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近年來藥用植物抗寒生理研究進展綜述
質膜和內(nèi)膜系統(tǒng)共同組成了行使物質交換與信息傳遞功能的生物膜系統(tǒng)，下面是小編搜集整理的一篇探究藥用植物抗寒生理研究進展的論文范文，歡迎閱讀參考。
引言
溫度是影響藥用植物生長發(fā)育的重要因素，在一定程度上也影響著藥用植物的分布和道地藥材的形成，研究低溫脅迫對藥用植物生理生化指標的影響及藥用植物抗寒性生理具有重要的理論和實踐意義。根據(jù)環(huán)境溫度與冰點溫度之間的關系，低溫脅迫可分為低溫冷害(高于冰點溫度)和低溫凍害(低于冰點溫度)，低溫凍害以胞外結冰造成細胞脫水或胞內(nèi)結冰造成細胞死亡的方式傷害植物。為緩解低溫對植物的傷害，多數(shù)文獻報道主要從生物膜、滲透調(diào)節(jié)物質、植物生長物質、活性氧平衡和保護酶活性等方面對植物抗寒性進行研究，但多集中在大田作物和園林園藝植物等。隨著藥用植物栽培技術的進步，人們對藥用植物的生理研究越來越深入，其抗寒性研究已取得一定的進展。為此，本研究結合藥用植物的特殊性，綜述了近年來藥用植物抗寒生理研究進展，并指出新的研究思路，以期為藥用植物抗寒研究提供參考。
1、生物膜與藥用植物抗寒性
質膜和內(nèi)膜系統(tǒng)共同組成了行使物質交換與信息傳遞功能的生物膜系統(tǒng)，其結構和功能的完整性對藥用植物有著至關重要的作用。質膜是植物細胞感受低溫脅迫最敏感的部位，也是低溫脅迫對植物細胞影響的第一作用部位，低溫脅迫會造成質膜通透性增大，電解質外滲，蛋白質變性，酶活力降低、失活，引起代謝失調(diào)。生物膜通透性及膜脂過氧化作用常用來評價藥用植物抗寒性。
1.1寒害對膜結構和功能的影響
低溫冷害下，質膜上的膜脂從液晶態(tài)向凝膠態(tài)的轉變，膜脂上的脂肪酸從無序排列向有序排列轉變。
質膜外形和厚度也隨之改變，膜收縮，膜上出現(xiàn)裂紋、孔道，質膜通透性增大，使得膜內(nèi)電解質大量外滲，從而破壞胞內(nèi)離子平衡，酶活性降低，植物代謝失調(diào)。
溫度繼續(xù)下降則會發(fā)生凍害，導致質膜結冰，會從脫水、機械和滲透3方面影響植物。在這3方面下會使脂質層拉破，質膜中蛋白質和膜脂發(fā)生重排，膜透性增大;同時會引起質膜上蛋白質變性，酶失活，引起代謝失調(diào)。
植物抗寒能力與低溫下是否能保持膜的流動性和穩(wěn)定性有密切關系，膜流動性越小，穩(wěn)定性越低，植物抗寒性越弱。為抵御低溫脅迫，植物可能通過增加含有較多不飽和脂肪酸的類脂或改變類脂中脂肪酸配比來維持膜流動性。所以，抗寒植物的抗寒性是由2個方面因素形成的，一是抗寒植物對低溫的長期適應，自身具有較多的不飽和脂肪酸;二是在低溫逆境下，具有較強抗寒性的植物能夠在膜脂中優(yōu)先積累較多的不飽和脂肪酸并使之迅速參與生物膜結構。所以在低溫適應過程中，低溫使植物產(chǎn)生了一系列反應，包括大量合成、積累不飽和脂肪酸在內(nèi)的綜合變化，以維持自身的抗寒能力。沈曼對杜鵑2個不同抗寒性的栽培品種毛白杜鵑和西洋杜鵑葉片磷脂的主要組分和脂肪酸組成進行分析，研究結果表明，抗寒品種毛白杜鵑具有較高的不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸比值。隨后他又測定了栽培在露地和溫室的常春藤磷脂及其脂肪酸組成，結果表明與溫室栽培相比，露地栽培的常春藤具有較高的不飽和磷脂和不飽和脂肪酸含量。
