植物抗寒机理研究进展
植物抗寒性的生理生态学机制研究进展_徐燕
第43卷第4期2007年4月林业科学SCIE NTIA SILVAE SINICAE Vol .43,No .4Apr .,2007植物抗寒性的生理生态学机制研究进展＊徐 燕 薛 立 屈 明(华南农业大学林学院 广州510642)摘 要: 综述植物在冷驯化过程中发生的一系列生理生化变化。
环境对植物抗寒性的影响主要与光诱导、温湿度以及气候的变化有关。
植物表面形成冰层会引起植物的无氧呼吸,导致植物受害;光抑制诱导活性氧的产生,从而导致植物光合系统的退化,抗寒能力下降,而短日照诱导植物休眠,有利于植物抗寒。
光敏色素则被认为是启动冷驯化的光受体;植物通过冷驯化增加碳水化合物的积累及病原体相关蛋白的合成,以增强对低温病原体的抵抗能力;气候的变化使植物遭受了更大的冷伤害风险。
微管最初遇冷时部分的解体可以有效诱导植物抗寒性;抗氧化酶活性增强,植物体内糖、脯氨酸、多胺等内含物含量上升。
植物休眠状态中的生理变化(种子的休眠、芽的休眠)与AB A 敏感性的差异有关。
对植物抗寒性分子机制的研究表明:CO R 基因的表达对于植物抗寒性和冷驯化是十分关键的;与气候梯度有关的基因梯度的分布说明寒冷地区的树种更为抗寒;多表型性状的数量性状分析,为重要的农艺性状标记辅助选择(MAS )提供基础。
对植物抗寒过程中的信号转导进行研究发现,Ca 2+是低温下参与调节冷驯化应答机制中信号转导途径的重要的第二信使。
未来植物抗寒领域的研究热点为信号转导和基因调节,低温抗性的遗传学和遗传应用及代谢组学,气候变化对于植物抗寒的影响等方面。
关键词: 植物;环境;抗寒;生理;分子机制中图分类号:S718.43;Q945.78 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2007)04-0088-07收稿日期:2006-01-20。
基金项目:广东省林业局项目(4400-F02084,4400-F05004)。
＊薛立为通讯作者。
Physiological and Ecological Mechanisms of Plant Adaptation to Low TemperatureXu Yan Xue Li Qu Ming(C oll eg e o f For es tr y ,Sou th Chi na Agr icul tur al Uni vers ity Gu ang zh o u 510642)Abstract : Chilling injury is one of the ecological factors c ausing environmental stress in plants .Exploring the physiological and ecological mechanisms of c old tolerance in plants can under stand ho w plants gro w at low temperatur e ,which has important meaning in theory and practice .At present ,study on cold toler ance in plants focuses on physiology ,genes ,and relationship between plants and environment and so on .This article revie ws the physiological and ecological response of plants to lo w temper atur e during c old acclimation .Over wintering plants encased in ice can be exposed to anaerobic conditions and suffer phytotoxicity .Photoinhibition induced the increase of r eactive oxygen species (ROS ),causing the degradation of photosystems ,which is unfa vorable for cold hardiness of plants .Shor t da ys induc e dor manc y in plants ,resulting in a increase in cold hardiness of plants .Phytochr ome has been c onsidered to be the photoreceptor r esponsible for tr iggering the initiation of the first sta ge of c old acclimation .The acc umulation of carbohydrates and pathogenesis -related proteins enhances the resistance of plants to low -temper atur e pathogens .Scientists pr edict that plants will suffer greater risk of low -te mperature da mage with the c hanges in climate .An initial partial disassembly of microtubles is sufficient to trigger efficient cold acclimation .The adaptation of plants to c old also associates with the incr eased levels of antioxidants enzymes ,sugar ,proline ,polymines and so on .Changes in dormanc y status are mor e likely related to changes in ABA sensitivity than to var iations in ABA levels .The expr ession of COR (cold r esponsive )genes is cr itical in plants for both c hilling tolerance and c old acclimation .Genotypes fr om colder envir onments have greater cold hardiness in situ than those from milder envir onments .The QTL analysis of multiple phenotypic traits pr ovides the basis for marker assisted selection (MAS )of important a gronomic characters .Calcium is an important second messenger in a low temper atur e signal transduction pathway involved in regulation of c old -acclimation response .Signal tr ansduction ,gene re gulation ,genetics ,metabolomics ,and climate change affecting the plant survival are impor tant aspects in the future study of c old tolerance in plants .Key words : plants ;environment ;cold tolerance ;physiology ;molec ular mechanism低温寒害是农林业生产中一种严重的自然灾害,据统计,世界每年因此造成的损失达2000亿美元(卢存福,2004)。
植物抗寒性研究进展
水分对植物的抗寒锻炼同样有很大的影响作 用， 因此合理灌溉非常重要， 土壤水分保持适中或 稍 偏 低 ， 有 利 于 抗 寒 锻 炼 。在 我 国 ， 冬 灌 也 是 防 止 越 冬 过 程 中 冻 害 的 有 效 措 施 。另 外 随 着 塑 料 大 棚 广 泛 应用于蔬菜生产和水稻育秧等， 地膜覆盖和塑料大 棚技术已逐渐成为抗寒性栽培的重要措施。 ３．２ 抗寒育种
植物抗寒性研究进展
植物抗寒性研究进展摘要:综述了近年来植物在抗寒性研究方面的进展情况,并对该项研究的前景进行了展望｡关键词:抗寒性;植物;生理生化;CBFReserch Progress on tCold Resistance of PlantAbstract:This paper reviewed the progress of the study of cold resistance of plant in recent years,and had a brief prospect on this project.Key words:cold-resistance; plant; physiological and biochemical; CBF温度是影响植物生长发育的重要环境因子之一,严格地限制了植物的分布区域,影响其生物产量｡低温伤害是农业生产中经常发生的自然灾害,不仅限制农作物的地理分布,而且严重影响农作物的品质和产量,甚至造成农作物大面积死亡｡迄今为止,尚没有解决低温伤害的根本办法[1]｡只有对植物的低温伤害机理有了全面而又深刻的认识,才能更好地解决低温伤害问题｡植物抗寒机理的研究,是一个非常复杂的过程｡植物抗寒性研究,最初集中于生理生化方面,随着科技的进步,又逐步转向了更加深入的分子水平的研究｡1植物抗寒生理生化研究在最初的生理生化研究中,主要探索了寒害和冻害对细胞和组织造成损伤的机理､相应的生理生化变化､植体内某些生化物质与抗寒性的关系以及细胞结构成分(如细胞膜和质体)与抗寒性间的关系等｡1.1膜系统与植物的抗寒性植物膜系统与其抗寒性紧密相关｡从一定意义上讲,细胞的基本骨架是一个生物膜系统｡生物膜是植物细胞的物质和能量合成､分解及转运过程中必不可少的部分,它的结构､性质及成分的变化,都直接或间接影响细胞的物质及能量代谢[2]｡