自然越冬過(guò)程中不同楊樹(shù)品種的抗寒生理指標(biāo)分析

吳飛++朱生秀++向江湖++李萬(wàn)棟

摘要：試驗(yàn)以銀×新、北美速生楊1號(hào)、抗蟲(chóng)楊、抗鹽堿楊4種楊樹(shù)（Populus L.）的一年生扦插苗為試驗(yàn)材料，探討自然條件下，不同楊樹(shù)品種抗寒生理、生化指標(biāo)的變化及與抗寒性的關(guān)系。結(jié)果表明，在相同立地條件下，不同品種楊樹(shù)的抗寒生理指標(biāo)表現(xiàn)出差異； 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量和短時(shí)的降溫相關(guān)不密切，楊樹(shù)應(yīng)對(duì)低溫能力較強(qiáng)，滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力；保護(hù)酶活性與溫度密切相關(guān)，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(biāo)隨氣溫的變化呈規(guī)律性變化，各楊樹(shù)品種的抗寒性差異顯著。

關(guān)鍵詞：楊樹(shù)（Populus L.）；抗寒指標(biāo)；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)；保護(hù)酶活性

中圖分類(lèi)號(hào)：S792.11；Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)（Populus L.）是楊柳科（Salicaceae）楊屬（Populus）樹(shù)種的統(tǒng)稱，由于其分布廣、易繁殖、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)力高、木材具有多種用途等優(yōu)點(diǎn)，是中國(guó)主要的造林樹(shù)種之一[1]。“十二五”時(shí)期，中國(guó)楊樹(shù)總面積已達(dá)1 010萬(wàn)hm2，蓄積量達(dá)5.49億m3，居世界第一。其中楊樹(shù)人工林面積達(dá)757萬(wàn)hm2，占中國(guó)人工林面積的18.9%，超過(guò)世界上其他國(guó)家楊樹(shù)人工林面積的總和。楊樹(shù)在中國(guó)分布很廣，一直是中國(guó)西北地區(qū)的主要綠化樹(shù)種，在生態(tài)環(huán)境治理、保障農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的防護(hù)林建設(shè)方面起到重要作用。

楊樹(shù)抗寒性較強(qiáng)，但隨著楊樹(shù)新品種的不斷涌現(xiàn)，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(shù)尤其是速生型的品種，經(jīng)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(jìn)行優(yōu)良楊樹(shù)品種的推廣，除要考察其速生性之外，其抗寒適應(yīng)性也尤其重要。植株的抗寒性評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，除了植物形態(tài)指標(biāo)以外，還有生理生化指標(biāo)，為此，試驗(yàn)以新疆克拉瑪依大農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)苗圃種植的4個(gè)生長(zhǎng)性狀表現(xiàn)較好的楊樹(shù)無(wú)性系為材料，對(duì)自然越冬過(guò)程中各楊樹(shù)抗寒生理生化指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，分析其與抗寒性的關(guān)系，以期為今后新疆農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)、抗寒樹(shù)種的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在新疆西部綠洲生態(tài)發(fā)展有限責(zé)任公司苗圃地進(jìn)行，選取銀×新、北美速生1號(hào)、抗鹽堿楊、抗蟲(chóng)楊4個(gè)不同品系的一年生扦插苗為試驗(yàn)材料。選取長(zhǎng)勢(shì)一致的楊樹(shù)，每5株為一組，完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，以枝條為試驗(yàn)材料，要求枝條充分成熟，整齊均勻，剪留長(zhǎng)度10～15 cm。用聚乙烯自封袋包好后立即裝入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)方法

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

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中數(shù)據(jù)均為平均值，采用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣期間試驗(yàn)地氣溫變化

采樣期間試驗(yàn)地氣溫的變化見(jiàn)表1。克拉瑪依地區(qū)冬、春季節(jié)溫度相對(duì)較低，據(jù)調(diào)查，2015年克拉瑪依地區(qū)最低氣溫出現(xiàn)在1月，為-26.32 ℃，且 -25.00 ℃以下的低溫持續(xù)時(shí)間達(dá)12 d。平均氣溫在2月表現(xiàn)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(kāi)始迅速回升。采樣時(shí)的溫度和月平均氣溫變化趨勢(shì)一致，先降低，再升高。

2.2 不同品種楊樹(shù)枝條中丙二醛含量的變化

植株在逆境條件下會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，丙二醛是其產(chǎn)物之一，通常利用它作為膜脂過(guò)氧化的指標(biāo)，表示細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度和植株對(duì)逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱。自然越冬過(guò)程中，不同品種楊樹(shù)枝條中丙二醛含量的變化見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，隨著時(shí)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(shù)品種丙二醛含量出現(xiàn)峰值的時(shí)間不同。抗鹽堿楊和北美速生1號(hào)枝條在2015年1月15日MDA含量出現(xiàn)峰值，尤其抗鹽堿楊枝條中的MDA含量表現(xiàn)最高，為0.043 mmol/g，且與其他各品種相比差異達(dá)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(kāi)始緩慢下降。抗蟲(chóng)楊枝條中的MDA含量與月平均氣溫呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，即隨著氣溫的降低而升高，溫度回升后又開(kāi)始降低。

2.3 不同品種楊樹(shù)枝條中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化

可溶性糖是植物組織中最主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。自然越冬過(guò)程中，4種不同品種楊樹(shù)枝條中可溶性糖含量的變化見(jiàn)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(shì)，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(hào)。

