<G:\武汉工程大学\2023\第2期\郭佳强-1.tif>

图1 低温胁迫对植物细胞的影响

Fig. 1 Effects of cold stress on plant cells

1 低温胁迫对植物生长发育的影响

1.1 根系发育

植物的根系不仅能吸收土壤中的水分和无机盐，同时还具有支撑植株防止倒伏，以及合成和贮存有机物等作用。其中，根毛肌动蛋白丝、分生组织细胞、伸长区细胞和表皮细胞对低温十分敏感。低温胁迫会抑制拟南芥初生根的生长，降低根分生组织细胞延伸率，并改变其形态导致分生区形成异位根毛［3］。受到低温胁迫的甘蔗根长和根体积显著降低，连续的低温胁迫，会使细胞生长受到抑制，根尖细胞结构呈散状分布。随着低温胁迫时间的继续延长，根系受损情况会加剧并且根系活力显著下降［4］。低温胁迫会抑制根系对水分的吸收，降低植物的水力传导率，进而影响植物的水分状况、气孔导度和光合作用强度［5-6］。此外，低温胁迫还降低了根系对碳的利用率，减少地上部到根系的碳输入，因此造成根系中根尖细胞呼吸作用减弱。而由呼吸作用减弱导致的代谢减慢会进一步抑制根系活动和生长。

1.2 叶片结构

植物叶片受到低温胁迫时往往会出现卷曲、褐变以及分枝落叶等不良现象。低温胁迫对植物叶片的伤害不仅只是表现在表观上，低温胁迫还会使植物叶片的上下表皮、栅栏组织和海绵组织增厚［7］。低温胁迫会改变叶绿体的超微结构，持续的低温胁迫就会使叶绿体膜结构严重受损，基质类囊体渗漏［8］。低温胁迫会导致叶片的脂质过氧化，影响叶片中叶绿素的合成，降低总叶绿素含量。这种对叶绿体结构和叶绿素的损害最终会导致叶片光合作用功能受损。

1.3 开花生殖

在开花植物中，雄性植株的生殖发育最容易受到非生物胁迫［9-10］。频繁的温度波动会导致大多数雄性植株的不育，从而导致结实率降低，最终产量降低［11］。越来越多的证据表明，由低温胁迫引起的雄性不育与绒毡层功能障碍有关。绒毡层是花药壁内层的孢子体细胞层，它能通过程序性细胞死亡降解为小孢子，为花粉壁的形成提供营养和前体［12］。绒毡层在幼小孢子阶段最容易受到温度波动的影响［13］。低温胁迫通过延迟或抑制绒毡层程序性细胞死亡来干扰绒毡层发育。不仅如此，低温胁迫更为直接的威胁是影响减数分裂过程中的重组和配子形成造成不育［14］。

1.4 种子萌发

适宜的温度是种子萌发的必要条件，低温胁迫会延缓种子发芽，降低发芽率，甚至导致发芽失败［15］。低温胁迫会使HSP70（heat shock protein 70）和VDAC蛋白（voltage-dependent anion channel）变得活跃并促进ABA从胚乳到胚的外排，抑制拟南芥种子的萌发［16］。种子吸胀即种子吸水膨胀的过程，其实质是水被种子中的蛋白质和碳水化合物吸收。种子吸胀是种子萌发的一个关键阶段，并且温度对吸胀的速度有显著影响，温度越高，种子吸水速度越快，反之则越慢。在低温环境下，种子不仅吸胀速率缓慢，而且不适应低温的细胞膜可能因不能适应水压变化而造成破裂。当水分进入干燥的种子细胞后又会暂时扰乱细胞膜的稳态，这可能导致细胞膜选择透过性发生变化［17］。因此在低温环境下，含水量相对较低（低于干物质的10%）的种子发生吸胀极易导致出芽失败。

2 低温胁迫信号的传导

2.1 低温胁迫的感知

植物对低温胁迫的感知从质膜上的蛋白质受体开始。低温胁迫会使细胞膜的流动性降低，蛋白质结构发生变化，增加代谢产物的积累。当植物细胞受到低温胁迫时，不饱和脂肪酸显著增加［18］。而不饱和脂肪酸可以进行非酶促反应以消除活性氧，从而减轻低温胁迫引起的细胞损伤，因此主动增加不饱和脂肪酸含量是植物获得抗寒性的策略之一。膜脂质变化会影响脂质信号分子的产生。低温胁迫会诱导膜硬化，使膜的流动性发生变化和细胞骨架重排［19］。Cold1是一种数量性状基因座基因，能编码定位于质膜和内质网的G-蛋白信号调节器，与G-蛋白α亚基相互作用，以激活Ca2+通道引起Ca2+内流，从而感知低温并增加G-蛋白GTP酶的活性［20］。钙信号参与了响应低温胁迫的信号传导过程并且引发感知低温胁迫的下游反应［21］（图2）。

