植物防凍劑對(duì)葡萄抗寒能力的影響研究進(jìn)展*

劉 暢，楊興旺，王小龍，王志強(qiáng)，劉鳳之，王海波

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省落葉果樹礦質(zhì)營養(yǎng)與肥料高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧興城 125100）

低溫災(zāi)害是指作物生長器官因環(huán)境溫度過低而受損，以致減產(chǎn)或絕產(chǎn)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。葡萄（VitisviniferaL.）作為一種低溫敏感作物常遭受不同程度的低溫傷害[1]，特別是霜凍對(duì)葡萄植株生長發(fā)育的危害尤為嚴(yán)重。早霜凍多發(fā)生在晚秋早霜來臨時(shí)，主要危害葡萄枝條和根系；晚霜凍常發(fā)生在早春葡萄萌芽生長期，主要危害葡萄嫩芽和幼葉。近年來，我國各地葡萄主產(chǎn)區(qū)霜凍災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重制約了我國葡萄現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以晚霜低溫災(zāi)害為例，我國晚霜凍現(xiàn)象多發(fā)生在寒冷季節(jié)向溫暖季節(jié)過渡時(shí)期[2]，這一時(shí)期正值葡萄萌芽展葉期，北方地區(qū)冷空氣活動(dòng)頻繁，當(dāng)近地面空氣層的溫度驟降到0 ℃或0 ℃以下，葡萄嫩芽和幼葉表面的溫度也迅速下降，致使幼嫩部位細(xì)胞短時(shí)間結(jié)冰脫水，植株代謝過程受到破壞，進(jìn)而造成葡萄新梢、嫩芽和幼葉等新生組織損傷[3]，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致葡萄死亡，造成減產(chǎn)或絕產(chǎn)[4]。

為了降低低溫災(zāi)害給葡萄生產(chǎn)帶來的危害，國內(nèi)外多采用樹體涂白、熏煙防霜、覆膜防寒[5]等物理措施預(yù)防低溫災(zāi)害，但其繁重的工作量往往需要投入大量的人力物力[6]，極大地增加了葡萄的生產(chǎn)成本。近年來，研究人員已成功篩選出多種有效的植物防凍劑，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。因此，本文概述了植物防凍劑提高葡萄抗低溫能力的研究進(jìn)展，以期在葡萄栽培生產(chǎn)中能更安全、更合理地發(fā)揮外源防凍劑的作用，保障果農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益，推進(jìn)我國葡萄產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

1 低溫對(duì)葡萄生長發(fā)育的影響

1.1 低溫對(duì)葡萄生長特征的影響

葡萄不同組織器官受凍發(fā)生時(shí)的臨界溫度不同，受凍表現(xiàn)也不同。普遍認(rèn)為，葡萄的芽眼、新梢和嫩枝的耐受低溫為-1 ℃，新長出花序的耐受低溫為0 ℃[7]。葡萄萌芽期的芽眼受到低溫脅迫后從內(nèi)部開始變色，芽干枯后切面失綠變褐、變黑[8]，受凍嚴(yán)重時(shí)將喪失萌發(fā)能力，甚至影響芽的第2 年萌發(fā)。葉片也是葡萄最易受凍的組織器官之一[9]。新生嫩葉受凍后表現(xiàn)為葉片表面褐變、干枯，畸形的組織無法繼續(xù)進(jìn)行光合作用，進(jìn)而影響葡萄的生長發(fā)育。除此之外，葡萄新梢受凍后表現(xiàn)為新梢基部節(jié)間顏色由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\黃色至深褐色。由于萌芽期嫩梢的含水量較高，低溫發(fā)生時(shí)新梢內(nèi)的自由水以及細(xì)胞組織發(fā)生結(jié)冰，維管層細(xì)胞間分離阻礙維管層細(xì)胞自我修復(fù)[8]，最終抑制新梢的正常生長。若霜凍低溫發(fā)生在葡萄生殖生長階段，花穗會(huì)因無法正常授粉受精而影響開花坐果。

