我國蔬菜作物耐低溫性研究進展

錢恒彥 潘寶貴 刁衛平 戈 偉 郭廣君 劉金兵 陳學好 王述彬*

（1揚州大學園藝與植物保護學院，江蘇揚州225100；2江蘇省農業科學院蔬菜研究所，江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室，江蘇南京210014）

低溫脅迫（冷害和凍害）是指低于植物最適生長溫度下限的溫度環境，是影響植物生長、發育和地理分布的重要環境限制因素（何潔 等，1986）。低溫脅迫對作物的產量、品質等都會產生影響，導致重要農作物的減產，已經成為生產中亟須解決的問題（王士強 等，2016）。辣椒、黃瓜、番茄等喜溫蔬菜作物對低溫敏感，植株在0～10 ℃時會受到嚴重傷害，葉片呈水漬狀，果實出現壞死斑點，生長受到抑制，品質降低，產量下降（尹延旭 等，2009；任旭琴 等，2010；徐曉昀 等，2016）。

蔬菜作物耐低溫性為多基因控制的累積性數量性狀，受加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制（王建康和蓋鈞鎰，1997）。在生理機制研究方面，蔬菜作物主要通過增強滲透調節和抗氧化能力，減緩低溫脅迫對細胞膜系統的傷害（劉偉 等，2009）。近年來，隨著分子生物學的發展，植物耐低溫的分子機制研究進展迅速，如在植物ICE-CBF-COR通路中，作物通過冷信號轉導，激活AP2/ERF、MYB、NAC等轉錄因子，特異結合CBF（C-repeat binding factor）基因順式作用元件，調節冷調節（cold-regulated，COR）基因的表達，提高植物對低溫脅迫的適應性（李紅霞 等，2013；劉輝 等，2014）。有關植物耐低溫的分子機制還不明確，其冷適應性可能是低溫防護蛋白、抗凍蛋白、植物脫水素、膜關聯耐凍性多肽蛋白等共同作用的結果（王瑞云 等，2006）。

本文概述了蔬菜作物耐低溫性的遺傳模型研究情況，綜述了蔬菜作物抗氧化酶、滲透調節物質、植物激素等生理生化指標在蔬菜作物耐低溫性中發揮的作用，闡述了蔬菜作物MYB、NAC、AP2/ERF等轉錄因子應答低溫脅迫的分子機制，以期為提高蔬菜作物耐冷性研究和耐冷性分子標記輔助選擇提供參考。

1 蔬菜作物耐低溫性的遺傳研究

1.1 蔬菜作物耐低溫性遺傳模型

植物的耐低溫性是由多基因控制的累積性數量性狀（安靜 等，2007）。閆世江等（2011）利用黃瓜耐低溫材料9507和低溫敏感材料9517構建群體，采用主基因-多基因聯合遺傳模型分析表明，黃瓜耐低溫性遺傳受2對加性主基因+加性-顯性多基因控制，其中主基因遺傳率為62.9%～79.3%，多基因遺傳率為3.4%～7.8%。靳哲（2012）以結球甘藍耐寒自交系10-352和不耐寒自交系07Q214配制6個聯合世代群體，采用主基因+多基因混合遺傳模型分析表明，甘藍耐寒性遺傳由2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制，其中控制結球甘藍耐寒性的2對主基因加性效應相同。總的來說，由于植物耐低溫性受多基因控制，遺傳模型的復雜性，同時受低溫鑒定方法、耐低溫材料的影響，蔬菜作物耐低溫遺傳模型研究進展較緩慢。

