全 文 ：第 51 卷 第 7 期
2 0 1 5 年 7 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51，No. 7
Jul．，2 0 1 5
doi:10．11707 / j．1001-7488．20150713
收稿日期: 2014 － 08 － 30; 修回日期: 2015 － 03 － 29。
基金项目: 辽宁省科技攻关及成果产业化项目(2013204001) ;辽宁省教育厅科学技术研究项目(L2014497)。
* 乌凤章为通讯作者
木本植物低温胁迫生理及分子机制研究进展
乌凤章 王贺新 徐国辉 张自川
(大连大学现代农业研究院 大连 116622)
摘 要: 低温胁迫限制了许多野生植物和作物的地理分布，降低了生产率。植物在低温胁迫下生存能力
差别很大，来源于热带和亚热带的冷敏感植物在温度高于冰点的低温条件下会发生不可逆的伤害，而温带地
区的植物能够承受极端的冰冻条件。近年来有关冷敏感植物和温带植物低温胁迫下生理生化响应特征，转
录组学、蛋白质组学和代谢组学分析取得了较快进展，从不同层次阐明了木本植物调节低温反应和抗冷 (冻 )
性的生理和分子机制，为利用抗冷 (冻 )相关基因进行林木抗 (冷 )冻分子育种提供了重要参考。冷敏感树木
在 1 ～ 10 ℃的低温胁迫下，会出现水分状况、矿质营养、光合作用、呼吸作用和新陈代谢等生理过程的紊乱，
造成冷害甚至死亡。钙信号途径是低温应答过程中重要的信号转导途径。ABA 通过 ABA 依赖的转录因子
的转录激活参与植物胁迫响应基因的调节。低温响应转录调控分为 CBF 途径和非 CBF 途径。CBF 调控下游
基因的表达过程 : 植物细胞膜相关受体首先感知环境信号并传送到细胞核，通过 Ca2 + 和 MAPKs 等感知和传
导信号，诱导转录因子 CBF 的表达，从而激活冷响应基因的启动子，触发冷响应机制 ( 基因激活 )，转录的
mＲNA 被翻译成不同的蛋白质。这些基因产物参与改变膜质成分组成、抗氧化酶活性、渗透物质含量等生理
过程，从而提高抗冷性。另外，CBF 基因表达也受到上游一些转录因子的调节，包括钙离子信号途径和 ICE1
－ CBF － 寒冷响应途径。树木抗冷锻炼和抗冻锻炼的机制与代谢途径有许多相似之处，但后者可能更复杂，
因为它需要面对极端的低温和不正常的温度波动。抗冻锻炼期间低温诱导的抗冻蛋白具有较强的抑制冰晶
重结晶的活性; 脱水蛋白和胚胎后期丰富蛋白 ( LEA)通过渗透调节保护细胞 ; 热休克蛋白 ( HSPs)调节蛋白
质的折叠和运输，恢复钝化酶的活性; 抗氧化酶系统清除氧自由基和过氧化氢 ; 早期光诱导蛋白参与高光胁
迫适应过程，这些蛋白在树木抗冻机制中具有重要作用。在树木抗冷 (冻 )领域，未来应加强对控制抗冷
(冻 )生理变化的转录因子及关键功能基因的全面解析，深入探讨光、温度等环境信号诱导抗冻性形成机制，
使用蛋白质组学方法与其他技术相结合阐明低温胁迫下重要蛋白质表达机制和功能，完整地揭示木本植物
在低温逆境下的生存机制。
关键词: 木本植物; 低温胁迫; 抗冷性; 抗冻性; 低温锻炼
中图分类号: S727. 3 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2015)07 － 0116 － 13
Ｒesearch Progress on the Physiological and Molecular Mechanisms of
Woody Plants Under Low Temperature Stress
Wu Fengzhang Wang Hexin Xu Guohui Zhang Zichuan
(Modern Agriculture Ｒesearch Academy of Dalian University Dalian 116622)
Abstract: Low temperature stress limits the geographical distribution of many wild plant and crops，and reduces their
productivity． There are huge differences in survivability of trees to low temperature stress． Chilling sensitive trees from
tropics and subtropics are irreversibly damaged at temperature condition higher than freezing point，while those species
originated from temperate-zone can withstand extreme freezing conditions． In recent years，the analyses of physiological
and biochemical response characteristics， transcriptome， proteome and metabolome of chilling sensitive trees and
temperate-zone trees under low temperature stress have been rapidly developed，which from various levels have elucidated
the physiological and molecular mechanisms that woody plant regulating low-temperature response and freezing tolerance．
These analyses provide important reference for molecular breeding of freezing-tolerant woody plant by using anti-freezing
related genes． Under the low temperature stress of 1—10 ℃，chilling sensitive trees would appear disorders physiological
第 7 期 乌凤章等: 木本植物低温胁迫生理及分子机制研究进展
processes in water status，mineral nutrition，photosynthesis，respiration and metabolism，and hence lead to chilling
damage，and even death． Calcium signal transduction pathway is the important signal transduction pathway during low
temperature response process． ABA is involved in the regulation of plant stress response gene by transcriptional activation
of ABA-dependent transcription factor． Ｒegulation of low temperature response transcription can be divided into CBF