1.2 低溫脅迫對(duì)葡萄生理特征的影響

低溫災(zāi)害不僅引起了葡萄植株表觀變化，同時(shí)也影響著植株的正常代謝途徑，進(jìn)而造成葡萄生長發(fā)育過程中生理指標(biāo)的變化。

細(xì)胞膜被認(rèn)為是植株受凍的首要部位[10]，這與質(zhì)膜的流動(dòng)性有一定關(guān)系。質(zhì)膜的流動(dòng)性包括膜脂和膜蛋白的流動(dòng)，當(dāng)植株處于低溫脅迫時(shí)膜脂從液晶態(tài)變?yōu)槟z相，鑲嵌于膜脂上的膜蛋白被固定，酶系統(tǒng)受到破壞，質(zhì)膜因收縮而出現(xiàn)孔道，甚至龜裂，喪失了主動(dòng)運(yùn)輸功能和選擇通透性，從而使細(xì)胞質(zhì)膜透性增大，造成質(zhì)膜內(nèi)電解質(zhì)外滲，質(zhì)膜內(nèi)、外離子失衡，最終導(dǎo)致植株代謝途徑和功能紊亂[11]。細(xì)胞質(zhì)膜透性的變化程度常用電導(dǎo)率來表達(dá)，范宗民等[12]、賈金輝[13]研究發(fā)現(xiàn)葡萄枝條的相對(duì)電導(dǎo)率均隨溫度的降低而增加。

低溫脅迫可以通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以維持細(xì)胞膜的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，提高葡萄抗低溫能力，保證葡萄植株的正常生長[14]。葡萄體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸等。當(dāng)溫度逐漸下降，葡萄體內(nèi)的淀粉被水解為糖，可溶性糖含量增加[12,15]；而可溶性糖含量的增加又能夠促進(jìn)游離脯氨酸的累積，由于游離脯氨酸水溶性好、溶解度高，因此能夠提高細(xì)胞的滲透壓[16]，使細(xì)胞膜脂的相變溫度降低，從而提高了植株自身的抗寒能力。由此可知，低溫脅迫能夠增加葡萄葉片中游離脯氨酸的含量[17]。不僅如此，不同品種葡萄枝條可溶性蛋白的含量在低溫處理時(shí)也表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)[18]。可溶性蛋白質(zhì)作為親水膠體[7]，能夠增加細(xì)胞內(nèi)束縛水含量、降低冰點(diǎn)，使其能適應(yīng)低溫環(huán)境，并提高葡萄的抗寒性。

低溫脅迫條件下，葡萄體內(nèi)能產(chǎn)生大量的生物大分子和對(duì)膜脂有害的活性氧（超氧自由基、羥基自由基和過氧化氫），過量的活性氧會(huì)造成細(xì)胞質(zhì)膜過氧化進(jìn)而破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，降低細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和選擇性。此時(shí)植株為了適應(yīng)低溫變化，開始激活體內(nèi)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等抗氧化系統(tǒng)來清除活性氧和自由基，以減少或避免膜脂過氧化對(duì)細(xì)胞膜造成的傷害，從而使植株具備一定的抗寒能力。

2 植物防凍劑的種類及其抗寒機(jī)制

為了減輕低溫對(duì)葡萄植株的危害，人們嘗試用外源植物防凍劑提高葡萄抗低溫能力。根據(jù)防凍劑的成分性質(zhì)可分為無機(jī)鹽類、有機(jī)化合物類、植物激素類和新型植物防凍劑。

2.1 無機(jī)鹽類防凍劑

外源氯化鈣（CaCl2）被證實(shí)能夠提高葡萄的抗寒性。王麗[19]以巨峰、全球紅和里扎馬特葡萄為試材進(jìn)行噴施CaCl2處理，結(jié)果顯示5 mmol/L CaCl2能夠緩解低溫對(duì)葡萄植株的傷害。從生理學(xué)角度分析，Ca2+是植株必需的營養(yǎng)元素，能夠促進(jìn)植株可溶性糖積累，糖作為植株體內(nèi)能量的直接來源可提高植株耐寒性；同時(shí)，Ca2+是維持細(xì)胞膜穩(wěn)定的必需因子，其作為磷脂中磷酸根和蛋白質(zhì)羥基之間連接的橋梁，可以使細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和完整，從而提高植株抗寒力[20]。

2.2 有機(jī)化合物類防凍劑

這一類植物防凍劑能夠調(diào)控細(xì)胞膜滲透物質(zhì)，增加蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高抗氧化物酶活性，清除植株體內(nèi)多余的氧自由基，減少過氧化過程對(duì)植物造成的傷害[21]。

