我国蔬菜作物耐低温性研究进展

钱恒彦 潘宝贵 刁卫平 戈 伟 郭广君 刘金兵 陈学好 王述彬*

（1扬州大学园艺与植物保护学院，江苏扬州225100；2江苏省农业科学院蔬菜研究所，江苏省高效园艺作物遗传改良重点实验室，江苏南京210014）

低温胁迫（冷害和冻害）是指低于植物最适生长温度下限的温度环境，是影响植物生长、发育和地理分布的重要环境限制因素（何洁 等，1986）。低温胁迫对作物的产量、品质等都会产生影响，导致重要农作物的减产，已经成为生产中亟须解决的问题（王士强 等，2016）。辣椒、黄瓜、番茄等喜温蔬菜作物对低温敏感，植株在0～10 ℃时会受到严重伤害，叶片呈水渍状，果实出现坏死斑点，生长受到抑制，品质降低，产量下降（尹延旭 等，2009；任旭琴 等，2010；徐晓昀 等，2016）。

蔬菜作物耐低温性为多基因控制的累积性数量性状，受加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因控制（王建康和盖钧镒，1997）。在生理机制研究方面，蔬菜作物主要通过增强渗透调节和抗氧化能力，减缓低温胁迫对细胞膜系统的伤害（刘伟 等，2009）。近年来，随着分子生物学的发展，植物耐低温的分子机制研究进展迅速，如在植物ICE-CBF-COR通路中，作物通过冷信号转导，激活AP2/ERF、MYB、NAC等转录因子，特异结合CBF（C-repeat binding factor）基因顺式作用元件，调节冷调节（cold-regulated，COR）基因的表达，提高植物对低温胁迫的适应性（李红霞 等，2013；刘辉 等，2014）。有关植物耐低温的分子机制还不明确，其冷适应性可能是低温防护蛋白、抗冻蛋白、植物脱水素、膜关联耐冻性多肽蛋白等共同作用的结果（王瑞云 等，2006）。

本文概述了蔬菜作物耐低温性的遗传模型研究情况，综述了蔬菜作物抗氧化酶、渗透调节物质、植物激素等生理生化指标在蔬菜作物耐低温性中发挥的作用，阐述了蔬菜作物MYB、NAC、AP2/ERF等转录因子应答低温胁迫的分子机制，以期为提高蔬菜作物耐冷性研究和耐冷性分子标记辅助选择提供参考。

1 蔬菜作物耐低温性的遗传研究

1.1 蔬菜作物耐低温性遗传模型

植物的耐低温性是由多基因控制的累积性数量性状（安静 等，2007）。闫世江等（2011）利用黄瓜耐低温材料9507和低温敏感材料9517构建群体，采用主基因-多基因联合遗传模型分析表明，黄瓜耐低温性遗传受2对加性主基因+加性-显性多基因控制，其中主基因遗传率为62.9%～79.3%，多基因遗传率为3.4%～7.8%。靳哲（2012）以结球甘蓝耐寒自交系10-352和不耐寒自交系07Q214配制6个联合世代群体，采用主基因+多基因混合遗传模型分析表明，甘蓝耐寒性遗传由2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因控制，其中控制结球甘蓝耐寒性的2对主基因加性效应相同。总的来说，由于植物耐低温性受多基因控制，遗传模型的复杂性，同时受低温鉴定方法、耐低温材料的影响，蔬菜作物耐低温遗传模型研究进展较缓慢。

1.2 蔬菜作物耐低温性主要农艺性状的相关分析

蔬菜作物耐低温评价大部分集中在幼苗期。低温胁迫条件下，植物生长受到抑制（何洁 等，1986），株高、茎粗呈下降的趋势，胁迫程度越高，下降现象越明显（曾韶西和王以柔，1990）。茄子、黄瓜耐低温性研究表明，发芽率、幼苗株高与作物苗期耐低温性呈正相关（阎世江 等，2012a）。张蜀宁等（2008）在-5～5 ℃条件下处理四倍体不结球白菜，发现叶片厚度、叶柄宽、单株质量、单株叶片质量、叶片质量/叶柄质量及小区产量等农艺性状均显著高于其同源二倍体。黄瓜和番茄幼苗在遭受低温脉冲的时候，株高与低温脉冲的强度呈负相关，而成株期早期产量和品质没有受到影响（Grimstad，1993）。当甜椒幼苗遭受5 ℃低温冷害时，对耐低温品种的株高、茎粗影响不大，和不耐低温的材料相比差异显著（卢起建 等，2007）。

不同的蔬菜作物适合鉴别的耐低温温度不同，如茄子低温鉴定温度在10 ℃左右，辣椒低温鉴定温度在4 ℃左右，它们的共同之处在于低温处理之后的发芽率、幼苗株高等均与苗期的耐低温性呈正相关，耐低温材料成株期的果实产量及单果质量与不耐低温的材料相比差异显著。