pathway and non-CBF pathway． CBF regulates the expression processes of downstream target genes: related receptors of
plant cell membrane first perceive environmental signal and transmit it to cell nucleus． The signal is perceived and
transducted through Ca2 + and MAPK and induces expression of CBF，which will activate the promoter of cold-response
gene and trigger cold response mechanism ( gene activation )，and the transcribed mＲNA is translated into various
proteins． These gene products participate in physiological processes of changing the composition of membrane，antioxidant
enzyme activities，content of osmotic substances，which will improve cold resistance． On the other hand，CBF gene
expression is also regulated by some upstream transcriptional factors，including Ca2 + signal way and ICE1-CBF cold
response way． Mechanism and metabolic pathway of chilling acclimation in trees are much similar to freezing acclimation
in trees，but the latter may be more complicated，because it needs to face extreme and abnormal temperature variance．
The antifreeze protein induced by cold during freezing acclimation has strong activity to inhibit ice recrystallization;
Dehydrin and LEA protein protect cellular by osmoregulation; Heat shock protein (HSP) regulates protein folding and
transportation，and restores activity of modifying enzyme; antioxidant enzyme system scavenges oxygen free radical and
hydrogen peroxide; early light-induced protein ( ELIP) takes parts in the high light stress acclimation process，which
plays important roles for antifreeze mechanism of trees． In the field of tree＇s freezing tolerance，comprehensive analysis of
the transcriptional factor and functional genes shall be emphasized in the future; the development mechanism of freezing
tolerance induced by environmental signal such as light，temperature，etc． shall be more thoroughly study; expression
mechanism and function of important proteins under low temperature stress shall be explained by combination of proteomics
methods and other technology to integrally reveal the surviving mechanism of woody plants under low temperature stress．
Key words: woody plants; low temperature stress; chilling resistance; freezing tolerance; low temperature acclimation
低温是主要的非生物胁迫因子之一，限制了许
多野生植物和作物的地理分布，降低了生产率。低
温胁迫可以分为冷胁迫 (0 ～ 15 ℃ ) 和冰冻胁迫
( ＜ 0 ℃ )。起源于热带和亚热带的冷敏感植物，不
仅缺乏抗冻锻炼机制，不能在冰冻温度下生存，而且
对冰点以上的低温敏感而易受冷害，通常把植物对
冰点以上低温的适应能力称为抗冷性。研究表明，
冷敏感植物在 1 ～ 10 ℃的低温胁迫下，会出现水分
状况、矿质营养、光合作用、呼吸作用和新陈代谢等
生理过程的紊乱，造成冷害甚至死亡。植物对冷胁
迫的响应通常表现为膜质组成、抗氧化成分及冷胁
迫相关基因的转录速率的改变 (Lukatkin，2002)。
一般情况下，来自温带地区的植物，不仅表现出
不同程度的抗冷性，而且暴露到较低的非冰冻温度
或略低于零度下能提高其抗冻性，保证植物越过寒
冷的冬季，通常把这个过程称为抗冻锻炼，而把植物
对冰点以下低温的适应能力称为抗冻性。经过抗冻
锻炼的植物能够达到一定水平的抗冻性，而未经过
抗冻锻炼的植物将会死亡。抗冻锻炼程度与植物生
长阶段有一定关系，并与冬季休眠期密切相关。在
植物中冬季休眠和抗冻性不仅随季节变化而发展，
而且能确保准确的开始和终止。这个过程包括生长
暂时停止、光合作用和呼吸作用下调、植物地上器官
部分或全部丧失、形成专门的器官 (如芽)、积聚冰
冻保护物质。1 年生草本植物和多年生木本植物都
存在低温锻炼，然而木本植物具有能够在持续长时
间低温、极端低温和组织内结冰状况下生存的能力，
而 1 年生草本植物通常不具备这种能力。因此，阐
明木本植物在冷胁迫和冰冻胁迫下生存的生理及分
子机制，不仅是亟需解决的重大科学问题，而且还具
有重要的经济意义。近年来，比较转录组学、蛋白质
组学、代谢组学结合抗冷(冻)性突变分析显著增加
了对抗 (冷) 冻锻炼过程的信号通路和重要的分子
变化的复杂网络的理解 ( Janda et al．，2014; Chen et
al．，2014)。本文通过讨论木本植物响应和适应低
温胁迫采取的代谢策略、提高抗冷(冻)性的主要生
理和分子机制，为木本植物抗冻栽培及育种提供重
要参考。
1 木本植物的抗冷性
1. 1 冷胁迫对植物生长发育的影响
植物对冷胁迫的敏感程度与其起源地密切相
关，热带或亚热带起源的植物对冷胁迫较为敏感，
而温带起源的植物则敏感程度较小。冷害对植物体
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林 业 科 学 51 卷
