廬山若干常綠樹種對冬季低溫的生理生化響應(yīng)

杜有新 ，何春林，張樂華，黃強(qiáng)，黃勇，丁園

1.江西省、中國科學(xué)院廬山植物園，江西 廬山 223900；2.南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330063

植物在越冬期間，體內(nèi)發(fā)生著一系列生理生化過程，合成抵御低溫環(huán)境的生物酶和相應(yīng)的生化產(chǎn)物（邵文鵬，2009）。在低溫逆境下，植物可通過提高可溶性糖含量來調(diào)節(jié)細(xì)胞液的濃度，從而增強(qiáng)細(xì)胞的保水能力（劉金文等，2004）；通過合成超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等一系列抗氧化酶，以清除活性氧自由基（ROS），減少低溫對植物的危害，如 SOD的作用是通過歧化反應(yīng)清除生物細(xì)胞中的超氧陰離子自由基(O2-·)，POD 和 CAT 的主要作用是酶促降解H2O2，減少自由基對機(jī)體的傷害（SILIN等, 1993;ISHIKAWA 等, 1995）。丙二醛（MDA）是膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，可反映植物細(xì)胞膜脂的受損程度（莊炳莉，2008；陳鈺等，2007）。

冬季低溫是本地區(qū)重要的環(huán)境脅迫因子之一，由于氣溫低且持續(xù)時(shí)間較長，對引進(jìn)植物的保存及其生長發(fā)育起著決定性作用（沈漫等，1997）。雖然自上世紀(jì) 70年代以來，許多學(xué)者在廬山自然動植物資源、植被分布、土壤等方面展開了積極的研究，但在環(huán)境對植物生長發(fā)育的影響及植物的響應(yīng)方面的研究很少（胡亮和王婷，2011），尤其缺乏外來物種對本地區(qū)低溫環(huán)境適應(yīng)性的機(jī)理探討。本研究通過探討不同植物對廬山低溫環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，評價(jià)各樹種對廬山環(huán)境的適應(yīng)性，為本地區(qū)植物引種栽培的樹種選擇及栽培管理等措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

廬山位于江西北部（115°52′～116°8′ E，29°26′～29°41′ N），雖處亞熱帶東部季風(fēng)區(qū)域，但山體上部具溫帶氣候特征，年均氣溫 11.4 ℃，最高氣溫32 ℃，極端低溫達(dá)-16.8 ℃。廬山降水充沛，全年平均降水量1917.8 mm，比同緯度地區(qū)多500 mm左右，降水集中在4—7月份，約占全年降水量的70%，年平均相對濕度78%（杜有新等，2013）。廬山從12月份到次年的3月份屬于寒冷的冬季，根據(jù)植物園室外氣溫的實(shí)測數(shù)據(jù)，2012年12月上旬平均氣溫為(2.95±1.72)℃，變異系數(shù)為58.05%，2013年 1月上旬為(-3.09±2.09) ℃，變異系數(shù)為67.73%，3月上旬均溫為（4.21±7.92）℃，變異系數(shù)為188.36%。

廬山植物園是我國亞熱帶地區(qū)植物種質(zhì)資源保存的重要基地之一，位于廬山東南部含鄱口溝谷，地形比較復(fù)雜，占地面積近300 hm2，海拔為1000～1360 m。土壤為山地黃壤和黃棕壤，有機(jī)質(zhì)含量較高，偏酸性。

2 材料與方法

2.1 研究對象

以廬山植物園內(nèi)引種栽培的樂東擬單性木蘭（Parakmeria Latungensis）、紅花木蓮（Manglietia insignis）、桂南木蓮（Manglietia chingii）、四川含笑（Michelia szechuanica）、深山含笑（Michelia maudiae）和廣玉蘭（Magnolia grandiflora）等 6種木蘭科常綠樹種為研究對象，廬山鄉(xiāng)土樹種云錦杜鵑（Rhododendron fortunei）為對照（表1）。生長表現(xiàn)較好的有深山含笑和紅花木蓮，桂南木蓮、四川含笑和廣玉蘭冬季凍害較嚴(yán)重，特別是四川含笑在原產(chǎn)地是常綠喬木，引種廬山上后成為落葉灌木。

2.2 采樣與分析

在2012年12月初至2013年3月底，根據(jù)氣溫變化，每隔1個月左右分別采集目標(biāo)樹種（紅花木蓮、深山含笑、廣玉蘭、樂東擬單性木蘭、桂南木蓮、四川含笑和云錦杜鵑）冠層新鮮葉片約20 g，每個樹種采3株，所采葉樣裝入保溫箱并當(dāng)日帶回實(shí)驗(yàn)室處理分析。

