1997-01-09收稿。1997-07-22收修改稿。黄瓜耐低温研究进展
马德华 庞金安 霍振荣
(天津市黄瓜研究所,300192)
摘要 综述了黄瓜耐低温的机制、遗传特性以及提高黄瓜耐低温能力的方法。黄
瓜耐低温能力主要是由遗传因素决定的,而且加性基因效应为主。耐冷力不同的黄瓜品种在形态、生长发育、叶绿素含量、光合与呼吸作用、根系活力、蛋白质变
化、膜脂过氧化程度和膜保护系统的变化以及电解质泄漏等方面均存在不同程
度的差异。采用低温锻炼、嫁接等技术可以有效地提高黄瓜耐冷力;而采用传统
的育种方法并结合先进的分子生物学技术,必将使黄瓜耐低温育种取得更大成效。
关键词 黄瓜 耐冷性 育种 进展
1 引言
植物的低温危害包括冷害和冻害,冷害是0℃以上低温引起的,冻害是0℃以下低温造成
的。对黄瓜生产来说,出现0℃以下低温的可能性很小,主要以冷害为主。冷害可以发生在黄瓜生长发育的任何时期,其主要症状是:种子萌发期表现为不发芽或延迟发芽,胚根受害;幼苗期
叶片萎蔫,如果冷害持续时间过长,叶片出现坏死斑,叶缘黄化、干枯;成株受害则生长缓慢或
停滞、花打顶、坐果率低、畸形瓜多和产量下降等。果实储运期间受害,瓜条出现水浸状,表面凹
陷,容易腐烂[1]。对黄瓜耐低温规律进行研究,有利于制定相应技术措施和选育耐低温品种。近
年来,人们从生态学、形态学、生理生化以及遗传学角度对黄瓜的耐低温特性进行了广泛的研究。本文就国内外研究现状进行简要阐述。
2 黄瓜耐低温机制的研究
2.1 生态与形态 朱其杰[2]将各种不同的黄瓜品种,根据其耐冷性分为3种生态型,即耐冷
型、中间型和冷敏型。耐低温能力不同的黄瓜品种花粉表面纹饰(亦称雕纹)不同,耐冷型品种
为半覆盖层型,呈开放的大网状式;冷敏型为覆盖层—穿孔型,呈穴状纹饰。同时,冷敏型品种
的气孔开张度最大,耐冷型品种的开张度最小,冷敏型品种叶表面毛刺较多且较大,耐冷型品种的毛刺较少且较短;中间型品种介于二者之间。这可能是生态型不同的黄瓜长期进化适应的
结果。
2.2 生长发育 低温下不同生态型的黄瓜生长量不同,除株高外,叶面积、全株干物重的品种·1·第3卷第4期 马德华等:黄瓜耐低温研究进展间差异极显著,耐冷性强的品种这3个参数高,冷敏型的品种低。由于叶面积测定方便,而全株干物重及叶干重的测定需毁苗而且工作量大,因此低温下叶面积是一个有效且实用的鉴定指
标,这一结论与荷兰的结果相同[2]。
人们对低温下黄瓜种子发芽的能力进行了研究,侯锋[3]用15℃的低温进行发芽试验,发现耐冷性不同的品种发芽能力不同。王永健[4]在13～17℃下的低温发芽表明,13℃和15℃的
条件下,不同黄瓜品种的发芽率有显著差异;而13℃的低温可进一步鉴别种子萌发期耐低温
能力,故13℃为最佳鉴定温度。朱其杰[2]发现在13℃下耐冷性强的品种发芽能力(用发芽指数
表示)强,冷敏型的品种发芽能力较弱。低温发芽能力可作为耐冷性的鉴定指标,而且低温发芽能力的测定快速、简单。因此,作者[2]认为可以用低温下的叶面积(X1)和发芽指数(X2)作为黄
瓜耐低温能力的鉴定指标,并提出一个耐冷性的综合鉴定指标,I=0.88X1+4.9X2。
2.3 根系活力及硝酸还原酶活性 Primak[5]用16℃/16℃、17℃/17℃、18℃/16℃的低温处理黄瓜幼苗,发现温室品种硝酸还原酶(NR)活力降低幅度比露地品种大。NR活力的降低进