的损伤程度取决于低温程度和持续时间的长短，损
伤的直接表现是叶片呈水渍状或果实上出现斑点，
这些生理受损的组织往往易受病菌的侵染或造成局
部坏死 (Tasumi et al．，1981)。另外，冷害还会造成
苗弱、植株生长迟缓、萎蔫、黄化、坐果率低、产量降
低和品质下降等。
1. 2 冷胁迫对植物生理代谢的影响
处于生长状态的冷敏感植物在冷胁迫下会诱导
生理过程，包括水分状况、矿质营养、光合作用、呼吸
作用和总代谢水平的改变。冷胁迫可导致冷敏感植
物水分损失，引起强烈的萎蔫。这与根系吸收水分
并将其输送到枝条能力迅速下降以及在对随后的水
分亏缺响应中关闭气孔能力降低有关 (Bloom et al．，
2004)。植物冷害程度可以通过防止水分状况受到
干扰而减轻。
冷胁迫可造成根吸收离子以及离子在植物地上
部分移动困难，随着植物中营养元素普遍下降，植物
器官之间营养元素的分配被破坏 (刘勇等，2014)。
冷胁迫可导致植物硝酸盐还原酶的活性降低，减少
氨基酸和蛋白质中的氮吸收，使有机磷比例下降、无
机磷含量增加，这是磷酸化和有机磷化合物分解增
强的结果。冷胁迫还可造成植物呼吸速率降低、富
含能 量 的 磷 酸 盐 增 加，导 致 ATP 水 平 降 低
(Lawrence et al．，2000)。抗冷植物比冷敏感植物具
有更大的温度自我平衡性 (Yamori et al．，2009)，寒
冷减少了幼苗中电子运输的细胞色素途径，增加选
择性的呼吸途径，或许这种选择性途径在植物适应
冷胁迫过程中发挥了重要作用。这种途径被寒冷信
号所触发，随着温度降低而增强，从而导致线粒体中
形成的过氧化物含量减少 (Hu et al．，2008)。
在冷胁迫期间或冷胁迫后，冷敏感植物光合速
率降低，这与温度降低和持续的寒冷时期密切相关，
而且将受冷的植物转移到热条件下这种状态会保持
较长时间 (Strauss et al．，2007)。在冷敏感植物中，
光合机构获得的过剩激发能量，导致光抑制和光氧
化发生，降低寒冷期间过度光照下的光合活性，表现
为叶绿体膜脂质过氧化作用增强，叶绿素、胡萝卜素
和叶黄素发生降解 (Wang et al．，2008; Kingston-
Smith et al．，2000)。
冷胁迫下冷敏植物组织中蛋白质合成急剧下
降，通常含量减少。蛋白质合成抑制的结果是游离
氨基酸水平增加，特别是脯氨酸水平增加，这被认为
是抗冷机制之一。低温降低许多酶的活性，其原因
可能是多聚体酶的解体、蛋白质和类脂之间的疏水
相互作用失调、酶的动力学性质和变构调节发生可
逆改变造成的。在低温下，冷敏感植物保持所有器
官中可溶性糖浓度的增加和淀粉含量显著下降
( Jouve et al．，1993)。碳水化合物水平的变化与寒
冷引起的呼吸作用、光合作用受损和碳水化合物代
谢酶的活性变化相关联 (Ebrahim et al．，1998)。
1. 3 冷胁迫对细胞膜的影响
冷敏感植物在低温下发生相变，并从柔性液晶
态转变成固体凝胶态，从而导致膜及与膜结合的酶
活性的改变。抗冷性植物一般具较高的膜脂不饱和
度，可在较低温度下保持膜流动性，维持正常的生理
功能，因而抗冷性植物膜脂相变温度低于低温敏感
植物; 这种膜脂不饱和度既有遗传稳定的一面，也
有随温度降低或诱导的一面。许多植物对低温反应
的一种重要表现就是增加不饱和度较高的脂肪酸，
如油酸、亚油酸和亚麻酸在总脂肪酸中的比例 (陈
娜等，2005)。
1. 4 植物响应及适应冷胁迫的分子机制
1. 4. 1 冷信号感知和转导 膜是低温信号应答的
主要部位，而由膜蛋白识别的质膜流动性改变在其
中起主导作用。植物细胞可以感知寒冷诱导的膜流
动性及蛋白质构象变化。植物细胞膜感受到低温
后，将低温信号通过钙离子、ABA 等第二信使将低
温信号继续向下游传递，其中钙离子是低温信号转
导时重要的第二信使。钙调蛋白称为钙离子感受
器，可以通过增加胞质钙离子来传递初级信号，改变
不同蛋白质的磷酸化状态。植物中主要的钙感受器
有钙调蛋白 ( calmodulins，CaMs)、钙依赖性蛋白激
酶 (CaM domain-containing protein kinases，CDPKs)、
类钙调磷酸酶 B 蛋白 ( calcineurin B-like proteins，
CBLs) 和互作蛋白激酶 ( CBL-interacting protein
kinases，CIPKs)。这些钙感受器包括感受器中继因
子和应答因子，感受器中继因子可与钙离子结合，从
而改变构象，调节基因表达。CaM 和 CBLs 应答因
子如蛋白激酶和磷酸酶具有的功能域，能够将信息
传递到下游目标基因 (Klimecha et al．，2007; Ｒeddy
et al．，2004)，引起基因表达的变化，进而导致适当
的生理变化 ( Sathyanarayanan et al．，2004; Yang et
al．，2003)。
促分裂素原活化蛋白激酶 ( mitogen-activated
protein kinases，MAPK) 链是真核生物信号传递网络
中的途径之一。随着胞外的 Ca2 + 流入细胞浆内，
MAPK 信号通路通过 MAP3K-MAP2K-MAPK 依次磷
酸化，将上游信号传递给下游应答分子，在基因表达
调控和细胞质运动等细胞行为中起关键作用
(Nakagami et al．，2005)。
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第 7 期 乌凤章等: 木本植物低温胁迫生理及分子机制研究进展
1. 4. 2 冷响应过程的转录调控 植物受到低温胁
迫时，会诱导产生一些转录因子，最典型的是 CBF
(CＲT /DＲE binding factor)、锌指蛋白和碱性亮氨酸
拉链蛋白 ( basic leucine zipper，bZip) 家族成员等，
但对其下游目标相对知之甚少 ( Knight et al．，
2009)。通过转录因子的转录调控作用激活一系列
与低温逆境相关功能基因的表达来提高植物整体的
低温抗性。低温响应转录调控的大致途径为: 低温
信号被膜感知，并传递到不同的信号转导组分，导致
对一些基因转录的刺激，加强低温信号和控制低温
调节基因的表达。根据这一通路对 CBF 转录因子
的依赖与否可以分为 CBF 途径和非 CBF 途径。转
基因分析表明，CBF 可以充分激活下游 COＲ 基因的
表达，并且当组成性表达时常温就能诱导低温锻炼
( Jaglo-Ottosen et al．，1998)。CBF 除了调控下游基
因的表达外，也受到上游一些转录因子的调节。研
究显示，植物体内存在 2 条途径调节 CBF 基因的表
达:一条为钙离子信号途径(Thomashow，2010)。质
膜感受到冷信号，通过改变胞质中的三磷酸肌醇
( IP3) 含量，诱导胞质内钙离子的积累，迅速增加的
钙离子与钙调蛋白结合转录因子 (CAMTA3) 形成
复合物，通过 CAMTA3 与 CBF2 启动子上 CG-1 元件
结合，激活 CBF 的表达。另外一条途径是 ICE1
( inducer of CBF expression 1) － CBF － 寒冷响应途
径。ICE1 是类似 MYC 的 bHLH 转录因子，可特异
地结合到 CBF3 启动子的 MYC 作用元件，激活
CBF3 的表达，表达产物 CBF 结合到多种寒冷和脱
水应答基因，包括它们自己启动子的 CCGAC 核心
基序上 (Stockinger et al．，2007)，进而诱导这些功能
基因表达，最终使植物获得低温耐受能力。除了拟
