CN1275051A - 改善植物抗冻能力的方法 - Google Patents

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Abstract

渗压剂——甘氨酸甜菜碱的累积与小麦抗冻能力(FT)的增加有关。室温下使用外源性甜菜碱使FT增加5℃以上。受处理的植物表现出一些低温驯化植物的特征并表达一种响应低温的基因Wcor410,该基因编码了一种主要的与蛋白有关的膜。将接触低温和甜菜碱结合起来可加和性地改善FT,其改善程度要大于植物本身抵抗霜冻的潜能。这一重要发现表明在预计的霜冻前,可以施用外源性甜菜碱而大大改善冷冻敏感植物的耐寒和抗冻能力。还公开了一种至少降低植物生长速率30%的方法,包括采用有效且不致死、优选对所述植物无毒的甜菜碱或其衍生物的施用剂量,对所述植物进行处理的步骤。当在有500mM的甘氨酸甜菜碱存在下使春小麦变种Glenles生长4天的情况下,其生长速率降低约75%。本发明的另一方面是抑制植物生长的方法,其中包含用高剂量的甜菜碱或其衍生物处理所述植物的步骤。在致死剂量下,该方法导致杀灭不需要的植物。本发明的另一方面是在高于0℃且不低于植物种子能耐受的最低温度的温度下改善所述植物种子发芽率的方法,包括对所述种子施以有效施用剂量的甜菜碱或其衍生物,并使所述种子在所述温度下发芽的步骤。

Description

改善植物抗冻能力的方法
发明领域
本发明涉及一种通过采用低温驯化(cold-acclimating)植物和/或采用甜菜碱类处理植物来提高植物的耐寒或抗冻能力的方法。
本发明还涉及一种通过采用甜菜碱类处理植物来抑制其生长或降低其生长速度的方法。
本发明还涉及一种通过用甜菜碱类处理改善植物种子低温出芽率的方法。发明背景
甜菜碱是一种无毒的渗压剂(osmolyte)，一般认为它在对抗环境影响，尤其是对抗盐碱和干旱时对植物起到一定的保护作用(1，2)。该化合物主要在叶绿体中通过胆碱单氧酶和甜菜碱醛脱氢酶合成(1)。它可累积在不同细胞室中用来调节渗透平衡(3)并增加蛋白三级结构的稳定性，防止蛋白变性(4)。体外实验表明甜菜碱可防止甜菜(Beta vulgaris)根的膜的热变性(5)。研究发现甜菜碱可防止几种较高等植物酶因加热(6)、NaCl或KCl(7)所致的变性。甜菜碱还可以在一段时间内稳定离体叶绿体的光合活性(8)并可防止NaCl对光合体系II抑制作用。令人感兴趣的是对大麦叶外用25mM甜菜碱可以改善其经聚乙二醇所造成的渗透压(-10巴)处理后的恢复(10)。
由于已经揭示出针对苛刻的环境条件，甜菜碱类可对植物起到一定保护作用，现已将甜菜碱类用于处理土壤，植物和种子。
WO95/35022公开了用甜菜碱处理种子的方法，用以促进秧苗的生长并保护种子免受不良环境条件的影响。可浸泡并干燥或直接涂抹将甜菜碱置于种子之上。不良环境条件包括缺水，过量NaCl，极端的温度或pH值以及重金属的毒害。该发明未对温度极限作解释，同时也未说明其对低温发芽率的有益之处。
WO96/07320公开了采用甜菜碱提高葡萄产量的方法，温度极限在3℃至30℃之间。
在WO96/41530中公开了甜菜碱的不同组合物，用于使小麦，马铃薯和葡萄免受不良条件，包括3℃至30℃间温度的影响。
对于冷冻温度和低温驯化，这些参考文献并未作解释。
在France Allard的论文中，可以看到对于小麦栽培品种Fredrick，三天6℃/2℃(白天/夜晚)的低温驯化加上添加1000mM甜菜碱导致植物抗冻能力的改善，其中抗冻能力是采用-10℃下存活率的进行衡量的。与对照相比，其存活率为83％，但仅采用1000mM甜菜碱处理时存活率仅为51％。该参考文献没有给出提高抗冻能力的最佳条件。采用大剂量甜菜碱(1000mM)显示对植物有毒性，因为发现叶子上出现萎黄病。此外，栽培品种Fredrick的LT50(50％植物死亡时的致死温度)为-17℃，在-10℃下进行测量并不能说明这种复合处理法提高抗冻能力的程度。文章也没说明对天生具有较低抗冻性能的栽培品种的作用。同时文章中也述及植物生长速率的降低，并证实这一降低直接与甜菜碱的使用量成正比。当对栽培品种Fredrick使用最大剂量1000mM时，与对照植物相比，生长速率下降了29％。最后，在这篇文章中还论及蛋白WCOR410。指出当对植物低温驯化或增加外源性甜菜碱用量时发生蛋白WCOR410的累积。但该参考文献并没给出一段低温驯化时间，这段时间足以导致最佳的Wcor410基因的表达并改善抗冻能力。
在专利公告CA2,104,142中，本发明的发明者们公开了三个对低温有响应的基因的纯化及其序列。其中之一为Wcor410。但在该专利中并没有指出蛋白WCOR410是由甜菜碱按与甜菜碱使用量成正比的方式被诱导的，并且该蛋白有助于改善某些植物的抗冻能力。同时该专利也没有说明低温驯化和施用甜菜碱联合的好处。本发明的陈述
现提供一种提高植物耐寒或抗冻能力的方法，包括如下步骤：
—在高于约0℃且不低于所述植物能耐受的最低温度的温度下驯化所述植物，其时间应足以对所述植物诱导出最佳的耐寒或抗冻能力，和
