杉木幼苗對(duì)低溫脅迫的生理響應(yīng)及其抗逆性研究

摘 要 為探究低溫脅迫對(duì)杉木幼苗生長(zhǎng)及抗逆性的影響，測(cè)定杉木幼苗各部位的生長(zhǎng)量、葉綠素含量、酶活性和抗逆性物質(zhì)含量的變化情況。結(jié)果表明：低溫脅迫可顯著影響杉木幼苗的生長(zhǎng)，表現(xiàn)為抑制幼苗葉和莖的生長(zhǎng)，影響葉片形狀，降低苗木質(zhì)量指數(shù)；杉木葉片中葉綠素、可溶性多糖質(zhì)量濃度和蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著降低。低溫脅迫可導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）的質(zhì)量摩爾濃度增加，而杉木幼苗通過(guò)產(chǎn)生較多的抗逆性物質(zhì)脯氨酸來(lái)應(yīng)對(duì)低溫的脅迫。低溫脅迫還可誘導(dǎo)杉木中抗氧化酶的產(chǎn)生，使超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）和過(guò)氧化物酶（POD）的活性顯著增強(qiáng)。在低溫脅迫下，杉木通過(guò)自身調(diào)節(jié)來(lái)響應(yīng)環(huán)境的變化。關(guān)鍵詞 低溫脅迫；杉木；幼苗；抗氧化；抗逆性中圖分類號(hào)：S791.270.7"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2025.02.010

Study on the Physiological Response and Stress Resistance of Cunninghamia lanceolata Seedlings to Low Temperature Stress

Xu Weijie

（Guangdong Lianshan Forest Farm （Guangdong Yingyangguan Forest Park Management Office），Qingyuan 513200，China）

Abstract In order to explore the effects of low temperature stress on the growth and stress resistance of" Cunninghamia lanceolata" seedlings，the changes of growth，chlorophyll content，enzyme activity and stress resistance substance content in different parts of" Cunninghamia lanceolata" seedlings were measured. The results showed that low temperature stress could significantly affect the growth of" Cunninghamia lanceolata" seedlings，which was manifested by inhibiting the growth of leaves and stemsof seedlings，affecting the shape of leaves and reducing the quality index of seedlings. The contents of chlorophyll，

mass concentration of

soluble polysaccharide and protein in" Cunninghamia lanceolata" leaves also decreased significantly. Low temperature stress could lead to the increase of lipid peroxidation product MDA content，while" Cunninghamia lanceolata" seedlings responded to low temperature stress by producing more stress-resistant substance proline. Low temperature stress could also induce the production of antioxidant enzyme in" Cunninghamia lanceolata，and significantly enhance the activities of SOD，CAT and POD. Under low temperature stress，Cunninghamia lanceolata responded to environmental changes through self-regulation.

Key words low temperature stress; Cunninghamia lanceolata;seedlings;antioxidation;stress resistance

杉木（Cunninghamia lanceolata）屬于柏科杉木屬高大喬木，是一種亞熱帶樹種，主要產(chǎn)自中國(guó)江蘇、浙江、福建和西藏等地區(qū)。杉木樹形高大，樹干挺拔，樹冠飄逸，多用于道路綠化及營(yíng)造防風(fēng)林，具有很強(qiáng)的觀賞價(jià)值。杉木生長(zhǎng)快，產(chǎn)量高，可用作木材工業(yè)原料，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。此外，杉木具有解毒除濕、發(fā)表清火、順氣消疳和活血止痛等功效[2]。

溫度，尤其是低溫對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育有著顯著的影響。在低溫脅迫下，植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能和生物學(xué)特性發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制或延緩，葉片褐化甚至干枯死亡，細(xì)胞膜的通透性發(fā)生改變，進(jìn)而影響細(xì)胞的分裂和發(fā)育。抗氧化酶的活性和非酶抗氧化劑含量的變化，可能會(huì)導(dǎo)致植株遭受活性氧的毒害，甚至走向死亡[3-4]。近些年，全球氣候變暖和極端氣候事件頻發(fā)，植物面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。鑒于此，對(duì)植物在低溫逆境中的應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行深入研究，可為篩選和培育低溫耐寒的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

