錢(qián)恒彥 潘寶貴 刁衛(wèi)平 戈 偉 郭廣君 劉金兵 陳學(xué)好 王述彬*

（1揚(yáng)州大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225100；2江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)溫度下限的溫度環(huán)境，是影響植物生長(zhǎng)、發(fā)育和地理分布的重要環(huán)境限制因素（何潔 等，1986）。低溫脅迫對(duì)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)等都會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致重要農(nóng)作物的減產(chǎn)，已經(jīng)成為生產(chǎn)中亟須解決的問(wèn)題（王士強(qiáng) 等，2016）。辣椒、黃瓜、番茄等喜溫蔬菜作物對(duì)低溫敏感，植株在0～10 ℃時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重傷害，葉片呈水漬狀，果實(shí)出現(xiàn)壞死斑點(diǎn)，生長(zhǎng)受到抑制，品質(zhì)降低，產(chǎn)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(shù)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(jī)制研究方面，蔬菜作物主要通過(guò)增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)和抗氧化能力，減緩低溫脅迫對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害（劉偉 等，2009）。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，植物耐低溫的分子機(jī)制研究進(jìn)展迅速，如在植物ICE-CBF-COR通路中，作物通過(guò)冷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活A(yù)P2/ERF、MYB、NAC等轉(zhuǎn)錄因子，特異結(jié)合CBF（C-repeat binding factor）基因順式作用元件，調(diào)節(jié)冷調(diào)節(jié)（cold-regulated，COR）基因的表達(dá)，提高植物對(duì)低溫脅迫的適應(yīng)性（李紅霞 等，2013；劉輝 等，2014）。有關(guān)植物耐低溫的分子機(jī)制還不明確，其冷適應(yīng)性可能是低溫防護(hù)蛋白、抗凍蛋白、植物脫水素、膜關(guān)聯(lián)耐凍性多肽蛋白等共同作用的結(jié)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(diào)節(jié)物質(zhì)、植物激素等生理生化指標(biāo)在蔬菜作物耐低溫性中發(fā)揮的作用，闡述了蔬菜作物MYB、NAC、AP2/ERF等轉(zhuǎn)錄因子應(yīng)答低溫脅迫的分子機(jī)制，以期為提高蔬菜作物耐冷性研究和耐冷性分子標(biāo)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(shù)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(gòu)建群體，采用主基因-多基因聯(lián)合遺傳模型分析表明，黃瓜耐低溫性遺傳受2對(duì)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(jié)球甘藍(lán)耐寒自交系10-352和不耐寒自交系07Q214配制6個(gè)聯(lián)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(lán)耐寒性遺傳由2對(duì)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(jié)球甘藍(lán)耐寒性的2對(duì)主基因加性效應(yīng)相同?？偟膩?lái)說(shuō)，由于植物耐低溫性受多基因控制，遺傳模型的復(fù)雜性，同時(shí)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(jìn)展較緩慢。

1.2 蔬菜作物耐低溫性主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)分析

蔬菜作物耐低溫評(píng)價(jià)大部分集中在幼苗期。低溫脅迫條件下，植物生長(zhǎng)受到抑制（何潔 等，1986），株高、莖粗呈下降的趨勢(shì)，脅迫程度越高，下降現(xiàn)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(fā)芽率、幼苗株高與作物苗期耐低溫性呈正相關(guān)（閻世江 等，2012a）。張蜀寧等（2008）在-5～5 ℃條件下處理四倍體不結(jié)球白菜，發(fā)現(xiàn)葉片厚度、葉柄寬、單株質(zhì)量、單株葉片質(zhì)量、葉片質(zhì)量/葉柄質(zhì)量及小區(qū)產(chǎn)量等農(nóng)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(shí)候，株高與低溫脈沖的強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，而成株期早期產(chǎn)量和品質(zhì)沒(méi)有受到影響（Grimstad，1993）。當(dāng)甜椒幼苗遭受5 ℃低溫冷害時(shí)，對(duì)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(fā)芽率、幼苗株高等均與苗期的耐低溫性呈正相關(guān)，耐低溫材料成株期的果實(shí)產(chǎn)量及單果質(zhì)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(biāo)

