低溫脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)具有巨大的破壞作用，低溫會(huì)降低植物的吸水能力，抑制根對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，破壞正常代謝，低溫還會(huì)傷害芽和一年生枝頂端，從而影響樹(shù)型和干型，使喬木變成灌木狀。本篇林業(yè)論文發(fā)表研究植物低溫脅迫傷害機(jī)理，分析低溫脅迫下植物形態(tài)特征及葉結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為選種和育種提供依據(jù)。

　　推薦期刊：省級(jí)期刊《南方林業(yè)科學(xué)》本刊是是江西省林學(xué)會(huì)、省林業(yè)科學(xué)院合辦的綜合性林業(yè)科技期刊，主要報(bào)道林木良種、育苗造林、森林經(jīng)營(yíng)、森林保護(hù)、林產(chǎn)化工、森林生態(tài)、林業(yè)經(jīng)濟(jì)、森林花卉、森森蔬菜、鄉(xiāng)村林業(yè)和城市林業(yè)等方面的新成果、新技術(shù)、新經(jīng)驗(yàn)、新動(dòng)向。適合廣大科技人員，管理干部、專(zhuān)業(yè)院校師生、林場(chǎng)職工和林農(nóng)閱讀。
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　　關(guān)鍵詞： 植物;低溫脅迫;響應(yīng)機(jī)理

　　植物是生命的主要形態(tài)之一，與人類(lèi)生命的延續(xù)和生活質(zhì)量的提高息息相關(guān)。同時(shí)，植物是生物界中的一大類(lèi)，生長(zhǎng)發(fā)育與生長(zhǎng)的環(huán)境變化聯(lián)系密切。溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要環(huán)境因子[1,2]，低溫是一個(gè)主要的逆境因子。在全球氣溫變暖的大趨勢(shì)下，氣溫變化異常，極端天氣頻繁出現(xiàn)，農(nóng)作物的寒凍災(zāi)害日趨嚴(yán)重[3]。因此深入研究植物低溫脅迫響應(yīng)機(jī)理,能為農(nóng)作物耐寒性種質(zhì)資源的篩選及新品種選育，提供非常重要的理論依據(jù)，對(duì)促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大的實(shí)際意義。

　　1植物低溫脅迫傷害機(jī)理

　　植物對(duì)低溫脅迫的研究早在19世紀(jì)30年代就開(kāi)始了，至今已經(jīng)有近180多年的歷史[4]。低溫脅迫，根據(jù)低溫程度和受害情況分為冷害(>0℃)和凍害(≤0℃)。低溫脅迫下，植物的細(xì)胞的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，細(xì)胞膜的相變發(fā)生改變，而且膜脂和膜蛋白的相互作用的構(gòu)型也發(fā)生變化;細(xì)胞核的核膜孔的數(shù)量減少和關(guān)閉，減少和切斷了核與細(xì)胞質(zhì)之間的物質(zhì)交換，進(jìn)而停止細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)活動(dòng)，使得細(xì)胞的代謝轉(zhuǎn)變到抗寒鍛煉的途徑，抗寒基因得到啟動(dòng)和表達(dá)，抗寒力得到增強(qiáng);水分代謝失衡，導(dǎo)致植株葉片萎縮、焦化、凋謝。抗氧化酶活性和非酶抗氧化劑含量發(fā)生變化，導(dǎo)致植株活性氧中毒，甚至死亡。根據(jù)研究報(bào)道低溫脅迫造成植物傷害的機(jī)理有3種模式[5]。

　　膜的傷害：細(xì)胞膜又稱(chēng)質(zhì)膜，是由脂雙分子層和蛋白質(zhì)及外表面的糖被(糖蛋白)組成，蛋白質(zhì)鑲嵌在雙分子層中。質(zhì)膜重要功能之一是使植物細(xì)胞與外界環(huán)境隔離，保持細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定性，起著重要的屏障作用，行使細(xì)胞與外界環(huán)境的物質(zhì)交換和信息傳遞。低溫脅迫時(shí)，研究表明細(xì)胞膜最先感知低溫刺激，并且做出反應(yīng)[6,7]。上世紀(jì)70年代Lyons等研究表明[8]，低溫脅迫時(shí)，細(xì)胞膜相變從液晶狀態(tài)變成凝膠狀態(tài)，脂肪鏈由無(wú)序變?yōu)橛行颍鞍踪|(zhì)變性，膜的通透性增大，溶質(zhì)大量外流，膜內(nèi)離子和基質(zhì)失去平衡，膜質(zhì)相變使得一部分與膜結(jié)合的酶游離而失去活性，光合磷酸化和氧化磷酸化解偶聯(lián)，ATP形成明顯下降，引起代謝紊亂，嚴(yán)重時(shí)則可使受脅迫的植株死亡。