—向所述植物施用甜菜碱或其衍生物，如甘氨酸甜菜碱，其施用剂量应足以对所述植物诱导出相同或不同的最佳耐寒或抗冻能力；
合并低温驯化和施用甜菜碱及其衍生物的步骤使所述植物的耐寒或抗冻能力高于单个步骤所诱导的最佳耐寒或抗冻能力。
优选地，施用剂量不应对所述植物造成不可接受的毒害作用，更优选地，施用剂量对所述植物无毒。
任何植物都可从该方法中获益，优选植物为蔷薇科植物，禾本科植物和禾本科干草，更优选为玫瑰，草莓，高尔夫球场的草坪，大麦或小麦。
对于后两种植物，低温驯化的时间约为4周，施用方案是在浓度小于500mM、优选约250mM的甘氨酸甜菜碱的溶液的存在下使这些植物生长。
在春小麦变种Glenlea中，单独各步骤的最佳抗冻能力按致使50％植物群体死亡的温度(LT50)表示约为-8℃，两步骤联合使用时抗冻能力增加6℃而达到约-14℃的LT50，并且改善了植物在低温或冷冻温度下的光合作用能力和整体生理机能。
所述各步骤单独和/或联合采用时所诱导出的最佳抗冻能力至少部分是因基因Wcor410表达增多所致。
本发明也涉及至少降低植物生长速率30％的方法，其中包含采用有效且不致死、优选对植物无毒的剂量，对植物进行甜菜碱或其衍生物处理的步骤。
在栽培春小麦品种Glenlea时，用500mM甘氨酸甜菜碱处理4天，其生长速率降低约75％。
本发明的另一方面是一种抑制植物生长的方法，其中包含用高剂量方式的甜菜碱及其衍生物处理所述植物的步骤，所用剂量甚至可起到除草作用。
本发明的另一方面是一种在高于约0℃且不低于所述植物种子能够耐受的最低温度的温度下改善所述植物种子发芽率的方法，其包括对所述种子施用有效剂量的甜菜碱或其衍生物并使所述种子在所述温度下发芽的步骤。发明描述
以下通过具体实施方案及附图描述本发明，其目的在于对本发明进行描述而非对其范围进行界定。附图简述
图1a)和b)。甜菜碱对栽培品种Glenlea FT的影响。
采用Perras和Sarhan所描述的再生长实验(25)测量植物的存活率。
图1a)：-8℃冷冻后测得的存活率。
图1b)：通过不同温度下冷冻不同样本所得出的LT50。
NA，12天龄的未驯化对照植物；100，250和500指25℃下分别用100，250和500mM甜菜碱处理4天的植物；CA，6/2℃下低温驯化30天的植物；CA100和CA250，分别为在100和250mM甜菜碱存在下于6/2℃下低温驯化30天的植物。标准偏差不超过±10％。
图2a)和b)。甜菜碱对栽培品种Glenlea LT50的影响。
图2a)：-8℃下进行的冷冻实验。
图2b)：-13℃下进行的冷冻实验。
NA，12天龄的未驯化对照植物；250指用250mM甜菜碱处理4天的植物；CA，6/2℃下低温驯化30天的植物；CA250为在250mM甜菜碱存在下于6/2℃下低温驯化30天。
图3，在春小麦栽培品种Glenlea中，相应于不同甜菜碱浓度的WCOR410蛋白的累积量。
采用SDS-PAGE分离总蛋白(5μg)，转移到一个硝化纤维膜上并用抗WCOR410抗体探测。NA，12天龄的未驯化对照植物；100、250和500指分别用100。250和500mM甜菜碱处理4天的植物；CA，低温驯化的植物。
图4a)，采用200mM甜菜碱游离碱水溶液按1L/m2在秋天每周处理一次，共处理三次的高尔夫球场草坪。对照区域仅喷水。图中显示第二年的早春在未处理的区域和甜菜碱处理的区域中草坪再生长的情况。其上部为处理区域。注意在甜菜碱处理区域草坪再生长和变绿迅速。这一结果反映出甜菜碱处理的草坪更好和更健康地过冬。
图4b)，甜菜碱处理区域(上部)和未处理区域(底部)的近视图。图5a)和b)。反映甜菜碱对过冬和早春再生长的影响的另一实施例。甜菜碱处理法与图4中相同，但在使用时间更早的初秋进行处理。两区域在相同时间通气。注意甜菜碱处理区域草坪密度更高。
图5a)，甜菜碱处理过的区域。
图5b)，喷水的对照区域。
甜菜碱指氮原子被完全或部分甲基化的氨基酸。甜菜碱是存在于植物和动物体内的天然产物，其可能的功能是作为一种渗压剂调节剂，用于保护细胞免受渗透压的损害。甜菜碱的基本结构式为：
                (CH3)x-N+-(CH2)y-COO-其中x可为1，优选为2(对于环状甜菜碱)，或者x为3(对于直链甜菜碱)，y至少为1。最常见的甜菜碱是甘氨酸衍生物，其中有三个甲基连在甘氨酸分子的氮原子上。表1列出了一些其它已知的甜菜碱类，其中有一些可以买到。表1
名称 别名
甘氨酸甜菜碱(glycinebetaine) Oxyneurin，甜菜碱(betaine)
β-丙氨酸甜菜碱(β-alaninebetaine) 高甜菜碱(Homobetaine)
2-三甲氨基-6-羰基庚酸酯(2-trimethylamino-6-ketoheptanoate)
脯氨酸甜菜碱(prolinebetaine) 水苏碱(Stachydrine)
脯氨酸(proline)
N-甲基-L-脯氨酸(N-methyl-L-proline)
反-4-羟基-N-甲基-L-脯氨酸(Trans-4-hydroxy-N-methyl-L-proline)
