马铃薯在低温下栽培生理的影响

《蔬菜栽培生理学》结课论文马铃薯在低温下栽培生理的影响班级：姓名：学号：任课教师：［摘要］低温是影响马铃薯生长及产量的重要环境因子，特别是0℃以下的冻害会对马铃薯植株的叶片、茎秆造成严重的损伤，甚至导致整个植株的死亡。因此，研究马铃薯品种的抗寒性具有重要的价值及意义。对国内外马铃薯低温驯化与抗寒性、抗寒生理机制、抗寒性遗传及其基因工程等方面的研究进展进行了综述，以期为马铃薯抗寒育种提供参考。马铃薯（Solanumtuberosum）是重要的粮食及经济作物，其栽培范围遍布全球160多个国家。马铃薯在我国农业生产中一直占有很大比重，据2011年《中国农业统计年鉴》统计，2010年马铃薯栽培面积为520.5万hm2，总产量为8152万t，种植面积和总产量均位居世界第1位。马铃薯的赖氨检含量较高，且易被人体吸收利用。脂肪含量为千分之一左右。矿物质比一般谷类粮食作物高一至二倍，含磷尤其丰富。在有机酸中，以含柠檬酸最多，苹果酸次之，其次有草酸、乳酸等。马铃薯是含维生素种类和数量非常丰富的作物，特别是维生素C，每百克鲜薯，含量高达20至40毫克，一个成年人每天食用半斤鲜薯，即可满足需要。马铃薯是一种粮饲菜兼用的作物，营养成份齐全，在欧洲被称为第二面包作物，由于营养价值高，马铃薯食品已成为目前的一种消费时尚。马铃薯对于日常饮食等有重要功效。低温霜冻会对马铃薯植株的生长造成巨大危害，导致产量的严重下降。Hijmans等［1］对秘鲁及玻利维亚高原地区种植的马铃薯进行了研究，平均每3年就有25％种植面积的马铃薯遭受极端的低温霜冻（-2℃）危害。根据2005年南非农业风险专家统计（AgriculturalRiskSpecialist，ARS）［2］，过去8年中由于低温霜冻导致马铃薯总产量损失了10％，价值超过400万美元。近几年来，我国南方冬作区四川、宁夏、广西、广东等地也相继发生了不同程度的低温霜冻，特别是2008年的特大低温霜冻灾害中南方各地的马铃薯受灾面积达到了40.93万hm2左右，造成直接经济损失10亿元左右，给马铃薯种植者造成了严重的经济损失［3］。因此，研究马铃薯的抗寒性在农业生产上具有重大的作用和意义。1马铃薯的低温驯化和抗寒性马铃薯的抗寒性不仅取决于种类和品种，也与低温驯化相关。低温驯化是将植物置于低温环境中（0～12℃），植物体内发生一系列生理生化变化，使植物产生适应性反应，以提高对低温抵抗能力的过程（coldacclimation，AC）［4］。野生种马铃薯中有较丰富的耐低温霜冻品种，且具有很强的驯化能力，如S.acaule、S.commersonii属于高抗寒性野生品种，驯化前半致死温度（LT50）分别为-6℃和-4.5℃，驯化后半致死温度分别能够达到-9℃和-11.5℃，被认为是最抗寒的马铃薯品种［5-7］。然而，栽培种马铃薯却一般不能够忍受低温且驯化能力很弱［8］。Chen［5，9-10］等研究认为，通过3周的逐步降低温度，具有驯化能力（coldacclimationcapacity）的马铃薯就能够达到低温驯化效果，如果直接暴露在连续的昼夜低温下，2周就能达到低温驯化的效果，且认为马铃薯低温驯化最佳温度是2℃。基于有无低温驯化能力和植株的抗寒能力，Chen和Li［5］将马铃薯的抗寒性分成5类：1）抗寒型马铃薯品种，能够低温驯化；2）抗寒型马铃薯品种，不能够低温驯化;3）霜冻敏感型马铃薯品种，能够低温驯化；4）霜冻敏感型马铃薯品种，不能够低温驯化；5）寒冷敏感型马铃薯品种。2马铃薯抗寒性的生理机制2.1细胞膜组成与抗寒性的关系细胞膜系统是低温冷害发生的首要部位，低温引起的细胞器膜结构的破坏是导致植株寒害损伤和死亡的根本原因。其中，质膜组成又与抗寒性密切相关，特别是脂肪酸组分的变化与膜的流动性和稳定性关系密切。研究表明，当植物受到低温胁迫时主要是通过提高不饱和脂肪酸的含量和比例来提高抗寒性［11］。