植物的逆境生理(三) 抗寒生理(上)
由0℃以下的低溫引起植物的傷害，稱為凍害（freezing injury)。其中與農業生產關係密切的凍害是霜害，凍害常引起植物組織結冰，因而使植物受傷甚至死亡。
(一）凍害對植物的影響
1．植株含水量下降當秋末冬初，溫度下降，秋播作物和木本植物的生長速度逐漸減慢，根系對水分吸收減少，含水量逐漸下降。隨著抗寒鍛煉的進行，細胞內親水性膠體增加，束縛水含量相對增加，自由水含量則相對減少，因為束縛水含量相對增多，有利於植物抗凍性的加強。含水量極低的植物組織、器官或有機體，如種子、花粉粒、細菌或真菌的孢子，能忍受極低的溫度，可見，植物組織忍耐凍害的程度與其含水量密切相關。
2．呼吸作用的影響大多數植物的呼吸作用隨溫度的下降逐漸減弱，一般減少到正常呼吸作用的1/200，並且抗凍越強的植物，其呼吸作用下降程度越顯著。細胞呼吸微弱，消耗糖分少，有利於糖分保存；細胞呼吸微弱，代謝活動低，有利於對不良環境條件的抵抗。有研究報導，抗寒性較強的小麥品種密羅諾夫808在維持生命的呼吸強度方面比抗寒性較差的基希涅夫斯卡亞早熟小麥高。冬季在零下低溫影響下，他們逐漸觀察到小麥密羅諾夫808分蘖節的呼吸對氧的需求較高，受過低溫鍛煉的黃瓜根系，低溫下呼吸稍有增加，沒有經過鍛煉的根系在低溫下呼吸猛然升高，這種猛然升高是新陳代謝破壞的標誌。經測定，沒有經過低溫鍛煉的黃瓜植株內酸溶性有機物含量下降顯著，證明呼吸效率的主要指標——氧化磷酸化反應受到破壞。GrAHAM等指出，原產於較寒冷氣候下的植物，在所給定低溫下，一般都有較高的呼吸速率。植物的抗寒性與其低溫下的呼吸強度之間是否存在著相關性還需要更深入研究。不過，孫愛民等認為，小麥抗寒品種的呼吸作用、光合作用及其他代謝活動的降低與抗寒性密切相關，能使物質代謝沿著適應抗寒性的途徑變化。
3．脫落酸等物質含量增多多年生樹木(如樺樹等)的葉片，隨著秋季日照變短、氣溫降低，逐漸形成較多的脫落酸，運到生長點(芽)，抑制莖的生長，並開始形成休眠芽，葉片脫落，植株進入休眠階段，以提高抗寒性。此外，Wilding研究了苜蓿游離氨基酸與抗寒性的關係，發現抗寒品種的根部從8月份到12月份期間游離氨基酸增加21％，而非氨基氮增加13％。處於零度低溫的大麥植株內，其亮氨酸、色氨酸、蛋氨酸和丙氨酸的含量增加，而谷氨酸的含量卻降低，抗寒品種在零度低溫下的植株這些氨基酸含量的提高要比不抗寒品種明顯。對於抗凍植物來說，精氨酸和脯氨酸的積累被認為是正常情況。游離脯氨酸能促進蛋白質水合作用，由於親水、疏水表面的相互作用，蛋白質膠體親水面積增大，能使可溶性蛋白(清蛋白類)沉澱。因此，在植物處於低溫脅迫時，它使植物具有一定的抗凍性和保護作用，它能維持細胞結構、細胞運輸和調節滲透壓等。實驗證明，植物的抗寒性與脯氨酸的含量存在相關性，例如，皺葉甘藍的抗寒性變化與游離脯氨酸的增加是相關的，在甘蔗、小麥和大麥上都有一致的報導，但是，也有相反的結果。
4．保持物質增多在溫度下降的時候，澱粉水解加強，可溶性糖(主要是葡萄糖和蔗糖)含量增多。除少數例外，可溶性糖的含量與植物抗寒性之間呈正相關，抗寒性強的植物，在低溫時其可溶性糖含量比抗寒性弱的植物高。BorIsenkou在比較小麥不同耐寒品種含糖量以及分蘖節含糖量和葉片含糖量之比後發現，抗寒品種含糖量為2437～3391Mg／g，而不抗寒品種僅為154.1～1836Mg／g；抗寒品種分蘖節和葉片含糖量之比為1∶0.663～0.8Mg／g，不抗寒品種為1∶0.87～0.96，說明小麥抗寒性不僅與含糖量有關，在植物抗寒鍛煉過程中，可溶性蛋白質、核酸、磷脂和不飽和脂肪酸等都不同程度增加。HeBer指出，冬小麥抗寒的原因主要依賴於比較穩定的可溶性蛋白的增加，抗寒鍛煉期間可溶性蛋白含量的增加，既可能有新的合成，也可能從膜上或其他結合形式中降解釋放。在核酸中，DNA不隨低溫鍛煉而變化，而RNA在抗寒品種中隨著溫度的下降而增加。用－20℃低溫處理冬小麥植株，RNA含量的增長水準與品種的抗寒性有相關性。在秋末和冬初的低溫鍛煉中，楊樹和刺槐皮層細胞膜磷脂的增加與抗寒力的提高成平行相關(表8-1)。
