黄瓜耐低温机理的研究进展

摘要：从黄瓜的形态学性状、生理指标、分子生物学等多方论述黄瓜的耐低温机理，供中国黄瓜科研工作者参考，并期望对提高国内黄瓜遗传研究与育种利用水平有所帮助。

关键词：黄瓜；耐低温，机理

黄瓜(Cucumis sativus L.)属葫芦科甜瓜属，起源于喜马拉雅山南麓的热带雨林地区，很早传入我国，现在在国内栽培面积较大，尤其在我国北方寒冷地区是保护地蔬菜越冬生产中的最主要种类之一。但冬季的低温常常给它带来严重的危害。因此黄瓜耐低温机理的研究日益受到广大科研工作者的重视，本文从以下几方面论述黄瓜的耐低温机理，以期对黄瓜育种有所帮助。

1、耐低温性与形态学性状的关系

1.1　生长发育

侯锋、王永健、朱其杰发现用13℃或15℃的低温进行发芽试验，发现耐低温性强的品种发芽能力(用发芽指数表示)强，耐低温弱的品种发芽能力较弱。于拴仓报道在低温(15±0.5)℃条件下胚根相对伸长率可反应品种间的耐低温性差异，浸种36h的种芽经(2.5±0.5)℃处理24h，恢复期的胚根伸长率可以区别品种间的低温耐受性。

低温下不同生态型的黄瓜生长量不同，除株高外，叶面积、全株干物重的品种间差异极显著，耐低温性强的品种这3个参数高，耐低温性弱的品种低。

从瓜条外观来看耐低温性弱的黄瓜品种的毛刺较多，且较大，而耐低温性强的黄瓜品种的毛刺较少，且比较短小。

1.2　花粉

黄瓜花粉的形状、大小及萌发孔与抗寒性无相关性，但花粉粒表面纹饰(亦即雕纹)有2点区别：其一为覆盖层的类型不同。耐低温性强的品种为半覆盖层类型，其表面纹饰为开放的大网状式纹饰，耐低温性弱的品种为覆盖层一穿孔型，其表面纹饰为穴状。中间型品种介于二者之间，即为半覆盖层型与覆盖层一穿孔型之中间类型，也为穴状纹饰，只是其穴眼较大。其二为花粉表面的平滑度不同。耐低温性弱的品种皆为流云块状，起伏不平，相反，耐低温性强的品种则比较平坦，没有隆起和凹陷状。

1.3　细胞形态

温度是影响气孔开闭的因子之一，叶片气孔的开张度与黄瓜抗寒性的相关性较好。耐低温性弱的品种的开张度大，耐低温性强的品种的开张度最小，中间型品种趋于二者之间。

2、耐低温性与生理指标关系的研究

2.1　根系活力及硝酸还原酶活性

侯锋试验表明，根系活力随黄瓜耐低温性的减弱而减弱，而且与冷害指数有很好的相关性。Primak用16℃／16℃、17℃／17℃、18℃／IO℃(昼温／夜温)的低温处理黄瓜幼苗，发现温室品种NR(硝酸还原酶)活力降低幅度比露地品种大。这是由于NR活力的降低进一步引起氮代谢减速，从而影响植株生长与产量的形成。

2.2　电解质泄漏

朱其杰认为，低温胁迫下生物膜流动性降低，通透性增加，造成细胞内溶物质外渗。细胞受到的损伤愈重，电解质渗透率愈高，电导值也愈大。不同生态型的黄瓜幼苗受到的伤害不同，电导值也不同，耐冷型品种电导值低。随着低温处理时间的延长，所有品种的相对电导率都呈增加趋势，但始终是耐冷能力最强的油皮黄瓜最低。