顺-3-羟基-N-甲基-L-脯氨酸(Cis-3-hydroxy-N-methyl-L-proline)
(-)4-羟基脯氨酸甜菜碱[(-)4-hydroxyproline betaine] 北通水苏碱(Betonicine)
(+)4-羟基脯氨酸甜菜碱[(+)4-hydroxyproline betaine] 右旋水苏碱(Turicine)
3-羟基脯氨酸甜菜碱(3-hydroxyprolinebetaine) 3-氧水苏碱(3-oxystachydrine)
组氨酸甜菜碱(Histidinebetaine) Herzynine，Ercinine
色氨酸甜菜碱(Tryptophanbetaine) 色氨酸三甲基内盐(Hypaphorine)
2-巯基组氨酸甜菜碱(2-mercaptohistidine-betaine) 麦角硫因(Ergothioneine)
2-甲基哌啶甜菜碱(pipecolabetaine) 高水苏碱(Homostachychine)
烟酸甜菜碱(Nicotinic acid betaine) 葫芦巴碱(Trigonelline)
采用两种抗冻能力(FT)不同的小麦栽培品种，考查内源性甜菜碱在低温驯化中的作用。此外还进行了单独使用外源性甜菜碱对FT影响作用的研究，和低温驯化联合还进行了其对与低温有关的基因的表达和对光合作用活性的影响的研究。
为确定是否甜菜碱累积与FT增加相关，测量两种FT不同的小麦品种中甜菜碱的含量(栽培品种Glenlea，LT50(50％植物致死温度)为-8℃和栽培品种Fredrick，LT50为-17℃)。在这两个栽培品种中，在非驯化的温度24/20℃下生长时甜菜碱含量降低，而在6/2℃的低温驯化条件下生长时甜菜碱含量增高。在低温驯化前，抗冻能力强的栽培品种Fredrick中甜菜碱的基本含量要高30％(Fredrick中8.5μmol/g FW而Glenlea中6.5μmol/gFW)。在驯化期结束时(此时达到最大LT50)栽培品种Fredrick已积累了21.3μmol/gFW的甜菜碱，而栽培品种Glenlea为15.3μmol/gFW。以干重为计，栽培品种Fredrick已积累106.5μmol/g DW，而栽培品种Glenlea为82.7μmol/g DW。实验结果表明甜菜碱含量的增加与这两个栽培品种FT增加相关。在不同大麦栽培品种中也有类似的与FT相关联的甜菜碱的增加(11)。如果我们计算甜菜碱对细胞总重量摩尔渗透压浓度(osmolality)的贡献值，我们发现经30天的低温驯化后，甜菜碱对Glenlea和Fredrick的重量摩尔渗透压浓度的贡献仅分别为3.6％和4.5％。这一结果说明甜菜碱的对总重量摩尔渗透压浓度的贡献非常低。但如Wyn Jones等人所建议的那样(12)，这样低的浓度需区域化方能作为渗透保护剂(osmoprotectant)而起重要作用。Matho等人(13)进行的研究已经表明，在菠菜叶细胞的液胞中不存在甜菜碱，它主要分布于细胞质和叶绿体中。当植物处于盐碱作用下时，据估计在菠菜(14)和Sueda(8)叶绿体中甜菜碱的浓度可达300mM。这一浓度要比叶中甜菜碱的平均浓度约高20倍。甜菜碱在小麦中的分布尚未被确定，但如果我们假设低温驯化时叶绿体中存在相同的浓度因子，甜菜碱的实际浓度可能非常大。由于我们估计在低温驯化的Fredrick中甜菜碱仅供献4.5％的重量摩尔渗透压浓度，在叶绿体中浓度高20倍意味着甜菜碱贡献了约90％的叶绿体的重量摩尔渗透压浓度(或621mOsm)。这一浓度可能对叶绿体功能造成很大冲击，因为体外实验已经证明甜菜碱可增加光合体系II(SPII；(5))的热稳定性并可抵制NaCl的抑制作用(9)。Krall等(16)已经证明甜菜碱可稳定磷酸烯酮丙酮酸羧化酶的活性四聚体形式，而该酶暴露于低温之下一般形成无活性的二聚体形式。甜菜碱在叶绿体中的累积可能是一种重要的因素，它对低温下叶绿体功能的维持起重要作用。值得注意的是耐寒的谷物如黑麦，小麦和大麦与敏感物种如水稻、稷和高梁相比，其基础甜菜碱浓度要更高(11)。
为确定外源性甜菜碱是否对FT和低温下光合作用的改善起作用，我们首先评价了植物累积甜菜碱的能力。在第一个实验中，我们在500mM甜菜碱中培养植物并测定不同时期叶子的重量摩尔渗透压浓度。结果发现重量摩尔渗透压浓度在最初两天迅速增加，但以后稳定下来(结果未给出)。我们采用不同浓度甜菜碱重复该实验并定量测定四天后叶子中累积的甜菜碱的量。采用(17)中的方法从1g叶组织中提取甜菜碱。采用Lerma等人的方法(18)进行定量分析。为准确进行测量，在萃取操作前加入一种内标物。考虑到各样品中的组织水含量(平均含水82％)，将甜菜碱含量表达成mOsm/Kg H2O。采用研钵和研杵研磨的叶组织测量重量摩尔渗透压浓度。于4℃在12,000g下将所得液体离心10min。采用宽范围渗压计(Wide Range Osmometer)测量上清液的渗透度。我们发现在所采用的所有浓度下甜菜碱均有效累积。当暴露在浓度为118至590mM(100至500mM)的甜菜碱中时，累积的甜菜碱(用mOsm/Kg H2O表示)相当于62％的外加甜菜碱。在更高浓度下甜菜碱可累积更多，但在500mM时叶尖部已明显出现萎黄病。当使用更高浓度甜菜碱时萎黄病则更为严重。
