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近年来药用植物抗寒生理研究进展综述

发布时间:2015-02-12 作者:论文发表向导网

引言

温度是影响药用植物生长发育的重要因素,在一定程度上也影响着药用植物的分布和道地药材的形成,研究低温胁迫对药用植物生理生化指标的影响及药用植物抗寒性生理具有重要的理论和实践意义。根据环境温度与冰点温度之间的关系,低温胁迫可分为低温冷害(高于冰点温度)和低温冻害(低于冰点温度),低温冻害以胞外结冰造成细胞脱水或胞内结冰造成细胞死亡的方式伤害植物。为缓解低温对植物的伤害,多数文献报道主要从生物膜、渗透调节物质、植物生长物质、活性氧平衡和保护酶活性等方面对植物抗寒性进行研究,但多集中在大田作物和园林园艺植物等。随着药用植物栽培技术的进步,人们对药用植物的生理研究越来越深入,其抗寒性研究已取得一定的进展。为此,本研究结合药用植物的特殊性,综述了近年来药用植物抗寒生理研究进展,并指出新的研究思路,以期为药用植物抗寒研究提供参考。

1 生物膜与药用植物抗寒性

质膜和内膜系统共同组成了行使物质交换与信息传递功能的生物膜系统,其结构和功能的完整性对药用植物有着至关重要的作用。质膜是植物细胞感受低温胁迫最敏感的部位,也是低温胁迫对植物细胞影响的第一作用部位,低温胁迫会造成质膜通透性增大,电解质外渗,蛋白质变性,酶活力降低、失活,引起代谢失调。生物膜通透性及膜脂过氧化作用常用来评价药用植物抗寒性。

1.1 寒害对膜结构和功能的影响

低温冷害下,质膜上的膜脂从液晶态向凝胶态的转变,膜脂上的脂肪酸从无序排列向有序排列转变。

质膜外形和厚度也随之改变,膜收缩,膜上出现裂纹、孔道,质膜通透性增大,使得膜内电解质大量外渗,从而破坏胞内离子平衡,酶活性降低,植物代谢失调。

温度继续下降则会发生冻害,导致质膜结冰,会从脱水、机械和渗透3方面影响植物。在这3方面下会使脂质层拉破,质膜中蛋白质和膜脂发生重排,膜透性增大;同时会引起质膜上蛋白质变性,酶失活,引起代谢失调。

植物抗寒能力与低温下是否能保持膜的流动性和稳定性有密切关系,膜流动性越小,稳定性越低,植物抗寒性越弱。为抵御低温胁迫,植物可能通过增加含有较多不饱和脂肪酸的类脂或改变类脂中脂肪酸配比来维持膜流动性。所以,抗寒植物的抗寒性是由2个方面因素形成的,一是抗寒植物对低温的长期适应,自身具有较多的不饱和脂肪酸;二是在低温逆境下,具有较强抗寒性的植物能够在膜脂中优先积累较多的不饱和脂肪酸并使之迅速参与生物膜结构。所以在低温适应过程中,低温使植物产生了一系列反应,包括大量合成、积累不饱和脂肪酸在内的综合变化,以维持自身的抗寒能力。沈曼对杜鹃2个不同抗寒性的栽培品种毛白杜鹃和西洋杜鹃叶片磷脂的主要组分和脂肪酸组成进行分析,研究结果表明,抗寒品种毛白杜鹃具有较高的不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸比值。随后他又测定了栽培在露地和温室的常春藤磷脂及其脂肪酸组成,结果表明与温室栽培相比,露地栽培的常春藤具有较高的不饱和磷脂和不饱和脂肪酸含量。

1.2 寒害对药用植物膜脂过氧化作用的影响

低温胁迫下,植物会产生过剩的活性氧(ROS),引发或加剧膜脂过氧化作用,造成生物膜系统损伤。引起生物膜系统损伤的重要物质是膜脂过氧化的中间产物自由基(ROS 的一种)和最终产物丙二醛(MDA)。

