植物抗寒机理研究进展

植物学通报1997,14(2):1～8

Ch inese Bulletin of Bo tany

植物抗寒机理研究进展Ξ

沈　漫 王明庥 黄敏仁

(南京林业大学林木遗传和基因工程重点实验室,南京210037)

摘　要　本文综合概述了国内外有关植物抗寒机理研究的动态,主要讨论了植物抗寒性与细

胞膜系、酶系多态性及抗寒基因表达与调控之间的相关性。此外,亦提出了有关植物抗寒机制

研究领域值得深入研讨的问题。

关键词　植物抗寒性;细胞膜系;酶系;抗寒基因

AD VANCES IN RESEARCH ON CH I LL ING-

RESISTANCE M ECHAN IS M S OF PLANTS

Shen M an　W ang M ing2x iu　H uang M in2ren

(F orest T ree and Genetic E ng ineering Op en ing L abora tory,N anj ing F orestry U n iversity,N an jing210037)

Abstract　T h is paper gives a general statem en t abou t the p resen t developm en t of ch illing2re2

sistan t m echan is m s of p lan ts at hom e and ab road,and it deals m ain ly w ith the relati on s be2

tw een the ch illing2resistance of p lan ts and cell m em b rane system,enzym e system diverisity

and ch illing2resistan t gene exp ressi on and con tro l.In additi on,the paper po in ts ou t som e

p rob lem s w o rth delib rating deep ly in the research field of p lan t ch illing2resistance.

Key words　Ch illing2resistance of p lan ts,Cell m em b rane system,Enzym e system diversity,

Ch illing2resistan t gene

植物对环境变迁及不良环境有足够的适应性和抗抵能力,这种抗逆性既受系统发育的遗传基因所控制,又受个体发育中生理生态所制约。温度作为重要的环境因子之一,在植物遗传背景限制的前提下,对植物某些生长发育过程起着决定性作用。至今低温寒害对植物的伤害还没有找到根本的解决途径。因此,探索植物抗寒性的生理机制及其遗传因素,不仅在基础理论上具有重要意义,在解决生产实际问题上也具有广泛的应用价植。

近年来,国内外从细胞和分子生物学方面来研究植物的抗寒性,取得了一些重要结果,似乎找到了深入研究的突破口。为便于对植物低温反应和抗寒机制有一个较全面的了解,本文对这一领域的研究概况和进展作一个综述。

Ξ“八五”国家科技攻关课题《美洲黑扬胶合板林纸浆材新品种选育研究》一部分。

细胞膜系与植物抗寒性

生物膜是植物细胞及细胞器与环境的一个界面结构,各种逆境对细胞的影响首先作用于质膜。早在70年代,L yon s和R aison提出植物低温冷害来自膜脂物理性质的改变。他们认为,植物遭受低温伤害时,生物膜首先发生膜脂的物相变化,这时膜脂从液晶相变为凝胶相,膜脂上的脂肪酸链由无序排列变为有序排列,膜的外型和厚度发生变化,膜上产生龟裂因而膜的透性增大以及膜结合酶结构改变,导致植物细胞生理代谢的变化和功能的紊乱(L yon s和R ai2 son,1970)。此后,大量实验结果都证实这种“膜相变的寒害”假说,认为,植物体内凡能降低细胞膜系相变温度的因素都将有助于植物抗寒能力的提高。把植物细胞作为一功能整体来研究其抗寒性与膜系的关系,保持细胞膜较低的相变温度,应是多种细胞结构在功能上的相互协调的结果。

低温引起植物膜系相变导致冷害的直接证据来自利用膜分子探针的研究结果。用膜分子探针标记敏感植物细胞膜,发现在引起冷害的温度条件下,标记分子的运动量有显著的降低。这种显示细胞膜物理状态的分子标记研究方法结果说明,对特定的植物,冷害有临界温度存在,在临界温度下膜系发生相变,引起代谢紊乱,致使植物体受冷害。膜系相变的间接证据来自荧光强度和电子自旋共振波谱(ESR)的阿雷诺斯图折点。M u rata等(1982)发现38℃下培养的蓝藻类囊体膜脂的相变温度为13℃,而28℃下培养的为8℃。苏维埃等(1983)在研究籼、粳稻膜脂的热致相变和流动性与膜脂脂肪酸组成的关系时,发现抗冷品种的低温峰终点温度为4℃,不抗冷品种的低温峰终点温度为5.7℃。R aison等发现低温敏感植物的极性脂相变温度为10℃,而抗冷植物则低于0℃。这说明植物的膜脂的物相变化与植物抗寒性之间有着相关性。

