《Plant Stress》：Perception, physiological mechanisms and biological protection strategies against frost stress in orchard systems: A review and future perspectives
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果园系统中的果树作物在采前生长发育阶段，尤其是生殖生长敏感期，极易遭受霜冻胁迫危害，导致严重减产并降低产业可持续性。霜冻胁迫是当前农业生产面临的重大挑战，可造成显著经济损失，气候变率异常与传统果园管理措施的不足进一步加剧了这一风险。霜冻伤害的发生始于冰核形成与
果园系统中的果树作物在采前生长发育阶段，尤其是生殖生长敏感期，极易遭受霜冻胁迫危害，导致严重减产并降低产业可持续性。霜冻胁迫是当前农业生产面临的重大挑战，可造成显著经济损失，气候变率异常与传统果园管理措施的不足进一步加剧了这一风险。霜冻伤害的发生始于冰核形成与细胞脱水，继而引发膜系统失稳、氧化还原失衡及代谢紊乱，最终导致生殖器官损伤、产量下降与品质劣化。尽管灌溉、加热与空气扰动等传统防控措施已得到广泛应用，但其防控效率仍存在一定局限。因此，兼具作用机制明确、成本低廉与环境友好特征的生物防护策略，已成为极具应用前景的替代方案。现有缓解策略涵盖纤维素纳米晶体(CNC)、植物激素、生物刺激素、涂层技术及分子调控手段，对提升霜冻发生期的作物抗逆能力至关重要。这些技术可通过调控冰核形成、增强胁迫信号传导与抗氧化能力，维持产量稳定性。然而，目前仍缺乏对该领域最新研究进展的系统性梳理。总体而言，生物处理技术在霜冻缓解方面展现出巨大潜力，但其成功应用依赖于对不同尺度作用机制的深入解析与大田环境下的效能验证。本综述旨在为开发更高效、集成化的果园霜冻综合防控策略提供理论基础。
1. 引言
果树栽培在农业经济体系中占据重要地位，果实是人类健康膳食的核心组成部分。然而果园生产力与可持续性受病害及环境因子，尤其是温度波动的显著影响。落叶果树需在休眠期经历足够的低温积累以确保正常萌芽，避免早花现象。春季气温回升后若遭遇骤冷（即“假春”现象），会对作物生产造成严重威胁，短暂升温会扰乱全树生理功能及调控年生长周期的生理与分子机制，诱发提前萌芽并导致严重减产。全球气候变化直接导致农产品质量与产量下降，霜冻事件发生频率与强度持续增加。果园温度波动引发的霜冻严重威胁果树生长，可导致生长停滞、产量锐减甚至绝收。据美国农业部统计，霜冻相关损失占农作物保险赔付总额的近一半，对园艺作物的产量与品质构成重大威胁。当前气候趋势下，休眠期缩短、日灼敏感性增加及外观品质下降等机制导致水果产量显著降低，美国东南部桃产区曾报道霜冻造成80%–90%的产量损失，欧洲多地果园与经济作物也面临类似风险。霜冻伤害表现为细胞内结构破坏与功能丧失，引发组织坏死与褐变，低温可导致水汽在植物表面凝结结冰，即使无可见冰晶也可造成损伤。春季霜冻危害是低温与花器或幼果发育敏感期互作的结果，冻伤器官可能脱落或留存，严重时花器与幼果会在一周内快速褐变坏死并脱落。根据Snyder和Melo-Abreu的定义，霜冻指气温降至≤32°F的事件，而冻结事件指植物组织外的水发生结冰。霜冻伤害发展包含冰形成、细胞脱水、膜损伤及随后的代谢与信号紊乱等一系列过程。美国东南部温度极端事件加剧，暖冬导致树木提前开花，使生殖器官暴露于低温下。霜冻造成的经济损失超过其他气象灾害，佛罗里达与佐治亚州的蓝莓、欧洲的葡萄园与多种大田作物均受其严重影响。