1.2 蔬菜作物耐低溫性主要農藝性狀的相關分析

蔬菜作物耐低溫評價大部分集中在幼苗期。低溫脅迫條件下，植物生長受到抑制（何潔 等，1986），株高、莖粗呈下降的趨勢，脅迫程度越高，下降現象越明顯（曾韶西和王以柔，1990）。茄子、黃瓜耐低溫性研究表明，發芽率、幼苗株高與作物苗期耐低溫性呈正相關（閻世江 等，2012a）。張蜀寧等（2008）在-5～5 ℃條件下處理四倍體不結球白菜，發現葉片厚度、葉柄寬、單株質量、單株葉片質量、葉片質量/葉柄質量及小區產量等農藝性狀均顯著高于其同源二倍體。黃瓜和番茄幼苗在遭受低溫脈沖的時候，株高與低溫脈沖的強度呈負相關，而成株期早期產量和品質沒有受到影響（Grimstad，1993）。當甜椒幼苗遭受5 ℃低溫冷害時，對耐低溫品種的株高、莖粗影響不大，和不耐低溫的材料相比差異顯著（盧起建 等，2007）。

不同的蔬菜作物適合鑒別的耐低溫溫度不同，如茄子低溫鑒定溫度在10 ℃左右，辣椒低溫鑒定溫度在4 ℃左右，它們的共同之處在于低溫處理之后的發芽率、幼苗株高等均與苗期的耐低溫性呈正相關，耐低溫材料成株期的果實產量及單果質量與不耐低溫的材料相比差異顯著。

2 蔬菜作物耐低溫性的生理指標

2.1 滲透調節物質與耐低溫性

遭受逆境脅迫時，植物通過主動積累滲透調節物質來改變細胞液濃度，降低滲透勢，以適應脅迫環境（吳燕 等，2018）。滲透調節物質主要分為兩類，一類是可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸（Pro）等小分子有機溶質，另一類是Ca2+、K+等無機離子（頡建明 等，2009）。研究表明，10～15 ℃低溫馴化環境下生長的甜椒幼苗葉片中Pro的含量有不同程度提高（羅立津 等，2011）；不同生長年限蘆筍可溶性糖和Pro含量隨著脅迫溫度的降低而明顯增加（張玉霞 等，2006）。Ca2+在植物細胞內具有充當信使傳遞胞外信號的作用，外源Ca2+可顯著增強蔬菜作物的耐低溫性，噴施10 mmol·L-1CaCl2減少了黃瓜幼苗中H2O2、O2-活性氧積累（吳幗秀等，2017），1 200 mg·L-1CaCl2可緩解番茄幼苗冷害程度（雋加香 等，2015）；番茄耐低溫品種通過迅速調整細胞質、液泡和細胞間隙Ca2+水平梯度應激低溫脅迫，而冷敏感番茄品種則無明顯變化（雷江麗和杜永臣，2000）。

2.2 抗氧化物與耐低溫性

抗氧化物包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）等抗氧化酶和谷胱甘肽（GSH）、褪黑素（MT）、抗壞血酸（ASA）等非酶抗氧化物質（杜秀敏 等，2001；樊懷福 等，2007）。在適溫條件下，植物體內SOD、APX、CAT等抗氧化酶活性維持在一定的水平，能夠清除細胞內過量的自由基，避免對生物大分子和質膜的破壞，這種平衡可能被逆境打破，造成膜傷害（尹延旭 等，2009）。研究表明，黃瓜、辣椒等作物在低溫脅迫時，植株體內SOD、POD等抗氧化酶活性明顯上升，其中耐低溫性強的品種抗氧化酶上升幅度和活性顯著高于低溫敏感品種（馬艷青和戴雄澤，2000；逯明輝 等，2005）。辣椒、苦瓜、黃瓜等嫁接苗的耐低溫性優于自根苗，嫁接苗通過提高抗氧化酶、抗氧化劑含量，減緩了H2O2、O2-等活性氧的累積導致的對細胞的傷害（馮炘 等，2002；王洪濤 等，2010；王佳楠 等，2018），低溫脅迫下嫁接苗葉片中ASA、GSH等非酶抗氧化物質含量也高于自根苗（高俊杰 等，2009）。外源MT處理可以顯著提高黃瓜、番茄、茄子等作物的耐低溫性，表現為幼苗株高、莖粗、植株干鮮質量增加，光合作用增強，抗氧化酶活性提高（包宇 等，2013；高青海 等，2014；吳雪霞和姚靜，2017）。低溫脅迫下，擬南芥會通過誘導超氧化物歧化酶中的FeSOD基因和過氧化物酶中的GPX基因通過過氧化物酶系統來抵御寒冷（Soitamo et al.，2008）。