MDA 对细胞膜和细胞中的许多生物功能分子有很强的破坏作用。它能与膜上的蛋白质氨基酸残基或核酸反应生成Shiff碱,降低膜的稳定性,加大膜透性,使细胞膜的结构、功能紊乱,严重时导致细胞死亡。所以,MDA 是膜脂过氧化的重要指标。东北红豆杉和月季随低温胁迫时间延长或温度的下降,细胞的膜脂过氧化作用增强,细胞膜受害加剧,MDA含量上升,高抗寒植物MDA含量的增加幅度要明显小于冷敏感植物,冷锻炼可以提高生物膜系统的稳定性,降低对低温胁迫的敏感性,提高抗寒性。

2 渗透调节物质与药用植物抗寒性

寒害致使细胞膜通透性加大,造成药用植物细胞中电解质外渗,细胞外渗透势降低,从而造成药用植物生理性缺水,最后导致植物死亡。

2.1 寒害对胞内无机离子浓度的影响

细胞内无机离子对细胞抗寒性有重要作用。钠离子和钾离子都是调节植物渗透压的重要离子,具有调节气孔开闭等生理功能。钙离子作为细胞信号传导的第二信使,在药用植物适应性与对环境的反应中有重要作用。低温胁迫会使药用植物质膜发生变化,使得质膜上的受体感受到低温变化,并通过质膜上一系列磷酸化反应(G蛋白、磷脂酶介导等)激活质膜上的钙离子通道,使得钙离子从钙库释放到细胞质,造成细胞质内钙离子浓度增加。伴随胞内钙离子增加植物细胞会产生相应变化适应或抵抗低温胁迫(维持质膜结构和功能、坚固细胞壁、控制胞间连丝的开闭和通过相关蛋白激酶诱导抗寒基因的表达),续性低温胁迫会造成钙离子浓度过高,对植物产生毒害作用(代谢或细胞结构受损)从而增加低温胁迫。

2.2 寒害对糖类物质的影响

糖类物质是植物应对低温胁迫所积累的重要有机化合物。植物常常以改变体内糖类物质组成来适应低温胁迫。但是糖类物质与药用植物抗寒性具有复杂的关系,不同品种的药用植物含糖量也不相同。王丽娜等对抗寒与非抗寒品种菊芋经低温锻炼后细胞内含物研究表明,抗寒性品种随温度降低,总糖含量升高,还原糖含量升高,可溶性糖含量增加,淀粉含量降低;非抗寒性品种,总糖含量降低,还原糖升高幅度小,可溶性糖含量降低,淀粉含量降低幅度大;而且2个品种低温处理后,其含糖量并不相同。樊金萍等对不同品种百合抗寒性进行研究也得到相同结论。

2.3 寒害对蛋白质含量及游离脯氨酸的影响

在一定温度范围内,可溶性蛋白含量随温度降低而升高。而不同植物对低温胁迫的反应不同,一些植物增加自身原有蛋白含量,另一些植物产生抗冻蛋白(antifreeze proteins,AFPs),其含量和植物抗寒性有很大关系。温度继续的降低或胁迫时间的延长时,蛋白质含量会降低,蛋白质降解是植物应对低温胁迫的途径之一。随着温度的降低,连翘和美国金钟连翘枝条梢部、中部和基部的可溶性蛋白含量呈明显的先上升后下降的变化趋势,与抗寒性相关性较好。

AFPs 能够抑制植物体内冰核的形成和生长,维持体内水溶液的稳定,从而使生物适应低温环境。根据其功能AFPs可为两类:(1)热滞效应蛋白(THP),可以非依数性降低水的冰点而不影响其熔点;(2)抑制冰晶重结晶蛋白(IRIP),能够抑制冰核继续扩大形成较大的冰块,2类蛋白均有增强植物抗寒性作用。

在低温胁迫下,许多药用植物体内脯氨酸(Pro)含量增加。随着胁迫温度的降低或胁迫时间的延长,药用植物无法抵抗低温胁迫,脯氨酸分解速率大于合成速率,造成脯氨酸含量降低。脯氨酸是一种水和能力较强的氨基酸,具有渗透调节作用、解毒降低冰点作用、保护质膜与蛋白的作用和防止活性氧对膜脂和蛋白的过氧化作用,其含量的增加有助于细胞持水和生物大分子结构的稳定,并从而增强植物的抗寒性和适应性。