2 蔬菜作物耐低温性的生理指标

2.1 渗透调节物质与耐低温性

遭受逆境胁迫时，植物通过主动积累渗透调节物质来改变细胞液浓度，降低渗透势，以适应胁迫环境（吴燕 等，2018）。渗透调节物质主要分为两类，一类是可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸（Pro）等小分子有机溶质，另一类是Ca2+、K+等无机离子（颉建明 等，2009）。研究表明，10～15 ℃低温驯化环境下生长的甜椒幼苗叶片中Pro的含量有不同程度提高（罗立津 等，2011）；不同生长年限芦笋可溶性糖和Pro含量随着胁迫温度的降低而明显增加（张玉霞 等，2006）。Ca2+在植物细胞内具有充当信使传递胞外信号的作用，外源Ca2+可显著增强蔬菜作物的耐低温性，喷施10 mmol·L-1CaCl2减少了黄瓜幼苗中H2O2、O2-活性氧积累（吴帼秀等，2017），1 200 mg·L-1CaCl2可缓解番茄幼苗冷害程度（隽加香 等，2015）；番茄耐低温品种通过迅速调整细胞质、液泡和细胞间隙Ca2+水平梯度应激低温胁迫，而冷敏感番茄品种则无明显变化（雷江丽和杜永臣，2000）。

2.2 抗氧化物与耐低温性

抗氧化物包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗氧化酶和谷胱甘肽（GSH）、褪黑素（MT）、抗坏血酸（ASA）等非酶抗氧化物质（杜秀敏 等，2001；樊怀福 等，2007）。在适温条件下，植物体内SOD、APX、CAT等抗氧化酶活性维持在一定的水平，能够清除细胞内过量的自由基，避免对生物大分子和质膜的破坏，这种平衡可能被逆境打破，造成膜伤害（尹延旭 等，2009）。研究表明，黄瓜、辣椒等作物在低温胁迫时，植株体内SOD、POD等抗氧化酶活性明显上升，其中耐低温性强的品种抗氧化酶上升幅度和活性显著高于低温敏感品种（马艳青和戴雄泽，2000；逯明辉 等，2005）。辣椒、苦瓜、黄瓜等嫁接苗的耐低温性优于自根苗，嫁接苗通过提高抗氧化酶、抗氧化剂含量，减缓了H2O2、O2-等活性氧的累积导致的对细胞的伤害（冯炘 等，2002；王洪涛 等，2010；王佳楠 等，2018），低温胁迫下嫁接苗叶片中ASA、GSH等非酶抗氧化物质含量也高于自根苗（高俊杰 等，2009）。外源MT处理可以显著提高黄瓜、番茄、茄子等作物的耐低温性，表现为幼苗株高、茎粗、植株干鲜质量增加，光合作用增强，抗氧化酶活性提高（包宇 等，2013；高青海 等，2014；吴雪霞和姚静，2017）。低温胁迫下，拟南芥会通过诱导超氧化物歧化酶中的FeSOD基因和过氧化物酶中的GPX基因通过过氧化物酶系统来抵御寒冷（Soitamo et al.，2008）。

2.3 植物激素与耐低温性

脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）、水杨酸（SA）是重要的植物激素，能够调控植物的生长发育，如促使叶片脱落、抑制果实成熟等，其中ABA是响应生物胁迫和非生物胁迫的“应激激素”（龙翔宇 等，2013；刘娟娟和汪惠丽，2017）。对耐低温性不同的黄瓜材料进行低温处理，各材料ABA、IAA、GA3含量显著上升，其中耐低温材料内源ABA含量显著高于低温敏感材料（阎世江 等，2012b）；适量浓度的外源ABA提高了甜椒、萝卜、黄瓜幼苗对低温胁迫的耐受性，外源ABA增强了幼苗渗透调节能力和抗氧化酶活性（罗立津 等，2011；初敏 等，2012；杨楠 等，2012）。在通过嫁接提高蔬菜作物接穗耐低温性的研究中，黄瓜、西葫芦嫁接苗内源ABA、ABA/GA1+3含量显著高于自根苗（陈贵林 等，1998；于贤昌 等，1999），说明较高水平的ABA含量是嫁接苗较耐低温的内在原因。

3 蔬菜作物耐低温性的分子机制

3.1 MYB转录因子

MYB家族成员均含1个高度保守的MYB DNA结合结构域（刘辉 等，2014），根据重复片段（R）个数可分为MYB3R（R1R2R3-MYB）、R2R3-MYB和R-MYB等类型。Dai等（2007）研究证实，拟南芥中超量表达水稻MYB3R-2基因，能通过提高DREB2A、COR15a及RCI2A等低温应答基因表达增强植株的耐低温性。李佳（2018）分析鉴定出184个马铃薯MYB转录因子StMYB，其中19个转录因子响应低温胁迫。MYB基因OsMYBS3（Os10g41200）在水稻正常生长条件下的叶中表达水平较高，参与DREB1/CBF冷胁迫信号途径（Katiyar et al.，2012）。张欣等（2011）从番茄中分离得到1个R2R3-MYB类转录因子SlMYB1，将SlMYB1转入到水稻中可显著提高水稻对低温胁迫的耐受能力。紫甘蓝遭受低温胁迫时通过基因BoPAP1的急速上调来促进花青素的合成从而抵御寒冷（Zhang et al.，2012）。