水楊酸（salicylic acid，SA）是一類小分子酚類化合物。在北紅葡萄萌芽前噴施SA 能降低新梢的膜透性和丙二醛含量，提高可溶性糖和游離脯氨酸含量，提高葡萄抗寒能力[22]。這與王麗[19]的研究結(jié)果一致，SA 能有效緩解低溫對(duì)巨峰、全球紅和里扎馬特葡萄的低溫傷害。這可能是由于SA 通過降低質(zhì)膜的相對(duì)透性以維持細(xì)胞滲透平衡作用，緩沖了低溫脅迫對(duì)細(xì)胞膜的傷害；其次外源添加SA 能有效增加可溶性糖含量，從而產(chǎn)生充足的能量以維持能量消耗；另外，SA 作為一種調(diào)節(jié)物質(zhì)能誘導(dǎo)SOD 和POD 活性的提高，葡萄體內(nèi)較高的抗氧化酶活性保證了對(duì)自由基的清除能力，提高了其抗寒能力[19]。

氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是一種存在于植物體內(nèi)的自由態(tài)四碳非蛋白氨基酸[23]。正常條件下，高等植物體內(nèi)GABA 的含量較低；當(dāng)遭受低溫脅迫時(shí)，植株體內(nèi)GABA 含量會(huì)大量積累，以適應(yīng)低溫環(huán)境。外源添加GABA 后，葡萄嫩芽凍害率和凍害指數(shù)均低于對(duì)照，葡萄葉片相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照相比降低了37.6%，SOD 和POD 活性分別比對(duì)照增加了37.6%和121%[3]。其原因可能是低溫條件下GABA 通過氨基酸代謝循環(huán)刺激植株體內(nèi)SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶活性，抑制活性氧積累，防止細(xì)胞膜脂過氧化，維持了細(xì)胞膜的完整性，增加了葡萄的抗寒性。

萘乙酸（Naphthylacetic acid，NAA）是一種類似生長素的有機(jī)化合物。5 g/L NAA 顯著提高了北紅葡萄抗凍能力。這是由于NAA 能降低葡萄新梢的膜透性和丙二醛含量，增加可溶性糖、脯氨酸含量；另一方面，NAA 誘導(dǎo)了植株體內(nèi)吲哚乙酸和脫落酸含量的增加，進(jìn)而上調(diào)SOD、POD 和CAT 的活性以抵御體內(nèi)活性氧含量，提高植株的抗寒性[24]。

2.3 植物激素類防凍劑

植物激素類防凍劑一般作為信號(hào)分子在低溫脅迫中調(diào)節(jié)植物生長。

蕓苔素內(nèi)酯（Brassinosteroids，BRs）是一種新型甾醇類植物激素。低溫脅迫條件下，外源BRs 能減少葡萄葉片中丙二醛含量，增加葉片中可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸的含量[25]。除此之外，外源噴施BRs 還可以提高葡萄葉片抗氧化酶SOD、POD 和抗壞血酸過氧化物酶（APX）的活性，進(jìn)而降低葡萄葉片氧自由基和丙二醛的累積，激活葡萄抗氧化酶系統(tǒng)，增加抗氧化物質(zhì)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，以提高葡萄的抗寒性。另外，外源BRs 還能增加葡萄葉片中抗壞血酸（ASA）和谷胱甘肽（GSH）的含量[25]。ASA 和GSH 作為氧化應(yīng)激條件下的抗氧化劑，其含量的增加說明低溫脅迫能夠促進(jìn)ASAGSH 循環(huán)，而APX 又能夠通過ASA-GSH 循環(huán)將H2O2分解為H2O[26]，抑制葡萄幼嫩組織細(xì)胞脂質(zhì)過氧化作用，緩解低溫脅迫對(duì)葡萄造成的傷害。

