植物防凍劑對葡萄抗寒能力的影響研究進展*

劉 暢，楊興旺，王小龍，王志強，劉鳳之，王海波

（中國農業科學院果樹研究所，農業農村部園藝作物種質資源利用重點實驗室，遼寧省落葉果樹礦質營養與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100）

低溫災害是指作物生長器官因環境溫度過低而受損，以致減產或絕產的農業氣象災害。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]，特別是霜凍對葡萄植株生長發育的危害尤為嚴重。早霜凍多發生在晚秋早霜來臨時，主要危害葡萄枝條和根系；晚霜凍常發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，我國各地葡萄主產區霜凍災害頻發，嚴重制約了我國葡萄現代化產業發展。以晚霜低溫災害為例，我國晚霜凍現象多發生在寒冷季節向溫暖季節過渡時期[2]，這一時期正值葡萄萌芽展葉期，北方地區冷空氣活動頻繁，當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，致使幼嫩部位細胞短時間結冰脫水，植株代謝過程受到破壞，進而造成葡萄新梢、嫩芽和幼葉等新生組織損傷[3]，嚴重時可導致葡萄死亡，造成減產或絕產[4]。

為了降低低溫災害給葡萄生產帶來的危害，國內外多采用樹體涂白、熏煙防霜、覆膜防寒[5]等物理措施預防低溫災害，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，并廣泛應用于生產中。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展，以期在葡萄栽培生產中能更安全、更合理地發揮外源防凍劑的作用，保障果農經濟效益，推進我國葡萄產業的現代化進程。

1 低溫對葡萄生長發育的影響

1.1 低溫對葡萄生長特征的影響

葡萄不同組織器官受凍發生時的臨界溫度不同，受凍表現也不同。普遍認為，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部開始變色，芽干枯后切面失綠變褐、變黑[8]，受凍嚴重時將喪失萌發能力，甚至影響芽的第2 年萌發。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為葉片表面褐變、干枯，畸形的組織無法繼續進行光合作用，進而影響葡萄的生長發育。除此之外，葡萄新梢受凍后表現為新梢基部節間顏色由綠色轉變為淺黃色至深褐色。由于萌芽期嫩梢的含水量較高，低溫發生時新梢內的自由水以及細胞組織發生結冰，維管層細胞間分離阻礙維管層細胞自我修復[8]，最終抑制新梢的正常生長。若霜凍低溫發生在葡萄生殖生長階段，花穗會因無法正常授粉受精而影響開花坐果。

1.2 低溫脅迫對葡萄生理特征的影響

低溫災害不僅引起了葡萄植株表觀變化，同時也影響著植株的正常代謝途徑，進而造成葡萄生長發育過程中生理指標的變化。

細胞膜被認為是植株受凍的首要部位[10]，這與質膜的流動性有一定關系。質膜的流動性包括膜脂和膜蛋白的流動，當植株處于低溫脅迫時膜脂從液晶態變為凝膠相，鑲嵌于膜脂上的膜蛋白被固定，酶系統受到破壞，質膜因收縮而出現孔道，甚至龜裂，喪失了主動運輸功能和選擇通透性，從而使細胞質膜透性增大，造成質膜內電解質外滲，質膜內、外離子失衡，最終導致植株代謝途徑和功能紊亂[11]。細胞質膜透性的變化程度常用電導率來表達，范宗民等[12]、賈金輝[13]研究發現葡萄枝條的相對電導率均隨溫度的降低而增加。

低溫脅迫可以通過增加滲透調節物質含量以維持細胞膜的流動性和穩定性，提高葡萄抗低溫能力，保證葡萄植株的正常生長[14]。葡萄體內滲透調節物質主要包括可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸等。當溫度逐漸下降，葡萄體內的淀粉被水解為糖，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，因此能夠提高細胞的滲透壓[16]，使細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也表現出增加的趨勢[18]?？扇苄缘鞍踪|作為親水膠體[7]，能夠增加細胞內束縛水含量、降低冰點，使其能適應低溫環境，并提高葡萄的抗寒性。

低溫脅迫條件下，葡萄體內能產生大量的生物大分子和對膜脂有害的活性氧（超氧自由基、羥基自由基和過氧化氫），過量的活性氧會造成細胞質膜過氧化進而破壞細胞膜結構，降低細胞膜的穩定性和選擇性。此時植株為了適應低溫變化，開始激活體內超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等抗氧化系統來清除活性氧和自由基，以減少或避免膜脂過氧化對細胞膜造成的傷害，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制

