抗冷水稻的生理生化特性

・综述・

抗冷水稻的生理生化特性

周介雄1　蒋向辉2　余显权2

(1.贵州省种子总站　贵阳　550001;2.贵州大学农学院水稻研究所　贵阳花溪　550025)

摘要:根据杂交水稻抗冷性育种的需要,本文主要从细胞结构、细

胞内主要物质、酶的适应性变化、激素的调节、Ca 2+

的调控等方面,综述了抗冷水稻和冷敏感水稻在耐冷特性方面的差异:

低温下耐冷性强的品种能保持较好的细胞膜完整性,保持更高的CA T 、SOD 和POD 等保护酶活性和更低的MDA 含量,并诱导产生更多的脯氨酸,同时ABA 水平增高。从多方面揭示了抗冷水稻的抗冷原因,并初步提出了今后抗冷水稻品种选育的努力方向。

关键词　抗冷水稻　生理生化特性　细胞膜

保护酶系统　激素

水稻作为重要的粮食作物,持续的高产、优质、抗逆一直是科学工作者的理想与追求。目前水稻从南纬34°的南美洲大西洋沿岸至北纬53°27′的黑龙江漠河、从平原到海拔2700m 范围内广泛栽培,而水稻生长所需的适宜温度为15～18℃至30～

33℃[5]

,因此低温冷害发生比较普遍。我国每年因低温冷害使稻谷减产30～50亿kg [18]。尤其是贵州省从1999年以来,在中低海拔地区几乎年年都遭受低温危害,造成水稻不同程度的减产,个别地方甚至颗粒无收,特别是2002年全省遭受严重的低温阴雨危害,致使全省水稻减产21%,全省粮食减产6%。因此,培育抗冷性水稻品种应用于生产,保持水稻持续高产稳产,是当今贵州省水稻育种和水稻生产迫切需要解决的问题。

低温冷害是指零度以上低温对植物造成的伤害或死亡的现象[2]。水稻的冷害一般分为障害型和延迟型。障害型冷害中危害最大的是孕穗期的冷害引起的不结实,其次是开花期的低温引起的不结实。延迟型冷害,大致可区别为:因抽穗前各时期生育延迟而造成抽穗延迟,以致结实不良;以及成熟期本身的低温引起的不结实。延迟型换而言之,也可说是成熟不良型[1]。

低温对植物的危害是一个复杂的生理过程,而植物抵抗低温胁迫的能力又是一个多系统的综合生理反应,它受物种本身的遗传基因控制,也受环境的制约[15]。当水稻受到冷胁迫后,会表现一系列的不良症状,本文就水稻受低温胁迫后所表现的生理障碍和生理生化变化综述前人的研究结果,为选育和鉴定抗冷性水稻品种提供参考。

1　水稻在低温胁迫下的不良症状

水稻从种子发芽到成熟的整个生长发育期间都有可能遭受

低温冷害:(1)苗期:水稻苗期受低温冷害,主要导致出芽不良,分蘖少,苗弱,易感立枯病,从而影响后期丰产群体的建立,严重的还会发生烂秧死苗。(2)大田生长期:在这一时期低温对水稻的影响,主要表现在对叶片和根系的生长方面。遇低温时叶片极度凋萎至枯死,其原因是根系损伤无法恢复吸水能力。主要导致成活不良,分蘖少,幼穗形成晚等。(3)孕穗期:水稻属高温短日植物,需高温诱导才能由营养生长转入生殖生长期。此时遭受低

温,导致出穗延迟,且器官发生各种异常,尤其穗长变短,原因是枝梗及颖花的分化受到抑制并退化,颖花产生畸变。进而在低温下使性器官畸变,如雌雄蕊、鳞片等小穗器官的数目增加、生殖器官缺损等。(4)抽穗开花期:这个时期低温冷害主要导致抽穗延迟。水稻的雌雄性器官对温度反应敏感,且一般又以为雄性器官比雌性器官更敏感。同时,水稻开花期遇到低温,不仅影响正常开花受精,而且也能使初生胚受精后的合子早期停止发育而成秕粒,产量降低。(5)成熟期:主要导致成熟不良,子粒不饱满,米质差等。灌浆初期遇低温危害时米粒发育停止,米粒长度减少,甚至形成死米。灌浆中期遇低温危害时会产生乳白米和曝腰米。在同一穗内,下部的谷粒较上部的、出穗迟的谷粒较出穗早的、第二次枝梗上的谷粒较第一次枝梗上的灌浆能力弱,低温对它们的影响亦大。因此在所有的颖花中如果弱势颖花比例高的品种则易受到冷害。和抽穗开花期一样,灌浆期的稻株遇到低温时叶绿素会受到破坏,叶片变黄,叶片发黄时由基部老叶→顶部新叶、由叶尖→叶基顺次进行[7]。因此,叶片光合强度也受低温抑制而显著降低。

