植物抗寒性产品研究

冷害时植物体内的生理生化变化
冷害对植物的影响不光表现在叶片变褐、干枯，果皮变色等外部形态 上，更重要的是在细胞的生理生化上发生了剧烈变化。
1.膜透性增加 在低温冷害下，膜的选择透性减弱，膜内大 量溶质外渗。用电导仪测定可发现，植物浸出液的电导率增加， 这就是细胞膜遭受破坏的表现。 2.原生质流动减慢或停止 把对冷害敏感植物(番茄、烟草、 西瓜、甜瓜、玉米等)的叶柄表皮毛在10℃下放臵1～2分钟， 原生质流动就变得缓慢或完全停止；而将对冷害不敏感的植物 (甘蓝、胡萝卜、甜菜、马铃薯)臵于0℃时原生质仍有流动。 原生质流动过程需ATP提供能量，而原生质流动减慢或停止则 说明了冷害使ATP代谢受到抑制。
图11-5 由低温引起的相分离
膜脂相变温度随脂肪酸链的加长而增加，随不饱和脂肪酸 如油酸(oleic acid)、亚油酸(linoleic acid)、亚麻酸 (linolenic acid)等所占比例的增加而降低。也即，不饱和脂 肪酸愈多，愈耐低温。温带植物比热带植物耐低温的原因之一， 就是构成膜脂不饱和脂肪酸的含量较高。同一种植物，抗寒性 强的品种其不饱和脂肪酸的含量也高于抗寒性弱的品种。经过 抗冷锻炼后，植物不饱和脂肪酸的含量能明显提高，随之膜相 变温度降低，抗冷性加强。因此膜不饱和脂肪酸指数 (unsaturated fatty acid index，UFAI)，即不饱和脂肪酸在 总脂肪酸中的相对比值，可作为衡量植物抗冷性的重要生理指 标。
根据低温的程度和植物受害情况，可分为:
冷害( chilling injury ) 冻害( freezing injury )
指冰点以上低温对植物的危害. 指冰点以下低温对植物的危害。
在中国，冷害经常发生于早春和晚秋，对作物的 危害主要表现在苗期与籽粒或果实成熟期。
种子萌发期的冷害，常延迟发芽，降低发芽率，诱发 病害。如棉花、大豆种子在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，常遭冷害，造成死苗或僵苗不发。作物在减数分 裂期和开花期对低温也十分敏感。如水稻减数分裂期遇 低温(16℃以下)，则花粉不育率增加，且随低温时间的 延长而危害加剧；开花期温度在20℃以下，则延迟开花， 或闭花不开，影响授粉受精。晚稻灌浆期遇到寒流会造 成籽粒空瘪。10℃以下低温会影响多种果树的花芽分化， 降低其结实率。果蔬贮藏期遇低温，表皮变色，局部坏 死，形成凹陷斑点。在很多地区冷害是限制农业生产的 主要因素之一。
冷害的机理
造成冷害形态结构和生理生化剧烈变化的主要 原因，通常认为有以下几点。 1.膜脂发生相变 低温下，生物膜的脂类会出现 相分离(图11-5)和相变，使液晶态变为凝胶态。由 于脂类固化，从而引起与膜相结合的酶解离或使酶 亚基分解而失去活性。因为酶蛋白质是通过疏水键 与膜脂相结合的，而低温使二者结合脆弱，故易于 分离。随着温度的下降，高熔点的脂质分子从流动 性高的液晶态移动到凝胶态，液晶相和凝胶相间出 现了裂缝。
胞内结冰是指温度迅速下降，除了胞间结冰外， 细胞内的水分也冻结。一般先在原生质内结冰，后来 在液泡内结冰。细胞内的冰晶体数目众多，体积一般 比胞间结冰的小。
冻害的机理 1.结冰伤害 结冰会对植物体造成危害，但胞间结 冰和胞内结冰的影响各有特点。 胞间结冰引起植物受害的主要原因是： (1)原生质过度脱水，使蛋白质变性或原生质发生 不可逆的凝胶化。由于胞外出现冰晶，于是随冰核的 形成，细胞间隙内水蒸汽压降低，但胞内含水量较大， 蒸汽压仍然较高，这个压力差的梯度使胞内水分外溢， 而到胞间后水分又结冰，使冰晶愈结愈大，细胞内水 分不断被冰块夺取，终于使原生质发生严重脱水。 (2)冰晶体对细胞的机械损伤。由于冰晶体的逐渐 膨大，它对细胞造成的机械压力会使细胞变形，甚至 可能将细胞壁和质膜挤碎，使原生质暴露于胞外而受 冻害，同时细胞亚微结构遭受破坏，区域化被打破， 酶活动无秩序，影响代谢的正常进行。
2.巯基假说 这是莱维特(Levitt)1962年提出的植物 细胞结冰引起蛋白质损伤的假说。当组织结冰脱水 时，巯基(-SH)减少，而二硫键(-S-S-)增加。二硫 键是由于蛋白质分子内部失水或相邻蛋白质分子的 巯基失水而形成的。当解冻再度失水时，肽链松散， 氢键断裂，但-S-S-键还保存，肽链的空间位臵发生 变化，蛋白质分子的空间构象改变，因而蛋白质结 构被破坏(图11-7)，进而引起细胞的伤害和死亡。 所以组织抗冻性的基础在于阻止细胞中蛋白质分子 间二硫键的形成。当植株脱水后，细胞内-SH多，S-S-少的，则抗冻性强。一些实验已发现植物受冻 害的蛋白质中，-S-S-增多，而受冻但未伤害的细胞 却不发生这种变化。
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很多热 带和亚热 带植物不 能经受冰 点以上的 低温.
