植物抗冻生理

(1)冰压
• 细胞外结冰可造成细胞收缩和细胞间隙 冰体膨胀。膨胀的冰体对细胞产生压力， 导至伤害，是为冰压伤害。但间隙的冰 是否真对细胞产生压力导致损伤，还是 一个争论的问题。
(2)冰冻窒息
• 植物组织发生胞外结冰并被冰覆盖时， 由于缺氧进行了无氧呼吸，往往在较高 的冰冻温度下出现伤害。
(3)冰冻干燥
The physical properties of microsomal membranes from wheat crowns after a freezing stress to -12°C. data from Kendall et al, ° 1985; Borochov et al., 1987 Freezing Survival (%) to -12°C ° Ion Leakage (%) 3 32 2 12 Microvisco Gel phase sity(poise) at 25°C °
避胞内结冰 避任何形式结冰 缺少可冻水 过冷
From Levitt, 1980
一 回避环境低温
1. 结构上的隔离
如树干的形成层细胞受树皮的保护，休眠芽受外部鳞 片的隔离保护。
2. 呼吸放热
植物组织通过呼吸放热而使体温高于外界环境。当然 这是以大量消耗贮藏物为代价的，不利于植物越 冬后的存活。
3. 结冰放热
第二节 植物的冻害
一 冻害的类型
1. 原初直接伤害 2. 次生间接伤害
1 原初直接伤害
• 在自然界，很少发生胞内结冰伤害。但如果仲 冬温度波动而发生反复解冻和再结冰过程，或 者过冷态的突然打破，也会出现直接伤害。 • 树杆冬季的“日灼”，可能属此。据测定，美 国明尼苏达州冬日树木受阳光照射的一面可比 阴面高出25—30℃，并足以引起向阳一侧树杆 中的冰融化，如果太阳忽然被遮，组织迅速降 温便会引起胞内结冰而致死。涂白的树杆温度 在阳光下可比未涂白者低30℃，从而减小温差 防止反复冻融的伤害。
3. 膜伤害理论
– Palta 1977提出：膜伤害是冻害的原初部位
1) 冰冻后质膜的相对电导率升高。 2) 细胞中与膜结合的部分都对冰冻很敏感，这也 说明质膜是冰冻的原初部位。
–
膜组成的变化
1) 膜脂由液晶态变为凝胶态，而固化的膜更易受 到机械损伤。 2) 膜蛋白解离为小的亚单位，失去酶活性；或丧 失三级结构，发生变性。
5 活性氧损伤
Depletion of glutathione after freezing non-acclimated and acclimated alfalfa plants to different temperatures
第四节 植物的抗冻性
抗冻性
避冻性
避结冰
耐冻性
避结冰温度 （耐胞内结冰） 耐胞外结冰 避结冰脱水 耐结冰脱水
水与溶液的过冷点与水所处的状态有关
• 飘浮于空气中的微小水滴：＜－20℃ • 直径为100µm的水滴：＜－30 ℃ • 直径为10µm的水滴：＜－40 ℃ • 植物体内的水分，大多数在－1～－2 ℃结冰， 而有的植物组织，过冷点可达－15 ℃，松树的 叶芽和苹果树的花芽中的水甚至达到－40 ℃仍 保持稳定，这称为深过冷（deep supercooling）， 深过冷的最低记录为木质部的－47 ℃ 。
1) 细胞较小 2) 无成核作用所需的细胞间隙或间隙太小， 不能发生胞外结冰 3) 含水量低 4) 细胞在结构上有某种屏障，以拒绝外来 成核体的侵入。如木射线细胞胞壁坚固， 含木质素高达31%。 5) 缺少内生成核体 6) 维持静止
三 回避细胞内结冰
• 胞内结冰是植物对冰冻胁迫的直接致死性胁 变，植物要在冰冻胁迫下逃生，必须避免胞 内结冰。一般避免胞内结冰，就要使冰晶先 在胞间形成，从而降低胞内水的冰点。 要求：
• 冬季由于冰的升华和液态水的蒸发而造 成植物体缺水出现干燥症状，是为冰冻 干燥。枝条失水干枯称为“抽条”。在 我国西北地区，抽条是果树越冬的主要 危害。
(4)冰冻脱水