　　結(jié)冰傷害：凍害嚴(yán)格的說(shuō)是冰晶的傷害，也就是說(shuō)當(dāng)溫度下降到0℃以下，植物體內(nèi)會(huì)發(fā)生冰凍，組織會(huì)結(jié)冰。低溫會(huì)產(chǎn)生胞外結(jié)冰和胞內(nèi)結(jié)冰兩種脅迫方式。胞外結(jié)冰是指溫度下降時(shí)，細(xì)胞間隙和細(xì)胞壁附近的水分結(jié)冰。胞內(nèi)結(jié)冰是指溫度迅速下降時(shí)，除了胞外結(jié)冰外細(xì)胞內(nèi)的水分也結(jié)冰，一般先在原生質(zhì)內(nèi)結(jié)冰，后來(lái)在腋泡內(nèi)結(jié)冰。胞外結(jié)冰引起植物受害主要原因是：1)由于胞外結(jié)冰，細(xì)胞間隙內(nèi)水蒸汽壓降低，但細(xì)胞內(nèi)水分不斷被奪取，使原生質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重脫水，造成蛋白質(zhì)或原生質(zhì)不可逆的凝膠化;2)逐漸膨大的冰晶體給細(xì)胞造成機(jī)械壓力，使得細(xì)胞變形，甚至可能將細(xì)胞膜和質(zhì)膜擠碎，原生質(zhì)暴露于細(xì)胞外而受凍害，同時(shí)細(xì)胞亞微結(jié)構(gòu)遭受破壞，區(qū)域化被打破，酶活動(dòng)無(wú)秩序，影響代謝的正常進(jìn)行;3)若遇溫度驟然回升，冰晶迅速融化，細(xì)胞壁吸水膨脹，而原生質(zhì)體來(lái)不及吸水膨脹，就有可能被撕裂。胞內(nèi)結(jié)冰對(duì)細(xì)胞的危害更為直接，因?yàn)樵|(zhì)是有高度精細(xì)結(jié)構(gòu)的組織，冰晶形成及融化時(shí)會(huì)對(duì)質(zhì)膜與細(xì)胞器甚至整個(gè)細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，胞內(nèi)結(jié)冰常給植物帶來(lái)致命的傷害。

　　硫氫基假說(shuō)：1962年Levitt提出當(dāng)組織結(jié)冰脫水時(shí)，硫氫基(-SH)減少，而二硫鍵(-S-S-)增加。二硫鍵由蛋白質(zhì)分子內(nèi)部失水或相鄰蛋白質(zhì)分子的硫氫基失水而成。當(dāng)解凍再度吸水時(shí)，肽鏈松散，氫鍵斷裂但二硫鍵還在，使得肽鏈的空間位置發(fā)生變化，蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象改變，因而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，引起植物傷害甚至死亡。

　　2低溫脅迫下植物形態(tài)特征及葉結(jié)構(gòu)響應(yīng)

　　低溫脅迫下，植物最直觀的影響是引起生物學(xué)特性的變化，外部形態(tài)表現(xiàn)為組織柔軟，葉色褐化，出現(xiàn)脫水癥狀，甚至干枯死亡。低溫脅迫將會(huì)對(duì)植物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育均會(huì)造成不利的影響，如植物苗弱、生長(zhǎng)緩慢或者受阻產(chǎn)量低及品質(zhì)差等[9]。于文穎等[10]對(duì)“丹玉39”和“丹玉42”兩個(gè)玉米品種進(jìn)行了苗期的低溫脅迫，研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫抑制了玉米的生長(zhǎng)，導(dǎo)致葉面積增值率均小于正常生長(zhǎng)，后期生長(zhǎng)中發(fā)現(xiàn)“丹玉39”葉面積逐漸接近并最終在乳熟期達(dá)到正常水平，而“丹玉42”的后期恢復(fù)能力較差，生育期方面兩個(gè)品種玉米均表現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段延長(zhǎng)而生殖生長(zhǎng)階段縮短，導(dǎo)致后期的玉米生物產(chǎn)量和產(chǎn)量下降。苗永美等 [11]對(duì)不同基因型黃瓜幼苗進(jìn)行低溫脅迫研究發(fā)現(xiàn)黃瓜葉片表現(xiàn)出首先萎蔫脫水的冷害癥狀，不同基因型黃瓜脫水程度存在差異，處理期間 SWCC12 的冷害指數(shù)始終高于另外2份材料，EC1 最低。相對(duì)葉長(zhǎng)、葉寬、下胚軸長(zhǎng)和株粗均能反映萎蔫程度，而 SWCC12 在低溫處理 2 d時(shí)發(fā)生明顯的脫水現(xiàn)象，4個(gè)相對(duì)指標(biāo)都小于另外2種黃瓜。冷害指數(shù)和4個(gè)相對(duì)形態(tài)指標(biāo)變化趨勢(shì)一致，研究結(jié)果說(shuō)明根據(jù)植株萎蔫程度可簡(jiǎn)單直觀地反映不同基因型黃瓜的耐冷差異情況。

