秋末楊樹葉片中碳水化合物與酚類物質含量變化

李正華　李海霞　于文喜等

摘要 [目的]研究秋末迎春5號楊葉片生理指標變化，探討葉片內各物質的變化規(guī)律及其之間的關系。[方法]在不同時間點采集楊樹一年生葉片，測定光合色素、可溶性糖、黃酮和總酚含量。[結果]隨氣溫降低，葉片中光合色素均呈下降趨勢，葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量與溫度變化呈極顯著正相關；Car/Chl、Chla/Chlb比值上升，其中Car/Chl比值與溫度間呈極顯著負相關；可溶性糖、黃酮和總酚含量均升高，前二者與溫度變化呈強負相關，而總酚含量相關性不強。[結論]葉片中Car/Chl及Chla/Chlb比值的上升，可能是楊樹葉片抗寒能力增強的重要指標。

關鍵詞 光合色素；可溶性糖；黃酮；總酚

中圖分類號 S792.11 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-201-03

Abstract [Objective]Experiments were carried out to study the changes of physiological indexes and the relation among the material of the Yingchun poplar 5 in late autumn.[Method]The content of photosynthetic pigment，soluble sugar，flavonoid and total phenols of annual poplar leaves at different time points were measured.[Result]The results showed that the content of photosynthetic pigment decreased with the temperature declining.Chlorophyll，chlorophyll a and chlorophyll b content presented significantly positive correlation to temperature.Car/Chl、Chla/Chlb ratio rose.The results showed a highly significant negative correlation between Car/Chl and temperature.The contents of soluble sugar，flavonoid and total phenols increased with the temperature decreased.The negative correlation between temperature and soluble sugar as flavonoid was significant .There was no correlated between total phenols and temperature.[Conclusion]The Car/Chl and Chla/Chlb in leaf may be the important indexes of poplar leaf cold tolerance.

Key words Photosynthetic pigment；Soluble sugar； Flavonoid；Total phenols

楊樹是我國重要的造林樹種之一，因其生長迅速、材性優(yōu)良、樹形優(yōu)美，被大量用于營造工業(yè)用材林、生態(tài)防護林以及城市園林綠化，是我國北方種植面積最大的樹種[1-2]。眾多環(huán)境因子中，低溫凍害是影響我國北方地區(qū)楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要因素，加上近年來頻頻出現(xiàn)的氣候反常現(xiàn)象，使楊樹植物更易遭受春秋季節(jié)低溫脅迫。

20世紀60年代以前，關于楊樹抗凍性研究僅限于一般凍害調查。近年來，有關楊樹抗寒性方面的研究，主要集中在生理生化及細胞形態(tài)方面[3-4]。這些探索與研究涉及的楊樹抗凍性多限于形態(tài)結構分析、品種間抗凍性強弱比較及初生代謝指標的測試。植物在長期進化中與環(huán)境相互作用形成的次生代謝，在提高自身保護和生存競爭能力、協(xié)調與環(huán)境關系上充當著重要的角色，次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生和變化比初生代謝產(chǎn)物與環(huán)境有著更強的相關性和對應性。從動態(tài)發(fā)展的角度看，在植物與環(huán)境的適應和進化過程中，次生代謝要比初生代謝“記錄”了更多的環(huán)境信息[5]。楊樹中含有種類豐富、數(shù)量眾多的酚類化合物，一些研究也表明酚類物質是楊樹中的重要防御性物質，其在抵御病蟲侵害、植食性動物取食等方面扮演重要角色[6-8]，但有關酚類物質與楊樹凍害與抗凍性的相關工作卻鮮見報道。

該研究以迎春5號楊為材料，分析秋末溫度急劇下降時期，楊樹葉片中葉綠素、可溶性糖、黃酮及總酚的含量變化，探討各物質的變化規(guī)律及其之間的關系，為研究楊樹抗寒性提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地與材料

哈爾濱市位于125°42′～130°10′E，44°04′～46°40′N，地處中國東北北部地區(qū)，黑龍江省南部。該地區(qū)屬于大陸性季風氣候，有典型的四季交替。秋季（9～10月）是從夏到冬的過渡季節(jié)，因受北方冷空氣影響，氣候由暖變寒。氣旋活動僅次于春季，天氣冷暖多變，每當冷鋒過后，氣溫急劇下降。氣溫月際變化幅度達8～9 ℃。

樣品采集自哈爾濱市香坊區(qū)哈平路和保健路交叉路段的南崗區(qū)愛心林，楊樹品種為迎春5號（PopulusבZhonglin Sanbei 1）。其生長迅速、材質優(yōu)良、干形通直、冠幅窄、分枝細，極為耐寒、抗病害能力強，在主要經(jīng)濟技術及抗性指標上，顯著超過了小黑楊等推廣品種，是“四旁”植樹、培育速生豐產(chǎn)林及短輪伐期工業(yè)原料林的優(yōu)良品種。