根据植物对冷害的反应速度，可将冷害分为 直接伤害与间接伤害两类。 直接伤害:指植物受低温影响后几小时， 至多在1d之内即出现伤斑，说明这种影响已侵入 胞内，直接破坏原生质活性。 间接伤害:主要是指由于引起代谢失调而 造成的伤害。低温后植株形态上表现正常，至少 要在五、六天后才出现组织柔软、萎蔫，而这些 变化是代谢失常后生理生化的缓慢变化而造成的， 并不是低温直接造成的。
抗寒性资料\2010肥料新标准\水溶肥料\含氨基酸水溶肥料.pdf
三、含腐殖酸水溶性肥料
抗寒性资料\2010肥料新标准\水溶肥料\含腐殖酸水溶肥料.pdf
四、农用微生物菌剂
抗寒性资料\2010肥料新标准\微生物肥料产品标准\农 用 微 生 物 菌 剂GB20287-2006.pdf
五、微生物肥料标准
2.膜的结构改变 在缓慢降温条件下，由于膜脂的固化使得膜结构紧 缩，降低了膜对水和溶质的透性；在寒流突然来临的情 况下，由于膜脂的不对称性，膜体紧缩不匀而出现断裂， 因而会造成膜的破损渗漏，胞内溶质外流。膜渗漏增加， 使得胞内溶质外渗，打破了离子平衡，引起代谢失调。 据报道，受害甘薯的根组织在低温下，离子的外渗比正 常组织高五倍。 低温下，植物细胞内电解质外渗与否已成为鉴定植 物耐冷性的一项重要指标。 3.代谢紊乱 生物膜结构的破坏会引起植物体内新 陈代谢的紊乱。如低温下光合与呼吸速率改变不但使植 物处于饥饿状态，而且还使有毒物质(如乙醇)在细胞内 积累，导致细胞和组织受伤或死亡。
3.水分代谢失调 植株经冰点以上低温危害后，吸水能力和蒸腾速率 都明显下降，其中根系吸水能力下降幅度更显著。在寒 潮过后，作物的叶尖、叶片、枝条往往干枯，甚至发生 器官脱落。这些都是水分代谢失调引起的。 4.光合速率减弱 低温危害后蛋白质合成小于降解，叶绿体分解加速， 叶绿素含量下降，加之酶活性又受到影响，因而光合速 率明显降低。
抗寒性资料\2010肥料新标准\微生物肥料产品标准\NY 227—94 微生物 肥料标准.pdf
1、大量元素水溶肥料
图11-8 细胞结冰伤害的模式图
第二部分： 植物抗寒产品开发
产品研发流程：
产品配方的 选择 产品的大田 试验 产品配方参 数的选择 产品的包装， 规格等 产品的实验 室试配 产品上市
产品研发参照标准： 一、大量元素水溶性肥料
抗寒性资料\2010肥料新标准\水溶肥料\大量元素水溶肥料.pdf
二、含氨基酸水溶性肥料
5.呼吸速率大起大落 植物在刚受到冷害时，呼吸速率会比正常时还高， 这是一种保护作用。因为呼吸上升，放出的热量多，对 抵抗寒冷有利。但时间较长以后，呼吸速率便大大降低， 这是因为原生质停止流动，氧供应不足，无氧呼吸比重 增大。特别是不耐寒的植物(或品种)，呼吸速度大起大 落的现象特别明显。 6.有机物分解占优势 植株受冷害后，水解大于合成，不仅蛋白质分解 加剧，游离氨基酸的数量和种类增多，而且多种生物大 分子都减少。冷害后植株还积累许多对细胞有毒害的中 间产物——乙醛、乙醇、酚、α-酮酸等。
3.膜的伤害
膜对结冰最敏感，如柑橘的细胞在-4.4～-6.7℃时所有 的膜(质膜、液泡膜、 体和线粒体)都被破坏，小麦根分生 细胞结冰后线粒体膜也发生显著的损伤。低温造成细胞间结 冰时，可产生脱水、机械和渗透三种胁迫，这三种胁迫同时 作用，使蛋白质变性或改变膜中蛋白和膜脂的排列，膜受到 伤害，透性增大，溶质大量外流。另一方面膜脂相变使得一 部分与膜结合的酶游离而失去活性，光合磷酸化和氧化磷酸 化解偶联，ATP形成明显下降，引起代谢失调，严重的则使 植株死亡(图11-8)。