与外源性甜菜碱用量成正比，甜菜碱累积降低了生长速率。在所用最高浓度下，与对照植物相比，培养4天后生长速率下降75％。与未驯化的对照植化相比(图1A)，生长速率下降以及更为重要的甜菜碱细胞含量增加显著提高了冷冻后的存活率。令人感兴趣的是两个栽培品种均可被甜菜碱所保护，但对于更抗冻的栽培品种在所有所用浓度下用甜菜碱所获得的保护仅有很小的优势(未显示)。甚至使用较低浓度的甜菜碱就可改善植物的存活率。在100mM，与未处理植物相比存活率改善5至6倍(图1A)。仅使用250mM的甜菜碱处理就足以使春小麦栽培品种Glenlea的FT从-3℃增至-8℃。4周低温驯化后也可使该栽培品种获得这一最大FT值(图1B)。将甜菜碱浓度增至更高使存活率又略有提高(500mM甜菜碱时存活率为55％；图1A)，但由于更高浓度甜菜碱所造成的毒性使得在其他实验中取消了后一种浓度。针对置于低温驯化条件下抗冻能力较低的栽培品种Glenlea，我们已研究了是否在低温驯化期间用甜菜碱处理可改善FT。图1A和1B显示与未经甜菜碱处理的低温驯化植物相比，在低温驯化期间用甜菜碱处理可大大改善植物的存活率。图2显示针对25℃下用甜菜碱处理或低温驯化的植物的一个典型实验的结果。25℃下甜菜碱处理4天使植物LT50达-8℃(通常该栽培品种所能达到的最大LT50)，而对于低温驯化期间用甜菜碱处理的植物，-13℃对其影响不大(图1B所示其平均LT50估计为-14℃)。这些结果表明在暴露于甜菜碱的对照植物中所观察到的FT改善可加和至低温驯化的植物中。这一发现非常重要，因为这是第一次发现通常植物本身所固有的抗冻潜能被改善得如此之大。我们也评价了甜菜碱对改善大麦FT的能力，其中也发现低温驯化时发生甜菜碱累积，并且发现低温和甜菜碱联合处理时，与小麦相似也能有效改善该物种的FT。
因此耐寒或抗冻能力的改善有望在几乎所有的植物中观察到，特别是禾本科或禾本科干草，更具体而言是谷类如水稻，玉米，黑麦，小麦，大麦和燕麦。以下设置造成这种改善的条件。植物被在可耐受的最低温度下驯化。在该低温驯化之前、其间或末期施用甜菜碱。采用实验植物确定造成毒性的甜菜碱的剂量，以避免去评价对植物造成不可接受损害的剂量。我们希望甚至是对冷冻非常敏感的热带植物也可从这种联合处理法中受益。
以外，由于植物生长速率降至对照植物的25％，很明显，如果在低温驯化的末期施用甜菜碱(在场地中，这意味着在获得最大生长速率的秋天)这种作用可能不会损害植物。此外，该专利也可有利地用于生长期的开始或其间，用以降低多种植物的生长速率。因此可将其作为一种生长抑制剂而用于几种农艺操作中。在高尔夫球场上可找到一个特别有用的应用，用于降低维护成本(这可降低一季中剪草的次数)。在较高毒性或致死剂量下，甜菜碱甚至可作为除草剂进行使用，用于抑制不需要的植物的生长或将它们杀死。
采用其它渗压剂如NaCl或甘露醇可使渗透度与甜菜碱处理增加得一样高。但采用这些渗压剂并不能明显改善FT，说明甜菜碱特异性地改善了FT。这些结果说明LT50提高了6℃并不能仅用甜菜碱的渗压剂作用来解释(在250mM浓度下甜菜碱可使水的冰点下降0.32℃)。因此我们考查了甜菜碱是否可诱导多个已知与FT改善有关的基因。利用特殊的抗体和免疫印迹分析，我们考查了由低温诱导的三种蛋白的表达，并利用诺慎分析法考查了其它三种低温诱导的基因的表达。我们的结果显示当植物暴露于不同量的甜菜碱时，蛋白WCOR410(基因库登记编号L29152)以浓度依赖的方式累积(图3)。当我们检查WCS120(基因库登记编号M93342)蛋白族或WCS19(基因库登记编号L13437)蛋白的表达时，我们发现接触甜菜碱后这些蛋白不累积(未显示)。由于已知这两个基因特异性地被低温诱导而基因WCOR410可被低温，盐，和缺水诱导(19)，我们检查了其它被干旱或盐诱导的基因也可被甜菜碱诱导的可能性。基因WCOR80(基因库登记编号U73212)，WCOR413(基因库登记编号U73216)，和WCOR825(基因库登记编号U73215)仅略微受甜菜碱的诱导(未作显示)。这些结果说明WCOR410基因因接触甜菜碱而特异性地诱导至高水平，并可作为FT改善的一个主要原因，其对FT的改善程度要优于甜菜碱仅作为渗压剂而能达到的FT改善水平。已发现WCOR410蛋白与质膜有关。这是在维管组织的膜部分上丰度最高的蛋白(20)，对小麦来说，维管组织是秧苗中已知的对冷冻最为敏感的区域(21)。
体外实验显示甜菜碱可防护冷冻对类囊体膜的影响(22)。而且在缺乏甘氨酸甜菜碱的玉米谱系中，高温降低膜的稳定性和抵抗光抑制的能力，同时也降低PSII电子传递的稳定率(23)。这些结果说明在低温和高温下甜菜碱可赋予更大的膜稳定性。它也能在体外防止盐对光合体系II的影响。由于甜菜碱一般在叶绿体中合成，如(8，14)中所建议的那样它可能在这一细胞器中累积到较高的浓度。因此，我们评价了外源性使用甜菜碱对光抑制降低及氧排出的影响。
