紅外增溫對庫爾勒香梨越冬期樹干形成層主要生理參數的影響

艾克來木·艾合買提，阿不來提·買買提，巴特爾·巴克，阿麗騰·吐爾孫哈力，薩吉旦·阿卜杜克日木，祖力克艷·麻那甫

（1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆烏魯木齊830052；2.和田地區林業管理站，新疆和田848000）

紅外增溫對庫爾勒香梨越冬期樹干形成層主要生理參數的影響

艾克來木·艾合買提1，阿不來提·買買提2，巴特爾·巴克1，阿麗騰·吐爾孫哈力1，薩吉旦·阿卜杜克日木1，祖力克艷·麻那甫1

（1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆烏魯木齊830052；2.和田地區林業管理站，新疆和田848000）

為了探討越冬期樹干形成層溫度變化對形成層組織生理參數的影響，以庫爾勒香梨為實驗材料，在太陽輻射和氣溫達到日最大值的時間段，利用控溫紅外燈將實驗組樹干陽面形成層溫度分別增溫達到16℃、19℃、22℃、25℃、28℃、31℃、34℃，采用熱電偶溫度傳感器同時連續監測形成層溫度并結合主要生理參數的變化，分析越冬期間樹干形成層溫度變化引起的融凍交替對樹干組織主要生理參數的影響。結果表明，增溫達到最大陽面形成層溫度日較差的處理條件下，SOD、POD和CAT活性比對照分別降低了83.60%、84.62%、47.56%，相對電導率和可溶性蛋白含量分別升高了41.46%、46.81%；生理指標和形成層溫度均呈負相關，其中CAT、可溶性蛋白和相對電導率呈顯著性負相關。形成層溫度日較差或融凍交替幅度與各生理參數均呈負相關，其中CAT、可溶性蛋白和相對電導率呈顯著性負相關。保護酶系中，SOD對形成層溫度變化最為敏感；雖然POD保護作用稍微遲鈍，但在較強烈的形成層溫度變化的條件下起到最好的保護作用；在形成層溫度強烈波動的情況下，CAT保持最小變化幅度；可溶性蛋白通過調節滲透勢，減輕細胞傷害程度。

庫爾勒香梨；越冬期；紅外增溫；樹干形成層溫度；生理參數；融凍交替

庫爾勒香梨（Pyrusbrestschneideri Rehd.）簡稱香梨，香梨屬薔薇科、梨屬中的白梨系統，是新疆梨和西洋梨的自然雜交后代［1］。庫爾勒香梨是新疆的名、優、特色水果，栽培歷史已有1 500多年。庫爾勒市種植面積達2.93×104hm2，總產值達9.23億元，成為全市農業增效、農民增收以及出口創匯的主要渠道。但是，多年來凍害嚴重威脅著香梨產業的健康發展，對香梨產業的健康持續發展造成了重大損失。

凍害和日灼是庫爾勒香梨主要的天氣災害，幾乎每年都有不同程度的發生。極端低溫、極端低溫持續時間及它們引起的融凍交替是導致凍害、日灼綜合癥的主要因子［2－3］。日灼和低溫引起的形成層溫度差異在整個越冬期間每日都發生，因此，樹皮形成層在如此大的溫度波動下必定會受傷害。雖然日灼傷害不能直接導致樹木死亡［4］，但受日灼傷害的樹干容易被病原體攻擊，也能導致樹木死亡［5］。國內外已報道關于日灼傷害的研究，將樹干陽陰面溫度、樹皮顏色、樹皮厚度作為重要檢測指標。早在1894年Mix和Harvey用水銀溫度計測定過樹皮下面的溫度［5－7］，目前，國內外對樹皮形成層溫度的觀測基本上采用熱電阻或熱電偶原理的溫度探頭。Karels等用熱電偶溫度計對白樺樹樹皮南北側形成層溫度進行了測定，結果相差達到16℃［4］。巴特爾·巴克等采用同樣的方法測定庫爾勒香梨陽、陰面形成層溫度，研究結果表明，陽面日較差最高值出現在冬季，達33.14℃，比陰面日較差高17.14℃，說明樹干陽面融凍交替幅度比陰面大，更容易受到低溫凍害和日灼危害［8］。