　　葉片是植物光合作用和蒸騰作用的主要器官[12]，在低溫脅迫下，水分代謝失去平衡，導(dǎo)致葉片萎縮、焦化及凋謝等。氣孔是植物進(jìn)行氣體交換的重要門(mén)戶(hù)，也是植物進(jìn)行光合作用和水分蒸騰的通道。何潔等[13]研究認(rèn)為低溫脅迫會(huì)發(fā)生氣孔關(guān)閉，凈光合速率降低。葉片總厚度、柵欄組織厚度或海綿組織厚度往往會(huì)隨植物所處生態(tài)條件和生理狀態(tài)的不同而發(fā)生改變。唐立紅等[14]研究發(fā)現(xiàn)紫斑牡丹品種的抗寒性與葉片結(jié)構(gòu)緊密度(CTR)呈正相關(guān)，與疏松海綿組織厚度的指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。馮美利[15]低溫脅迫芒果，解剖觀察發(fā)現(xiàn)低溫脅迫的柵欄組織厚度增大，結(jié)構(gòu)緊密度增大并且不同品種中存在顯著差異。

　　3低溫脅迫下植物抗氧化系統(tǒng)響應(yīng)

　　活性氧(ROS)是高等植物代謝過(guò)程的產(chǎn)物，在植物體內(nèi)主要包括以下幾種類(lèi)型:超氧根陰離子(O2-),氫氧根離子(OH-),羥基自由基 (-OH)、過(guò)氧化氫(H2O2)等[16,17]。植物細(xì)胞中產(chǎn)生ROS的部位有細(xì)胞膜、葉綠體、線(xiàn)粒體和過(guò)氧化物體等(見(jiàn)圖1),其中葉綠體和線(xiàn)粒體是產(chǎn)生ROS的主要部位[18]。ROS在線(xiàn)粒體和葉綠體的產(chǎn)生途徑主要通過(guò)電子傳遞,除此之外,ROS也可以通過(guò)代謝產(chǎn)生,如脂肪酸B-氧化等，研究表明,ROS是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中重要的信號(hào)分子,參與植物和細(xì)胞內(nèi)的分子、生化和生理反應(yīng),尤其在植物的防衛(wèi)反應(yīng)和細(xì)胞程序性死亡過(guò)程中發(fā)揮重要作用 [19,20]。

　　同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)ROS具有極高的活性和毒性[21]，能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物和DNA造成傷害，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。植物正常生長(zhǎng)情況下，ROS分子能夠被各種抗氧化防御機(jī)制清除[22]。然而，在低溫、鹽、干旱等逆境脅迫下，ROS產(chǎn)生和清除間的平衡被打破，導(dǎo)致ROS急劇增加。高等植物的抗氧化酶主要包括超氧化物歧化酶(SOD)，過(guò)氧化物酶(POD)，過(guò)氧化氫酶(CAT)，抗壞血酸還原酶(APX)，谷胱甘肽還原酶(GR)等;非酶抗氧化劑主要有抗壞血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)等。植物對(duì)低溫脅迫的耐性與其抗氧化系統(tǒng)清除ROS的能力密切相關(guān)。低溫脅迫下，水稻 [23]、玉米[24]、黃瓜[25]、棉花[26]、甘蔗[27]等的研究表明抗氧化酶活性和抗氧化劑的含量都表現(xiàn)先升高后下降，在品種比較試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，耐冷性強(qiáng)的品種在低溫脅迫下的抗氧化酶活性高于冷敏感的品種。