生化分析參照《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》(李合生，2000)?？扇苄蕴呛坎捎幂焱壬y定；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定；超氧化物歧化酶活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較判別差異水平，方差分析后采用LSD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析及制圖在Excel 2003和SPSS 17.0軟件上完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要生理生化指標(biāo)的變化特征

可溶性糖作為植物細(xì)胞滲透性的調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量與植物的抗寒性密切相關(guān)（ISHIKAWA等，1995）。由圖1a)可以看出，在冬季期間，可溶性糖含量最高的為四川含笑在1月份的90.38 mg·g-1，最低為紅花木蓮在12月的含量51.01 mg·g-1。大部分樹種的可溶性糖含量呈現(xiàn)出與氣溫變化相反的趨勢即先上升后下降的趨勢，只有深山含笑在1月份，比12月份下降了7.54%，其他樹種增加幅度從桂南木蓮的11.56%到四川含笑的 34.49%之間；深山含笑和廣玉蘭的可溶性糖含量呈現(xiàn)不斷上升趨勢，在3月隨著氣溫升高，深山含笑和廣玉蘭比1月份分別增加12.96%和25.04%。除了桂南木蓮和廣玉蘭外，可反映植物耐寒程度的丙二醛含量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢（圖1b）），從12月到1月，上升幅度較大的有紅花木蓮、深山含笑和四川含笑，而從1月份到3月份，增加幅度較大的為廣玉蘭、桂南木蓮、深山含笑和云錦杜鵑等樹種，表明1月低溫對這些樹種葉片的細(xì)胞膜傷害較大。

超氧化物酶（SOD）和過氧化物酶（POD）是植物體內(nèi)膜系統(tǒng)的重要保護(hù)酶，能有效清除超氧自由基和活性氧，降低不良環(huán)境對膜脂的傷害程度（莊炳莉，2008）。除了樂東擬單性木蘭和深山含笑呈逐漸增加的趨勢外，大部分樹種的 SOD活性都呈現(xiàn)與氣溫相似的變化趨勢（即先下降后上升的趨勢）（圖1c））；廣玉蘭的POD活性先上升后下降，而其他樹種POD活性則不斷上升，但不同樹種POD活性大小及變化幅度不盡相同，POD活性最高且變異性最大的是樂東擬單性木蘭（圖1d））。

表1 7種樹種的生長狀況Table 1 Growth condition of 7 tree species in Lushan botanical garden

3.2 主要生化指標(biāo)的種間差異及其關(guān)聯(lián)特征

通過對不同溫度下各樹種生化指標(biāo)比較，發(fā)現(xiàn)各樹種不同溫度間以及各溫度下不同樹種間的可溶性糖含量存在極顯著差異；各樹種不同溫度間的MDA和SOD存在極顯著差異，但種間差異不顯著；各樹種不同溫度間的 POD活性存在顯著差異，而各溫度下不同樹種間存在極顯著差異（表2）。

各生化指標(biāo)的關(guān)聯(lián)特征表明，樂東擬單性木蘭（P=0.028）、深山含笑（P=0.047）和廣玉蘭（P=0.006）冬季葉片中的丙二醛含量和超氧化物歧化酶活性之間具有顯著正相關(guān)性關(guān)系，紅花木蓮具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（（P=0.047），而對照種云錦杜鵑相關(guān)性不顯著（P=0.082），但其可溶性糖與超氧化歧化酶顯著負(fù)相關(guān)（P=0.01）。桂南木蘭（P=0.009）和四川含笑（P=0.013）的丙二醛與過氧化物酶具有顯著正相關(guān)關(guān)系。說明不同樹種在低溫脅迫下，做出不同的生理生化響應(yīng)機(jī)制，對低溫導(dǎo)致的損害采取不同的修復(fù)策略。