2.3 植物激素與耐低溫性

脫落酸（ABA）、赤霉素（GA）、水楊酸（SA）是重要的植物激素，能夠調控植物的生長發育，如促使葉片脫落、抑制果實成熟等，其中ABA是響應生物脅迫和非生物脅迫的“應激激素”（龍翔宇 等，2013；劉娟娟和汪惠麗，2017）。對耐低溫性不同的黃瓜材料進行低溫處理，各材料ABA、IAA、GA3含量顯著上升，其中耐低溫材料內源ABA含量顯著高于低溫敏感材料（閻世江 等，2012b）；適量濃度的外源ABA提高了甜椒、蘿卜、黃瓜幼苗對低溫脅迫的耐受性，外源ABA增強了幼苗滲透調節能力和抗氧化酶活性（羅立津 等，2011；初敏 等，2012；楊楠 等，2012）。在通過嫁接提高蔬菜作物接穗耐低溫性的研究中，黃瓜、西葫蘆嫁接苗內源ABA、ABA/GA1+3含量顯著高于自根苗（陳貴林 等，1998；于賢昌 等，1999），說明較高水平的ABA含量是嫁接苗較耐低溫的內在原因。

3 蔬菜作物耐低溫性的分子機制

3.1 MYB轉錄因子

MYB家族成員均含1個高度保守的MYB DNA結合結構域（劉輝 等，2014），根據重復片段（R）個數可分為MYB3R（R1R2R3-MYB）、R2R3-MYB和R-MYB等類型。Dai等（2007）研究證實，擬南芥中超量表達水稻MYB3R-2基因，能通過提高DREB2A、COR15a及RCI2A等低溫應答基因表達增強植株的耐低溫性。李佳（2018）分析鑒定出184個馬鈴薯MYB轉錄因子StMYB，其中19個轉錄因子響應低溫脅迫。MYB基因OsMYBS3（Os10g41200）在水稻正常生長條件下的葉中表達水平較高，參與DREB1/CBF冷脅迫信號途徑（Katiyar et al.，2012）。張欣等（2011）從番茄中分離得到1個R2R3-MYB類轉錄因子SlMYB1，將SlMYB1轉入到水稻中可顯著提高水稻對低溫脅迫的耐受能力。紫甘藍遭受低溫脅迫時通過基因BoPAP1的急速上調來促進花青素的合成從而抵御寒冷（Zhang et al.，2012）。

3.2 NAC轉錄因子

NAC轉錄因子的N端具有一個保守的約150個氨基酸組成的NAC結構域，含有A、B、C、D和E 5個亞結構域，C端為轉錄激活區，具有高度的多樣性，在植物遭受低溫脅迫的過程中扮演重要角色（李小蘭 等，2013；劉輝 等，2014）。通過對番茄在低溫處理前后的基因表達差異進行分析發現，大量NAC轉錄因子的表達受低溫誘導強烈（Hui et al.，2012）。番茄SlNAC80的表達受低溫、干旱、高鹽、甲基紫精、ABA及乙烯處理誘導（劉輝 等，2015），表明SlNAC80可能在番茄非生物逆境應答中發揮重要調控作用。SlNAM1屬于ATAF亞家族NAC轉錄因子，李曉東（2016）利用qRTPCR對SlNAM1在番茄中的表達模式進行分析，發現其表達受到低溫、干旱、NaCl、ABA和茉莉酸甲酯（MeJA）等誘導。

