果树抗寒与防御

第七章

果树抗寒生理及冻害防御

第一节冻害机制

一、低温冰冻对植物细胞的伤害

现在多数人的研究都集中在由于细胞间隙结冰而引起的冻害。但也有其它观点，主要有以下几种假说。(一)活体水释放假说

Weiser(1970)等人认为：植物因冻致死的直接原因，是由于温度降低到一定程度，全部可以释放的水分都在细胞间隙结冰，只有活体水保留在原生质中。温度继续下降，则活体水被迫排出，导致细胞瞬间死亡。

(二)硫氮甚假说

Levitt(1962)提出植物在冷冻过程中，细胞内的水分不断向细胞外释放，结果使原生质胶体外的水膜减少，蛋白质的SH基暴露。相互靠近形成S-S健，而造成蛋白质凝聚、收缩、变性。(三)膜相变伤害假说

Lyons(1973)根据生物膜结构功能与抗寒性关系提出了膜相变伤害假说。（四）膜蛋白变性假说

J.P.Palta和P.H.Li(1977)提出植物在冷冻过程中，首先受害的是膜蛋白。(五)细胞内结冰假说

Tumanov等认为，植物因冻致死的直接原因，并非是由于细胞间隙的结冰，而是由于细胞内的结冰。二、化冻对植物细胞的伤害

机械应力假说

在发生细胞外结冰时，细胞本身被挤压变形，原生质膜有可能在向内凹陷曲率最大处被撕破（N.S.Pushkar,1980)。当融化时，细胞壁迅速吸水回到原来位置，而原生质体吸水膨胀较慢，这种差别产生的壁与膜之间的应力也可能把原生质体撕裂。三、对于冻害机制各种假说的评价1、硫氢基假说与膜相变假说不矛盾，并可以相互补充；2、生物膜是对低温最敏感的区域，首当其冲的是原生质膜；3、细胞内一旦结冰，细胞便死亡；4、总之，冻害机制的研究可以归纳为两个方面：一方面是研究初始伤害部位和初始致伤事件；另一方面是研究冰冻过程中逆境的性质。第二节抗冻机制

一、避免组织内结冰

(一)增加细胞液浓度加强栽培管理，或者是细胞适度失水，可以提高细胞液浓度，导致冰点下降。(二)过冷水或水溶液冷却到冰点以下仍不结冰，称作过冷。过冷是植物抗冻的主要途径之一。二、忍耐组织内结冰

1、细胞核的形态变化

随着气温的降低，核仁逐渐缩小，亮区收缩、减弱，核活性降低。2、液泡的形态变化液泡在气温降低过程中，主要是小泡化，变成几个小液泡，核在细胞质的中央。破裂的小囊泡膜在液泡内形成网状结构，加固了液泡膜的强度，从而增强了承受脱水和细胞结冰的压力。

3、细胞质的变化在气温降低的过程中，细胞质浓度增加，糖度升高，细胞质的流动性减小，粘度加大。4、叶绿体的形态变化在气温降低的情况下，叶绿体体积逐渐变短粗，相互聚集，然后相互出现嵌合，5、线粒体的形态变化线粒体在气温降低过程中，体积增大，体型由窄长棒状变成短粗状，内脊数目增加。6、内质网和高尔基体的形态变化

在气温降低过程中，内质网向外分泌微小泡。在细胞膜附近；高尔基体非常发达，内质网分泌的微小泡向着高尔基体移动，在高尔基体上经过修饰以后，再被高尔基体分泌出去，参与细胞膜的形成。因此这两个细胞器在秋季气温逐渐降低时，对膜的稳定性起重要作用。7、生物膜的变化（1）膜的状态变化

生物膜在常温下是液晶态，介于液态和固态之间。当环境温度低于它的相变温度时，就会发生相变，由液晶态变成固态。(2)细胞内物质对膜活性的影响植物细胞内都存在着对膜有害和有利的物质。在低温条件下，由于细胞内的含水量降低，以及蛋白质的不可逆降解，而使细胞内膜致毒物质的相对量和绝对量都明显增加，对生物膜造成了严重的威胁。(3)膜成分的变化过程在秋季温度逐渐降低，树木适应冬季寒冷的气候条件，细胞膜的成分发生变化，从而降低它的相变温度，使其在冬季寒冷的气候条件下，不致由液晶态变成固态，保证膜的结构、性质和功能不受破坏。8、低温过程中细胞的生物学变化