1.2寒害對藥用植物膜脂過氧化作用的影響
低溫脅迫下，植物會產(chǎn)生過剩的活性氧(ROS)，引發(fā)或加劇膜脂過氧化作用，造成生物膜系統(tǒng)損傷。引起生物膜系統(tǒng)損傷的重要物質是膜脂過氧化的中間產(chǎn)物自由基(ROS的一種)和最終產(chǎn)物丙二醛(MDA)。
MDA對細胞膜和細胞中的許多生物功能分子有很強的破壞作用。它能與膜上的蛋白質氨基酸殘基或核酸反應生成Shiff堿，降低膜的穩(wěn)定性，加大膜透性，使細胞膜的結構、功能紊亂，嚴重時導致細胞死亡。所以，MDA是膜脂過氧化的重要指標。東北紅豆杉和月季隨低溫脅迫時間延長或溫度的下降，細胞的膜脂過氧化作用增強，細胞膜受害加劇，MDA含量上升，高抗寒植物MDA含量的增加幅度要明顯小于冷敏感植物，冷鍛煉可以提高生物膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低對低溫脅迫的敏感性，提高抗寒性。
2、滲透調(diào)節(jié)物質與藥用植物抗寒性
寒害致使細胞膜通透性加大，造成藥用植物細胞中電解質外滲，細胞外滲透勢降低，從而造成藥用植物生理性缺水，最后導致植物死亡。
2.1寒害對胞內(nèi)無機離子濃度的影響
細胞內(nèi)無機離子對細胞抗寒性有重要作用。鈉離子和鉀離子都是調(diào)節(jié)植物滲透壓的重要離子，具有調(diào)節(jié)氣孔開閉等生理功能。鈣離子作為細胞信號傳導的第二信使，在藥用植物適應性與對環(huán)境的反應中有重要作用。低溫脅迫會使藥用植物質膜發(fā)生變化，使得質膜上的受體感受到低溫變化，并通過質膜上一系列磷酸化反應(G蛋白、磷脂酶介導等)激活質膜上的鈣離子通道，使得鈣離子從鈣庫釋放到細胞質，造成細胞質內(nèi)鈣離子濃度增加。伴隨胞內(nèi)鈣離子增加植物細胞會產(chǎn)生相應變化適應或抵抗低溫脅迫(維持質膜結構和功能、堅固細胞壁、控制胞間連絲的開閉和通過相關蛋白激酶誘導抗寒基因的表達)，續(xù)性低溫脅迫會造成鈣離子濃度過高，對植物產(chǎn)生毒害作用(代謝或細胞結構受損)從而增加低溫脅迫。
2.2寒害對糖類物質的影響
糖類物質是植物應對低溫脅迫所積累的重要有機化合物。植物常常以改變體內(nèi)糖類物質組成來適應低溫脅迫。但是糖類物質與藥用植物抗寒性具有復雜的關系，不同品種的藥用植物含糖量也不相同。王麗娜等對抗寒與非抗寒品種菊芋經(jīng)低溫鍛煉后細胞內(nèi)含物研究表明，抗寒性品種隨溫度降低，總糖含量升高，還原糖含量升高，可溶性糖含量增加，淀粉含量降低;非抗寒性品種，總糖含量降低，還原糖升高幅度小，可溶性糖含量降低，淀粉含量降低幅度大;而且2個品種低溫處理后，其含糖量并不相同。樊金萍等對不同品種百合抗寒性進行研究也得到相同結論。
2.3寒害對蛋白質含量及游離脯氨酸的影響
在一定溫度范圍內(nèi)，可溶性蛋白含量隨溫度降低而升高。而不同植物對低溫脅迫的反應不同，一些植物增加自身原有蛋白含量，另一些植物產(chǎn)生抗凍蛋白(antifreezeproteins，AFPs)，其含量和植物抗寒性有很大關系。溫度繼續(xù)的降低或脅迫時間的延長時，蛋白質含量會降低，蛋白質降解是植物應對低溫脅迫的途徑之一。隨著溫度的降低，連翹和美國金鐘連翹枝條梢部、中部和基部的可溶性蛋白含量呈明顯的先上升后下降的變化趨勢，與抗寒性相關性較好。