　　SOD、POD、 CAT是植物對(duì)膜脂過(guò)氧化的酶促防御系統(tǒng)中重要的保護(hù)酶。SOD 作為植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線(xiàn)[28,29]，在細(xì)胞保護(hù)酶系統(tǒng)中的作用是清除超氧根陰離子O2-,同時(shí)產(chǎn)生歧化產(chǎn)物 H2O2,避免超氧自由基對(duì)膜的傷害。POD 和 CAT 在保護(hù)酶系統(tǒng)中主要是起到酶促降解H2O2的作用,避免細(xì)胞膜的過(guò)氧化傷害。CAT主要存在于過(guò)氧化物酶體和乙醛酸還原體中,逆境脅迫期時(shí)細(xì)胞內(nèi)CAT增高,主要是清除多余的ROS,特別是H2O2,使之處于一個(gè)低水平狀態(tài)。POD是一種功能較復(fù)雜，種類(lèi)較多的酶, POD除了清除H2O2等ROS，主要功能是與木質(zhì)素的合成有關(guān),并與細(xì)胞的抗病相聯(lián)系[30]。正常生長(zhǎng)情況下，植物通過(guò)超氧化物歧化酶 (Superoxidedismatase,SOD)、過(guò)氧化物酶(Peroxidases,POD)、過(guò)氧化氫酶(Catalase,CAT)等保護(hù)酶的協(xié)同作用,使氧自由基維持在一個(gè)低水平,從而防止氧自由基傷害[31]。

　　研究表明，低溫脅迫下，SOD、POD、 CAT活性隨脅迫溫度的降低總體呈先升高后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明這三種酶是逐漸適應(yīng)環(huán)境而變化的，低溫脅迫可誘發(fā)酶活性上升，隨著脅迫增高，酶活性降低，使活性氧和防御系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡遭到了破壞，從而加劇了膜脂過(guò)氧化作用[32,33]。研究同時(shí)也發(fā)現(xiàn), SOD、POD、 CAT三種酶,SOD 和 CAT 對(duì)低溫鍛煉比較敏感,在低溫處理中兩者的變化趨勢(shì)也比較相似,而 POD 在低溫處理中活性并沒(méi)有表現(xiàn)出太大變化反而略微有些下降,這可能是植物適應(yīng)低溫逆境在代謝上補(bǔ)償性調(diào)節(jié)作用的結(jié)果,即某種或某些代謝過(guò)程的增強(qiáng),導(dǎo)致另外的代謝途徑或過(guò)程的抑制或降低,這可能是植物適應(yīng)逆境條件的一種積極的代謝適應(yīng)對(duì)策[34,35]。馬蘭濤等[36]研究還發(fā)現(xiàn)不同耐寒性的 G.amplexfolia品種，SOD、POD、CAT三種酶的變化幅度稍有變化，抗寒性強(qiáng)的品種三種酶活下降的速度，與和植物的耐寒性有著顯著的相關(guān)性。

　　抗壞血酸一谷胱甘肽循環(huán)(Ascorbate-glutahione cyele， AsA-GSH cycle) 存在于葉綠體、線(xiàn)粒體和過(guò)氧化物酶體等各種細(xì)胞器中，在清除活性氧,特別是清除H2O2的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[37,38]。抗壞血酸還原酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)、抗壞血酸(AsA)及谷胱甘肽(GSH)是植物AsA-GSH循環(huán)重要組成部分。在AsA-GSH循環(huán)中，APX以 AsA為底物將H2O2還原成H2O和MDHA。脫氫抗壞血酸(DHA)以GSH為還原型底物， DHAR的作用下還原成AsA，GSSG在NADPH的作用下又被GR還原為GSH。AsA的再生受到MDHAR、DHAR和GR三種酶的調(diào)節(jié)，MDHA 被MDHAR還原生成AsA，或進(jìn)一步氧化成DHA，DHA與電子供體GSH在DHAR酶的作用下生成AsA和GSSG，GSSG又可在GR的催化下被還原成GSH。