南芥 ( Arabidopsis thaliana)中存在 ICE-CBF 调节途
径外，在苹果 (Malus domestica ) 和橡胶树 ( Hevea
brasiliensis) 也具有这种保守途径 ( Feng et al．，
2012; 王祥军等，2012)。在非 CBF 途径转录调控
中，已知的逆境相关类转录因子，如 MYB 类、NAC
类和 bZIP 类转录因子均参与低温抗性反应。
1. 4. 3 冷胁迫响应基因及表达产物 在冷胁迫下
植物中基因表达也发生一系列变化，大量的基因被
诱导。这些基因的表达产物主要分为 2 类: 一类为
上述的调控蛋白;另一类为功能蛋白。它们直接参
与植物抗逆反应，提高植物的低温耐性。这组基因
编码的蛋白包括胚胎后期丰富蛋白 (LEA)、热休克
蛋白 (HSPs)、渗透调节物质的生物合成所需的酶、
防冻剂和解毒蛋白质。LEA 和热激蛋白是胁迫诱
导的 2 个主要蛋白质，在水、盐分和极端温度胁迫下
积累，在胁迫过程中起保护细胞作用 (Ｒenaut et al．，
2006)。已经证明 LEA 广泛存在于植物对干旱、寒
冷及渗透引起的水分亏缺的响应中，二级结构预测
表明 LEA 以任意的双螺旋结构存在，通常在胚胎发
生晚期过程中合成，且大部分成员都是由相对简单
的氨基酸组成的亲水分子，这类冷应答基因主要包
括 COＲ15a，COＲ47，COＲ6. 6 和 COＲ78 /ＲD29 等
(Mahajan et al．，2005 )。COＲ15a 的表达产物可调
节脯氨酸和某些糖类物质的合成，超表达植株在应
答低温胁迫后膜中六角形Ⅱ期脂质的形成下降，因
而膜的损害程度减少，提高了植物对低温的耐性。
HSPs 用以防止细胞内冷敏感蛋白三级或四级结构
的破坏。如芸薹属 (Brassica spp． )植物在 5 ℃低温
处理后，体内积累较多的 Hsp90; 番茄( Lycopersicon
esculentum)和菠菜(Spinacia oleracea)在低温下产生
一类 Hsp70 家族蛋白。这些蛋白类分子伴侣可在
低温条件下调节蛋白质的折叠和运输，恢复钝化酶
的活性 (Li et al．，1999)。植物脱水蛋白具有高度
的亲水性和热稳定性，在低温胁迫下，它们在膜下积
累像黏胶拉链一样结合于大分子表面，以保护大分
子的结构和活性 (Wisniewski et al．，2006)。表 1 为
已鉴定的一些冷胁迫诱导基因或蛋白质。
1. 5 提高植物抗冷性的生理及分子机制
近年来，对冷敏感植物低温锻炼提高抗冷性的
生理机制进行了大量研究。戴金平等 (1991) 研究
表明，黄瓜 ( Cucumis sativus) 幼苗在低温锻炼后
SOD，CAT 和 POD 活性显著提高，并在逆境胁迫时
保持稳定，提高了它们对氧自由基和过氧化氢的清
除作用。陆地棉(Gossypium hirsutum)幼苗经适当的
低温锻炼后，在冷胁迫下蛋白质含量和种类都有明
显的变化，而且都有低温诱导蛋白产生;在临界生长
温度 (12 ℃ ) 下锻炼后的棉苗能耐受较长时间 (7
天) 的低温 (4 ℃ ) 冷胁迫，幼苗脯氨酸含量最高，
其抗冷性比对照明显提高 (范月仙等，2011)。番
茄幼苗经 12 ℃锻炼 7 天、甜玉米(Zay mays)种苗经
11 ℃锻炼 8 天或 15 天后，较常温下 (26 ℃ /21 ℃ )
生长的苗木脯氨酸含量显著增加，质膜 Ca2 + -
ATPase 在2 ℃冷胁迫后仍保持高活性;而未经锻炼
的种苗在同样低温处理后，质膜 Ca2 + -ATPase 活性
丧失，遭受冷害，即通过低温锻炼对 2 ℃低温胁迫的
抗性明显提高 (简令成等，2005)。冷敏感拟南芥
基因型经过低温锻炼后，合成了低相变温度的脂类，
增加了膜不饱和脂肪酸的组成 ( Provart et al．，
2003)。
冷胁迫下，不同冷敏感植物基因表达谱不同。
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Provart 等(2003) 鉴定了 634 个冷致死拟南芥突变
体冷响应基因，包括与脂质代谢、叶绿体功能、糖代
谢、自由基解毒相关的基因。Wang 等(2013) 用转
录组学方法分析了冷敏感树木麻疯树 ( Jatropha
curcas ) 暴露于 12 ℃低温下基因表达的变化，其中
上调基因有: 1) 脂肪酸不饱和性相关基因———编
码△9 － 硬脂酰 ACP 去饱和酶 (△9-stearoyl-ACP
desaturase，SAD) 与△12 － 脂肪酸脱氢酶 (△12-
fatty acid desaturase，FAD2)基因; 2) 抗氧化相关基
因———编码过氧化物酶( POD)、锌超氧化物歧化酶
( SOD )、脱氢抗坏血酸还原酶 ( dehydroascorbate
reductase，DHAＲ) 和谷胱甘肽还原酶 ( glutathione
reductase，GＲ) 基因; 3) 渗透相关基因———编码半
乳糖苷、棉子糖和肌醇合成酶基因; 4) 亲水蛋白相
关基因———编码 LEA-5 基因、编码 ＲNA 结合蛋白
(ＲNA-binding protein，ＲBP)基因; 5) 信号转导相关
基因———编码转录因子 MYB15 和 CBF 基因。
冷敏感树木木薯 (Manihot esculenta) 幼苗抗冷
锻炼研究表明，编码与氧化还原调节有关的 ＲOP
interactive partner 3 的基因、编码小分子营养代谢有
关的核糖体蛋白 L11 和泛素 6 的基因、类 ＲmlC
cupins 家族蛋白的基因和编码转录因子 CBF 同系
物的基因在 4 ℃或 14 ℃条件下与对照 24 ℃相比表
达上调，这在一定程度上提高了木薯的抗冷性，使木
薯能够在 4 ℃ 条件下生存至少 5 天 ( Zeng et al．，
2014)。
综合上述研究表明，冷敏感植物通过抗冷锻炼，
感知寒冷信号，在转录水平通过转录因子 CBF 等调
控作用，诱导抗冷相关基因的表达，提高膜不饱和脂
肪酸、渗透物质含量、营养维持物质和抗氧化酶活
性，从而提高抗冷性。
2 木本植物的抗冻性
发生在晚秋和早春的霜冻和冬季极端低温限制
了树木的可持续生长，通过确定适宜的树木栽植地
点、选择抗冻树种和使用适宜的栽培技术能够降低
生产损失，但在冬季寒冷气候区冻害对于树木生长
是一个长期存在的问题。抗冻性是植物生存于低于
冰点温度的能力，是一个响应于波动环境的活跃性
状，依赖于基因型的抗冻锻炼和休眠的定时、仲冬抗
冻性大小、脱锻炼的速度、再锻炼的能力和芽萌的定
时。许多温带物种已经逐步进化了一种能力，即在
秋季长时间寒冷但不结冰温度和光周期变化条件下
增加它们的抗冻性(Thomashow，1999; Catala et al．，
2011)。这种诱导过程被称为抗冻锻炼，最终保证
植物安全越冬，使其在随后的春天成功地再生。木
本植物抗冻锻炼过程包括 2 个阶段 ( Weiser，
1970): 第一阶段，在初秋开始加强锻炼，被短日照
和冰点以上的低温诱导生长停止和休眠发展; 第二
个阶段，直接暴露在冰点或略低于冰点温度下，一些
未知因子能帮助抗冻锻炼。当锻炼结束时，植物的
抗冻性达到最大水平 ( Li et al．，2002)。一些树木
细胞经完全抗冻锻炼后可以耐受 － 50 ～ － 100 ℃的
低温，这就是所谓的过度冷却现象。这种现象存在
于榆 树 ( Ulmus pumila )、枫 香 树 ( Liquidambar
formosana)、山毛 榉 ( Fagus sylvatica ) 等物 种中
(Burke et al．，1979)。