受冻组织在解冻后才显现症状，这种突发性非生物胁迫会干扰细胞稳态，降低坐果率与植株表现。低温还会抑制传粉昆虫活性与根系功能，进一步减少坐果。作物防霜历史悠久，防控措施分为被动与主动两类。主动措施包括灌溉、气流扰动与加热，虽应用广泛但受成本高、环境污染与天气条件限制。例如喷灌需精准控制以避免植株表面冰载过重，燃料加热会产生温室气体与颗粒物排放。近年来生物防护技术因可持续性强、受外界条件限制少而受到关注，通常在霜冻前施用，通过生理与分子调控增强植株耐受性。此外，延迟开花被提议作为减少异常春温波动下霜冻危害的策略，研究显示延迟开花可使霜冻敏感区增产约10%。尽管已有大量研究，霜冻伤害机制与生物缓解策略的有效性仍需进一步整合。本综述系统梳理果园霜冻的形成与影响，总结采前春季霜冻缓解的前沿生物技术，阐释各策略的潜在防护机制与局限性，并展望生物防霜技术的挑战与未来方向。
2. 霜冻形成与胁迫感知
2.1 霜冻的大气触发因子
霜冻包含两种定义：一指气温降至冰点以下的气象事件，二指土壤或植物表面形成可见白色冰晶的物理过程。多数果树需冬季低温积累以打破休眠，春季休眠解除后萌芽开花，此阶段遇冷害会损伤花器并降低产量。按形成机制可分为平流霜冻与辐射霜冻：平流霜冻由大规模冷空气水平平流引起，覆盖范围广；辐射霜冻由晴朗无风夜间地面长波辐射强烈失热导致，常伴随逆温层（气温随海拔升高而上升）。霜冻形成与平均气温及昼夜温差相关，变暖气候下物候期与霜冻事件的发生时间、频率及强度均可能发生偏移，但气候变暖对霜冻危害的影响仍存在争议，部分研究认为升温会增加霜冻风险，另一些则指出温暖气候可能减轻危害，这种分歧凸显了预测气候变化对霜冻发生影响的巨大不确定性。气候变化与物种特异性响应的互作是霜冻事件的关键驱动因子。温带果树需足够冷量积累以确保春季萌芽整齐，冷量不足会导致萌芽不齐，扰乱授粉、降低坐果率并最终减产。作物品种选择不当与种植密度不合理也会增加霜冻发生概率，需制定新的种植策略以应对升温影响。区域适宜性进一步增加了复杂性，冷空气易在低洼谷地积聚，增加霜冻风险，高湿度土壤散热更快，也会加剧霜冻形成。
2.2 冷感知作为霜冻起始环节
冷感知是植物将霜冻事件转化为体内冷冻响应的首要步骤。霜冻伤害最终体现在器官水平，但低温的首要效应始于细胞层面，随后传递至组织与整株表型。植物主要通过膜生物物理变化感知降温：低温下膜流动性下降，刚性增加，可激活机械敏感Ca2+通道，启动早期冷信号。冷感知并非由单一传感器介导，不同感知模块捕获冷胁迫的不同特征，通过部分独立通路向下游传递并汇聚。当温度低于临界阈值时，细胞结构与代谢活动会突发受损，严重的膜破坏与能量供应不足会快速破坏原生质体稳定性并导致细胞死亡。细胞水平上，冷暴露常伴随膨压丧失、液泡化、胞质流动减弱及生理紊乱，这些响应在高组织层级上显现。冷胁迫可诱导膜相变，从液晶态向凝胶态转变，破坏膜结构并降低通透性。这种物理状态变化损害选择透过性与膜功能，扰乱细胞稳态及细胞与器官的协调活动。膜扰动也是下游信号与基因调控的上游触发因子。Ca2+内流是快速早期信号，但并非唯一调控冷诱导转录的因子。磷脂酶D(PLD)作为质膜关联酶，通过应激依赖的Ca2+激活通路参与胁迫信号转导，有助于细胞骨架稳定及其与质膜的锚定。油菜素内酯(BRs)作为类固醇植物激素，可增强CBF（C-repeat binding factors，C重复结合因子）表达，其信号突变体表现出冷胁迫敏感性改变。生理上，冷耐受性常随膜透性增加而下降，膜完整性是伤害程度的关键决定因子。冷诱导的膜状态变化还可调节膜关联酶活性，在促进膜相变的温度下效应更强，这种改变可能影响酶动力学或前体分配，加剧冷害。这些冷诱导的物理事件是霜冻条件下启动下游细胞与分子胁迫响应的主要触发因素。