质膜首先接收外界刺激,然后通过一系列的反应,引起细胞发生一系列生理生化反应,并且质膜的组成成分与其抗寒性有密切关系｡Lyons提出的“膜脂相变”学说认为,当植物遭受低温伤害时,生物膜首先发生膜脂物相的变化,由刚开始的液晶相变为凝胶相,膜脂上的脂肪酸链也由无序排列变成了有序排列,膜的外形和厚度同时发生变化,继而膜上产生龟裂,导致膜的透性增大､膜结合酶的结构改变,从而导致细胞生理生化代谢的变化和功能的紊乱[3]｡沈漫等[1]的研究表明,绿豆细胞膜系存在2个相变温度:28℃､15℃,膜脂存在3个状态:液晶态､液晶和凝胶混合态和以凝胶占绝对优势数量的状态｡1.2细胞抗氧化系统与植物的抗寒性细胞抗氧化途径是细胞抗寒生理生化重要途径之一｡1968年,Mc Cord等[4]首次在牛血红细胞中发现了超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD),提出了氧中毒的O2-理论｡从此以后,生物氧自由基代谢及其生理作用受到广泛重视｡生物氧自由基是通过生物体自身代谢产生的一类自由基,主要指活性氧(Active oxygen species,AOS)｡活性氧是分子氧部分还原后,具有高度化学活性的一系列产物,包括超氧阴离子(Superoxide anion,O2·-)､过氧化氢(Hydrogen peroxide,H2O2)､羟自由基(Hydroxyl radical,·OH)和单线态氧(Singlet oxygen,1O2)等[5]｡由于AOS在生物体内的性质极为活泼,在正常情况下细胞内AOS的产生与清除处于一种动态的平衡状态｡一旦AOS清除系统受损,活性氧代谢失调,浓度超过正常水平时,积累过量,即对细胞形成氧化胁迫｡活性氧胁迫导致冷害的发生,已在“Fortunr”柑橘[6]和青椒[7]等植物中得到证实｡1.3细胞渗透调节物质与植物的抗寒性渗透调节(Osmotic adjustment)是植物适应逆境的一种主要方式｡干旱､高盐和低温等多种逆境,都会造成植物不同程度的脱水,直接或间接影响植物细胞内渗透势的变化,形成渗透胁迫｡参与渗透调节的物质大致可分为两类,一类是细胞内的各种无机离子,如Ca2+､Mg2+､K+､Cl-和NO3-等;一类是在细胞内的有机物质,如脯氨酸､甜菜碱和可溶性糖等｡其中可溶性蛋白､可溶性糖和脯氨酸是植物体内的几种重要渗透调节物质｡脯氨酸(Proline)是重要的抗寒保护性物质,其含量的增加有利于植物抗寒性的提高｡可溶性糖作为一个渗透调节因子,它的积累可以增加细胞的保水能力,调节细胞渗透势｡多数研究认为:低温锻炼或低温胁迫引起可溶性蛋白质的增加,可溶性蛋白质含量与抗寒性呈正相关｡1.4植物生长物质与植物的抗寒性植物生长物质(Plant growth substance)在植物逆境适应过程中起着重要的作用,特别是脱落酸(ABA)､赤霉素(GA)､多胺(Polyamine)等内源生长物质和PP333等人工合成的植物生长调节剂(Plant growth regulator)｡在ABA与植物抗寒性的关系研究中发现,在油菜､烟草､玉米､番茄､马铃薯和水稻等植物低温锻炼过程中,游离ABA含量明显增加[8]｡外源ABA和PP333处理,柑橘叶片内源ABA含量增加,GA含量降低,ABA/GA 增大,这可能是抗寒锻炼使柑橘抗寒力提高的内在机理[9]｡外施PP333能提高Murcott橘橙原生质体的抗寒性[10]｡在柚的越冬期喷施PP333,发现其抗寒性增强[11]｡2植物抗寒的分子机理研究随着分子生物学和生物技术的迅速发展,以及对模式植物抗寒机理研究的深入,人们对植物抗寒性的研究,逐渐由生理生化的层面,走向更微观的分子水平｡当外界温度降低时,植物感受低温信号,引起许多基因表达的变化｡Guy等[12]也提出冷锻炼能改变基因的表达｡近年来,利用包括基因芯片､SAGE(Serial analysis of gene expression)､蛋白组学在内的各种手段,已从拟南芥､油菜､苜蓿､菠菜､马铃薯､小麦､大麦等多种植物中鉴定出许多冷诱导基因[13],如拟南芥中的kin1､cor6.6/kin2､cor15a､cor47/rd17､cor78/rd29A/lti78和erd10,油菜中的Bn28和Bn115,小麦中的wcs120和wcs200等｡现在已经鉴定得到300多种胁迫诱导的基因｡其中很多基因,不止响应一种胁迫,而是响应多种胁迫,如10%干旱诱导的基因也被冷胁迫诱导｡从整体上划分,这些基因可以归属到两个大的反应途径,即ABA依赖的途径与非ABA依赖的途径｡下面将对两条胁迫途径及其相关基因进行详细论述｡2.1依赖ABA的低温应答途径脱落酸(Abscisic acid,ABA)主要在种子休眠､萌发､气孔关闭及干旱､低温､离子渗透等非生物胁迫应答中起重要调控作用｡同时,ABA信号转导途径和生物胁迫信号途径之间存在明显的重叠区和许多交叉点,在植物生物胁迫应答过程中也起着十分重要的调控作用｡植物激素ABA的信号转导极其复杂,拟南芥中受ABA调控的基因超过1 300个[14]｡此外,ABA还在转录后水平上调控某些蛋白质的活性,这种作用包括水解蛋白以及通过RNA结合蛋白调控特异mRNA的翻译等｡拟南芥和水稻在ABA和各种非生物逆境胁迫处理之后有5%~p 2.1.1AREB/ABF-ABRE途径ABA依赖型,其表达依赖于内源ABA的积累或外源ABA的处理｡很多ABA诱导的基因启动子上含有一个保守的顺式作用元件,叫做ABRE(ABA-responsive element;PyACGTGGC),首先在小麦的Em基因[16]及水稻的RAB16基因[17]中分离得到｡这和很多胁迫诱导基因所含有的保守元件G-box(CACGTGGC)很相似｡目前,ABRE已被发现存在于很多ABA应答的COR基因中,如拟南芥COR15A 及RD29A基因｡但是光有一份ABRE对于ABA应答的转录还是不够的,还需要一份“耦合元件”(Coupling element,CE)或另一份ABRE协同作用｡如大麦中HV A1及HV A22基因需要CE1及CE3[18],拟南芥中的RD29B则含有两份ABRE[19]｡与ABRE结合的转录因子是一类碱性亮氨酸拉链(Basic leucine zipper,bZIP)类转录因子,被称为ABRE结合蛋白(ABRE-binding proteins,ABEB)或ABRE结合因子(ABRE-binding factors,ABF)｡在拟南芥中发现14个AREB亚家族同源bZIP类转录因子,它们都含有3个N端(C1､C2､C3)和1个C端(C4)的保守结构域｡大多数AREB亚家族蛋白都在植物组织或种子中参与ABA应答的信号转导途径｡如拟南芥的ABEB1/ABF2､AREB2/ABF4､ABF3在植物组织中而不在种子中表达,而ABI5及EEL在种子成熟和/或萌发时表达｡过量表达ABF3及AREB2/ABF4导致一些下游ABA应答基因的表达,如LEA 基因(RD29B,rab18)､细胞周期调节基因(ICK1)､蛋白磷酸化酶2C基因(ABI1,ABI2)等,说明AREB/ABF在植物中参与ABA及胁迫应答｡而ABEB1/ABF2则是葡萄糖信号途径的一个必须的组成成分,它过量表达也会增加植物抗逆性[20]｡最近的研究表明,拟南芥SnRK2.2/SRK2D和SnRK2.3/SRK2I蛋白激酶可以促使AREB/ABF磷酸化,从而激活其下游ABA诱导基因的表达[21]｡2.1.2依赖ABA的其他途径在ABA依赖的表达途径中,并不是所有的胁迫诱导基因都含有ABRE类似元件,如RD22就不存在ABRE｡除了前面所述的途径,还存在ABA依赖但不直接作用的途径｡在RD22的启动子上有两个重要的顺式作用元件:MYC结合位点和MYB结合位点｡ABA并不直接诱导RD22的表达,而是需要合成新的蛋白质(MYC及MYB类转录因子),来识别这两个位点,拟南芥中是AtMYC2(rd22BP1)和AtMYB2｡这两个转录因子在内源ABA积累后才开始表达｡2.2非ABA依赖的低温应答途径非ABA依赖的低温应答途径,是另外一条非常重要的胁迫反应途径｡其中又可分为以下几条途径:2.2.1CBF途径在很多抗逆境相关基因的启动子上,存在CRT/DRE(C-Repeat/Drought responsive element)元件,特异识别CRT/DRE元件的转录因子叫做CBF/DREB1(C-Repeat Binding Factor/DRE Binding protein 1)､DREB2｡CBF/DREB1的表达受低温诱导而不受脱水､高盐胁迫诱导｡DREB2A和DREB2B则被脱水､高盐胁迫诱导而不被冷诱导｡CBF4/DREB1D被渗透胁迫诱导｡DDF1/DREB1F和DDF2/DREB1E被高盐胁迫诱导｡除了在拟南芥中,在其他物种中也发现了很多CBF同源的基因｡如油菜､大麦､小麦､番茄､水稻､黑麦和柑橘等｡大多数CBF同源基因也是由低温诱导,而且随着CBF的积累,相应的下游基因也会积累[22]｡研究显示,有100多个基因属于CBF调节元(CBF Regulon)的成员｡这些CBF调节元基因编码多种功能蛋白､转录因子(如C2H2锌指类､AP2/ERF类转录因子)､信号转导途径的成分(如转录阻遏物STZ)､生物合成蛋白(如渗透保护剂的合成蛋白)､抗冻保护蛋白(Cryoprotectant protein,如COR15a)及其他胁迫相关的蛋白(如糖运输蛋白､去饱和酶)｡有些CBF调节元基因已研究得比较清楚,如COR15a,调节脯氨酸水平的酶P5CS2,肌醇半乳糖苷合成酶(棉子糖合成过程的一个关键酶)等,它们对植物抗寒性的提高有显著作用｡总之,CBF/DREB1可以调节很多胁迫诱导的基因表达,在植物冷应答途径中起了重要的作用｡2.2.2参与冷驯化的非CBF冷调节途径现在普遍认为,CBF冷应答途径在植物低温逆境中起着重要的作用｡除CBF途径之外,还有其他的途径参与低温应答,现有证据也表明确实存在这些途径｡如eskimo1突变体,不需要低温锻炼即能组成型地提高植物的抗寒能力,且在此过程中,没有涉及COR基因的表达[23]｡虽然大多数响应低温上调的基因都被CBF调节,但也存在一些不受CBF调节的基因存在｡Zhu 等[24]鉴定了两个组成型表达的基因HOS9和HOS10,HOS9编码一个推测的homeodomain转录因子,而HOS10则编码一个推测的R2R3类MYB转录因子｡HOS9和HOS10是一些冷应答基因的负调控者,它们对植物抗寒起着一定的作用,但是这些基因都不属于CBF调节元｡2.2.3ICE1调节的CBF途径Chinnusamy等[25]利用PCBF3: LUC生物荧光检测技术,鉴定得到一个CBF的上游转录因子,并命名为:ICE1(Inducer of CBF expression 1),这是目前知道的惟一直接作用在CBF启动子上的转录因子｡