前人關于樹木凍害和抗寒性機制的研究比較深入，以蘋果［9］、梨樹［10］、棗樹［11］、葡萄樹［12］、巴旦杏［13］、石榴［14］等的研究表結果表明樹木凍害程度、抗寒性與保護酶系酶活性SOD、CAT、POD、低溫半致死溫度（LT50）、MDA含量、可溶性糖、可溶性蛋白含量密切相關。關于樹木在越冬期間形成層紅外增溫和生理參數之間關系的研究較少見，本研究以庫爾勒香梨為實驗材料，在越冬期間通過紅外增溫樹干形成層溫度而加大融凍交替引起的傷害程度并測定超氧化物歧化酶SOD、過氧化氫酶CAT、過氧化物酶POD酶活性、相對電導率、可溶性蛋白含量等生理參數從而探究越冬期間凍害和日灼綜合癥對主要生理參數的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗于2015年1月22日至2015年2月11日在庫爾勒市拖布里奇鄉梨園（41.67°N，85.92°E）進行，實驗材料為23 a生、健康、長勢相似的庫爾勒香梨樹。

1.2 試驗方法

選7棵梨樹為形成層紅外增溫實驗處理組，5棵梨樹為自然狀態下各項生理指標對照組，且在實驗進行同時連續測定對照組中一棵梨樹50 cm高處陽陰面形成層溫度。測定形成層溫度時將熱電偶溫度傳感器（型號：AV－AT）分別插入到離地面50 cm高處樹皮形成層與樹皮中間。插入探頭時先用刀具在樹皮開個1 cm2的小洞，為了便于探頭插入，在開好的洞下方撥開寬0.5 cm、高3 cm的正方形樹皮（不拔下來），探頭從下往上順樹干插入小洞，以探頭完全插入樹皮內為準，方形樹皮還原，用窄的透明膠與探頭連線一起固定在樹干上并與數據采集器相連（雨根科技有限公司，RR Data－logger，中國），形成連續監測系統，監測實驗進行期間每一分鐘記錄一次樹干南、北側（或陽面、陰面）樹皮形成層溫度，根據所監測的1min的形成層溫度分別計算每小時和日值。利用控溫紅外燈，模擬太陽輻射（從11∶00至13：30，烏魯木齊時間）將處理組7棵梨樹陽面（南面）形成溫度分別逐步達到設定溫度16℃、19℃、22℃、25℃、28℃、31℃、34℃，但實際操作中達到的形成層溫度分別為16.34℃、19.29℃、22.43℃、25.17℃、28.14℃、31.13℃、34.19℃，連續增溫22 d，處理后被增溫高度陽陰面取樹干形成層，用錫箔紙和紗布包扎后存放液氮罐中，送回實驗室轉入－80℃的冰箱中保存。樹干融凍交替是由樹干陽面形成層溫度日最高溫度和日最低溫度之差來表示。

1.3 主要氣象因子監測

監測離地面2 m處空氣溫度（型號：AV－ST）、太陽輻射（型號：AV－20P）、風速（型號：AV－30WS）等氣象因子。每15min記錄一次數據，監測數據采用美國Avelon公司生產的AR5型數據采集器存儲，根據所監測的15 min的氣象因子分別計算每小時和日值。

1.4 生理參數的測定

POD活性的測定：愈創木酚法參照郝再斌主編的《植物生理實驗技術》［15］。CAT活性的測定：紫外吸收法，參照李合生主編的《植物生理生化試驗原理與技術》［16］。SOD活性的測定：氮藍四唑法，參照李合生主編的《植物生理生化試驗原理與技術》［16］。可溶性蛋白含量：參照李合生［16］的方法采用考馬斯亮藍G－250染色法。

1.5 數據處理與分析

采用SPSS20、Excel 2013等軟件進行數據分析，顯著性分析采用Tukey’s多重測驗。采用Pearson相關系數來分析相關性。

2 結果與分析

2.1 自然和增溫條件下樹干形成層溫度的變化

圖1是2015年1月24日，自然狀態下24 h內樹干形成層溫度的變化。從圖1可以看出，夜間陽陰面沒有明顯的形成層溫度差，陽面溫度稍微高于陰面，日出之后，隨著太陽輻射和氣溫的上升，陽、陰面溫度差也隨著增大，12點到13點（當地時間）之間出現最大值。本實驗中，形成層溫度日較差為16.84℃。這種短時間內大幅度的形成層溫度變化會導致陽面形成層融凍交替，影響細胞膜結構和功能。