AFPs能夠抑制植物體內(nèi)冰核的形成和生長，維持體內(nèi)水溶液的穩(wěn)定，從而使生物適應低溫環(huán)境。根據(jù)其功能AFPs可為兩類：(1)熱滯效應蛋白(THP)，可以非依數(shù)性降低水的冰點而不影響其熔點;(2)抑制冰晶重結晶蛋白(IRIP)，能夠抑制冰核繼續(xù)擴大形成較大的冰塊，2類蛋白均有增強植物抗寒性作用。
在低溫脅迫下，許多藥用植物體內(nèi)脯氨酸(Pro)含量增加。隨著脅迫溫度的降低或脅迫時間的延長，藥用植物無法抵抗低溫脅迫，脯氨酸分解速率大于合成速率，造成脯氨酸含量降低。脯氨酸是一種水和能力較強的氨基酸，具有滲透調(diào)節(jié)作用、解毒降低冰點作用、保護質膜與蛋白的作用和防止活性氧對膜脂和蛋白的過氧化作用，其含量的增加有助于細胞持水和生物大分子結構的穩(wěn)定，并從而增強植物的抗寒性和適應性。
通常植物在受到低溫脅迫時，體內(nèi)會合成蛋白質，并且脯氨酸并不影響蛋白質的合成。在自然降溫(12月底前)過程中，云錦杜鵑葉片中脯氨酸和可溶性蛋白含量隨氣溫下降而增加。
2.4寒害對甜菜堿含量的影響
甜菜堿是藥用植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質之一，對藥用植物低溫脅迫適應性和抗寒性有重要作用。低溫脅迫下，藥用植物體內(nèi)通過誘導甜菜堿的積累，維持細胞膜穩(wěn)定性和完整性，穩(wěn)定蛋白質復合物的四級結構，提高細胞的滲透調(diào)節(jié)能力，維持體內(nèi)無機離子的平衡，緩解脅迫對PSⅡ的傷害，保持較高的光合速率，維持逆境條件下酶的活性，誘導體內(nèi)抗寒基因的表達，從而增強植物的抗逆性，且脅迫對體內(nèi)甜菜堿積累的影響因植物種類或品種不同而有差異，甚至同一品種的不同部位甜菜堿的積累程度也存在一定差異。韓東芳等認為甜菜堿的這些細胞保護功能可能同它自身的與大分子結構和功能的親合性有關。
3、植物生長物質與藥用植物抗寒性
在植物應對低溫脅迫中，植物生長物質(plantgrowthsubstance)有著重要作用。包括脫落酸(ABA)、赤霉素(GA)、生長素(IAA)、茉莉酸(JA)等植物激素(planthormones)和PP333等植物生長調(diào)節(jié)劑(plantgrowthregulators)。
植物激素對藥用植物抗寒性有一定影響。ABA可能會控制植物抗寒性、維持細胞膜結構功能及對逆境信號有傳導作用，低溫脅迫會誘導抑制生長類激素含量升高，并在植物相關代謝作用下全株擴散，調(diào)節(jié)細胞相關物質代謝以抵抗低溫，當溫度達到致死低溫時，抑制生長類激素含量會隨溫度降低而降低。自然條件下，南方紅豆杉隨脅迫溫度的下降ABA含量增加，GA、IAA含量下降，并與其抗寒力的變化有明顯的相關性;玉米素核苷(ZR)含量先降后升，表明與冬芽萌發(fā)有關。沈漫研究結果表明，露地栽培的常春藤具有較強的抗寒性，其ABA含量顯著高于溫室栽培的常春藤，GA含量低于溫室栽培的常春藤。