组成型超表达ICE1,可增强CBFs及COR基因的表达,并增强转基因拟南芥的抗冻性[26]｡ICE1是组成型表达并定位在核内,但是激活CBF表达需要冷处理,这说明ICE1在冷诱导下的修饰才具有活性｡ICE1编码一个MYC类碱性螺旋-环-螺旋(Basic helix-loop-helix,bHLH)转录因子,可结合在CBF3启动子上MYC识别位点,从而激活低温胁迫下CBF3的表达｡正常的环境条件下,ICE处于一种不活动状态｡但植株经受低温后,就会激活一条信号转导途径,导致ICE或相关蛋白的修饰,从而使ICE能诱导CBF基因的表达｡虽然正常环境下,ICE1不能诱导CBF的表达,但可能存在与MYC类似的转录因子来激活它们｡在拟南芥ice1突变体中,发现大量的冷诱导基因不被诱导,或者诱导量不到野生型的50%,且这些基因中有32个编码转录因子,说明ICE1是一个控制很多冷应答的依赖CBF或非依赖CBF的基因表达的“主开关”(Master switches)[26]｡2.2.4其他调节CBF表达的途径CBF基因家族拥有众多的家族内基因,这些基因具有一定的自我调控功能,从而使表达量发生改变｡如CBF2可以作为CBF1及CBF3的负调节因子[27],而CBF3也可负调控CBF2[25]｡另外,其他一些蛋白也参与了CBF的冷诱导调控｡如ZAT12可以负反馈调控CBF[28]｡另外,研究还发现,有些基础代谢途径的成分,也参与了CBF途径｡如los1突变体中,蛋白质合成不能进行,从而使CBF基因超诱导表达,但不诱导COR基因的表达[29],说明CBF蛋白对其本身的表达具有反馈抑制作用;HOS1参与经26S蛋白酶体(Proteasome)的特异蛋白质的降解[30],负调控CBF的表达[31],因此推测它可能通过降解CBF的正调节因子,如ICE1,来实现调控的功能｡LOS4基因的一个突变体los4-1会降低CBF1-3及其下游靶基因的表达[32],而另外一个突变体los4-2的功能却刚好相反,会增强CBF及其靶基因的表达[33]｡3展望抗寒性研究是植物抗逆研究的热点之一｡近年来,关于抗寒机理的研究不断深化,并且与抗寒相关的应用性研究也有所加强,如果树等的抗寒育种及不同区域的栽植试验等｡我们认为,今后的抗寒性研究,可从以下几个方面展开:①改进研究方法｡逐步探索利用新发明的功能更多､精度和可靠程度更高的实验仪器和更加完善的实验方法,进行抗寒性的研究,有望得到突破性的结果;②加深分子机理研究｡随着分子生物学理论和生物技术的进步,更广泛的开展基因､蛋白质等方面的研究成为可能,加强分子机理的研究,将会更加快捷､高效的揭示植物的抗寒性机理｡参考文献:[1] 沈漫,王明庥,黄敏仁.植物抗寒机理研究进展[J].植物学通报,1997,14(2):1-8.[2] 简令成.生物膜与植物寒害和抗寒性的关系[J].植物学通报,1983(1):17-23.[3] L YONS J M.Chilling injury in plants[J].Ann Rev Plant Physiol,1973,24:445-466.[4] MC CORD J M,FRIDOVICH I.Superoxide dismutase: an enzymatic function for erythrocuprein[J]. J Biol Chem 1969,24:6049-6055.[5] PRICE A H,TAYLOR A,RIPLEY S J,et al.Oxidative signals in tobacco increase cytosolic calcium[J].Plant Cell,1994,6(9):1301-1310.[6] SALA J M,LAFUENTE M T.Catalase enzyme activity is related to tolerance of mandarin fruits to chilling[J]. Postharvest Biology and Technology,2000,20(1):81-89.[7] PURVIS A C,SHEWFELT R L,GEGOGEINE J W.Superoxide production by mitochondria isolated from green bell pepper fruit[J].Physiol Plant,1995,94(4):743-749.[8] 罗正荣.植物激素与抗寒力的关系[J].植物生理学通报,1989(3):1-5.[9] 刘祖祺,张连华,朱培仁.用放射免疫法分析柑桔抗寒锻炼中游离和结合态脱落酸的变化[J].园艺学报,1990,17(3):197-202.[10] 李卫,孙中海,章文才,等.多效唑提高柑桔原生质体抗寒性的研究[J].湖北大学学报(自然科学版),1997,19(1):79-82.[11] 马翠兰,刘星辉,胡又厘. PP333对柚越冬期耐寒性调控的研究[J].果树科学,1999,16(3):197-201.[12] GUY C L,NIEMI K J, BRAMBL R.Altered gene expression during cold acclimation of spinach[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1985,82(11):3673-3677.[13] 邓江明,简令成.植物抗冻机理研究新进展:抗冻基因表达及其功能[J]. 植物学通报,2001,18(5):521-530.[14] HOTH S, MORGANTE M,SANCHEZ J P,et al.Genome-wide gene expression profiling in Arabidopsis thaliana reveals new targets of abscisic acid and largely impaked gene regulation in the abi-l mutant[J]. Journal of cell science, 2002, 115:4891-4900.[15] NAKASHIMA K,ITO Y,YAMAGUCHI-SHINOZAKI K.Transcriptional regulatory networks in response to abiotic stresses in Arabidopsis and grasses[J].Plant Physiol,2009,149:88-95.[16] GUILTINAN M J,MARCOTTE W R,JR. AND QUATRANO R S.A plant leucine zipper protein that recognizes an abscisic acid response element[J].Science,1990,250:267-271.[17] MUNDY J,YAMAGUCHI-SHINOZAKI K,CHUA N H.Nuclear proteins bind conserved elements in the abscisic acid-responsive promoter of a rice rab gene[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1990,87(4):1406-1410.[18] SHEN Q,ZHANG P, HO T H.Modular nature of abscisic acid (ABA) response complexes: composite promoter units that are necessary and sufficient for ABA induction of gene expression in barley[J].Plant Cell,1996,8(7):1107-1119.[19] UNO Y,FURIHATA T,ABE H,et al.Arabidopsis basic leucine zipper transcription factors involved in an abscisic acid-dependent signal transduction pathway under drought and high-salinity conditions[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(21):11632-11637.[20] KIM S,KANG J Y,CHO D I,et al.ABF2, an ABRE-binding bZIP factor, is an essential component of glucose signaling and its overexpression affects multiple stress tolerance[J].Plant J,2004,40(1):75-87.[21] FUJITA Y,NAKASHIMA K,YOSHIDA T,et al. Three SnRK2 protein kinases are the main postein kinases are the main positive regulators of abscisic acid signaling in response to water stress in Arabidopsis[J]. Plant Cell Physiol,2009,50(12):2123-2132.[22] JAGLO K R,KLEFF S,AMUNDSEN K L,et al. Components of the Arabidopsis C-repeat/dehydration-responsive element binding factor cold-response pathway are conserved in Brassica napus and freezing tolerance in Arabidopsis[J].Genes Dev,2003,17:1043-1054.[23] XIN Z, BROWSE J. Eskimo1 mutants of Arabidopsis are constitutively freezing-tolerant[J].Proc Natl Acad Sci USA,1998,95:7799-7804.