2.1 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與耐低溫性

遭受逆境脅迫時(shí)，植物通過(guò)主動(dòng)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)改變細(xì)胞液濃度，降低滲透勢(shì)，以適應(yīng)脅迫環(huán)境（吳燕 等，2018）。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸（Pro）等小分子有機(jī)溶質(zhì)，另一類(lèi)是Ca2+、K+等無(wú)機(jī)離子（頡建明 等，2009）。研究表明，10～15 ℃低溫馴化環(huán)境下生長(zhǎng)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(zhǎng)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(xì)胞內(nèi)具有充當(dāng)信使傳遞胞外信號(hào)的作用，外源Ca2+可顯著增強(qiáng)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(guò)迅速調(diào)整細(xì)胞質(zhì)、液泡和細(xì)胞間隙Ca2+水平梯度應(yīng)激低溫脅迫，而冷敏感番茄品種則無(wú)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(guò)氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過(guò)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(zhì)（杜秀敏 等，2001；樊懷福 等，2007）。在適溫條件下，植物體內(nèi)SOD、APX、CAT等抗氧化酶活性維持在一定的水平，能夠清除細(xì)胞內(nèi)過(guò)量的自由基，避免對(duì)生物大分子和質(zhì)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(shí)，植株體內(nèi)SOD、POD等抗氧化酶活性明顯上升，其中耐低溫性強(qiáng)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(yōu)于自根苗，嫁接苗通過(guò)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(dǎo)致的對(duì)細(xì)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(zhì)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(xiàn)為幼苗株高、莖粗、植株干鮮質(zhì)量增加，光合作用增強(qiáng)，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(huì)通過(guò)誘導(dǎo)超氧化物歧化酶中的FeSOD基因和過(guò)氧化物酶中的GPX基因通過(guò)過(guò)氧化物酶系統(tǒng)來(lái)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(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，如促使葉片脫落、抑制果實(shí)成熟等，其中ABA是響應(yīng)生物脅迫和非生物脅迫的“應(yīng)激激素”（龍翔宇 等，2013；劉娟娟和汪惠麗，2017）。對(duì)耐低溫性不同的黃瓜材料進(jìn)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(nèi)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(duì)低溫脅迫的耐受性，外源ABA增強(qiáng)了幼苗滲透調(diào)節(jié)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(guò)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(nèi)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(shuō)明較高水平的ABA含量是嫁接苗較耐低溫的內(nèi)在原因。

3 蔬菜作物耐低溫性的分子機(jī)制

3.1 MYB轉(zhuǎn)錄因子

MYB家族成員均含1個(gè)高度保守的MYB DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（劉輝 等，2014），根據(jù)重復(fù)片段（R）個(gè)數(shù)可分為MYB3R（R1R2R3-MYB）、R2R3-MYB和R-MYB等類(lèi)型。Dai等（2007）研究證實(shí)，擬南芥中超量表達(dá)水稻MYB3R-2基因，能通過(guò)提高DREB2A、COR15a及RCI2A等低溫應(yīng)答基因表達(dá)增強(qiáng)植株的耐低溫性。李佳（2018）分析鑒定出184個(gè)馬鈴薯MYB轉(zhuǎn)錄因子StMYB，其中19個(gè)轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)低溫脅迫。MYB基因OsMYBS3（Os10g41200）在水稻正常生長(zhǎng)條件下的葉中表達(dá)水平較高，參與DREB1/CBF冷脅迫信號(hào)途徑（Katiyar et al.，2012）。張欣等（2011）從番茄中分離得到1個(gè)R2R3-MYB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子SlMYB1，將SlMYB1轉(zhuǎn)入到水稻中可顯著提高水稻對(duì)低溫脅迫的耐受能力。紫甘藍(lán)遭受低溫脅迫時(shí)通過(guò)基因BoPAP1的急速上調(diào)來(lái)促進(jìn)花青素的合成從而抵御寒冷（Zhang et al.，2012）。

