李曉靖，崔海軍

（1.河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)總場(chǎng)，河北圍場(chǎng) 068466；2.西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家高原濕地研究中心，云南 昆明 650000）

植物受到溫度的影響較大，溫度過(guò)高、過(guò)低、變化速度、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短都會(huì)影響到植物的生理代謝變化。植物生長(zhǎng)發(fā)育適溫區(qū)的上限和下限分別是臨界高溫和臨界低溫，當(dāng)環(huán)境溫度低于臨界溫度時(shí)，植物會(huì)受到傷害，溫度越低植物受害越重。低溫會(huì)直接損害植物的光合機(jī)構(gòu)，降低其光能同化率，同時(shí)增加熱輻射消耗的比例，對(duì)植物造成嚴(yán)重傷害。長(zhǎng)期低溫凍害會(huì)誘導(dǎo)植物產(chǎn)生生態(tài)適應(yīng)性，包括形態(tài)和生理兩方面。溫度的變化還能引起其他環(huán)境因子的變化，而環(huán)境因子的變化也會(huì)反過(guò)來(lái)影響植物的生理生化特性，進(jìn)一步影響植物的生物量。

1 低溫脅迫對(duì)光合作用影響

1.1 光合參數(shù)

光合作用的正常進(jìn)行，受到各種環(huán)境因子的影響，溫度是其中一個(gè)較為重要的因子，細(xì)胞內(nèi)可利用的液態(tài)水是植物生命活動(dòng)所必需的物質(zhì)，溫度低于冰點(diǎn)，液態(tài)水固化，植物將面臨生長(zhǎng)停滯甚至死亡，因此，植物體內(nèi)溫度超過(guò)冰點(diǎn)，植物才能正常生長(zhǎng)發(fā)育。研究表明，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植物凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）等光合參數(shù)會(huì)持續(xù)下降，低溫脅迫解除，Pn、Gs、Tr有不同程度的回升［1-2］。低強(qiáng)度脅迫時(shí)，葉片的Pn、Gs、氣孔限制值（Ls）、胞間CO2濃度（Ci）下降幅度較小，且脅迫解除后可恢復(fù)正常，隨著脅迫強(qiáng)度增加，各測(cè)試指標(biāo)變化顯著，且恢復(fù)表現(xiàn)較差。光飽和點(diǎn)（LSP）和光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）是植物利用光照能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，反應(yīng)了植物光合作用的生理生化特征，植物的LSP較低，LCP較高，說(shuō)明植物適應(yīng)光的能力比較弱，光照生態(tài)幅也較窄。低溫脅迫導(dǎo)致葉片對(duì)光輻射的利用能力下降，隨著脅迫溫度降低，葉片最大凈光合速率、表觀量子效率（AQY）及 LSP快速下降，LCP、暗呼吸速率（Rd）則呈上升趨勢(shì)［3］。

1.2 葉綠體結(jié)構(gòu)

葉片超微結(jié)構(gòu)對(duì)脅迫的反應(yīng)較為敏感，葉綠體是植物細(xì)胞進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器，正常情況下，葉綠體內(nèi)類(lèi)囊體平行排列，基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)排列規(guī)則，結(jié)構(gòu)清晰，葉綠體膜完整。低溫脅迫時(shí)，葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，如葉綠體普遍膨脹,基粒片層變薄，數(shù)目減少，被膜及質(zhì)膜清晰度下降，線粒體嵴膨脹，嗜鋨顆粒明顯增多，核膜消失、質(zhì)膜內(nèi)陷，液泡膜扭曲變形，甚至解體，質(zhì)體小球增多，葉肉淀粉含量下降［4-6］。隨著脅迫溫度的降低和時(shí)間的延長(zhǎng)，高強(qiáng)度的低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)分解、淀粉粒消失、質(zhì)壁分離、細(xì)胞器崩潰降解等現(xiàn)象［7］。

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)

