《Current Plant Biology》：Late-spring frost tolerance in plants: integrating phenology, organ sensitivity and conserved mechanisms
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晚春霜冻（late-spring frost, LSF）是制约植物生长、发育和产量的主要环境胁迫之一。过去数十年的广泛研究揭示了植物冷感知、信号转导、冷驯化（cold acclimation）和冻融耐受性背后的保守机制。然而，大多数现有冷胁迫研究框架源于在相对
晚春霜冻（late-spring frost, LSF）是制约植物生长、发育和产量的主要环境胁迫之一。过去数十年的广泛研究揭示了植物冷感知、信号转导、冷驯化（cold acclimation）和冻融耐受性背后的保守机制。然而，大多数现有冷胁迫研究框架源于在相对恒定低温条件下处理的幼苗或营养组织，可能无法完全解释植物对LSF的响应。LSF是一种依赖于物候的胁迫场景，其损伤不仅由温度强度决定，还受霜前热历史、脱驯化（deacclimation）状态、发育阶段、器官身份、降温速率、暴露持续时间及霜后恢复条件的相互作用影响。LSF常与决定产量形成的关键物候期重叠，对禾谷类作物的生殖发育、花粉育性和籽粒数，以及园艺作物的花器官存活、坐果和果实品质造成严重损害。气候变化进一步加剧了LSF风险，因为暖冬和早春加速物候发育并促进提前脱驯化，导致霜敏感组织在破坏性冷事件消失前出现，增加了物候错配的概率。本综述在物候、器官和脱驯化依赖的框架内系统整合了现有证据，重点讨论了膜稳定性、渗透调节（osmotic adjustment）和活性氧（reactive oxygen species, ROS）稳态作为决定LSF损伤的生理瓶颈，并分析了保守分子模块（包括Ca2?信号、MAPK级联、ICE1-CBF/DREB通路及ABA、JA、SA、BR、GA和乙烯等激素调控）在LSF耐受中的潜在作用及其与生长-防御权衡的关联。当前LSF研究面临直接证据缺乏、器官和阶段特异性研究不足、脱驯化-生长权衡机制不明以及分子响应与农艺耐受性联系薄弱等局限。未来研究应转向基于物候、器官和田间事件的框架，优先发展现实霜冻模拟系统、生殖器官特异性表型鉴定、在LSF相关条件下验证的候选基因，并将分子育种与气象预报、物候建模、品种布局和实际霜冻防护措施整合，以弥合冷胁迫机制生物学与农业春季霜冻损害缓解之间的鸿沟。
2. 物候和器官依赖的LSF损伤
LSF损伤强烈依赖于物候阶段和器官类型。在越冬作物和木本多年生植物中，它通常发生在脱驯化导致抗寒性下降之后；在春播作物中，它可能影响抗冻能力本就有限的新生组织。此时，新形成的营养组织和生殖器官通常比休眠组织具有更高的含水量和代谢活性，使其在突然霜冻面前尤为脆弱。LSF损伤不应被视为统一的低温响应，其严重程度需综合目标器官、发育阶段、霜前脱驯化状态、霜冻强度、低温暴露持续时间、降温速率和霜后恢复环境等多因素评估。
2.1 幼苗出土和幼叶
幼苗出土是春播或直播作物最早期的霜敏感阶段。该阶段低温可抑制种子萌发、细胞分裂、细胞伸长、叶绿素生物合成和早期冠层建成。在水稻中，苗期低温常伴随阴雨寡照，导致出苗不良、弱苗、分蘖延迟和胁迫后恢复能力下降。细胞水平上，低温可破坏叶绿体发育、损伤类囊体结构、降低光合效率并增加氧化胁迫。幼苗能否恢复主要取决于冷事件后恢复光合作用、维持膜完整性、调节可溶性代谢物和控制ROS积累的速度。
2.2 木本植物芽和茶树新梢
在茶树和木本物种中，萌芽和幼叶展开是易受害阶段，因为组织已部分或完全脱驯化。休眠解除后，抗寒性下降，储存资源从保护转向生长。此时突然霜冻可导致芽坏死、叶片褐变、枝条伸长减少、光合受损和冠层发育延迟。在茶树中，早春低温胁迫抑制光合性能，在成熟叶片中诱导氧化胁迫，降低新萌发芽叶的干重，并改变茶多酚和氨基酸等品质相关代谢物。在木本植物中，萌芽或展叶期损伤还可改变后续开花物候并降低季节生长潜力。
2.3 幼穗、花药和花粉
在禾谷类作物中，当植物从营养生长转向生殖发育时，霜敏感性通常升高。幼穗、发育中的小花、花药和花粉粒对LSF尤为敏感，因为减数分裂、花粉发育和碳水化合物供应需要精确协调。在小麦中，拔节、孕穗和幼穗发育是主要的LSF敏感阶段，霜冻损伤可破坏穗发育、降低花粉育性，最终减少结实率和穗粒数。对小麦幼穗的研究进一步表明，LSF损伤伴随ROS积累、膜损伤、抗氧化活性改变、渗透失衡、激素失调以及淀粉和蔗糖代谢紊乱。水稻孕穗或抽穗期低温可降低花粉活力、颖花育性和产量。油菜蕾薹期低温常导致典型的“花而不实”现象和角果着生率急剧下降。