（1）可溶性糖的变化

低温下，可溶性糖增加；对果树的抗寒性提高有很重要的作用：一是单糖和寡聚糖可以提高细胞液浓度，增加持水力，降低冰点。二是可溶性糖可以维持膜活性，防止致毒物质对膜的危害。另外，糖的积累可以为蛋白质的合成提供底物和能量（2）蛋白质的变化许多报道指出，秋季气温下降，植物体内蛋白质增加,与抗寒性的形成有密切关系。

(3)膜脂肪酸的变化

我们把低温下不饱和脂肪酸的增加与提高抗寒性的关系归纳如下：

直接影响膜的状态表现为低温下稳定性加强不饱和脂肪酸增加(不饱和指数增大)

间接影响酶的活性一些生理过程在低温下正常进行

(4)类脂的变化

类脂和蛋白质是构成生物膜的主要成分。类脂和蛋白质的多样性，反映了膜机能的多样性，特别是膜类脂。它反映了膜的状态特性，与低温下膜的许多机能紧密关联。(5)核酸的变化

秋季蛋白质增加，RNA也增加。可是，DNA却几乎没有什么变化。植物为了适应低温能调节特征蛋白质的合成。9、低温条件下酶和代谢途径的变化（1）酶的变化植物的抗寒性与酶的调节有关，而酶的调节包括酶的形成和酶的活性两个方面。抗寒植物对低温有较强的抗性，是植物在长期进化过程中适应低温而形成的。它对低温的抗性主要受速度的控制。至于低温锻炼和季节的抗寒性差别，很可能是在转录和翻译水平上的生物化学变化所决定的。(2)代谢途径的变化木本植物越冬期间，HMP(磷酸戊糖)途径比EMP(糖酵解)途径活跃，而生长期，则EMP比HMP途径活跃。三、低温锻炼

Weiser（1970）利用原产温带的木本植物为试材，进行低温锻炼试验。全部锻炼过程共分三个阶段:

第一个阶段是由短日照引起的；第二阶段从第一次霜冻开始，被0℃以下低温所促进；第三阶段要求-30一-50℃的低温。四、启动抗寒基因合成新蛋白质诱发抗寒性

低温锻炼和ABA处理可以改变马铃薯茎培幼株中RNA和蛋白质的类型；低温锻炼和ABA处理共同诱导一些多肽和mRNA。从提高杭寒性和诱导一些共同的蛋白质来看，ABA的作用与低温锻炼完全相似，也可以说在自然条件下，ABA对启动抗寒基因表达起着关键的作用。五、植物休眠与抗寒性的关系

植物休眠可分为自然休眠和被迫休眠。休眠期间，由于代谢作用的强度降低，呼吸作用减弱，养分消耗减少，因而对不良环境条件的反应不敏感。自然休眠结束之后，随着气温上升，耐寒力迅速下降，再遇低温，耐寒力虽然还可以上升，但是上升的速度远远不及下降的速度。已经脱锻炼的植体，遇到回寒便遭冻害。第三节低温冷害一、低温冷害的概念

低温冷害是受低温逆境的胁迫而发生的伤害。低温逆境只是低于适温，但在未结冰的条件下，低温冷害常使植物生育受阻滞，甚至发生生理障碍，导致减产或绝产。二、低温冷害的类型

(一)延迟型冷害

在营养生长期由于积温不足造成生育期延迟。(二)障碍型冷害

植物在生殖生长期，生殖器官正在分化、形成和开花，此时遭受短时间的异常低温，常使生殖器官的生殖机制受到破坏，造成不育或部分不育而减产(三)混合型冷害

障碍型冷害和延迟型冷害在同年发生时称混合型冷害。这种冷害比单一冷害的危害性更大。三、低温冷害的生理机制

(一)低温对光合作用的影响1、低温影响光合器官的结构(1)低温对叶绿体、类囊体膜的影响叶绿体膜、类囊体膜在低温和光照的条件下，叶绿体内自由基的产生与清除的平衡遭到破坏，促进了膜脂过氧化作用，引起膜系统结构和功能的损伤，使光合速率下降。(2)低温对叶绿素的影响低温和自然光照下，引起叶绿素含量降低。叶绿素a/b的比值增大。