4 討論

植物的生理生化指標(biāo)可以表征植物經(jīng)受低溫脅迫的生理反應(yīng)，低溫脅迫下植物可溶性糖含量與其抗寒性密切相關(guān)。盡管少數(shù)品種在低溫脅迫下的可溶性糖含量出現(xiàn)下降（龔鵬等，2007；鄭元等，2008），但大部分樹種通過增加可溶性糖含量來保護(hù)細(xì)胞，防止細(xì)胞過度脫水而受到傷害。本研究表明，大部分樹種的可溶性糖含量在初冬時(shí)較低，隨著氣溫下降其可溶性糖含量有不同程度升高（GUY等，1992；鮑思偉，2005；蔡仕珍等，2010）。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，可溶性糖含量較高的四川含笑當(dāng)年生的枝葉基本受凍枯死，這說明植物雖然可通過其自身的生理調(diào)節(jié)來減輕低溫的傷害，但仍克服不了其受生物學(xué)特性控制的極限低溫的傷害；而廣玉蘭的凍死現(xiàn)象也許說明廬山冬季氣溫過早下降導(dǎo)致其抵御低溫傷害的生理調(diào)節(jié)機(jī)制滯后，由于其生長季節(jié)較短（6月份才萌發(fā)）導(dǎo)致其木質(zhì)化程度不高。總體來說，大部分樹種在越冬期間可溶性糖含量變化均較明顯，通過增加可溶性糖含量的方式來適應(yīng)冬季低溫，抗寒性較強(qiáng)的品種，可溶性糖含量增加幅度大。

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的產(chǎn)物，可反映植物受傷害的程度，丙二醛含量越低則抗寒性越強(qiáng)，含量越高則抗寒性越弱。很多研究表明（莊炳莉，2008；陳鈺等，2007），在自然降溫過程中，丙二醛在葉片中出現(xiàn)積累，在氣溫相對最低的1月份達(dá)到最大值。本研究表明，大部分樹種的 MDA含量隨著氣溫的下降都有不同程度的增加，但3月氣溫適度回升后，MDA含量都沒有降低反而上升（圖1b），可能是膜脂過氧化物在深冬時(shí)主要分解中間產(chǎn)物自由基，在3月份溫度有所回升且溫度變化幅度較大時(shí)，才分解成最終產(chǎn)物丙二醛，繼續(xù)對植物葉片造成傷害（滕中華等，2003）。隨著溫度不斷下降，供試樹種的丙二醛含量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，上升幅度較大的有廣玉蘭、桂南木蓮、四川含笑和深山含笑；尤其是四川含笑的MDA含量都比其他樹種高，表明 12月底的低溫對這些樹種葉片的細(xì)胞膜傷害較大（羅軍武等，2001；何開躍等，2004）。

表2 不同溫度下各樹種可溶性糖、丙二醛、超氧化物歧化酶與過氧化物酶方差分析Table 2 ANOVA of the soluble sugar content, MDA, SOD and POD in leaves among different tree species under different temperatures

在細(xì)胞保護(hù)酶系統(tǒng)中，SOD的作用是通過歧化反應(yīng)清除生物細(xì)胞中的超氧陰離子自由基(O2-·)，同時(shí)產(chǎn)生歧化物H2O2和O2，防止過剩自由基對細(xì)胞膜的傷害。保護(hù)酶活性和植物的抗寒性強(qiáng)弱密切相關(guān)，大部分研究認(rèn)為越冬期間植物的SOD和POD活性先升高后下降（盧芳等，2011；崔帥等，2012；JANDA等，2005；楊向娜等，2006；郭惠紅，2004），抗寒能力強(qiáng)的樹種 SOD和 POD等保護(hù)酶活性高（羅軍武等，2001；李建設(shè)等，2003）。本研究發(fā)現(xiàn)，各樹種的SOD活性在越冬期間先下降后上升，7個樹種的SOD活性在最低溫度的1月份均達(dá)到最低值，即隨著溫度降低，其 SOD活性也降低，當(dāng)?shù)蜏赜兴厣?，各樹種SOD活性又升高，結(jié)合與MDA的變化特征，SOD活性的增加是也許是為了清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的有毒物質(zhì)。各樹種 POD活性分別呈現(xiàn)不斷上升或先上升后下降的趨勢，不同樹種POD活性大小及變化幅度不盡相同，如云錦杜鵑的POD極低，廣玉蘭的 POD活性先上升后下降，而其他的樹種 POD活性則不斷上升，這也許說明不同植物在低溫脅迫下其保護(hù)酶活性的變化趨勢不同（朱惠霞等，2007；殷有等，2001）。

5 結(jié)論

植物在低溫脅迫下，會通過調(diào)整組織內(nèi)部的某些生理生化過程，來規(guī)避或減輕低溫的傷害。不同樹種采用不同的生理響應(yīng)機(jī)制，如鄉(xiāng)土樹種云錦杜鵑采用提高可溶性糖含量及超氧化物歧化酶活性，其他樹種通過提高超氧化物歧化酶或過氧化物酶活性來適應(yīng)低溫環(huán)境。4個表征植物耐寒性的生化指標(biāo)分析表明，可溶性糖含量可以較準(zhǔn)確地反映植物隨著氣溫變化所發(fā)生的生理生化變化，可作為引種植物抗寒性的主要生理指標(biāo)之一，而MDA、SOD和POD則存在樹種差異。

GUY C L, HUBER J L A, HUBER S C.1992.Sucrose phosphate synthase and sucrose accumulation at low temperature[J].Plant Physiology, 100:502-508.