3.2 NAC轉(zhuǎn)錄因子

NAC轉(zhuǎn)錄因子的N端具有一個(gè)保守的約150個(gè)氨基酸組成的NAC結(jié)構(gòu)域，含有A、B、C、D和E 5個(gè)亞結(jié)構(gòu)域，C端為轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，具有高度的多樣性，在植物遭受低溫脅迫的過(guò)程中扮演重要角色（李小蘭 等，2013；劉輝 等，2014）。通過(guò)對(duì)番茄在低溫處理前后的基因表達(dá)差異進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大量NAC轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受低溫誘導(dǎo)強(qiáng)烈（Hui et al.，2012）。番茄SlNAC80的表達(dá)受低溫、干旱、高鹽、甲基紫精、ABA及乙烯處理誘導(dǎo)（劉輝 等，2015），表明SlNAC80可能在番茄非生物逆境應(yīng)答中發(fā)揮重要調(diào)控作用。SlNAM1屬于ATAF亞家族NAC轉(zhuǎn)錄因子，李曉東（2016）利用qRTPCR對(duì)SlNAM1在番茄中的表達(dá)模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其表達(dá)受到低溫、干旱、NaCl、ABA和茉莉酸甲酯（MeJA）等誘導(dǎo)。

3.3 AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子

AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的一大類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子，其家族成員均含有由60～70個(gè)氨基酸組成的保守的AP2/ERF型DNA結(jié)合域，能通過(guò)與啟動(dòng)子區(qū)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(jié)合調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)（張計(jì)育 等，2012；孫濱 等，2017）。黃蔚等（2014）獲得2個(gè)胡蘿卜AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子DcERF-B1-1和DcERF-B1-2，對(duì)低溫、干旱、鹽脅迫均有不同程度響應(yīng)。DREB是AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子中的一個(gè)亞族，當(dāng)DREB亞族A-6亞組成員OsDREB6過(guò)表達(dá)時(shí)，表現(xiàn)耐冷脅迫，水稻對(duì)冷脅迫（4 ℃）的耐受性增強(qiáng)（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(dǎo)表達(dá)，且其表達(dá)量在迅速達(dá)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(biāo)記分析工作一直是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)（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(duì)SSR標(biāo)記和9對(duì)InDel標(biāo)記對(duì)F2群體進(jìn)行檢測(cè)，篩選得到4個(gè)與苗期低溫耐受性相關(guān)的QTL位點(diǎn)，其中qCT-3-1、qCT-3-2、qCT-3-3位于3號(hào)染色體，qCT-7-1位于7號(hào)染色體。劉冰等（2010）檢測(cè)到5個(gè)與醋栗番茄發(fā)芽期耐冷性相關(guān)的QTL和2個(gè)與苗期耐冷性相關(guān)的QTL，其中控制發(fā)芽期耐冷性qRGI-2-1和qRGI-5-1的貢獻(xiàn)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(yùn)2000，構(gòu)建了1張包含16個(gè)連鎖群、155個(gè)標(biāo)記的遺傳圖譜，總長(zhǎng)度686 cM，標(biāo)記間平均圖距4.42 cM，檢測(cè)到1個(gè)抗冷性相關(guān)的QTL位點(diǎn)，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(biāo)來(lái)看，主要從低溫下種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率以及植物苗期的冷害指數(shù)來(lái)鑒定作物的耐低溫性；從生化指標(biāo)來(lái)看，主要是通過(guò)測(cè)定植物細(xì)胞體內(nèi)SOD、POD活性以及MDA、脯氨酸、可溶性糖的含量等指標(biāo)進(jìn)行作物的耐低溫性鑒定。采用單一的指標(biāo)進(jìn)行低溫鑒定是不可靠的，應(yīng)結(jié)合多種耐低溫指標(biāo)，從而獲得優(yōu)良的耐低溫資源。

4.2 開(kāi)發(fā)與耐低溫性緊密連鎖的QTL

構(gòu)建良好的遺傳群體，對(duì)控制耐低溫的基因進(jìn)行遺傳分析，篩選出具有多態(tài)性的分子標(biāo)記。在遺傳分析的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)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(jīng)獲得與黃瓜苗期、番茄發(fā)芽期等蔬菜作物耐低溫性相關(guān)的QTL，但與水稻、玉米等作物相比，還存在很大的差距。

4.3 發(fā)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(chǎn)量的重要途徑之一，但是國(guó)內(nèi)大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行選育，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、品質(zhì)和耐低溫的高度契合。植物的耐低溫性機(jī)制十分復(fù)雜，耐低溫性受多基因控制。挖掘蔬菜作物耐低溫的相關(guān)基因，探索耐低溫分子機(jī)制，從而為提高蔬菜作物的耐低溫性奠定基礎(chǔ)。