许多研究报道指出,膜脂中的类脂和脂肪酸成分明显影响着膜脂的相变温度;增加膜脂中的不饱和类脂或脂肪酸含量能降低膜脂的相变温度。一般是膜脂上的不饱和脂肪酸成分越大,该植物的相变温度越低,抗寒性也越强。许多实验也证实,抗冷植物一般具有较高的膜脂不饱和度,可能在较低温度下保持流动性,维持正常的生理功能,因而其膜脂相变温度低于不抗冷植物。这种膜脂的不饱和度与植物的遗传种性是相关联的。王洪春等(1985)通过研究不同水稻品种在相同温度条件下形成的种子,其干胚膜脂肪酸组成与抗冷性之间的关系,发现抗冷性强的干胚含较多的不饱和脂肪酸,水稻品种的遗传性控制着膜脂特性。H aw k in s以不同起源的黄扁柏幼树为研究材料,发现生长在高海拔立地幼树的抗寒性高于低海拔立地幼树,不同种群的实生苗和扦插苗造林两年后的抗寒性存在显著差异,认为黄柏的抗寒性受显著的遗传控制(H aw k in s,R u ssell和Sho rtt,1994)。可见品种的遗传性对不饱和脂肪酸的形成却起着决定性的作用。这种膜脂不饱和度既有遗传稳定的一面,也有随温度降低可诱导的一面。研究发现,许多植物对低温反应的一种重要表现就是增加不饱和度较高的脂肪酸如油酸、亚油酸和亚麻酸在总脂肪中的比例。L atsague等(1992)报道,智利罗汉松科的3个品种在冬季,总极性脂中的磷脂、糖脂增加,而大多数极性脂的亚麻酸(18∶3)量增加,在针叶致死温度与针叶中高含量亚麻酸之间存在着相关性,所有脂组分中亚麻酸优先累积似乎是抗寒植物所以具有较高抗寒力的普遍机制,而在抗寒力较弱的树种中,这种亚麻酸优先累积只出现在某些脂组分中。然而

相反的实验结果也在增多。例如白杨和黑剌槐的皮层细胞经秋季低温锻炼后获得很高的抗冻性,但脂肪酸的不饱和度却没有增加。因此,一些作者认为,在低温锻炼过程中,膜脂不饱和度的增加是植物对低温生长的一种反应而与抗寒性无直接关系。

利用先进的测试设备(NM R、ESR和?2射线衍射)对膜结构的研究显示,低温造成的冷害与膜系中膜脂质分子排列的变化相关。在产生膜相变的低温下,膜脂从一个有柔曲脂肪酸链的层状晶液态过渡到了具有僵硬伸展链的凝胶态。膜脂质分子的排序变化发生在能引起低温胁迫的一段温度范围内而不仅仅是发生在临界温度条件下(B lum,1988)。R aison等(1976)在绿豆下胚轴线粒体的自旋标记顺磁共振波谱中,看到自旋相对时间(Σ)在15和28℃处出现两个折点,认为28℃的折点温度是膜脂液态和液晶态的转化温度,15℃是膜脂液晶态和凝胶态的转化温度。然而目前对于植物细胞膜系是在某低温范围内发生相变还是在特定的阈值临界温度发生相变,尚不能定论,这似乎与植物的遗传性密切相关。