在生长旺盛条件下的稳定态光合作用中，与未经处理的对照相比，春小麦和冬小麦暴露于250mM甜菜碱之下导致qP水平和PSII电子传递率(φe)有一个小的但是稳定的增长。因此，与未经处理的对照相比，甜菜碱处理的春小麦和冬小麦秧苗显示更强的防止PSII反应中心被还原的能力。在甜菜碱处理的秧苗中，这一保持PSII反应中心为氧化态的能力的加强与低温(5℃)对光抑制(按24中的方法测量)影响力的下降相关。置于强光下(5℃ 2小时，1600μmolm-2·s-1)的经250mM甜菜碱处理的植物的Fv/Fm是无光抑制对照植物的84±4％，而与之相比未经甜菜碱处理的植物为72±2％。甜菜碱对光合作用机制的作用可改善植物在低温下的生理状态和功能，因此使植物更有效地利用可用能量来提高FT。
在初秋应用甜菜碱可改善高尔夫球场草坪的性能进而增加了越冬成活率。甜菜碱处理的草在春天再生长迅速，说明越冬存活率更高而且在春天有再生长速率较高的更健康的植物。
基于以上结果和WO95/35022中的部分经验，预计低温下植物种子的发芽率也可得以改善。该方法将包含对种子施用有效量的甜菜碱或其衍生物并使其在低温下发芽的步骤。所述低温应高于0℃但不低于植物种子能耐受的最低温度。
从这些观察中可得出的一个重要结论是仅使用与该多基因性状相关的一个或两个主要基因(如Wcor410)就有可能增加FT。因此使植物这一基因转化有可能增加冷冻敏感物种的FT。此外，我们的结果表明通过过度表达与FT过程相关的最重要的基因，可以使也具有一定程度FT的植物的FT按加和的方式得以改善。例如，在低温启动子下过度表达甜菜碱脱氢酶和胆碱单氧酶可使甜菜碱在此时累积，从而有助于植物对抗霜冻。这种产生甜菜碱的作法对以前所建议的抗旱保护和本专利所述的FT的改善都造成大的农艺学和经济学冲击。此外本专利的结果也表明，在预计的霜冻或温度突然下降前，可以采用外源性甜菜碱在短期内增加冷冻敏感植物对低温的抵抗力。
以上已详细描述了本发明，很明显在不背离本发明的精神及上述经验的前题下可以对其进行改进。这些改进也处于所附权利要求所规定的范围之内。
参考文献
1.D.Rhodes，A.D.Hanson.，Annu.Rev.Plant Physiol.Plant Mol.Biol.(植物生理学和植物分子生物学年度综述)44：357-384(1993)。
2.A.D.Hanson，B.Rathinasabapathi，J.Rivoal，M.Burnet，M.O.Dollon，D.A.Gage.Proc.Natl.Acad.Sci.(U.S.A.)(美国国家科学院论文集)91：306-310(1994)。
3.K.F.McCue，A.D.Hanson.Trends Biotech.(生物技术的发展趋势)8：358-362(1990)。
4.P.H.Yancey，M.E.Clark，S.C.Hand，R.D.Bowlus，G.N.Somero.Science(科学)217：1214-1222(1982)。
5.Y.Jolivet，F.Larher，J.Hamelin.Plant Sci.Lett.(植物科学通讯)25：193-201(1982)。
6.A.Shomer-llan，G.P.Jones，L.G.Paleg.Aust.J.Plant Physiol.(澳大利亚植物生理学杂志)18：279-286(1991)。
7.K.B.Schwab，D.F.Gaff.J.Plant Physiol.(植物生理学杂志)137：208-215(1990)。
8.H.Génard，J.Le Saos，J.-P.Billard，A.Trémolières，J.Boucaud，Plant Physiol.Biochem.(植物生理学和生物化学)29：421-427(1991)。
9.N.Murata，P.S.Mohanty，H.Hayashi，G.C.Papageorgiou，FEBS Lett.(FEBS通讯)296：167-189(1992)。
10.C.ltai，L.G.Paleg，Plant Sci.Lett.(植物科学通讯)25：329-335(1982)。
11.S.Kishitani，K.Watanabe，S.Yasuda，K.Arakawa，T.Takabe，Plant，Cell environment(植物，细胞环境)17：89-95(1994)。
12.R.G.Wyn Jones，R.Storcy，R.A.Leigh，N.Hamad，A.Pollard，In：Regulation of Cell Membrane activities in Higher Plants(见：在高等植物中细胞膜活性的调节)，ed.E.Marrè，O.Ciferri，第121-136页，阿姆斯特丹：Elsevier/荷兰北部(1977)。
13.T.Matho，J.Watanabe，E.Takahashi，Plant Physiol.(植物生理学)84：173-177(1987)。
14.S.P.Robinson，G.P.Jones，Aust.J.Plant Physiol.(澳大利亚植物生理学)13：659-668(1986)。