2.3　保护酶系统

冷害破坏新陈代谢，酶促反应从平衡状态变为不平衡状态，利用酶的活力可以作为植物抗寒性鉴定指标。朱其杰研究表明，常温和低温下生长的黄瓜，耐低温能力强的品种POD活性都低，同工酶酶带都少。POD活性及同工酶酶带数与黄瓜的耐低温性表现为负相关。但是刘鸿先的结果表明，不论常温还是低温下，一般抗冷性强的POD同工酶比抗冷性弱的多1～3条区带。沈文云。发现经3℃低温处理72h后，CAT活性下降，低温处理前后，耐低温品种的CAT活性均低于不耐低温的品种。另据Jack等、Omran的报道：ATP酶活性稳定，凡是ATP酶活性不受低温影响的植物较抗寒，耐低温强的材料质膜ATP酶在低温反应中产生高活性反应，耐低温弱的材料质膜则丧失ATP酶活性。

2.4　蛋白质

一般认为可溶性蛋白质和总蛋白质与耐低温性存在正相关，随着组织可溶性蛋白质含量的增加，黄瓜耐低温能力也随着增加。低温条件下，可溶性蛋白质积累的重要意义是保护膜免受脱水造成伤害，因为蛋白质是亲水性胶体，它对膜的保护性大于糖类。Roberts用电泳方法研究了植物抗寒性与蛋白质的关系后，提出了下述见解：植物的抗寒性可能与蛋白质的一种形态更替有关；可能与细胞中已有的蛋白质出现的比例变化有关；与更适应于低温的这部分蛋白质的增加有关。庞金安认为可溶性蛋白质增加，既可能有新合成的，也有可能是从膜上或其他结合形式中降解释放出来的。朱其杰也发现不同耐冷型品种蛋白质合成系统有显著差异，经SDS―PAGE电泳，耐低温性不同的黄瓜品种显示出不同的蛋白质条带，耐冷型品种比不耐冷型品种蛋白质带多。

2.5　可溶性糖与脂类

王荣富报道可溶性糖类的含量与植物抗寒性之间呈正相关。耐寒品种体内的还原糖特别是葡萄糖含量比不耐寒品种高。经过低温锻炼的植株体内可溶性糖的含量较未经低温锻炼的高，冷冻可使果聚糖转变为果糖和蔗糖，沉积在细胞间隙中，增强植株的抗寒性。Saczynska在研究了不同耐寒黄瓜品种对冷胁迫的反应后指出：叶片类囊体中不饱和脂肪酸含量在冷胁迫初期，耐低温弱的品种迅速增加，而耐低温强的品种变化不大。同时，单半乳糖甘油二酸酯(MGDG)和双半乳糖二酸酯(DGDG)的脱酰化程度，耐低温弱的黄瓜比耐低温强的大。

2.6　脯氨酸

事实说明，植物的抗寒性与脯氨酸的含量存在相关性。不同耐寒性品种低温处理48h后，结果是耐寒性强的品种脯氨酸含量增加多，表明耐寒性强的品种在低温下需要高含量的脯氨酸来调节渗透平衡，以避免细胞膜受低温伤害。何若韫认为脯氨酸的积累，不仅维持细胞的膨压，而且使细胞具有很高的水势，能为代谢的正常进行提供足够的自由水。同时脯氨酸具有极性，对生物体的多聚体的空间结构有保护作用，改善细胞膜和其他高分子物的水环境，增加了结构的稳定性。在植物处于低温胁迫时，它使植物具有一定的抗性和保护作用，它能维持细胞结构、细胞运输和调节渗透压等。

2.7　超弱发光性

植物的超弱发光现象始于1954年L.colli的研究。严智强等在国内首先进行了这方面的研究。近年来，随着光探测技术和植物超弱发光方法学的不断完善和进步，农业科研工作者就玉米、小麦、大麦等农作物的超弱发光特性与抗旱性之间的关系进行了研究，并取得了一定的研究成果。孙艳、于拴仓报道黄瓜胚芽的发光强度与黄瓜的耐低温性之间有一定联系。若以发光强度为指标，并配合其他的耐低温性鉴定方法，可望在开发黄瓜科质资源方面，特别是抗逆性(耐冷、抗旱、抗病)资源或在黄瓜的耐低温性育种中，快速、早期鉴定出

