自然越冬過程中不同楊樹品種的抗寒生理指標分析

吳飛++朱生秀++向江湖++李萬棟

摘要：試驗以銀×新、北美速生楊1號、抗蟲楊、抗鹽堿楊4種楊樹（Populus L.）的一年生扦插苗為試驗材料，探討自然條件下，不同楊樹品種抗寒生理、生化指標的變化及與抗寒性的關系。結果表明，在相同立地條件下，不同品種楊樹的抗寒生理指標表現出差異； 滲透調節(jié)物質可溶性糖、可溶性蛋白質含量和短時的降溫相關不密切，楊樹應對低溫能力較強，滲透調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定，具有較強的滲透調節(jié)能力；保護酶活性與溫度密切相關，丙二醛含量隨溫度的變化而呈規(guī)律性變化。自然條件下，各抗寒生理指標隨氣溫的變化呈規(guī)律性變化，各楊樹品種的抗寒性差異顯著。

關鍵詞：楊樹（Populus L.）；抗寒指標；滲透調節(jié)物質；保護酶活性

中圖分類號：S792.11；Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0881-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.022

Analyses on Cold Resistance Physiological Indexes in Different Varieties of Poplars During Natural Overwintering

WU Fei， ZHU Sheng-xiu， XIANG Jiang-hu， LI Wan-dong

（Xinjiang Oasis in the Western Ecological Development Co.， Ltd.， Karamay 834000， Xinjiang， China）

Abstract： Taking one-year-old poplar cuttings of silver×new，North American fast-growing poplar No.1，insect-resistant poplar and salt-tolerant poplar as the experimental materials， the relationship between cold resistance physiological and biochemical indexes and cold hardiness during natural overwintering were studied. The results showed that， under the same site condition， the cold resistance physiological indexes of different varieties poplars showed different levels. The contents of osmotic adjustment substance soluble sugar and soluble protein were not closely related to the short-term cooling. The osmotic adjustment system was stable and had strong osmotic adjustment ability. The activities of protective enzymes were closely related to the temperature， and the content of malondialdehyde varied with temperature. Under natural conditions， the physiological indexes of cold resistance varied regularly with the change of air temperature， and the cold resistance of poplar varieties was significantly different.

Key words： Populus L.； cold resistance index； osmotic adjustment substance； protective enzyme activity

楊樹（Populus L.）是楊柳科（Salicaceae）楊屬（Populus）樹種的統(tǒng)稱，由于其分布廣、易繁殖、適應性強、生產力高、木材具有多種用途等優(yōu)點，是中國主要的造林樹種之一[1]?！笆濉睍r期，中國楊樹總面積已達1 010萬hm2，蓄積量達5.49億m3，居世界第一。其中楊樹人工林面積達757萬hm2，占中國人工林面積的18.9%，超過世界上其他國家楊樹人工林面積的總和。楊樹在中國分布很廣，一直是中國西北地區(qū)的主要綠化樹種，在生態(tài)環(huán)境治理、保障農業(yè)穩(wěn)產高產的防護林建設方面起到重要作用。

楊樹抗寒性較強，但隨著楊樹新品種的不斷涌現，不同品種間抗寒能力也存在差異[2，3]。新疆冬季寒冷，在該區(qū)域栽培楊樹尤其是速生型的品種，經常受到低溫、寒潮、冰雪等氣候的影響，越冬安全性受到威脅。在此環(huán)境下進行優(yōu)良楊樹品種的推廣，除要考察其速生性之外，其抗寒適應性也尤其重要。植株的抗寒性評價指標很多，除了植物形態(tài)指標以外，還有生理生化指標，為此，試驗以新疆克拉瑪依大農業(yè)開發(fā)區(qū)苗圃種植的4個生長性狀表現較好的楊樹無性系為材料，對自然越冬過程中各楊樹抗寒生理生化指標進行了測定，分析其與抗寒性的關系，以期為今后新疆農田防護林建設、抗寒樹種的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在新疆西部綠洲生態(tài)發(fā)展有限責任公司苗圃地進行，選取銀×新、北美速生1號、抗鹽堿楊、抗蟲楊4個不同品系的一年生扦插苗為試驗材料。選取長勢一致的楊樹，每5株為一組，完全隨機設計，3次重復，以枝條為試驗材料，要求枝條充分成熟，整齊均勻，剪留長度10～15 cm。用聚乙烯自封袋包好后立即裝入冰盒帶回實驗室進行相關指標的檢測。

1.2 試驗方法

丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸（TBA）法[4]，過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定參照李合生[4]的方法，脯氨酸（Pro）含量的測定采用酸性茚三酮法、可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[5]，可溶性蛋白質含量的測定采用考馬斯亮藍G-250染色法[6]。