2　抗冷水稻的生理生化特性

抗冷水稻与冷敏感水稻相比具有对低温冷害的忍受和适应的优良特性,即水稻的抗冷性[2]。当它遭遇冷害时,细胞的结构和细胞内各物质将发生一系列形态及生理生化方面的适应性变化,以维持其稳定地生长。2.1　细胞结构的特性2.1.1　细胞膜

细胞膜的流动性和稳定性是细胞乃至整个植物体赖以生存的基础,它不仅调控一切营养物质的进出,而且是细胞反应外界不利因子的最先的重要屏障[3]。1973年,Lyons 根据细胞膜结构功能与抗冷性的关系,提出著名的“膜脂相变冷害”假说。认为温带植物遭受零上低温时,只要降到一定的温度,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,膜脂的脂肪酸链由无序排列变为有序,膜的外形和厚度也发生变化,可能使膜发生收缩,出现孔道或龟裂,因而膜的透性增大,膜内可溶性物质、电解质大量向膜外渗漏,破坏了细胞内外的离子平衡,同时膜上结合酶的活力降低,酶促反应失调,表现出呼吸作用下降,能量供应减少,植物体内积累了有毒物质[4]。

膜脂相变转换温度与膜脂脂肪酸的不饱和程度密切相关。一般抗冷水稻膜脂脂肪酸的不饱和度较高,膜脂相变温度相应较低,使膜在低温下保持流动性和柔韧性,以利低温下正常功能的执行和避免膜脂固化造成膜伤害。苏维埃等用差示扫描量热计法(DSC )和荧光偏振法,杨福愉等用顺磁共振法,都证明水稻的抗冷品种膜脂流动性大[16];王洪春等[14]对206个水稻品种种子干胚膜脂脂肪酸组成所做的分析指出:抗冷品种含有较多的亚油酸(18∶2)和较少的油酸(18∶1)。致使其脂肪酸的不饱和指数高

于不抗冷品种。

Levitt[3]指出,冷害主要是损伤膜蛋白质。他认为,低温可将蛋白质分子拆开成亚单位,并使蛋白质分子中的2SH基氧化,形成二硫键(2S2S),造成蛋白质变性。抗冷性较强的水稻品种膜蛋白结构相对稳定,分子间的结合力较强,膜分子的构型变化复杂、膜脂降解以及膜蛋白的脱离较难。简令成[3]等(1965)报道膜结构的稳定性同植株的抗寒力成正相关。

2.1.2　叶绿体

低温下叶绿体的结构发生变化,表现在片层排列方向发生改变,基粒片层堆叠紧密,出现空泡甚至空洞。耐冷品种还能保留叶绿体的外部被膜和少量基粒片层。若温度过低、持续时间过长时,叶片叶肉细胞内叶绿体受到破坏而解体,耐冷性品种仅在近细胞壁部分有叶绿体[7]。

水稻苗期低温障碍的一个最明显表现是叶片中叶绿素含量的变化,叶片颜色褪绿,光合速率下降(水稻在温度低于20℃时光合速率就下降[13]。据调查这种现象不仅发生在高纬度寒冷地区的水稻,就连南亚及东南亚地区的约700万公顷的稻田亦受此影响。受害的稻叶通常由绿色→黄绿色→白色,叶绿素含量下降,而且越是低纬度地区的品种下降越快[7]。籼稻的某些品种幼苗在15℃以下的平均气温中虽可生存,但只有日间气温高时生长的一段叶为绿色而形成所谓“节节白”的花苗[12],刘国华等[9]实验表明耐冷性强的威优288其叶绿素含量比对照威优64高74%。

抗冷植物在磷脂酰甘油(PG)的脂肪酸(饱和或不饱和)合成过程中,叶绿体膜上甘油232磷酸酰基转移酶在甘油C21位上对酰基载体蛋白(C16∶0和C18∶12ACP)具有同样的选择性,因而不饱和脂肪酸含量较高,而在冷敏感植物中,则主要选择C16∶0,因而不饱和脂肪酸含量较低,抗冷性较弱[4]。

2.1.3　线粒体

据报道抗冷性较强的植物在遇到冷害时,线粒体的数量增加,体积增大,内嵴增多。线粒体数量的增加被认为是对单位线粒体活性功能降低的补偿[3]。PellleHHK oba(1976)[3]报道,在寒冬时期,抗寒性强的冬小麦线粒体的高能磷(A TP)含量比抗寒性弱的品种高,这一例证进一步证实了线粒体的能量供应与植物抗寒性的关系密切。