可溶性蛋白質(zhì)的親水膠體性較強(qiáng)，能明顯增強(qiáng)細(xì)胞的持水力，而可溶性蛋白質(zhì)的增加可以束縛更多的水分，還可以減少原生質(zhì)因結(jié)冰而傷害致死的機(jī)率。由圖3可見(jiàn)，2014年12月至2015年1月，隨試驗(yàn)地氣溫的降低，各品種楊樹(shù)可溶性蛋白質(zhì)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(zhì)含量迅速降低，其他各楊樹(shù)品種枝條中可溶性蛋白質(zhì)含量均表現(xiàn)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(zhì)含量緩慢上升，其他各楊樹(shù)品種枝條中可溶性蛋白質(zhì)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(zhì)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(shí)，游離脯氨酸便會(huì)積累，并且積累指數(shù)與植物的抗逆性有關(guān)。自然越冬過(guò)程中不同品種楊樹(shù)枝條中的游離脯氨酸含量變化見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，楊樹(shù)枝條中游離脯氨酸含量隨氣溫變化的趨勢(shì)與可溶性蛋白質(zhì)基本一致，均表現(xiàn)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(shù)枝條中游離脯氨酸含量繼續(xù)升高，從2月開(kāi)始，隨著氣溫的升高，枝條中游離脯氨酸含量開(kāi)始迅速下降。

2.4 不同品種楊樹(shù)枝條中細(xì)胞膜抗氧化系統(tǒng)酶活性的變化分析

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

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

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

3 小結(jié)與討論

植物細(xì)胞膜是植物細(xì)胞及細(xì)胞器與周?chē)h(huán)境的一個(gè)界面結(jié)構(gòu)，各種逆境對(duì)細(xì)胞的影響首先作用于質(zhì)膜，低溫災(zāi)害亦是如此。當(dāng)細(xì)胞面臨環(huán)境的低溫脅迫時(shí)，需要進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)以維持細(xì)胞內(nèi)外滲透平衡，因此必然會(huì)使植物體內(nèi)參與滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)、細(xì)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(guò)氧化作用，丙二醛（MDA）是膜脂過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物，即是生物膜受害降解的指標(biāo)，故可用電解質(zhì)滲出率的高低和丙二醛含量的變化來(lái)比較抗寒力的大小。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度急劇下降過(guò)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(zhì)、可溶性糖、游離脯氨酸是植物體內(nèi)3種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。一般認(rèn)為，低溫脅迫時(shí)糖類(lèi)物質(zhì)的積累與植物的抗寒性呈正相關(guān)[8]，抗寒力強(qiáng)的樹(shù)種糖分含量增加多且濃度高。本研究對(duì)自然越冬過(guò)程中楊樹(shù)枝條中的可溶性糖含量的測(cè)定時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(diào)節(jié)物質(zhì)具有水溶性和水勢(shì)高、在細(xì)胞內(nèi)積累無(wú)毒性等特點(diǎn)，能保持原生質(zhì)與環(huán)境滲透平衡[9]。試驗(yàn)中，在自然降溫條件下，植物體內(nèi)脯氨酸的含量顯著增加。脯氨酸對(duì)低溫的反應(yīng)常隨著低溫程度的不同而異，在較低的長(zhǎng)期低溫下，脯氨酸的增加是植物傷害的結(jié)果，而在無(wú)嚴(yán)重冷害的鍛煉溫度下，脯氨酸的積累則是一種適應(yīng)性反應(yīng)。試驗(yàn)對(duì)不同楊樹(shù)在自然降溫過(guò)程中可溶性蛋白含量變化的研究結(jié)果表明，在楊樹(shù)自然越冬過(guò)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(shí)變化最為明顯，1月氣溫降到最低時(shí)出現(xiàn)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(xì)胞中存在著活性氧的產(chǎn)生和清除的一種動(dòng)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(dǎo)產(chǎn)生，從而減輕對(duì)細(xì)胞膜的傷害[10]。試驗(yàn)結(jié)果表明，楊樹(shù)枝條中SOD的活性隨溫度的急劇下降活性增強(qiáng)，并在1月中旬環(huán)境溫度最低時(shí)，抗鹽堿楊和抗蟲(chóng)楊SOD活性達(dá)到最大，這是楊樹(shù)對(duì)持續(xù)低溫脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)，有利于增強(qiáng)楊樹(shù)的抗寒性。過(guò)氧化物酶（POD）與過(guò)氧化氫酶（CAT）是植物體內(nèi)普遍存在的活性較高的酶，它們可以有效地將H2O2轉(zhuǎn)變成O2，從而消除活性氧自由基（O2-·）對(duì)生物體的毒害[10]。試驗(yàn)結(jié)果表明，楊樹(shù)枝條中的POD與CAT酶活性均隨溫度的急劇降低而增強(qiáng)，說(shuō)明楊樹(shù)枝條內(nèi)活性氧增加，促進(jìn)了POD合成以清除活性氧自由基的積累，從而提高楊樹(shù)的抗寒力。當(dāng)氣溫逐漸回升時(shí)，H2O2產(chǎn)生的速率下降，CAT的活性也隨著降低，表明楊樹(shù)的抗寒力減弱。

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

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