Palta等［12］对冷驯化期间野生种S.commersonii和栽培种S.tuberosum膜脂质变化进行比较发现，棕榈酸和脑苷脂含量下降，而不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比率上升。2.2渗透调节物质与抗寒性的关系2.2.1脯氨酸脯氨酸是一种亲水性有机溶剂，能缓解因低温脱水造成的渗透胁迫，低温条件下体内脯氨酸含量的增加可提高植物的抗寒性。Van等［13］研究发现，马铃薯植株脯氨酸含量与抗寒性之间具有高度相关性，在低温胁迫下，抗寒性越强的植株，脯氨酸含量越高，且低温驯化过程中叶片的脯氨酸含量能够增加3～10倍。李飞等［14］研究表明，低温驯化过程中抗寒性强的马铃薯品种（系）的脯氨酸含量一直高于抗寒性较弱的品种（系）。2.2.2糖低温逆境胁迫下糖的积累对作物有保护作用。LeVitt等［4］研究发现，低温驯化期间，马铃薯糖含量增加的同时伴随着抗寒性的增强。Chen和Li［15］等确定了在低温驯化过程中伴随着糖与淀粉的增加，具有低温驯化能力的S.commersonii比不具有低温驯化能力的S.tuberosum糖的增加量更多。Guy等［16］也认为，糖的积累对低温条件下植物抗寒性的增强具有重要作用，一旦糖积累受到抑制，植物将失去抗寒性。2.2.3蛋白质蛋白质的合成与积累在马铃薯抗低温过程中起重要作用。Kacperska-Palacz等［17］研究发现，驯化后抗寒性植物中出现新的蛋白条带，未经驯化的植物中没有出现新的蛋白条带。Chen和Li［18］研究发现，通过低温驯化后的马铃薯叶片含有较高水平的可溶性蛋白，且野生种马铃薯（S.acaule和S.commersonii）的叶片中可溶蛋白的增加与抗寒性成正相关。2.3丙二醛与抗寒性的关系低温胁迫破坏了细胞内活性氧代谢的平衡，从而导致活性氧或超氧化物自由基的产生，这种氧化会对细胞膜造成很大的损伤，所以丙二醛的含量是衡量质膜损伤程度的重要标志之一［19］。李飞等［14］以低温敏感的中薯3号和抗寒性较强的野生马铃薯03079-435（Solanumacaille）幼苗为试材，研究了驯化期间的丙二醛含量变化结果表明，幼苗叶片丙二醛含量从第3天开始急剧上升，第5天达到最高，与其他驯化天数相比均呈现极显著差异，且中薯3号的丙二醛整体含量都高于野生种03079-435，表明，抗寒性差的马铃薯膜损伤程度较大，受霜冻影响更严重。2.4脱落酸与抗寒性的关系脱落酸（Abscisicacid，ABA）可提高脯氨酸和可溶性糖的含量，降低丙二醛含量和电导率，从而提高植物抗寒性，因此其ABA对植株的抗寒性作用明显［20-21］。Chen等［5］对马铃薯低温驯化期间ABA作用的研究表明，无论生长在20℃或是2℃环境下，外施ABA都能提高野生种S.commersonii的抗寒性；同时指出，低温驯化能够诱导该类植株体内ABA的增加，促进相关蛋白质的合成，从而提高植株抗寒性，但无低温驯化能力的四倍体栽培种S.tuberosum的ABA含量没有发生改变。Mora-Her-rera等［22］对不同浓度的ABA处理对两个马铃薯品种（Atlantic和Alpha）苗期生长的影响研究显示，幼苗培养在含有ABA的培养基上培养28d后移栽入土壤，暴露在-6℃／4h，高水平的ABA诱导使马铃薯品种Atlantic和Alpha存活率分别增加了0.66倍和2倍。3马铃薯抗寒性的遗传早期育种者主要使用野生马铃薯S.acaule和S.demissum作为亲本进行抗寒性遗传研究［6］。S.demissum比较容易与普通栽培种进行杂交，S.acaule与二倍体很容易杂交，却难与栽培种进行杂交。Mastenbroek等［7］进一步研究认为，野生种S.acaule的部分抗性能够转入2次回交的杂交后代中，表现最好的后代能够忍受-5.5℃的低温，同时认为S.acaule的抗寒性与其他性状没有连锁或相关性。