　　APX被認(rèn)為是高等植物中清除H2O2的關(guān)鍵酶之一[39]，在細(xì)胞內(nèi)它的同工酶定位于4各不同的區(qū)域：葉綠體中的基質(zhì)APX(sAPX)、類(lèi)囊體膜APX(tAPX)、微體APX(mbAPX)及胞質(zhì)APX(cAPX)[40]。葉綠體中不存在CAT和GSH-POD，因此葉綠體中清除H2O2 的關(guān)鍵酶為APX。APX活性增加有助于植物抗性的提高[41]。羅婭[42]低溫脅迫草莓研究發(fā)現(xiàn)，APX對(duì)低溫非常的敏感，APX活性伴隨著H2O2 的升降而升降，APX在清除的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。范博[43]低溫脅迫小麥研究發(fā)現(xiàn)葉片中的APX隨著脅迫的加劇達(dá)到一個(gè)峰值后降低。

　　GR是一種黃素蛋白氧化還原酶，它在真核和原核生物中都有存在[44]。GR是植物細(xì)胞內(nèi)將氧化型谷膚甘膚(GSSG)還原為還原型谷膚甘膚 (GSH)的重要酶。研究表明，逆境初期常引發(fā)GR相關(guān)基因的快速上調(diào)，過(guò)度表達(dá)GR能提高植物對(duì)氧化脅迫的抗性[45,46]。羅婭[42]低溫脅迫草莓研究發(fā)現(xiàn)，0°C的低溫處理2小時(shí)，“章姬”與“豐香”GR活性較對(duì)照提高了69.54%和25%，隨著低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，“章姬”葉片GR活性呈波浪式變化，而“豐香”葉片GR活性逐漸增加，在24h時(shí)達(dá)到最大值，之后有所下降,但仍高于對(duì)照。

　　AsA、GSH是重要的非酶抗氧化劑。 AsA可還原O2-，清除OH-,清除H2O2等ROS。GSH含有活性的巰基，極易被氧化。GSH可以抑制不飽和脂肪酸生物膜組分及其他敏感部位氧化分解，防止細(xì)胞膜過(guò)氧化，從而保持細(xì)胞膜系統(tǒng)的完整性，延緩細(xì)胞的衰老和增強(qiáng)植物抗逆性。AsA和GSH在低溫脅迫中起著重要作用，Jin等[47]研究表明，在低溫脅迫下AsA的含量增加, Kocsy C等[48]報(bào)道,GSH水平的變化是低溫處理的玉米莖中誘導(dǎo)抗冷基因表達(dá)的信號(hào)，同時(shí)GSH/GSSG比率的迅速變化可誘導(dǎo)GR活性迅速提高，從而增強(qiáng)植物的抗寒能力。郭麗紅等[49]低溫脅迫小麥幼苗研究發(fā)現(xiàn)AsA和GSH含量均隨著低溫脅迫呈上升趨勢(shì)，恢復(fù)階段下降。羅婭[42]低溫脅迫草莓研究發(fā)現(xiàn)，草莓在受到低溫脅迫時(shí)，抗氧化酶與抗氧化劑將共同協(xié)調(diào)作用，減輕低溫對(duì)草莓造成的傷害。

　　4低溫脅迫下植物丙二醛、可溶性蛋白及葉綠素響應(yīng)

　　低溫引起細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)的破壞是導(dǎo)致植物寒害損傷和死亡的根本原因，而在低溫脅迫下細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷可能與自由基和活性氧引起的膜脂過(guò)氧化有關(guān) [50]。膜脂過(guò)氧化的中間產(chǎn)物-自由基和最終產(chǎn)物是丙二醛(MDA)，研究表明MDA能夠引發(fā)非特異性的氫抽提作用及由此而產(chǎn)生化學(xué)加成作用，使生物膜中的結(jié)構(gòu)蛋白和酶發(fā)生聚合和交聯(lián)，喪失了原有的結(jié)構(gòu)和催化功能，抑制細(xì)胞保護(hù)酶活性和降低抗氧化物的含量，從而加劇了膜脂過(guò)氧化[51]。MDA含量越高，膜脂過(guò)氧化程度越高，說(shuō)明膜受傷越嚴(yán)重。徐田軍等[52]研究發(fā)現(xiàn)隨低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng), 兩品種玉米葉片中MDA 含量呈增加趨勢(shì)。低溫脅迫 0～2 d 時(shí), 鄭單 958 (ZDCK)和豐單3號(hào)(FDCK)的 MDA含量緩慢上升; 低溫脅迫 3～7 d, 急劇上升。低溫脅迫7d 的ZDCK和FDCK的MDA含量與低溫脅迫前相比分別增加了 83.03%和 80.01%。陳禹興等[53]研究發(fā)現(xiàn)冬小麥隨著低溫脅迫的加劇，MDA含量呈上升趨勢(shì)，細(xì)胞膜透性增大，相對(duì)電導(dǎo)率相應(yīng)增加，丙二醛和相對(duì)電導(dǎo)率可在一定程度上反映冬小麥品種抗寒性的強(qiáng)弱，抗寒性強(qiáng)的品種(品系)質(zhì)膜的穩(wěn)定性大于抗寒性弱的品種(系)。同樣，劉艷陽(yáng)等[54]低溫脅迫小麥研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍害程度低的株系，MDA 含量較低，低溫逆境下 MDA 積累少，膜脂過(guò)氧化程度低，抗寒性強(qiáng);凍害程度高的株系，MDA 含量較高，低溫逆境下 MDA 積累多，膜脂過(guò)氧化程度高，抗寒性弱。

