植物脂肪酸與抗寒性關(guān)系研究進展

王 柏，李志堅

（1.東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所，教育部植被生態(tài)科學(xué)重點實驗室，吉林 長春 130024； 2.吉林師范大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究所，吉林 四平 136000）

低溫是限制植物分布及生長發(fā)育的重要因素，也是危害農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的主要自然災(zāi)害之一。一直以來，有關(guān)植物抗寒性的研究是植物學(xué)和林木培育學(xué)的熱點［1～2］。至今為止，還沒有一種途徑能從根本上解決低溫對植物造成的傷害，因此，研究植物的抗寒性不僅具有重要的基礎(chǔ)理論意義，在解決生產(chǎn)實際問題上也具有廣泛的應(yīng)用價值。

植物在受到低溫脅迫時，生物膜是受害的首要部位，因此，生物膜的流動性和穩(wěn)定性與植物的抗寒性密切相關(guān)，目前普遍認(rèn)為脂肪酸的不飽和度有利于維持生物膜穩(wěn)定性。

1 低溫對生物膜的影響

早在1912年，Maximov就認(rèn)識到生物膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與植物抗寒性有關(guān)，并提出質(zhì)膜是冷害發(fā)生的原初部位［3］。1973年，Lyons根據(jù)生物膜結(jié)構(gòu)功能與抗寒性關(guān)系，提出的“膜脂相變”學(xué)說并得到了廣泛認(rèn)可。他認(rèn)為冷害的發(fā)生是由于生物膜在低溫下產(chǎn)生了物相變化，即從常態(tài)的液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相。此時膜脂中的脂肪酸鏈由無序排列變?yōu)橛行蚺帕校复俜磻?yīng)失調(diào)，膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，透性增大，細(xì)胞代謝紊亂，有毒物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)不斷累積，最終使植物細(xì)胞受害甚至死亡［4］。其中脂肪酸鏈的無序排列是保持生物膜流動性的基礎(chǔ)，在低溫的誘導(dǎo)下，脂肪酸脫飽和酶活性增加，實現(xiàn)了膜脂飽和度的降低，提高植物膜系統(tǒng)在低溫下的穩(wěn)定性［5］。膜脂不飽和脂肪酸含量越高，膜脂的相變溫度越低，越利于維持低溫下膜的液晶態(tài)、膜的流動性和膜的正常功能。此后，植物抗寒性與膜脂脂肪酸飽和度的關(guān)系一直受到人們的關(guān)注。

2 膜脂脂肪酸與抗寒性的關(guān)系

大量研究顯示，相同植物品種間脂肪酸組分基本相同，區(qū)別在于各脂肪酸在膜脂中的含量和比例，一般含量較多的脂肪酸有豆蔻酸（14∶0）、棕櫚酸（16∶0）、硬脂酸（18∶0）、油酸（18∶1）、亞油酸（18∶2）和亞麻酸（18∶3）。

2.1 不飽和脂肪酸與抗寒性正相關(guān)

一般認(rèn)為，高抗寒植物具有較高比例的不飽和脂肪酸，相變溫度較低，在較低溫度下仍能保持膜的流動性，維持其正常的生理功能。植物的脂肪酸不飽和度除取決于植物的遺傳特性外，也會被外界溫度所誘導(dǎo)［6～7］。大多數(shù)研究認(rèn)為，低溫馴化和抗寒鍛煉可以提高不飽和脂肪酸含量，從而提高植物對低溫的抵抗能力，維持其正常生理功能。這是在一定溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)的，當(dāng)外界溫度低于膜脂相變溫度時，就會對植物造成冷害［8］。