通常植物在受到低温胁迫时,体内会合成蛋白质,并且脯氨酸并不影响蛋白质的合成。在自然降温(12月底前)过程中,云锦杜鹃叶片中脯氨酸和可溶性蛋白含量随气温下降而增加。

2.4 寒害对甜菜碱含量的影响

甜菜碱是药用植物重要的渗透调节物质之一,对药用植物低温胁迫适应性和抗寒性有重要作用。低温胁迫下,药用植物体内通过诱导甜菜碱的积累,维持细胞膜稳定性和完整性,稳定蛋白质复合物的四级结构,提高细胞的渗透调节能力,维持体内无机离子的平衡,缓解胁迫对PSⅡ的伤害,保持较高的光合速率,维持逆境条件下酶的活性,诱导体内抗寒基因的表达,从而增强植物的抗逆性,且胁迫对体内甜菜碱积累的影响因植物种类或品种不同而有差异,甚至同一品种的不同部位甜菜碱的积累程度也存在一定差异。韩东芳等认为甜菜碱的这些细胞保护功能可能同它自身的与大分子结构和功能的亲合性有关。

3 植物生长物质与药用植物抗寒性

在植物应对低温胁迫中,植物生长物质(plantgrowth substance)有着重要作用。包括脱落酸(ABA)、赤霉素(GA)、生长素(IAA)、茉莉酸(JA)等植物激素(plant hormones) 和 PP333等 植 物 生 长 调 节 剂 (plantgrowth regulators)。

植物激素对药用植物抗寒性有一定影响。ABA可能会控制植物抗寒性、维持细胞膜结构功能及对逆境信号有传导作用,低温胁迫会诱导抑制生长类激素含量升高,并在植物相关代谢作用下全株扩散,调节细胞相关物质代谢以抵抗低温,当温度达到致死低温时,抑制生长类激素含量会随温度降低而降低。自然条件下,南方红豆杉随胁迫温度的下降ABA含量增加,GA、IAA含量下降,并与其抗寒力的变化有明显的相关性;玉米素核苷(ZR)含量先降后升,表明与冬芽萌发有关。沈漫研究结果表明,露地栽培的常春藤具有较强的抗寒性,其ABA含量显着高于温室栽培的常春藤,GA含量低于温室栽培的常春藤。在抗寒锻炼中不同激素间的配比和平衡调节比单一类型激素的变化更为重要,曲玲慧研究表明,常温条件下(25℃),抗寒性强的葡萄品种叶片中 ABA、JA 和异戊烯基腺苷(iPA)含量均高于不抗寒品种,而IAA、GA含量则低于不抗旱品种,低温条件下(5℃,-15℃),3 个葡萄品种叶片中 ABA 呈现先升高后降低的趋势,而IAA、GA、iPA 则显示出先降低后有所升高的变化;ABA 与 IAA、GA、iPA 的比值总体表现出先升高后降低的趋势,并且其变化数值与温度呈负相关;抗寒性强的品种叶片中ABA/GA、ABA/IAA均大于抗寒性差的品种,并推断,ABA/GA和ABA/IAA可以作为判断葡萄品种抗寒性的指标;ABA/JA与IAA/GA随品种抗寒性的增强及温度的降低而显着增大,与品种抗寒性呈负相关。植物外源ABA能够替代低温诱发抗寒基因的表达,合成抗冻蛋白。Yao认为外源ABA是通过提高低温下过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性来提高栝楼抗寒性,低温胁迫和外源 ABA下对过氧化氢酶2 (CAT2)相对基因的表达及增强栝楼叶片抗寒性有重要作用。刘丽洁研究表明外源ABA 主要通过依赖于 ABA 的信号途径影响冬小麦抗寒基因的表达,并且对抗寒性强的冬小麦品种影响明显,但外源ABA对不依赖于ABA的信号途径中的抗寒基因也有一定的影响,也能在一定程度上促进这些基因的表达。