在抗寒鍛煉中不同激素間的配比和平衡調(diào)節(jié)比單一類型激素的變化更為重要，曲玲慧研究表明，常溫條件下(25℃)，抗寒性強的葡萄品種葉片中ABA、JA和異戊烯基腺苷(iPA)含量均高于不抗寒品種，而IAA、GA含量則低于不抗旱品種，低溫條件下(5℃，-15℃)，3個葡萄品種葉片中ABA呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而IAA、GA、iPA則顯示出先降低后有所升高的變化;ABA與IAA、GA、iPA的比值總體表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并且其變化數(shù)值與溫度呈負相關;抗寒性強的品種葉片中ABA/GA、ABA/IAA均大于抗寒性差的品種，并推斷，ABA/GA和ABA/IAA可以作為判斷葡萄品種抗寒性的指標;ABA/JA與IAA/GA隨品種抗寒性的增強及溫度的降低而顯著增大，與品種抗寒性呈負相關。植物外源ABA能夠替代低溫誘發(fā)抗寒基因的表達，合成抗凍蛋白。Yao認為外源ABA是通過提高低溫下過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性來提高栝樓抗寒性，低溫脅迫和外源ABA下對過氧化氫酶2(CAT2)相對基因的表達及增強栝樓葉片抗寒性有重要作用。劉麗潔研究表明外源ABA主要通過依賴于ABA的信號途徑影響冬小麥抗寒基因的表達，并且對抗寒性強的冬小麥品種影響明顯，但外源ABA對不依賴于ABA的信號途徑中的抗寒基因也有一定的影響，也能在一定程度上促進這些基因的表達。
對植物抗寒性的研究表明，植物抗寒性不僅與植物激素有關，植物生長調(diào)節(jié)劑對植物抗寒性也有一定關系。生長調(diào)節(jié)劑能夠增加脯氨酸含量，降低丙二醛含量，穩(wěn)定膜結構，減輕膜受低溫傷害的程度。朱芹以1年生山茱萸為試材，在8月噴施植物生長調(diào)節(jié)劑多效唑(PP333)與6-芐基腺嘌呤(6-BA)復配劑能夠提高山茱萸苗抗寒性。
4、ROS平衡和保護酶活性與藥用植物抗寒性
氧作為植物體內(nèi)重要的電子受體參與多項生命活動，并提供能量，但同時自身也會被活化，形成對細胞有傷害的活性氧�；钚匝跏侵参镎４x中產(chǎn)生的一種物質，但它必須及時除去，否則會引起膜脂的過氧化水平過高，引起膜脂結構和生物大分子的破壞(攻擊蛋白質的氨基酸殘基，造成蛋白的斷裂或酶類的失活)，造成膜失去其功能，重者導致細胞死亡。為了平衡植物體內(nèi)的活性氧，植物體內(nèi)形成的以超氧化物歧化酶(SOD)為主導的保護酶類或如Vc等的非保護酶類的清除ROS系統(tǒng)，他們可主動清除活性氧，維持植物體內(nèi)活性氧平衡，防止植物受活性氧積累的威脅。
正常條件下，ROS產(chǎn)生與清除系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)，并且ROS濃度低，對植物細胞不構成威脅，而且還有重要的信號作用。