葉綠素?zé)晒庑盘?hào)由植物體內(nèi)發(fā)出，并且具有豐富的光合作用信息，這與植物的受脅迫程度相關(guān)，因此可以利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)研究植物在脅迫條件下的光合作用，同時(shí)可以推測(cè)出環(huán)境脅迫對(duì)植物的影響程度［8］。低溫脅迫影響葉片光能的吸收、轉(zhuǎn)換與光合電子傳遞，致使過(guò)剩的激發(fā)能大量積累于PSⅡ反應(yīng)中心，進(jìn)而損傷植物葉片的PSⅡ反應(yīng)中心，并導(dǎo)致葉片光合作用能力減弱。研究表明，隨著低溫脅迫的延長(zhǎng)，葉片的PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)均顯著下降，電子傳遞速率(ETR)減慢，非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）先上升后下降［9-12］。輕度低溫脅迫時(shí)，NPQ升高，說(shuō)明耗散過(guò)剩的光能可以保護(hù)光合機(jī)構(gòu)。

2 低溫脅迫對(duì)膜系統(tǒng)影響

2.1 膜結(jié)構(gòu)

植物受到低溫脅迫時(shí)，其生物膜會(huì)發(fā)生相變和結(jié)構(gòu)變化，膜上產(chǎn)生孔道或龜裂，細(xì)胞膜的主動(dòng)運(yùn)輸和選擇透過(guò)性喪失，膜透性增加，膜內(nèi)可溶性物質(zhì)外滲增多，造成代謝紊亂，自由基等有害物質(zhì)積累，使細(xì)胞受到損壞甚至死亡。低溫引發(fā)的一系列生理反應(yīng)可以導(dǎo)致細(xì)胞脫水、膜脂過(guò)氧化、胞壁間黏連及蛋白質(zhì)變性。膜脂中的棕櫚油酸、亞麻酸、亞油酸等不飽和脂肪酸含量的增加能有效降低膜脂的相變溫度，從而提高植物抗寒性［13］。研究發(fā)現(xiàn)，抗寒性強(qiáng)的品種具有較高的脂肪酸不飽和度和不飽和脂肪酸指數(shù)，低溫脅迫會(huì)誘導(dǎo)植物體內(nèi)不飽和脂肪酸的形成，正常情況下，溫度越低，其總脂肪酸含量、脂肪酸不飽和度、不飽和脂肪酸指數(shù)越高［14-15］。

2.2 膜代謝產(chǎn)物

低溫脅迫條件下，植物體內(nèi)會(huì)積累過(guò)多的活性氧，影響植物的膜脂過(guò)氧化作用，進(jìn)一步使葉片中丙二醛含量增加，加速植物老化［16］。丙二醛是膜脂過(guò)氧化的終產(chǎn)物之一，是一種有毒物質(zhì)，它通過(guò)和葉片內(nèi)一些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使其改變其本身生理結(jié)構(gòu)，失去原有生理功能和活性，最終導(dǎo)致植物受到損害。丙二醛含量越高，細(xì)胞受到脅迫的程度越深。一般認(rèn)為，丙二醛損害細(xì)胞膜的程度較深，它通過(guò)膜脂過(guò)氧化，損害細(xì)胞膜原有結(jié)構(gòu)和功能，從而改變其生理功能和活性，進(jìn)一步影響其他生理代謝的進(jìn)行［17］。植物在脅迫條件下，丙二醛含量有升高趨勢(shì)，但是隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)和脅迫程度的加深，其含量有下降趨勢(shì)［18］。自由基使脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)生丙二醛，進(jìn)一步導(dǎo)致生命大分子物質(zhì)的聚合，產(chǎn)生細(xì)胞毒性。研究發(fā)現(xiàn)，丙二醛可以反應(yīng)植物的氧化傷害程度，但是細(xì)胞壁中丙二醛含量比葉片細(xì)胞中丙二醛含量可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)植物的受害程度［19］。

3 低溫脅迫對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)影響

3.1 可溶性糖

可溶性糖包括絕大部分的單糖、寡糖，屬于非結(jié)構(gòu)性碳水化合物?？扇苄蕴鞘侵参矬w內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，植物在低溫環(huán)境中，會(huì)增加糖類(lèi)物質(zhì)的含量，加強(qiáng)植物營(yíng)養(yǎng)吸收，從而提高抗寒性［17,20-22］。低溫脅迫初期，可溶性糖是植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，可溶性蛋白等物質(zhì)開(kāi)始起作用。淀粉是一種多糖。植物通過(guò)制造淀粉的方式貯存能量，淀粉可以看作是葡萄糖的高聚體，它儲(chǔ)存在植物的根部、枝干等木質(zhì)部中，低溫脅迫條件下，淀粉轉(zhuǎn)化為糖類(lèi)等其他化合物，來(lái)增強(qiáng)植物的抗寒性［23］。淀粉等大分子碳水化合物分解產(chǎn)生可溶性糖，淀粉和可溶性糖保持動(dòng)態(tài)平衡，低溫脅迫時(shí)，為提高植物抗寒性，可溶性糖與淀粉含量比率會(huì)變大［24］。