圖1 自然狀態下樹干形成層溫度24小時變化Fig.1 The natural temperature change of cambium during a day

紅外增溫條件下，陽面形成層溫度日較差均高于自然狀態下的形成層溫度日較差，平均高1.94℃、4.89℃、8.016℃、10.71℃、13.77℃、16.88℃、19.92℃，可以說明樹干人工增溫可以明顯增大樹干組織的融凍交替幅度（表1，圖2）。

表1 紅外增溫條件下陽面形成層溫度的變化Table 1 The temperature change of sunny side cam bium under infrared heating

圖2 紅外增溫條件下陽面樹干形成層溫度24小時變化Fig.2 The temperature change of sunny side cambium during a day under infrared heating

2.2 紅外增溫對樹干形成層生理指標的影響

2.2.1 樹干形成層紅外增溫對SOD活性的的影響

在紅外增溫條件下，隨著陽面形成層溫度日較差的增大（圖3），SOD活性先急劇上升后逐步地下降，與其它保護酶相比，SOD對形成層溫度變化最先發出明顯的反應，其陽面SOD活性變化的波動性大于陽面CAT活性變化。形成層增溫達到16.34℃、31.13℃、34.19℃處理條件下的酶活性與對照組之間的差異達到極顯著性水平，34.19℃處理組的SOD活性比對照組降低了83.60%。

2.2.2 樹干形成層紅外增溫對CAT活性的影響CAT活性的變化趨勢與SOD相似，自然狀態下，CAT活性上升；在紅外增溫條件下，CAT活性先稍微上升后逐步地下降，陽面形成層溫度增溫達34℃的條件下其酶活性變化幅度比SOD和POD小，保持較高的酶活性，與對照組酶活性相比降低了47.56%，說明CAT在強烈形成層溫度變化的逆境條件下，能降低活性氧自由基對細胞尤其是細胞膜的傷害。陽面形成層溫度增溫達到28.14℃、31.13℃、34.19℃的條件下，其酶活性與對照組之間的差異達到極顯著性水平。

2.2.3 樹干形成層紅外增溫對POD活性的影響 POD活性變化趨勢與CAT、SOD不同，自然狀態下，POD活性上升，在紅外增溫條件下，活性先降低后上升又降低，在最大陽面形成層溫度日較差的條件下，與對照組酶活性相比，陽面酶活性降低了84.62%，酶活性變化幅度大于SOD和CAT。在較強烈的形成層溫度波動的逆境下保持比對照組較高的酶活性，表明保護系中POD在較強的形成層溫度變化的條件下起到最好的保護作用，這可能是活性氧自由基積累到一定水平后才能誘發POD保護作用的原因。陽面形成層溫度增溫達到16.34℃、31.13℃、34.19℃的處理條件下，與對照組之間的差異達到極顯著性水平，25.17℃達到顯著性差異水平（圖5）。

圖3 樹干形成層紅外增溫條件下SOD活性的變化Fig.3 The changes of SOD activity in cambium under infrared heating

圖4 樹干形成層紅外增溫條件下CAT活性的變化Fig.4 The changes of CAT activity in cambium under infrared heating

2.2.4 樹干形成層紅外增溫對可溶性蛋白含量的影響可溶性蛋白含量在增溫條件下保持逐漸上升的趨勢，保護系酶活性較高時，與對照相比，保持較小的變化；形成層溫度較高、保護系酶活性較低時，可溶性蛋白含量明顯上升，陽面形成層溫度日較差最大時其含量上升了對照組的46.81%。陽面形成層溫度增溫達31.13℃、34.19℃的處理條件下，可溶性蛋白含量與對照之間的差異達到極顯著水平，25.17℃達到顯著差異水平（圖6）。

圖5 樹干形成層紅外增溫條件下POD活性的變化Fig.5 The changes of POD activity in cambium under infrared heating