<G:\武汉工程大学\2023\第2期\郭佳强-2.tif>[进化][低温][Ca2+][Ca2+][Ca2+][Gα][C][Cold1][Oryza rufipogon

（Cold1）][Indica

（Cold1ind）][Japonica

（Cold1jap）][N]

图2 Cold1介导的低温信号感知［20］

Fig. 2 Cold1 mediated cold signal perception［20］

2.2 低温胁迫的传导

植物中低温信号传导会激活冷胁迫/干旱胁迫反应元件结合因子（C-repeat/dehydration-responsive element binding factor，CBF）途径（图3）。在拟南芥中，研究人员已经鉴定出3种CBF转录因子：CBF1、CBF2和CBF3，它们属于乙烯应答元件结合蛋白（APETALA 2/ethylene-responsive element binding protein，AP2/EREBP）转录因子家族，能够识别并结合许多低温反应基因启动子中的冷胁迫/干旱胁迫反应元件（C-repeat/dehydration-responsive element，CRT/DRE）调节基序，并在植物低温抗性的形成过程中起着重要作用［22-24］。钙调蛋白结合转录激活因子（calmodulin binding transcription activator 3，CAMTA3）是一种钙调蛋白结合型转录因子，与CBF2启动子中的CM2基序结合，诱导了CBF2响应低温信号的表达［25］。CBF表达诱导子1（inducer of CBF expression 1，ICE1）是一种MYC螺旋转录因子，它与CBF3启动子中的MYC元件结合，以此响应低温信号并激活CBF3的表达［26］。ICE1同时也参与了CBF1和CBF2的早期低温信号诱导。CBF表达诱导子2（inducer of CBF expression 2，ICE2）也是CBF1的上游基因之一，并且ICE2与ICE1的完整序列相似度高达60%［27］。CBF转录因子被上游基因激活后会进一步诱导下游抗寒基因的表达，使植物获得抗寒性。然而，有关CBF转录子引起的转录组和蛋白质组变化对细胞代谢的影响还有待进一步研究。

<G:\武汉工程大学\2023\第2期\郭佳强-3.tif>

图3 CBF途径

Fig. 3 CBF pathway

3 抗低温胁迫的方法

3.1 抗低温胁迫调节物质

植物抗低温胁迫调节物质能有效增强细胞膜的防护能力，提高细胞结构的稳定性，保证细胞结构和功能不受破坏，从而提高植物对低温环境的耐受性。一些抗低温胁迫调节物质同时还能够促进植物的生长发育；增加蛋白质和脂质的结构稳定性；增强矿物质的运输能力；提高内源激素的活性水平；降低重金属的活性浓度以及增加菌群数量［28］。抗低温胁迫调节物质主要分为两类：一类是植物激素，另一类是植物生长调节剂。

植物激素参与调控植物生长发育的各个阶段，包括种子萌发、胚胎成熟、叶片衰老和对环境胁迫的适应等。脱落酸（abscisic acid，ABA）是一种主要在休眠状态和将要脱落的器官中合成的植物激素并且在植物抗逆境胁迫中发挥着重要作用。在低温胁迫下，外源ABA可以通过增强抗氧化系统来增强植物的抗逆性。研究发现，ABA在降低H2O2含量和相对电导率方面具有显著效果，并且还能增加植株体内的过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等相关抗氧化酶活性，影响基因表达［29］。另外ABA也可以通过降低植物体内水分含量，增加脯氨酸、葡萄糖和果糖在芽中的积累，使植物具有更强的抗低温胁迫能力［30］。

褪黑素作为一种生物内源性激素广泛存在于动物、植物和藻类之中。在植物中，褪黑素能促进种子萌发、加速幼苗生长、调节植物衰老和细胞死亡。在各种非生物胁迫条件下（如寒冷、干旱、盐胁迫等），褪黑素通过直接清除H2O2和增强抗氧化酶的活性来减少活性氧诱导的氧化损伤［31］。研究表明，外源褪黑素的施用可以减轻空气冷诱导的光合抑制和氧化胁迫，并且显著上调CBF1、CBF1表达诱导因子和四个冷响应基因的表达，这表明褪黑素能够激活低温胁迫下的CBF响应途径以增强植物的抗冻能力［32］。