抗冻性是一个非常复杂的性状，包括抵抗低温
对植物功能的直接影响和因冰晶形成造成的间接影
响的能力。寒冷条件直接影响改变生物热力学过
程、生物分子的稳定性和功能及改变正常细胞过程，
如光合作用、胞间及胞内运输和有毒的活性氧 ＲOS
形成与清除之间的平衡( Thomashow，1999)。植物
冻害的机制主要是结冰伤害、引起蛋白质损伤的巯
基假说和对膜的伤害。胞间结冰对植物的伤害比胞
内结冰更大，主要原因是: 1) 胞间结冰导致原生质
过度脱水，造成蛋白质变性或原生质发生不可逆的
凝胶化; 2) 冰晶引起细胞的机械损伤; 3) 解冻过
快对细胞的重大损伤 (李美如等，1996)。植物在
抗冻锻炼过程中通常能被诱导产生一系列抗冻防御
反应。图 1 为木本植物冷响应基因调节过程示意
图。植物抗冻机制主要体现在以下几个方面。
2. 1 木本植物抗冻锻炼过程生理生化变化
抗冻锻炼涉及植物生物化学及生理学状态的重
大变化，从而改善对低温胁迫的抗性。一般情况下，
蛋白质和各种保护性功能化合物增加，而光合作用
和几个其他代谢相关的生化途径被抑制 (Ｒudi et
al．，2010; Wineld et al．，2010)。植物通过进化形
成操纵冰晶形成的能力，这是通过降低凝固点(热
滞后)或通过抑制冰再结晶实现的 ( Byard et al．，
2010)，β － 1，3 － 葡聚糖酶、WＲKY 蛋白、几丁质酶
和类甜味蛋白等参与了上述反应。抗冻锻炼期间植
物获得改变膜稳定性的能力，这涉及膜脂类成分组
成及分配比的改变，表现在细胞内不饱和脂肪酸和
磷脂的含量增加，使膜脂的相变温度降低、细胞膜的
流动性增强，提高植物的抗冻性 (Moellering et al．，
2010)。通过脂质代谢及膜脂成分的遗传操纵提高
了转基因杨树 (Populus alba × P． glandulosa) (Zhou
et al．，2009) 的抗冻性。抗冻锻炼期间生成与膜相
互作用起保护作用的碳水化合物 ( Valluru et al．，
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第 7 期 乌凤章等: 木本植物低温胁迫生理及分子机制研究进展
图 1 木本植物冷响应基因调节过程
Fig. 1 Diagram showing regulation of cold responsive genes in woody plants
ABA:脱落酸; APX:抗坏血酸过氧化物酶; CBF:C 重复序列结合因子; COＲ gene:冷调节基因; GＲ:谷胱甘
肽还原酶; Hsp:热激蛋白; LEA protein:胚胎发育晚期丰富蛋白; MAPKs:促分裂素原活化蛋白激酶; SOD:
超氧化物歧化酶。ABA:abscisic acid; APX:ascorbate peroxidase; CBF:Crepeat binding factors; COＲ gene:cold
regulated genes; GＲ: glutathione reductase; Hsp: heat shock protein; LEA protein: late embryogenesis abundant
protein; MAPKs:mitogen activated protein kinases; SOD:superoxide dismutase．
2008)，其含量随组织锻炼的状态而变化。在木本
植物组织中抗冻锻炼期间，淀粉浓度降低，可溶性糖
浓度提高 (Dhanaraj et al．，2004)。尤其是低聚糖棉
子糖和水苏糖与抗冻性、低温和休眠紧密相关，但蔗
糖也提高木本植物芽的抗冻力。除了碳水化合物
外，木本植物在响应渗透胁迫时还积累相容性溶质
或渗透调节物质。相容性溶质的功能是维持细胞膨
压，也可以通过稳定细胞膜和蛋白质起自由基清除
剂或分子伴侣作用。渗透调节物质分为三大组: 氨
基酸 (如脯氨酸)、季胺 (甘氨酸、甜菜碱等) 和多
元醇 /糖 (甘露醇)。在转基因植物中，渗透调节物
质的过度表达能提 高抗逆性 ( Diamant et al．，
2001)。寒冷气温也使植物遭受活性氧诱导的氧化
胁迫，因此，抗氧化酶 (抗坏血酸过氧化物酶、谷胱
甘肽还原酶、超氧化物歧化酶和其他) 激活，参与自
由基的清除。抗氧化酶的活性由低温诱导，并在冰
冻引起的伤害恢复中起重要作用 ( Ｒenaut et al．，
2006)。
2. 2 木本植物抗冻分子机制
人们对自然环境和人工控制环境下植物抗冻锻
炼进行了大量观测和研究，结果表明，植物通过感知
短光周期和 /或低温信号，诱导一系列低温诱导基因
表达，表达产物参与上述生理代谢过程而获得对冰
冻温度的抗性。树木抗冷锻炼和抗冻锻炼的机制和
代谢途径有许多相似之处，但后者可能更复杂，因为
它需要面对极端的低温和不正常的温度波动。
2. 2. 1 脱落酸参与抗冻锻炼 ABA 是调节基因的
主要参与者，通过 ABA 依赖的转录因子的转录激活
参与植物胁迫响应基因的调节 ( Shinozaki et al．，
2000)。这条途径可能通过与 CBF1，CBF2 和 CBF3
分子的同源体 CBF4 分子与下游基因的作用，提高
植物的抗冻性。与前者不同的是，CBF4 受干旱和
ABA 诱导，对低温的诱导反应不明显。CBF4 也是
通过靶基因 CＲT /DＲE 顺式作用元件调节相关胁迫
基因 (如 COＲ15a，COＲ78a 等) 的表达而增强植物
抗逆性。许多证据表明在自然条件下 ABA 在低温
锻炼中的作用:首先，低温条件下，拟南芥内源 ABA
水平增加 (Cuevas et al．，2008); 其次，外源 ABA 的
应用能增强整个植物抗冻性(Mantyla et al．，1995);
第三，低温锻炼中的许多基因表达都受 ABA 调控，
121
林 业 科 学 51 卷
包括 CBF 基因(Agarwal et al．，2010)。
2. 2. 2 抗冻锻炼期间诱导的基因及表达产物 在
抗冻锻炼期间，特异基因表达会引起特定的蛋白质
的积累。如一些作为分子伴侣的热激蛋白的合成出
现上调，与热胁迫的调节方式一致，表明冷和热 2 种
胁迫下都伴随着蛋白质的去稳定性，这种稳定蛋白
质结构的机制，对于植物生存是非常重要的。
抗冻蛋白 ( antifreeze protein，AFPs) 是另外一
类冷胁迫诱导表达的蛋白质，通常含有多个亲水性
冰晶结合域，并具有较强的抑制冰晶重结晶活性。
包括 2 种类型:一种为 PＲ-AFPs，在低温诱导下具有
抗病和抗冻双重功能，如内切壳多糖酶和内切葡聚
糖酶。目前发现含 PＲ-AFPs 的植物主要包括黑麦
(Secale cereale)、欧白英 ( Solanum dulcamara)、胡萝
卜 ( Daucus carota) (李文轲等，2012 )、高丛蓝莓
(Vaccinium corymbosum)(Kikuchi et al．，2009)、葡萄
(Vitis riparia)(Mathiason et al．，2009)等。此外还有
一些其他类型的 AFPs，包括沙冬青(Ammopiptanthus
mongolicus)、白松 (Pinus monticola)、甜杨 ( Populus
suaveolens)等。
在低温诱导的蛋白质中，一些与渗透胁迫有关，
包括与渗透剂合成有关的蛋白质、膜稳定蛋白 (如
脱水蛋白以及 LEA 蛋白) 上调。由于胞外冰晶的
存在，在胞内产生明显的渗透胁迫，所以防御冰冻胁
迫也需要一些类似的处理渗透胁迫的方法。苹果叶
片脱水蛋白基因 MdDHN2，MdDHN4，MdDHN6 和