圖6 樹干形成層紅外增溫條件下可溶性蛋白含量的變化Fig.6 The change of soluble protein content in cambium under infrared heating

2.2.5 樹干形成層紅外增溫對相對電導率的影響

自然狀態下，陽面形成層相對電導率稍微降低，在紅外增溫條件下，相對電導率隨著陽面形成層溫度日較差增大而上升，在最大形成層溫度日較差的處理條件下，電導率比對照升高了41.46%。陽面形成層溫度增溫達28.14℃、34.19℃的處理條件下，其電導率與對照之間的差異達到極顯著性水平。電導率增大表明，細胞膜滲透調節能力降低，細胞膜傷害程度增大，細胞內滲調節物質外滲，保護系與電導率呈負相關，其中SOD與CAT分別呈顯著和極顯著性負相關，證明形成層溫度差引起的滲透調節物質外滲導致細胞結構和功能整體喪失，保護系酶活性降低（圖7）。

2.2.6 增溫條件下形成層溫度與各生理參數之間的相關性分析樹干形成層溫度與各生理參數的變化是密切相關的（表3），紅外增溫條件下不同生理指標和形成層溫度均呈負相關，其中CAT、可溶性蛋白和相對電導率呈顯著性負相關。形成層溫度日較差或融凍交替幅度與各生理參數均呈負相關，其中CAT、可溶性蛋白和相對電導率呈顯著性負相關。不同生理參數中，SOD與CAT、POD呈正相關，其中與CAT呈顯著性正相關（P＜0.05），說明在形成層溫度變化的逆境下，SOD、CAT、POD協同起到保護作用；SOD與相對電導率、可溶性蛋白含量分別呈顯著性負相關；CAT與相對電導率、可溶性蛋白含量分別呈極顯著性負相關（P＜0.01）；可溶性蛋白含量與相對電導率呈顯著性正相關。

圖7 樹干形成層紅外增溫條件下相對電導率的變化Fig.7 The change of relative electrical conductivity in cambium under infrared heating

表3 形成層溫度與各生理指標相關性分析Table 3 Correlation analysis between temperature and physiological indices of cambium

3 討論

植物在逆境條件下，在細胞和組織水平上產生活性氧自由基積累，對細胞膜和代謝活動造成破壞，SOD、POD和CAT酶是機體中清除AOC和H2O2的酶，三者協調一致才能使O2－除去或者維持在較低的水平，避免自由基對機體結構和功能上的傷害，尤其是對細胞膜的攻擊［18］。

前人對保護酶系與逆境條件之間的關系進行了大量的研究，均證明保護酶活性與植物的抗逆境能力有一定的關系，它們在一定程度上反映植物抵抗能力的強弱。抵抗能力強的物種或者品種在脅迫條件下，具有相對高的酶活性，許多報道認為水分脅迫下植物體內SOD活性與植物抗氧化脅迫能力呈正相關［19］。本研究進行期間果園平均氣溫為－16℃，陽面形成層溫度日較差最大值為40.28℃，這種大幅度形成層溫度變化影響細胞正常功能和結構，從而引起各相關生理指標活性和含量變化。本研究形成層溫度、陽面形成層溫度日較差與生理參數均呈負相關，這種結果可能是由陽面形成層融凍交替對形成層組織和細胞產生的機械傷害和低溫生理傷害的綜合作用引起。

以上圖3～圖7顯示，隨著陽面形成層溫度的升高，SOD、CAT、POD活性下降，這可能是由強烈的形成層溫度變化和低溫引起活性氧自由基的積累，且積累程度超過了保護酶系調節和解除能力的閾值，使活性氧自由基和防御系統的動態平衡遭到破壞，從而發生了膜脂過氧化和滲透調節物質大量外滲，擾亂細胞正常代謝活動，影響細胞結構和功能整體性的結果。