ISHIKAWA W, ROBERTSON A J, GUSTA L V.1995.Comparison of viability tests for assessing cross- adaptation to freezing, heat and salt stresses induced by abscisic acid in bromegrass suspension cultured cells[J].Plant Science, 107(1): 83-93

JANDA T, KOSA E, SZALAI G, et a1.2005.Investigation of antioxidant activity in maize during low temperature stress[J].Acta Biologica Szegediensis, 49(1/2): 53-54.

SILIN S N, GUY R D, LAVENDER D P.1993.Mefluidide-induced drought resistance in seedings of three cenifer species [J].Canadian Journal of Botany, 71(8): 1087-1092.

鮑思偉.2005.自然降溫過程中云錦杜鵑抗寒適應(yīng)性研究[J].福建林業(yè)科技, 32(2): 13-15.

蔡仕珍, 潘遠(yuǎn)智, 陳其兵, 等.2010.低溫脅迫對花葉細(xì)辛生理生化及生長的影響[J].草葉學(xué)報(bào), 19(1): 95-102.

陳鈺, 郭愛華, 姚延濤.2007.杏枝芽內(nèi)MDA含量和電導(dǎo)率值變化與抗寒性關(guān)系的研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué), 13(4): 4-6.

崔帥, 趙蘭勇, 李承水, 等.2012.衛(wèi)矛屬3 種常綠闊葉樹木抗寒性研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 28(7): 17-20.

杜有新, 何春林, 丁園, 等.2013.廬山植物園 11種植物的根際土壤氮磷有效性和酶活性[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 222(8): 1297-1302.

龔鵬, 李秀霞, 李增平, 等.2007.低溫脅迫對扁桃枝條細(xì)胞膜系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 44(5): 561-566.

郭惠紅.2004.金邊衛(wèi)矛(Euonymus radicans‘Emorald & Gold’)低溫抗性研究[D].北京林業(yè)大學(xué):54-65.

何開躍, 李曉儲, 黃利斌, 等.2004.3種含笑耐寒生理機(jī)制研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 28(4): 62-64.

胡亮, 王婷.2011.廬山分布的野生重點(diǎn)保護(hù)植物及其保護(hù)對策[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 39(15): 9172-9173, 9176.

李合生.2000.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京: 高等教育出版社：164-165，167-169，199-201，206.

李建設(shè), 耿廣東, 程智慧.2003.低溫脅迫對茄子幼苗抗寒性生理生化指標(biāo)的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 31(l): 90-93.

劉金文, 沙偉, 王艷君.2004.低溫脅迫對不同物候期細(xì)葉杜香的生理影響[J].植物研究, 24(2): 199-200.

盧芳, 朱鴻菊, 秦登.2011.徐州地區(qū) 8種常綠闊葉喬木抗寒性研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 39(5): 212-216.

羅軍武, 唐和平, 黃意歡, 等.2001.茶樹不同抗寒性品種間保護(hù)酶類活性的差異[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 27(2): 94-96.

邵文鵬.2009.幾種常綠闊葉植物抗寒性研究[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)：9-11.

沈漫, 王明庥, 黃敏仁.1997.植物抗旱機(jī)理研究進(jìn)展[J].植物學(xué)通報(bào),14(2): 1-8.

滕中華, 韓發(fā), 師生波, 等.2003.青藏高原黑褐苔草的抗寒性物質(zhì)季節(jié)變化動態(tài)研究[J].中國草地, 25(4): 36-40.

楊向娜, 魏安智, 楊途熙, 等.2006.仁用杏3個生理指標(biāo)與抗寒性的關(guān)系研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 21(3): 30-33.

殷有, 蘇寶玲, 周永斌, 等.2001.抗氧化酶促防御系統(tǒng)對白皮松幼苗抗寒性的影響[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 32(4): 278-250.

鄭元, 楊途熙, 魏安智, 等.2008.低溫脅迫對仁用杏幾個抗寒生理指標(biāo)的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 36(1): 163-167.

朱惠霞, 孫萬倉, 鄧斌, 等.2007.白菜型冬油菜品種的抗寒性及其生理生化特性[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 16(4): 34-38.

莊炳莉.2008.自然降溫過程中5個常綠闊葉樹種的耐寒性研究[D].南京林業(yè)大學(xué): 3-7.