MdDHN8 在低温锻炼期间上调 (Liang et al．，2012)，
其中 MdDHN2 也存在于仲冬时期树皮和花芽以及
低温诱导下的树皮中 (Garcia-Banuelos et al．，2009;
Wisniewski et al．，2008)。许多木本植物在抗冻锻炼
及含水量减少条件下脱水蛋白上调 (Sarnighausen et
al．，2004; Welling et al．，2004; Wisniewski et al．，
2006)。这些结果表明脱水蛋白在树木冬季存活机
制中具有重要作用，但这种渗透保护和抗冰冻的确
切机制还不清楚。
2. 2. 3 抗冻锻炼期间转录因子调节基因表达
CBF 基因在热带、亚热带植物和温带木本植物中广
泛存在，具有保守结构和功能。Zhang 等(2004)分
析 8 700 个番茄基因时发现，受 LeCBF1 和 AtCBF3
诱导表达超过 2. 5 倍的仅有 4 个基因，其中 3 个属
于受 CBF 调控基因，包括 2 个脱水蛋白基因和 1 个
可能编码蛋白酶抑制剂的基因，而属拟南芥 CBF 调
节的棉子糖合成酶、脯氨酸合成酶和转录因子
ＲAP2. 1 均不在番茄 CBF 调控基因之列，这说明冷
敏感植物和抗冻植物 CBF 冷应答途径是不同的。
甜樱桃 (Prunus avium) CBF 同源物 (PaCBF) 能够
提高拟南芥的抗冻性 (Kitashiba et al．，2004); 与南
方冷敏感品种相比，北方抗冻性强的高丛蓝莓品种
中的一个 BB-CBF 基因在抗冻锻炼的早期高水平表
达 (Polashock et al．，2010)。此外，BB-CBF 在非低
温锻炼的南方冷敏感品种花芽和叶片中过表达，使
其抗冻性提高; 一个苹果 DＲEB /CBF 基因与拟南
芥 DＲEB2B 相似，在寒冷、干旱、热和 ABA 处理 2 h
之内上调，8 ～ 24 h 之间表达量明显提高 ( Zhao et
al．，2012)。这些研究都表明 CBFs 在树木中存在，
且与模式植物拟南芥中已经展示的低温响应途径相
似;但二者的抗冻锻炼有所不同，木本植物的抗冻潜
力更大，而且抗冻锻炼机制也更复杂 (有季节性抗
冻锻炼和休眠现象)，所涉及的基因也有差别。
2. 3 木本植物抗冻锻炼期间转录组、蛋白质组和代
谢组变化
为了更好地获得对植物抗冻过程的理解，开发
提高抗冻性的技术策略，在进行基因组学研究的同
时需要辅之以转录组学、蛋白质组学和代谢组学研
究 (Guy et al．，2008)。近年来，木本植物中相关研
究进展较快。
2. 3. 1 木本植物抗冻锻炼的转录组学 转录组学
是在 ＲNA 水平上研究生物体中各基因转录情况及
其调控规律、用以阐明生物表型与功能的一门科学。
转录组可定量分析生物受外界环境影响的各个基
因表达的变化，主要检测的是生物体 ＲNA 水平的
基因表达量。目前最主要的 2 个检测技术为基于
杂交的基因芯片技术 (microarray) 和基于第 2 代
深度测序的 ＲNA 测序技术 ( ＲNA-Seq)。Pang 等
(2013)将沙冬青幼苗在4 ℃ 和 20 ℃ 处理 14 天
后，首次利用 Illumina / Solexa 技术研究非模式物种
抗冻锻炼后基因表达情况，鉴定的上调基因包括:
编码脂肪酸去饱和酶 ( fatty acid desaturase，FAD)
基因、吡咯啉 － 5 －羧酸合成酶( delta 1-pyrroline-5-
carboxylate synthetase，P5CS) 基因、与蔗糖和其他
单糖合成相关的基因、LEA 基因、抗氧化酶 CAT /
SOD 基 因、信 号 转 导 相 关 的 依 赖 蛋 白 激 酶
( calcium dependent protein kinase，CDPKs) 基因、激
活 ABA 功能的 SnＲK2 蛋白激酶基因、在保卫细胞
中具 ABA 信号功能的磷脂酶 Dα1 ( PLDα1)、磷脂
酶 β1 ( PLDβ1)和磷脂酶 Dδ ( PLDδ)基因、转录因
子 EＲF /WＲKY /CBF 基因。
221
第 7 期 乌凤章等: 木本植物低温胁迫生理及分子机制研究进展
表 1 木本植物低温锻炼期间诱导的基因(蛋白质) ①
Tab. 1 Genes(protein) involved during cold acclimation in woody plants
功能类别
Functional category
基因 /蛋白质
Gene / protein
表达变化
Variation of the expression
物种
Species
参考文献
Ｒeference
转录调控 PtCBF1 －4 增加 Increase 杨树 Populus tremula × P． alba Benedict et al．，2006
Transcriptional CBF /DＲEB1 增加 Increase 胡杨 Populus euphratica Chen et al．，2014
control MYB15 增加 Increase 麻疯树 Jatropha curcas Wang et al．，2013
bHLH，ZFP 增加或减少
Increase or decrease 茶树
Camellia sinensis Wang et al．，2013
信号转导及膜修改 BpFAD，BpKASII 增加 Increase 垂枝桦 Betula pendula Martz et al．，2006
Signal transduction CaM 增加 Increase 白桦 Betula platyphylla Wu et al．，2014
andmembrane CDPK 增加 Increase 胡杨 Populus euphratica Chen et al．，2014
modification FAD8 增加 Increase 沙冬青 Ammopiptanthus mongolicus Pang et al．，2013
FAD2 增加 Increase 麻疯树 Jatropha curcas Wang et al．，2013
CaM，LTP 增加或减少
Increase or decrease 茶树
Camellia sinensis Wang et al．，2013
CDPK 增加 Increase 茶树 Camellia sinensis Wang et al．，2013
P5CS 增加 Increase 沙冬青 Ammopiptanthus mongolicus Pang et al．，2013
碳水化合物代谢 AMY，ＲS 增加 Increase 茶树 Camellia sinensis Wang et al．，2013
Carbohydrate LTP 增加 Increase 高丛蓝莓 Vaccinium corymbosum Ｒowland et al．，2012
metabolism ppdhn1，ppdhn2 增加 Increase 桃 Prunus persica Wisniewski et al．，2006
膜稳定 Dhns (ＲOD60) 增加 Increase 欧洲桦 Betula pubescens Welling et al．，2004
Stabilization of Dhn 增加 Increase 桃 Prunus persica Ｒenaut et al．，2008
membranes LEA，ＲBP 增加 Increase 麻疯树 Jatropha curcas Wang et al．，2013