一般认为膜的流动性在很大程度上是由膜上的脂,特别是膜磷脂的脂肪酸所决定。膜磷脂的脂肪酸组成能控制膜流动性,因而成为临界冷冻温度的主要决定因素,高比例的磷脂合成可能有利于植物免受冻害。近年来的研究表明,磷脂酰甘油(PG)因具有较多的饱和脂肪酸,而成为决定膜脂相变的主要因素,PG的脂肪酸组成及其相变温度与植物抗寒性密切相关。Gran t、O ldfied等通过研究含有相同脂肪酸酰基链的不同磷脂的热致相变发现不同极性端的磷脂,其流动性PG大于PC又大于PE。在自然界中PG主要分布于植物叶绿体中,从结构上看,PG的甘油基团C21位一般接棕榈酸(16∶0)或亚麻酸(18∶0),C22一般接反式十六碳2烯酸〔16∶1 (3t)〕。饱和性不同的PG分子种的脂肪酸在C21和C22位上的不同分布与配比是影响相变的主要原因。在冷敏感植物中,PG因具有较多的饱和脂肪酸(>5%)而决定了整个膜在零上低温下的相变(H uges等,1992)。M u rata等(1982,1983,1990)以一系列实验证明了植物冷敏感性与叶绿体膜中PG的脂肪酸饱和度相关,他们研究了9种冷敏感植物和11种抗冷植物叶片中PC、PE和PG的酰基组成和定位分布,发现在冷敏感和抗冷植物间PC和PE脂肪酸和定位分布无明显差异,但除番茄外8种冷敏感植物PG的含量在冷敏感植物中较高,而在抗冷植物中则较低,于是提出植物冷敏感性与PG中高融点分子种相关的理论,认为低温下叶绿体膜上PG发生相变是冷敏感植物受冷害的最初反应。Roughan等(1986)对74种植物类囊体PG 分子种的分析也表明,PG中高融点分子种占总分子种的百分比或饱和脂肪酸占有脂肪酸的百分比与植物叶片的抗冷性明显相关;PG的脂肪酸组成可能受较强的遗传控制,因而可作为整个植株冷敏感性的指标。结合PG的相变,M u rata等(1992)详细研究了抗性不同的植物的PG脂肪酸在甘油基的C21和C22的配比与分布,发现不抗冷植物和抗冷植物的类囊体PG的荧光偏振率差异的原因,在于C21、C22位上16∶0、16∶1(3t)和18∶0含量不同,种间PG差异主要表现在甘油骨架C22位饱和脂肪酸差异。杨玲、苏维埃等(1994)发现水稻抗冷性的差异与它们膜脂中的PG相变温度有关,PG的饱和脂肪酸水平影响着PG的相变温度。以后他们又研究了广州和南京两地的佛手柑叶中PG的相变和脂肪酸的差异,发现由于两个品种中PG 的脂肪酸饱和度的不同,PG相变起始温度及受其影响的脂流动性以致细胞生理活性发生紊乱的临界温度也不同,从而使抗冷性不同(杨玲、苏维埃和钱建东,1995)。近年来,利用气相色谱2质谱(GC2M S)和高效液相色谱(H PL C)等先进的测试设备研究磷脂分子种脂肪酸配比和定位分布的变化与植物抗寒性的相关性越来越受到人们的关注。普遍认为,磷脂分子种组成比

脂肪酸组成的分析对研究膜所发生的物理相变更为重要,孤立地分析膜脂脂肪酸的组成对了解膜脂的生理机制是远远不够的,因为仅一种脂类(li p id class)便是由许多具有不同脂肪酸组份结合而成的分子种构成的。L ynch等(1984)对盐生杜氏藻的叶绿体膜和线粒体膜中的磷脂分子种在低温驯化过程中的变化进行了详细研究,发现培养在30℃条件下的盐生杜氏藻移至低温下(12℃)生长时,在短时间内,首先引起PE和PG的分子种发生明显变化,同时从叶绿体萤光检测结果中发现,PG分子种的不饱和脂肪酸的配比与定位分布与光合膜低温稳定性之间,存在相关性。从低温对膜流动性或膜相变影响的角度看,PG起着关键的作用。