1.2 樣品采集

自2006年9月22日至10月22日，每3 d上午9時采集樣品，共采樣11次。采生長在樹冠中部的一年生枝條，將所有葉片放入冰盒，帶回實驗室處理。將葉片擦拭干凈后，除去葉柄，避開主葉脈用打孔器取0.2 g樣品測葉綠素含量，將剩余葉片放入烘箱，在80 ℃下干燥48 h，粉碎過篩用于測試其他指標。

10月24日最低溫度驟降至-5.5 ℃，在10月25日楊樹葉片出現(xiàn)凍傷，有的呈現(xiàn)風干現(xiàn)象，采樣結束。

1.3 儀器與方法

儀器：U2800紫外-可見分光光度計（日本HITACHI公司）； AB104型電子天平（瑞士）；KQ100DB超聲波儀（江蘇昆山超聲儀器公司）； DGG9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱（蘇州江東精密儀器有限公司）。

試劑：試劑均為分析純，蘆丁購自中國藥品生物制品檢定所；沒食子酸購自Alfa Aesar公司。

葉綠素含量、可溶性糖含量測定參照《植物生理生化實驗原理和技術》中的乙醇法、蒽酮法[9]，總酚含量和黃酮含量測定方法參照文獻[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel、SPSS16.0制圖和分析。

2 結果與分析

2.1 哈爾濱市秋末最低溫度變化曲線 由圖1可知，秋末9月22日至29日最低氣溫在6～13 ℃范圍波動，呈“M”形變化；9月30日～10月13日氣溫雖有波動，但整體呈下降趨勢，特別是10月3～13日從13.1 ℃下降到-2.1℃；10月13日后氣溫有所回升，變化也呈“M”形，最終下降到最低-3.1 ℃（21日）。

葉片不僅受采樣當日氣溫的影響，前幾日的氣溫也會對它產(chǎn)生影響，因此采樣日的最低溫度是前幾日最低溫度的平均值。根據(jù)相關系數(shù)分析表1數(shù)據(jù)，擬合溫度采用4 d最低溫度的平均值（T4）。

采樣前期，9月22日～10月1日最低溫度在8.7～10.5 ℃波動，略有上升走勢；而后10月4～16日最低氣溫迅速下降；末期最低溫度下降較為平緩。

2.2 各指標與溫度的相關系數(shù)分析結果

溫度T1是采樣日的最低溫度，T2是采樣日和前1 d的最低溫度平均值，T3是采樣日和前2 d的最低溫度平均值，T4 和T5依次類推，采用SPSS16.0分析各指標與溫度的相關性，得到表1。由數(shù)據(jù)結果可得，類胡蘿卜素含量變化對溫度變化響應最為迅速，其次是葉綠素a/b和可溶性糖含量，其他指標均在3～5 d對溫度變化響應最好，該試驗綜合考慮采用4 d的溫度進行擬合。

2.3 秋末楊樹葉片光合色素含量變化及與溫度的相關性

2.3.1 葉綠素（Chl）、葉綠素a（Chla）、b（Chlb）和類胡蘿卜素（Car）含量的變化。

秋末迎春5號楊葉片葉綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素（Car）含量均隨氣溫的波動而變化，氣溫上升則含量升高，氣溫降低則含量降低。由圖2可以看出，它們的含量隨溫度的降低而呈下降趨勢，類胡蘿卜素含量降低趨勢較緩。

在光合色素與溫度的相關性分析中，葉綠素、葉綠素a和葉綠素b與最低溫度T4的相關系數(shù)分別為0.96、0.96和0.93，且Sig.均<0.01，呈現(xiàn)出極顯著正相關；而類胡蘿卜素與溫度的相關性不強（相關系數(shù)為-0.27）。

2.3.2 類胡蘿卜素與葉綠素含量比值變化曲線。

類胡蘿卜素是葉綠體中一類非常重要的輔助色素，可以捕獲光能，傳遞給葉綠素a用于光合；同時具有抑制和清除活性氧的功能，類胡蘿卜素與葉綠素（Car/Chl）比值的高低與植物忍受逆境的能力密切相關[11]。

由圖3可知，迎春5號楊葉片中Car/Chl比值隨著采樣時而逐漸上升，這與氣溫下降變化呈相反趨勢。谷值出現(xiàn)在9月25日，而后Car/Chl比值逐漸升高，至采樣結束達到最大值。這表明葉片中葉綠素含量迅速降低，而類胡蘿卜素含量降低速度相對較慢。也就是說迎春5號楊葉片Car/Chl比值不斷升高，可能是它對降溫的一種適應性表現(xiàn)。