(二)凍害機理
1．結冰傷害凍害對植物的影響，主要是由於結冰而引起的，結冰傷害的類型有兩種。
(1)細胞間結冰傷害通常溫度慢慢下降的時候，細胞間隙中的細胞壁附近的水分結成冰，即所謂胞間結冰。細胞間隙水分結冰會減少細胞間隙的蒸氣壓，周圍細胞的水蒸氣便向細胞間隙的冰晶體凝聚，逐漸加大水晶體的體積。失水的細胞又從周圍的細胞內吸取水分，這樣，不僅鄰近間隙的細胞失水，使離冰晶體較遠的細胞也都失水。細胞間結冰傷害的主要原因是原生質過度脫水，破壞蛋白質分子，原生質凝固變性。其次是冰晶膨大對細胞所造成的機械壓力，細胞變形。再者，當溫度驟然回升冰晶融化時，細胞壁易恢復原狀，而原生質尚來不及吸水膨脹，原生質有可能被撕裂損傷。胞間結冰不一定造成植物死亡，大多數經抗寒鍛煉的植物或者說一般越冬植物都能忍耐胞間結冰。例如，冬季白菜、蔥等雖然凍得像玻璃一樣透明，但仍可安全渡過，解凍後仍能正常生長。
(2)細胞內結冰傷害當溫度迅速下降時，除了在細胞間隙結冰以外，細胞內的水分也結冰，一般是先在原生質內結冰，後在液泡內結冰。細胞內的冰晶體數目眾多，體積一般比胞間結冰的小。細胞內結冰傷害的原因主要是機械損害，原生質體內形成的冰晶體體積比蛋白質等分子體積大得多，冰晶體就會破壞生物膜、細胞器和襯質的結構。原生質體具有高度結構，一切生命活動都是有秩序地進行，胞內冰晶體破壞原生質結構，就使亞細胞結構的隔離被破壞，組織分離，酶活動無秩序，影響代謝。據觀察，結冰和解凍後，DNA、蛋白質降解，細胞質粘性降低。以小球藻為材料的試驗表明，結冰的解凍能影響它的光合放氧，如反復多次結冰和解凍，小球藻就完全不放氧，葉綠體的類囊體膜被破壞。細胞內結冰對細胞的傷害較嚴重，一般在顯微鏡下看到胞內結冰的細胞，大多數是受傷甚至死亡。
2．巰基假說這個假說是1962年萊維特(LeVITT)提出的。他認為植物對結冰的忍受程度與細胞的巰基(-SH)含量有關，凡是植株勻漿的巰基含量高的，該植物的結冰忍受程度(抗寒性)就大，它們之間成正比關係。他提出了結冰破壞蛋白質的過程：(1)細胞質逐漸結冰脫水，蛋白質分子逐漸相互接近；(2)蛋白質分子接近時，通過相鄰肽鏈外部的-SH彼此接近，兩個-SH經氧化形成二硫鍵(圖8-5，A)，也可以通過一個分子外部的-SH與另一個分子內部的-S-S-基作用，形成分子間的二硫鍵(圖8-5，B)。它們的變化分別如下列反應：
2RSH＋1/2O2 ↔RSSR＋H2O
R1－S－S－R2＋R3SH↔HSR1R2SSR3
3．膜損傷胞內結冰首先表現是膜損傷。馬克西莫夫早年研究指出，抗寒性保護物質主要影響原生質表面，減少表面的傷害。近年實驗證明，膜對結冰最敏感，如柑桔的細胞膜在-4.4～6.7℃時所有膜(質膜、液泡膜、葉綠體與線粒體膜)都被破壞，小麥分生細胞結冰後線粒體膜發生顯著損傷。
膜損傷的主要表現是：
(1)胞內結冰後細胞膜失去了選擇透性或透性增加，用電導法測定很多植物的抗寒性也確實發現冰凍處理的植物組織內電解質的外滲增加。
(2)膜脂相變使得一部分與膜結合的酶游離而失去了活性。有些實驗發現，結冰溫度主要是促使了組成膜的脂類與蛋白質結構變化，如具有不飽和脂肪酸的磷脂水解，脂類的過氧化作用等都可破壞單位膜內脂質雙分子層的排列，使膜失去半流動的鑲嵌狀態，甚至使膜出現大的裂縫，從而破壞膜與酶的結合，失去對溶質的控制能力。