王启育[6]等(1981)认为线粒体膜脂酸不饱和度与水稻品种耐冷性有关,抗冷水稻线粒体膜脂酸不饱和度较高,耐冷性强。2.1.4　液泡

植物液泡是一种溶酶体,液泡膜破坏后,水解酶被释放,结果引起细胞自溶。液泡膜的破坏是冷害致死的临界线。在抗冷过程中,液泡必须发生深刻的适应性变化,才能避免伤害。(1)液泡内的可溶性糖、氨基酸及其他的溶质的浓度显著增加。(2)由于细胞质浓度的增加,大液泡被分隔成许多小液泡。(3)液泡膜产生反卷内陷活动,形成吞噬泡,将细胞质物质转移到液泡内,大大增加液泡内大分子物质的成分。液泡的吞噬活动与植物的抗寒性密切相关,抗寒性强的品种吞噬活动较强。(4)液泡膜产生A TP酶的高活性,这可能与在此过程中液泡吞噬细胞质活动以及液泡对泡外溶质的主动吸收和积累有关[3]。

2.1.5　细胞核

低温对细胞核的影响因品种的耐冷程度和低温的强度而发生可逆或不可逆的变化:当叶肉细胞细胞核的染色质凝集成较大的质块而又均匀分散、且核的双层膜仍保持完整时,是可逆变化的一种表现。如果核膜被破坏,核内出现空泡这就是不可逆的表现[7]。

2.1.6　胞间连丝

低温处理下,抗冷品种与冷敏感品种叶片叶肉细胞的最大区别是前者的胞间连丝仍然存在,而后者则消失。这有利于抗冷水稻的水分和矿质养分的正常运输。

2.2　细胞内的主要物质的特性

2.2.1　糖类

一般情况下,植物在低温条件下可溶性糖含量增高,这是一个普遍现象。可溶性糖类的含量与植物的抗冷性之间呈正相关。可溶性糖作为渗透保护物质,可提高细胞液的浓度,增加细胞持水力及组织中非结冰水,从而降低细胞质的冰点。糖还可以促进ABA的积累,间接诱导蛋白质的合成,从而提高植物的抗冷能力[2]。

同时,水稻籽粒中可溶性糖及可溶性蛋白质含量与籽粒灌浆速度有着密切关系。在籽粒灌浆前期,抗冷性强的品种叶片及茎鞘中可溶性物质被正常地运往这些籽粒中,使其可溶性糖及可溶性蛋白质含量较高。因而有利籽粒淀粉的合成、籽粒相对饱满[8]。

2.2.2　蛋白质与氨基酸

1970年,Weiser发现,冷驯化能调节植物基因的表达,从而合成新的蛋白质。随后发现它们与植物的抗冷性密切相关,这些蛋白质叫做冷驯化蛋白(CAIPs)或冷调节蛋白(CORPs)。简令成[17](1992)在比较4个不同抗寒力小麦品种时,发现抗寒锻炼均使4品种出现新蛋白质,并且抗寒性愈强,诱导出现的CORPs 就愈多。

低温对原生质蛋白质的破坏是低温伤害的主要特征,在低温条件下,植物细胞产生自溶水解酶或溶酶体、释放出水解酶,加速蛋白质的分解过程。龚明等[12]研究指出:无论是抗冷性强的粳稻,还是抗冷性弱的籼稻,当由常温转入低温后,叶中可溶性蛋白质含量均下降,而以抗冷性弱的粳稻更甚。

正常条件下,植物体内游离氨基酸含量很低,而低温冷害条件下,使蛋白质降解,氨基酸和氨态氮相应增加。游离氨基酸的存在,增加了细胞液的浓度,对细胞起依数性保护作用;此外,它还具有很强的亲水性,对原生质保水能力及胶体稳定性有一定的作用。在游离氨基酸中,作用尤为突出的是游离脯氨酸,植物游离脯氨酸的含量与植物的抗冷性呈正相关[2]。陈善娜等[6] (1989)发现耐冷性强的品种经低温处理后脯氨酸含量明显增加,耐冷性越强的品种增加越多。

光下低温处理对减数分裂期水稻叶片中氨基酸总量(包括膜结合与非膜结合蛋白质水解氨基酸和游离氨甚酸)的影响主要表现在Asp和G lu两种氨基酸上,Ala、Pro和Lys含量也有不同程度的变化,而其他种类氨基酸其含量则无明显改变。同时在冷处理前后,抗冷品种和冷敏感品种氨基酸含量变化不同,张红[11]等(1996)测得在减数分裂期水稻叶片中抗冷性强的水稻品种丽粳2号在低温处理5d后,总Asp和G lu含量呈上升趋势,回温后这两种氨基酸含量持续升高,而抗冷性弱的品种十和田则无此变化规则;在减数分裂期水稻花药中,抗冷性强的丽粳2号和抗冷性弱的秀子糯的Asp总量持续升高,而Pro总量均明显下降。丽粳2号花药中Arg和Lys含量下降,但抗冷性弱的秀子糯花药中的