利用光反应产生的同化力(NADPH和ATP)把二氧化碳还原成碳水化合物的暗反应是一系列的酶促反应，因此低温影响酶的活性也就影响光合作用的暗反应速度。低温能使酶的活性降低，原因可能是低温减弱了疏水键而直接影响蛋白质，或直接影响氢键，或在低温下静电互相作用加强，看来疏水键在保持酶结构上有重要作用，疏水键的变化会影响到酶的动力学参数。

2、低温对光合作用暗反应的影响

3、低温对光反应的影响植物光合作用中光反应是由光推动的，主要作用是形成同化力(NADPH和ATP)，因此光反应的温度系数比同化二氧化碳的暗反应要小得多，光反应受温度的影响较小。在光反应中PSI和PSII两个光系统对低温的反应也不相同，一般认为PSII对低温更敏感。4、低温对光合作用的间接影响（1）低温引起光合产物运输受阻

有人认为，低温使光合产物运输受阻而导致光合产物的积累，从而对光合速率产生反馈抑制；另外也有人认为，低温下光合产物的积累对光合速率不存在反馈抑制。(2)低温引起植物体内水分亏缺

Sachs发现和MoIish（1896）证实在低温下次生的水分逆境，后者明确指出，冷伤害发生的部位是根。在冷害温度下，还可能发生次生的缺氧逆境，危害植物。

(二)低温对呼吸作用的影响

1、低温对呼吸强度的影响

随着温度的降低，呼吸强度随之下降，但当温度到一定程度以后，呼吸强度产生一跃变，以后再继续明显下降。低温所引起的呼吸强度增加是伤害的开始。2、低温对底物氧化途径的影响

在植物中，底物氧化途径主要有EMP和HMP途径，随着温度的变化，其代谢途径也有变化。(三)低温对矿质营养吸收的影响

根系吸收矿质营养所需的能量来自呼吸作用，某些元素的吸收与呼吸作用的关系更为密切。因低温使根的呼吸作用降低，也使植物对矿质营养的吸收减弱。

（四)低温对生殖生长的影响1、小孢子形成期及减数分裂期受害的生理机制小孢子形成期及减数分裂期受低温危害的主要原因是雄蕊受害，花粉不能正常成熟，造成部分不育或全部不育。小孢子形成期受到低温的影响，造成花药里毡绒层细胞畸形，开花期花药不能正常开裂。2、开花期低温的危害

在开花期遇到低温主要影响授粉受精的正常进行。(五)低温冷害对生物膜的影响当冷害发生，膜脂由液晶态变为凝胶态时，首先发生像ATP酶等一系列膜结合酶的失活，从而导致代谢紊乱。四、抗冷锻炼与药剂处理

利用2,4-D或KCl+NH4NO3+硼酸喷洒黄瓜(Solomonovskii等，1967)，用吡啶羧酸或Decsom（呼吸抑制剂)施用于棉花(Amin，1969)，用细胞分裂素喷洒豌豆（Kuraishi等，1966），在黄瓜上喷洒ABA(Rikin等，I976)等都可提高抗冷性。第四节

鉴定果树抗寒性的方法

一、根据起源地和分布区的生态环境加以判断

植物抗寒力的高低，与其起源地和分布区的生态环境密切相关。起源地和分布区是寒冷的，这种植物必定是抗寒的，相反就不一定是抗寒的。二、根据生长发育规律和形态特征进行判断

(一)生长发育特征一般落叶果树在一年中都有萌芽展叶开花期、新梢生长期、花芽分化、果实成熟期和落叶休眠期。这四个时期节奏明显的，一般是抗性较强的。在温带和寒温带生产实践以及大量的研究表明，新梢生长迅速，及时结束生长，营养生长期短的树种或品种抗寒，(二)形态特征抗寒的树种或品种叶片小、茸毛少、薄、秋季花青素产生早、含量高、落叶早；枝条较细、分枝多、针状枝多、新梢停止生长早、越冬前枝条成熟好、木质化程度高，芽较瘦小；树皮薄、光滑，树势中庸强健；在一年中生长发育较早，进入休眠也早。三、根据组织细胞结构特性进行鉴定