15.W.P.Williams，A.P.R.Brian，P.J.Dominy，Biochim.Biophys.Acta(生物化学和生物物理学学报)1099：137-144(1992)。
16.J.P.Krall，G.E.Edwards，C.S.Andreo，Plant Physiol.(植物生理学)89：280-285(1993)。
17.D.Rhodes，P.J.Rich，A.C.Myers，C.C.Reuter，G.C.Jamieson，Plant Physiol.(植物生理学)84：781788(1987)。
18.C.Lerma，P.J.Roch，G.C.Ju，W.J.Yang，A.D.Hanson，D.Rhodes，Plant Physiol.(植物生理学)95：1113-1119(1991)。
19.J.Danyluk，M.Houde，E.Rassart，F.Sarhan，FEBS Lett.(FEBS通讯)344：20-24(1994)。
20.J.Danyluk(1996)在低温驯化过程中于小麦中诱导的基因的分子鉴定和表征，蒙特利尔大学博士论文，加拿大魁北克蒙特利尔。
21.K.K.Tanino，B.D.McKersie，Can.J.Bot.(加拿大植物学杂志)63：432-436(1984)。
22.S.J.Coughian，U.Heber，U.Planta(植物)156：62-69(1982)。
23.G.Yang，D.Rhodes，R.J.Joly，The American Society of PlantPhysiologists(美国植物生理学会)，美国德克萨斯州圣安东尼(1996)。
24.A.G.lvanov，M.Krol，D.Maxwell，N.P A.Huner，FEBS Lett.(FEBS通讯)371：61-64(1995)。
25.M.Perras，F.Sarhan，Plant Physiol.(植物生理学)89：577-585(1989)。
以下界定具有排他所有权或特权的本发明的实施方案。

Claims (24)

1、一种提高植物耐寒或抗冻能力的方法，包括步骤：
—在高于0℃但不低于所述植物能耐受的最低温度的温度下驯化所述植物，其时间应足以对所述植物诱导出最佳的耐寒或抗冻能力，和
—向所述植物施用包含甜菜碱或其衍生物的组合物，其施用剂量应足以对所述植物诱导出相同或不同的最佳耐寒或抗冻能力；
合并低温驯化和施用甜菜碱或其衍生物的步骤使所述植物的耐寒或抗冻能力比由单个步骤所诱导的最佳耐寒或抗冻能力更高。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述剂量对所述的植物无毒。
3、如权利要求1或2所述的方法，其中所述植物选自禾本科植物和禾本科干草。
4、如权利要求3所述的方法，其中所述禾本科植物为大麦和小麦。
5、如权利要求3所述的方法，其中所述低温驯化的时间约为4周。
6、如权利要求1至4之一所述的方法，其中甜菜碱衍生物为甘氨酸甜菜碱。
7、如权利要求5所述的方法，其中甜菜碱衍生物为甘氨酸甜菜碱。
8、如权利要求7所述的方法，其中所述的施用剂量是使所述的植物在有浓度低于约500mM的甘氨酸甜菜碱的溶液的存在下生长。
9、如权利要求8所述的方法，其中所述浓度约为250mM。
10、如权利要求9所述的方法，其中所述植物为春小麦品种Glenlea，其最佳抗冻能力以致使50％植物群体死亡的温度(LT50)来表示约为-8℃。
11、如权利要求10所述的方法，其中所述抗冻能力增加约6℃而达到-14℃的LT50。
12、如权利要求10或11所述的方法，其中由所述各步骤单独或联合采用时所诱导出的最佳抗冻能力至少部分是因基因Wcor410表达增多所致。
13、如权利要求9所述的方法，其中还导致了对所述植物在低温下的光合作用能力和整体生理机能的改善。
14、一种至少降低植物生长速率30％、由此具有生长抑制作用的方法，包括采用有效的施用剂量但不使所述植物致死的、含有甜菜碱或其衍生物的组合物处理所述植物的步骤。
15、如权利要求14所述的方法，其中所述甜菜碱或其衍生物的施用剂量为对所述植物无毒。
16、如权利要求15所述的方法，其中所述植物为高尔夫球场草。
17、如权利要求14所述的方法，其中所述植物为春小麦品种Glenlea。
18、如权利要求17所述的方法，其中施用剂量是在500mM的甘氨酸甜菜碱存在下使所述植物生长4天，以导致生长速率降低约75％。
19、一种杀灭植物的方法，其中包含采用具有除草作用的致死剂量的、含有甜菜碱或其衍生物的组合物处理所述植物的步骤。
20、如权利要求19所述的方法，其中所述植物为双子叶植物。
21、如权利要求20所述的方法，其中所述植物选自蒲公英，canola，紫花苜蓿，草莓和烟叶。
22、一种在高于0℃但不低于植物种子能耐受的最低温度的温度下刺激和改善所述植物种子发芽率的方法，包括对所述种子施以有效施用剂量的含有甜菜碱或其衍生物的组合物，并使所述种子在所述温度下发芽的步骤。
23、一种改善植物对抗非生物逆境的方法，其中包含施用含有有效量甜菜碱或其衍生物的组合物的步骤。
