第二章植物寒害及抗寒生理

第二章植物寒害及抗寒生理一、植物抗寒特性与类型（一）抗寒植物的特性植物体细胞受到寒害影响最大的就是它的生物膜体系，一方面生物膜发生相变，从液晶态变成凝胶态；另一方面膜系统的结构也受到破坏，从而使膜上的酶活性，特别是起离子泵作用的ATP酶活性受到损害。结果引起细胞生理生化过程的异常，造成植物的伤害和死亡。因此，抗寒的植物，必须具备以下的特性。1、在温度降低时，必须维持植物生物膜正常的液晶态，不会发生相变。在抗寒锻炼中，能增加膜磷脂和不饱和脂肪酸的含量，是防止膜相变的重要因素。2、必须具备膜结构上的稳定性，可以在抗寒锻炼中得到加强，并于植物品种的抗寒性成正相关，在抗寒锻炼中积累起来的可溶性糖和氨基酸等物质，对膜的稳定性起保护作用。3、能阻止细胞内结冰，防止冰晶对膜的直接破坏。在抗寒锻炼中，细胞液中的溶质含量增加而降低冰点，甚至形成过冷或超冷状态。另一方面是增加膜对水的透性，以便在温度降低时，细胞内的水分，能迅速的流到细胞外去结冰，避免在细胞内结冰所发生的严重冻害。4、具备抗冰冻脱水的性能，细胞内的水分流到细胞外结冰有时也会造成伤害。这一方面是因为冰冻脱水引起细胞失水干燥，产生蛋白质变性凝固。另一方面，会使细胞发生收缩凹陷，使细胞质膜受到破坏。总之，抗寒植物的适应办法是，在抗寒锻炼中，大量积累亲水性物质，另外还增加质膜量，使质膜成为弯曲的波浪状，能避免冰冻脱水导致细胞收缩时的损伤。（二）抗寒植物的类型各种植物的抗寒性不同，我们把植物的抗寒性划分为以下五种类型：1、不抗寒的植物特点如下：这类植物生物膜的膜脂相变温度在植株细胞液的冰点温度之上，因此不可避免地要产生细胞内结冰。它们在遭受寒害时，总是因为细胞内结冰而死亡。例如番茄、黄瓜、水稻、香蕉、菠萝等起源于热带的各种喜温植物，在10C以下就会发生冷害。2、低度抗寒的植物特点如下：它们的膜脂相变温度，稍低于植物细胞液的结冰温度，它们的膜脂不饱和脂肪酸含量较高，在不很低的温度下，能避免细胞内结冰，但缺少其它抗寒特性，如缺少糖的积累，所以它们避免和抵抗冰冻脱水的能力低，只能在不低于零下5C的温度中生存。例如柑橘、马铃薯等也热带植物。3、中度抗寒植物它们具有较低的膜脂相变温度，并能在抗寒锻炼中积累糖或者其它保护物质。因此它们的细胞液具有较高的浓度，能够避免细胞内结冰。但是抗冰冻脱水的能力很低，能在零下5C到零下10C条件下生存。例如油菜中的许多品种，菠菜、枇杷、茶树、油桐等南温带的植物。4、高度抗寒的植物它们的膜脂相变温度很低。在抗寒锻炼中除了增加膜脂的不饱和脂肪酸和积累糖类保护物质外，还能积累膜磷脂和膜蛋白质，增加可溶性蛋白质的亲水性，能防止和避免质膜ATP酶的失活。它们不仅避免细胞内结冰，而且具有相当强的抗冰冻脱水的能力，能在零下10C到零下20C低温下生存。例如我国北方的冬小麦品种，以及桃、杏、梨、苹果等温带植物。5、非常抗寒植物这类植物的膜脂相变温度更低，膜结构的低温稳定性很高。在抗寒锻炼中，1)积累糖、氨基酸和可溶性蛋白质，以及膜蛋白和膜磷脂，还能增加酶的还原能力，防止膜脂的过氧化反应，避免膜半透性的丧失。2)还能增加脂膜的量，使膜的变成弯曲的波浪状，具备很高的抗冰冻脱水性能。3)产生阻止冰晶形成的物质，使细胞液处在过冷或超冷状态，几乎完全能够避免质膜ATP酶的失活。这类植物能够在零下20C以下的低温下生存。例如北方的杨树、柳树、刺槐、松柏、云杉等北温带、寒带及高寒地区的植物。抗寒性植物类型划分的实践意义在引进外来植物品种时，必须详细了解原产地的温度条件，它们的抗寒性能必须同引进地区的温度相适应。或者人工创造引进植物所需要的温度条件，不然就会使引种遭到失败，南方观赏花木移到北方就容易冻死。另外可以通过育种将一种植物的高抗寒性基因，转移到另一种不抗寒或抗寒性不强的植物中去，就能提高植物的抗寒性，培育出又强又能高产的的新品种。