3. 霜冻胁迫的细胞与生理机制
霜冻胁迫下的作物会表现出一系列不利影响，主要包括生理与结构损伤、产量下降及品质外观劣化。
3.1 膜稳定与相变
霜冻事件通过破坏细胞完整性，诱发冷冻脱水与细胞死亡，最终导致严重减产。在细胞层面，生物膜是最早感知霜冻并启动伤害的部位，连接外界降温与胞内生理响应。关键早期生物物理机制是膜脂从液晶态向凝胶态的相变，降低膜流动性并损害选择透过性。这导致膜透性增加、代谢稳态破坏与光合性能抑制，甜樱桃等果树中已观察到此类冷诱导生理紊乱。膜结构与功能的改变是霜冻伤害的关键早期步骤，既是细胞损伤的直接原因，也是下游胁迫反应的触发因子。膜损伤常用电解质渗漏量化，反映细胞完整性丧失。在组织层面，这种损伤导致脱水与结构破坏，损害生理功能与生产力。除营养组织外，果树霜冻伤害常集中在生殖组织，其对温度波动高度敏感。坐果率与最低温下降后的雌蕊褐变密切相关，春季霜冻若伴随降雨，会抑制花粉管伸长，干扰早期子房发育，促进胚珠败育与幼果脱落。膜失稳是霜冻伤害的核心，引发细胞损伤并触发氧化应激与代谢失衡，连接结构破坏与抗氧化及生化响应。
3.2 冷诱导脱水与氧化应激
膜失稳破坏细胞稳态，改变活性氧(ROS)产生与抗氧化能力的平衡。这种氧化还原失衡促进膜脂过氧化，加速酚类等生物活性代谢物的氧化，加剧细胞损伤。ROS过度积累是霜冻胁迫的常见响应，进一步增强膜脂过氧化，促进细胞组分氧化降解。ROS驱动的酚类氧化反映抗氧化缓冲能力下降，导致组织损伤逐步加重。值得注意的是，品种间抗氧化代谢物（如酚类与黄酮类）的差异可显著影响抗霜能力。这些代谢物作为非酶抗氧化剂，通过酚羟基的供氢能力清除ROS并稳定自由基中间体，保护膜完整性与细胞结构。多种作物中均报道了类似的低温伤害级联反应，光合作用下降、呼吸作用受抑与蛋白质降解均与ROS过度积累密切相关。此外，物候与局地气候约束也塑造霜冻脆弱性：核果类通常比仁果类更易受春季霜冻影响，因其开花更早，暴露时间更长；橄榄生产中，气温低于0°C即可触发暴露细胞结冰，导致不可逆的细胞损伤与死亡。总体而言，ROS积累连接初始膜损伤与下游代谢及生理紊乱，将结构破坏与更广泛的生化响应关联起来。
3.3 代谢与激素失衡
氧化应激下，植物通过代谢与生理调整恢复细胞稳态，维持冷冻期间的正常功能。霜冻胁迫常伴随气孔关闭、脯氨酸积累与抗氧化酶活性升高的协同调整。同时，酚类化合物积累是重要的适应性响应，参与ROS清除与细胞保护。碳水化合物代谢也受霜冻胁迫的强烈影响，既体现适应性响应，也存在代谢紊乱。可溶性糖作为关键渗透调节物质，参与渗透调整、稳定细胞结构，并作为恢复期的能量储备。但在严重或长期胁迫下，碳水化合物代谢可能被扰乱，改变糖分组成并损害生理功能。研究发现，不可逆春季霜冻伤害后，三个苹果品种的多种糖类化合物含量均升高，提示中心碳水化合物代谢被破坏。苹果受冻害时常形成果面环状条纹（霜环），伴随果糖水平升高。霜冻诱导的代谢变化还延伸至次级代谢物与抗氧化系统，酚类、抗坏血酸与类胡萝卜素的变化在多种作物中普遍存在。例如石榴受冻后内外果皮出现褐斑，草莓受冻后总糖与抗坏血酸分别下降约38.6%与75.4%，而β-胡萝卜素与番茄红素含量上升，表明霜冻可诱导不同抗氧化代谢物产生分化响应。同样，冷敏感作物低温暴露后抗坏血酸含量显著降低。此外，离子稳态在霜冻适应中起关键作用，钾离子支持渗透调节，维持细胞膨压，提高对冷冻脱水的抗性。
3.4 器官症状与表型伤害