逆境脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育具有重要的影響。方祿明[5]報(bào)道了低溫、NaCl和PEG脅迫對(duì)杉木種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，低溫處理可顯著降低杉木種子的發(fā)芽率和幼苗的干鮮質(zhì)量比，但對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)和幼苗苗高的影響不顯著。干旱脅迫也會(huì)影響杉木幼苗的生長(zhǎng)和葉綠素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并且杉木幼苗中丙二醛（MDA）的質(zhì)量摩爾濃度隨著干旱脅迫的加劇與持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著上升，而過(guò)氧化物酶（POD）與超氧化物歧化酶（SOD）的活性則持續(xù)下降，這標(biāo)志著杉木的抗氧化系統(tǒng)正遭受干旱的嚴(yán)重?fù)p害[6]。然而，目前對(duì)于杉木幼苗在低溫脅迫下的生理反應(yīng)及其抗逆能力的深入研究仍顯匱乏。因此，本次主要研究低溫脅迫下杉木幼苗的生長(zhǎng)、生理及抗逆性相關(guān)指標(biāo)，為杉木抗低溫脅迫的生理響應(yīng)機(jī)理研究提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于清遠(yuǎn)市連山壯族瑤族自治縣的廣東省連山林場(chǎng)。該地屬低緯度中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，濕潤(rùn)多雨，四季分明，晝夜溫差大。年平均氣溫16～25 ℃，其中1月氣溫最低可達(dá)-5 ℃以下，而7月和8月氣溫可達(dá)37" ℃以上；年降雨量平均為1 753.3 mm，最高年份達(dá)2 400 mm；年平均濕度為82%，年均無(wú)霜期317" d，年平均日照1 382 h，年均積溫5 906.0 ℃。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

同批次杉木種子培育出幼苗后，按統(tǒng)一的育苗基質(zhì)單獨(dú)分盆后置于試驗(yàn)大棚中，經(jīng)過(guò)為期30 d的緩苗期，篩選出生長(zhǎng)高度相仿的杉木幼苗作為研究對(duì)象。

試劑：超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）、脯氨酸等試劑盒均購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司。

儀器：試驗(yàn)用儀器包括賽多利斯電子天平（中國(guó)）、IKA干燥箱（IKA，歐洲）、葉面積測(cè)量?jī)x（申貝，中國(guó)）、P9紫外分光光度計(jì)（美普達(dá)，上海）、SPARK全自動(dòng)酶標(biāo)儀（TECAN，歐洲）、FM-971水分檢測(cè)儀（梵碼，中國(guó)）。

2.2 試驗(yàn)方法

采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置-5、0、5 ℃ 3個(gè)不同低溫環(huán)境，并設(shè)定最適溫度20 ℃作為對(duì)照組，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。試驗(yàn)期間實(shí)施統(tǒng)一施肥、統(tǒng)一管理，定期除蟲除草。連續(xù)培養(yǎng)8個(gè)月后進(jìn)行取樣檢測(cè)。

2.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)過(guò)程中每隔15 d用卷尺與游標(biāo)卡尺對(duì)幼苗的株高與地徑進(jìn)行精確測(cè)量。然后隨機(jī)挑選5片健康葉片，測(cè)量其葉長(zhǎng)與葉寬，并借助葉面積測(cè)量?jī)x測(cè)定葉面積。隨后，稱量葉片鮮質(zhì)量，并置于105 ℃干燥箱中殺青30 min，再轉(zhuǎn)移至80 ℃的烘箱中烘至恒質(zhì)量，稱取葉片干質(zhì)量。測(cè)量完所有指標(biāo)后，取出幼苗沖洗干凈，將每株苗木的根、莖、葉剪開(kāi)單獨(dú)放置，再放入烘箱中殺青，烘干至恒質(zhì)量。根據(jù)生物量計(jì)算出苗木的質(zhì)量指數(shù)。

苗木質(zhì)量指數(shù)=苗木總干質(zhì)量苗高地徑+地上器官干質(zhì)量地下器官干質(zhì)量

2.2.2 葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

采用丙酮提取法測(cè)定杉木葉片中的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。用80%丙酮提取2次，在722型可見(jiàn)光分光光度計(jì)中測(cè)定663、645、652、440 nm波長(zhǎng)處的吸光度值（A）。