但一些研究指出,膜脂脂肪酸的不饱和度可能不是形成膜稳定性的关键因素,而膜蛋白及其与膜脂相互关系的变化才可能是膜稳定性提高的重要机制。Cham pm an等(1983)报道,豌豆在低温驯化中,叶绿体膜脂肪酸的不饱和指数与常温生长的差异并不大,但膜的膜质与蛋白质的比值却明显增加。U em u ra和Yo sh ida(1984)利用分离纯化的膜质研究了膜脂和脂蛋白的动态关系与抗寒性的相关性,并在鸭茅草和冬黑麦抗寒锻炼过程中发现膜脂 膜蛋白的比值显著提高。看来,深入研究膜脂和膜蛋白之间的动态关系将对植物抗寒性机理的探明起着一定的作用。

另外,近十几年来,普遍认为逆境引起的自由基的累积与膜伤害有密切关系(王宝山, 1988)。大量的研究表明,植物在逆境胁迫过程中,会产生过剩的自由基,其毒害之一就是引发或加剧膜脂过氧化作用。膜脂过氧化的中间产物自由基和最终产物丙二醛(M DA)都会严重损伤生物膜(陈少裕,1992)。这种损伤主要是由膜中蛋白质的聚合和交联以及膜中类脂的变化引起的。由于膜脂过氧化是在膜脂不饱和脂肪酸中发生一系列自由基反应,显然它会降低膜中不饱和脂肪酸的含量,使膜脂不饱和度降低。另外M DA与蛋白质结合会引起膜蛋白的变性,因此,膜脂过氧化也是导致膜脂流动性降低的重要原因。研究表明低温胁迫下膜脂过氧化的加剧会引起质膜透性增大(曾韶西和王以柔,1987;H etheringto r,M cKersie和Bo rochov,1987)。其直接原因可能是磷脂性质的改变,间接原因可能是膜蛋白在过氧化过程中受到伤害。

综上所述,生物膜的结构动态变化是研究抗寒机理的重要问题。研究者基本上趋向认为:膜的性质、结构和相变可能是寒害的原初反应的重要指标。而在遗传基因控制范围内,膜脂成分的不饱和度以及细胞质粘度和流动性可作为抗寒性强弱的重要生理指标。

酶系统多态性与植物抗寒性

植物抗寒性是植物对低温逆境长期适应而形成的一种生理—遗传特性。抗寒力的发展过程即为基因→蛋白质(酶)→代谢→生理功能的过程。一般抗寒植物细胞酶系在较低温度条件下变得更加稳定,但对于热带起源的冷敏感植物来说,在引起冷害的临界温度条件下往往能引起多种酶系结构、功能或数量的变化。一种变化是酶复合蛋白体解聚,如C4植物光合过程中一关键酶丙酮酸磷酸双激酶在低温条件下由四聚体变为二聚体。另一种变化是酶构象的变化,如核酮糖21,52二磷酸羧化酶,在低温下发生构象的可逆变化,使其内部疏基和疏水链外露,导致酶功能丧失。导致上述两种变化的根本原因是由于低温使维系酶分子三维结构的疏水键束缚力减弱,从而破坏酶蛋白的三维结构。许多研究表明,低温也影响酶数量和活性。在众多报道中,以过氧化物酶的研究最多。一般认为过氧化酶同工酶的变化能调节膜透性和防止膜的损伤,这可能是保证植物不受冷害的原因。在抗寒性不同的苜蓿、小麦和香瓜品种低温驯化过程

中,却观察到经过充分冷驯化的植物,其过氧化物酶同工酶发生变化,同时可溶性蛋白增加(张石城,1990;彭永康,祁忠占和陈力军,1995)。其它酶的研究,如酸性磷酸酶、超氧化歧化酶(SOD)、NAD+2苹果酸脱氢酶、酯酶、A T P酶(A T Pase)等也有报道。如水稻和黄瓜抗寒性较强的品种在低温作用下,酯酶同工酶发生变化,冬小麦的线粒体在低温锻炼下,其抗寒品种的苹果酸脱氢酶的同工酶的谱带都有质和量的变化(张石城,1990)。