　　可溶性蛋白質(zhì)的親水性很強(qiáng)，其含量的增加導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)束縛水含量增加、細(xì)胞保水能力提高，同時(shí)提高細(xì)胞質(zhì)內(nèi)濃度，降低結(jié)冰的可能性[55]。可溶性蛋白質(zhì)含量是植物抗寒性研究中重要指標(biāo)之一[56]。研究結(jié)果表明，低溫脅迫對(duì)植物體內(nèi)可溶性蛋白含量的影響，一方面，低溫脅迫會(huì)誘導(dǎo)植物體內(nèi)生成一些其它的可溶性蛋白，如冷響應(yīng)蛋白，表現(xiàn)為對(duì)植物體內(nèi)可溶性蛋白的正效應(yīng)，另一方面，低溫脅迫條件下，植物細(xì)胞產(chǎn)生自溶水解酶或溶酶體，釋放出水解酶，加速了蛋白質(zhì)的分解而無(wú)等速的合成，導(dǎo)致蛋白質(zhì)匱乏，表現(xiàn)為對(duì)植物體內(nèi)可溶性蛋白的負(fù)效應(yīng)[57-59]。王樹(shù)剛等[60]低溫脅迫不同小麥品種，發(fā)現(xiàn)不同冬小麥品種功能葉和莖中可溶性蛋白的含量均下降，說(shuō)明低溫脅迫條件對(duì)拔節(jié)期小麥功能葉和莖內(nèi)可溶性蛋白含量的影響，其負(fù)效應(yīng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了正效應(yīng)，導(dǎo)致小麥功能葉和莖內(nèi)蛋白質(zhì)匱乏，進(jìn)而導(dǎo)致束縛水的含量下降以及原生質(zhì)的彈性下降。羅婭[42]研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫的草莓品種“章姬”和“豐香”可溶性蛋白含量均高于對(duì)照，可溶性蛋白在抗低溫脅迫過(guò)程中發(fā)揮積極作用。朱政等[61]低溫脅迫茶樹(shù)研究發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白含量先下降后上升，處理到第 10 天時(shí)均超過(guò)了原始水平(處理前)，誘導(dǎo)新蛋白的產(chǎn)生，增加了可溶性蛋白含量，有利于提高茶樹(shù)抗寒性。

　　低溫對(duì)光合作用影響有兩個(gè)方面：第一，低溫直接影響葉綠素的合成、光合器官的結(jié)構(gòu)和活性;第二，低溫影響植物體內(nèi)的其它生理過(guò)程，從而間接地影響光合作用，如低溫引起水分脅迫，氣孔對(duì)CO2擴(kuò)散阻力的增加，光合產(chǎn)物運(yùn)輸受阻等。葉綠體是光合作用的重要場(chǎng)所，也是植物體內(nèi)冷敏感性很強(qiáng)的一個(gè)亞細(xì)胞器。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，是綠色葉片進(jìn)行光合作用時(shí)捕獲光能的重要物質(zhì)，其含量的高低在某種程度上與光合作用有關(guān)[5]。低溫使葉綠體的形成和葉綠素的合成速率受到抑制，葉綠素含量明顯下降，幼嫩葉片易發(fā)生缺綠或黃化，低溫脅迫可造成葉綠素降解[62]。低溫誘導(dǎo)類(lèi)囊體膜上葉綠素 a/b 蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，直接影響光合作用[63]。徐田軍等[52]研究同樣發(fā)現(xiàn)低溫脅迫, 玉米幼苗的光合作用抑制, Fv/Fm降低, 葉綠素含量下降。

　　5低溫脅迫下植物基因表達(dá)響應(yīng)