一步引起氮代谢减速,从而影响植株生长与产量的形成。作者认为,低温条件下NR活力可以
作为选育温室品种的指标。侯锋[3]试验表明,根系活力随黄瓜耐冷性的减弱而减弱,而且与冷害指数有很好的相关性,说明在低温条件下黄瓜吸收水分和矿质营养的能力下降。
Tachibana[6]也发现温度低于17～20℃时,黄瓜对水分与矿质营养的吸收和运转均受到抑制。
2.4 电解质泄漏 朱其杰[2]认为,低温胁迫下生物膜发生由液晶相向凝胶相的变化,膜流动
性降低,通透性增加,造成细胞内溶质外渗。细胞受到的损伤愈重,电解质渗透率愈高,电导值
也愈大。不同生态型的黄瓜幼苗受到的伤害不同,电导值也不同,耐冷型品种电导值低。侯锋[3]
等验证了其正确性,随着低温处理时间的延长,所有品种的相对电导率都呈增加趋势,但始终
是耐冷能力最强的油皮黄瓜最低。
2.5 膜脂过氧化作用 低温处理过程中,黄瓜幼苗受到伤害。随着处理时间延长和冷害发展,膜脂过氧化加剧,造成MDA积累[7,8]。VanHasselt[9]指出,有光照的低温处理对黄瓜叶绿体膜
上光系统的损伤比黑暗中要严重,这是由于光氧化作用引起了叶绿体膜系统的降解。王以
柔[10]等认为,低温不仅直接削弱清除活性氧的酶促和非酶促系统的防御能力,使活性氧含量
增加,诱发脂质过氧化作用,引起膜损伤;而且,所积累的过量活性氧本身及诱发的脂质过氧化产物反过来对植物的防御系统亦会起破坏作用,从而加剧膜脂过氧化作用。这样不断反复地恶
性循环,使植物受害逐步加重,直至死亡。我们在对黄瓜幼苗进行研究时,也发现了类似结果。
同时,人们研究了有关的膜保护系统的变化。低温加剧膜脂过氧化的过程中,随着低温处
理时间延长,VC、硫氢基(SH)和GSH(还原型谷胱甘肽)含量逐渐降低。试验表明,VC和GSH含量的降低与膜脂过氧化产物MDA含量的增加呈负相关[7]。低温能增加黄瓜体内活性氧含
量,降低SOD(超氧化物歧化酶)活性。低温下SOD活性下降率与黄瓜品种间耐冷性强弱呈负
相关性。此外还发现,低温下黄瓜SOD活性大小与膜脂过氧化强弱之间呈高度负相关。从黄
瓜子叶不同细胞器的SOD活性及其同工酶谱对低温反应的敏感性研究可知,叶绿体SOD对低温反应的敏感性最强,线粒体SOD次之,细胞质SOD最差[11]。
有些研究者认为过氧化物酶(POD)活性较高是植物生长受抑制的原因。曾韶西[12]发现经
低温(5℃)光照处理后,叶绿素含量显著下降,POD活性在开始24h内亦有下降趋势,随后
POD活性显著增加,叶绿素含量与POD活性的增加呈显著负相关(r=-0.9459**)。作者指出,叶绿素含量降低至少部分地是由POD催化造成的。同时,过氧化氢酶(CAT)活性随低·2· 天津农业科学 1997年12月温处理时间的延长而显著下降;叶绿素含量的降低与CAT活性下降呈显著正相关(r=0.9314**)。细胞内CAT主要存在于过氧化物内[13],由于低温造成膜损伤,膜透性增加,从而导致
CAT活性明显下降。朱其杰[2]研究表明,常温和低温下生长的黄瓜,耐低温能力强的品种
POD活性都低,同工酶酶带都少。POD活性及同工酶酶带数与黄瓜的耐冷性表现为负相关。
但是刘鸿先[14]的结果表明,POD同工酶在黄瓜各品种之间存在明显的差异,不论常温还是低温下,一般抗冷性强的比抗冷性弱的多1～3条区带。沈文云[8]发现经3℃低温处理72h后,POD活性上升,同工酶酶带数增加,耐低温的品种酶带数目增加较多;同时CAT活性下
