摘要： 綜述植物在冷馴化過程中發(fā)生的一系列生理生化變化。環(huán)境對(duì)植物抗寒性的影響主要與光誘導(dǎo)、溫濕度以及氣候的變化有關(guān)。植物表面形成冰層會(huì)引起植物的無(wú)氧呼吸，導(dǎo)致植物受害；光抑制誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致植物光合系統(tǒng)的退化，抗寒能力下降，而短日照誘導(dǎo)植物休眠，有利于植物抗寒。光敏色素則被認(rèn)為是啟動(dòng)冷馴化的光受體；植物通過冷馴化增加碳水化合物的積累及病原體相關(guān)蛋白的合成，以增強(qiáng)對(duì)低溫病原體的抵抗能力；氣候的變化使植物遭受了更大的冷傷害風(fēng)險(xiǎn)。微管最初遇冷時(shí)部分的解體可以有效誘導(dǎo)植物抗寒性；抗氧化酶活性增強(qiáng)，植物體內(nèi)糖、脯氨酸、多胺等內(nèi)含物含量上升。植物休眠狀態(tài)中的生理變化(種子的休眠、芽的休眠)與ABA敏感性的差異有關(guān)。對(duì)植物抗寒性分子機(jī)制的研究表明：COR基因的表達(dá)對(duì)于植物抗寒性和冷馴化是十分關(guān)鍵的；與氣候梯度有關(guān)的基因梯度的分布說(shuō)明寒冷地區(qū)的樹種更為抗寒；多表型性狀的數(shù)量性狀分析，為重要的農(nóng)藝性狀標(biāo)記輔助選擇(MAS)提供基礎(chǔ)。對(duì)植物抗寒過程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+是低溫下參與調(diào)節(jié)冷馴化應(yīng)答機(jī)制中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要的第二信使。未來(lái)植物抗寒領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因調(diào)節(jié)，低溫抗性的遺傳學(xué)和遺傳應(yīng)用及代謝組學(xué)，氣候變化對(duì)于植物抗寒的影響等方面。

Abstract: Chilling injury is one of the ecological factors causing environmental stress in plants. Exploring the physiological and ecological mechanisms of cold tolerance in plants can understand how plants grow at low temperature, which has important meaning in theory and practice. At present, study on cold tolerance in plants focuses on physiology, genes, and relationship between plants and environment and so on. This article reviews the physiological and ecological response of plants to low temperature during cold acclimation. Overwintering plants encased in ice can be exposed to anaerobic conditions and suffer phytotoxicity. Photoinhibition induced the increase of reactive oxygen species (ROS), causing the degradation of photosystems, which is unfavorable for cold hardiness of plants. Short days induce dormancy in plants, resulting in a increase in cold hardiness of plants. Phytochrome has been considered to be the photoreceptor responsible for triggering the initiation of the first stage of cold acclimation. The accumulation of carbohydrates and pathogenesis-related proteins enhances the resistance of plants to low-temperature pathogens. Scientists predict that plants will suffer greater risk of low-temperature damage with the changes in climate. An initial partial disassembly of microtubles is sufficient to trigger efficient cold acclimation. The adaptation of plants to cold also associates with the increased levels of antioxidants enzymes, sugar, proline, polymines and so on. Changes in dormancy status are more likely related to changes in ABA sensitivity than to variations in ABA levels. The expression of COR (cold responsive) genes is critical in plants for both chilling tolerance and cold acclimation. Genotypes from colder environments have greater cold hardiness in situ than those from milder environments. The QTL analysis of multiple phenotypic traits provides the basis for marker assisted selection (MAS) of important agronomic characters. Calcium is an important second messenger in a low temperature signal transduction pathway involved in regulation of cold-acclimation response. Signal transduction, gene regulation, genetics, metabolomics, and climate change affecting the plant survival are important aspects in the future study of cold tolerance in plants.

低溫寒害是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，據(jù)統(tǒng)計(jì), 世界每年因此造成的損失達(dá)2000億美元(盧存福，2004)。因此，探索植物抗寒性的生理和生態(tài)學(xué)機(jī)制，不僅在理論上具有重要意義，而且在生產(chǎn)上也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。長(zhǎng)期以來(lái)，植物抗寒研究受到了研究者的重視。Mazur(1963)對(duì)低溫下植物細(xì)胞失去水分的機(jī)制進(jìn)行了研究，Lyons等(1970)提出了植物低溫傷害來(lái)自膜脂變相的假說(shuō)，即低溫下膜脂以液晶相向凝膠相轉(zhuǎn)變，造成細(xì)胞膜膜相分離，從而引起低溫傷害。植物對(duì)低溫的敏感可由水的凍結(jié)程度來(lái)分類。零上低溫傷害稱為冷害型，如果植物能夠忍受組織結(jié)冰，則稱為抗寒型。不管是冷害型還是抗寒型都可以通過冷馴化來(lái)增強(qiáng)對(duì)寒害的耐受能力，如越冬的植物通過秋末和初冬的低溫來(lái)適應(yīng)冬季的嚴(yán)寒。在這個(gè)適應(yīng)的過程中，植物體內(nèi)發(fā)生一系列的生理生化變化，包括細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的變化、與植物抗寒性密切相關(guān)的抗氧化酶系統(tǒng)的變化、內(nèi)含物含量的變化，脫落酸(ABA)在植物抗寒中的作用亦不容忽視。隨著分子生物學(xué)理論和技術(shù)的發(fā)展，植物抗寒的分子生物學(xué)機(jī)制倍受關(guān)注，基因方面的研究日益增多。低溫信號(hào)傳入植物細(xì)胞、啟動(dòng)或阻遏基因表達(dá)需要一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)系統(tǒng)，故信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)亦是植物抗寒機(jī)制研究的一個(gè)方面。近年來(lái)的研究已經(jīng)確認(rèn)，低溫下眾多生物和非生物脅迫的相互作用，以及冷誘導(dǎo)引起的一系列變化，與植物對(duì)低溫病原體的抗性有關(guān)。另外，氣候變化如何引起植物抗寒的變化，也進(jìn)入了科學(xué)家的視野。本文對(duì)植物受寒害的原因，環(huán)境與植物抗寒性，冷馴化的生理，抗寒基因的表達(dá)及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與植物抗寒性等方面的研究進(jìn)行了綜述。