(一)细胞体积

叶肉细胞和栅栏细胞体积小的抗寒性强。(二)栅栏细胞和海绵细胞特征

栅栏细胞细而长，即其长、短径比值大，或栅栏细胞层次为两层的，或栅栏细胞内叶绿体数目多的都是抗寒的标志，四、根据生理生化指标进行鉴定(一)休眠特征外观上看起来相似的休眠状态，在内部实质上并不完全相同，因此休眠可分为两类：一类是完全休眠，另一类是部分休眠。在冬季除了最冷的一段时间外，在休眠期内还能缓慢地进行着细胞分裂，只不过细胞不能进行延长生长。上述两种休眠状态，显然完全休眠态的抗寒能力强于部分休眠态的。(二)细胞质壁分离特征苹果进入休眠时，枝条皮层细胞和芽内细胞出现帽状(凸形)质壁分离，深休眠时，抗寒性强的较早全部质壁分离，解除休眠时，抗寒性强的复原较早且快。(三)生化指标1、电导法

冻害的原初部位是生物膜受到损伤之后，细胞内的物质渗漏到细胞之外，渗漏的多少与冻害程度有关，冻害程度越大，细胞内的物质外渗越多，尤其是电解质物质K+的外渗特别明显，其次是Ca2+。根据冻害能破坏细胞膜系统而造成细胞内电解质外渗的原理，便可以采用电导法来测定冻害程度。2、氯化三苯基四氮唑法（TTC法)具有生命力的植物组织，其脱氢酶系统的辅酶NAD和NADP具有活性，作为H+的递体而存在，它们可以使无色的氯化三苯基四氮唑还原成红色的三苯甲鐟，根据红色的深浅来确定冻害程度，红色越深冻害越轻，红色越浅冻害越重。

3、膜脂组分分析法

生物膜是由膜脂和膜蛋白组成的，膜脂和膜蛋白的含量和组分变化，必然影响生物膜的结构和功能。膜脂包括有膜磷脂和膜糖脂等，其中前者普遍认为与抗寒有关。4、测定可溶性糖秋季植物进入低温锻炼以后，糖含量的增加是一个普遍现象。糖的积累是对低温的一种适应性反应。在秋季条件下通过测定果树等木本植物可溶性糖含量，对了解其抗寒力具有重要意义。

5、测定自由水和束缚水

在柑桔抗寒性的生理生化指标研究中束缚水/自由水的比例与抗寒性强弱有着明显的关系，比值大的抗寒力强。6、测定可溶性蛋白质

低温锻炼期间植物体内发生蛋白质的变化，经低温锻炼后，它们的可溶性蛋白质都增加。五、生长法和组织褐变法

生长法和组织褐变法都是检查果树冻害或抗寒力最早的方法，目前生产和科研中仍然普遍应用。生长法和组织褐变法在材料处理上都是取自然受冻的枝条，或事先通过一组低温冷冻的枝条，经缓慢化冻后，再分别进行操作。六、控制低温冷冻法被测样品放在低温冰箱中，冰箱内温度由人工控制。在人工降温时，要注意使样品内的水与冰保持平衡状态，通常把降温速度控制在每小时1—2℃。当降温达到预定程度后，取出样品时也要缓缓升温化冻，然后用砂培或水培，观察其恢复生长能力。把造成50%的枝、芽或叶面积死亡的温度称作半致死温度(LT50)，用以代表样品的耐寒力。同样的情况，LT30表示30%的致死温度；LT90表示90%的致死温度。第五节

冻害的类型及防御途径

一、冻害与环境的关系

(一)光照

1、树冠结构合理，树冠内、外层光照充足，光合产物积累多，枝芽充实饱满，保护组织发达，有利于果树的抗寒。2、阳光直射在果树枝干上，使枝干组织内的温度升高，夜间温度下降，剧烈的温度变化，常引起日烧。3、在生长前期，延长日照，能促进生长，生长后期缩短日照，可促使枝条及时停止生长，为低温锻炼创造条件，可增强耐寒力。