3.3 AP2/ERF轉錄因子

AP2/ERF轉錄因子是植物特有的一大類轉錄因子，其家族成員均含有由60～70個氨基酸組成的保守的AP2/ERF型DNA結合域，能通過與啟動子區域的DRE/CRT（dehydration-responsive element/C-repeat element，A/GCCGAC）或GCC box（AGCCGCC）等順式作用元件直接結合調節下游基因的表達（張計育 等，2012；孫濱 等，2017）。黃蔚等（2014）獲得2個胡蘿卜AP2/ERF轉錄因子DcERF-B1-1和DcERF-B1-2，對低溫、干旱、鹽脅迫均有不同程度響應。DREB是AP2/ERF轉錄因子中的一個亞族，當DREB亞族A-6亞組成員OsDREB6過表達時，表現耐冷脅迫，水稻對冷脅迫（4 ℃）的耐受性增強（Ke et al.，2014）。黃瓜CBF1基因沉默植株低溫脅迫受害程度大于正常植株，可溶性糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量及SOD、POD、CAT活性低于正常植株（戴忠仁 等，2015）。黃瓜CBF3受低溫誘導表達，且其表達量在迅速達到峰值后又降低（寧宇 等，2013）。

3.4 耐低溫QTL

蔬菜作物耐低溫QTL定位及分子標記分析工作一直是研究領域的熱點（鞏迎軍 等，2009）。王紅飛（2014）選取黃瓜耐低溫材料JD32和低溫敏感材料QT193為作圖親本，利用71對SSR標記和9對InDel標記對F2群體進行檢測，篩選得到4個與苗期低溫耐受性相關的QTL位點，其中qCT-3-1、qCT-3-2、qCT-3-3位于3號染色體，qCT-7-1位于7號染色體。劉冰等（2010）檢測到5個與醋栗番茄發芽期耐冷性相關的QTL和2個與苗期耐冷性相關的QTL，其中控制發芽期耐冷性qRGI-2-1和qRGI-5-1的貢獻率分別為12.8%和32.9%。王帥等（2016）利用番茄耐冷品種O-33-1與冷敏感品種耐運2000，構建了1張包含16個連鎖群、155個標記的遺傳圖譜，總長度686 cM，標記間平均圖距4.42 cM，檢測到1個抗冷性相關的QTL位點，定位于連鎖群4上11E/M619和9E/M330之間。

4 蔬菜作物耐低溫性研究展望

4.1 篩選耐低溫材料

從生理指標來看，主要從低溫下種子的發芽勢、發芽率以及植物苗期的冷害指數來鑒定作物的耐低溫性；從生化指標來看，主要是通過測定植物細胞體內SOD、POD活性以及MDA、脯氨酸、可溶性糖的含量等指標進行作物的耐低溫性鑒定。采用單一的指標進行低溫鑒定是不可靠的，應結合多種耐低溫指標，從而獲得優良的耐低溫資源。

4.2 開發與耐低溫性緊密連鎖的QTL

構建良好的遺傳群體，對控制耐低溫的基因進行遺傳分析，篩選出具有多態性的分子標記。在遺傳分析的基礎上開發與蔬菜作物耐低溫性緊密連鎖的QTL，為耐低溫輔助育種提供參考。目前已經獲得與黃瓜苗期、番茄發芽期等蔬菜作物耐低溫性相關的QTL，但與水稻、玉米等作物相比，還存在很大的差距。

4.3 發掘與利用耐低溫基因

耐低溫品種的選育也成為提高蔬菜產量的重要途徑之一，但是國內大多數還是采用傳統方法進行選育，很難實現產量、品質和耐低溫的高度契合。植物的耐低溫性機制十分復雜，耐低溫性受多基因控制。挖掘蔬菜作物耐低溫的相關基因，探索耐低溫分子機制，從而為提高蔬菜作物的耐低溫性奠定基礎。