对植物抗寒性的研究表明,植物抗寒性不仅与植物激素有关,植物生长调节剂对植物抗寒性也有一定关系。生长调节剂能够增加脯氨酸含量,降低丙二醛含量,稳定膜结构,减轻膜受低温伤害的程度。朱芹以1年生山茱萸为试材,在8月喷施植物生长调节剂多效唑(PP333)与 6-苄基腺嘌呤(6-BA)复配剂能够提高山茱萸苗抗寒性。

4 ROS平衡和保护酶活性与药用植物抗寒性

氧作为植物体内重要的电子受体参与多项生命活动,并提供能量,但同时自身也会被活化,形成对细胞有伤害的活性氧。活性氧是植物正常代谢中产生的一种物质,但它必须及时除去,否则会引起膜脂的过氧化水平过高,引起膜脂结构和生物大分子的破坏(攻击蛋白质的氨基酸残基,造成蛋白的断裂或酶类的失活),造成膜失去其功能,重者导致细胞死亡。为了平衡植物体内的活性氧,植物体内形成的以超氧化物歧化酶(SOD)为主导的保护酶类或如Vc等的非保护酶类的清除ROS系统,他们可主动清除活性氧,维持植物体内活性氧平衡,防止植物受活性氧积累的威胁。

正常条件下,ROS产生与清除系统处在平衡状态,并且ROS浓度低,对植物细胞不构成威胁,而且还有重要的信号作用。

在低温胁迫下,植物体内电子传递酶类活性降低,造成大量氧自身活化形成活性氧,打破了原有ROS产生与清除系统的平衡,危害植物正常生理代谢。研究表明ROS清除系统对植物抗寒性的调节是依靠协同作用完成的,它是通过增加酶促保护系统中某种酶的活性(SOD、POX),或是通过提高非酶促保护系统中抗氧化剂含量(Vc)来降低细胞内活性氧和自由基的积累,平衡植物体内活性氧,维持膜结构的完整性和稳定性,保证膜功能的正常行使,从而保护植物免受低温胁迫的伤害,增强植物的抗寒性。严寒静以人工栽培的栀子为材料,研究了其叶片膜保护系统随气温下降的变化,结果表明,随温度降低SOD、POX活性增强,Vc 含量增加,使膜保护系统清除自由基的能力加强。

向邓云对自然降温下引种栽培的4年生曼地亚红豆杉的膜保护系统进行研究,得到同样结论。在药用植物受到逆境胁迫时,并不是所有的保护酶活性都增加。当温度达到药用植物的临界值死温度时,随着温度的下降或胁迫时间的延长,细胞内各种酶的生理活性降低,使得清除ROS的相关酶合成减少,同时为抵御低温胁迫分解细胞内部分蛋白质,加剧清除ROS的相关酶的分解,使得清除ROS的相关酶含量活性降低。李品明对黄连在低温胁迫下抗氧化酶活性的变化进行研究,结果表明低温胁迫使黄连叶片SOD酶活性降低,但POD酶活性显着升高。王现科以采自不同地区的8个居群栝楼幼苗为试材,6℃胁迫36 h,结果表明,8个居群栝楼幼苗叶片的SOD活性变化不明显,POD 活性迅速下降,至 36 h 仍有微弱变化。

5 次生代谢产物对药用植物抗寒性的影响

低温胁迫不仅影响药用植物的正常生长,还影响药用植物的产量及品质。植物次生代谢产物是细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子化合物,主要参与植物和环境之间的相互作用,对植物低温胁迫有一定影响。

酚类物质是一类活性氧清除剂,酚羟基具有很强的失电子能力,通过单电子转移的方式清除或减少植物以内ROS,酚类物质可能对植物抵御低温胁迫有一定作用。王静研究了外施丹宁酸对低温胁迫下紫花苜蓿膜的通透性,结果表明单宁酸溶液能提高苜蓿抗寒性。她在对5种高寒地区植物中酚类物质含量变化与其抗寒性关系进行研究时,认为总酚、单宁和缩合单宁对植物抗寒性有显着负相关。