降,低温处理前后,耐低温品种的CAT活性均低于不耐低温的品种。
POD和CAT是膜保护系统的组成部分,能够在逆境胁迫中清除植物体内的H2O2,减少·OH(氢氧自由基)的形成,维持体内的活性氧代谢平衡、保护膜结构,减轻有毒物质对生活细
胞的毒害,延迟或阻止细胞结构的破坏,使组织保持活力,从而使植物能在一定程度上忍耐、减缓或抵抗逆境胁迫[15]。经低温锻炼的黄瓜幼苗在低温胁迫时保持高的CAT和POD活性,从
而避免了伤害[16]。
2.6 蛋白质变化 一般认为可溶性蛋白质和总蛋白质与耐冷性存在正相关,随着组织可溶性
蛋白质含量的增加,黄瓜耐低温能力也随着增加。朱其杰[2]发现不同耐冷型品种蛋白质合成系统有显著差异,经SDS—PAGE电泳,耐冷性不同的黄瓜品种显示出不同的蛋白质条带,耐冷
型品种比冷敏型品种蛋白质带多。黄瓜幼苗在发育过程中抗冷能力逐渐降低,光照下低温锻炼
可以提高抗冷能力。电泳结果表明;幼苗在6～12日龄的发育过程中,一些多肽消失,一些则形
成。从光锻炼诱导的多肽变化中可以看出,锻炼有选择地延缓某些多肽消失,同时有选择地诱导某些在子叶发育后期才表达的多肽提前表达,并且有选择地增加某些基因的表达水平。同时
光锻炼诱导了1个58.0KD多肽的形成。作者认为,在低温锻炼中有多个基因参与调控,锻炼
所诱导的抗冷力的提高是基于与发育有关的代谢的协调[17]。近年来,微管蛋白与植物耐冷性的关系受到人们的重视。微管是细胞骨架的重要成分,它
是由两个不同亚基(α和β)组成的二聚体。试验表明,不同耐冷性植物的微管对低温的反应有
显著差异,不耐寒植物的微管对低温是敏感的,而耐寒植物的微管则具有明显的耐寒性,其冷稳定性与耐寒性成正相关[18]。在黄瓜上尚没有有关微管蛋白的研究报道。
同时,一些研究者对参与耐冷性诱导过程中蛋白质改变及其分子机制进行了研究。John-sonFlanagan[19]报道了锻炼后的冬油菜悬浮培养细胞在体内、体外均可诱导1种20KD多肽,
而且这种多肽与富含内质网(ER)的微体组分有关。目前还不清楚这种20KD多肽在耐冷性中的具体作用,现正在确定它的N端氨基酸序列,部分序列能用来合成低核苷酸探针。由这种蛋
白质制备的抗体也可用来确定它在细胞中的原来位置。将洗脱的蛋白质掺入到脂质中,可以测
定它们对冰冻敏感性的变化。目前,这些工作正在进行之中。在黄瓜上也没有这方面研究的报道。
按照生物化学和分子生物学的现行概念,生物的任何变化最终与蛋白质生物合成变化有
关。生化过程的调节似乎是通过许多遗传机制完成的,并与一定的蛋白质合成有关。众多的试
验结果表明,植物耐冷能力的提高伴随着新蛋白质的合成,包括蛋白质浓度的增加和新特异蛋白质(多肽)的产生;这些新合成的蛋白质与植物耐寒能力提高有着不可分割的关系。但是,对
于低温诱导形成的蛋白质的功能及与其有关的分子调控机理目前尚不清楚。赵军[20]、赵玉
田[21]认为:某些特异蛋白质在植物组织中的含量仅仅受温度的影响而不受发育的控制,它们·3·第3卷第4期 马德华等:黄瓜耐低温研究进展可能是细胞质中除酶以外的,由特异耐低温基因调控与表达的、直接参与耐冷性提高的蛋白质。又由于它们在组织中的含量与耐低温发育呈正相关,因而推测它们在耐低温锻炼过程中的
作用是增加细胞的持水能力以抵抗由于冷害脱水造成的浓度效应。另一些特异蛋白质,一方面
与组织耐冷性呈正相关,另一方面也在个体发育中起一定的作用,它们可能是在某些代谢过程