[24] ZHU J,VERSLUES P E,ZHENG X,et al. HOS10 encodes an R2R3-type MYBtranscription factor essential for cold acclimation in plants[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2005,102:9966-9971.[25] CHINNUSAMY V,OHTA M,KANRAR S,et al.ICE1: a regulator of cold-induced transcriptome and freezing tolerance in Arabidopsis[J].Genes Dev,2003,17:1043-1054.[26] CHINNUSAMY V,ZHU J,ZHU J K.Gene regulation during cold acclimation in plants[J].Physiol Plant,2006,126:52-61.[27] NOVILLO F,ALONSO J M,ECKER J R,et al. CBF2/REB1C is a negative regulator of CBF1/DREB1B and CBF3/DREB1A expression and plays a central role in stress tolerance in Arabidopsis[J].Proc Natl Acad Sci USA,2004,101:3985-3990.[28] VOGEL J T,ZARKA D G,V AN BUSKIRK H A,et al. Roles of the CBF2 and ZAT12 transcription factors in configuring the low temperature transcriptome of Arabidopsis[J]. Plant J,2005,41:195-211.[29] GUO Y,XIONG L,ISHITANI M,et al.An Arabidopsis mutation in translation elongation factor 2 causes superinduction of CBF/DREB1 transcription factor genes but blocks the induction of their downstream targets under low temperature[J] Proc Natl Acad Sci USA,2002,99:7786-7791.[30] YANG Y,FANG S,JENSEN J P,et al. Ubiquitin protein ligase activity of IAPs and their degradation in proteasomes in response to apoptotic stimuli[J].Science,2000,288:874-877.[31] ISHITANI M,XIONG L,LEE H,et al. HOS1, a genetic locus involved in cold-responsive gene expression in Arabidopsis[J].Plant Cell,1998,10:1151-1161. [32] GONG Z,LEE H,XIONG L,et al. RNA helicase-like protein as an early regulator of transcription factors for plant chilling and freezing tolerance[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2002,99:11507-11512.[33] GONG Z,DONG C H,LEE H,et al. A DEAD box RNA helicase is essential for mRNA export and important for development and stress responses in Arabidopsis[J]. Plant Cell,2005,17:256-267.。
植物抗寒性的研究进展
程 中形成的。由于植 物没有 动物那 样 的运动机 能和神 经系 统 ，基本上是生长在 固定 的位置 上 ，因此 常常 遭受不 良环 境的侵袭。但植 物可用多 种方式 来适 应逆境 ，以求生存 与
２ ｌ ｏ．２Ｎ ． ００Ｖ １ ｏ １ ４
林
业
科
技
情
报
植 物 抗 寒 性 的 研 究 进 展
马振 东
石 艳 霞
（ 龙 江省林 业勘察 设计 院） （ 黑 黑龙 江省森 林植 物 园 ）
［ 摘 要 ］ 温度过低会 对植物 造成一定 的伤 害， 并引起 植物 体 内一 系列 的生理 生化反应 ， 文综述 了植物寒 害类 型、 寒基 本 抗
因、 冻伤 害及低 温驯化后植物 的生理生化变化等方面的研 究进展。 冷
［ 关键词 ］ 植物抗寒性； 害； 冷 冻害 ； 寒基 因； 抗 低温驯化
Ｓ ｕ ｙ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｎ Ａｂ ｕ ｌｎ ｌ — ｅ ｉ ａ ｃ ｔ ｄ ｏ ｒ ｓｉ ｏ ｔＰ ａ ｔＣｏｄ— ｒ ｓｓ ｎ ｅ ｏ ｔ
吸胀初期对低 温 十分 敏感 ，低 温 浸种 会完 全 丧失 发 芽率 。
低温下子叶或胚乳 营养物质 发生泄漏 ，这为适 应低 温 的病 菌提供 了养分 。苗期 冷害 主要 表现 为叶片 失绿 和萎蔫 。水 稻 、棉花 、玉米等春播后 ，常 遭冷 逆 境 的抵抗 和 忍耐 能力 叫植 物 抗 逆性 ，简称 抗 性
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｌｗ ｅ ｅ ｔ ｒ ｌ ｃ ｕ ｅ ｄ ｍａ ｅ ｔ ｌｎ ｎｄ ｓｒ ｃ ： ｈ ｏ ｔｍｐ ｒ ｕ ｅ ｗｉｌ ａ ｓ ａ ｇ ｏ ｐ ａ ｔａ Ｉ ｏ ｈ ｓｃ ａ ｄ ｂｏｏ ｙ ｒａ ｔ ｎ ｉ ｈ ｌ ｔ ｈ ｓ ａ ｌ ｓ ｍｅ ｐ ｙ ｉ ｎ ｉｌ ｇ ｅ ｃｉ ｎ ｔ ｅ ｐａ ．Ｔ ｉ ｇ ｏ ｎ
植物抗寒的原理
植物抗寒的原理植物抗寒的原理是植物为了适应低温环境，在生长发育过程中产生一系列的生理、生化和分子调节机制，以保护细胞内外结构和功能的稳定性，从而促进植物的生长和发育。
首先，植物通过调节细胞膜的物理状态来维持细胞的稳定。
低温会导致细胞膜的流动性发生改变，进而影响细胞膜的功能。
植物通过调节脂类组分的含量和组成，改变细胞膜的流动性和通透性，以维持细胞膜的稳定。
此外，植物还会产生一些抗冷脂类物质，如磷脂酰丝氨酸和胆酸类物质，来增加细胞膜的稳定性，抵抗低温的影响。
其次，植物在低温下会产生一系列抗寒蛋白。
抗寒蛋白是一类在低温环境下特异性表达的蛋白质，它们可以与其他蛋白质结合，保护其结构和功能的稳定性，从而对抗低温带来的伤害。
抗寒蛋白主要包括抗冷酶、抗寒结合蛋白和抗冷变蛋白等。
这些蛋白质可以促进蛋白质的折叠和拆分，增加蛋白质的稳定性，并参与其他抗冷途径的调节，提高植物对低温的抵抗能力。
另外，植物在低温条件下会产生一定量的保护酶。
这些保护酶主要通过抑制蛋白质的降解和氧化损伤，维持细胞内的稳定性。
保护酶主要包括超氧化物歧化酶、过氧化物酶和抗氧化酶等。
这些酶可以减少由低温引起的氧化应激和活性氧的积累，保护细胞膜的完整性和功能，从而提高植物的抗寒能力。
此外，植物还会调节其内部激素的合成和信号传导，以调控植物生长发育的过程。
低温对植物激素的合成和信号转导有一定的影响。
植物通过增加脱落酸等激素的合成和抑制赤霉素、激动素等激素的合成，来调节植物的生长发育过程，从而提高植物对低温的抵抗能力。
最后，植物在低温条件下会调节一些与信号传导相关的基因的表达。
这些基因主要参与植物对低温信号的感知和转导，从而调节植物的抗寒反应。
研究表明，植物可以通过核因子ICE1、冷诱导转录因子CBF/DREB及其下游的抗冷基因等调节低温相关的基因表达，进而增强植物的抗寒能力。
总结起来，植物抗寒的原理是通过调节细胞膜的物理状态、产生抗寒蛋白、保护酶和调节植物的激素合成与信号传导、调节与低温相关的基因表达等一系列生理、生化和分子调节机制来抵抗低温的影响。
植物抗寒性研究进展——优秀论文范文模板
植物抗寒性及其相关基因工程研究进展摘要：低温是影响植物分布、产量及品质的重要非生物胁迫因素，提高植物的抗寒性是作物育种的重要任务。
近年来,植物抗寒分子机理研究不断深入，植物抗寒基因工程研究获得了长足的进展。
本文从膜稳定性、抗氧化酶活性、抗冻蛋白、低温信号转录因子和渗透调节物质等方面对植物耐冷性基因工程研究进展进行了分析、归纳与总结，旨在为植物抗寒机理研究及植物抗寒育种提供参考。
关键词：植物；抗寒性；基因工程；抗寒育种。
Research Advance in the Cold-resistance and the related GeneticEngineering in PlantsAbstract: Low-temperature is a abiological intimidation affecting plant's distribution、output and quality, and the breedingof cold-resistant plants is one of the most important tasks in the development of agriculture's.In recent years,plant's cold-resistant genetic engineering has acquired great progress, with the mechanism of cold- resistance is studied deeper and deeper.This paper gives a generalstatement about the recent development of plant genetic engineering for cold-resistance in composition of membrane lipids,the activity of antioxidang enzymes,the antif reeze protein,the transcription factors of lowtemperature cell signaling and osmolytes,aiming to provide some useful information and ideas to research-ers who work on plant breeding and the mechanism of cold-resistance.Key words:plants; cold-resistance; genetic engineering; plant breeding of cold-resistance.温度是气候因素中影响植物地理分布的主导因素，低温胁迫是植物栽培中经常遇到的一种灾害，涉及到粮食作物、园艺植物及其它许多经济植物。
