植物学通报1997,14(2):1～8 Ch inese Bulletin of Bo tany植物抗寒机理研究进展Ξ沈　漫 王明庥 黄敏仁(南京林业大学林木遗传和基因工程重点实验室,南京210037)摘　要　本文综合概述了国内外有关植物抗寒机理研究的动态,主要讨论了植物抗寒性与细胞膜系、酶系多态性及抗寒基因表达与调控之间的相关性。

此外,亦提出了有关植物抗寒机制研究领域值得深入研讨的问题。

关键词　植物抗寒性;细胞膜系;酶系;抗寒基因AD VANCES IN RESEARCH ON CH I LL ING-RESISTANCE M ECHAN IS M S OF PLANTSShen M an　W ang M ing2x iu　H uang M in2ren(F orest T ree and Genetic E ng ineering Op en ing L abora tory,N anj ing F orestry U n iversity,N an jing210037)Abstract　T h is paper gives a general statem en t abou t the p resen t developm en t of ch illing2re2sistan t m echan is m s of p lan ts at hom e and ab road,and it deals m ain ly w ith the relati on s be2tw een the ch illing2resistance of p lan ts and cell m em b rane system,enzym e system diverisityand ch illing2resistan t gene exp ressi on and con tro l.In additi on,the paper po in ts ou t som ep rob lem s w o rth delib rating deep ly in the research field of p lan t ch illing2resistance.Key words　Ch illing2resistance of p lan ts,Cell m em b rane system,Enzym e system diversity,Ch illing2resistan t gene植物对环境变迁及不良环境有足够的适应性和抗抵能力,这种抗逆性既受系统发育的遗传基因所控制,又受个体发育中生理生态所制约。

温度作为重要的环境因子之一,在植物遗传背景限制的前提下,对植物某些生长发育过程起着决定性作用。

至今低温寒害对植物的伤害还没有找到根本的解决途径。

因此,探索植物抗寒性的生理机制及其遗传因素,不仅在基础理论上具有重要意义,在解决生产实际问题上也具有广泛的应用价植。

近年来,国内外从细胞和分子生物学方面来研究植物的抗寒性,取得了一些重要结果,似乎找到了深入研究的突破口。

为便于对植物低温反应和抗寒机制有一个较全面的了解,本文对这一领域的研究概况和进展作一个综述。

Ξ“八五”国家科技攻关课题《美洲黑扬胶合板林纸浆材新品种选育研究》一部分。

细胞膜系与植物抗寒性生物膜是植物细胞及细胞器与环境的一个界面结构,各种逆境对细胞的影响首先作用于质膜。

早在70年代,L yon s和R aison提出植物低温冷害来自膜脂物理性质的改变。

他们认为,植物遭受低温伤害时,生物膜首先发生膜脂的物相变化,这时膜脂从液晶相变为凝胶相,膜脂上的脂肪酸链由无序排列变为有序排列,膜的外型和厚度发生变化,膜上产生龟裂因而膜的透性增大以及膜结合酶结构改变,导致植物细胞生理代谢的变化和功能的紊乱(L yon s和R ai2 son,1970)。

此后,大量实验结果都证实这种“膜相变的寒害”假说,认为,植物体内凡能降低细胞膜系相变温度的因素都将有助于植物抗寒能力的提高。

把植物细胞作为一功能整体来研究其抗寒性与膜系的关系,保持细胞膜较低的相变温度,应是多种细胞结构在功能上的相互协调的结果。

低温引起植物膜系相变导致冷害的直接证据来自利用膜分子探针的研究结果。

用膜分子探针标记敏感植物细胞膜,发现在引起冷害的温度条件下,标记分子的运动量有显著的降低。

这种显示细胞膜物理状态的分子标记研究方法结果说明,对特定的植物,冷害有临界温度存在,在临界温度下膜系发生相变,引起代谢紊乱,致使植物体受冷害。

膜系相变的间接证据来自荧光强度和电子自旋共振波谱(ESR)的阿雷诺斯图折点。

M u rata等(1982)发现38℃下培养的蓝藻类囊体膜脂的相变温度为13℃,而28℃下培养的为8℃。

苏维埃等(1983)在研究籼、粳稻膜脂的热致相变和流动性与膜脂脂肪酸组成的关系时,发现抗冷品种的低温峰终点温度为4℃,不抗冷品种的低温峰终点温度为5.7℃。

R aison等发现低温敏感植物的极性脂相变温度为10℃,而抗冷植物则低于0℃。

这说明植物的膜脂的物相变化与植物抗寒性之间有着相关性。

许多研究报道指出,膜脂中的类脂和脂肪酸成分明显影响着膜脂的相变温度;增加膜脂中的不饱和类脂或脂肪酸含量能降低膜脂的相变温度。

一般是膜脂上的不饱和脂肪酸成分越大,该植物的相变温度越低,抗寒性也越强。

许多实验也证实,抗冷植物一般具有较高的膜脂不饱和度,可能在较低温度下保持流动性,维持正常的生理功能,因而其膜脂相变温度低于不抗冷植物。

这种膜脂的不饱和度与植物的遗传种性是相关联的。

王洪春等(1985)通过研究不同水稻品种在相同温度条件下形成的种子,其干胚膜脂肪酸组成与抗冷性之间的关系,发现抗冷性强的干胚含较多的不饱和脂肪酸,水稻品种的遗传性控制着膜脂特性。

H aw k in s以不同起源的黄扁柏幼树为研究材料,发现生长在高海拔立地幼树的抗寒性高于低海拔立地幼树,不同种群的实生苗和扦插苗造林两年后的抗寒性存在显著差异,认为黄柏的抗寒性受显著的遗传控制(H aw k in s,R u ssell和Sho rtt,1994)。