　　植物在遭受低溫脅迫的過(guò)程中，形成一套感知和傳導(dǎo)信號(hào)的通路，并且產(chǎn)生一系列的變化以增強(qiáng)自身的抗低溫冷害。研究表明，植物冷馴化和耐寒性能力的獲得，是植物體內(nèi)分子水平上對(duì)逆境產(chǎn)生迅速應(yīng)答、轉(zhuǎn)導(dǎo)逆境信號(hào)，調(diào)控應(yīng)答和抵御基因表達(dá)綜合作用的結(jié)果。擬南芥低溫脅迫研究發(fā)現(xiàn)冷調(diào)基因占基因組的4%- 20%[64,65]，并且闡明了擬南芥冷馴化轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控網(wǎng)路(圖2)。

　　低溫應(yīng)答途徑是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由許多成分組成。目前，研究發(fā)現(xiàn)低溫應(yīng)答途徑主要由胞外信號(hào)、信號(hào)的跨膜傳遞、胞內(nèi)第二信使、轉(zhuǎn)錄因子、功能基因、效應(yīng)因子等多種成分組成[66]。植物中抗逆相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，包括 CBF、MYC/MYB、bZIP、WRKY、NAC、bLHL 類(lèi)等，在低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著不同程度的作用。

　　低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中研究較為清楚的是植物中低溫應(yīng)答主效途徑——CBF/DREB信號(hào)途徑，該途徑屬ABA非依賴(lài)型，主要成員包括 CBF1/DREB1B、CBF2/DREBlC、CBF3/DREB1A、CBF4/DREBlD、DREB1E、DREB1F，其中 CBF1、CBF2 和 CBF3是目前研究的熱點(diǎn)，且 CBF2 能阻遏調(diào)節(jié)CBF1 及CBF3 的表達(dá)，從而保證低溫下 CBF 信號(hào)途徑中個(gè)物質(zhì)在植物體內(nèi)表達(dá)的瞬時(shí)性及可控性。擬南芥CBF 調(diào)控路徑中，ICE1(Inducer of CBF Expression 1)位于 CBF 途徑的上游，屬 bHLH 類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活因子，主要通過(guò)與CBF/DREBls成員特異性作用，將信號(hào)傳遞，對(duì)下游低溫相關(guān)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，ICE1過(guò)表達(dá)能夠增加擬南芥的耐寒性 [67]。在擬南芥ice1種質(zhì)冷馴化研究中發(fā)現(xiàn)ICE1與CBF3/DREBlA啟動(dòng)子中MYC識(shí)別cis-元件(CANNTG)結(jié)合，誘導(dǎo) CBF3/DREBlA表達(dá)和調(diào)控(圖3)。Lee B.H.等 [66]研究發(fā)現(xiàn)ICE1調(diào)控了大約40% COR基因和46%的冷調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子。Kenji Miura等[68]研究發(fā)現(xiàn)高等植物中都含有ICE1，ICE1在逆境脅迫中起著重要調(diào)控作用，具體見(jiàn)表1。

　　ROS-bZIP-CRT/DRE 和 MYC/MYB-MYCRE/MYBRE也是兩條重要的傳導(dǎo)通路。ROS-bZIP-CRT/ DRE 通路通過(guò)啟動(dòng)低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中早期低溫應(yīng)答基因的表達(dá)發(fā)揮作用。JERF3 是一個(gè)乙烯應(yīng)答因子(ERF)，低溫下JERF3即可通過(guò)激活下游bZIP等轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，降低氧化脅迫傷害，使植株對(duì)非生物脅迫的耐受性增強(qiáng) [69]可通過(guò)與下游靶基因啟動(dòng)子區(qū)TAACTG核心序列結(jié)合來(lái)啟動(dòng)下游脅迫相關(guān)基因的表達(dá)[70]。擬南芥中過(guò)量表達(dá)水稻的OsMYB3R-2基因，可使轉(zhuǎn)基因擬南芥對(duì)冷、旱和鹽脅迫的耐受力增強(qiáng)，播種轉(zhuǎn)基因擬南芥T1代種子，萌發(fā)時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因擬南芥具有比野生型更強(qiáng)的耐受逆境脅迫的能力[71]。