1 低溫引起植物受害的原因1.1 植物內(nèi)部結(jié)冰

避免細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰是植物避凍或耐凍的重要機(jī)制。冰核的形成可以被內(nèi)外因所誘導(dǎo)，一旦形成冰核，植物組織體內(nèi)外冰核擴(kuò)增的阻遏物和通道，決定著隨后的結(jié)冰機(jī)制(沈洪波等，2002)。植物內(nèi)部結(jié)冰可分為胞內(nèi)結(jié)冰和細(xì)胞間隙結(jié)冰。溫度的驟然降低可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)過冷，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部結(jié)冰。一般先在原生質(zhì)內(nèi)結(jié)冰，然后在液泡內(nèi)結(jié)冰。原生質(zhì)內(nèi)形成的冰晶體體積比蛋白質(zhì)等分子的體積大得多，冰晶體就會(huì)破壞生物膜、細(xì)胞器和襯質(zhì)的結(jié)構(gòu)，對(duì)細(xì)胞造成致命傷害。冰凍溫度下，多數(shù)植物在質(zhì)外體空間誘導(dǎo)冰晶體，這種現(xiàn)象稱為細(xì)胞間隙結(jié)冰。細(xì)胞間隙結(jié)冰傷害的主要原因是原生質(zhì)過度脫水，破壞蛋白質(zhì)分子，原生質(zhì)凝固變性。電子顯微掃描研究表明，許多凍敏感型植物有明顯的細(xì)胞間隙結(jié)冰現(xiàn)象(Ashworth et al., 2002)。當(dāng)高度凍敏感的樹種表現(xiàn)細(xì)胞間隙結(jié)冰的征狀時(shí)，誘導(dǎo)細(xì)胞脫水與胞內(nèi)結(jié)冰兩者的結(jié)合，引起植物凍害。

1.2 膜傷害

植物細(xì)胞內(nèi)部結(jié)冰主要的傷害部位是膜。零上低溫首先引起膜從液晶態(tài)變?yōu)槟z態(tài)，出現(xiàn)裂縫，接著引起代謝紊亂，導(dǎo)致植物死亡。Guy(2003)提出由冰凍－融化脅迫引起的膜傷害的3種形式：第1種形式是由于冰凍-融化的循環(huán)引起脫水，從而導(dǎo)致滲透應(yīng)答機(jī)制的喪失；第2種形式發(fā)生在冰凍－融化脅迫下離體的原生質(zhì)體內(nèi)，通常被稱作“膨脹誘導(dǎo)型裂解”；第3種傷害形式在黑麥(Secale cereale)原生質(zhì)體中確定，從非冷馴化的黑麥植株葉片上離體的原生質(zhì)體的傷害與HⅡ(對(duì)稱六角形倒置結(jié)構(gòu)Ⅱ)階段有關(guān)，從冷馴化黑麥離體的原生質(zhì)體傷害與有裂痕平面上裂痕定位的偏移有關(guān)，被稱為“斷裂躍變傷害”。

2 環(huán)境與植物抗寒性2.1 光誘導(dǎo)

在田間環(huán)境中，葉片的冷傷害通常與光合過程有關(guān)：低溫環(huán)境中的葉片受光可導(dǎo)致光合細(xì)胞器的受損，這種現(xiàn)象就是光合作用中的光抑制。光抑制啟動(dòng)了活性氧(ROS)的誘導(dǎo)，這個(gè)過程可能導(dǎo)致光合系統(tǒng)的退化，類囊體膜的脂質(zhì)過氧化，以及碳代謝過程中酶的失活(Asada，2000)。在木本植物中，短日照誘導(dǎo)休眠并被認(rèn)為是誘導(dǎo)芽休眠的主要信號(hào)(Chen et al., 2002)，并且短日照信號(hào)的感知與光敏色素光受體有關(guān)(Olsen et al., 2002)。以光敏色素為媒介的生長(zhǎng)停止是植物組織中水分含量的減少與有機(jī)儲(chǔ)藏物質(zhì)積累的先決條件(Welling et al., 2002)。光敏色素已經(jīng)被認(rèn)為是啟動(dòng)冷馴化的光受體。在木本植物中，在夏末逐漸減少的日照長(zhǎng)度是刺激冷馴化開始的第一個(gè)階段。最近的試驗(yàn)證據(jù)說(shuō)明，低溫和光在誘導(dǎo)植物冷馴化時(shí)是相互獨(dú)立的(Welling et al., 2002)。