膜脂不饱和脂肪酸既然影响着膜流动性,必然也会直接影响膜结合酶的活性。R aison等(1976)在研究绿豆胚轴线粒体的相变温度时发现,线粒体的琥珀酸氧化酶表面活性能在15和28℃处也出现折点,由此他们认为膜流动性与膜结合酶活性密切相关。K i m elberg等指出, A T P酶活力与磷脂脂肪酸配比有关,他们用含不同脂肪酸键的PG与A T P酶组装后测定A T P酶活性,结果发现不饱和脂肪酸对A T P酶活力的促进作用大于饱和脂肪酸。王育启、王洪春等发现水稻抗冷性强的品种幼芽线粒体含不饱和脂肪酸多,其线粒体Α2酮戊二酸氧化酶表现活化能在A rrhen iu s图上的低温折点温度较低,而不抗冷品种线粒体则相反。从而证明膜脂不饱和度直接影响膜结合酶的活性(王洪春,1992)。膜脂极性端对膜结合酶活性的影响在高等植物中研究较少。

在许多植物中发现可溶性蛋白质含量与抗寒性之间有密切关系,可能是植物在低温下只有促进活跃的蛋白质合成才能有可能提高抗寒性。脂类转移的蛋白质(li p id tran sfer p ro tein, L T P)在不同细胞间起脂载体作用,已在许多植物中发现,它的活性受低温影响,而它的活性的改变将影响膜脂的组分,进一步影响抗冷力的表达(H etherigngto r,M cKerise和Bo rochov, 1987)。Todd等研究低温(从22℃降至0℃)对蕃茄果皮微粒体膜中四种脂降解酶的影响,发现低温中磷脂酶D和脂解酰基水解酶的活性基本保持不变,而磷脂酸化物磷脂酶和脂肪氧合酶的活性则变小,认为由于降温而产生的脂降解酶活性的不同影响导致膜中分解代谢产物的积累是产生冷害的原因。而R yn和D yer(1994)的实验表明冷驯化影响了磷脂酶D的活性,因而改变了植物膜脂的组分,进而影响了细胞的抗冷力。一般认为膜结合酶的活化能与膜的流动性密切相关,在膜相变温度下,酶的活化能将发生变化。N a+2K+A T Pase这种线粒体膜结合酶,也是抗冷生理测定中涉及较多的酶。简成令等在八十年代研究了蕃茄、黄瓜幼苗在冷害中以及小麦幼苗在冻害中M g2+-A T P酶活性的变化,发现无论是冻害还是冷害,细胞各部分上的A T P酶活性,首先是质膜2A T P酶活性发生降低或完全失活,由此他们提出寒害首先损伤细胞的膜结构,可能最初是改变膜上的功能性蛋白,例如使A T P酶发生构型变化,从而引起酶活性的改变,然后导致细胞生理生化的变化。以后他们又观察到在冬小麦抗寒锻炼中,细胞内环腺苷酸磷酸二酯酶(c AM P2PD Ease)活性被抑制,认为随着c AM P2PD Ease活性被抑制, c AM P含量水平将发生变化,从而抑制DNA合成及细胞的分裂增殖,使植物进入抗寒锻炼并稳定细胞骨架及膜结构,提高抗寒力;同时他们还推测c AM P2PD Ease可能是调节植物抗寒力的一种关键性酶类(简令成,1992)。

植物对低温适应机理方面的酶分子多态性的研究成果表明植物抗低温水平的变化是与许多酶系统构型变化、同工酶的改组及功能活力的改变有关。在多酶系统中,每一种酶的活性都受温度的影响,发生特异形态的反映,其综合结果是使它们能在低温下行使其功能,以保证各类物质代谢的适应性变化,为抗寒性的发展提供物质基础。

抗寒基因的表达和调控与植物抗寒性

抗寒基因是一种诱发基因,只有在特定条件(主要是低温和短日照)的作用下,启动抗寒基因的表达,进而发展为抗寒力。在抗寒基因表达前,植物抗寒能力仅仅是一种潜能,一种基础(简令成,1987)。早在1970年,W eiser首先提出植物对低温适应过程中基因表达改变的观点,同时他还指出多年生木本植物的低温适应可能需要两个条件:特异基因转录的激活及在最大耐寒过程中新蛋白质的合成(W eiser,1970)。支持W eiser观点的一个重要证据是Guy等用菠菜叶在5℃诱导产生出的m RNA(Guy等,1985)。