油菜素甾醇是在植物界中发现的一种重要的多羟基甾醇，它对高等植物的细胞内的多种生理生化反应和形态变化过程都有积极的作用。油菜素甾醇能够影响植物细胞的分裂和生长速率，调节抗氧化代谢、气体交换并且诱导植物产生对各种非生物胁迫的抗性。外源油菜素甾醇能维持植物的N、P和K含量，减少叶绿素的降解。此外，油菜素甾醇可以提高叶片中过氧化物歧化酶和超氧化物歧化酶的活性，抑制脂质过氧化产物丙二醛的积累，从而缓解植物受到的低温胁迫［33］。

植物生长调节剂与植物激素有类似的功效，它能影响植物的生长发育，使植物产生对非生物胁迫的抗性。己酸二乙氨基乙醇酯（DA-6）是一种植物生长调节剂，参与调节植物的多种代谢和生理反应。最近的一项研究证明了DA-6通过改善光合作用和调节氧代谢减轻了低温胁迫对氮代谢的抑制作用，从而增强了玉米幼苗的耐寒性［34］。与DA-6相似，水杨酸作为一种植物生长调节剂在农业生产中具有广泛应用。水杨酸在植物抗低温胁迫中主要有2个方面的应用：一是使用水杨酸浸种以改善低温胁迫对种子萌发的不利影响，提高种子发芽率，但其存在剂量依赖效应（即低浓度促进，高浓度抑制）；二是通过叶面喷施的方式，促进低温胁迫下植物的生长［35］。

3.2 共生微生物

微生物与植物共生的现象在自然界中普遍存在［36］，如表1所示。共生微生物对植物的影响主要体现在2个方面：一方面，共生微生物能合成多种化合物，在分子水平上影响植物的生理生化反应，促进色素、次生代谢物、激素、抗氧化剂和生物碱的生物合成。另一方面，受胁迫的微生物将一系列化合物释放到宿主植物组织中，包括细胞内和细胞质内，并参与植物抗逆反应途径［37］。有关共生微生物增强植物抵抗低温胁迫能力的机理尚没有定论，但是主流观点认为共生微生物通过触发早期激素信号、改善抗氧化反应或调节渗透压浓度直接积极影响植物的各种机能。近年来，已经发现包括丛枝菌根真菌、解淀粉芽孢杆菌和固氮螺菌等多种共生微生物能够帮助植物抵抗低温胁迫，缓解低温胁迫造成的损伤。

3.3 基因工程技术

低温胁迫信号传导导致的Ca2+内流会引发下游反应并使植物具有抗寒性，而下游反应需要多种响应基因参与。因此，通过转基因或过表达某些抗寒基因，为提高植物抗寒性提供了一种新思路。MdARD4基因能够提高番茄的乙烯和类胡萝卜素浓度加速果实成熟，增强抗氧化能力和抗寒性［47］。而甘薯中的IbSINA5基因可以通过CBF-SINA-COR模块在冷信号通路中发挥正调节作用，提高甘薯的耐寒性［48］。1，6-二磷酸果糖醛缩酶是光合作用过程中的关键酶，过表达SiFBA5基因可以使转基因番茄中的1，6-二磷酸果糖醛缩酶含量大幅提高，使其表现出更高的光合作用效率和耐寒性［49］。研究表明，低温胁迫下OsCAF1B基因过表达的转基因水稻与非转基因水稻相比，表现出存活率增加和电解质泄漏减少的特性［50］。研究人员将冬油菜中的BrAFP1基因过表达到拟南芥中，使低温胁迫下的转基因株系与宽叶拟南芥相比，超氧化物歧化酶活性和游离脯氨酸的含量均显著升高，并且丙二醛含量和相对电导率降低，缓解了转基因拟南芥受到的低温胁迫，提高了拟南芥的成活率［51］。尽管目前已经广泛使用基因工程技术研究如何提升植物抗寒性，但大规模应用较少，因此基因工程技术在植物抗寒领域仍大有可为。

4 展 望

综上所述，植物可有效感知低温胁迫的发生并做出反应，但仅仅依靠植物本身的抗冻能力还不足以抵抗低温胁迫对植物的伤害，低温会抑制植物生长发育，对植物的多个器官造成损害，给农业生产带来严重损失。尽管，已经对低温胁迫如何影响植物生长、植物如何感知和传导低温信号以及如何增强植物抗低温胁迫能力3个问题有了一定程度的研究，但仍然存在诸多疑惑有待解答，未来可从以下3个方面开展研究：

（1）在低温胁迫下CBF转录子引起的转录组和蛋白质组变化如何影响细胞代谢。

（2）共生微生物增强植物抗低温胁迫能力的分子机制。

（3）进行抗低温胁迫调节物质的农业应用研究以开发并筛选高效且低成本的抗寒产品。