在低溫脅迫下，植物體內(nèi)電子傳遞酶類活性降低，造成大量氧自身活化形成活性氧，打破了原有ROS產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的平衡，危害植物正常生理代謝。研究表明ROS清除系統(tǒng)對植物抗寒性的調(diào)節(jié)是依靠協(xié)同作用完成的，它是通過增加酶促保護系統(tǒng)中某種酶的活性(SOD、POX)，或是通過提高非酶促保護系統(tǒng)中抗氧化劑含量(Vc)來降低細胞內(nèi)活性氧和自由基的積累，平衡植物體內(nèi)活性氧，維持膜結構的完整性和穩(wěn)定性，保證膜功能的正常行使，從而保護植物免受低溫脅迫的傷害，增強植物的抗寒性。嚴寒靜以人工栽培的梔子為材料，研究了其葉片膜保護系統(tǒng)隨氣溫下降的變化，結果表明，隨溫度降低SOD、POX活性增強，Vc含量增加，使膜保護系統(tǒng)清除自由基的能力加強。
向鄧云對自然降溫下引種栽培的4年生曼地亞紅豆杉的膜保護系統(tǒng)進行研究，得到同樣結論。在藥用植物受到逆境脅迫時，并不是所有的保護酶活性都增加。當溫度達到藥用植物的臨界值死溫度時，隨著溫度的下降或脅迫時間的延長，細胞內(nèi)各種酶的生理活性降低，使得清除ROS的相關酶合成減少，同時為抵御低溫脅迫分解細胞內(nèi)部分蛋白質，加劇清除ROS的相關酶的分解，使得清除ROS的相關酶含量活性降低。李品明對黃連在低溫脅迫下抗氧化酶活性的變化進行研究，結果表明低溫脅迫使黃連葉片SOD酶活性降低，但POD酶活性顯著升高。王現(xiàn)科以采自不同地區(qū)的8個居群栝樓幼苗為試材，6℃脅迫36h，結果表明，8個居群栝樓幼苗葉片的SOD活性變化不明顯，POD活性迅速下降，至36h仍有微弱變化。
5、次生代謝產(chǎn)物對藥用植物抗寒性的影響
低溫脅迫不僅影響藥用植物的正常生長，還影響藥用植物的產(chǎn)量及品質。植物次生代謝產(chǎn)物是細胞生命活動或植物生長發(fā)育正常運行的非必需的小分子化合物，主要參與植物和環(huán)境之間的相互作用，對植物低溫脅迫有一定影響。
酚類物質是一類活性氧清除劑，酚羥基具有很強的失電子能力，通過單電子轉移的方式清除或減少植物以內(nèi)ROS，酚類物質可能對植物抵御低溫脅迫有一定作用。王靜研究了外施丹寧酸對低溫脅迫下紫花苜蓿膜的通透性，結果表明單寧酸溶液能提高苜�？购�。她在對5種高寒地區(qū)植物中酚類物質含量變化與其抗寒性關系進行研究時，認為總酚、單寧和縮合單寧對植物抗寒性有顯著負相關。
花色苷是類黃酮類化合物，對花色苷和藥用植物抗寒性之間的關系說法不一。Parker對洋常春藤HederahelixL.耐寒性進行研究表明，隨著葉片內(nèi)總糖和花色苷含量的升高洋常春藤耐寒能力增加。但Singh等對不同品種鷹嘴豆抗旱性進行研究，認為花色苷與植物抗寒性無關。而張超對低溫下玉蘭花期抗寒性與花色苷進行研究表明，外來的突然降溫會影響紫玉蘭花色苷含量的合成，使其含量下降，當適應了低溫環(huán)境后變化不大，但低溫脅迫繼續(xù)加大會導致花色苷合成受阻，含量降低，低溫脅迫主要影響白玉蘭的花色苷含量，而對類黃酮含量的影響不大。Eskin認為花色苷是通過提高植物葉片溫度來提高植物抗寒性的。孫明霞認為，植物液泡中積累的溶性物質可以降低冰點，表皮細胞液泡中積累的花色素苷可以防止表皮細胞受到凍害，尤其是可以防止葉表面形成冰核物質，從而保護落葉植物免受早秋霜凍的危害。目前花色苷增強植物抗寒性的機制還不清楚，此方面有待于進行深入研究。另外，低溫脅迫下，外施抗壞血酸和油菜素甾醇對水稻幼苗具有一定保護作用。
6、總結與展望
近年來，植物抗寒性在植物組織細胞、器官及細胞內(nèi)含物、低溫下ATP酶及胞內(nèi)物質代謝變化、低溫信號傳導與基因方面取得了一定進展，在此基礎上本人大膽建議，藥用植物抗寒性還可以從以下幾方面深入研究：