在相關性分析中，Car/Chl比值與溫度T1、T2、T3、T4和T5的相關系數(shù)在-0.90～-0.93之間，且Sig.均<0.01，表明這一指標與溫度呈極負相關。因此，Car/Chl比值的上升可能與迎春5號楊葉片抗寒能力的增強密切相關。

2.3.3 葉綠素a/b的變化曲線。

梁建萍等[12]在對不同海拔華北落葉松的研究中，證實隨海拔升高，葉綠素a/b值呈上升趨勢，推測這些變化可能與高海拔的低溫和強輻射有關。并有多項研究表明葉綠素a/b值與植物抗寒性關系密切，所以在生理生態(tài)學的研究中，葉綠素a/b值?？勺鳛橐环N反映逆境脅迫對植物造成傷害程度的生理指標，用以說明環(huán)境條件的變化對植物產(chǎn)生的影響[11]。

由圖4可知，采樣過程中迎春5號楊葉片葉綠素a/b值波動上升，這表明葉綠素a含量下降幅度相對葉綠素b慢；整體來看葉綠素a/b值變化與氣溫下降趨勢相反。葉綠素a/b值與最低溫度T2的相關系數(shù)為-0.76，Sig.=0.007<0.01，表現(xiàn)為極負相關。因此，迎春5號楊葉片葉綠素a/b值隨氣溫的下降而上升可能與其抗寒能力增強密切相關。

2.4 可溶性糖含量變化

可溶性糖是植物細胞內重要的滲透調節(jié)物質之一，它能夠增加胞內溶質濃度，降低細胞的冰點；還可以緩沖細胞質過度脫水，保護細胞質膠體不致遇冷凝固，減輕低溫對細胞的傷害[13]。

由圖5可知，迎春5號楊葉片中可溶性糖含量初期含量較高，迅速降低后緩慢上升，最后到最大值。整體來看，其含量呈上升趨勢，與氣溫下降變化相反?？扇苄蕴呛颗c最低溫度T2的相關系數(shù)為-0.90，Sig.=0.001<0.01，為極負相關。迎春5號楊葉片中可溶性糖含量初期較高，可能是該時期楊樹生命活動旺盛所致，而后期可溶性糖含量的逐步積累，則可能是為了抵御低溫脅迫所做的準備。

2.5 黃酮含量變化

蘆丁又名蕓香苷，是植物中的一種黃酮類化合物，具有抗自由基活性、抗脂質過氧化、抗病毒等作用，近年來發(fā)現(xiàn)黃酮類物質在植物的抗性生理中有重要的作用，可以作為抗寒性的有效生理指標[14]。

從圖6可看出迎春5號楊葉片黃酮含量早期波動較大，而后平穩(wěn)上升，從最初含量34.71 mg/g上升到最后含量44.83 mg/g，其增加幅度為29%?？傮w來看，葉片黃酮含量在秋末逐漸增加，與氣溫降低變化相反。黃酮含量與最低溫度T4、T5的相關系數(shù)為-0.57，為負相關。因此可以推測，黃酮類化合物在楊樹葉片抗寒生物學過程中具有重要作用。

2.6 總酚含量變化

該試驗測定的總酚是指芳香族羥基衍生物的總稱，以沒食子酸為參照物，測得葉片中可溶性酚類物質的含量，反映樣品中可溶性酚羥基的強度。

由圖7可知，采樣初期迎春5號楊葉片總酚含量波動幅度較大，中后期逐漸升高，最后為最大值（10月22日）。最后一次樣品總酚含量是初次樣品含量的1.70倍，是最低值（9月28日）的2.09倍。相關性分析結果表明迎春5號楊葉片總酚含量與最低溫度T4、T5相關性不強（相關系數(shù)=- 0.21）。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）隨著氣溫的波動下降，葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量下降，且與溫度呈極強的正相關。

（2）隨著氣溫的波動下降，Car/Chl、Chla/b比值上升，其中Car/Chl比值與溫度間呈極強的負相關。

（3）隨著氣溫的波動下降，可溶性糖、黃酮類化合物、總酚逐步積累，含量上升，其中可溶性糖含量與氣溫間呈極強的負相關，其次為黃酮類化合物，總酚含量相關性不強。

3.2 討論 迎春5號楊葉片葉綠素、葉綠素a、葉綠素b的含量下降可能是楊樹葉片衰亡的表現(xiàn)之一，而與氣溫變化關系還需進一步研究；葉片中Car/Chl及Chla/Chlb比值的上升，可能是楊樹葉片抗寒能力增強的重要指標之一；迎春5號楊極為耐寒，一方面可能是與可溶性糖、黃酮類化合物等抗寒物質的積累密切相關，另外也可能與Car/Chl及Chla/b比值大小相關[15]。

參考文獻

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