LEAs和脱水蛋白 LEA 增加 Increase 沙冬青 Ammopiptanthus mongolicus Pang et al．，2013
LEAs and dehydrin BADH 增加 Increase 麻疯树 Jatropha curcas Wang et al．，2013
Dhn 减少 Decrease 高丛蓝莓 Vaccinium corymbosum Ｒowland et al．，2012
LEA 增加 Increase 高丛蓝莓 Vaccinium corymbosum Ｒowland et al．，2012
热激蛋白 HSP22，HSP70 增加 Increase 杨树 Populus tremula × P． tremuloides Ｒenaut et al．，2004
HSP HSPs 增加 Increase 桃 Prunus persica Ｒenaut et al．，2008
HSPs 减少 Decrease 高丛蓝莓 Vaccinium corymbosum Ｒowland et al．，2012
抗氧化酶 APX 增加 Increase 杨树 Populus tremula × P． tremuloides Ｒenaut et al．，2006
Detoxifyine enzymes POD，SOD 增加 Increase 麻疯树 Jatropha curcas Wang et al．，2013
APX 减少 Decrease 高丛蓝莓 Vaccinium corymbosum Ｒowland et al．，2012
抗冻蛋白 PＲ-proteins 增加 Increase 桃 Prunus persica Ｒenaut et al．，2008
Antifreeze protein PＲ10 /Bet v 1 protein 增加 Increase 山桑 Morus bombycis Ukaji et al．，2004
CLP，TLPs 增加 Increase 茶树 Camellia sinensis Wang et al．，2013
① AMY:淀粉酶; BADH:甜菜碱醛脱氢酶; bHLH:碱性螺旋 －环 －螺旋; CaM:钙调蛋白; CBF /DＲEB1:C 重复序列结合因子 /脱水应答元
件结合蛋白 1; CDPKs:钙离子依赖蛋白激酶; CLP:类几丁质酶蛋白; Dhn:脱水蛋白; FAD:脂肪酸去饱和酶; KASII:酮脂酰 － ACP 合成酶 II;
LTP:脂转移蛋白质; MYB:禽成髓细胞瘤病毒致癌基因同源物类; P5CS:脯氨酸合成酶; POD:过氧化物酶; PＲ:病程相关蛋白; ＲBP:ＲNA 结
合蛋白; ＲOD:红瑞木; ＲS:棉子糖合成酶; TLPs:类奇甜蛋白; ZFP:锌指蛋白。AMY: amylases; BADH:betaine aldehyde dehydrogenase; bHLH:
basic /Helix-Loop-Helix; CaM:calmodulin; CBF /DＲEB1:C-repeat / dehydration responsive binding factor dehydration resistance element binding protein
1; CDPKs:Ca2 + -dependent protein kinases; CLP:chitinase-like proteins; Dhn:dehydrin; FAD: fatty acid desaturase; KASII:3-ketoacyl-ACP synthase
II; LTP: lipid-transfer protein; MYB:v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog; P5CS:pyrroline-5-carboxylate synthetase; POD:peroxidase;
PＲ:pathogenesis-related protein; ＲBP:ＲNA-binding protein; ＲOD:red-osier dogwood; ＲS:raffinose synthase; TLPs:thaumatin-like proteins; ZFP:zinc
finger protein．
Chen 等 ( 2014 ) 将 2 年 生 胡 杨 ( Populus
euphratica) 苗木分别置于 4 ℃和 － 4 ℃条件下处理
6 h 后，使用 Solexa 测序技术完成了样品叶片转录
物组的测序，并对大量的早期冷响应基因进行鉴定，
表明转录因子、与 ABA 及钙信号传导相关的关键转
录成分在胡杨低温响应中可能发挥重要作用。
Wang 等(2013) 鉴定了茶树 (Camellia sinensis)
在自然越冬条件下抗冻锻炼后差异表达基因，包括传
感器或信号因、低温应答转录因子基因、质膜稳定相
关基因、渗透应答基因和解毒酶基因。路径分析表
明，“碳水化合物代谢途径”和“钙信号通路”可能在
茶树应对冰冻胁迫中发挥至关重要作用。上述研究
表明在抗冻锻炼过程中，抗冻性强的树木沙冬青和胡
杨关键转录成分主要与 ABA 及钙信号传导相关，而
在抗冻性较弱的茶树中“碳水化合物代谢途径”和
“钙信号通路”相关基因起主要作用。
在自然环境中，影响植物越冬生存的环境因子不
仅仅是气温，光也是一个可能成为胁迫的因素，它可
能导致光氧化损伤 (Arora et al．，2011)。早期光诱导
蛋白 (ELIPS) 是核编码、光胁迫诱导的蛋白质，位于
321
林 业 科 学 51 卷
类囊体膜，属于叶绿素 a / b 结合蛋白家族，在植物中
广泛分布。ELIPs 作为临时色素载体或作为过量激
发能储存、耗散场所来发挥光保护作用 (Adamska et
al．，2001)。在高丛蓝莓花芽 (Die et al．，2014) 和杜
鹃(Ｒhododendron catawbiense) 叶 (Peng et al．，2008)
中发现低温锻炼高度诱导的 ELIP 基因，支持了 ELIP
在冬季植物组织中对高光胁迫适应机制中的重要
作用。
2. 3. 2 木本植物抗冻锻炼的蛋白质组学研究 近
年来，有关树木对低温胁迫响应的蛋白质组学研究
逐渐增多。Ｒenaut 等 ( 2004 ) 研究了低温对杨树
(Populus tremula × P． tremuloides) 蛋白质表达的影
响。以在23 ℃条件下生长的植株为对照，分析了 3
个月的杨树暴露于 4 ℃低温下 7，14 h 时叶片蛋白
质组的变化，鉴定了 26 个蛋白质。其中在逆境条件
下，新出现或表达量上调的蛋白质包括分子伴侣、热
激蛋白、脱水蛋白和其他胚胎发育晚期丰富蛋白等，
并发现 4 ℃条件下消失或表达量下调的蛋白质主要
是与能量代谢有关的蛋白。
本文作者所在研究组前期研究检测了旺盛生长
的白桦 (Betula platyphylla) 幼苗在 4 ℃处理当天、4
和 14 天的蛋白质凝胶图谱，鉴定了 15 个差异表达
蛋白质，它们主要参与信号转导 (钙调蛋白)、光合
作用、碳氮及能量代谢、应激相关 (过氧化物还原因
子) 等。
Kjellsen 等(2010) 通过质谱鉴定出 43 个西伯
利亚云杉 (Picea obovata) 响应低温胁迫的蛋白，在
自然抗冻锻炼期间积累的蛋白包括脱水蛋白、
Hsps70、脂质运载蛋白、亲环蛋白、富含甘氨酸蛋白
和几个活性氧中间体清除蛋白。
此外，国内外学者先后对桃 ( Ｒenaut et al．，
2008)、杏(Prunus armeniaca)(Zhuang et al．，2012)、