优质材料。

2.8　激素

人们发现许多植物生长调节剂表现出对抗寒力的效应。现在认为，植物激素可能是抗寒基因表达的启动因素，而应用植物生长调节剂是生产上控制作物抗寒力的可能途径。研究较多的是ABA，已经发现在黄瓜、番茄、青椒等蔬菜抗寒锻炼过程中，游离ABA含量明显增加，其原因可能是由低温本身所致；但也有与之相反的结论，即认为ABA的增加是由低温引起的水分胁迫造成的。内源ABA含量在抗寒性不同的植物中也有差异，一般而言，抗寒性强的高于抗寒性弱的品种。

GA是最早被认为与植物抗寒力有关的植物激素，研究认为抗寒性强的植物GA含量一般低于抗寒性弱的植物，外施GA能显著降低植物的抗寒力。但也有相反的结论，有关黄瓜的报道较少。

现已明确，植物激素可能通过本身或某种平衡状态(如ABA／GA)启动抗寒基因表达或(和)对维持膜结构功能起作用。进一步的研究可以从抗寒基因本身的结构、定位、表达和调控细节“特异蛋白质”结构、种类、性质和作用，膜结构功能与基因表达的关系等方面人手弄清植物激素调控抗寒力的分子机理。这已成为目前植物抗寒生理研究的重要方向之一。

3、耐低温机理分子生物学方面的研究

Johnson Flanagan报道了低温锻炼后的冬油菜悬浮培养细胞在体内、体外均可诱导1种20KD多肽，而且这种多肽与富含内质网的微体组分有关。目前还不清楚这种20KD多肽在耐低温性中的具体作用，现正在确定它的N端氨基酸序列，部分序列能用来合成低核苷酸探针。由这种蛋白质制备的抗体也可用来确定它在细胞中的原来位置。将洗脱的蛋白质掺入到脂质中，可以测定它们对冰冻敏感性的变化。目前，这些工作正在进行之中。在黄瓜上没有这方面研究的报道。

20世纪80年代美国科学家首次报道菠菜在低温驯化过程中发生了基因表达的改变，合成了一些特异的mRNA。随后，冷调控基因的克隆以及抗寒性基因的表达与调控成为研究热点。现已克隆了拟南芥、苜蓿等的冷调控基因，并分析了其结构与功能。冷调控基因的克隆及其功能与表达的研究，将在分子水平上阐明黄瓜抗寒的机制。

康国斌等报道采用mRNA差异显示银染技术克隆得到在黄瓜耐低温性弱的品种“津研4号”低温锻炼异表达基因的cDNA克隆(ccr18)，其大小为639bp。在基因组中以单拷贝或低拷贝形式存在。Northern blot分析显示ccr18基因在12h、24h、48h和72h低温处理的黄瓜中表达，在6h低温处理及对照中没有表达。这表明ccr18基因与黄瓜低温锻炼相关。

4、展望

由于黄瓜在蔬菜生产中的特殊地位，对他在低温下的遗传育种研究将进一步深入，在今后的工作中，笔者认为应加强以下几方面的研究：

关于黄瓜的基础理论的研究还要深入下去，虽然目前黄瓜的研究多深入到了分子的水平，但一些基础的研究如杂种优势的机理、抗逆性的遗传等还未取得突破。

要深入发掘种质资源，尽管我国并非黄瓜的起源地，但经过我国广大的人民群众多年的栽培，黄瓜已形成具有我国特色的多种资源类型，目前深入研究的并不多，这还有进一步研究的必要。

在条件允许的情况下开展有关分子生物学的研究，这项工作投入的经费较大，但具有一定的实践意义，是未来发展的方向。目前在生产中推广开来的品种多为经过常规育种手段得到的品种，分子生物学的技术可以作为当今的育种研究的辅助手段，在条件具备的时候开始大规模的运用，一定能育成优质高产的品种。

参考文献

[1]侯锋，沈文云，吕淑珍.黄瓜幼苗耐寒性鉴定方法研究[C].／／李树德主编.中国主要蔬菜抗病育种进展北京：科学出版社，1995：474-477

[2]王永健，姜亦巍，曹宛虹.低温对不同品种黄瓜种子萌发、过氧化物酶及同功酶的影响[J].华北农学报，1995，10(2)：77―76