提高植物抗寒性的机理进展
第32卷第24期2012年12月生态学报ACTA ECOLOGICA SINICA Vol．32，No．24Dec．，2012基金项目：广东省高等学校引进人才专项资金（2010）；国家自然科学基金项目（31270674）收稿日期：2011-06-23；修订日期：2012-08-03*通讯作者Corresponding author．E-mail ：xucx2006@yahoo．com．cnDOI ：10．5846/stxb201106260945徐呈祥．提高植物抗寒性的机理研究进展．生态学报，2012，32（24）：7966-7980．Xu C X．Research progress on the mechanism of improving plant cold hardiness．Acta Ecologica Sinica ，2012，32（24）：7966-7980．提高植物抗寒性的机理研究进展徐呈祥*（肇庆学院生命科学学院，肇庆526061）摘要：低温胁迫是世界范围内影响植物产量和品质的主要非生物胁迫。
植物抗寒生理生态研究是比较活跃和发展很快的领域。
文章综述了提高植物抗寒性机理的研究进展。
大量科学研究和生产实践表明，气象因素与植物自身因素是影响植物抗寒性的关键因素，前者主要是温度、光周期和水分，后者主要是植物的遗传学基础、生长时期、发育水平以及低温胁迫下细胞的抗氧化能力。
保证植物抗寒基因充分表达对提高植物抗寒性有重要意义。
植物抗寒性的遗传机制与调控主要通过5条路径实现：丰富多样的植物低温诱导蛋白，低温转录因子DREB /CBF 可同时调控多个植物低温诱导基因的表达，DREB /CBF 与辅助因子相互作用调控下游基因表达，Ca 2+、ABA 及蛋白质磷酸化上游调控低温诱导基因表达，以及不饱和脂肪酸酶基因的表达。
基因工程改良植物抗寒性已获重要进展，但距产业化尚有许多开创性的工作要做，目前主要通过导入抗寒调控基因和抗寒功能基因而实现，后者主要是导入抗渗透胁迫相关基因、抗冻蛋白基因、脂肪酸去饱和代谢关键酶基因、SOD 等抗氧化系统的基因以及与植物激素调节有关的基因。
植物抗冻性研究进展
１ 已分离和鉴定 的抗 冻基因
现阶段 已知 的抗 冻基因主要为环境诱 导表达 的基因和 某些组 成 型表 达的基 因 。 前者 为 冷驯化 ， 者 是通 过基 因 后
与Ｃ Ｆ 的基 因 序列 有较 高 的 同源 性 ， Ｂ １Ｃ Ｆ 和Ｃ Ｆ Ｂ１ Ｃ Ｆ 、Ｂ ２ Ｂ ３ 紧 密连锁 ， 列在 拟南 芥 的第 ４ 染色 体 ， Ｂ ４ 排 号 Ｃ Ｆ 定位在５ 号 染 色体上【； 中Ｃ Ｆ 、 Ｂ ２ Ｂ ３ ４其 Ｂ ＩＣ Ｆ 和Ｃ Ｆ 三种基 因的高表 达可 使拟南 芥生 长缓慢 、 花期延 迟 、 脯氨酸 和蔗糖含 量增加 ， 同 时可使拟 南芥抗冻性得 到一定 的提 高。 种Ｃ Ｆ 这３ Ｂ 能结 合到 Ｃ Ｒ 因的Ｄ Ｅ Ｏ基 Ｒ 序列 上并诱 导一 系Ｙ Ｃ Ｒ 因 的表 达 ， Ｉ ￣Ｏ 基 因
胁 迫 的诱 导 。Ｌｕ ｉ等研究 发现 ， 拟南 芥ｒ２ Ａ 因能 同时 在 ｄ９ 基
又是 限制植物分 布和生长 的主要 限制 因素 ， 球每 年因低 全 温伤 害引起 的作 物损失 巨大 。 然而传 统的抗寒 育种方 法对 提高植 物抗寒性 的作用并 不明显 ， 因此 ， 人们从生理 学 、 形 态学 、 物化 学 、 生 生物 物理 学等 多学 科对 植物 抗冻 机制 进
安徽农学通报 ，Ａｎ ｕ ｇｉＳｉＢ ｌ２ ，６０ ） ｈ ｉ ｒ ｃ ｕ１ ０１ １ （６ Ａ ． ． ． ０
３ ３
植物抗冻 性研 究进 展
贾慧娟
（ 北京林业大学 生物科学与技术学 院 ， 北京 １０ ８ ０ ０ ３）
摘 要 ： 低温是 限制植物地域分 布的 的一种 非生物胁 迫因素。 因此 ， 究提 高植物 的抗寒性具有 十分重要 的意义。 研 综述 了植物抗 寒基 因， 植物抗 寒的分 子机 理研 究， 并在 此基础上讨 论 了植物 抗冻性研 究 中存在 的 问题及将 来的发
植物抗寒机制研究进展
植物抗寒机制研究进展随着全球气候变化的加剧，气温的波动也变得越来越剧烈。
在这样的环境下，如何保证植物的生长和发展，成为了一个值得研究的问题。
植物在生长过程中，需要经历从种子发芽、生长发育、开花结果等阶段。
而在这个过程中，适应外部环境变化、保持内部稳定的抗逆性反应，也就是植物的逆境生理，变得越来越受到研究者的重视。
特别是对于逆境生理研究领域的重要之一——植物抗寒机制——的研究，更是展现出了令人振奋的进展。
植物抗寒机制的主要研究内容包括冷适应的分子调控、冷休眠的形成机制、冷害分子机制和分子遗传学等方面。
在这些方面的研究中，逐渐揭示出了植物抗寒机制的一系列信号途径、激素信号、非编码 RNA、基因表达、蛋白质修饰等方面的机制与调控。
在信号途径方面，植物抗寒机制的主要信号途径包括钙信号途径、激素信号途径、ROS 信号途径等方面。
其中，钙离子作为植物信号传递的重要分子，在植物抗寒机制中扮演着重要的角色。
冷胁迫会导致植物胞内 Ca2+ 浓度的升高，从而诱导一系列 Ca2+ 信号途径的启动。
同时，植物激素信号途径也是植物抗寒机制的重要组成部分。
多种植物激素，如脱落酸、赤霉素、乙烯和 ABA 等等，都会在植物抗寒过程中发挥重要作用。
例如，ABA 能够通过特定信号转导途径调控一系列抗寒基因的转录，从而实现植物对低温的适应和适应性形成。
此外，氧化还原反应（ROS）信号途径也被视为植物抗寒机制的关键途径之一。
研究表明，通过引导ROS 的产生和适度的 ROS 增加，可能有助于催化和调控抗寒酶系统中的酶活性，从而促进植物的抗寒适应性。
除了信号途径外，植物抗寒机制的另一个重要研究方向是抗寒基因的筛选和分子调控。
抗寒基因是植物应对低温胁迫的唯一基础，是植物抗寒适应性的重要组成部分。
通过使用一系列分子生物学和生物信息学技术，研究人员已经成功地鉴定和筛选了许多参与植物抗寒适应性调控的基因。
例如，研究人员已经成功鉴定到大约数百个参与植物光合作用、膜转运和代谢途径的基因在低温胁迫下会发生表达变化。
植物抗寒适应性生理生态学研究
植物抗寒适应性生理生态学研究随着全球气候变暖的趋势，自然界中许多植物面临着越来越严峻的环境压力，例如极端高温和极端低温等极端气候条件。
在这样的条件下，植物必须适应并保持其生命活动。
为适应低温环境，许多植物演化出了一些抗寒适应性生理生态学机制。
本文将重点介绍植物抗寒适应性生理生态学研究的进展。
一、植物抗寒适应性生理生态学抗寒适应性生理生态学（cold adaptation physiology and ecology）是指植物为适应低温环境而演化出的一系列适应性机制。
与其它植物生理生态机制一样，植物抗寒适应性生理生态学也是针对外界环境的适应性反应，其目的是维持植物正常的生命过程和代谢，并保持其生存能力。
二、植物抗寒适应性生理生态学的主要机制1、抗寒酶在低温环境中，植物产生一些特殊的酶，称为抗寒酶（cold acclimation associated enzymes），这些酶可以帮助植物在低温条件下保持正常的生理活性和代谢。
抗寒酶主要包括脯氨酸变性酶、赤霉素20-氧化酶和细胞膜的渗透调节蛋白等。
2、脯氨酸的累积在低温环境中，植物会积累大量的脯氨酸（proline），从而维护细胞的渗透压和稳定，保持细胞的正常生活活性和代谢。
此外，脯氨酸的积累还可以促进细胞钙离子的内流和累积，从而保持生物体内的离子和渗透压平衡。
3、罗布酯的产生罗布酯是一种非常特殊的糖类，广泛存在于植物中。
在低温条件下，植物会通过一些代谢途径产生罗布酯，从而保持细胞内部水分的稳定和渗透压平衡。
同时，罗布酯还可以起到抗氧化的作用，减少低温环境对细胞的氧化损伤。
4、细胞膜的调整在低温环境下，植物膜组成中的一些脂质分子会发生变异，从而促进细胞膜的晶格化程度和稳定性，防止细胞膜的流动性。
三、结论这些机制共同构成了植物抗寒适应性生理生态学的研究范畴。
当植物面临低温环境时，它们会通过积累抗寒酶、脯氨酸、罗布酯等途径，反应并适应低温环境。
同时，植物还会通过调整膜组成和渗透调节等方式来保持生命活动。
植物抗寒性的基础研究及其应用
植物抗寒性的基础研究及其应用植物是地球上最重要的生物之一，它们可以从阳光、水和空气中获取必要的营养来支持生命的维持。
然而，在极端的气候条件下，植物可能需要预测或应对严寒的环境问题，以确保生存。
为了适应这种环境条件，许多植物已经发展出了各种抗寒性机制，从而使它们能够在寒冷的气候中生存和繁衍。
近年来，植物抗寒的基础研究已经取得了重大进展，并为生产农业作物、生态恢复和全球气候变化适应等多个领域提供了重要的指导意义。
一、植物抗寒性的基础研究进展植物在寒冷条件下的生存需要与环境进行适应和转化，从而保持各种生理过程在正常的状态下进行。
在植物抗寒的基础研究领域，主要包括以下几个方面：（一）生理过程许多植物抗寒机制的研究是建立在对冷处理后植物生理响应的分析研究基础之上的。
植物在寒冷环境中能够适应和调节的生理过程非常重要，如气体交换、光合作用、脱水和氮代谢等生理过程，研究这些过程有助于我们了解植物在不同温度下的适应机制。
（二）基因组学随着生物技术的发展，基因组学的研究方法逐渐成为植物抗寒的研究重要手段。
通过定位和克隆与植物抗寒相关的基因，可以研究植物在寒冷条件下的相关分子机制。
（三）代谢组学代谢组学是将代谢产物作为分析对象进行研究的手段。
它可以为我们提供真实的生物反应信息，帮助我们了解植物在环境变化下相应的代谢情况，以及相关代谢过程。
二、植物抗寒性的应用植物抗寒性的研究除了拓展我们对植物生命过程的认识以外，还在实践中得到了广泛的应用。
对此，我们可以从以下几个方面来进行阐述：（一）农业生产领域植物抗寒性研究对提高农作物产量、改良耐寒性作物品种等具有十分重要的意义。