• 指由于胞外结冰引起的组胞脱水。虽然 这些水仍保留在组织内的冰中，但这时 细胞表现缺水的实质与冰冻干燥相同。
二 影响冻害的因素
• 从显微镜下观察到，过冷态的细胞，胞内的冰 瞬间即形成。快速结冰时，冰在液泡内外同时 形成，而一般多是在原生质层先结冰。冰首先 在原生质的一端形成，然后绕过液泡扩展至另 一端。只有当原生质完全结冰，液泡才结冰。 或者液泡不结冰。 • 人工冰冻时，冰还可出现在原生质体与细胞壁 之间， 形成“真冰冻质壁分离”(true frost plasmo1ysis)。这时可看到，冰在胞壁与质膜之 间增大，牵引胞内的水分，原生质体则在冰推 进之前收缩。尽管冰一直接触原生质体表面， 也不会向内结冰。
1. 结冰速率
慢冷：1－2℃/h 不发生直接伤害 快冷：5 －20℃/h 发生直接伤害（胞内结冰） 超冷（速冻）：100－1000 ℃/h 胞内冰晶小， 损伤小
2. 冰冻时间长度 3. 反复冻融
三 冻害出现的时间
1. 结冰时出现伤害－－直接伤害 2. 结冰后出现伤害，并随时间的延长而加 重－－间接伤害 3. 融冰时出现伤害 4. 融冰后出现伤害－－细胞外结冰引起
植物抗冻生理
第一节 植物的过冷与结冰
一 植物的过冷现象 supercooling: 水或溶液的温度降至其 冰点而仍不结冰的现象称为过冷。 过冷的溶液形成冰之前所达到的最低 温度，称为过冷点(supercooling point)。
Figure 1. Cooling curve for a solution of pure water
1) 2) 3) 4) 环境温度下降不快 细胞具有较大的比表面积 细胞膜具有较高的透水性 细胞具有较高的溶质含量
•
四 耐细胞外结冰
耐细胞外结冰就是忍耐胞外结冰引起的脱水胁变。 1. 避脱水胁变
抗寒的植物细胞中积累了大量溶质因此在冰点下降的 同时增加了保水能力。
• 胞内结冰大都是致死性的，只有超速结 冰和解冻才是例外。如将切削成一层细 胞厚度的含水组织，直接从室温浸入液 态氮，再从液态氮转入25—30℃的水中， 这样的结冰和解冻速度可达10000— 100000℃/秒。用x衍射法测定表明，原生 质中有亚显微冰晶存在。这种极细小的 冰晶不至于损伤原生质和膜。
• 溶液维持过冷而不结冰的原因是缺乏冰 核（成核体ice nucleation site） • 成核体可以是：
– 尘埃或其它异质微小体 – 水分子本身凝集成的同质微小体如冰
• 或达到一定温度后，即使没有成核体也 可结冰，没有成核体的纯水的过冷点最 低可达－38 ℃
• 植物的过冷程度较轻，原因是植物体表 面或内部有异质成核体存在：
第三节 冻害的机理
1. 蛋白质沉淀假说
Lidforss 1896提出，冻害是由于细胞冰冻脱水 而引起细胞液浓度的升高，其中特别是盐 浓度的升高，导致原生质蛋白质发生凝聚 而造成伤害。
2. 机械胁迫理论
Iljin1933提出：冻害是由于胞外结冰而使细胞 脱水收缩发生塌陷，使细胞原生质承受机械 胁迫而发生伤害。
Gel phase. The membrane lipids have less kinetic energy and lateral motion than in the liquid crystalline phase resulting in a regular spacing between the acyl tails
如：颗粒物、尘埃或细菌
二 细胞外结冰
• 在自然条件下，具有一定抗冷性的植物， 当其温度逐渐下降到冰点以下时，往往 会发生细胞外结冰。
细胞外结冰的进程
• 就枝条各叶片而言，细胞外结冰首先是从大的 导管开始的，这一方面是因为导管中的溶液较 稀，冰点较高，另一方面是因为导管的直径大， 比起细胞和细胞间隙来，不易维持过冷态。因 此，细胞间结冰往往是由导管中的少数冰晶核 引起的，然后沿导管以很快的速度进展到枝条 的各个部分甚至整个植物体。 • 细胞外结冰的扩展，仅仅只能沿着活细胞以外 的细胞间隙进行，通常不能进入植物细胞，因 为细胞壁、特别是细胞质膜对于冰晶的入侵具 有屏敝作用。