花色苷是类黄酮类化合物,对花色苷和药用植物抗寒性之间的关系说法不一。Parker 对洋常春藤Hedera helix L.耐寒性进行研究表明,随着叶片内总糖和花色苷含量的升高洋常春藤耐寒能力增加。但Singh 等对不同品种鹰嘴豆抗旱性进行研究,认为花色苷与植物抗寒性无关。而张超对低温下玉兰花期抗寒性与花色苷进行研究表明,外来的突然降温会影响紫玉兰花色苷含量的合成,使其含量下降,当适应了低温环境后变化不大,但低温胁迫继续加大会导致花色苷合成受阻,含量降低,低温胁迫主要影响白玉兰的花色苷含量,而对类黄酮含量的影响不大。Eskin认为花色苷是通过提高植物叶片温度来提高植物抗寒性的。孙明霞认为,植物液泡中积累的溶性物质可以降低冰点,表皮细胞液泡中积累的花色素苷可以防止表皮细胞受到冻害,尤其是可以防止叶表面形成冰核物质,从而保护落叶植物免受早秋霜冻的危害。目前花色苷增强植物抗寒性的机制还不清楚,此方面有待于进行深入研究。另外,低温胁迫下,外施抗坏血酸和油菜素甾醇对水稻幼苗具有一定保护作用。

6 总结与展望

近年来,植物抗寒性在植物组织细胞、器官及细胞内含物、低温下ATP酶及胞内物质代谢变化、低温信号传导与基因方面取得了一定进展,在此基础上本人大胆建议,药用植物抗寒性还可以从以下几方面深入研究:

(1)植物抗寒性表现最终是由基因表达所控制的,所以对植物抗冻相关基因的研究是改善其抗寒性的根本途径。因此,抗冻生理代谢、植物细胞信号的传导、抗冻基因定位和定量分析诱导基因表达条件(光周期、光强、水分、养分及温度)、植物抗冻基因工程以及抗冻遗传应用是当今植物抗寒性研究的热点话题。

(2)低温造成植物体内结冰是质膜伤害的重要原凶。研究低温锻炼下或冰冻伤害下质膜的结构、化学成分及功能变化临界点是以后植物抗寒研究的方向之一;当植物受到低温胁迫时,常会伴随发生干旱、盐碱等胁迫,而且植物对逆境的反应存在交叉适应,所以不能单单对一种逆境进行研究,需要结合多种逆境对植物抗性进行综合评价。

(3)由于现在观测方法、仪器的限制和植物抗寒机制(激素的合成及对相关基因调控)的复杂,低温对部分植物抗寒指标的影响还未完全被认识,很多植物抗寒机理没有明确;植物抗寒性是由多基因控制,多因素共同作用的结果。在对植物抗寒性进行鉴别时,不能只研究其中一种或几种评价植物抗寒性,需要综合各种因素,多种分析方法相互印证,选用合适的分析方法也是植物抗寒性研究的方向之一。

(4)栽培药用植物常常和其品质(药效成分,外观等)有关,但是绝大多数药效成分是植物的次生代谢产物,而逆境有助于植物次生代谢产物的积累。因此,在研究药用植物抗寒性时,不仅要结合药用植物产量,而且要考虑药用植物品质。

(5)药用植物低温胁迫生理生化变化依然很重要。由于药用植物种类多而复杂,基本包括大部分植物。现阶段对药用植物抗寒性生理研究的鲜有报道,所以探寻药用植物抗寒生理是现在的研究方向之一,并且有助于研究药用植物进化、分布、道地药材形成、栽培采收技术和抗寒育种等。

(6)植物抗寒性不仅需要研究,而且需要实践应用。应将电子信息遥感、农业气象、农业机械、植物栽培、植物生理生化、植物分子生物学、植物生态学、植物遗传育种各学科交叉,使得植物抗寒性理论与高产现代化栽培有机结合。以创造更高生态、经济效益为目标,为寒害预测,产量品质评估,预测并指导栽培(根据相应气象材料计划调整相应栽培措施)做努力。

参考文献

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