(1)植物抗寒性表現(xiàn)最終是由基因表達所控制的，所以對植物抗凍相關基因的研究是改善其抗寒性的根本途徑。因此，抗凍生理代謝、植物細胞信號的傳導、抗凍基因定位和定量分析誘導基因表達條件(光周期、光強、水分、養(yǎng)分及溫度)、植物抗凍基因工程以及抗凍遺傳應用是當今植物抗寒性研究的熱點話題。(2)低溫造成植物體內(nèi)結冰是質膜傷害的重要原兇。研究低溫鍛煉下或冰凍傷害下質膜的結構、化學成分及功能變化臨界點是以后植物抗寒研究的方向之一;當植物受到低溫脅迫時，常會伴隨發(fā)生干旱、鹽堿等脅迫，而且植物對逆境的反應存在交叉適應，所以不能單單對一種逆境進行研究，需要結合多種逆境對植物抗性進行綜合評價。
(3)由于現(xiàn)在觀測方法、儀器的限制和植物抗寒機制(激素的合成及對相關基因調(diào)控)的復雜，低溫對部分植物抗寒指標的影響還未完全被認識，很多植物抗寒機理沒有明確;植物抗寒性是由多基因控制，多因素共同作用的結果。在對植物抗寒性進行鑒別時，不能只研究其中一種或幾種評價植物抗寒性，需要綜合各種因素，多種分析方法相互印證，選用合適的分析方法也是植物抗寒性研究的方向之一。
(4)栽培藥用植物常常和其品質(藥效成分，外觀等)有關，但是絕大多數(shù)藥效成分是植物的次生代謝產(chǎn)物，而逆境有助于植物次生代謝產(chǎn)物的積累。因此，在研究藥用植物抗寒性時，不僅要結合藥用植物產(chǎn)量，而且要考慮藥用植物品質。
(5)藥用植物低溫脅迫生理生化變化依然很重要。由于藥用植物種類多而復雜，基本包括大部分植物�，F(xiàn)階段對藥用植物抗寒性生理研究的鮮有報道，所以探尋藥用植物抗寒生理是現(xiàn)在的研究方向之一，并且有助于研究藥用植物進化、分布、道地藥材形成、栽培采收技術和抗寒育種等。
(6)植物抗寒性不僅需要研究，而且需要實踐應用。應將電子信息遙感、農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)業(yè)機械、植物栽培、植物生理生化、植物分子生物學、植物生態(tài)學、植物遺傳育種各學科交叉，使得植物抗寒性理論與高產(chǎn)現(xiàn)代化栽培有機結合。以創(chuàng)造更高生態(tài)、經(jīng)濟效益為目標，為寒害預測，產(chǎn)量品質評估，預測并指導栽培(根據(jù)相應氣象材料計劃調(diào)整相應栽培措施)做努力。
參考文獻
[1]武維華.植物生理學(第二版)[M].北京:科學出版社,2008.
[2]姚立新,朱銳,馬雯彥,等.植物抗旱、抗寒性鑒定與生理生化機理研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2009,37(25):11864-11866.
[3]鐘泰林,李根有,石柏林.低溫脅迫對四種野生常綠藤本植物抗寒生理指標的影響[J].北方園藝,2009(9):161-164.
[4]王寶山.生物自由基與植物膜傷害[J].植物生理學通訊,1988(2):12-16.
[5]沈曼.不同溫度條件下常春藤葉片磷脂變化的比較分析[J].園藝學報,2003,30(4):431-435.
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