随着分子生物学技术的发展和渗透,在多种植物中,大量实验证明在植物抗寒性诱导过程中,改变了基因转录和蛋白质合成的模式(王洪春,1992);而且这些变化与植物抗寒性密切相关。近年来,研究者们集中研究了抗寒基因表达后合成的抗寒性特异蛋白,发现其中一些可能直接参与抗寒性的提高,另外一些可能是酶,它们导致代谢途径的改变,进一步合成新的适合抗寒力提高的物质。这些研究主要集中在诱导特异性的抗寒多肽、分离纯化这些特异抗寒多肽、分析氨基酸的序列、鉴定其天然的功能、利用它作为探针,筛选出特异的c DNA克隆。目前已在菠菜、苜蓿、冬小麦、冬黑麦、雀麦草、冬油菜和马铃薯等多种植物的抗寒力诱导中观察到抗寒性特异蛋白质的新合成,但这些特异性蛋白质在不同植物间差异很大,甚至同一植物在不同实验中也表现很大区别。潘杰、简令成等在诱导合成冬小麦抗寒特异性蛋白质的实验中证实植物的抗寒性是由多基因控制的,并证明抗寒性是一种积累性的数量性状,也就是说,植物的抗寒性是由多种特异的数量性抗寒基因调控的(潘杰、简令成和钱迎倩,1994)。相应的m RNA 的分离、鉴定及体外翻译也在进行中。John son2F lanagan和Singh等(1987)已分离纯化出可转译抗寒特异性多肽的m RNA。研究发现抗寒力诱导中基因表达的变化(即抗寒性特异性蛋白质的合成)很可能主要发生在转录水平上。现已从植物材料中分离到冷调节基因(CO R基因)。M ohap atra(1988)从经冷驯化的苜蓿品种中确认了三个CO R基因,通过构建c DNA文库,采用差异杂交筛选出与抗寒性有关的ABA控制的基因。他在1989年用同样方法已克隆到三个苜蓿抗寒特异性基因(p S M784,p S M2201,p S M2358),并研究了它们在转录时的丰富度及积累进程,结果表明,这些抗寒特异性基因很可能在转录水平上调控,它们在协同性方面受低温控制;并在4种不同抗寒性苜蓿中都观察到基因表达和品种的抗寒力呈正相关(M ohap atra, 1989)。Gil m ou r等在拟南芥菜中得到两个低温控制的基因克隆,分别是CO R4.7、CO R 6.6,它们转录产物只有在低温诱导下才能高水平表达(Gil m ou r,1992)。

一些抗寒基因表达调控的研究结果指出,ABA、水分胁迫、短日照处理都能诱导植物的抗寒力。近些年来,植物抗寒力诱导过程中内源ABA水平的提高以及外源ABA施用能提高植物的抗寒力已被许多实验所证实,并由此认为ABA能代替低温诱发抗寒基因的表达,合成抗寒特异性蛋白质和m RNA,它可能是抗寒基因表达的启动因子(简令成,1987)。V ida L ang以拟南芥为材料研究其抗冻力与低温、ABA处理而产生的生理变化之间的联系,研究了内源ABA和rab18m RNA的累积,发现低温处理的植物中,内源ABA水平略有上升;在低温处理中,ABA2调控rab18基因的表达程度很低,但可通过施用外源ABA和旱胁迫来使之提高。由此他们认为降低和增强抗冻力在拟南芥这种植物中是由不同机制获得的,ABA对冷驯化诱导的抗寒性可能有调节作用(V i o la L ang和Palva,1994)。另外ABA还可以提高植物和悬浮细