二、冻害霜害什么是冻害和冷害：低温使作物受到不同程度的伤害以至于死亡，按照低温的不同程度、作物受到寒害可分为冻害与冷害两大类；冻害是温度下降到冰点以下，植物体内水分结冰，因之霜害与冰害都属于冻害。冷害是指冰点以上的低温对作物的伤害，温度下降并不太低，可是植物体内的生理机能受到障碍。代谢过程的协调受到破坏，作物逐渐出现伤害引起死亡。有些低温敏感的植物，当气温下到10C到20C就会发生冷害。一般受害的表现程度较缓慢，有时要好几个月才能表现出来。寒潮和霜冻能使植物受到伤害，受害的程度决定于降温幅度的大小、持续时间长短以及结冰溶冰的快慢。（一）结冰冻害的生理原因结冰使植物细胞受冻死亡的生理原因是：1、是细胞内部结冰，直接破坏了原生质的结构，而使细胞死亡。当气温突然下降到冰点以下时，液泡及原生质中的水分都会结冰，引起原生质的机械伤害死亡。2、是原生质脱水、机械挤压及变性凝固。随着温度下降，细胞外部形成的冰晶不断扩大；体积可以增加百分之十，因此，会使原生质受到机械挤压，发生原生质膜的撕裂。原生质脱水后其渗透浓度愈来愈大，内部还会产生有毒物质，如酸、酚等浓度增高，也会使原生质变形细胞死亡。3、是解冻时原生质受到伤害。气温如果回升缓慢，结冰脱水的组织就能够重新吸收失去的水分。反之，细胞外部的水分还没来得及被原生质吸收回去，就很快地蒸发散失掉；脱水的原生质就不容易恢复。4、是零下低温对细胞膜体系的直接伤害，如低温降低膜的流动性，引起膜脂的物相变化，从液晶态变为固态，使膜脂发生降解并从膜上游离出来。结冰伤害的原因:对于这个问题曾有不同的假说，如“结冰伤害”、“融冰伤害”、“脱水伤害”、“化学伤害”、“保护物质”等假说，近年来发展到“生物膜伤害”假说。马克西莫夫早就指出，植物受到结冰伤害时，由于冰晶形成，水分子通过原生质表层向胞间流动，冰晶在胞间不断增大，细胞原生质表层受到冰晶的机械压力，致使植物组织受害死亡。现在已经证明，结冰伤害的主要部位是原生质膜的破损或失去半透性。Levitt（1972）指出：结冰伤害的解释应该从质膜的结构功能上去探讨。Heber（1976）也指出：尽管对结冰伤害的机理有不同的看法，但是仍然确认在结冰时，首先使最敏感的生物膜发生透性变化，最终就使植物细胞受害死亡。1、结冰冻害的研究进展用下面的图说明胞间结冰与化冻脱水胁迫机械胁迫渗透胁迫膜蛋白变性膜脂-蛋白质相互作用的改变K+泵和糖运输酶系统失活K+和糖大量外渗磷酸化解偶联水渗入失去膜上的原生质叶绿体和线粒体组织膨压Ca++为K+置换膨润功能受阻细胞内缺氧膜系统破坏细胞死亡原生质膨润是指液泡膜受伤后离子进入原生质，在融冰后原生质由于离子浓度高而大量吸水，造成膨润。根据这个模式图指出：1、在胞间结冰时同时会产生脱水、机械和渗透三种胁迫。2、这三种伤害能改变膜脂——蛋白质间的相互作用和使膜蛋白质变性。3、膜功能的变化使得膜上与K+和糖类物质运输有关的膜系统失活；胞内的K+和糖类物质就会大量向胞外渗漏。4、同时结冰使叶绿体和线粒体的磷酸化解偶联，减少了ATP能量的供应，结果也能使K+大量外渗，导致原生质膨润及叶绿体和线粒体功能受阻。2、结冰伤害对膜透性的影响结冰膜伤害假说指出，结冰时使质膜和液泡膜最早受害；质膜受害的主要表现是半透性的破坏。下面用一些科学家的研究结果说明质膜半透性的破坏：1）Palta等以洋葱表皮研究（1977）了结冰时水的透性问题，结果发现细胞结冰时水的透性没有破坏，但K+透性变化大有差异。2）、Carter等（1980）用山茱萸树皮进行了相似的实验，证明了结冰对质膜的水透性没有破怀。现在虽然有研究证明K+在结冰时大量外渗，但是对它外渗的机理研究的还很少。3）、Palta等（1978）提出的结冰膜伤害假说，只是推测K+外渗可能与质膜上的ATP酶失活有关。3、结冰对膜脂组分的影响Yashida等（1976）利用杨树皮进行自然越冬和人工低温处理试验，发现低温能促使膜脂中的磷脂含量增加，而且磷脂含量与抗寒性有关。比如在自然越冬中，磷脂中以磷脂酰胆碱（PC）增加的最明显；磷脂酰乙醇胺（PE）增加较少，其它磷脂无明显变化。