膜损伤、氧化应激与代谢紊乱的共同作用，导致器官与整株水平出现可见霜冻伤害。春季霜冻主要靶向休眠解除后的芽与花等生殖组织，导致损伤并降低生长、生产力与适生范围。典型症状包括顶梢坏死、落叶及树皮组织的机械与生理损伤。在器官层面，生殖组织霜冻伤害常与坐果率下降密切相关。苹果早期霜冻伤害最初表现为花柱基部变色，随后扩展至花柱与子房，严重时导致胎盘坏死、胚珠吸收与皮层组织崩解。品种间霜冻敏感性差异已被广泛报道，雌蕊与子房的霜冻损伤程度存在显著基因型差异，直接转化为坐果率的差异。除产量损失外，霜冻胁迫还通过影响细胞与代谢过程改变果实外观，这是市场品质的核心决定因子，直接影响消费者偏好与购买决策。可见伤害症状通常包括褐变、组织软化与脱水，反映潜在的膜损伤与代谢失衡。解冻组织常呈暗色、松弛与水渍状。叶菜类冷冻后常出现萎蔫疲软，失去商品价值。多种作物缺陷已被记录，包括猕猴桃变色、苹果霜环、桃霜圈等。微气候变率与温度波动进一步塑造果园内的伤害程度与后续品质结局。暖夜温度（>10°C）可减轻‘布拉本’苹果贮藏期的内部褐变，而遭遇严重霜冻的树则更易出现外部CO2伤害，表现为果面青铜色凹陷斑。霜冻事件还会影响树体果实分布，常导致坐果不均，上部冠层果实比例高于下部。综上，伤害程度是环境条件与植株因子（包括发育阶段与品种敏感性）互作的结果，共同决定霜冻胁迫下的产量损失与品质劣化。
4. 霜冻胁迫的调控防御与信号通路
为抵御霜冻胁迫，植物通过代谢物与信号通路的协同网络维持生理稳态，限制冷诱导损伤，涉及冷感知、信号转导及下游生理与分子响应等一系列过程。非生物胁迫下，植物激活一系列防御响应对抗冷胁迫，包括膜脂调整、细胞壁重塑、植物激素调控及抗氧化系统激活。霜冻期间，渗透保护物质积累、抗氧化能力增强及相关信号分子激活共同驱动快速防御响应。这些早期保护性调整不仅帮助植物快速应对降温，还为生理与代谢调控奠定基础，稳定冷驯化与霜冻胁迫下的恢复进程。
4.1 霜冻响应中的渗透保护物质积累
霜冻胁迫下的渗透调整由调控相容溶质积累的的信号通路与转录网络主动调控，协同提升细胞溶质浓度、降低渗透势，有助于脱水过程中的水分保持与膜稳定。蔗糖与棉子糖等可溶性糖的生物合成与动员受冷信号转录调控，有助于膜稳定与蛋白保护。机制上，这些糖与膜磷脂及蛋白表面形成广泛的氢键网络，部分替代水分子，维持膜组织与蛋白构象，支持酶活性并维持光合机构完整性。基因型间渗透保护物质积累的差异与胁迫响应信号通路调控变异相关。转基因增强甘氨酸甜菜碱生物合成可提高其积累水平，进而增强霜冻耐受性，表明相容溶质在低温下维持细胞稳态的重要功能。研究发现水稻OsPRP1缺失会显著增加苗期冷敏感性，提示脯氨酸的保护作用及转录调控在渗透调整中的重要地位。
4.2 霜冻响应中的抗氧化防御
霜冻胁迫下的抗氧化防御通过协调信号通路调控，维持氧化还原稳态，防止ROS过度积累。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)及其他过氧化物酶(POD)等酶促ROS清除系统的活性，共同减轻超氧自由基与过氧化氢的危害，限制膜、蛋白与细胞器的氧化损伤。同时，关键转录因子(TFs)驱动的大量转录编程进一步增强冷适应性，这些转录因子调控包括抗氧化酶与氧化还原组分在内的一系列冷响应基因。在此多层调控框架中，ICE-CBF-COR模块是连接冷感知、信号与下游保护基因表达的核心枢纽，最终增强冷耐受性并促进驯化。该通路中，CBFs/脱水响应元件结合因子(DREBs)被冷快速诱导，结合COR基因启动子区域激活其转录。研究显示耐冷水稻品种中SOD与CAT活性显著升高，冷胁迫也上调总酚含量。非酶抗氧化系统（包括抗坏血酸、谷胱甘肽、类胡萝卜素、黄酮类与生育酚）也受该网络调控，保护膜、蛋白与核酸免受氧化损伤。这些代谢物还有助于稳定光合色素与光化学性能，抵抗冷诱导氧化应激。这些发现凸显抗氧化防御是连接信号通路与细胞保护的关键决定因子，未来应聚焦于阐明动态环境下氧化还原稳态的调控机制。