其中關(guān)于桉樹的研究有很多，抗寒力強的桉樹品種本身葉片膜脂不飽和脂肪酸含量與脂肪酸不飽和指數(shù)（IUFA）高于抗寒力弱的品種，并且差異顯著［9～10］。不飽和脂肪酸含量和IUFA值隨季節(jié)發(fā)生有規(guī)律性的變化，低溫有利于不飽和脂肪酸的形成和IUFA值的提高，經(jīng)過冬季低溫后，不飽和脂肪酸含量均有增加，廖國華研究表明，不抗寒品種增加幅度較大，各品種之間差異減少［9］，而李志輝等人認(rèn)為抗寒力強的品種增加幅度較大［11］。春季氣溫回升，不飽和脂肪酸含量下降。在這些變化中，抗寒品種的不飽和脂肪酸含量始終高于不抗寒品種，說明桉樹抗寒性與種間遺傳特性有關(guān)，但會隨季節(jié)的變換而產(chǎn)生適應(yīng)性的變化。還有研究發(fā)現(xiàn)，高緯度、高海拔的種源IUFA值更高，抗寒性更強，IUFA值與經(jīng)度、緯度、海拔3個因子呈正相關(guān)［11～13］。陳善娜等人對水稻干胚膜脂脂肪酸分析結(jié)果表明，脂肪酸不飽和度和水稻品種抗冷性之間存在著相關(guān)性，不飽和亞油酸、亞麻酸含量較高的品種其抗寒性也相對較強，反之抗寒性較弱。來源于不同產(chǎn)地的各個品種，其膜脂的脂肪酸不飽和度與其遺傳特征是相關(guān)聯(lián)的，高海拔和高原地區(qū)的低溫有利于植物細(xì)胞膜系統(tǒng)增加不飽和脂肪酸的含量，這也是植物在其品種形成過程中對環(huán)境長期適應(yīng)進化的結(jié)果［6］。在桑樹休眠期間，武玉璧等測定不同品種的桑樹枝條皮部膜脂脂肪酸含量，表明在深休眠期的桑樹由于經(jīng)歷了秋季耐寒鍛煉而抗寒力增強，可能與膜內(nèi)各種不飽和脂肪酸比例增加有關(guān)［14］。侯旭光等以南極水樣中分離出的4種南極冰藻為研究對象，證實了低溫能夠誘導(dǎo)不飽和脂肪酸的形成，從而提高了抗寒性，短鏈不飽和脂肪酸尤為突出。其中，硅藻主要靠單不飽和脂肪酸抵抗低溫，綠藻則靠多不飽和脂肪酸抵抗低溫［15］。張瑋認(rèn)為低溫馴化對于叢生竹種耐寒性的累積提高是一個關(guān)鍵過程。馬飛等人以不同栽培品系的條斑紫菜為研究對象，所測得不同栽培期的不飽和脂肪酸中主要成分是二十碳五烯酸（EPA），研究結(jié)果也顯示低溫有利于 EPA的積累［16］。

2.2 不同部位、不同生育期的脂肪酸抗寒性不同

鄧令毅對葡萄不同器官組織的膜脂脂肪酸進行大量的、周期性分析，結(jié)果顯示，抗寒品種較不抗寒品種具有更高的亞油酸/棕櫚酸比值，且近親品種的脂肪酸組分相似。脂肪酸不飽和度還與溫度呈負(fù)相關(guān)，秋季葡萄的莖、葉片中葉綠體的膜脂脂肪酸不飽和度與品種抗寒性呈正相關(guān)，而在夏季二者無明顯規(guī)律性，品種間亦無明顯差異［17］。

冷害對植物的不利影響是貫穿整個生育期的［18］，一些學(xué)者將低溫下同種植物在不同生育期的脂肪酸相關(guān)指標(biāo)做了對比分析。王孝宣將6個番茄品種經(jīng)不同溫度處理后進行脂肪酸測定，結(jié)果顯示，苗期和開花期脂肪酸均隨溫度的降低發(fā)生常規(guī)性變化［19］。楊廣東以抗冷性不同的6個青椒品種為對象研究苗期和花期脂肪酸與抗寒性關(guān)系，得到與王孝宣相同的結(jié)果［20］。兩項研究的結(jié)果都證明了植物在苗期和開花期抗寒性的一致，因此，通過脂肪酸指標(biāo)對早期幼苗進行抗寒性的篩選具有可行性，它能代表同種植物開花期的抗寒性，從而提高育種效率。

2.3 不飽和脂肪酸與抗寒性不相關(guān)

也有少數(shù)學(xué)者認(rèn)為低溫下不飽和脂肪酸的增加只是植物一種適應(yīng)低溫的普通反應(yīng)。如Roche發(fā)現(xiàn)，小麥葉綠體類囊體膜脂肪酸的組成與其抗寒性無直接關(guān)系，冬小麥幼苗中的亞麻酸的增加并不是抗寒性形成的必要條件，通過抑制物可完全抑制亞麻酸的生物合成，而抗寒性的形成則不受影響，低溫下膜不飽和脂肪酸的增加只是植物對低溫適應(yīng)性的一種普遍反應(yīng)［21～22］，Whitaker BD則認(rèn)為不飽和脂肪酸的降解只是冷害的一種伴生現(xiàn)象，并非冷害產(chǎn)生的原因［23］。在楊亞軍的研究中，抗寒性有差異的兩個茶樹品種在低溫下的反應(yīng)有所不同，抗寒性強的品種在低溫下脂肪酸呈現(xiàn)出一般的規(guī)律性，而抗寒性較弱的品種脂肪酸的變化規(guī)律性很差，而且其相對不飽和度和IUFA一直高于高抗寒性品種，他最后得出的結(jié)論是，茶樹品種間抗寒性的差異不取決于其不飽和脂肪酸的絕對含量，而是看在氣溫變化過程中能否迅速調(diào)節(jié)各種脂肪酸的比例來適應(yīng)低溫逆境［24］。還有一些研究指出，膜脂脂肪酸的不飽和度可能不是形成膜穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，而膜蛋白及其與膜脂相互關(guān)系的變化才可能是膜穩(wěn)定性提高的重要機制［25］，可見植物對低溫脅迫響應(yīng)的復(fù)雜性。