2.2 低溫與高濕

病害主要是由于適應(yīng)低溫的病原體引起的。長(zhǎng)期覆蓋的厚層積雪營(yíng)造了一個(gè)近零度而潮濕的環(huán)境，非常適合某些病原體的繁殖。Tronsmo等(1993)報(bào)道冷馴化不僅可以增加植物對(duì)寒冷的耐受力，并且可以增強(qiáng)其對(duì)非專一性低溫病原體的抵抗力。這種抵抗力的生理基礎(chǔ)與植物體內(nèi)碳水化合物的積累，特別是果聚糖的積累有關(guān)(Yoshida et al., 1998)，而且，在許多植物種類中這種積累與冷誘導(dǎo)病原體相關(guān)(PR)蛋白的合成有關(guān)，這些蛋白包括幾丁質(zhì)酶、β-1, 3葡聚糖酶、與奇異果(Actinidia arguta)甜蛋白類似的蛋白(Kuwabara et al., 2002)。在冬小麥(Triticum aestivum)幼苗中一種與奇異果蛋白類似的并具有抗真菌活性的蛋白在質(zhì)外體中積累(Kuwabara et al., 2002)。Hiilovaara-Teijo等(1999)發(fā)現(xiàn)只有冷誘導(dǎo)的PR蛋白表現(xiàn)抗冷活性，而雪霉菌(Microdochium nivale)誘導(dǎo)的PR蛋白不具抗冷性，這表明冷誘導(dǎo)的PR蛋白具有阻止病原體感染和改變冰晶體生長(zhǎng)的雙重功能。

2.3 氣候變化

Repo等(1996)發(fā)現(xiàn)由于氣候變暖，生長(zhǎng)在北溫帶區(qū)域的歐洲赤松(Pinus sylvestris)延遲了冷鍛煉并且提早解除了冷鍛煉，這有可能增加松樹在秋季和春季時(shí)遭受霜凍的風(fēng)險(xiǎn)。在溫暖的環(huán)境下，呼吸引起的糖類消耗的增加導(dǎo)致樹木抗寒性的下降，也可能產(chǎn)生冷傷害(?gren et al., 1997)。Bélanger等(2002)評(píng)價(jià)了氣候變化對(duì)多年生作物越冬的影響，認(rèn)為氣候變化使它們承受著更大的冷傷害風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)橥蝗坏奶鞖庾兓怪参镫y以適應(yīng)，遭受的危害更不穩(wěn)定，例如：冷凍－融化、凍雨或是寒冷冬季中積雪非常少，都可能導(dǎo)致植物死亡(Crawford，2000)。

3 冷馴化與植物抗寒生理3.1 冷馴化

冷馴化是將植物置于低溫而非冰凍溫度中(0~12 ℃)，以獲得抗寒性的過程。對(duì)油菜(Brassica napus)種子在不同冷馴化時(shí)間下的抗寒性研究表明，春季栽培種冷馴化3 d時(shí)抗寒性達(dá)到最大值，冬季栽培種則在6~9 d內(nèi)達(dá)到。所有被測(cè)試的株系經(jīng)過7 d的溫暖期后，抗寒性都有所下降，但仍然高于未經(jīng)馴化的植株所具有的耐寒水平。而所有經(jīng)冷馴化植株在5 ℃環(huán)境中持續(xù)7 d后，可恢復(fù)解除冷馴化之前的耐寒水平。如果冷馴化時(shí)間過長(zhǎng)，植株抗寒性則下降(Rife et al., 2003)。楊亞軍等(2004)對(duì)茶樹(Camellia sinensis)的抗寒性研究表明，低溫馴化對(duì)提高茶樹的抗寒力是有效的，可以通過低溫馴化的處理來(lái)提高茶樹對(duì)低溫寒害的抵御能力。

3.2 細(xì)胞骨架與植物抗寒性

目前，對(duì)于植物抗寒性與細(xì)胞骨架的關(guān)系研究較多的是微管系統(tǒng)對(duì)于低溫的適應(yīng)機(jī)制。對(duì)抗寒性差的黃瓜(Cucumis sativus)和馬鈴薯(Solanum tuberosum)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到10 ℃時(shí)，以肌動(dòng)球蛋白(組成微絲的一種蛋白)為載體的胞質(zhì)流動(dòng)受阻(Tucker et al.，1986)，而抗寒性強(qiáng)的植物在0 ℃下胞質(zhì)流動(dòng)仍可繼續(xù)。冷傷害伴隨著微管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的解體，而ABA能抑制微管的解體(Rikin et al., 1983)。如果冷馴化完全，由于驟冷引起的微管解體可被抑制(Wang et al., 2001)。Abdrakhamanova等(2003)在研究微管解體是否啟動(dòng)冷馴化的問題后指出，如果微管最初遇冷時(shí)傾向于解聚因子(冷蛋白)，則表示植株可進(jìn)行有效冷馴化。Wang等(2001)在中國(guó)冬小麥栽培種皮層微管對(duì)低溫反應(yīng)的研究中得出結(jié)論，微管經(jīng)冷馴化處理后獲得抗寒性，微管蛋白呈現(xiàn)細(xì)、橫束狀；ABA處理亦能使微管獲得抗寒性，但微管蛋白呈現(xiàn)陡、斜束狀，說(shuō)明冷馴化并非是誘導(dǎo)微管抗寒性的唯一途徑。