胞的耐冷力。Robertson等(1987)发现ABA提高植物对冷害适应性过程中可能涉及新蛋白质的合成。R ajinder等从ABA处理过的植株中分离到的m RNA进行体外转译,发现在ABA 诱导植物耐冷过程中,基因表达发生了显著的变化,其中一种编码20KD多肽的新合成的m R2 NA与耐冷性密切相关(梁建生,1991)。尽管ABA是植物抗寒性表达所必需的,但它对提高植物耐冻性的分子机理较为复杂,很可能是通过诱导某些特异性基因表达,间接地提高植物的耐寒性,在调节抗寒力方面,ABA和冷驯化启动CO R基因是否一致还有待进一步探明。

从冷害的角度出发,研究者通常认为Ca2+信使可能起着传递低温信息的作用,而启动Ca2+信使系统的一个中心环节就是Ca2+浓度的改变。R yn等(1994)认为磷脂酶D能感知低温的信息,进而调节膜脂的代谢,改变了膜脂成分,而磷脂酶D的活性受Ca2+浓度的变化所影响。M om roy的实验发现钙调素(Ca M)的抑制剂W7也强烈地抑制冷驯化诱导的抗寒力形成,这表明Ca2+信使系统在冷驯化过程中可能起着重要的调节作用(M on roy,Sarhan和D h indsa, 1993)。尽管有实验证明ABA调节的某些生理活动需要Ca2+的参与,但目前尚缺乏ABA诱导植物抗寒力的生理过程是通过Ca2+信使的传递作用而实现的直接证据。

在九十年代植物抗寒基因工程方面的工作也有显著进展。H igh tow er等(1991)将鱼类抗冻蛋白基因导入烟草和蕃茄中,发现产生的融合蛋白具有抑制冰晶形成的作用。1990年,M u2 rata实验室报道从一种抗冷的兰藻Synechocystis中克隆了一种膜脂脂肪酸不饱和度有关的脱饱和基因des A,将其导入另一不抗冷的兰绿藻A nacystis n idu lan s中,改变了后者的膜脂组成,使其光合作用在5℃下可不受明显抑制(M u rata等,1990)。1992年,M u rata又报道通过基因工程时PG的脂肪酸不饱和度的遗传改变可影响植物的抗寒性(M u rata,1992)。前面提到过,植物的抗寒性与其PG不饱和度和相变温度有关。抗寒性不同的植物,其PG脂肪酸不饱和度和相变温度均有差异,其原因主要与甘油232磷酸酰酶三种同工酶之一(A T1)对18∶1或16∶1脂肪酸的酰基选择性有关。M u rata他们以冷敏感植物南瓜和抗冷植物拟南芥菜为材料,分别构建了甘油232磷酸酰基转移酶的反转录c DNA文库,并分别用来转化烟草。用不同质粒转化的烟草植株,各膜脂中只有PG的脂肪酸成分发生了明显变化。转入耐低温的拟南芥菜A T酶基因的转化植株,其PG脂肪酸的不饱和度增加,因而光合抗寒力获得了提高;而转入冷敏感植物南瓜A T基因的烟草则相反。

这些抗寒基因、抗冻蛋白基因被导入植物体内得到转基因植株的报道,表明通过抗寒基因工程来改变植物的抗寒性,虽然其实际应用前景还有待进一步的研究,但也可能成为植物抗寒改良的一种新的育种途径。

结束语

以上介绍了植物抗寒性几个方面的研究进展,从中我们可以看到植物抗寒性生理机制的复杂性,如果仅从某一个层面去研究植物抗寒性或抗寒性中的某个环节是远远不够的。相信随着分子生物学和分子技术的发展,把植物抗寒性与遗传基因、酶系统的多态性以及代谢改组等有机地结合起来进行深入的研究去揭示植物抗寒性的本质已成为可能。目前一些尚未有定论的认识,如相变发生的温度范围、冷驯化如何启动CO R基因、冷驯化蛋白(CA IP)在细胞中的功能和定位如何、Ca2+信使如何传递低温信息使之转为一种分子水平的反应、CO R基因的具体功能和调控方式以及如何将外源抗寒基因导入不耐寒植物中以提高其种性产生抗寒性等,

正为未来提供了极好的研究课题。然而,把抗寒生理与遗传育种学结合起来,实现通过抗寒基因表达和抗寒基因工程的转移来提高植物抗寒性这一目标,尚需一番艰辛的探索。

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