(二)温度1、秋季气温激变

秋季降温过早，幅度过大，而果树尚未进入休眠，往往会发生比较严重的冻害。2、冬季低温和低温持续时间过长冬季的极端最低温度，对果树冻害固然有影响，但是根据历史气象资料记载，果树冻害的发生，并非完全与极端低温有关。长时间的连续低温造成果树严重冻害。

3、冬季气温激变冬季里，如果气温变化剧烈，如日较差太大，往往会导致树体枝干受冻，木质部变褐，或发生干裂与干基冻害。冬季里，如果连续出现高温(0℃以上)天气，可使果树发生脱锻炼，抗寒力迅速下降，再遇低温，便遭受冻害。4、春季气温的回寒春季随着气温的上升，果树发生脱锻炼，抗寒力下降，如果遇到回寒，便会发生冻害。

(三)水分我国北方，在干旱年代，由于供水不足，果树生长势弱，越冬容易发生冻害。如果夏秋季多雨，供水太多，引起徒长，也可以降低果树的抗寒力。在越冬前，如果土壤过分干燥，也常常引起冻害。(四)通风风与低温相伴随，更可加重冻害的程度，在同样低温条件下，无风之地冻害轻，有风之地，风速愈大，冻害愈重。北方早春和冬季的大风，常常造成苹果幼树抽条死亡，加重果树的冷旱伤害。(五)立地条件1、果树的垂直分布愈高，气温愈低，愈容易发生冻害。2、谷地果树比坡地更容易遭受辐射霜冻。3、山坡上向阳面如果白天的气温过高，反而不如背阴面安全。4、生长在海边或湖泊附近的果树，根系更容易遭受冻害。5、生长在沙砾土和砂土的果树，冬季气温比较高，春季气温变化比较和缓，可以减少果树受冻的机率和程度。二、耐寒力与果树生长发育的关系

1、苹果木质部和皮部的耐寒力与其生长发育的生理阶段有关，不完全与一时的外界温度有关。耐寒力的形成和消弱具有明显的阶段性和倾向性。如第二阶段发育的总趋势是接受锻炼，提高耐寒力。第三阶段发育的总趋势是脱锻炼，降低耐寒力。这是果树植物长期适应季节气候的结果。

2、一周年中，果树生长发育的四个生理阶段有明显的节奏性，如果每个阶段的生长发育正常，互相衔接合宜，便可以提高越冬性，达到安全越冬。如果某一个阶段不能顺利通过，便会影响下一个阶段，依此类推，最终体现为越冬性下降。3、加强栽培管理技术，满足果树在各个阶段的要求，对于提高果树的耐寒力和安全越冬是有所作为的，也是必不可少的。三、冻害的类型及其表现

(一)嫩枝冻害发育不充实的嫩枝，或枝条先端的幼嫩部分，常遭受冻害。(二)大枝冻害粗大枝干的冻害常发生在深冬季节。最常见的一种枝干冻害称作黑心。它的发展过程是每年在木质部的外围(次生木质部)受冻，变褐色。如此年复一年，受冻组织逐渐扩大，颜色逐渐加深，而形成层可以继续形成新木质部，把受冻部分包在里面，便形成黑心。(三)桠杈冻害受冻处皮层下陷或开裂，内部变黑色，组织死亡，严重时大枝死亡。桠杈冻害发生的原因，主要与其进入休眠晚，受低温锻炼程度差和抗寒力较低有关。(四)干裂干裂常发生在大树的主干上，一般是沿主干纵向开裂，由于冬季昼夜温差太大，主干组织内外涨力不均而致。干裂多发生在北方落叶果树上，特别是寒地的苹果和梨树更为常见。

(五)根颈冻害与干基冻害根颈处皮部组织受冻变黑色，轻则局部变黑，重则形成黑环包围干周，全树死亡。在东北与西北干旱地区，幼树常因根颈受冻成片死亡。根颈冻害的主要原因与其进入休眠较晚，而解除休眠较早有关。另外在接近地表