3 抗寒性指標(biāo)的選擇

在進行植物抗寒性研究的過程中，首先要建立一套合理、可靠的數(shù)量化指標(biāo)，通過生理指標(biāo)的測定和數(shù)學(xué)分析，能夠?qū)ΨN質(zhì)資源進行抗寒能力鑒定，從中選育抗寒品種。

目前，多數(shù)研究者認(rèn)為，生物膜脂脂肪酸的不飽和度可以作為植物抗寒性的重要生理指標(biāo)之一［26～27］。許多植物都有其特有的抗寒性指標(biāo)。王孝宣的研究結(jié)果顯示，在低溫處理條件下的番茄，飽和脂肪酸含量、不飽和脂肪酸含量、不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸值及IUFA值都與番茄品種的抗寒性密切相關(guān)，且在花期與抗寒性呈極顯著正相關(guān)，因此都可以作為番茄在花期的抗寒性鑒定指標(biāo)［19］。余澤寧發(fā)現(xiàn)，相同品種的龍眼隨季節(jié)的變化脂肪酸會發(fā)生相應(yīng)的改變，但品種間的差異不受季節(jié)影響，這說明膜脂肪酸組分含量體現(xiàn)了龍眼對低溫長期適應(yīng)而形成的不同品種的遺傳差異，可以作為龍眼抗寒性鑒定指標(biāo)。IUFA值同樣在任何季節(jié)都可反映出品種間抗寒性的差異，所以也可作為龍眼耐寒性的鑒定指標(biāo)［28］。謝冬微在冬小麥?zhǔn)覂?nèi)室外對比中發(fā)現(xiàn)，小麥分蘗節(jié)膜內(nèi)的亞麻酸含量隨溫度降低而逐漸升高，并且高抗寒性品種在兩種條件下亞麻酸含量顯著高于低抗寒品種，棕櫚酸則與其相反，其它幾種脂肪酸含量的變化無明顯規(guī)律性，所以隨溫度的降低，冬小麥的亞麻酸和棕櫚酸是所有脂肪酸中對抗寒力方面貢獻最大的，作為冬小麥的抗寒指示性脂肪酸具有可行性［29］。秦嶺對多種山楂葉片進行分析，發(fā)現(xiàn)膜脂中的IUFA值能夠反應(yīng)出品種間的抗寒性差異，可以考慮作為衡量山楂抗寒性的生理指標(biāo)［30］。水稻干胚膜脂脂肪酸的不飽和度與大田自然鑒定耐寒性強弱是一致的，可以用作水稻開花結(jié)實期抗寒性鑒定的參考指標(biāo)［6］。叢生竹以不飽和脂肪酸含量作為其抗寒性指標(biāo)之一，棕櫚酸和亞麻酸還可作為叢生竹種抗寒指示性脂肪酸［31］。秋菊葉片中亞麻酸與（亞油酸+油酸）的比值可作為鑒別品種間耐寒性差異的有效指標(biāo)［32］。不同植物的抗寒指標(biāo)略有區(qū)別，說明在低溫條件下，不同植物脂肪酸的生理代謝特征存在著差異。

4 結(jié)論及展望

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在一定溫度范圍內(nèi)，不飽和脂肪酸的含量與溫度呈負(fù)相關(guān)，與抗寒性呈正相關(guān)。歸其原因，除植物本身的遺傳特性所決定外，在長期適應(yīng)低溫環(huán)境的過程中，抗寒植物較不抗寒植物能更迅速的合成大量不飽和脂肪酸，可以通過低溫馴化的過程來提高植物的抗寒性。膜脂脂肪酸的不飽和度亦可作為鑒定植物抗寒性強弱的重要生理指標(biāo)。但關(guān)于不飽和脂肪酸與植物抗寒能力之間是否存在必然聯(lián)系的問題至今仍存在爭議。由于植物的抗逆過程是十分復(fù)雜的生理生化過程，其代謝途徑多樣，參與反應(yīng)的酶種類繁多，想從根本上搞清楚不飽和脂肪酸與植物抗寒性的關(guān)系機理，還需要進一步研究。同一種植物會因所處生長發(fā)育階段不同，生理狀況不同以及低溫作用程度的不同，而在低溫下發(fā)生不同的生理變化。因此，許多學(xué)者指出，指標(biāo)單一化很難客觀地比較品種的抗寒性，只有綜合評價指標(biāo)并采用多種方法進行驗證，才能得出更客觀的結(jié)論，這將是未來研究工作的重點。

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