人工低温处理中看到:1、未经低温锻炼的树皮，在不同的零下低温条件下，处理24小时后，1）、树皮膜脂中的PC明显减少，PE稍有降低；2）、磷脂甘油（PG）、磷脂酰肌醇（PI）没有变化；3）、磷脂酸（PA）显著增加，他们认为PA是磷脂降解产物，磷脂的降解是随温度的降低而加快。2、而经过低温锻炼的树皮，在-30C以上的低温下，PC和PE都不发生降解。这些磷脂的降解与存在于微粒体中磷脂酶活性有关。抗寒性强的树皮，在结冰时磷脂酶D的活性降低，而不抗寒的树皮该酶的活性较高。由于磷脂酶D的活性增大，发生磷脂降解致使膜受伤害。通过以上试验分析，可以看到植物的抗寒性与生物膜的结构和功能有密切的关系。（二）抗寒性的生理基础1、什么是抗寒性：是指植物在对低温寒冷环境的长期适应中通过本身的遗传变异和自然选择获得的一种抗寒能力。2、植物抗冻性的生理基础：有两个方面的生理适应性变化：一是细胞膜体系稳定性提高；二是避免细胞内结冰和抗脱水能力加强。膜体系稳定性的提高在于膜脂及其不饱和脂肪酸含量的增加有关；或者是同膜脂和蛋白质分子间结合的牢固性有关。3、如何避免细胞内结冰？现在已知道有四种途径：1）降低细胞的含水量，比如种子中水分降到14%以下，可避免细胞内结冰。2）提高细胞液溶质的浓度，含糖量增高，使冰点降低。3）增加脂膜的半透性，水分向外渗透到细胞外结冰。4）深度超冷，即温度降低到大大超过细胞液的冰点以下时（-40C），细胞仍能保持液体状态，不发生结冰。(过冷是指温度降到某种溶液的冰点以下时水仍然不结冰的现象。深过冷则为远远低于冰点条件下仍不结冰的现象。过冷和深过冷是避免植物组织细胞结冰伤害的一种重要方式。近年来发现被子植物有33个科,裸子植物1个科,共242种植物有深过冷现象。)深过冷的存在部位:水在有冰核存在的条件下,温度稍低于0℃就结冰,但纯水则可以过冷到-38℃,到-38℃时即使没有冰核存在,水也结冰,-38℃是水的同质晶核点。深过冷并非整株出现,而是只有部分组织出现,如苹果树出现在木射线薄壁细胞和髓部,桃出现在花芽中的花原基等。4、举例说明不同植物抗冻性的生理适应基础。1）草本植物越冬的抗冻性：a)是耐冻植物的细胞膜对水分具有较高的透性，当温度降低到冰点以下时，冰晶首先在细胞间隙形成，同时原生质内的水分迅速透过质膜，进入到细胞间隙和质璧分离空间结冰。b)是细胞外结冰引起原生质体大量脱水，因此，抗冻植物细胞还具有较强的耐脱水性。因为细胞内的可溶性糖，如蔗糖对防止脱水后的蛋白质变性俱有保护作用。2）木本植物的抗冻性：主要采取深度超冷，甚至能超冷到-40C。比如苹果树经过秋季到初冬的低温锻炼，可以获得很高的耐冻性。一部分组织细胞发生胞外结冰，另一部分组织细胞，如射线薄壁组织细胞则表现出深度超冷。各种植物的抗冻性不同，有些植物对结冰非常敏感，如马铃薯和番茄在刚结冰时就会死去。有些植物在完全结冰解冻后，还不会丧失它的生活力；如秋播的冬小麦能忍受-15至-20C的低温。总之，原生质脱水和结冰是发生冻害的主要原因，所以抗冻性与细胞的渗透压有关。如果细胞的渗透压高，细胞不易脱水，冰点也会下降，也不易结冰。实验证明耐寒的小麦品种中植物体内的还原糖，特别是葡萄糖的含量较多，所以渗透压高。一般的植物在冬季体内含糖量的增加，这就是对低温寒冷的适应性。我们测定越冬小麦分蘖节的含糖量多少，也就可以预测它的抗冻性强弱。（三）抗冻性与生长发育1、抗冻性与生长发育的关系：1）植物进入停止生长的休眠状态，抗冻性就显著提高；2）干燥休眠种子或树木的休眠芽，抗冻性都很强。等到春天恢复生长时，抗冻性就会显著降低。3）不同的组织器官，抗冻性也不同。如禾谷类作物的幼苗，对寒冷最敏感的部分就是幼芽，最耐寒的就是根尖；但是根的皮层薄壁细胞不耐寒。所以经过寒冷后，根尖仍能继续生长；而幼芽和根皮都会冻死。2、以禾本科植物为例说明抗冻性与植物生长发育的关系禾谷类作物分生组织集中在分蘖节最耐寒，冬季地上部分叶子常因寒冷全部冻死，到了春天温度回升，从安全过