植物抗低温机理的分子生物学研究进展

植物抗低温机理的分子生物学研究进展

摘要：笔者从不同的方面综述了植物低温抗性的分子生物学研究进展，对低温抗性的机理做了阐释，并且给出以后的研究方向和重点。

关键词：低温抗性细胞膜透性不饱和脂肪酸丙二醛保护酶系统

脱落酸钙调素低温诱导蛋白

温度在植物营养生长、生殖生长的过程中都具有重要的作用。对于温度的调控是改善植物生长环境，调节植物生长状态的一项重要措施。在自然环境下，植物对于低温的抗性，体现了植物在温度方面的适应性，体现植物物种、品种的生态位的广度。也影响着植物产品的质量和产量。植物的低温胁迫根据温度的不同范围分为两种类型：冷害，是指零上低温对于植物生理机制的影响所造成的伤害；冻害，是指零下低温对于植物生理机制的影响所造成的伤害。目前，对于植物影响较大的是冷害。【1~4】冷害的影响程度不仅取决于温度低的程度，也取决于植物受低温影响的时间的长度。温度越低，时间越长则冷害对于植物的影响越大。由于温度这一自然因素存在于植物体的整个生命周期中，因此，对于温度的调控，抗低温机制的研究就显得至关重要。以往的研究中，有对于低温敏感植物和低温驯化植物的对比研究，说明了对植物的低温驯化可以在一定程度上提高植物的抗低温能力。也有从水分的平衡，蛋白质，碳水化合物，氨基酸，核酸水平上的研究；还有从细胞壁的特性，细胞膜的结构的研究以及生长调节物质的影响。前面的这些的研究，都说明了植物对于低温的反应和这些条件对于植物抗低温机制的一些影响。然而所有这些因素都不是某一种因素的单独作用，而是多种因素共同作用，相互影响的结果，不同因素之间存在着互作、制约等的作用。上面的这些研究也只是停留在膜保护系统、冷调节蛋白的生理调节的水平。随着生物分子工程、基因工程方面的研究水平的不断提高，给植物抗低温的研究有提出了一个新的方向。特别是低温信号转导的研究，分子标记的应用，将进一步揭示低温适应性的调控机理。

1、通过影响植物细胞膜透性影响植物低温抗性

20世纪70年代，Lyons等提出细胞膜是低温冷害的首要部位，在低温条件下，植物细胞膜由液晶态转变为凝胶态，膜收缩，导致细胞膜透

性改变，膜酶和膜功能系统代谢改变，功能紊乱。【5】

膜脂中不饱和脂肪酸的含量，和植物的低温抗性呈正相关。膜脂的不饱和脂肪酸含量越高，膜脂的相变温度越低，膜脂的结构对于低温的

忍耐性越强。低温敏感植物和低温抗性植物相比，膜脂中的不饱和脂肪

酸含量低，在抗低温驯化过程中，膜脂中的不饱和脂肪酸的含量增加，

低温抗性增强。

在生物技术方面，近年来对于膜脂结构对植物低温抗性影响研究有了新的进展。Los等发现蓝细菌的desA基因与低温抗性有关。研究发现，

环境温度由36℃降低到2℃，desA基因的表达在一小时内就可以增加10倍。温度回升到36摄氏度的半小时内，该基因的表达又恢复到原来的水平【6】。因此，后来的Wada等人将有低温抗性的蓝细菌的des A 基因导入低温敏感型蓝细菌体内，其膜脂中不饱和脂肪酸含量增加，对于低温的抗性增强。植物的叶绿体膜上的磷脂酰甘油的不同饱和度的脂肪酸的合成对植物的低温敏感性有影响。拟南芥因含有较多的顺式不饱和脂肪酸而低温抗性较强，相反，南瓜叶绿体膜中的不饱和脂肪酸较少，对低温敏感。Murata等将南瓜和拟南芥中的甘油-3-磷酸酰基转移酶基因分别转入烟草。导入南瓜基因的烟草，不饱和脂肪酸含量由64%下降到24%，转化株的低温敏感性增强。导入拟南芥基因的烟草，不饱和脂肪酸含量增加到72%，低温抗性增强。【7】在植物的叶绿体中存在甘油-3-磷酸酰基转移酶和单酰基甘油-3-磷酸转酰酶两种酰基酯化酶，前者负责C-1位上的酯化，后者负责C-2位上的酯化【8】，叶片磷脂酰甘油合成过程中C-1、C-2位上的转酰基酶分别对脂肪酸具有选择性。决定低温敏感植物和低温抗性植物叶片磷脂酰甘油分子种差异的关键就是甘油-3-磷酸转酰酶在C-1位上对酰基载体蛋白（18:1和16:0-acyl carried proteins; ACP）的选择性。在低温抗性植物中，C-1位转酰酶对C16:0和C18:1具有同样的选择性，在低温敏感植物中，主要选择的是C16:0。C-2位上的转酰酶，在低温敏感性植物和低温抗性植物中没有选择差异，都选择C16:0。拟南芥含有的顺式不饱和脂肪酸较多而具有较高的低温抗性。三烯脂肪酸是一种不饱和脂肪酸，在对一系列的具有三烯脂肪酸合成缺陷的拟南芥突变体的研究中，fad7突变体由于三烯脂肪酸含量降低，该突变体变得对低温敏感。叶绿体ω-3脂肪酸去饱和酶与fad7突变体有互补作用，在将ω-3脂肪酸去饱和酶的基因导入烟草，转化株的18:3和16:3含量升高，18:2和16:2含量下降，转化株对低温的抗性增强。【9】