(三)提高植物抗凍性的途徑
1．抗凍鍛煉進入秋季後隨氣溫降低，植物體內會發生一系列適應低溫的生理生化變化，通過體內變化提高抗凍能力，這種逐步形成抗凍能力的過程叫抗凍鍛煉。當然，植物抗凍的本領是受其原有習性所決定的，水稻無論如何鍛煉也不可能像冬小麥那樣抗凍，但即使是抗凍性強的冬小麥如不經鍛煉突然降溫，也會遭受凍害。例如，針葉樹的抗凍性很強，在冬季可以忍耐－30～－40℃的嚴寒，而夏季如人為地給以－8℃低溫即可凍死。初冬早寒流或早春的寒流對作物危害較嚴重，其原因即是初冬作物尚未完成抗凍鍛煉，而早春則隨植物發育進程其抗凍性弱。越冬作物(包括樹木)抗凍鍛煉要求有兩個階段，一是光週期階段；二是低溫階段。如北方冬至是嚴冬信號，越冬作物和一些樹木隨白晝縮短，經過一些短日影響後，植物就開始進入休眠狀態，同時，也提高了抗凍能力，如果人為地改短日為長日處理就可以影響抗凍鍛煉，降低抗凍能力。在冬小麥和一些果樹上的研究發現，其低溫鍛煉分兩次完成，先是在0～6℃下約經數天，然後再在－3～5℃鍛煉，它們就可能忍受很低溫度而不被凍死可見初秋短日條件與初冬的低溫是提高植物抗凍性的誘導因素。經抗凍鍛煉的植物其抗凍性增強，其主要原因有：(1)降低了細胞含水量，減少了胞內胞間結冰傷害，組織含水量越少其抗凍性越強。(2)積累大量保護物質，主要是植物體內可溶性糖含量增加，其次是脂肪、蛋白質以及核酸的含量也增加。(3)經抗凍鍛煉的植物體內脫落酸含量增加，而吲哚乙酸和赤黴酸減少，由於激素調節，植物進入深沉的休眠，降低了代謝作用，有利於保護物質的積累。
2．化學控制此法主要通過噴施一些化學藥物來控制生長和提高抗凍能力。通過天然激素和生長延緩劑與抗凍關係的研究發現，有些植物用長日條件處理會降低抗凍能力，主要原因是長日誘導產生赤黴酸，赤黴酸可以降低抗凍性，如對葉槭樹在短日下施用赤黴酸處理可降低它們的抗凍性，如果用生長延緩劑AMo－1618和B9處理，即可消除赤黴酸對抗凍的抑制作用而提高抗凍能力(圖8--6)，這主要是生長延緩劑能抑制赤黴酸的合成。在小麥上用矮壯素與其他生長延緩劑來提高抗凍性已開始實際應用。脫落酸也能提高植物抗凍性，脫落酸須在短日誘導下才能形成，越冬植物抗凍鍛煉要求短日照的機理可能是有利於脫落酸的生物合成，如噴施20Mg／L脫落酸可保護蘋果苗不受凍害。細胞分裂素對很多作物如玉米、梨、甘藍、菠菜等都有增高抗凍性的作用，在冬季用苄基腺嘌呤2×10－5Mol／L濃度噴施葉面能顯著地提高越冬植物的抗凍性，低溫與細胞分裂素的相互作用有助於抗凍性的提高。
3．綜合農藝措施作物抗凍性的形成是對各種環境條件的綜合反應，因此環境條件如日照多少、雨水豐欠、溫度變幅等都可決定作物抗凍性強弱。如果秋季日照不足，秋雨連綿，幹物質積累不足，體質纖弱，或者土壤過濕導致根系發育不良，或溫度忽高忽低，變幅過劇，或氮素過多，幼苗徒長等都會影響作物抗凍鍛煉。因此農業生產上應該改善作物生育的狀況，加強田間管理，防止凍害發生。主要措施有：(1)及時播種、培土、控肥、通氣，促進幼苗健壯，防止徒長，增強素質，提高抗凍能力。(2)寒流霜凍來臨前進行冬灌、熏煙、蓋草，以抵禦寒流襲擊。(3)合理施肥，提高鉀肥比例，增施廄肥和採用綠肥壓青，這些措施都能提高越冬作物和早春作物抵禦嚴寒的能力。(4)早春育苗，採取保護性措施，如採用薄膜苗床或地膜覆蓋及塑膠大棚栽培對防止凍害都有很好效果，在早熟蔬菜和早春作物上已大面積推廣應用。
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