研究团队可以通过转移和改变植物抗寒相关基因，开发出更加适应寒冷环境下栽培的农业作物品种；或者通过提高土壤氮含量等手段，提高植物的氮素代谢，增加其对冷度的适应能力。
（二）环境恢复领域在环境修复中，植物抗寒性也发挥出了重要作用。
例如，在恢复受水污染土地的过程中，适应寒冷环境范围内的抗寒性植物作为生长环境机制可以帮助加速该土地环境的修复速度。
植物抗寒性研究进展
3、基因表达调控
低温条件下，植物会启动一系列的基因表达程序。这些程序包括转录因子如 CBF/DREB的诱导表达、microRNA和piRNA的表达变化等。这些基因表达调控手 段可以调节植物体内一些生物大分子的合成和降解，从而影响植物的抗寒性。
4、生理反应
除了上述的生化反应外，植物还会产生一系列的生理反应来提高抗寒性。这些 反应包括可溶性糖的积累、脂肪酸的改变以及抗氧化系统的激活等。这些生理 反应可以增加植物的渗透调节能力，保护细胞膜的结构，减少低温对植物的伤 害。
谢谢观看
结论
植物抗寒性是一个涉及到多个层次的复杂过程，包括感知、信号转导、基因表 达和生理反应等环节。随着分子生物学和生物化学技术的不断发展，我们对植 物抗寒性的认识越来越深入。然而，尽管我们已经了解了很多关于植物抗寒性 的机理，但是在实际应用中仍然存在许多挑战。
例如，如何将实验室中的研究成果应用到农业生产中，如何针对不同的气候条 件和土壤环境培育出适应性更强的作物品种等。未来，我们需要继续深入研究 植物抗寒性的机理，发展新的技术手段和方法，以便更好地解决农业生产中的 实际问题。
3、农业实践中的应用
如何将植物抗寒性研究的成果应用于农业生产实践中，也是一个需要进一步探 讨的问题。例如，如何通过合理地调整农田管理制度，以最大限度地提高作物 的抗寒性，这是一个具有重要意义的研究课题。
四、观点和相应证据支持
我们认为，未来的植物抗寒性研究应注重以下几个方面：
1、加强机制研究：为了更深入地了解植物抗寒性的机制，需要综合运用多种 学科的研究方法和技术，例如分子生物学、生物化学、生态学等。
参考内容
植物抗寒性是植物适应低温环境的重要生存策略之一。了解植物抗寒性的生理 生化机制，对于培育耐寒性更强的植物品种以及优化农业生产的可持续性具有 重要意义。本次演示综述了近年来植物抗寒性机理的研究进展，重点探讨了植 物对低温的感知、信号转导、基因表达和生理反应等方面的内容。
近年来药用植物抗寒生理研究进展综述-生理学论文-生物学论文
近年来药用植物抗寒生理研究进展综述-生理学论文-生物学论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——引言温度是影响药用植物生长发育的重要因素，在一定程度上也影响着药用植物的分布和道地药材的形成，研究低温胁迫对药用植物生理生化指标的影响及药用植物抗寒性生理具有重要的理论和实践意义。
根据环境温度与冰点温度之间的关系，低温胁迫可分为低温冷害（高于冰点温度）和低温冻害（低于冰点温度），低温冻害以胞外结冰造成细胞脱水或胞内结冰造成细胞的方式伤害植物。
为缓解低温对植物的伤害，多数文献报道主要从生物膜、渗透调节物质、植物生长物质、活性氧平衡和保护酶活性等方面对植物抗寒性进行研究，但多集中在大田作物和园林园艺植物等。
随着药用植物栽培技术的进步，人们对药用植物的生理研究越来越深入，其抗寒性研究已取得一定的进展。
为此，本研究结合药用植物的特殊性，综述了近年来药用植物抗寒生理研究进展，并指出新的研究思路，以期为药用植物抗寒研究提供参考。
1 生物膜与药用植物抗寒性质膜和内膜系统共同组成了行使物质交换与信息传递功能的生物膜系统，其结构和功能的完整性对药用植物有着至关重要的作用。
质膜是植物细胞感受低温胁迫最敏感的部位，也是低温胁迫对植物细胞影响的第一作用部位，低温胁迫会造成质膜通透性增大，电解质外渗，蛋白质变性，酶活力降低、失活，引起代谢失调。
生物膜通透性及膜脂过氧化作用常用来评价药用植物抗寒性。
1.1 寒害对膜结构和功能的影响低温冷害下，质膜上的膜脂从液晶态向凝胶态的转变，膜脂上的脂肪酸从无序排列向有序排列转变。
质膜外形和厚度也随之改变，膜收缩，膜上出现裂纹、孔道，质膜通透性增大，使得膜内电解质大量外渗，从而破坏胞内离子平衡，酶活性降低，植物代谢失调。
温度继续下降则会发生冻害，导致质膜结冰，会从脱水、机械和渗透3方面影响植物。
在这3方面下会使脂质层拉破，质膜中蛋白质和膜脂发生重排，膜透性增大；同时会引起质膜上蛋白质变性，酶失活，引起代谢失调。
植物的抗寒适应机制研究进展
植物的抗寒适应机制研究进展植物是地球上最重要的生命形式之一。
处于各种环境中的植物，能适应并生长在极端冷却、极端温度、高海拔、荒漠化等挑战性环境中，这与植物的抗寒适应机制有关。
过去几十年里，对于植物为什么能够在极端环境中生长的研究有了重大突破，并开发出了新的研究方法来探究植物的抗寒适应机制。
1. 植物中的冷适应基因在极端环境中生长的植物，相较于其他生长环境中的植物，有着不同的基因表达情况。
在冷适应的作用中，大多数植物会制造出特定的冷适应基因，以适应低温环境。
这些基因负责调节细胞中涉及抗氧化物质和代谢、信号传递以及细胞壁强度等方面。
若堵塞了这些基因的作用，植物自然会因受不了低温而死亡。
2. 意外减掉特定基因当冷适应基因在有效避免植物对低温的敏感反应时，也有可能意外地减掉了某些特定基因的表达。
然而，研究人员已经找到了解决办法。
可以通过解释全基因组序列和转录组测序数据，探索植物在低温环境下的基因表达模式，并识别出具有特殊表达模式的基因。
3. 内因与外因值得注意的是，植物的抗寒适应机制不仅是内因引起的。
该机制还可能与环境因素指向的路线相互影响，包括植物所处的土壤，所暴露的光照和大气环境。
这些因素有时会对植物的有害物质吸收产生负面影响。
尤其是寒冷天气，很容易将植物中的水分给冻结起来，进而导致细胞的冻结和其他损伤。
4. 激素与冷适应另一方面，激素也是影响植物抗寒适应机制的重要因素。
许多研究表明，激素对植物在低温环境下变得更加耐冷发挥着重要作用。
某些激素，如ABA和GA3，已成为被广泛讨论的重要植物冷适应机制。
有时候，利用激素来增加植物的耐寒性也是可能的，这有助于突破一些冷适应基因表达时的限制。
5. 植物细胞蛋白组的冷适应除基因表达之外，植物耐冷机理的另一方面也在于细胞蛋白组。
许多组学研究表明，大多数蛋白质的翻译及折叠速度过慢，并不能满足植物在低温环境下的需求。
因此，大多数植物的细胞蛋白组会制造出特定的冷蛋白，以提供冷适应保护。
植物抗寒生理的研究进展
植物抗寒生理的研究进展
植物抗寒生理的研究进展主要涉及以下几个方面：
1. 低温适应机制：植物在低温环境下生存和生长的能力是至关重要的。
研究已经发现，植物通过一系列的生理生化机制来适应低温环境，包括产生冷反应基因和相关的基因，以及这些基因之间的相互作用。
2. 植物激素在抗寒中的作用：植物激素在植物抗寒中起着重要的作用。
例如，脱落酸（ABA）可以诱导植物产生抗寒性，而细胞分裂素则可以保护植物免受低温的伤害。
此外，一些植物激素还可以调节植物对低温的响应，如钙调蛋白激酶和MAPK等。
3. 抗寒基因的鉴定和功能研究：随着生物技术的发展，越来越多的抗寒基因被鉴定和研究。
这些基因包括编码保护酶类（如SOD、POD、CAT等）的基因、调节ABA合成和信号转导的基因等。
对这些基因的研究将有助于我们更深入地了解植物抗寒的分子机制。
4. 抗寒锻炼和适应性生理变化：植物在经历低温锻炼后，可以产生一系列适应性生理变化，如增加膜的稳定性、提高保护酶的活性等。
这些变化有助于植物在低温环境下生存和生长。
5. 抗寒育种：通过选择具有抗寒特性的品种，培育出抗寒能力更强的植物，是植物抗寒研究的一个重要应用。
通过结合传统育种方法和现代生物技术，可以培育出既具有优良农艺性状，又具有较强抗寒能力的植物新品种。
总的来说，植物抗寒生理的研究进展在多个领域都有所涉及。
未
来，随着生物技术的不断发展，我们期待在植物抗寒生理的研究中取得更多的突破和进展。
植物抗寒基因工程研究进展
植物抗寒基因工程研究进展摘要低温是影响植物生长发育及分布的一个很重要的环境因子。
从导入抗寒功能基因和抗寒调控基因两个方面对当前植物抗寒基因工程的研究进展及研究方向作了系统的阐述。
关键词植物；抗寒基因；转基因植物；研究进展；展望低温是影响植物生长、发展、生存及分布的一个很重要的环境因子。
全球每年因低温寒害造成的农作物损失高达数千亿美元[1]。
植物抗寒一直以来都是国内外研究的重点。
随着植物生理学、形态学、遗传育种学、细胞学和分子生物学等理论和方法的日益完善，植物冷驯化和抗寒分子机理的研究取得了显著进展，植物抗寒基因工程也随之得以广泛开展，目前已经发展了100余种转基因抗寒植物，涉及50多个物种[2]。
用基因工程的方法培育抗寒植物正以其周期短、见效快的优点而逐渐在植物遗传育种中占有重要地位。
目前，国内外植物抗寒基因工程主要针对抗寒功能基因和抗寒调控基因展开。
导入抗寒功能基因研究策略，一方面是从植物或植物以外更广泛的物种范围获取“抗寒”基因转入植物来打破植物遗传群体中抗寒冻种质资源缺乏的限制；另一方面是利用植物自身的生理代谢保护机制制定相应的遗传策略，如提高植物体内不饱和脂肪酸的含量、加强膜脂过氧化防御系统中酶的活性等。
导入抗寒调控基因主要是围绕一种与抵抗寒冷所导致的渗透胁迫相关的冷诱导基因转录因子CBF（DREB）展开。
1导入抗寒功能基因的研究1.1抗冻蛋白基因及其转基因植物抗冻蛋白（antif reeze proteins，AFPs）是20世纪60年代从极区海鱼的血清中发现的一种具有阻止体液内冰核的形成与生长、维持体液的非冰冻状态的高效抗冻活性物质。
之后，研究对象从极区鱼扩展到昆虫。
植物AFP的研究较晚，直到1992年加拿大Griffith等[3]才第一次提出从植物中获得内生AFPs。
之后，美国圣母大学的Duman实验室在多种植物中发现了有热滞效应的蛋白质[4]，1994年，费云标等从常绿抗冻植物沙冬青（Ammopiptanthus monglicus）叶片分离到了抗冻蛋白[5]，1996年，卢存福等在高山植物唐古特红景天叶片及悬浮培养细胞中获得具有抗冻活性的蛋白质（AFPs）[6]。
植物抗寒基因工程研究进展_综述_
2004,33(4):69-73.Subtropical Plant Science植物抗寒基因工程研究进展(综述)李新国，张建霞，孙中海（华中农业大学园艺林学学院，湖北武汉 430070）摘 要：低温是严重影响植物生存的因素之一。
本文综述几种转植物抗寒基因：转抗冷诱导基因、转脂肪酸去饱和酶基因、转抗氧化酶基因工程的研究概况，并探讨今后的研究方向。