因此，对脂膜结构的改变主要是改变脂膜中不饱和脂肪酸的含量。

脂膜降解与低温抗性有密切关系。如磷脂酶D（PLD）是催化酶分解的主要酶之一，低温胁迫时，PLD介导的膜磷脂分解增多。将编码PLD的基因转入烟草，低温抗性下降，转入反义PLD的烟草植株低温抗性增强。【10】所以膜磷脂的去饱和作用可以改变膜磷脂的饱和度，改变植株的低温抗性，是调节植物低温面感性的重要方法。

2、通过影响植物细胞液浓度影响植物低温抗性

2.1 游离氨基酸

一般情况下，植物体内的游离氨基酸含量很低，低温胁迫时含量升高，增加了细胞液的浓度，降低相变温度，提高植株的低温抗性。

脯氨酸是一种无毒的中性物质，在水中的溶解度高，因此可以溶解较多的在植株细胞中，维持细胞膨压，同时脯氨酸又具有极性，可以维持生物体空间结构的稳定，增加了结构稳定性。在姚明华等的实验中，对8个茄子品种的脯氨酸含量进行测定，在常温25℃含量存在差异，和它们的低温抗性是呈正相关关系的。之后对8个品种的茄子植株进行5℃和15℃的24h低温诱导，这种差异加剧【11】。

2.2 可溶性糖

植物在低温胁迫时植株体内可溶性糖的含量增加，这个与植物的低温抗性是呈正相关关系的。可溶性糖的浓度增加，降低了相变温度，增加了非结冰水的比例。在刘星辉对香蕉的研究中，结果表明，在香蕉越冬期间，气温降低，香蕉叶片中的可溶性糖的含量增加。【12】

2.3 可溶性蛋白

蛋白质与植物的低温抗性有着密切的关系，且这种关系是多重的。可以肯定的是，可溶性蛋白的含量和植物的低温抗性是成正相关的关系的。可溶性蛋白是亲水胶体，可以提高植物细胞的持水能力。研究发现，低温胁迫条件下凤眼莲的可溶性蛋白明显高于对照植株。在对红花三叶草的低温抗性锻炼中，细胞内的可溶性蛋白的含量明显增加。

3. 通过影响植物细胞的抗氧化能力改变植物的低温抗性

植株细胞的抗氧化能力和植株的低温抗性呈正相关的关系。苏维埃认为植物在低温胁迫下细胞膜系统的损伤与自由基和活性氧引起的膜脂过氧化和蛋白质破坏有关。【13】3.1 丙二醛（MDA）

丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的主要产物之一，ＭＤＡ含量与膜透性呈正相关关系，其累计是活性氧毒害作用的表现。【14】在张明科对黄瓜的研究，许勇对西瓜幼苗的研究，孙艳等对黄瓜胚芽的研究中都表明了低温胁迫条件下，抗冷品种体内累计的ＭＤＡ量少，随着低温胁迫时间增长ＭＤＡ增加。【15-17】但曾韶西等对水稻幼苗的研究中发现与前面的结果一致。但沈文云等对黄瓜幼苗低温处理48小时候MDA含量增加，但在低温处理72小时后，MDA的含量却下降了。所以在随着低温胁迫时间的增长，MDA含量的变化增幅仍存在争议。【18-19】

3.2 保护酶系统

植物体内的自由基和活性氧具有强的氧化能力，对生物功能分子具有破坏作用，相对的，植物体内也具有清除自由基和活性氧的酶类和非酶类物质。正常情况下它们维持平衡，低温胁迫下，可以保护膜的结构，减轻有毒物质的毒害，阻止延缓对膜结构的破坏，增强抗逆性。【20】所以把这些酶类和非酶类物质称为抗氧化系统的保护系统。其中包括超氧化物歧化酶（SOD），过氧化物酶（POD），过氧化氢酶（CAT），抗坏血酸过氧化物酶（APS）等抗氧化物酶和抗坏血酸，谷胱甘肽，细胞色素f，铁氧还蛋白，类胡萝卜素等抗氧化剂。【21】

研究表明，低温敏感植物在低温胁迫条件下，植物细胞内的活性氧产生加速，清除活性氧的能力下降，活性氧水平升高。高水平的活性氧加速了膜脂过氧化和膜蛋白之间的聚合，破坏了酶结构。低温驯化提高了细胞内的抗氧化酶活性和内源抗氧化剂含量，削弱了低温引起的膜蛋白和膜脂的过氧化，提高植物的低温抗性。

Prasad等对玉米的研究中发现：用氨基三唑（一种CAT专一性抑制剂）一直CAT的活性，消除了经过低温驯化的玉米的低温抗性效果。说明，CAT 在玉米苗低温驯化过程中有重要作用。因此说，细胞的抗氧化能力和植物的低温抗性是呈正相关关系的。【22】Foyer等认为植物中超表达抗氧化酶具有正、中或负效应。【23】Cupta等发现Cu/Zn SOD基因的转化株，除SOD活性升高外，H2O2的APX活性也升高。【24】Van Camp等研究发现FeSOD在