4.3 霜冻响应中的植物激素
植物激素是整合霜冻感知与下游生理调整、转录重编程的核心调控因子，塑造冷驯化与冷冻耐受性。遗传与生化研究已建立了激素信号的概念模型，大量证据支持多种激素组分对冷冻抗性调控的重要贡献。其中脱落酸(ABA)是关联叶片脱落等发育过程的关键内源生长调节剂，在胁迫适应中发挥核心作用。ABA通过调节气孔行为、渗透调整与胁迫响应基因表达调控冷耐受性。转录组分析显示约10%的ABA响应基因也对冷胁迫有响应，表明ABA信号与冷响应基因网络存在大量重叠。ABA可促进冷响应基因表达以增强耐受性，例如ERF15被鉴定为番茄中ABA介导冷耐受性的正调控因子，通过激活CBF1与WRKY6表达发挥作用。胁迫诱导的ABA积累标志着激素信号通路激活，有助于增强耐受性。除急性生理调控外，ABA还通过抑制气孔发育、影响疏水聚合物沉积，调控表皮发育，促进冷胁迫下的适应性地上部性状。此外，ABA还能促进细胞扩张，保护光合机构，支持抑制条件下的生长。除ABA外，油菜素内酯(BRs)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)、生长素与赤霉素(GAs)等多种植物激素也通过协同信号与激素互作参与冷胁迫适应。BRs通常是增强胁迫韧性的正调控因子；JA与SA参与冷诱导防御信号，与其他通路整合优化耐受性并限制不必要的代谢消耗；而生长素与GAs等促生长激素常在霜冻条件下下调，促进生长抑制，使资源向胁迫防护分配。阐明这些激素的协同作用并优化其调控，有助于设计更优的植物生长调节剂配方。
5. 生物防护策略
植物生理学与生物质的快速发展推动了生物预防策略的开发，作为传统果园防霜措施的可持续、环境友好替代方案。与传统技术依赖大量能源与外部设备不同，生物策略通过调节植物固有生理过程或改变界面物理条件，显著增强植株冷胁迫耐受性。从机制上看，生物防霜策略与植物的分子及信号过程密切相关。冷胁迫感知激活ICE-CBF-COR等关键调控通路，驱动抗氧化防御、渗透调整与膜稳定等响应，同时激素信号与这些转录网络互作，共同调控冷冻响应。这些机制通常以协同方式减轻冷冻损伤，维持细胞稳态。本节将从结构、生理与遗传机制角度讨论生物预防策略，重点阐释其潜在机制、实践可行性与当前局限。鉴于独特的功能优势，这些生物技术在高价值园艺作物的防霜管理中展现出巨大应用潜力，为日益不可预测的气候条件下提供有效可持续的解决方案。
5.1 基于生物质材料的方法
低温胁迫扰乱植物生理与细胞过程，增加霜冻伤害易感性。生物质方法因可改变界面性质、影响热量与质量传递，作为表面防护手段受到关注。近期研究表明，颗粒涂层、聚合物膜与复合制剂可通过互补机制减轻霜冻伤害。
5.1.1 纤维素纳米晶体(CNC)
纤维素纳米晶体(CNC)主要通过酸水解制备，是一种可再生生物纳米材料，具有低热导率等独特理化性质，可从木材浆、农业副产物、被囊动物与微生物等多种生物质来源大量获取。结构上，CNC由棒状结晶纤维素域组成，长度通常为100–300 nm，宽度5–15 nm。多项研究证实CNC可有效增强果树霜冻耐受性，能降低休眠葡萄芽的最低致死温度，促进甜樱花发育。机制上，CNC基策略主要通过组织水平的热绝缘与冰传播调控发挥作用
