南生.植物抗寒育種研究進展簡述[J].熱帶農業科技，2006，29（2）：18-22，27.

[5] 黃 翔.復合外源活性物質對幾種作物抗寒性的影響及其機理研究[D].武漢：華中農業大學，2008.

[6] BAKER S S，WILHELM K S，THOMASHOW M F. The 5-region of Arabidopsis thaliana cor15a has cis-acting elements that confer cold-，drought-and ABA-regulated gene expression[J].Plant Molecular Biology，1994，24（5）：701-713.

[7] YAMAGUCHI-SHINOZAKI K，SHINOZAKI K. A novel cis-acting element in an Arabidopsis gene is involved in responsiveness to drought， low-temperature， or high-salt stress[J].The Plant Cell，1994，6（2）：251-264.

[8] L？魡NG V，PALVA E T. The expression of a rab-related gene， rab18， is induced by abscisic acid during the cold acclimation process of Arabidopsis thaliana （L.） Heynh[J]. Plant Molecular Biology，1992，20（5）：951-962.

[9] 吳 楚，王政權.脫落酸及其類似物與植物抗寒性之間的關系[J].植物生理學報，2000，36（6）：562-567.

[10] 簡令成.植物抗寒機理研究的新進展[J].植物學報，1992，9（3）：17-22.

[11] 劉 娜，宋柏權，楊 驥，等.低溫脅迫下甜菜紙筒苗葉噴植物調節劑試驗[J].中國農學通報，2014，30（34）：35-40.

[12] 王 麗，王燕凌，廖 康.外源水楊酸處理對全球紅葡萄植株抗寒性的影響[J].新疆農業大學學報，2005，28（2）：51-54.

[13] 孫 艷，崔鴻文，胡 榮.水楊酸對黃瓜幼苗壯苗的形成及抗低溫脅迫能力的生理效應[J].西北植物學報，2000，20（4）：616-620.

[14] 何淑玲，馬令法，楊敬軍，等.外源水楊酸對低溫脅迫下狹葉紅景天幼苗生理及膜傷害的影響[J].北方園藝，2015（17）：61-65.

[15] 王玉昆，趙 敏，杜彩云，等.外源物質引發處理對番茄幼苗耐冷性的影響[J].江蘇農業科學，2015，43（2）：160-161.

[16] CHEN Z，SILVA H，KLESSIG D F.Active oxygen species in the induction of plant systemic acquired resistance by salicylic acid[J].Science，1993，262（5141）：1883-1886.

[17] 廖新華，張建華，王建軍，等.蕓苔素內酯對水稻孕穗期冷害的防治初報[J].云南大學學報（自然科學版），1999，21（2）：153-155.

[18] 周 天，周曉梅，胡勇軍，等.油菜素內酯對玉米幼苗抗冷性的影響[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2004，25（1）：6-8.

[19] 張煜星，閻 潔，崔衛東，等.表油菜素內酯對小麥幼苗抗冷性的影響[J].石河子農學院學報（自然科學版），1995（2）：15-18.

[20] MANDAVA N B. Plant growth-promoting brassinosteroids[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1988，39（1）：23-52.

[21] 丁錦新，陶曉東，黃素青.表油菜素內酯對黃瓜幼苗抗冷性的影響[J].浙江農業科學，1998（4）：195-197.

[22] 陳善娜，劉繼梅，游慧靈，等.抗寒劑和高油菜素內酯對高原水稻抗冷性的影響[J].植物分類與資源學報，1997（2）：184-190.

[23] 王炳奎，曾廣文.表油菜素內酯對水稻幼苗抗冷性的影響[J].植物生理學報，1993（1）：38-42.

[24] 周玉萍，鄭燕玲，田長恩，等.脫落酸、多效唑和油菜素內酯對低溫期間香蕉過氧化物酶和電導率的影響[J].廣西植物，2002， 22（5）：444-448.

[25] 劉 丹.亞精胺提高玉米幼苗抗寒性及其與NO關系的研究[D].江蘇徐州：江蘇師范大學，2013.

[26] 徐錦華，羊杏平，劉 廣，等.西瓜耐冷性研究進展[J].江蘇農業科學，2010（5）：208-210.

[27] 袁菊紅.外源亞精胺對越冬金邊瑞香抗寒性的影響[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2012（5）：129-135.

[28] 張 帆，郁繼華，頡建明，等.外源ALA和Spd對低溫弱光下辣椒幼苗光合作用及抗氧化系統的影響[J].中國農業科學，2013， 46（11）：2298-2306.