計(jì)算葉綠素a（Ca）、葉綠素b（Cb）、總?cè)~綠素（C總）以及類胡蘿卜素（C類）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2.3 可溶性多糖質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

可溶性多糖質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照試劑盒方法進(jìn)行。

2.2.4 抗逆相關(guān)酶活性檢測(cè)

參照試劑盒說(shuō)明分別對(duì)杉木葉片中 SOD、CAT、POD活性和MDA的質(zhì)量摩爾濃度，以及脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0軟件對(duì)各指標(biāo)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行處理，并進(jìn)行單因素ANOVA方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 低溫脅迫對(duì)杉木幼苗生長(zhǎng)及葉片形態(tài)的影響

低溫脅迫可顯著影響杉木幼苗的苗高、地徑、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、比葉面積和苗木質(zhì)量指數(shù)等，這些生長(zhǎng)指標(biāo)隨著溫度的降低而顯著降低（Plt;0.05），見(jiàn)表1。其中，與對(duì)照組（最適溫度20 ℃）相比，最低溫-5 ℃下，杉木幼苗的葉長(zhǎng)、葉寬、比葉面積、苗木質(zhì)量指數(shù)分別下降了49.64%、40.00%、37.72%和23.19%；即使在0 ℃時(shí)，這些指標(biāo)也分別下降了20.00%、22.86%、25.66%和14.49%，表明低溫脅迫對(duì)杉木幼苗生長(zhǎng)具有強(qiáng)烈的抑制作用。

3.2 低溫脅迫對(duì)杉木幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

低溫脅迫可顯著影響杉木幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著溫度的降低，這些指標(biāo)顯著降低（Plt;0.05）。其中，與對(duì)照組（最適溫度20 ℃）相比，最低溫-5 ℃下杉木幼苗中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了50.39%、53.16%、46.60%和48.65%；而0 ℃下這些指標(biāo)分別下降了38.58%、25.32%、33.50%和39.19%（表2）。

0 ℃環(huán)境下葉綠素 a/b的比值與各組相比差異顯著，而其他3組之間差異不顯著（Pgt;0.05）。結(jié)果表明，低溫脅迫對(duì)杉木葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大，且不同溫度下的影響程度也不同。

3.3 低溫脅迫對(duì)杉木幼苗可溶性多糖質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖1可知，低溫脅迫可顯著影響杉木幼苗可溶性多糖質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著溫度的降低，杉木幼苗中多糖質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低。其中，-5 ℃環(huán)境下多糖質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照組相比分別降低40.80%和43.40%，而0 ℃條件下這2個(gè)指標(biāo)分別降低28.78%和28.54%。最低溫-5 ℃條件下多糖質(zhì)量濃度和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與各組相比均顯著降低（Plt;0.05）。

3.4 低溫脅迫對(duì)杉木幼苗抗逆性指標(biāo)的影響

由圖2可知，低溫脅迫可顯著影響杉木幼苗中MDA和脯氨酸的含量，隨著溫度的降低杉木幼苗中MDA和脯氨酸的含量顯著升高（Plt;0.05）。其中，-5℃環(huán)境下MDA和脯氨酸的含量分別為5.47 μmol·g-1和61.07 μg·g-1，與對(duì)照組相比顯著上升73.65%和61.86%，而0℃條件下這兩個(gè)指標(biāo)分別升高46.98%和52.08%。最低溫-5℃條件下MDA和脯氨酸含量與各組相比均顯著升高（Plt;0.05）。

3.5 低溫脅迫對(duì)杉木幼苗葉片酶活性的影響

表3顯示，低溫脅迫可顯著影響杉木幼苗中SOD、CAT和POD的活性，隨著溫度的降低杉木幼苗中SOD、CAT和POD的活性顯著升高（Plt;0.05）。其中，-5℃環(huán)境下SOD、CAT和POD的活性分別為140.33 U·g-1、227.07 U·g-1和394.73 U·g-1，與對(duì)照組相比顯著上升24.88%、59.27%和53.18%，而0℃條件下這三個(gè)指標(biāo)分別升高了17.98%、41.22%和27.15%。最低溫-5℃條件下SOD、CAT和POD的活性與各組相比均顯著升高（Plt;0.05）。