3.3 抗氧化酶與植物抗寒性

已有研究表明，植物遇低溫會(huì)積累大量對(duì)膜和膜相關(guān)的生物大分子有害的活性氧(AOS)，而冷馴化可使植物體內(nèi)抗氧化物酶系統(tǒng)加強(qiáng)，從而提高植物對(duì)活性氧的耐受力(Scebba et al., 1998)。研究發(fā)現(xiàn)，冷馴化提高了錦橙(Citrus sinensis)的CAT和SOD活性(林定波等，1999)。植物中超氧化物歧化酶(SOD)活性水平的提高與植物的脅迫耐受力有關(guān)。Sato等(2001)對(duì)水稻(Oryza sativa)先熱處理然后冷處理的試驗(yàn)結(jié)果得出，抗壞血酸過氧化物酶(APX)在水稻幼苗抗冷傷害保護(hù)中可能起著作用?？寡趸冈诰S管束鞘細(xì)胞和葉肉細(xì)胞中的超量產(chǎn)生，可增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物抵抗氧化和冷脅迫的能力。對(duì)水稻植株冷馴化的研究發(fā)現(xiàn)，水稻植株葉片內(nèi)的過氧化氫酶(CAT)、APX，以及根部的SOD、CAT、APX和谷光甘肽還原酶(GR)的活性顯著增強(qiáng)，其中CAT和APX在水稻冷馴化與抗寒中起的作用最為重要(Kuk et al., 2003)。植物葉綠體中SODs的超量產(chǎn)生可保護(hù)植物不受冷傷害(Mckersie et al., 1996)。

3.4 植物內(nèi)含物與植物抗寒性3.4.1 糖類

可溶性糖以及與之共存的可溶性物質(zhì)，如甘氨酸甜菜堿、脯氨酸在冷保護(hù)中的作用已被廣泛報(bào)道。轉(zhuǎn)基因擬南芥(Arabidopsis thaliana)中蔗糖磷酸合酶的超表達(dá)可促進(jìn)蔗糖水平的提高，同時(shí)也提高了植株的耐寒程度(Strand et al., 2003)。叢生型擬南芥冷馴化過程中抗寒性的研究證明，在擬南芥的蓮座狀葉片中，中央幼嫩的葉片比外圍的葉片能更快更高地獲得抗寒性的提高，這部分可能與冷處理早期幼嫩葉片積累糖類的水平高于外圍葉片有關(guān)(Takagi et al., 2003)。

3.4.2 多胺

植物中多胺含量的升高，可以提高植物抗寒性。經(jīng)甲基乙二醛－雙脒腙(MGBG)處理的菠菜(Spinacia oleracea)植株與對(duì)照相比較，其類囊體膜電子傳導(dǎo)的活性及碳代謝過程中酶活性較低，而類囊體膜的膜脂過氧化程度較高。這些結(jié)果表明腺苷甲硫氨酸脫羧酶(SAMDC)活性的增強(qiáng)，葉綠體中隨之上升的亞精胺(Spd)對(duì)菠菜葉片中的光合細(xì)胞器的冷馴化有重要作用(He et al., 2002)。黃瓜的抗寒性栽培種在低溫(黑暗中3 ℃)環(huán)境時(shí)，其葉片內(nèi)Spd的合成增強(qiáng)，而凍敏感性栽培種則沒有這種變化(Shen et al., 2000)。

3.5 脫落酸(ABA)與植物抗寒性

大量研究表明，植物體內(nèi)ABA在低溫下所起的作用非常重要。在最近關(guān)于枝干休眠中ABA作用的綜述中，Chen等(2002)指出，植物休眠狀態(tài)中的生理變化更多地與ABA敏感性差異有關(guān)，而與ABA含量差異的關(guān)系較小。Chen等(1983)研究后提出假設(shè)，冷馴化是由ABA的作用啟動(dòng)的，例如：低溫引起ABA含量的增加，從而引起抗寒機(jī)制的運(yùn)行。在接下來(lái)的研究中，確定了多種樹種在冷馴化過程中ABA水平只是暫時(shí)升高；在溫暖的非馴化溫度下，外源施用的ABA可以增加某些經(jīng)過冷馴化植物種類的抗寒性(Ishikawa et al., 1990)。由此可見，ABA確實(shí)在啟動(dòng)植物冷馴化中起著重要的作用。

4 植物抗寒性的分子機(jī)制4.1 冷誘導(dǎo)基因的表達(dá)

抗凍基因(COR)的表達(dá)對(duì)于植物抗寒性和冷馴化是很關(guān)鍵的。冷馴化通常與編碼多肽的冷響應(yīng)基因的誘導(dǎo)聯(lián)系在一起，特別是親水性多肽(Thomashow，1998)。Artus等(1996)從擬南芥中得到了一種冷誘導(dǎo)親水性多肽COR15a，它能增加質(zhì)膜在低溫下的穩(wěn)定性。對(duì)苜蓿(Medicago sativa)基因表達(dá)的研究結(jié)果確定了許多苜蓿COR基因在凍敏感和抗寒型栽培種的基因組中都存在，但是它們的表達(dá)水平依據(jù)低溫程度的差異而顯著不同(Castonguay et al., 1997)。在COR基因表達(dá)的調(diào)控過程中，冷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子(CBF1，C-repeat binding factor1)的超量表達(dá)，可同時(shí)引起許多COR基因的表達(dá)，并且能在非誘導(dǎo)條件下增加植物的抗寒性(Jaglo-Ottosen et al., 1998)。超量表達(dá)CBF3的擬南芥植株積累可溶性糖和脯氨酸的水平高于野生型擬南芥植株(Gilmour et al., 2000)。