[29] 馮志宏，趙迎麗，李建華，等.亞精胺處理對大久保桃果實冷敏性的影響[J].農業機械學報，2009，40（12）：151-155.

[30] 張昭其，李雪萍，洪漢君，等.外源腐胺減輕芒果冷害的研究[J].福建農業學報，2000，15（2）：32-36.

[31] STEPONKUS P L. Role of the plasma membrane in freezing injury and cold acclimation[J].Annual Review of Plant Physiology，1984，35（1）：543-584..

[32] 王麗萍，任良玉，王 冉，等.鈣對黃瓜幼苗生長及抗氧化系統的影響[J].河北農業大學學報，2004，27（1）：34-37.

[33] 張 燕，方 力，李天飛，等.鈣對低溫脅迫的煙草幼苗某些酶活性的影響[J].植物學報，2004，19（3）：342-347.

[34] 梁 穎，王三根.Ca2+對低溫下水稻幼苗膜的保護作用[J].作物學報，2001，27（1）：59-64.

[35] 侯麗霞.CaCl2浸種對低溫脅迫下水稻幼苗生理指標的影響[J]. 江蘇農業科學，2013，41（8）：70-71.

[36] RAJASHEKAR C B， LAFTA A. Cell-wall changes and cell tension in response to cold acclimation and exogenous abscisic acid in leaves and cell cultures[J].Plant Physiology，1996， 111（2）：605-612.

[37] EKLUND L，ELIASSON L. Effects of Calcium Ion Concentration on Cel Wall Synthesis[J].Journal of Experimental Botany，1990，41（7）：863-867.

[38] EKLUND L. Relations between indoleacetic acid，calcium ions and ethylene in the regulation of growth and cell wall composition in Picea abies[J].Journal of experimental botany，1991， 42（6）：785-789.

[39] WILSON L G，FRY J C. Extensin—a major cell wall glycoprotein[J].Plant， Cell & Environment，1986，9（4）：239-260.

[40] LAM E，BENEDYK M，CHUA N H. Characterization of phytochrome-regulated gene expression in a photoautotrophic cell suspension：Possible role for calmodulin[J].Molecular and cellular biology，1989，9（11）：4819-4823.

[41] MONROY A F，DHINDSA R S. Low-temperature signal transduction： Induction of cold acclimation-specific genes of alfalfa by calcium at 25 degrees C[J].The Plant Cell，1995，7（3）： 321-331.

[42] 韓冬芳，李雪萍，李 軍，等.甜菜堿提高植物抗寒性的機理及其應用[J].熱帶亞熱帶植物學報，2010，18（2）：210-216.

[43] KOSTER K L， LYNCH D V. Solute accumulation and compartmentation during the cold acclimation of Puma rye[J]. Plant Physiology，1992，98（1）：108-113.

[44] KISHITANI S， WATANABE K， YASUDA S， et al. Accumulation of glycinebetaine during cold acclimation and freezing tolerance in leaves of winter and spring barley plants[J]. Plant， Cell & Environment，1994，17（1）：89-95.

[45] COUGHLAN S J， HEBER U. The role of glycinebetaine in the protection of spinach thylakoids against freezing stress[J]. Planta，1982，156（1）：62-69.

[46] 蘇文潘，李茂富，黃華孫.甜菜堿對低溫脅迫下香蕉幼苗細胞膜保護酶活性的影響[J].南方農業學報，2005，36（1）：21-24.

[47] BATEMAN J B，EVANS G F，BROWN P R，et al. Dielectric properties of the system bovine albumin：urea：betaine in aqueous solution[J].Physics in Medicine & Biology，1992，37（1）：175-82.

[48] ALLARD F， HOUDE M， KR？魻L M， et al. Betaine improves freezing tolerance in wheat[J].Plant and Cell Physiology，1998， 39（11）：1194-1202.

[49] 沈賢輝，劉 剛.植物抗寒生理研究進展[J].長江大學學報（自然科學版），2014（17）：40-42.

[50] KHEDR A H A，ABBAS M A，WAHID A A A， et al. Proline induces the expression of salt-stress-responsive proteins and may improve the adaptation of Pancratium maritimum L. to salt-stress[J].Journal of Experimental Botany，2003，54（392）：2553-2562.

[51] 喬俊鵬，夏鵬云，梅海軍，等.脯氨酸、維生素C和CaCl2處理對深山含笑抗寒性的影響[J].江西農業學報，2010，22（2）：40-42.

[52] 肖伏娥，胡 揚.外源脯氨酸與水稻幼苗的抗寒性[J].湖南農學院學報，1988，14（2）：15-19.