Roberto和Chen［23］通过3个独立群体（F1，F1×S.commersonii，F1×S.cardiophytlum）研究了抗寒性和冷驯化潜力的遗传性，F1代的抗寒性和冷驯化潜力的广义遗传率分别为0.73和0.74，表明，马铃薯抗寒性和冷驯化潜力具有很高的遗传性，来自S.commersonii的抗寒性和冷驯化能力是可以转入栽培种马铃薯中的。然而对野生种S.commerso-nii与普通栽培种S.tuberosum进行体细胞融合发现，后代抗寒性没有显著的提高，冷驯化后的抗寒性只有微小的提高［24-25］。IoVene等［27］研究表明，S.commersonii和S.tuberosum的5X×4X杂交后代的半致死温度（LT50）与栽培种的一致，而冷驯化后杂交后代的LT50介于野生种与栽培种亲本之间，抗寒性最大提高了3℃。另外，Bamberg等［28］以S.comersonii作父本，3种霜冻敏感的马铃薯种S.brachistotrichum、S.cardiophyllum和S.pinnatisectum作母本培育出F1，然后进行多次回交，以胁迫处理后离子渗透率的方法分析所得基因型的抗寒性，结果表明，野生种S.comersonii细胞质不能够显著提高抗寒性或驯化能力，分析原因可能一是S.comersonii的细胞质不能提高抗寒性，二是S.comersonii细胞质存在抗寒基因，但必须是能够表达的显性核基因才能够表达。由于马铃薯未驯化前的抗寒性和低温驯化能力由独立基因控制［29-30］，因此，传统的遗传方法很难培育出抗寒性较强的栽培品种。4马铃薯抗寒性的基因工程对拟南芥抗寒调节基因表达的研究发现，CBF／DREB1调节因子在抗寒中具有重要作用，转拟南芥CBF基因在提高番茄、烟草等作物抗寒性中已得到应用［31-32］。Babak等［33］使用rd29∷ADREB1A转化Desiree获得了38个转基因品系，研究了低温处理后转基因与非转基因植株的损伤程度，认为，低温处理后表型损伤的差异是由基因的变化决定的，且与基因表达的数量无关；以DREB1A的cDNA为探针进行的Northern分析表明，暴露在4℃的初期和霜冻的早期（-20℃，1～10min），转基因植物中具有高水平的DREB1A表达，认为，rd29∷AD-REB1表达能够显著提高马铃薯的抗寒性。Pino等［34］以35S及rd29A为启动子将拟南芥CBF（AtCBF1-3）基因转入马铃薯栽培品种Umatilla中发现，CBF1和CBF3的表达能够使栽培种的抗寒性提高2℃；而ATCBF2基因不能提高栽培种的抗寒性；研究还指出，拟南芥CBF基因的表达也会引起一系列副作用，如叶片变小，植株生长缓慢，延迟开花甚至降低薯块产量，研究建议，使用即不影响马铃薯相关农艺性状又能够诱导基因表达提高抗寒性的启动子。另外，Pino等［35］研究了拟南芥CBF1（AtCBF1）基因特异性表达及其对马铃薯抗寒相关生理变化的影响发现，AtCBF1基因特异性的表达能够诱导非驯化下马铃薯抗冻（COR）蛋白表达；冷驯化后，由于栅栏组织的延长及细胞间隙的增大，野生种S.commersoni的叶片显著增厚，普通栽培种却没有变化；相对于S.commersoni，转基因的S.com-mersoni叶片深绿，含较高的叶绿素、较多的气孔数量、更高的光合能力及较低的花青素。研究同时指出，马铃薯中存在内源CBF途径，能够使外源AtCBF1基因表达并影响植物的抗寒能力。另外，脂酰脱氢酶基因和酵母蔗糖酶基因在马铃薯中的表达也能够提高马铃薯抗寒性［36］。5展望关于马铃薯抗寒性的研究已引起许多学者的重视，研究、培育具有较高抗寒性、优质高产的马铃薯品种是马铃薯育种新的挑战。马铃薯的抗寒性十分复杂，并不是由某个单一基因控制而是由多基因控制的数量性状，只有通过收集抗寒性较强的资源，研究并掌握抗寒的生理、生化和分子机制，才有利于改良马铃薯普通栽培种的抗寒性。随着传统育种技术的不断发展及分子生物技术在育种中的应用，特别是马铃薯基因组测序的完成，通过倍性育种、抗寒基因分离、克隆及转基因的应用，相信不久的将来会培育出抗寒性较高的优质高产马铃薯品种。［参考文献］［1］H