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

2.1 無機鹽類防凍劑

外源氯化鈣（CaCl2）被證實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行噴施CaCl2處理，結果顯示5 mmol/L CaCl2能夠緩解低溫對葡萄植株的傷害。從生理學角度分析，Ca2+是植株必需的營養元素，能夠促進植株可溶性糖積累，糖作為植株體內能量的直接來源可提高植株耐寒性；同時，Ca2+是維持細胞膜穩定的必需因子，其作為磷脂中磷酸根和蛋白質羥基之間連接的橋梁，可以使細胞壁和細胞膜結構更加穩定和完整，從而提高植株抗寒力[20]。

2.2 有機化合物類防凍劑

這一類植物防凍劑能夠調控細胞膜滲透物質，增加蛋白質和細胞膜的結構穩定性，提高抗氧化物酶活性，清除植株體內多余的氧自由基，減少過氧化過程對植物造成的傷害[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]的研究結果一致，SA 能有效緩解低溫對巨峰、全球紅和里扎馬特葡萄的低溫傷害。這可能是由于SA 通過降低質膜的相對透性以維持細胞滲透平衡作用，緩沖了低溫脅迫對細胞膜的傷害；其次外源添加SA 能有效增加可溶性糖含量，從而產生充足的能量以維持能量消耗；另外，SA 作為一種調節物質能誘導SOD 和POD 活性的提高，葡萄體內較高的抗氧化酶活性保證了對自由基的清除能力，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的自由態四碳非蛋白氨基酸[23]。正常條件下，高等植物體內GABA 的含量較低；當遭受低溫脅迫時，植株體內GABA 含量會大量積累，以適應低溫環境。外源添加GABA 后，葡萄嫩芽凍害率和凍害指數均低于對照，葡萄葉片相對電導率與對照相比降低了37.6%，SOD 和POD 活性分別比對照增加了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刺激植株體內SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶活性，抑制活性氧積累，防止細胞膜脂過氧化，維持了細胞膜的完整性，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 誘導了植株體內吲哚乙酸和脫落酸含量的增加，進而上調SOD、POD 和CAT 的活性以抵御體內活性氧含量，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分子在低溫脅迫中調節植物生長。

蕓苔素內酯（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，增加抗氧化物質和滲透調節物質的含量，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ASAGSH 循環，而APX 又能夠通過ASA-GSH 循環將H2O2分解為H2O[26]，抑制葡萄幼嫩組織細胞脂質過氧化作用，緩解低溫脅迫對葡萄造成的傷害。

脫落酸（Abscisic acid，ABA）又稱S-誘抗素，是一種半萜類結構的內源性激素[27]。ABA 作為植物防凍劑已廣泛應用于葡萄生產中。在低溫條件下，外源噴施ABA 能夠顯著降低相對電導率和丙二醛含量，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。一般認為，ABA提高植株抗寒性機制是激活了植株細胞保護系統，穩定了細胞膜結構的完整性。近年來，研究者們通過分析基因表達來解釋ABA 調控植物的抗寒機制。例如，低溫脅迫下外源添加ABA 后擬南芥低溫誘導基因PHH78[29]、ABF1和ABF4[30]的表達，從而提高擬南芥抗寒性。但目前，分析防凍劑誘導葡萄抗寒基因表達的研究尚不多見。

褪黑素（Melatonin，MT）是一種吲哚類小分子化合物[31]。有研究發現，MT 在提高植物抗氧化能力及植物對低溫的抗性等方面都發揮著重要的作用。仝亞軍等[31]研究了外源MT 對SN15 葡萄防御霜凍作用的影響，噴施100 nmol/L MT 后葡萄幼葉的多項生理指標都有顯著變化，幼葉的相對電導率比對照下降了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用于葡萄生產中，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節劑，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酶活性和滲透調節物質的含量，以提高巨峰葡萄的抗寒性[33]。但是，目前對于新型植物防凍劑的抗寒機理仍缺乏深入的研究，特別是新型植物防凍劑的安全性評價更是缺乏有力的報道。

3 問題與展望

受全球氣候的影響，我國極端低溫天氣頻發，低溫災害嚴重制約了我國葡萄產業的健康發展。因此，通過應用植物防凍劑提高葡萄抗低溫能力已成為研究的熱點。但是，隨著植物防凍劑的應用及其調控機制的揭示，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據，不同植物防凍劑對同一葡萄品種抗寒性的影響效果仍需進一步探索，部分植物防凍劑的使用效果評價及作用機理更是缺乏完整的解析。

為了更好地發揮植物防凍劑的作用，一方面可以研發多元復合型植物防凍劑，基于植物防凍劑之間的協同特性，在提高葡萄抗寒能力的同時，也提高葡萄其他耐受性，增強植株自身的抗性；另一方面應盡量選擇或研發成本低、無毒性、無殘留、降解快的植物防凍劑，以節約經濟成本、提高葡萄生產效率；最后，只有將植物防凍劑提高葡萄抗寒性機理研究與大田試驗相結合，才能將植物防凍劑切實地應用到葡萄現代化生產中。