植物抗寒性及其基因工程研究进展

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 Genetic

Engineering in Plants

Abstract: 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。低温影响植物的生长代谢，引起植物相关生理指标变化，导致植物的生长受损，严重时导致死亡。

低温不仅限制植物的种植范围，也会造成减产和品质下降，严重时甚至绝收。因此，有关植物抗寒性的研究一直是植物学研究领域的热点之一。早期研究主要集中在植物遭寒害后的细胞形态结构、生理、生物化学变化等方面。对植物的抗寒分子机理认识不够，提高植物抗寒性主要依靠传统育种方法，虽然也取得一些进展，但由于其周期长且工作繁琐，已不适应现代农业的发展要求[1]。近年来，随着对植物抗寒分子机理研究的不断深入和分子生物学技术的迅猛发展，抗寒研究已经从生理水平深入到分子水平，促进了植物抗寒基因工程的发展。

1植物抗寒生理研究进展

1.1 生物膜系统与抗寒性的关系

1973年,Lyons提出了著名的“膜脂相变”假说[2],认为温度下降时，生物膜首先发生膜脂的物相变化，从液晶相变为凝胶相，膜的外型和厚度也发生变化，

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，破坏细胞内外离子平衡，造成“生理干旱”和“有毒物质积累”。和生物膜系统有关的抗寒生理指标有电导率、脂肪酸不饱和度、丙二醛等。

1.2 渗透调节物质与抗寒性的关系

渗透调节是植物在逆境胁迫时出现的一种调节方式，由细胞生物合成和吸收累积某些物质来完成其调节过程。在逆境条件下，细胞内主动积累溶质来降低细胞液的渗透势，以防止细胞过度失水。渗透调节物质主要包括可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和甜菜碱等。

1.3 保护酶系统与抗寒性的关系

植物体内存在活性氧和自由基的清除保护酶系统，包括过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)以及抗坏血酸氧化酶(ASA-POD)等。正常情况下，细胞内活性氧的产生与清除处于一种动态平衡，不会引起伤害。但当处于逆境条件时，细胞自由基产生和清除的平衡遭到破坏而出现活性氧的积累，高水平的活性氧可能加剧膜脂过氧化和膜蛋白的聚合，从而破坏膜结构和功能，这种累积超过一定的阈值，就会发生膜伤害，甚至导致植物死亡。

在膜保护酶与抗寒性的研究中，以SOD的研究最多。SOD与植物多种抗逆性相联系。根据所含金属辅基的不同，可将其分为Cu,Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD 三种类型。SOD在好氧生物体内对防御活性氧伤害起重要作用，可专一清除超氧

阴离子自由基(O

2-·)，将其转变成过氧化氢(H

2

O

2

)。而POD和CAT可以有效地将

H2O2转变成O2，从而消除O

2-·对生物体的毒害。CAT是清除H

2

O

2

的主要酶类，还

可以清除线粒体电子传递、β-脂肪酸氧化及光呼吸氧化过程中产生的H

2O

2。

Mckersie发现植物叶绿体中SOD的超量产生可保护植物不受冷伤害。而植物组织在低温胁迫下，SOD酶活性一般是先升高后下降，表明低温诱导SOD酶活性增强[3]。所以可用SOD值下降时的温度高低作为抗寒性鉴定的标准[4,5]。研究表明，抗寒性强的桉树的SOD活性对低温的反应能力比抗寒性弱的敏感[6],山葡萄枝条中过氧化物酶活性随着低温锻炼过程中抗寒力的提高而提高，且抗寒性强的种类酶活性更高[7]。马占相思树苗的CAT活性随着温度的降低先下降然后升高，这表明其对低温有一个适应过程，随着胁迫加深，活性又下降;POD、SOD活性都随着温度下降逐渐下降，但下降幅度不大，表明CAT、POD、SOD在低温严重胁迫过程中，仍具有较高的活性，仍能清除活性氧自由基，以减少对膜的伤害[8]。马德华对黄瓜的研究则显示，低温下POD活性与耐低温能力关系密切，与对照相比，POD活性相对增加量与耐低温能力之间亦表现为正相关[9]。陈旭微对豌豆和绿豆的研究发现，低温胁迫后，抗冷性豌豆下胚轴内SOD活性极显著上升，而在冷敏感绿豆中，SOD活性一直维持在较高水平[10],这也证实了参与活性氧清除反应的第一个酶是SOD，它在抗氧化酶类中处于重要地位。此外，植物体内脱落酸(ABA)等激素的含量也与植物抗寒性有关。低温条件下，植物体内累积的ABA能对低温调控基因及RAB基因进行调控，从而提高植物的抗寒性[11]。对甘蓝和茶树抗寒力的研究均表明了ABA与抗寒力的关系[12,13]。因此，ABA是一种逆境应激激素。

2 植物抗寒基因研究现状及研究举例

2.1 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[14].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