2.4 园艺作物开花、授粉和坐果
在园艺作物中，萌芽、开花或早期坐果期的LSF常直接损伤花和幼果。花瓣、雄蕊、雌蕊、柱头、胚珠和花粉粒等花器官的霜敏感性各异，即使短期霜冻也可导致褐变、坏死、花粉活力降低、受精失败、落花和坐果不良。受精后霜冻还可诱导幼果脱落、果实畸形、表面锈斑或内部发育异常。这些器官重新驯化的时间有限，若快速降温在保护机制重建前破坏膜稳定性、渗透平衡和ROS稳态，花和幼果即使在短暂霜冻后也可能败育。
3. 决定LSF损伤的生理瓶颈
三个生理约束在不同LSF场景中反复出现。第一是膜稳定性。低温可降低膜流动性、触发脂质相变或相分离、增加膜通透性，最终导致电解质渗漏、细胞脱水和组织坏死。冷驯化和抗冻性研究已将膜稳定性与脂质重塑联系起来，尤其是不饱和脂肪酸以及磷脂酸、二酰甘油和三酰甘油的平衡。脂肪酸去饱和酶和叶绿体半乳糖脂重塑酶在低温下维持膜完整性。第二是渗透调节。可溶性糖、脯氨酸、甘氨酸甜菜碱和海藻糖等相容性溶质维持细胞内水分平衡并保护膜和蛋白质结构。与秋冬冷驯化有充足时间积累保护性化合物不同，LSF条件下植物积累保护储备的时间窗口很窄。第三是ROS稳态。ROS可损伤膜、蛋白质、脂质、叶绿体、线粒体和细胞核，但也作为胁迫感知和防御激活的信号。抗氧化酶如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶，连同类黄酮、酚酸、抗坏血酸和谷胱甘肽，维持低温胁迫下的氧化还原平衡。
4. LSF中的保守分子模块
4.1 胁迫感知和转录调控
温度下降的快速感知对霜冻暴露期间启动保护响应至关重要。早期冷信号由涉及Ca2?内流、蛋白激酶级联和冷响应转录因子的保守网络介导。环核苷酸门控通道（cyclic nucleotide-gated channels, CNGCs）参与介导温度下降后胞质Ca2?升高。例如，水稻OsCNGC9已被证明参与冷诱导的Ca2?信号传导和下游防御响应激活。Ca2?信号随后通过激酶级联整合，协调ROS稳态、转录调控和胁迫适应。水稻OsMAPK3通过调节抗氧化能力和胁迫响应基因表达正向调控耐冷性。ICE-CBF/DREB通路是控制抗冻性最经典的转录网络之一，其激活诱导参与膜稳定、渗透调节和细胞保护的COR基因。然而，直接将该通路与LSF耐受性联系起来的证据仍然有限。
4.2 LSF耐受性的激素调控
脱落酸（abscisic acid, ABA）、茉莉酸（jasmonic acid, JA）、水杨酸（salicylic acid, SA）、乙烯（ethylene, ETH）、赤霉素（gibberellins, GA）、生长素（auxin, IAA）和油菜素甾醇（brassinosteroids, BRs）等植物激素是调控植物低温响应的关键因子，但其在LSF下的作用不应简单解释为耐冷性的正向或负向调控。LSF通常发生在植物恢复活跃生长或进入生殖发育之后，此时激素调控受到生长-防御权衡的强烈约束。ABA、JA和SA通常增强细胞防御响应，而BR、GA和生长素促进春季生长和生殖发育，在霜冻暴露期间产生潜在权衡。ETH则代表一种依赖于上下文的调节因子，将胁迫信号与衰老和器官存活联系起来，其效应因物种、组织和发育阶段而异。
5. 当前局限和未来方向
5.1 当前LSF知识的局限
LSF代表一个复杂的田间场景而非单一胁迫因子，其生物学结果由霜前热历史、脱驯化状态、发育阶段、器官敏感性、霜冻强度、降温速率和霜后恢复能力的相互作用决定。目前主要局限包括：直接LSF实验证据稀缺，大多数分子研究在受控低温条件下使用幼苗或营养组织进行；对发育阶段和目标器官的分辨率不足，生殖组织霜敏感性的分子基础研究较少；脱驯化-生长权衡的分子调控机制尚不清楚；分子响应与农艺耐受性之间的联系薄弱，基因表达增强并不一定转化为蛋白质活性提高、组织存活改善或产量损失减少。
5.2 挑战和未来展望
未来LSF研究应从一般冷胁迫框架转向基于物候、器官和田间事件的框架。需要建立标准化的霜冻模拟系统，报告物候阶段、组织类型、微气候条件和损伤阈值定义。表型鉴定应从整株损伤评分转向器官和阶段分辨的高分辨率表型分析，包括花粉活力、胚珠活性、柱头可授性、幼穗坏死、芽死亡率、花朵保留、幼果脱落和器官特异性霜后恢复。候选基因评估应基于LSF或生殖期冷胁迫下的可靠功能证据，表征其在霜敏感生殖组织中的时空表达模式，并将其遗传效应与产量决定性状联系起来，同时避免对产量、物候节律、株高、开花日期和品质等核心农艺性状的严重负面影响。此外，应将气象预报、物候模型、抗寒性模型、品种特异性敏感发育阶段和田间预警平台整合为预测框架，并构建“风险预测-预防决策-品种布局-霜后恢复评估”的系统性技术流程，将分子育种、田间农艺和气象预报紧密结合。