3.2 NAC转录因子

NAC转录因子的N端具有一个保守的约150个氨基酸组成的NAC结构域，含有A、B、C、D和E 5个亚结构域，C端为转录激活区，具有高度的多样性，在植物遭受低温胁迫的过程中扮演重要角色（李小兰 等，2013；刘辉 等，2014）。通过对番茄在低温处理前后的基因表达差异进行分析发现，大量NAC转录因子的表达受低温诱导强烈（Hui et al.，2012）。番茄SlNAC80的表达受低温、干旱、高盐、甲基紫精、ABA及乙烯处理诱导（刘辉 等，2015），表明SlNAC80可能在番茄非生物逆境应答中发挥重要调控作用。SlNAM1属于ATAF亚家族NAC转录因子，李晓东（2016）利用qRTPCR对SlNAM1在番茄中的表达模式进行分析，发现其表达受到低温、干旱、NaCl、ABA和茉莉酸甲酯（MeJA）等诱导。

3.3 AP2/ERF转录因子

AP2/ERF转录因子是植物特有的一大类转录因子，其家族成员均含有由60～70个氨基酸组成的保守的AP2/ERF型DNA结合域，能通过与启动子区域的DRE/CRT（dehydration-responsive element/C-repeat element，A/GCCGAC）或GCC box（AGCCGCC）等顺式作用元件直接结合调节下游基因的表达（张计育 等，2012；孙滨 等，2017）。黄蔚等（2014）获得2个胡萝卜AP2/ERF转录因子DcERF-B1-1和DcERF-B1-2，对低温、干旱、盐胁迫均有不同程度响应。DREB是AP2/ERF转录因子中的一个亚族，当DREB亚族A-6亚组成员OsDREB6过表达时，表现耐冷胁迫，水稻对冷胁迫（4 ℃）的耐受性增强（Ke et al.，2014）。黄瓜CBF1基因沉默植株低温胁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）。黄瓜CBF3受低温诱导表达，且其表达量在迅速达到峰值后又降低（宁宇 等，2013）。

3.4 耐低温QTL

蔬菜作物耐低温QTL定位及分子标记分析工作一直是研究领域的热点（巩迎军 等，2009）。王红飞（2014）选取黄瓜耐低温材料JD32和低温敏感材料QT193为作图亲本，利用71对SSR标记和9对InDel标记对F2群体进行检测，筛选得到4个与苗期低温耐受性相关的QTL位点，其中qCT-3-1、qCT-3-2、qCT-3-3位于3号染色体，qCT-7-1位于7号染色体。刘冰等（2010）检测到5个与醋栗番茄发芽期耐冷性相关的QTL和2个与苗期耐冷性相关的QTL，其中控制发芽期耐冷性qRGI-2-1和qRGI-5-1的贡献率分别为12.8%和32.9%。王帅等（2016）利用番茄耐冷品种O-33-1与冷敏感品种耐运2000，构建了1张包含16个连锁群、155个标记的遗传图谱，总长度686 cM，标记间平均图距4.42 cM，检测到1个抗冷性相关的QTL位点，定位于连锁群4上11E/M619和9E/M330之间。

4 蔬菜作物耐低温性研究展望

4.1 筛选耐低温材料

从生理指标来看，主要从低温下种子的发芽势、发芽率以及植物苗期的冷害指数来鉴定作物的耐低温性；从生化指标来看，主要是通过测定植物细胞体内SOD、POD活性以及MDA、脯氨酸、可溶性糖的含量等指标进行作物的耐低温性鉴定。采用单一的指标进行低温鉴定是不可靠的，应结合多种耐低温指标，从而获得优良的耐低温资源。

4.2 开发与耐低温性紧密连锁的QTL

构建良好的遗传群体，对控制耐低温的基因进行遗传分析，筛选出具有多态性的分子标记。在遗传分析的基础上开发与蔬菜作物耐低温性紧密连锁的QTL，为耐低温辅助育种提供参考。目前已经获得与黄瓜苗期、番茄发芽期等蔬菜作物耐低温性相关的QTL，但与水稻、玉米等作物相比，还存在很大的差距。

4.3 发掘与利用耐低温基因

耐低温品种的选育也成为提高蔬菜产量的重要途径之一，但是国内大多数还是采用传统方法进行选育，很难实现产量、品质和耐低温的高度契合。植物的耐低温性机制十分复杂，耐低温性受多基因控制。挖掘蔬菜作物耐低温的相关基因，探索耐低温分子机制，从而为提高蔬菜作物的耐低温性奠定基础。