关键词：植物；抗寒；基因工程中图分类号：Q943.2 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2004)04-0069-05A Review of Advances in Genetic Engineering of Cold-resistance in PlantsLI Xin-guo, ZHANG Jian-xia, SUN Zhong-hai(College of Horticulture and Forestry, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, Hubei Chian)Abstract: Low temperature is one of important factors for plants. Recent progress in geneticengineering of cold-resistance in plants, i.e., transforming cold-induced gene, transforming fattyacid desaturase gene and transforming anti-oxidase gene are summarized in this paper.Key words: plant; cold-resistance; genetic engineering温度是影响植物生存和生长发育的基本环境因子之一，是严重限制植物分布区域及影响生物产量的重要因素。
植物抗寒基因工程研究进展
植物抗寒基因工程研究进展温度是影响植物分布、产量及品质的重要环境因素,提高植物抗寒性对农业生产具有重要的意义.近年来,随着基因工程的发展,对植物的抗寒机理进行了深入的研究,并克隆了许多与抗寒相关的基因.本文从膜稳定性、抗氧化酶活性、抗冻蛋白、低温信号转录因子和渗透调节物质等方面对植物耐冷性基因工程研究进展进行了分析、归纳与总结,旨在为植物抗寒机理研究及植物抗寒育种提供参考.关键词:植物抗寒性,基因工程,抗寒育种植物生长发育过程中,温度作为一个重要的环境因子对其生长、生殖和分布起着关键的作用.低温不仅在很大程度上限制植物的种植范围,同时还会造成减产和品质下降,严重时甚至绝收.全球每年因低温伤害造成的农作物损失高达数千亿元[1],因此,植物抗寒性研究及抗寒育种一直是植物学研究领域的热点之一.目前选育耐低温植物品种主要采用常规杂交育种的方法,即利用抗冷性品种与各种生态类型的不抗冷品种杂交,通过混合轮回选择,获得抗冷品种.经过长期研究,育种工作者已育成了不少抗寒新品种,对避免和减少冷害损失起到了重要作用.但是利用常规育种方法存在抗冷性资源不足、选择周期长、费用高等局限性,严重影响育种目标的实现,很难满足生产上对抗寒品种的迫切需要.现代生物技术的迅猛发展为最终解决植物的抗寒性展现了良好的前景.利用现代分子生物学技术,人们已从植物中克隆出众多参与植株耐低温能力形成的基因,研究和分析这些基因的功能,对于揭示植物抗寒的分子基础,加速植物抗寒育种具有重要意义.本文就近年来国内外在植物抗寒基因工程方面的研究进展进行了分析与归纳,旨在为人们进一步认识和利用植物抗寒相关基因提供参考.1 膜稳定性相关基因生物膜是植物细胞及细胞器与周围环境间的一个界面结构,它能够接受和传递环境信息,对环境胁迫做出反应.同时,生物膜对保持植物正常生命活动也具有重要的作用[2].研究表明,生物膜是低温冷害作用的首要部位,而且低温伤害的原初反应发生在生物膜系统类脂分子的相变上[3].早在20世纪70年代,Lyons[4]就提出“膜相变的寒害"假说,认为植物正常生理活动需要液晶相的膜状态,在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,膜结合酶的活力降低,且膜上出现孔道或龟裂,使膜的通透性增大,膜内可溶性物质大量向膜外渗透,破坏了细胞内外的离子平衡.同时膜结合酶结构改变,酶促反应速度失去平衡,导致植物细胞生理代谢变化和功能紊乱,从而使植物细胞受到伤害.许多研究表明,膜脂中的类脂和脂肪酸成分的不饱和度明显影响膜脂的相变温度.一般认为,膜脂不饱和脂肪酸含量增高,膜脂相变温度会降低,增加了膜的流动性,从而使植物的抗寒性相应提高.反之,冷敏感植物的膜脂相变可能是由于膜脂脂肪酸的不饱和程度较低,低温下膜脂由液晶相向凝胶相转变,造成细胞膜膜相分离,从而引起细胞代谢紊乱[527].近年来,应用基因工程技术导入脂肪酸去饱和代谢关键酶基因,通过降低脂肪酸的饱和度以提高植物抗寒性的研究,已经取得了突破性的进展[8,9].日本国立基础生物化学研究所首先利用脂肪酸去饱和酶基因进行了植物抗寒性的分子改良.1993年,High等[10]筛选了一个膜脂不饱和脂肪酸突变蓝藻(SynechocystisPCC6803)菌株fad12,并克隆了Δ12去饱和酶基因desA,研究表明desA基因的表达是由于低温首先降低了膜脂的流动性,刺激desA的转录,使膜脂不饱和度增加,从而增加膜脂的流动性.Los等[11]发现,蓝细菌在低温胁迫过程中,desA基因的表达水平在1h内就增加10倍,抗寒性得到提高.Kodama等[12]将从拟南芥中克隆的叶绿体ω23脂肪酸去饱和酶基因(FAD7)导入烟草中进行表达,转基因烟草中十六碳三烯酸和十八碳三烯酸含量提高,其前体物质相应减少,在l℃低温下表现出明显的抗寒性.Ariizumi等[13]将FAD7基因导入水稻中,获得的转基因植株不仅增强了抗寒性,而且也提高了低温下的光合速率和生长速率.除了FAD7基因外,Gibson等[14]从拟南芥中分离得到另一个受低温诱导的脂肪酸去饱和酶基因FAD8,编码合成叶绿体ω23去饱和酶,它与FAD7基因具有75%的核苷酸同源组成,两者的叶绿体ω23去饱和酶能够彼此功能互补,共同催化膜脂中脂肪酸的去饱和.此外,John等[15]又从蓝细菌和高等植物中克隆了分别编码Δ6、Δ9以及ω23酰基酯去饱和酶的基因desD、desC和desB,这些基因均具有冷调节特性.Ovkova等[16]将从蓝细菌中克隆的Δ9去饱和酶基因des9转入烟草后,转基因烟草叶片中不饱和脂肪酸的含量和植株低温耐受性均有很大的提高.Kwon等[17]克隆了辣椒(Capsicum)叶绿体ω23脂肪酸去饱和酶基因,而且在辣椒基因组中存在一个小的基因家族,该基因在叶片中表达而在根中不表达,当叶片受到伤害时转录量迅速提高,并且随后亚麻酸的含量提高.脂酰甘油(PG)具有较多的饱和脂肪酸,是决定膜脂相变的主要因素.而甘油232磷酸酰基转移酶(GPAT)又是PG生物合成过程中的第一个酰基酯化酶,对决定植物膜PG的不饱和度起关键作用[18].目前已获得多种植物GPAT基因的cDNA或基因组DNA片段.1992年Murata等[19]将冷敏植物南瓜的GPAT酶基因转至烟草,植株膜脂脂肪酸饱和度增加,相反转移抗冷植物拟南芥的酰基转移酶基因,能够使烟草内囊体PG的脂肪酸组成趋向不饱和,烟草植株抗寒性大大提高.Wolter等[20]将GPAT基因导入烟草和拟南芥,结果改变了其体内磷脂酰基甘油的脂肪酸组成,提高了其不饱和度,增强了抗寒性.Ariizumi等[13]将拟南芥和菠菜的AGPAT和SGPAT基因分别转化水稻,T1代植株叶片内磷脂酰甘油的顺式不饱和脂肪酸含量均明显高于野生型;同时转基因植株的鲜重也明显高于对照.Yokio等[21]将拟南芥的GPAT基因导入水稻中,结果提高了叶片叶绿体膜上PG的不饱和脂肪酸含量,从而增强了水稻的抗寒性.由以上论述可见,利用生物技术的方法改变植物体内脂肪酸代谢途径,增加不饱和脂肪酸含量,可提高植物的抗寒性.2 抗氧化酶活性基因大量研究表明,植物在低温胁迫过程中,对O2的利用能力降低,多余的O2则在代谢过程中被转化成对植物有毒害作用的活性氧(ROS),打破体内活性氧平衡,从而引发或加剧膜脂过氧化作用,降低膜脂的不饱和度,并可引起膜蛋白的聚合及变性,导致膜脂流动性降低,膜通透性增强,生物膜受损[22].一定范围的低温胁迫下,植物可以动员其自身抗氧化防御系统清除自由基,调节膜透性及增加膜的结构和功能稳定性,减少细胞伤害.但是这种自身保护具有一定的限度,超出某一范围即会成为不可逆的伤害,最终致使整株死亡.植物抗氧化防御系统由包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)等组成[23,24].低温胁迫下这些物质协同作用以去除植物体内的活性氧自由基,其中尤以SOD最为重要,它是植物体内第一个清除活性氧的关键抗氧化酶[25].近年来,利用基因工程技术通过转入抗氧化酶基因来提高植物抗寒性已成为研究的热点.McKersie等[26]将烟草中克隆的Mn2SOD的cDNA置于35S启动子下转化到苜蓿的线粒体和叶绿体等细胞器中,提高和增强了转基因植株中超氧化物歧化酶的含量和活性,并经大田试验发现大大提高了转基因植株越冬存活率,同时还增强了对除草剂二苯乙醚的抗性,除草剂对植株的生长抑制明显减轻.低温造成烟草株高、叶片数和生物量显著下降[27].Gupta等[28]将豌豆的Cu/Zn2SOD基因导入烟草中,发现转基因植株的叶绿体中SOD基因超量表达,同时也提高了APX 的活性,从而增加了烟草抵抗低温引起光抑制的能力,提高了转基因植株对冻害的耐受力.Allen等[29]将SOD基因转入烟草中,增强了烟草的抗氧化能力;将其转入棉花,也增强了转基因棉花植株对低温逆境的抗性.Samis等[30]将Mn2SOD基因导入紫花苜蓿,不仅提高了转基因植物的膜稳定性,同时还增加了植物的生物量.此外,APX和谷氨酰胺合成酶与植物的抗寒性也有关系.Sato等[31]报道,热激处理水稻幼苗后可诱导APXa基因的表达,使APX活性升高,从而提高水稻幼苗的抗寒性.Liorente等[32]从水稻基因组中克隆了与POD活性有关的冷诱导基因RCI3,该基因不仅对低温有很高的耐受性,而且对水分和盐胁迫也有很好的耐受性.说明利用基因工程手段将抗氧化酶基因转入植物中,清除植物在低温胁迫过程中产生的对植物有毒害作用的活性氧物质,能够提高植物的抗寒性.3 抗冻蛋白基因抗冻蛋白(antifreezeprotein,AFP)是一类具有热滞效应和冰晶生长抑制效应的蛋白质,能以非线性形式降低水溶液的冰点,但对熔点影响甚微,从而导致水溶液的熔点和冰点之间出现差值,它们在受低温环境胁迫时能使有机体抵御冰冻环境[33].抗冻蛋白最早是在极地海鱼中发现的,在鱼类和昆虫类中研究比较深入,目前已有将这类基因转入植物的报道.黄永芬等[34]采用花粉管通道法及子房注射法将美洲拟鲽afp基因导入番茄,田间抗寒性实验表明,在春季平均气温低于正常年份 4.4℃的条件下,转基因植株生长优于对照,致死温度也比对照降低了2℃.