　　低溫脅迫過(guò)程中，通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列應(yīng)答基因表達(dá)產(chǎn)物，以此減少低溫脅迫的傷害和增加耐寒性。根據(jù)低溫脅迫下植物應(yīng)答基因表達(dá)產(chǎn)物功能分為三類(lèi)[66]：功能蛋白、調(diào)節(jié)蛋白及其他(表2)。功能蛋白主要功能是直接參與植物抗逆反應(yīng)，包括滲透調(diào)節(jié)分子、脫水素及抗性蛋白等，其中脫水素是目前研究低溫相關(guān)基因編碼的最大一類(lèi)多肽家族。脫水素中COR基因是冷調(diào)基因，在植物耐寒性及冷馴化中起著重要的作用，主要包括COR15A、 COR47、COR6.6和COR78/RD29 等,COR基因表達(dá)產(chǎn)物保護(hù)細(xì)胞膜穩(wěn)定性，阻止蛋白聚合而造成膜結(jié)構(gòu)損害[72-74]。LEA也是重要的脫水素蛋白，在低溫、干旱等逆境中被表達(dá)，來(lái)增加植物抵御逆境的能力。調(diào)節(jié)蛋白主要是指一些轉(zhuǎn)錄因子，如Bzip,MYB及CBF等。其他基因表達(dá)產(chǎn)物主要指水通道蛋白等。

　　6討論

　　低溫脅迫導(dǎo)致植物基因表達(dá)差異，細(xì)胞形態(tài)和功能的變化，構(gòu)成細(xì)胞成分的生物大分子物質(zhì)改變，進(jìn)而導(dǎo)致植物在生理及代謝水平上受害，甚至死亡。植物冷馴化和耐寒性能力的獲得，是植物體內(nèi)分子水平上對(duì)逆境產(chǎn)生迅速應(yīng)答、轉(zhuǎn)導(dǎo)逆境信號(hào)，調(diào)控應(yīng)答和抵御基因表達(dá)綜合作用的結(jié)果。但是目前低溫脅迫下植物響應(yīng)機(jī)理方面的研究還不夠深入，有必要進(jìn)一步研究和發(fā)現(xiàn)低溫脅迫誘導(dǎo)植物冷馴化和耐寒能力的關(guān)鍵基因，及其相關(guān)的信號(hào)途徑，通過(guò)現(xiàn)代的分子育種技術(shù)應(yīng)用，如分子標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因等，將有目的改造植物種性，短時(shí)間提高植物的耐寒性。

　　在全球氣溫變暖的大趨勢(shì)下，氣溫變化異常，極端天氣頻繁出現(xiàn)，人們難有足夠的時(shí)間和能力做出有力的反應(yīng)，農(nóng)作物的寒凍災(zāi)害日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低，給種植業(yè)帶來(lái)了巨大的損傷。為了減少損傷，篩選耐寒性的品種種植是人們對(duì)待低溫脅迫采取的有效措施。不同物種間對(duì)低溫的抵御能力不同，國(guó)內(nèi)外的研究者為了快速、準(zhǔn)確且容易評(píng)價(jià)植物的耐寒性篩選了許多指標(biāo)，包括生態(tài)、形態(tài)、生理生化等方面，但是植物抵御低溫是受多因子影響的復(fù)雜的過(guò)程，不同種質(zhì)間對(duì)低溫的響應(yīng)機(jī)理不同，表型不同，單一指標(biāo)難以全面準(zhǔn)確地反映作物品種抗逆性的強(qiáng)弱，有必要針對(duì)不同的種質(zhì)加大低溫脅迫響應(yīng)指標(biāo)與耐寒性的相關(guān)性研究，有效指導(dǎo)不同植物種質(zhì)耐寒性評(píng)價(jià)方法產(chǎn)生，為農(nóng)作物種質(zhì)資源耐寒性種質(zhì)的評(píng)價(jià)、篩選以及耐寒品種的選育提供理論依據(jù)。

　　低溫脅迫論題拓展：當(dāng)環(huán)境溫度持續(xù)低于植物生長(zhǎng)的最低溫度時(shí)即對(duì)植物形成低溫脅迫，主要是冷害和凍害。冷害也稱(chēng)寒害,是指0℃以上的低溫所致的病害。喜溫植物如水稻、玉米、菜豆以及熱帶、亞熱帶的果樹(shù)如柑桔、菠蘿、香蕉以及盆栽和保護(hù)地栽培的植物等較易受冷害。當(dāng)氣溫低于10℃時(shí),就會(huì)出現(xiàn)冷害,其最常見(jiàn)的癥狀是變色、壞死和表面斑點(diǎn)等,木本植物上則出現(xiàn)芽枯、頂枯。