4 結(jié)論與討論

溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素，低溫脅迫作為常見(jiàn)的非生物脅迫因子，不僅抑制植物的生長(zhǎng)，還能使光合作用減弱，引發(fā)葉片萎蔫、褪綠乃至壞死。在此過(guò)程中，植物體內(nèi)產(chǎn)生氧化應(yīng)激，細(xì)胞膜亦遭受損傷[7]。低溫脅迫對(duì)杉木幼苗的生長(zhǎng)和發(fā)育具有顯著的影響。本研究中，杉木幼苗在低溫脅迫（-5～5 ℃）下，其生長(zhǎng)受到顯著抑制，表現(xiàn)為幼苗矮小，葉片生長(zhǎng)緩慢，苗高、地莖、葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積等指標(biāo)顯著降低。此外，低溫脅迫也會(huì)抑制杉木幼苗的光合作用，表現(xiàn)為葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著溫度的降低顯著下降，光合速率減慢。

低溫誘導(dǎo)還能夠改變類囊體膜上葉綠素a/b-蛋白質(zhì)復(fù)合體的構(gòu)象，進(jìn)而影響光合作用[8]。同時(shí)，低溫脅迫也會(huì)影響杉木幼苗中可溶性多糖質(zhì)量濃度和蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著溫度的降低，杉木幼苗中可溶性多糖質(zhì)量濃度和蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。結(jié)果表明，低溫脅迫會(huì)影響植物的光合作用，進(jìn)而影響葉綠素的合成和光合作用產(chǎn)物多糖的產(chǎn)生。

與此同時(shí)，低溫脅迫會(huì)破壞植物細(xì)胞膜系統(tǒng)的完整性，導(dǎo)致細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化，產(chǎn)生過(guò)多的脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物MDA，使膜的通透性增加，進(jìn)而干擾了細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的交換。MDA的質(zhì)量摩爾濃度變化是衡量植物細(xì)胞在逆境脅迫下質(zhì)膜過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)[9]。此外，脯氨酸以其極強(qiáng)的親水性，成為植物逆境生理中的一位守護(hù)者，其不僅能夠穩(wěn)定原生質(zhì)膠體的結(jié)構(gòu)，還能維護(hù)組織內(nèi)的代謝過(guò)程，防止細(xì)胞因脫水而導(dǎo)致的萎蔫[10]。本研究中，低溫脅迫顯著提升了杉木幼苗中MDA的質(zhì)量摩爾濃度和脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，揭示了低溫脅迫能夠加劇杉木細(xì)胞的脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能造成一定程度的損害。然而，杉木展現(xiàn)出一種獨(dú)特的適應(yīng)機(jī)制——通過(guò)合成大量的脯氨酸應(yīng)對(duì)低溫的脅迫。

此外，低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致植物體中一些關(guān)鍵酶活性的變化，如超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSH-Px）等抗氧化酶的活性。這些酶活性的變化是植物細(xì)胞應(yīng)對(duì)低溫脅迫的一種生理反應(yīng)，有助于減少活性氧的積累和脂質(zhì)過(guò)氧化，保護(hù)植物細(xì)胞免受氧化損傷[11]。POD除了清除H2O2外，主要是參與木質(zhì)素的合成，并與細(xì)胞的抗病性相關(guān)[12]。本研究中，低溫脅迫可促使杉木幼苗產(chǎn)生更多的抗氧化酶（SOD、CAT和POD），說(shuō)明低溫脅迫下能激發(fā)杉木自身的抗逆性，提高幼苗的耐寒性。

綜上所述，低溫脅迫對(duì)杉木幼苗的影響表現(xiàn)在多個(gè)層面，尤其是對(duì)其葉片形態(tài)、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、抗逆物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及抗氧化酶活性等指標(biāo)造成顯著的脅迫效應(yīng)。面對(duì)這樣的逆境，杉木幼苗通過(guò)啟動(dòng)一系列的生理響應(yīng)，以應(yīng)對(duì)低溫脅迫帶來(lái)的挑戰(zhàn)。然而，這些響應(yīng)背后的深層機(jī)理尚不明晰，有待于進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：

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