3.2 可溶性蛋白

可溶性蛋白是研究植物抗寒性的重要指標(biāo)之一，通常以小分子狀態(tài)存在，并可溶于水或其他溶劑?？扇苄缘鞍子H水性強(qiáng)，低溫脅迫條件下，可溶性蛋白含量會(huì)逐漸增加，使細(xì)胞內(nèi)束縛水含量增加，細(xì)胞保水能力提高，從而提高細(xì)胞質(zhì)內(nèi)濃度，降低結(jié)冰的可能性，增加植物抗寒性，如抗寒蛋白。然而，植物細(xì)胞同時(shí)產(chǎn)生水解酶，加速蛋白質(zhì)的分解，導(dǎo)致蛋白質(zhì)匱乏［25-27］。對(duì)鹽膚木、假連翹、老鴨嘴和葛藤幼苗進(jìn)行低溫脅迫，其可溶性蛋白含量在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)增加［1］。對(duì)橄欖油進(jìn)行低溫脅迫，其可溶性蛋白含量呈先上升后降低趨勢(shì)［28］。對(duì)茶樹(shù)葉片進(jìn)行低溫脅迫，其可溶性蛋白含量先下降再上升，隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，其含量超過(guò)處理前水平，說(shuō)明低溫誘導(dǎo)產(chǎn)生了新蛋白［20］。

3.3 脯氨酸

低溫脅迫條件下，植物體內(nèi)液態(tài)水溫度逐漸降到冰點(diǎn)以下，形成冰晶，使植物細(xì)胞壁外面的水膜結(jié)冰，隨著溫度的逐漸下降，冰晶范圍逐漸增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞原生壁濃縮，細(xì)胞逝水。植物為了自身各項(xiàng)生理過(guò)程正常進(jìn)行，會(huì)在體內(nèi)產(chǎn)生大量低分子化合物，這為植物在解除脅迫后恢復(fù)之前正常生長(zhǎng)提供必須的物質(zhì)準(zhǔn)備［29］。這些低分子化合物包括脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖等物質(zhì)。

脯氨酸具有較強(qiáng)的水合能力，植物體內(nèi)游離脯氨酸較多，它在植物逆境脅迫下是一種滲透保護(hù)劑，積累的脯氨酸在植物體內(nèi)具有重要作用，是植物體必不可缺的物質(zhì)。它既可以作為細(xì)胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，還可以穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)。抗逆性強(qiáng)的品種，體內(nèi)的脯氨酸含量也較高，因此通過(guò)測(cè)定脯氨酸含量大小可以判斷植物的抗逆性［30］。研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫條件下，葉片內(nèi)脯氨酸含量逐漸增加，脯氨酸通過(guò)保護(hù)植物體內(nèi)的各項(xiàng)保護(hù)物質(zhì)并啟動(dòng)相應(yīng)的抗脅迫代謝來(lái)減少脅迫對(duì)植物造成的傷害［31-32］。一般認(rèn)為，隨著脅迫程度的加深，植物體內(nèi)脯氨酸含量呈上升趨勢(shì)，脯氨酸含量越高，植物受到脅迫后的受損癥狀越嚴(yán)重，因此根據(jù)脯氨酸含量可以間接判斷植物的耐脅迫能力［33-34］。也有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)衣藻胞內(nèi)脯氨酸含量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，脯氨酸含量先升高后降低，-5℃，48 h后脯氨酸含量基本維持不變，可能是因?yàn)橹参锸艿矫{迫時(shí)，各方面生理活動(dòng)能力降低，使合成脯氨酸的原料和能量也有所減少，進(jìn)一步造成脯氨酸合成受阻，因此其含量最后維持不變［35］。