4.2 基因梯度變異

植物種群對(duì)寒冷的適應(yīng)性不是隨機(jī)的，而是與氣候和地理緯度有較大關(guān)系。產(chǎn)自較冷地區(qū)、具有較短生長(zhǎng)季的種群在秋季較早地停止生長(zhǎng)和進(jìn)行芽休眠(Aitken et al., 2001)。植物早期生長(zhǎng)的停止與其抗寒能力的上升有關(guān)，生長(zhǎng)停止早的植物多傾向于矮小粗壯，并且具有較強(qiáng)的抗寒能力(Aitken et al., 2001)。楊盛昌等(1998)對(duì)潮灘紅樹植物抵抗低溫的生態(tài)學(xué)研究表明，生長(zhǎng)在高緯度的種群抗寒性強(qiáng)，生長(zhǎng)在低緯度的種群抗寒性弱。所以，依據(jù)植物冷適應(yīng)性狀的不同可以將種群很好地劃分開來(lái)。

4.3 與植物抗寒性相關(guān)基因的數(shù)量性狀定位

多表型性狀的數(shù)量性狀分析，為重要的農(nóng)藝性狀標(biāo)記輔助選擇(MAS)提供了基礎(chǔ)。低溫下玉米(Zea mays)中參與功能型葉綠體發(fā)育的關(guān)鍵基因位于近著絲點(diǎn)的染色體3上(Fracheboud et al., 2002)。對(duì)回交茄子(Solanum melongena)種群的個(gè)體進(jìn)行標(biāo)記輔助基因分析得出，未經(jīng)冷馴化的抗寒性狀位點(diǎn)(QTL)和具有冷馴化能力QTL位于染色體V的一個(gè)連鎖圖譜上(Vega et al., 2003)。對(duì)沿海花旗松(Pseudotsuga menziesii)克隆家系抗寒性的基因研究顯示，就其抗寒性的數(shù)量遺傳而言，與育種所得的種群相比，全同胞族內(nèi)在相關(guān)遺傳估計(jì)量和基因相關(guān)上有顯著的相似性。

5 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與植物抗寒性

植物細(xì)胞感受外界溫度的變化而發(fā)生相應(yīng)的生理生化反應(yīng)，需要能察知低溫的感應(yīng)子(sensors)、誘發(fā)與植物抗冷性相關(guān)的生化反應(yīng)和基因表達(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)器(transducers)。抗寒鍛煉能使冬小麥幼苗和小偃麥(Trititrigia)質(zhì)膜上的Ca2+-ATPase保持較高的活性(王紅等，1998；Jian et al., 2000)。許多證據(jù)表明，Ca2+是低溫下參與調(diào)節(jié)冷馴化應(yīng)答機(jī)制中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要的第二信使(初級(jí)信使為環(huán)境低溫)(王紅等，1994)。最近有研究涉及到胞質(zhì)Ca2+調(diào)節(jié)中的Ca2+通道，如藥理學(xué)研究表明，苜蓿和歐洲油菜(Brassica napus)中膜流動(dòng)性與細(xì)胞骨架的重組對(duì)冷誘導(dǎo)的胞質(zhì)Ca2+濃度的波動(dòng)(鈣信號(hào))非常重要，說(shuō)明了剪切力敏感Ca2+通道的參與(Sangwan et al., 2001)。又有試驗(yàn)表明，抗寒鍛煉能使冬小麥幼苗和小偃麥質(zhì)膜上的Ca2+-ATPase保持較高的活性，以維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的平衡(簡(jiǎn)令成等, 2002)。通過化學(xué)和藥理試劑的使用，表明Ca2+的上升是某些冷調(diào)節(jié)基因完全表達(dá)的必要條件(Tahtiharju et al.，1997)。另外，鈣依賴型蛋白激酶(CDPK)亦參與了冷脅迫應(yīng)答機(jī)制的信號(hào)途徑。Saijo等(2000)對(duì)水稻的研究發(fā)現(xiàn)，冷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因水稻超量表達(dá)OsCDPK，并且這些植株具有較高的抗鹽脅迫和干旱脅迫的能力。再者，轉(zhuǎn)錄激活因子表達(dá)的誘導(dǎo)子1(ICE1)途徑亦對(duì)冷脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)起調(diào)節(jié)作用。

6 展望

植物抗寒性研究在生理、基因，以及與環(huán)境的關(guān)系等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。植物抗寒性在生理生化方面的表現(xiàn)，最終由植物體基因表達(dá)來(lái)控制，所以基因方面的研究有利于從根本上改善植物的抗寒性能。因此，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因調(diào)節(jié)，低溫抗性的遺傳學(xué)和遺傳應(yīng)用及代謝組學(xué)是今后的研究熱點(diǎn)。隨著植物抗寒性研究的深入，新技術(shù)和新方法及時(shí)應(yīng)用到了植物抗寒性研究領(lǐng)域，如用代謝組學(xué)的技術(shù)研究低溫鍛煉后擬南芥代謝物的變化，用基因芯片技術(shù)在擬南芥篩選克隆新的抗寒基因。分子遺傳方面的技術(shù)日益強(qiáng)大、精細(xì)，現(xiàn)已可探測(cè)到響應(yīng)環(huán)境脅迫的整個(gè)基因組，確定與耐脅迫相關(guān)的染色體區(qū)域，并且已經(jīng)找到了與環(huán)境相適應(yīng)的候選基因或是具有等位基因變種的定位?？茖W(xué)家們開始理解植物感知低溫信號(hào)的機(jī)制，鑒定參與低溫馴化的基因，以及這些基因調(diào)節(jié)表達(dá)的調(diào)控機(jī)制；甚至通過基因轉(zhuǎn)化成功地使植物抗寒性得以提高。