山桑 (Morus bombycis) (Ukaji et al．，2004)、小沙冬
青(Ammopiptanthus nanus)(Lu et al．，2010)、北海道
黄杨 (Euonymus japonicus‘Cuzhi’) (郝强等，2011)
和欧洲山杨 ( Populus tremula)无性系 ( Sergeanta et
al．，2014)抗冻锻炼后蛋白质组进行了分析，上述研
究证实了以前从一维 SDS-PAGE 或基因表达中已经
获得的冷诱导蛋白数据，如 PＲ 蛋白、防御、细胞结
构、氨基酸、木质素代谢和信号转导相关蛋白、热休
克蛋白、脂质运载蛋和 LEA 等上调，与能量代谢相
关蛋白上调或下调。
2. 3. 3 木本植物抗冻锻炼的代谢组学研究 代谢
组学提供了全面的代谢产物水平的整体变化轮廓，
其水平可能是酶的活性和在转录水平基因调控的结
果，这些新兴技术的初步应用有益于确定与冷胁迫
相关的新的代谢产物和途径 (Guy et al．，2008)。目
前相关研究以模式植物拟南芥为主，木本植物研究
处于起步阶段。
具有高的低温锻炼能力的拟南芥基因型 Ws-2
在低温锻炼期间 114 个代谢物显著提高，而在较低
的低温锻炼能力的基因型 Cvi-1 中只有 47 个代谢
物增加，这表明低温锻炼的能力依赖于冷诱导代谢
组中代谢物的整体变化 ( Cook et al．，2004 )。
Benina 等(2013) 使用 GC-MS 进行低温(4 ℃ ) 下巴
尔 干 苣 苔 ( Haberlea rhodopensis )、 盐 芥
(Thellungiella halophyla) 和拟南芥代谢组分析比
较，表明低温锻炼期间糖、有机酸、多羟基化合物的
积累构成了巴尔干苣苔主要代谢防御机制，而氨基
酸和氨基酸衍生物的积累有助于拟南芥和盐芥的低
温锻炼。这些结果表明，3 个物种在环境温度胁迫
下代谢物组和对低温响应策略存在本质差异。
Angelcheva 等(2014) 通过对西伯利亚云杉在
自然条件下充分低温锻炼的针叶与抗冻锻炼前的针
叶代谢组差异分析，发现 223 个代谢产物积累、52
个降解，棉子糖家族寡糖、糖酸和糖醇、去饱和脂肪
酸、二半乳糖甘油合成和积累增加，蛋白质和非蛋白
氨基酸和多胺积累增加。这说明碳水化合物、氨基
酸、多胺和脂质代谢相关的代谢物在西伯利亚云杉
对极端低温快速适应中发挥重要作用。
此外，低温胁迫代谢组学的研究结果表明，许多
植物中碳水化合物的代谢作用是一致的，似乎这是
寒冷胁迫下代谢组重新编程的主要特征(Guy et al．，
2008)。尽管代谢组学虽然能检测大部分低温胁迫
响应的代谢物质，但仍然有些胁迫响应的代谢物质、
代谢途径未被发现，代谢途径间的联动机制仍有待
于进一步研究。
2. 4 与木本植物休眠有关的 DAM 基因表达
短光周期和低温诱导休眠相关的 MADS Box
genes (DAM)表达。DAM 基因家族包括 6 个基因
(Bielenberg et al．，2008)。若敲除桃成熟芽体中的 6
个 DAM 基因，在短日照条件下，芽不能进入生理休
眠 (Bielenberg et al．，2004)，而且长时间的寒冷温
度抑制这些基因的表达 ( Sasaki et al．，2011 )。因
此，DAM 基因被认为在冬季休眠诱导、维持以及解
除过程发挥作用。在野外及人工控制的短光周期条
件下，5 个桃树 DAM (DAM1，DAM2，DAM4，DAM5 和
DAM6)基因被诱导表达，而且 DAM6 表达水平最高;
DAM1 和 DAM2 在野外条件下休眠诱导时期表达，
DAM5 和 DAM6 在仲冬表达水平最高，表明它们具
421
第 7 期 乌凤章等: 木本植物低温胁迫生理及分子机制研究进展
有维持休眠作用;DAM3 在低温调节下出现，在整个
冬季减少，可能在解除休眠中发挥作用 (Bielenberg
et al．，2008)。MAD-box 转录因子的一些成员，例如
Flowering Locus C ( FLC) 和 Short Vegetative Phase
(SVP)，参与拟南芥开花应答的温度调控，也能够调
控多年生木本植物的芽休眠 (Hemming et al．，2011;
Lee et al．，2007)。在枳类和乳浆草的生理休眠过程
中，它们上调表达，并且在生理休眠解除后，表达量
下降 (Zhang et al．，2009; Dogramaci et al．，2010)。
3 结论与展望
对于来源于热带、亚热带的植物而言，表现出对
冷胁迫敏感的特性。冷胁迫会造成植物水分状况改
变，营养吸收能力减弱，呼吸作用减弱，引起光抑制，
造成光合效率降低、生理代谢异常、膜结构和膜成分
改变，易遭受冷害。冷敏感植物通过低温锻炼，诱导
抗冷相关基因表达，表达的蛋白质和代谢物质主要
参与抗氧化、膜稳定及渗透调节作用，从而提高植物
抗冷性。温带树木随日照变短和温度降低开始发展
抗冻性，通过暴露在冰点及略低于冰点度的温度，获
得更高水平的抗冻锻炼，但在春季气温升高时抗冻
力下降。分子生物学研究已从冷信号的识别、转导、
信号级联放大、响应等方面对木本植物低温信号传
递网络进行了一定深度的剖析，木本植物中一些参
与抗冻锻炼基因 (如 CBF / DＲE 基因、抗冻蛋白基
因以及脱水蛋白基因) 和生理休眠相关基因 (DAM
基因) 已经从特定植物谱系的持续进化中而逐渐形
成。但对低温胁迫下相关分子应答途径、基因转录
调控方面的研究还不够深入。低温会引起代谢过程
及大量产物的变化，对于调控这些过程的转录因子
及关键功能基因、相关交叉信号途径的全面了解与
解析，将有助于林木抗冷 (冻) 新品种的培育。季
节性光照变化及温度降低诱导类似的信号过程和相
关的靶基因表达，但对木本植物感受和转导信号的
机制以及休眠和抗冻的确切分子机制尚不是很清
楚。ABA 与 Ca2 +信号转导途径如何协同作用将寒
冷胁迫信号传递到细胞核的转录因子，转录因子如
何调控抗冻基因的表达，抗冻基因又是如何发挥抗
冻活性等的分子机制等仍需深入研究。
近年来，随着新一代高通量 DNA 测序技术的快
速发展，ＲNA 测序 (ＲNA-seq) 已成为基因表达和
转录组分析新的重要手段。目前，已对冷敏感树木
及抗冻树木对低温胁迫的响应及适应过程的转录组
进行了较多的研究，鉴定了许多低温胁迫基因，增加
了对树木抗冷 (冻) 机制的进一步了解。木本植物
低温诱导蛋白质的研究已取得一些进展，已鉴定和
发现了一大批响应低温胁迫的相关蛋白，取得了许
多有价值的研究成果，为基于蛋白质组水平解释植
物响应和适应低温胁迫过程中的分子机制提供了新
的理论依据，拓展了对于木本植物抗冷 (冻) 分子
机制的认识，但迄今对大多数低温诱导蛋白质功能
及其表达机制仍不清楚。植物对低温胁迫的应答是
一个非常复杂的体系，涉及到一系列的信号转导、基
因调控、蛋白修饰和代谢调节等细胞途径，未来使用
蛋白质组学方法应与遗传学、生物化学、基因组学、
转录组学技术相结合，开展木本植物对低温响应的
研究，将更深入地阐明重要蛋白质表达机制和功能，
完整地提供木本植物如何应对它们生存环境的表
现。目前利用低温胁迫代谢组学技术检测到许多低
温胁迫响应的代谢物质，但局限于模式植物拟南芥
及一些作物种类，对木本植物研究的很少。未来代
谢组学的研究应在揭示木本植物低温胁迫响应和适
应机制中发挥应有的重要功能。
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(责任编辑 王艳娜)
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