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第二节 抗寒性
作者:植物生理…    文章来源:扬州大学农学院    点击数:2551    更新时间:2007/7/4
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  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。超过最高温度,植物就会遭受热害。低于最低温度,植物将会受到寒害(包括冷害和冻害)。温度胁迫即是指温度过低或过高对植物的影响。

一、抗冷性
  (一)冷害
  很多热带和亚热带植物不能经受冰点以上的低温,这种冰点以上低温对植物的危害叫做冷害(chilling injury)。而植物对冰点以上低温的适应能力叫抗冷性(chilling resistance)。
  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。
  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。直接伤害是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。
  (二)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℃下放置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)置于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。
  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。
  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。
  (三)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。

  图11-5 由低温引起的相分离
  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。
  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。
  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。
  冷害的机理是多方面的,但相互之间又有联系,图11-6对此作了概括。

  图11-6 冷害的可能机制
  (J.Levitt,1980)
  (四)提高植物抗冷性的措施
  1.低温锻炼 这是个很有效的措施,因为植物对低温有一个适应过程。很多植物如预先给予适当的低温锻炼,而后即可抗御更低的温度,否则就会在突然遇到低温时遭灾。
  春季在温室、温床育苗,进行露天移栽前,必须先降低室温或床温。如番茄苗移出温室前先经一、二天10℃处理,栽后即可抗5℃左右低温;黄瓜苗在经10℃锻炼后即可抗3~5℃低温。经过低温锻炼的植株,其膜的不饱和脂肪酸含量增加,相变温度降低,膜透性稳定,细胞内NADPH/NADP比值和ATP含量增高,这些都有利于植物抗冷性的增强。
  2.化学诱导 细胞分裂素、脱落酸和一些植物生长调节剂及其它化学试剂可提高植物的抗冷。如玉米、棉花种子播前用福美双[(CH3)2NCSS]2处理,可提高植物抗寒性;将2,4-D,KCl等喷于瓜类叶面则有保护其不受低温危害的效应;PP333、抗坏血酸、油菜素内酯等于苗期喷施或浸种,也有提高水稻幼苗抗冷性的作用。
  3.合理施肥 调节氮磷钾肥的比例,增加磷、钾肥比重能明显提高植物抗冷性。

二、抗冻性
  (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。
  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:胞外结冰与胞内结冰。
  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。
  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。
  (二)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。
  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。
  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,肽链的空间位置发生变化,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。
  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)

  图11-8 细胞结冰伤害的模式图
  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)。
  (三)植物对冻害的适应性
  植物在长期进化过程中,在生长习性和生理生化方面都对低温具有特殊的适应方式。如一年生植物主要以干燥种子形式越冬;大多数多年生草本植物越冬时地上部死亡,而以埋藏于土壤中的延存器官(如鳞茎、块茎等)渡过冬天;大多数木本植物或冬季作物除了在形态上形成或加强保护组织(如芽鳞片、木栓层等)和落叶外,主要在生理生化上有所适应,增强抗寒力。