1.3 數據處理

試驗中數據均為平均值，采用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 采樣期間試驗地氣溫變化

采樣期間試驗地氣溫的變化見表1。克拉瑪依地區(qū)冬、春季節(jié)溫度相對較低，據調查，2015年克拉瑪依地區(qū)最低氣溫出現在1月，為-26.32 ℃，且 -25.00 ℃以下的低溫持續(xù)時間達12 d。平均氣溫在2月表現最低，為-13.86 ℃。2014年12月到2015年3月，平均氣溫先降低，在3月又開始迅速回升。采樣時的溫度和月平均氣溫變化趨勢一致，先降低，再升高。

2.2 不同品種楊樹枝條中丙二醛含量的變化

植株在逆境條件下會發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛是其產物之一，通常利用它作為膜脂過氧化的指標，表示細胞膜脂過氧化程度和植株對逆境條件反應的強弱。自然越冬過程中，不同品種楊樹枝條中丙二醛含量的變化見圖1。從圖1可以看出，隨著時間的推移，氣溫先降低后升高，丙二醛含量先升高后降低，不同楊樹品種丙二醛含量出現峰值的時間不同。抗鹽堿楊和北美速生1號枝條在2015年1月15日MDA含量出現峰值，尤其抗鹽堿楊枝條中的MDA含量表現最高，為0.043 mmol/g，且與其他各品種相比差異達極顯著水平。銀×新枝條中的MDA含量在2014年12月和2015年1月幾乎不發(fā)生變化，2015年1月開始緩慢下降。抗蟲楊枝條中的MDA含量與月平均氣溫呈現相反的變化趨勢，即隨著氣溫的降低而升高，溫度回升后又開始降低。

2.3 不同品種楊樹枝條中滲透調節(jié)物質含量的變化

可溶性糖是植物組織中最主要的滲透調節(jié)物質之一。自然越冬過程中，4種不同品種楊樹枝條中可溶性糖含量的變化見圖2。從圖2可以看出，銀×新枝條中的可溶性糖含量隨溫度變化呈逐漸增加的趨勢，其他各品種可溶性糖含量先隨溫度降低逐漸升高，后下降，在溫度回升后又迅速上升，變化速率最大的為銀×新，其次為北美速生1號。

可溶性蛋白質的親水膠體性較強，能明顯增強細胞的持水力，而可溶性蛋白質的增加可以束縛更多的水分，還可以減少原生質因結冰而傷害致死的機率。由圖3可見，2014年12月至2015年1月，隨試驗地氣溫的降低，各品種楊樹可溶性蛋白質含量均迅速升高，以銀×新的變化最為明顯。2015年1～2月，隨著溫度的變化，抗鹽堿楊可溶性蛋白質含量迅速降低，其他各楊樹品種枝條中可溶性蛋白質含量均表現為緩慢下降。2015年2～3月，隨著溫度的回升，抗鹽堿楊可溶性蛋白質含量緩慢上升，其他各楊樹品種枝條中可溶性蛋白質含量均緩慢下降，以銀×新的變化最為明顯。

脯氨酸是植物蛋白質的組成成分之一，并以游離態(tài)廣泛存在于植物體中。植物在正常條件下游離脯氨酸含量很低，但遇到鹽堿、低溫、干旱等逆境時，游離脯氨酸便會積累，并且積累指數與植物的抗逆性有關。自然越冬過程中不同品種楊樹枝條中的游離脯氨酸含量變化見圖4。從圖4可以看出，楊樹枝條中游離脯氨酸含量隨氣溫變化的趨勢與可溶性蛋白質基本一致，均表現為先升高后降低。區(qū)別在于，2015年1～2月，隨著氣溫的變化，抗鹽堿楊枝條中游離脯氨酸含量降低，其他各品種楊樹枝條中游離脯氨酸含量繼續(xù)升高，從2月開始，隨著氣溫的升高，枝條中游離脯氨酸含量開始迅速下降。

2.4 不同品種楊樹枝條中細胞膜抗氧化系統(tǒng)酶活性的變化分析

在自然越冬過程中，不同楊樹枝條中超氧化物歧化酶（SOD）活性的變化趨勢見圖5。從圖5可以看出，隨著氣溫的降低，SOD活性總體增強，各楊樹品種均表現為先升高后降低的“單峰”變化曲線，但峰值出現的時期不同。銀×新和北美速生1號在2015年2月15日出現峰值，抗鹽堿楊和抗蟲楊枝條中的SOD活性在2015年1月15日表現為最高。且各楊樹品種間SOD活性表現出較大的差異，在平均氣溫最低的2月，SOD的活性出現了高峰，此時銀×新枝條中的SOD活性為723.4 μmol/s。