冷害的机理是多方面的，但相互之间又有联系，图116对此作了概括。
图 1 冷敏感植物发生冷害的途径 图解
(一)冻害
冰点以下低温对植物的危害叫做冻害 (freezing injury)。
植物对冰点以下低温的适应能力叫抗冻性 (freezing resistance)。
在世界上许多地区都会遇到冰点以下的低温， 这对多种作物可造成程度不同的冻害，它是限制农 业生产的一种自然灾害。 冻害发生的温度限度，可因植物种类、生育时 期、生理状态、组织器官及其经受低温的时间长短 而有很大差异。大麦、小麦、燕麦、苜蓿等越冬作 物一般可忍耐-7～-12℃的严寒；有些树木，如白 桦、网脉柳可以经受-45℃的严冬而不死；种子的 抗冻性很强，在短时期内可经受-100℃以下冷冻而 仍保持其发芽能力；某些植物的愈伤组织在液氮下， 即在-196℃低温下保存4个月之久仍有活性。
第一部分： 研究植物抗寒性产品 的意义及理论基础
研究植物抗寒性的意义：
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。低温寒 害是农业生产中一种严重的自然灾害,受害面积广,损失大。
虽然植物本身具有一定的抗寒性,可是不同植物种类 和品种有不同的抗寒性,不同器官的抗寒性也不一样。低温 胁迫是植物栽培中常常遇到的一种灾害,它不仅会导致植物 的生长受到严重损害,甚至引起植株死亡,给生产带来严重 的损失。
在冰点温度的植物体会由于水分随着水势梯度流 动，穿过质体膜进入细胞壁和细胞间空隙，而造 成细胞内水分匮乏。阻止细胞质结晶冰的形成， 导致细胞死亡。相反，细胞会脱水，非原生质体 发生结冰。 （3）解冻过快对细胞的损伤。结冰的植物遇 气温缓慢回升，对细胞的影响不会太大。若遇温 度骤然回升，冰晶迅速融化，细胞壁易于恢复原 状，而原生质尚来不及吸水膨胀，有可能被撕裂 损伤。例如葱和白菜叶等突然遇高热化冻后，立 即瘫软成泥，就是这种原因造成的。 胞内结冰对细胞的危害更为直接。因为原生 质是有高度精细结构的组织，冰晶形成以及融化 时对质膜与细胞器以及整个细胞质产生破坏作用。 胞内结冰常给植物带来致命的损伤。
一般剧烈的降温和升温，以及连续的冷 冻，对植物的危害较大；缓慢的降温与升温 解冻，植物受害较轻。 植物受冻害时，叶片就像烫伤一样，细 胞失去膨压，组织柔软、叶色变褐，最终干 枯死亡。 冻害主要是冰晶的伤害。 植物组织结冰可分为两种方式
胞外结冰 胞内结冰
胞外结冰又叫胞间结冰，是指在温度下降时，细 胞间隙和细胞壁附近的水分结成冰。随之而来的是细 胞间隙的蒸汽压降低，周围细胞的水分便向胞间隙方 向移动，扩大了冰晶的体积。
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 有广泛的应用价值。
植物的抗性生理
主 要 研 究
自然环境的旱、涝、冷、冻、 盐渍、虫害、病害以及大气、 水质、土壤污染等不良环境条 件。
植物的抗寒性
植物生长对温度的反应有三基点，即最低温度、最适温度和最高温度。
图11-7冰冻时由于分子间-S-S-的形成而蛋白质分子伸展假说示意图
注：A.二硫键形成的两种反应； B.蛋白质分子内与分子间二硫键形成示意图； a.相邻肽键外部的-SH基相互靠近，发生氧化形成-S-S-；b.一个蛋白分子的SH与另一个蛋白质分子内部的-S-S-作用形成分子间的-S-S-。 (J.Levitt,1962)