植物內(nèi)部結(jié)冰主要的傷害部位是膜，所以冰凍傷害和低溫馴化的膜生物學(xué)是今后研究的重要內(nèi)容之一。低溫馴化的生理生化仍然是抗寒研究的重要內(nèi)容。對(duì)于木本植物，尤其是園藝植物的低溫馴化及其抗寒力的研究具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因而，木本植物低溫適應(yīng)的機(jī)制將成為抗寒領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，林木冷馴化的研究亦趨向于分子基因水平，林木冷馴化特有性狀已經(jīng)得到確認(rèn)，基因和環(huán)境的相互聯(lián)系已經(jīng)建立，基因變異的地理和環(huán)境模型已經(jīng)得到闡述。這有助于進(jìn)一步了解林木進(jìn)化與環(huán)境的關(guān)系，也有助于提高林木育種進(jìn)程的效率。

植物周圍的環(huán)境信號(hào)直接影響植物細(xì)胞的能量平衡和代謝速率，光周期、光強(qiáng)、水分吸收以及溫度等環(huán)境信號(hào)作用于細(xì)胞，并調(diào)節(jié)控制植物內(nèi)休眠、生長(zhǎng)和發(fā)育以及耐寒性基因的表達(dá)。定量研究光強(qiáng)、光周期、水分吸收和溫度對(duì)植物的抗寒性的影響，也是植物抗寒性今后的一個(gè)研究方向。

隨著氣候溫暖化現(xiàn)象的加劇，氣候變化對(duì)于植物抗寒的影響將成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。氣候變化，包括冰雨量增加、雪層覆蓋減少、冰凍溫度頻率上升，都可能加劇植物在零下低溫死亡的可能性，從而增加了未來(lái)環(huán)境因子影響植物抗寒的不確定性。多學(xué)科專家的協(xié)作，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行區(qū)域性研究有助于確定氣候變暖的影響。

另外，研究抗寒性的同時(shí)，結(jié)合抗鹽堿性、抗旱澇性等其他抗逆性是未來(lái)的研究方向之一。生態(tài)、微生物、基因、生理、生化、農(nóng)學(xué)、林學(xué)等各領(lǐng)域的專家合作，可以使植物抗寒性的理論研究與植物培育有機(jī)結(jié)合起來(lái)，采取科學(xué)的栽培和管理措施，加強(qiáng)抗寒品種選育，從而把低溫傷害的損失減少到最低程度，獲得最大的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

盡管在植物抗寒的基因研究方面取得了顯著的進(jìn)步，但是在林木冷馴化過程中，形成這些復(fù)雜性狀的基因如何在個(gè)體、種群和樹種之間變化，以及如何對(duì)環(huán)境低溫作出應(yīng)答，還沒有明確的解釋。隨著溫室效應(yīng)的增強(qiáng)，暖冬出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高，這一氣候變化對(duì)植物和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響還不能確定。這些內(nèi)容有待于今后深入研究。

參考文獻(xiàn)(References)

簡(jiǎn)令成, 王紅. 2002. 鈣(Ca2+)在植物抗寒中的作用. 細(xì)胞生物學(xué)雜志, 24(3): 166-171.

林定波, 顏秋生, 沈德緒. 1999. 柑橘抗寒細(xì)胞變異體的獲得及抗性遺傳穩(wěn)定性的研究. 植物學(xué)報(bào), 41(2): 135-141.

盧存福. 2004. 第七界國(guó)際植物抗寒會(huì)議概況. 植物學(xué)通報(bào), 21(5): 617.

沈洪波, 陳學(xué)森, 張艷敏. 2002. 果樹抗寒性的遺傳與育種研究進(jìn)展. 果樹學(xué)報(bào), 19(5): 292-297.

王紅, 簡(jiǎn)令成, 張舉仁. 1994. 低溫脅迫下水稻幼葉細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的變化. 植物學(xué)報(bào), 36(8): 587-591.

王紅, 孫德蘭, 盧存福, 等. 1998. 抗寒鍛煉對(duì)冬小麥幼苗質(zhì)膜Ca2+-ATPase的穩(wěn)定作用. 植物學(xué)報(bào), 40(12): 1098-1101. DOI:10.3321/j.issn:1672-9072.1998.12.003

楊盛昌, 林鵬. 1998. 潮灘紅樹林低溫適應(yīng)的生態(tài)學(xué)研究. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 22(1): 60-67. DOI:10.3321/j.issn:1005-264X.1998.01.007

楊亞軍, 鄭雷英, 王新超. 2004. 冷馴化和ABA對(duì)茶樹抗寒力及其體內(nèi)脯氨酸含量的影響. 茶葉科學(xué), 24(3): 177-182. DOI:10.3969/j.issn.1000-369X.2004.03.006

Abdrakhamanova A, Wang Q Y, Khokhlova L, et al. 2003. Is microtuble disassembly a trigger for cold acclimation?. Plant & Cell Physiology, 44(7): 676-686.