24、如权利要求23所述的方法，其中所述逆境包括干旱，盐碱和低温和冷冻温度。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106718556A (zh) * 2016-12-09 2017-05-31 江西邓志平园林绿化有限公司 一种防止猴樟苗木越冬幼苗免受冻害的方法
CN106810326A (zh) * 2017-03-30 2017-06-09 山东农业大学 一种提高苜蓿耐盐能力的方法
CN107173392A (zh) * 2017-06-02 2017-09-19 山东省农业科学院作物研究所 一种提高小麦抗低温冷害的抗冷制剂及其应用方法
CN109006270A (zh) * 2018-07-30 2018-12-18 漯河市农业科学院 一种抗冻小麦的育种方法
CN109574754A (zh) * 2018-12-29 2019-04-05 中化农业（临沂）研发中心有限公司 抗寒水溶肥及其制备方法
CN109906787A (zh) * 2019-01-06 2019-06-21 山东农业大学 一种低温变温锻炼提高菊花耐寒性的方法
CN111556709A (zh) * 2017-12-07 2020-08-18 丹斯塔发酵股份公司 用于改善种子萌发和/或植物对环境胁迫耐受性的方法
CN112029794A (zh) * 2018-12-13 2020-12-04 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 G蛋白α亚基在提高黄瓜内源激素水杨酸含量上的应用
CN112889613A (zh) * 2021-01-18 2021-06-04 江汉大学 一种提高豇豆苗期抗寒性的种植方法
CN115191442A (zh) * 2021-09-29 2022-10-18 南京农业大学 一种小麦抗低温保护剂产品及使用方法

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2001250275A1 (en) * 2000-02-28 2001-09-12 Miklos Ghyczy Composition for use on plants
JP2001316204A (ja) * 2000-04-28 2001-11-13 Kao Corp 植物活力剤
CA2321944A1 (en) * 2000-10-27 2002-04-27 Fathey Sarhan Enhancement of freezing tolerance in transgenic strawberry
EP1921152A1 (en) 2003-05-05 2008-05-14 Monsanto Technology, LLC Transgenic plants with glycine-betaine specific promoter
CA2629142A1 (en) * 2005-11-10 2007-05-24 Regents Of The University Of Minnesota Systemic plant conditioning composition
CZ2013146A3 (cs) * 2013-02-27 2014-06-11 Agra Group, A.S. Přípravek pro ochranu rostlin proti mrazu a způsob ochrany rostlin
CN103210957B (zh) * 2013-04-25 2015-02-04 中国烟草总公司郑州烟草研究院 一种提高烤烟抗氧化代谢能力的溶剂
CN103340041B (zh) * 2013-06-27 2015-01-21 西安理工大学 一种基于受激发光的作物种子萌发期抗旱性评价方法
CN103477749B (zh) * 2013-09-06 2015-12-02 西安理工大学 一种基于自发发光的玉米种子萌发期抗旱性评价方法
RU2720931C1 (ru) * 2019-05-21 2020-05-14 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт селекции плодовых культур" Способ ускоренной оценки устойчивости генеративных органов земляники садовой к весенним заморозкам
CN114868745B (zh) * 2022-04-27 2023-07-21 山西农业大学 一种提高杏花防冻效果的方法
CN117918196B (zh) * 2024-03-21 2024-06-04 云南省草地动物科学研究院 一种象草耐寒新品系的冷驯化培育方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU369887A1 (ru) * 1971-02-09 1973-02-15 Средство для торможения роста растений