对植物AFP的研究较晚,1992年,加拿大Griffith等[35]首次报道从经过低温锻炼可忍受细胞外结冰的冬黑麦中发现了植物内源性AFP,标志着植物抗冻蛋白研究的开始,随后已从多种植物中获得具有热滞效应的AFP[36].1997年Wallis等[37]将植物凝集素基因和AFP基因共同构建到植物转化载体pKY2LX35S中,之后在转化马铃薯中发现,在-2℃条件下,非转基因马铃薯叶片的电渗值比转基因马铃薯叶片的高2倍多,而且非转基因植株遭受到了严重的冻害.Worrall等[33]从冷诱导的胡萝卜中纯化出一种分子量为36kD的AFP,并克隆了它的基因,之后将AFP基因导入烟草,所获得的转基因烟草提取物能抑制冰晶生长,而且转基因植株的抗冻性明显高于对照.1999年,Meyer等[38]采用CaMV35S启动子,用农杆菌介导胡萝卜AFP基因重组子转化拟南芥,转基因植物提取液有明显的抗冻活性,能够修饰冰晶形态,表明抗冻活性与AFP基因转录水平呈正相关.2001年,尹明安等[39]克隆了胡萝卜AFP基因,并构建了其植物表达载体,为进一步利用其转化番茄、甜椒等作物奠定了实验基础.Huang等[40]将树状抗冻基因DAFP21转入拟南芥,转基因植株的抗冻性和对照植株相比提高了0.6～3.3℃.王艳等[41]将准噶尔小胸鳖甲抗冻蛋白基因MPAFP149转入烟草中,-1℃处理48h,发现转基因烟草的相对电导率和表型明显优于野生型烟草.室温恢复试验验证表明,转基因烟草可存活并恢复生长,而野生型烟草受到了不可逆的低温冻害.抗冻蛋白的发现为植物抗寒性研究提供了一条新的途径,这类蛋白质具有高度的亲水性和热稳定性,能够保护植物细胞免受低温伤害.但是目前从植物中分离克隆并能够用于转化的植物抗冻蛋白基因并不多,因此今后关于植物抗冻蛋白基因的分离克隆将是植物抗寒基因工程研究的一个热点.4 低温信号转录因子植物在遭受低温胁迫时,从感受低温信号到发生一系列生理生化反应和调节基因表达,进而产生抗寒能力,存在一个复杂的信号网络传导系统,CBF(CRT/DRE2bindingfactor)转录因子调控的信号传导途径是其中的一个传导系统,其传导途径为:CBF转录因子→CRT/DRE基序→COR基因表达→植物抗寒性增加,即转录活性因子CBF结合到CRT/DRE基序上,诱导了COR基因表达,从而提高了植物的抗寒性[42].1997年,Stocking等[43]首次从拟南芥中分离鉴定出一种编码转录因子的cDNA,这种转录因子能识别COR基因中的CRT/DRE元件并与之结合,故命名为CBF1(CRT/DREbindingfactor1),即CRT/DRE结合因子.将CB F1蛋白基因转入未经冷驯化的拟南芥中,大量表达后能诱导冷诱导基因在常温下表达,增强了拟南芥的抗寒能力.后来人们发现拟南芥CBF1基因属于一个包括CBF1、CBF2、CBF3、CBF4、CBF5和CBF6基因在内的CBF基因家族[44246],该基因家族成员均具有提高植物抗寒性的功能.甄伟等[47]将CBF1基因转入烟草和油菜基因组中,对转化的烟草和油菜抗寒性的检测结果显示,转基因油菜的抗寒性有明显提高,转基因烟草的抗寒性也有一定提高.Hsieh等[48]将拟南芥的CBF1转入番茄,转基因番茄叶片中的过氧化氢酶的活性比对照显著提高,H2O2含量比对照明显降低,转基因植株的抗寒性得到显著改善.韦善君等[49]将玉米泛素启动子(Pubi)调控的CBF1基因转化烟草,发现CBF1组成型表达增强了转基因烟草的抗寒性.金建凤等[50]将CBF1基因转入水稻中,发现低温处理后转基因植株体内脯氨酸含量比野生型明显增加,植株的抗寒性也明显增强.金万梅等[51]利用根癌农杆菌介导的方法将拟南芥CBF1基因导入草莓中,提高了草莓对低温胁迫的抵抗力.拟南芥CBF3基因的过量表达也能够提高植株耐低温胁迫的能力,并且导致许多与低温胁迫有关的生理生化变化,影响脯氨酸和糖的代谢[52].Song等[53]成功地将外源CBF3基因转入水稻,提高了转基因植株对逆境胁迫的抗性.Haake等[46]CBF4基因转入拟南芥中,并利用35S组成型启动子使其过量表达,结果使CBF4转基因拟南芥的抗寒性和抗旱性都大大提高.植物抗寒性是由多基因控制的性状,往往需要一系列相关基因的共同表达才能提高植物的抗寒性.目前虽然还不知道利用基因工程手段将低温信号转录因子基因转入植物中诱导了哪些基因的表达,但是在植物抗寒育种中转入该类基因比转入单个抗寒基因的应用前景更为广阔.5 渗透调节基因在渗透胁迫过程中,植物体内会产生一些具有保水作用的渗透调节物质来降低植物体内的水势,从而维持体内的水分平衡.这类渗透调节物质有脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖和醇类物质等.低温胁迫时,植物通过诱导渗透调节物质的生物合成酶基因的大量表达,以增加这类物质的积累,维持渗透压的平衡,从而避免低温伤害.脯氨酸是水溶性很大的氨基酸,具有较强的水合能力.在植物受到低温胁迫时,脯氨酸的增加有助于细胞的持水,防止水分散失,起到渗透调节作用.Nanijo[54]将脯氨酸脱氢酶(脯氨酸降解关键酶)反义基因AtproDH的cDN A转入拟南芥,很好地抑制了脯氨酸脱氢酶的产量,提高了胞内脯氨酸水平,增强了植物对低温和高盐的耐受性.甜菜碱是另一类常见的渗透调节物质,其化学性质与脯氨酸相似,它一方面通过与蛋白质的相互作用保护生物大分子在高电解质浓度下不变性,另一方面又可以作为渗透平衡物维持细胞的膨压[55].Pilon2Smits等[56]将从细菌(Arrhobacterpasceus)中克隆的胆碱氧化酶COX基因(甜菜碱合成途径中的重要代谢酶)转入拟南芥、烟草和油菜中,获得了高甜菜碱水平的转基因植株.同时,Pilon2Smits等还发现转化植株甜菜碱的积累有助于种子吸胀萌发及幼苗早期生长对低温的忍耐.Su等[57]将从细菌中克隆到的COX基因转入到水稻后,发现提高了转基因水稻叶片中甜菜碱的浓度,转基因植株对盐和低温有较强的忍耐性.Kumar等[58]将甜菜碱醛脱氢酶BADH基因(甜菜碱合成途径中的另一重要代谢酶)转入胡萝卜后,发现转基因植株对低温和盐胁迫的能力明显增强.果聚糖是一种多聚果糖分子,因其良好的水溶性而具有调节渗透压的功能[59].Huang等[60]将杆菌(Bacillussubtilis)编码果聚糖的基因SacB转入烟草,结果转基因烟草表现出比对照更强的抗渗透胁迫能力;王关林等[61]将从枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)中分离克隆的果聚糖合酶基因SacB导入番茄中,抗冻实验结果证明,转果聚糖合酶基因的番茄具有良好的抗寒性.随着分子生物学的发展,许多与渗透调节物质代谢有关的基因被克隆,将这些基因导入植物中,增加这类渗透调节物质在转基因植物中的含量,以提高其抗寒性,这在植物抗寒育种中显示了较大的应用潜力.6 展望随着对植物抗寒分子机理的深入研究,分子生物学及生物化学技术的不断发展,为低温相关基因的克隆及其应用研究奠定了坚实的基础,利用基因工程使植物获得抗寒性成为植物抗寒育种最有效的途径之一.但由于植物抗寒基因工程是一个新兴研究领域,研究基础比较薄弱,还有许多问题有待进一步研究:(1)抗寒基因工程大多是围绕单个基因研究,但植物的抗寒性是由多基因控制的性状,仅靠转移1个基因就获得抗寒的植物比较困难,转化单基因植株抗寒性提高的程度相当有限,因此必须转移多个基因,但目前同时转化多个基因的技术还不成熟.(2)可利用的目的基因不多.植物的抗寒性受一个庞大的调控网络控制,涉及大量的基因,而目前分离的主要是一些保护类的基因,且多来自拟南芥等模式植物.要想植物的抗寒育种取得更大的突破,必须从不同的植物分离更多的基因,深入研究植物的抗寒分子机理.(3)转基因的表达系统不完善.目前,抗寒基因工程多采用CaMV的35S组成型强启动子来启动外源基因在植物体内的组成型表达,虽在逆境下能较好地提高植物抗寒水平,但在非逆境下,这种不必要的高表达也给植物带来许多负面效应.首先,外源基因过强表达会消耗大量的能量,将会导致转基因植物在正常环境下都会出现生长被严重延滞的现象;其次,在无寒冻胁迫的时候,外源基因表达也是不需要的,因此这类启动子不能作为植物抗寒基因工程中最适启动子长期使用.解决这一问题的关键在于寻找植物内源特异性启动子,从而使抗性基因在低温胁迫时能诱导大量表达的同时,又不影响转基因植物的正常生长发育.相信随着分子生物学技术和方法的不断发展,用基因工程方法提高农作物的抗寒性必将取得可喜的进展,并将具有广泛的实际应用前景.。
果树抗寒相关基因研究进展
果树抗寒相关基因研究进展果树抗寒性是指果树在低温环境下能够正常生长和发育的能力，对于果树耐寒性的研究一直备受关注。
随着基因工程和分子生物学的发展，研究人员对果树抗寒相关基因进行了深入研究，取得了一系列重要进展。
本文将对果树抗寒相关基因研究的进展进行综述。
一、拟南芥抗寒基因在果树中的研究拟南芥是一种模式植物，其抗寒基因的研究为果树抗寒基因的研究提供了重要参考。
研究人员发现，拟南芥中的一些抗寒基因在果树中也具有类似的功能。
C-repeat binding factor (CBF) 家族基因在拟南芥中被发现与抗寒反应密切相关，对其进行过表达可以增强植物的抗寒性。
研究人员将CBF基因导入苹果、樱桃等果树中，发现这些转基因果树在低温环境下表现出更强的抗寒性，对果实的保护和产量的提高具有重要意义。
二、果树抗寒相关基因的筛选与克隆通过利用基因芯片技术和转录组学方法，研究人员对一些果树在低温胁迫条件下的基因表达谱进行了分析，成功筛选出了一些与抗寒性相关的候选基因。
通过克隆和功能分析，研究人员发现了许多果树抗寒相关基因，如冷冻胁迫诱导蛋白 (COR)、抗冷蛋白 (LEA)、超氧化物歧化酶 (SOD) 等。
这些基因的发现为进一步研究果树抗寒性的分子机制奠定了基础。
对果树抗寒相关基因的功能研究是深入了解果树抗寒机制的关键。
研究人员利用基因沉默技术和基因编辑技术，对一些抗寒相关基因进行了功能验证。
在苹果中，研究人员利用基因沉默技术发现了一个名为MdWRKY9的转录因子，其过表达可以显著提高苹果树的抗寒性。
利用CRISPR/Cas9技术敲除某些负调控抗寒基因的转录因子，也可以有效提高果树的抗寒性。
这些研究成果丰富了我们对果树抗寒性相关基因功能的认识，为培育抗寒性更强的果树品种提供了重要的理论依据。
果树抗寒相关基因的研究不仅为我们深入了解果树抗寒机制提供了重要线索，还为果树育种提供了巨大的潜力。
利用抗寒相关基因开展果树育种工作，可以培育出更具抗寒性的新品种，提高果树的耐寒性和产量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。