可见品种的遗传性对不饱和脂肪酸的形成却起着决定性的作用。

这种膜脂不饱和度既有遗传稳定的一面,也有随温度降低可诱导的一面。

研究发现,许多植物对低温反应的一种重要表现就是增加不饱和度较高的脂肪酸如油酸、亚油酸和亚麻酸在总脂肪中的比例。

L atsague等(1992)报道,智利罗汉松科的3个品种在冬季,总极性脂中的磷脂、糖脂增加,而大多数极性脂的亚麻酸(18∶3)量增加,在针叶致死温度与针叶中高含量亚麻酸之间存在着相关性,所有脂组分中亚麻酸优先累积似乎是抗寒植物所以具有较高抗寒力的普遍机制,而在抗寒力较弱的树种中,这种亚麻酸优先累积只出现在某些脂组分中。

然而相反的实验结果也在增多。

例如白杨和黑剌槐的皮层细胞经秋季低温锻炼后获得很高的抗冻性,但脂肪酸的不饱和度却没有增加。

因此,一些作者认为,在低温锻炼过程中,膜脂不饱和度的增加是植物对低温生长的一种反应而与抗寒性无直接关系。

利用先进的测试设备(NM R、ESR和ς2射线衍射)对膜结构的研究显示,低温造成的冷害与膜系中膜脂质分子排列的变化相关。

在产生膜相变的低温下,膜脂从一个有柔曲脂肪酸链的层状晶液态过渡到了具有僵硬伸展链的凝胶态。

膜脂质分子的排序变化发生在能引起低温胁迫的一段温度范围内而不仅仅是发生在临界温度条件下(B lum,1988)。

R aison等(1976)在绿豆下胚轴线粒体的自旋标记顺磁共振波谱中,看到自旋相对时间(Σ)在15和28℃处出现两个折点,认为28℃的折点温度是膜脂液态和液晶态的转化温度,15℃是膜脂液晶态和凝胶态的转化温度。

然而目前对于植物细胞膜系是在某低温范围内发生相变还是在特定的阈值临界温度发生相变,尚不能定论,这似乎与植物的遗传性密切相关。

一般认为膜的流动性在很大程度上是由膜上的脂,特别是膜磷脂的脂肪酸所决定。

膜磷脂的脂肪酸组成能控制膜流动性,因而成为临界冷冻温度的主要决定因素,高比例的磷脂合成可能有利于植物免受冻害。

近年来的研究表明,磷脂酰甘油(PG)因具有较多的饱和脂肪酸,而成为决定膜脂相变的主要因素,PG的脂肪酸组成及其相变温度与植物抗寒性密切相关。

Gran t、O ldfied等通过研究含有相同脂肪酸酰基链的不同磷脂的热致相变发现不同极性端的磷脂,其流动性PG大于PC又大于PE。

在自然界中PG主要分布于植物叶绿体中,从结构上看,PG的甘油基团C21位一般接棕榈酸(16∶0)或亚麻酸(18∶0),C22一般接反式十六碳2烯酸〔16∶1 (3t)〕。

饱和性不同的PG分子种的脂肪酸在C21和C22位上的不同分布与配比是影响相变的主要原因。

在冷敏感植物中,PG因具有较多的饱和脂肪酸(>5%)而决定了整个膜在零上低温下的相变(H uges等,1992)。

M u rata等(1982,1983,1990)以一系列实验证明了植物冷敏感性与叶绿体膜中PG的脂肪酸饱和度相关,他们研究了9种冷敏感植物和11种抗冷植物叶片中PC、PE和PG的酰基组成和定位分布,发现在冷敏感和抗冷植物间PC和PE脂肪酸和定位分布无明显差异,但除番茄外8种冷敏感植物PG的含量在冷敏感植物中较高,而在抗冷植物中则较低,于是提出植物冷敏感性与PG中高融点分子种相关的理论,认为低温下叶绿体膜上PG发生相变是冷敏感植物受冷害的最初反应。

Roughan等(1986)对74种植物类囊体PG 分子种的分析也表明,PG中高融点分子种占总分子种的百分比或饱和脂肪酸占有脂肪酸的百分比与植物叶片的抗冷性明显相关;PG的脂肪酸组成可能受较强的遗传控制,因而可作为整个植株冷敏感性的指标。

结合PG的相变,M u rata等(1992)详细研究了抗性不同的植物的PG脂肪酸在甘油基的C21和C22的配比与分布,发现不抗冷植物和抗冷植物的类囊体PG的荧光偏振率差异的原因,在于C21、C22位上16∶0、16∶1(3t)和18∶0含量不同,种间PG差异主要表现在甘油骨架C22位饱和脂肪酸差异。

杨玲、苏维埃等(1994)发现水稻抗冷性的差异与它们膜脂中的PG相变温度有关,PG的饱和脂肪酸水平影响着PG的相变温度。

以后他们又研究了广州和南京两地的佛手柑叶中PG的相变和脂肪酸的差异,发现由于两个品种中PG 的脂肪酸饱和度的不同,PG相变起始温度及受其影响的脂流动性以致细胞生理活性发生紊乱的临界温度也不同,从而使抗冷性不同(杨玲、苏维埃和钱建东,1995)。

近年来,利用气相色谱2质谱(GC2M S)和高效液相色谱(H PL C)等先进的测试设备研究磷脂分子种脂肪酸配比和定位分布的变化与植物抗寒性的相关性越来越受到人们的关注。