4 低溫脅迫對(duì)保護(hù)酶系統(tǒng)影響

適宜條件下，植物體內(nèi)活性氧處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，是不會(huì)對(duì)植物造成嚴(yán)重傷害的，但是在脅迫條件下，植物對(duì)氧氣的利用能力降低，過(guò)量的氧氣轉(zhuǎn)化成活性氧，對(duì)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重傷害，進(jìn)而影響植物的生理生化功能［36］。過(guò)剩的氧氣對(duì)需氧植物有一定毒性，活性氧過(guò)度積累從另一方面會(huì)促使植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)增強(qiáng)，進(jìn)一步減輕活性氧對(duì)植物自身的傷害?？寡趸到y(tǒng)包括抗氧化酶和非酶成分，抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶 (POD)、多酚氧化酶(PPO)和過(guò)氧化氫酶(CAT)，以及在 ASA—GSH循環(huán)中發(fā)揮主要作用的谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶 (GST)、谷胱甘肽還原酶(GR)，非酶物質(zhì)包括類(lèi)胡蘿卜素(carotenoid，Car)、生育酚(VE)、抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(glutathione，GSH)等［37］。

植物受到低溫脅迫時(shí)，清除超氧陰離子的SOD活性增加并產(chǎn)生過(guò)氧化氫（H2O2）等物質(zhì)，這些物質(zhì)氧化能力極強(qiáng)，對(duì)植物機(jī)體的傷害極大。過(guò)氧化物酶可以催化過(guò)氧化氫氧化產(chǎn)生水，降低膜內(nèi)不飽和脂肪酸的過(guò)氧化程度。因此，抗氧化酶系統(tǒng)可以清除植物體內(nèi)過(guò)剩的氧氣，從而使活性氧對(duì)植物的傷害程度降低。植物在脅迫條件下，過(guò)氧化氫清除系統(tǒng)會(huì)遭到破壞，活性氧含量會(huì)隨之增加，SOD會(huì)逐漸失去活性，進(jìn)一步損害活性氧清除體系。

SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)的重要酶類(lèi)，不同脅迫條件、脅迫程度、植物品種、降溫模式對(duì)三種酶的影響差別較大。

研究表明，低溫脅迫初期，植物對(duì)環(huán)境有自適應(yīng)能力，葉片體內(nèi)的SOD、POD、CAT活性顯著提高［38-40］。隨著處理溫度的降低、脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植株凍害等級(jí)與凍害指數(shù)增加，SOD、POD、CAT活性隨脅迫程度加重開(kāi)始降低，此時(shí)達(dá)到了植物抗寒性的臨界點(diǎn)，處理結(jié)束后3天，抗氧化酶活性較處理結(jié)束當(dāng)天有所升高［41］。

低溫脅迫處理后，抗寒性強(qiáng)的品種葉片中SOD和POD的活性比抗寒性差的品種高，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，抗寒性差的品種抗氧化酶活性的下降幅度也較大，一般認(rèn)為植物會(huì)通過(guò)增強(qiáng)保護(hù)酶活性來(lái)緩解脅迫造成的過(guò)氧化傷害，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗寒能力［4,42-44］，另外，不同品種植株在低溫脅迫后，體內(nèi)抗氧化酶活性的強(qiáng)弱和亞細(xì)胞中的定位不同［45］。

不同降溫模式對(duì)抗氧化酶活性的影響差別較大，采取緩降和驟降兩種降溫模式對(duì)植物進(jìn)行低溫脅迫，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)驟降模式低溫脅迫后的植物，其體腔液中SOD、CAT活性對(duì)低溫的響應(yīng)相對(duì)于緩降模式更為敏感，對(duì)低溫環(huán)境表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性［46］。通過(guò)人工低溫脅迫和入冬自然降溫兩種降溫模式處理植株，發(fā)現(xiàn)人工低溫脅迫時(shí)，SOD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，自然降溫過(guò)程中，SOD活性呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)［47］。

5 結(jié) 語(yǔ)

低溫脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，因植物品種、地理位置、脅迫程度、脅迫方式不同而異。植物應(yīng)對(duì)低溫脅迫的生理機(jī)制及其抗性表現(xiàn)在光合響應(yīng)、滲透調(diào)節(jié)、活性氧清除、葉片超微結(jié)構(gòu)變化等方面。目前，植物應(yīng)對(duì)低溫脅迫方面的研究取得一定進(jìn)展，但由于環(huán)境因子種類(lèi)繁多，并隨著其它因子的變化而改變，復(fù)合環(huán)境因子脅迫對(duì)植物的影響待進(jìn)一步深入研究，以便篩選出抗寒性較強(qiáng)的品種。