中起调节作用的酶类。又由于它们在组织中的含量随耐冷性的提高而增加,并随耐冷性的降低而下降,它们所调节的可能是某些直接参与耐冷性发育的代谢过程,进一步合成新的适应耐冷
能力提高的物质。Trunova[22]指出,这些新的蛋白质可能来源于从头合成,也可能是在转录阶
段调节的结果。有关这方面的研究,在黄瓜上尚没有完全开展,有待我们进一步努力。2.7 叶绿素变化 低温影响叶绿素的含量[8,23]。这是由于叶绿素的生物合成过程,绝大部分
都有酶参与,温度影响酶的活动,也就影响叶绿素的合成。
人们在研究温度对叶绿素含量的影响时,多把光照与温度结合起来研究。李美茹发现,经
暗低温处理的黄瓜子叶其外观与对照无区别,而低温光照处理的子叶则出现光漂白的伤害症状,特别是5℃处理48h后,光漂白症状更加明显。叶绿素含量测定亦证明光低温引起黄瓜幼
苗子叶中叶绿素的破坏明显地大于暗低温处理,特别是48h后,光低温引起叶绿素含量的下
降更加剧烈。这说明低温处理期间,光照引起了光合作用系统色素含量的下降,加剧低温的损伤作用。
对黄瓜幼苗子叶在250μmol·m-2·s-1光强或黑暗下低温处理时,曾韶西[12]发现,叶绿
素含量下降的同时POD活性明显增强。CHM(亚胺环己酸,蛋白质合成抑制剂)处理,可显著
延缓子叶绿素含量因低温光照引起的减少。当供应外源H2O2或乙醇酸钠造成H2O2积累,可加速低温光照引起的叶绿素含量的降低;用DCMU(二氯苯基二甲脲,光和作用抑制剂,可抑
制H2O2的产生)预处理黄瓜幼苗后,因低温光照处理引起的叶绿素含量降低过程减轻。用自
由基清除剂VE、PG(没食子酸丙酯)、VC处理减少了叶绿素的降低;MV(甲基紫精)能被还原
形成自由基,当幼苗用MV处理时,叶绿素含量的降低加速。作者指出,250μmol·m-2·s-1光强下,叶绿素含量的降低可能包括两个过程:非酶促光氧化过程和POD-H2O2酶促过程(至
少是部分地),两者都与活性氧有关。
2.8 光合与呼吸作用 光合作用的暗反应是由酶催化的生化反应,温度直接影响酶活性,因此温度对黄瓜光合作用的影响很大。众多的试验表明,黄瓜光合作用的温度下限为3～6℃。在
低温条件下,酶促反应下降,限制了光合作用的进行;同时,光合产物运输受阻,积累在叶片中
同样降低了光合速率。此外,低温抑制了光合作用PSⅡ(光系统Ⅱ)的修复能力,加剧了光合作
用的光抑制,使黄瓜在中低等强度光照下就发生光抑制[25]。李晓萍[26]证明,经低温(4℃)处理后,黄瓜幼苗光合速率降低。随着处理时间延长,光合速率降低加剧,而且在解除低温胁迫后,
光合作用恢复能力降低。温室中的试验表明[27],在低温条件下光合作用下降,光补偿点和饱和
点均降低。低温下光补偿点低,说明其对弱光的利用能力较强;但由于光饱和点也低,对强光的
利用能力降低,叶片对光能利用范围变小,光能利用率也低。叶绿体对低温的敏感性较强,是光合作用对低温反应较大的原因之一。试验表明,在出现
可见伤害之前,叶片已经发生了明显的超微结构的变化,如叶绿体变形,膜系统受到破坏[28]。
较高的零上低温,不一定影响到叶绿体的膜系统,而只表现在内含物的变化,尤其是淀粉颗粒累积。有人认为,叶绿体内大颗粒淀粉累积,是光合速率降低的原因之一[23]。冷胁迫下,不同生态型的黄瓜呼吸强度也不同,耐冷性强的品种呼吸强度高,而冷敏型的·4· 天津农业科学 1997年12月