Aitken S N, Hannerz M. 2001. Genecology and gene resource management strategies for conifer cold hardiness//Bigras F J, Columbo S J. Conifer cold hardiness. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands: 23-53

Artus N N, Uemura M, Steponkus P L, et al. 1996. Constitutive expression of the cold-regulated Arabidopsis thaliana COD15a gene affects both chloroplast and protoplast freezing tolerance. Proceedings of the National Academy of Science USA, 93: 13404-13409. DOI:10.1073/pnas.93.23.13404

Asada K. 2000. The water-water cycle as alternative photon and electron sinks. Philosophical Transactions of the Royal Society of London: Series B, Biological Sciences, 355: 1419-1431. DOI:10.1098/rstb.2000.0703

Ashworth E N, Pearce R S. 2002. Extracellular freezing in leaves of freezing-sensitive species. Planta, 214: 798-805. DOI:10.1007/s00425-001-0683-3

Bélanger G, Rochette P, Castonguay Y, et al. 2002. Climate change and winter survival of perennial forage crops in eastern Canada. Agronomy Journal, 94: 1120-1130. DOI:10.2134/agronj2002.1120

Castonguay Y, Nadeau P, Laberge S, et al. 1997. Changes in gene expression in six alfalfa cultivars acclimated under winter hardening conditions. Crop Science, 37: 332-342. DOI:10.2135/cropsci1997.0011183X003700020004x

Chen H H, Li P H, Brenner M L. 1983. Involvement of abscisic acid in potato cold acclimation. Plant Physiology, 71: 362-365. DOI:10.1104/pp.71.2.362

Chen T H H, Howe G T, Bradshaw H D Jr. 2002. Molecular genetics analysis of dormancy-related traits in poplars. Weed Science, 50: 232-240. DOI:10.1614/0043-1745(2002)050[0232:MGAODR]2.0.CO;2

Crawford R M M. 2000. Ecological hazards of oceanic environments. New Phytologist, 147: 257-281. DOI:10.1046/j.1469-8137.2000.00705.x

Fracheboud Y, Ribaut J M, Vargas M. 2002. Identification of quantitative trait loci for cold-tolerance of photosynthesis in maize (Zea mays L.). Journal of Experimental Botany, 53(376): 1967-1977. DOI:10.1093/jxb/erf040

Gilmour S J, Sebolt A M, Slazar M P. 2000. Over-expression of the Arabidopsis CBF3 transcriptional activator mimics multiple biochemical changes associated with cold acclimation. Plant Physiology, 124: 1854-1865. DOI:10.1104/pp.124.4.1854

Guy C L. 2003. Freezing tolerance of plants: current understanding and selected emerging conceopts. Canadian Journal of Botany, 81(12): 1216-1223. DOI:10.1139/b03-130

He L X, Nada K, Kashihisa Y, et al. 2002. Enhanced susceptibility of photosynthesis to low-temperature photoinhibition due to interruption of chill-induced increase of s-adenosylmethionine decarboxylase activity in leaves of spinach (Spinacia oleracea L.). Plant & Cell Physiology, 43(2): 196-206.

Hiilovaara-Teijo M, Hannukkala A, Griffith M, et al. 1999. Snow-mold-induced apoplastic proteins in winter rye leaves lack antifreeze activity. Plant Physiology, 121: 665-673. DOI:10.1104/pp.121.2.665

Ishikawa M, Robertson A J, Gusta L V. 1990. Effect of temperature, light, nutrients and dehardening on abscisic acid-induced cold hardiness in Bromus inermis Leyss suspension cultured cells. Plant Cell Physiology, 31: 51-59.

Jaglo-Ottosen K R, Gilmour S J, Zarka D G. 1998. Arabidopsis CBFI over-expression induces COR genes and enhances freezing tolerance. Science (Washington, DC), 280: 104-106. DOI:10.1126/science.280.5360.104

Jian Lingchen, Sun Longhua, Li Jihong, et al. 2000. Ca2+-homeostasis differs between plant species with different cold-tolerance at 4℃ chilling. Acta Botanica Sinica, 42(2): 358-366.

Kuk Y I, Shin J S, Burgos N R. 2003. Antioxidative enzymes offer protection from chilling damage in rice plants. Crop Science, 43(6): 2109-2117. DOI:10.2135/cropsci2003.2109

Kuwabara C, Takezawa D, Shimada T. 2002. Abscisic acid- and cold-induced thaumatin-like protein in winter wheat has an antifungal activity against snow mould, Microdochium nivale. Physiology of Plant, 115: 101-110. DOI:10.1034/j.1399-3054.2002.1150112.x

Lyons JM, Raison JK. 1970. Oxidative activity of mitochondria isolated from plant tissue sensitive and resistant to chilling injury. Plant Physiology, 45: 386. DOI:10.1104/pp.45.4.386

Mazur P. 1963. Kinetics of water loss from cells at subzero temperatures and likelihood of intracellular freezing. Journal of General Physiology, 47: 347-369. DOI:10.1085/jgp.47.2.347