不同楊樹枝條中過氧化物酶（POD）活性隨著氣溫的降低活性增強（圖6），在1月氣溫最低時出現了高峰，其中以抗蟲楊的活性最強，銀×新的活性次之，然后隨氣溫的逐漸回升，大部分楊樹枝條中POD的活性慢慢降低，在2月出現了最低值，在此過程中變化幅度最大的為銀×新，之后隨著氣溫的升高，各楊樹品種枝條中的POD活性表現出緩慢增強。

自然降溫過程中，過氧化氫酶（CAT）活性的變化與SOD活性的變化趨勢基本一致（圖7），均表現為“單峰”變化趨勢，即先升高后降低。除抗鹽堿楊在2015年2月出現峰值外，其他各楊樹品種均在氣溫最低的2015年1月出現了最高峰，以抗鹽堿楊的活性最強，銀×新次之。之后隨著氣溫的變化，CAT的活性逐漸降低。

3 小結與討論

植物細胞膜是植物細胞及細胞器與周圍環(huán)境的一個界面結構，各種逆境對細胞的影響首先作用于質膜，低溫災害亦是如此。當細胞面臨環(huán)境的低溫脅迫時，需要進行滲透調節(jié)以維持細胞內外滲透平衡，因此必然會使植物體內參與滲透調節(jié)的物質、細胞膜透性、酶活性等發(fā)生一系列的變化[7]。植物器官衰老或在逆境條件下遭受傷害，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的最終分解產物，即是生物膜受害降解的指標，故可用電解質滲出率的高低和丙二醛含量的變化來比較抗寒力的大小。本試驗結果表明，在溫度急劇下降過程中，銀×新枝條中的丙二醛含量增加幅度最大。

可溶性蛋白質、可溶性糖、游離脯氨酸是植物體內3種重要的滲透調節(jié)物質。一般認為，低溫脅迫時糖類物質的積累與植物的抗寒性呈正相關[8]，抗寒力強的樹種糖分含量增加多且濃度高。本研究對自然越冬過程中楊樹枝條中的可溶性糖含量的測定時發(fā)現，可溶性糖含量均隨溫度變化而變化，以銀×新的增加幅度最大。游離脯氨酸作為滲透調節(jié)物質具有水溶性和水勢高、在細胞內積累無毒性等特點，能保持原生質與環(huán)境滲透平衡[9]。試驗中，在自然降溫條件下，植物體內脯氨酸的含量顯著增加。脯氨酸對低溫的反應常隨著低溫程度的不同而異，在較低的長期低溫下，脯氨酸的增加是植物傷害的結果，而在無嚴重冷害的鍛煉溫度下，脯氨酸的積累則是一種適應性反應。試驗對不同楊樹在自然降溫過程中可溶性蛋白含量變化的研究結果表明，在楊樹自然越冬過程中可溶性蛋白的含量均隨氣溫降低而升高，相反隨著氣溫回升其含量逐漸降低。在氣溫急劇下降時變化最為明顯，1月氣溫降到最低時出現峰值，以銀×新的變化速率最快，增加幅度最大。

在正常情況下，植物細胞中存在著活性氧的產生和清除的一種動態(tài)平衡。超氧化物歧化酶（SOD）是活性氧清除劑之一，在低溫逆境條件下，SOD能被活性氧誘導產生，從而減輕對細胞膜的傷害[10]。試驗結果表明，楊樹枝條中SOD的活性隨溫度的急劇下降活性增強，并在1月中旬環(huán)境溫度最低時，抗鹽堿楊和抗蟲楊SOD活性達到最大，這是楊樹對持續(xù)低溫脅迫的適應性反應，有利于增強楊樹的抗寒性。過氧化物酶（POD）與過氧化氫酶（CAT）是植物體內普遍存在的活性較高的酶，它們可以有效地將H2O2轉變成O2，從而消除活性氧自由基（O2-·）對生物體的毒害[10]。試驗結果表明，楊樹枝條中的POD與CAT酶活性均隨溫度的急劇降低而增強，說明楊樹枝條內活性氧增加，促進了POD合成以清除活性氧自由基的積累，從而提高楊樹的抗寒力。當氣溫逐漸回升時，H2O2產生的速率下降，CAT的活性也隨著降低，表明楊樹的抗寒力減弱。

綜上所述，通過自然越冬過程中對4種不同楊樹抗寒生理指標的研究發(fā)現，楊樹枝條中細胞膜透性、酶活性等均隨溫度急劇下降而上升或增強，其中以銀×新對低溫脅迫最為敏感，即抗寒性最強。

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