  图11-9 冬小麦低温锻炼前后质膜的变化
  A.锻炼前的细胞,水在途经细胞质时可能发生结冰; B.锻炼后的细胞, 水通过质膜内陷形成的排水渠,直接排出到细胞外 (简令成,1992)
  在一年中,植物对低温冷冻的抗性也是逐步形成的。在冬季来临之前,随着气温的逐渐降低,体内发生一系列适应低温的形态和生理生化变化,其抗寒力才能得到提高,这是所谓的抗寒锻炼。如冬小麦在夏天20℃时,抗寒能力很弱,只能抗-3℃的低温;秋天15℃时开始增强到能抗-10℃低温;冬天0℃以下时可增强到抗-20℃的低温,春天温度上升变暖,抗寒能力又下降。
  经过逐渐的降温,植物在形态结构上也有较大变化,如秋末温度逐渐降低,抗寒性强的小麦质膜可能发生内陷弯曲现象。这样,质膜与液泡相接近,可缩短水分从液泡排向胞外的距离,排除水分在细胞内结冰的危险(图11-9)。
  冬季低温到来前,植物在生理生化方面对低温的适应变化主要如下:
  1.植株含水量下降 随着温度下降,植株含水量逐渐减少,特别是自由水与束缚水的相对比值减小。由于束缚水不易结冰和蒸腾,所以总含水量减少和束缚水含量相对增多,有利于植物抗寒性的加强。
  2.呼吸减弱 植株的呼吸随着温度的下降而逐渐减弱,很多植物在冬季的呼吸速率仅为生长期中正常呼吸的二百分之一。细胞呼吸弱,消耗的糖分少,有利于糖分积累,从而有利于对不良环境的抵抗。
  3.激素变化 随着秋季日照变短、气温降低,许多树木的叶片逐渐形成较多的脱落酸,并将其运到生长点(芽),抑制茎的伸长,而生长素与赤霉素的含量则减少。
  4.生长停止,进入休眠 冬季来临之前,植株生长变得很缓慢,甚至停止生长,进入休眠状态。
  5.保护物质增多 在温度下降的时候,淀粉水解加剧,可溶性糖含量增加,细胞液的浓度增高,使冰点降低,减轻细胞的过度脱水,也可保护原生质胶体不致遇冷凝固。越冬期间,脂类化合物集中在细胞质表层,水分不易透过,代谢降低,细胞内不易结冰,亦能防止过度脱水。此外,细胞内还大量积累蛋白质、核酸等,使原生质贮藏许多物质,这样可提高其抗寒性。
  总而言之,在严冬来临之前,植物接受到各种信号,主要是光信号(日照变短)和温信号(气温下降),就会在生理上产生一系列适应性反应,如生长基本停顿,代谢减弱,含水量降低保护物质增多,原生质胶体性质改变等,以适应低温条件,安全越冬。
  (四)提高植物抗冻性的措施
  1.抗冻锻炼 在植物遭遇低温冻害之前,逐步降低温度,使植物提高抗冻的能力,是一项有效的措施。通过锻炼(hardening)之后,植物的含水量发生变化,自由水减少,束缚水相对增多;膜不饱和脂肪酸也增多,膜相变的温度降低;同化物积累明显,特别是糖的积累;激素比例发生改变,脱水能力显著提高。

  图 11-10 低温锻炼时光合、生长 与贮藏物的变化
  (江苏农学院主编,植物生理学,1986)
  经过低温锻炼后,植物组织的含糖量(包括葡萄糖、果糖、蔗糖等可溶性糖)增多(图11-10),还有一些多羟醇,如山梨醇、甘露醇与乙二醇等也增多。
  人们还发现,人工向植物渗入可溶性糖,也可提高植物的抗冻能力。但是,植物进行抗冻锻炼的本领,是受其原有习性所决定的,不能无限地提高。水稻无论如何锻炼也不可能象冬小麦那样抗冻。
  2.化学调控 一些植物生长物质可以用来提高植物的抗冻性。比如用生长延缓剂Amo1618与B9处理,可提高槭树的抗冻力。用矮壮素与其它生长延缓剂来提高小麦抗冻性已开始应用于实际。脱落酸可提高植物的抗冻性已得到比较肯定的证明,如20μg·L-1 脱落酸即可保护苹果苗不受冻害;细胞分裂素对许多作物,如玉米、梨树、甘蓝、菠菜等都有增强其抗冻性的作用。用化学药物控制生长和抵抗逆境(包括冻害)已成为现代农业的一个重要手段。
  3.农业措施 作物抗冻性的形成是对各种环境条件的综合反应。因此,环境条件如日照多少、雨水丰欠、温度变幅等都可决定抗冻性强弱。秋季日照不足,秋雨连绵,干物质积累少,体质纤弱;或者土壤过湿,根系发育不良;或者温度忽高忽低,变幅过剧;或者氮素过多,幼苗徒长等,都会影响植物的锻炼过程,使抗冻能力低下。因此要采取有效农业措施,加强田间管理,防止冻害发生。比如:
  (1)及时播种、培土、控肥、通气,促进幼苗健壮,防止徒长,增强秧苗素质。
  (2)寒流霜冻来前实行冬灌、熏烟、盖草,以抵御强寒流袭击。
  (3)实行合理施肥,可提高钾肥比例,也可用厩肥与绿肥压青,提高越冬或早春作物的御寒能力。
  (4)早春育秧,采用薄膜苗床、地膜覆盖等对防止冷害和冻害都很有效。

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