Mckersie B D, Bowley S R, Harjanto E. 1996. Water-deficit tolerance and field performance of transgenic alfalfa overexpressing superoxide dismutase. Plant Physiology, 111: 1177-1181. DOI:10.1104/pp.111.4.1177

?gren E, Nilsson T, Sundblad L G. 1997. Relationship between respiratory depletion of sugars and loss of cold hardiness in coniferous of different sensitivities of spruce and pine. Plant, Cell and Environment, 20: 247-253. DOI:10.1046/j.1365-3040.1997.d01-56.x

Olsen J E, Junttila O. 2002. Far red end-of-day treatment restores wild type-like plant length in hybrid aspen over-expressing phytochrome A. Physiology of Plant, 115: 448-457. DOI:10.1034/j.1399-3054.2002.1150315.x

Repo T, Hanninnen H, Kellomaki S. 1996. The effects of long-term elevation of air temperature and CO2 on the frost hardiness of Scots Pine. Plant, Cell and Environment, 19: 209-216. DOI:10.1111/j.1365-3040.1996.tb00242.x

Rife C L, Zeinali H. 2003. Cold tolerance in oilseed rape over varying acclimation durations. Crop Science, 43(1): 96-100. DOI:10.2135/cropsci2003.9600

Rikin A, Atsmon D, Gitler C. 1983. Quantitation of chill-induced release of a tubulin-like factor and its prevention by abscisic acid in Gassypium hirsutum L. Plant Physiology, 71: 747-748. DOI:10.1104/pp.71.4.747

Saijo Y, Hata S, Kyozuka J, et al. 2000. Overexpression of a single Ca2+ dependent protine kinase confers both cold and salt-tolerance on rice plants. The plant Journal, 23: 319-327. DOI:10.1046/j.1365-313x.2000.00787.x

Sangwan V, Foulds I, Singh J, et al. 2001. Cold-activation of Brassica napus BN115 promoter is mediated by structural changes in membranes and cytoskeleton, and requires Ca2+ influx. The Plant Journal, 27: 1-12. DOI:10.1046/j.1365-313x.2001.01052.x

Sato Y, Murakami T, Funatsuki H, et al. 2001. Heat shock-mediated APX gene expression and protection against chilling injury in rice seedlings. Journal of Experimental Botany, 52: 145-151. DOI:10.1093/jexbot/52.354.145

Scebba F, Sebustiani L, Vitagliano C. 1998. Changes in activity of antioxidant enzymes in wheat (Triticum aestivum L.).seedlings under cold acclimation. Physiology of Plant, 104: 747-752. DOI:10.1034/j.1399-3054.1998.1040433.x

Shen W, Nada K, Tachibana S. 2000. Involvement of polyamines in the chilling tolerance of cucumber cultivars. Plant Physiology, 124: 431-439. DOI:10.1104/pp.124.1.431

Strand ?, Foyer C H, Gustafsson P, et al. 2003. Altering flux through the sucrose biosynthesis pathway in transgenic Arabidopsis thaliana modifies photosynthetic acclimation at low temperatures and the development of freezing tolerance. Plant, Cell and Environment, 26: 523-536. DOI:10.1046/j.1365-3040.2003.00983.x

Tahtiharju S, Sangwan V, Monroy A F, et al. 1997. The induction of kin genes in cold-acclimating Arabidopsis thaliana: evidence of a role for calcium. Planta, 203: 442-447.

Takagi T, Nakamura M, Hayashi H, et al. 2003. The leaf-order-dependent enhancement of freezing tolerance in cold-acclimated Arabidopsis rosettes is not correlated with the transcript levels of the cold-inducible transcription factors of CBF/DREB1. Plant & Cell Physiology, 44(9): 922-931.

Thomashow M F. 1998. Role of cold-responsive genes in plant freezing tolerance. Plant Physiology, 118: 1-7. DOI:10.1104/pp.118.1.1

Tronsmo A M, Gregersen P, Hjeldord L, et al. 1993. Cold-induced disease resistance//Fritig B, Legrand M. Mechanisms of plant defence. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 369

Tucker E B, Allen N S. 1986. Intracellular particle motion (cytoplasmic streaming) in staminal hairs of Setcreasea purpurea: effect of azide and low temperature. Cell Motility and The Cytoskeleton, 6: 305-313. DOI:10.1002/cm.970060307

Vega S E, Rio A H, Jung G, et al. 2003. Marker-assisted genetic analysis of non-acclimated freezing tolerance and cold acclimation capacity in a backcross Solanum population. American Journal of Potato Research, 80(6): 359-369. DOI:10.1007/BF02854247

Wang Qiuying, Nick P. 2001. Cold acclimation can induce microtubular cold stability in a manner distinct from abscisic acid. Plant Cell Physiology, 42: 999-1005. DOI:10.1093/pcp/pce135

Welling A, Moritz T, Palva E T, et al. 2002. Independent activation of cold acclimation by low temperature and short photoperiod in hybrid aspens. Plant Physiology, 129: 1633-1641. DOI:10.1104/pp.003814

Yoshida M, Abe J, Moriyama M, et al. 1998. Carbohydrate levels among winter wheat cultivars varying in freezing tolerance and snow mold resistance during autumn and winter. Physiology of Plant, 103: 8-16. DOI:10.1034/j.1399-3054.1998.1030102.x

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網(wǎng)址: Physiological and Ecological Mechanisms of Plant Adaptation to Low Temperature http://m.u1s5d6.cn/newsview499699.html