脫落酸（Abscisic acid，ABA）又稱S-誘抗素，是一種半萜類結(jié)構(gòu)的內(nèi)源性激素[27]。ABA 作為植物防凍劑已廣泛應(yīng)用于葡萄生產(chǎn)中。在低溫條件下，外源噴施ABA 能夠顯著降低相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量，增加北紅葡萄新梢中的可溶性糖和游離脯氨酸含量，顯著提高SOD、POD 和CAT 抗氧化酶的活性[28]。但不同濃度ABA 對(duì)葡萄新梢耐低溫能力的影響差異較大，低、中濃度處理的葡萄新梢游離脯氨酸和可溶性糖含量均高于對(duì)照，而高濃度處理則能減少脯氨酸和可溶性糖的積累，也就是說低濃度ABA 能有效提高葡萄抗霜凍能力。一般認(rèn)為，ABA提高植株抗寒性機(jī)制是激活了植株細(xì)胞保護(hù)系統(tǒng)，穩(wěn)定了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性。近年來，研究者們通過分析基因表達(dá)來解釋ABA 調(diào)控植物的抗寒機(jī)制。例如，低溫脅迫下外源添加ABA 后擬南芥低溫誘導(dǎo)基因PHH78[29]、ABF1和ABF4[30]的表達(dá)，從而提高擬南芥抗寒性。但目前，分析防凍劑誘導(dǎo)葡萄抗寒基因表達(dá)的研究尚不多見。

褪黑素（Melatonin，MT）是一種吲哚類小分子化合物[31]。有研究發(fā)現(xiàn)，MT 在提高植物抗氧化能力及植物對(duì)低溫的抗性等方面都發(fā)揮著重要的作用。仝亞軍等[31]研究了外源MT 對(duì)SN15 葡萄防御霜凍作用的影響，噴施100 nmol/L MT 后葡萄幼葉的多項(xiàng)生理指標(biāo)都有顯著變化，幼葉的相對(duì)電導(dǎo)率比對(duì)照下降了20.9%，丙二醛含量減少了21%，說明輕度低溫脅迫下褪黑素能減輕葡萄葉片的受凍程度。

2.4 新型植物防凍劑

近年來，新型植物防凍劑廣泛應(yīng)用于葡萄生產(chǎn)中，并起到了較好的抗寒效果。例如，氯苯胺靈（Chlorpropham）和馬來酰肼（Maleic hydrazide），其中氯苯胺靈是一種活性高的芳香氨基甲酯類植物生長調(diào)節(jié)劑，而馬來酰肼是一種植物生長抑制劑。3 g/L 氯苯胺靈和5 g/L 馬來酰肼可以通過延遲葡萄萌芽，提高新梢抗晚霜凍能力[32]。植物精油能夠提高葡萄保護(hù)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，以提高巨峰葡萄的抗寒性[33]。但是，目前對(duì)于新型植物防凍劑的抗寒機(jī)理仍缺乏深入的研究，特別是新型植物防凍劑的安全性評(píng)價(jià)更是缺乏有力的報(bào)道。

3 問題與展望

受全球氣候的影響，我國極端低溫天氣頻發(fā)，低溫災(zāi)害嚴(yán)重制約了我國葡萄產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。因此，通過應(yīng)用植物防凍劑提高葡萄抗低溫能力已成為研究的熱點(diǎn)。但是，隨著植物防凍劑的應(yīng)用及其調(diào)控機(jī)制的揭示，一些新的問題也隨之而來。例如，植物防凍劑在不同葡萄品種和部位之間的使用效果差異缺乏有效的數(shù)據(jù)，不同植物防凍劑對(duì)同一葡萄品種抗寒性的影響效果仍需進(jìn)一步探索，部分植物防凍劑的使用效果評(píng)價(jià)及作用機(jī)理更是缺乏完整的解析。

為了更好地發(fā)揮植物防凍劑的作用，一方面可以研發(fā)多元復(fù)合型植物防凍劑，基于植物防凍劑之間的協(xié)同特性，在提高葡萄抗寒能力的同時(shí)，也提高葡萄其他耐受性，增強(qiáng)植株自身的抗性；另一方面應(yīng)盡量選擇或研發(fā)成本低、無毒性、無殘留、降解快的植物防凍劑，以節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本、提高葡萄生產(chǎn)效率；最后，只有將植物防凍劑提高葡萄抗寒性機(jī)理研究與大田試驗(yàn)相結(jié)合，才能將植物防凍劑切實(shí)地應(yīng)用到葡萄現(xiàn)代化生產(chǎn)中。