三 细胞内结冰
• 在一般情况下，温度逐渐降至冰点以下时，细 胞外先结冰。由于结冰放热和细胞脱水浓缩， 造成不利于细胞内结冰的条件，因而可避免胞 内结冰。但耐寒性弱的细胞，质膜在低温下对 水的透性小，因此胞外的冰增长很慢，潜热释 放少。 • 当降温快时，水分来不及由胞内排出，胞内的 温度已降至冰点以下，于是胞外结冰停止而开 始胞内结冰。另外，由于温度骤然降低，细胞 很易由过冷态发展为胞内结冰。
• 细胞间隙在结冰时，逐渐排挤出了其中的空气。 当温度回升使冰融化时，细胞间隙充满了新融 化的水，仍无空气，因此组织呈现水渍状并疲 软。如果细胞未受伤害而温度又是缓慢回升时， 细胞间隙中逐渐融化的水会被细胞重新吸回， 空气再进入其中，水渍状消失，组织重新恢复 膨胀挺拔状态。 • 如果组织受冻害，在融冰后细胞不能恢复吸 水能力，于是可在显微镜下看到细胞出现类似 质壁分离的征状，即在收缩的原生质体与细胞 壁之间留有空间，其中充满水液，这种状态称 为“假冰冻质壁分离”(pseudo frost plasmolysis)。
2 次生间接冻害
• 由于细胞外结冰引起次生胁变而导致的 伤害，称为次生间接冻害。 • 一般说，次生冻害比原初冻害出现慢， 损伤小。但如果植物不具备回避或忍耐 次生胁变的能力，也会使受害者直至死 亡。次生胁变包括冰压 冰冻窒息 冰 冰压、冰冻窒息 冰压 冰冻窒息、冰 冻干燥和冰冻脱水 冰冻脱水等方面。 冻干燥 冰冻脱水
结冰放热在短时间内可维持体温高于空气，但这对抗 冻无多大意义。
二 回避结冰
1. 缺少可冻水
这种抗冻方式只有那些能忍耐极度脱水胁迫的 器官才有，如种子或经过抗寒锻炼的某些 干芽不含可冻水，因此不会结冰。
2. 保持过冷态
柑桔果实：－5℃，马铃薯叶片：－8 ℃ 木射线薄壁细胞：－8~－47 ℃
附：维持过冷态的条件：

附：细胞壁和质膜为何不易结冰：
• 细胞壁上面的微小毛细管直径小于0.1µm， 其中的水极易过冷而不结冰，除非细胞 外的冰晶极小而插入壁孔。 • 细胞膜的脂质特性及其致密的结构更不 易冰晶透过，除非快速结冰时形成的微 小的冰晶穿过质膜而造成细胞内结冰。
• 在胞外结冰开始后，由于冰表面水势下 降，胞内水分便可通过质膜扩散到细胞 间隙，供该处冰晶生长。随着温度的持 续下降，细胞内的可冻水逐渐迁移到胞 外，直至胞内外的水势达到平衡。这样 胞内由于水分减少而原生质变浓，冰点 进一步下降，一般不会再结冰。 • 如果温度再进一步下降而下降到－30℃ 左右，几乎胞内的所有水都迁移至胞外， 这种细胞即使置于液氮中胞内也不会形 成冰而仍可存活。
• Heber通过菠菜分离叶绿体的冰冻实验,精 确地证实冻害首先是破坏叶绿体的膜结 构,然后才导致光合磷酸化的失活。 • Steponkus发现冻害使CF1从类囊体膜 的个表面脱落下来，不能光合磷酸化， 叶绿体被膜和类囊体膜发生断裂。
Liquid crystalline phase. The typical phase in biological membranes. The lipids have both lateral and kinetic motion and contain membrane proteins
Plant Nonacclimate d Acclimat ed
No Yes No Yes
100 0 100 100
2.1 3.8 2.2 2.3
absent present absent absent
4. SH基假说
Levitt（1962,1970）认为冻害是由于原生质蛋 白质之间的SH基氧化而成为二硫键，造成 不可逆的凝聚之故。 1) 低温使原生质蛋白质发生可逆变性，暴露 出SH基。 2) 细胞的冰冻脱水导致蛋白质分子间的距离 减小，使SH基氧化成S－S键 3) 二硫键的形成可以在二个蛋白质分子间的 SH基上，也可以发生在一个蛋白质的SH 基与另一个蛋白质分子的S－S发生交换。