IT1049320B (it) * 1973-10-19 1981-01-20 Ajinomoto Kk Composizione erbicida del tipo di esteri alchilici superiori d amminoacidi e metodo per combattere erbacce
DE2915250A1 (de) * 1979-04-14 1980-10-30 Basf Ag Salze von alpha -aminoacetaniliden
US5731419A (en) * 1993-08-16 1998-03-24 Universite Du Quebec A Montreal Freezing tolerance proteins Wcs19 and Wcor410 from gramineae
AUPM632294A0 (en) * 1994-06-20 1994-07-14 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation A method for treating seeds
FI98513C (fi) * 1995-06-09 1997-07-10 Cultor Oy Kasvien satotuloksen parantaminen
FI98514C (fi) * 1995-06-09 1997-07-10 Cultor Oy Kasvien satotuloksen parantaminen
WO1997008951A1 (en) * 1995-09-07 1997-03-13 Cultor Oy Improving the yield of plants

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106718556A (zh) * 2016-12-09 2017-05-31 江西邓志平园林绿化有限公司 一种防止猴樟苗木越冬幼苗免受冻害的方法
CN106810326A (zh) * 2017-03-30 2017-06-09 山东农业大学 一种提高苜蓿耐盐能力的方法
CN107173392B (zh) * 2017-06-02 2019-07-09 山东省农业科学院作物研究所 一种提高小麦抗低温冷害的抗冷制剂及其应用方法
CN107173392A (zh) * 2017-06-02 2017-09-19 山东省农业科学院作物研究所 一种提高小麦抗低温冷害的抗冷制剂及其应用方法
CN111556709B (zh) * 2017-12-07 2022-04-05 丹斯塔发酵股份公司 用于改善种子萌发和/或植物对环境胁迫耐受性的方法
CN111556709A (zh) * 2017-12-07 2020-08-18 丹斯塔发酵股份公司 用于改善种子萌发和/或植物对环境胁迫耐受性的方法
CN109006270A (zh) * 2018-07-30 2018-12-18 漯河市农业科学院 一种抗冻小麦的育种方法
CN112029794A (zh) * 2018-12-13 2020-12-04 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 G蛋白α亚基在提高黄瓜内源激素水杨酸含量上的应用
CN112029794B (zh) * 2018-12-13 2022-02-01 中国农业科学院蔬菜花卉研究所 G蛋白α亚基在提高黄瓜内源激素水杨酸含量上的应用
CN109574754A (zh) * 2018-12-29 2019-04-05 中化农业（临沂）研发中心有限公司 抗寒水溶肥及其制备方法
CN109906787A (zh) * 2019-01-06 2019-06-21 山东农业大学 一种低温变温锻炼提高菊花耐寒性的方法
CN112889613A (zh) * 2021-01-18 2021-06-04 江汉大学 一种提高豇豆苗期抗寒性的种植方法
CN115191442A (zh) * 2021-09-29 2022-10-18 南京农业大学 一种小麦抗低温保护剂产品及使用方法
CN115191442B (zh) * 2021-09-29 2023-02-10 南京农业大学 一种小麦抗低温保护剂产品及使用方法

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Publication number Publication date
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AU8202098A (en) 1999-01-25
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WO1999001032A1 (en) 1999-01-14

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