可溶性蛋白的親水膠體性質強［20］，它能提高細胞持水能力，有利于細胞保持正常結構和功能，增加細胞濃度，提高抗寒性。本研究可溶性蛋白含量在保護系酶活性較高時保持相當低的變化，但在強烈的形成層溫度波動和較低保護系酶活性的條件下明顯增加，表明形成層溫度變化幅度較小的條件下，保護系通過協同解除活性氧自由基對細胞膜的傷害；在形成層溫度變化強烈，細胞受到一定的傷害、保護系酶不能夠起到較好保護作用的條件下，可溶性蛋白含量通過調節滲透勢減輕細胞傷害程度。

本實驗SOD與POD、CAT活性變化趨勢不同，可能是三種酶保護和抵抗機制不同的原因，與對照相比，保護酶系中，SOD對形成層溫度變化最先發出反應。形成層增溫處理后，POD在形成層溫度變化幅度較大時能表現出較高的酶活性，這與陳少瑜等在研究坡柳抗旱樹種幼苗時的結論相似［21］。異株蕁麻POD與SOD活性變化趨勢不同，以往認為SOD是一種誘導酶，而POD是以其為底物的氧化還原酶，在歧化活性氧時生成過氧化氫（H2O2）等過氧化物質，H2O2含量的增多使清除它的酶POD活性增強［22］。本研究表明，隨著形成層溫度的增高POD表現出相當高的酶活性，CAT保持最小的變化幅度，進一步證明CAT和POD是清除強烈逆境傷害作用的保護酶。

4 結論

越冬期庫爾勒香梨樹干形成層溫度變化明顯影響香梨抗逆性相關的主要生理參數，融凍交替和低溫綜合作用對樹干必定會造成一定的影響和傷害。保護酶系中，對形成層溫度變化最靈敏的是SOD；在較強烈形成層溫度變化情況下，能保持比對照組較高的酶活性，而保護作用稍微遲鈍的是POD；在最大形成層融凍交替幅度的條件下，保持最小變化幅度是CAT。較強烈形成層溫度變化的逆境下，保護系協同起解除活性氧自由基；在強烈形成層溫度變化，保護系酶活性較低的情況下，可溶性蛋白通過調節滲透勢減輕細胞傷害程度。

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The effect of infrared heating on physiological parameters of korla fragrant pear trunk cambium during over-wintering period

Akrem Ahmet1，Ablet Mamat2，Batur Bake1，Altun Tursunhali1，Sajida Abdukarim1，Zulkiye Manaf1
（1.College of Grassland and Environmental Science，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052，China；2.Forest Management Station of Hotan Prefecture，Hotan，Xinjiang 848000，China）

To explain the effect of cambium temperature changes on its physiological parameters during over-wintering period，infrared lamps was used to heat the sunny side cambium of Korla fragrant pear trunk to temperature treatment of 16℃，19℃，22℃，25℃，28℃，31℃and 34℃，respectively，during diurnal maximum solar radiation and air temperature.The actual temperature of trunk cambium was measured by thermocouple temperature sensors and its physiological factors were measured simultaneously.Results showed that，after increasing the diurnal cambium temperature difference to the maximum value，compared with the control，the activities of SOD，POD and CAT were declined by 83.60%，84.62%and 47.56%，and the relative electrical conductivity and soluble protein content were increased by 41.46%，46.81%.The physiological indexes were negatively correlated with the cambium temperature and the correlation of CAT，soluble protein content and relative conductivity was significant.The diurnal cambium temperature difference or freezing－heating cycle was negatively correlated with the physiological parameters and the correlation of CAT，soluble protein content and relative conductivity significantly.Moreover，SOD activity showed the most sensitive response to the cambium temperature change.POD has played a protection against the temperature change while its activity change was smaller than SOD.CAT activity changed the smallest.The soluble protein could relieve the degree of cell damage by adjustingthe osmotic potential.

korla fragrant pear；over-wintering period；infrared heating；trunk cambium temperature；physiological parameters；freezing-heating cycle

S661.2；S601

A

1000-7601（2016）06-0215-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.33

2016-02-11

國家自然科學基金（31260289）；新疆維吾爾自治區土壤學重點學科資助

艾克來木·艾合買提（1990—），男，維吾爾族，新疆圖木舒克市人，碩士研究生，研究方向為干旱區資源與環境。E-mail：akeram27＠163.com

巴特爾·巴克，教授，主要從事干旱區生態與環境研究。E-mail：bateerbake＠163.com