王箭
(北京東方園林股份有限公司,北京071000)
低溫對(duì)植物的危害是一個(gè)世界性的問題,不僅會(huì)限制植物的栽種范圍,也會(huì)造成植物的凍傷或凍害,是我國園林中的重要自然災(zāi)害之一,也是園林綠化引種的一個(gè)重要障礙。自20世紀(jì)末引起人們注意后,國內(nèi)外許多學(xué)者從細(xì)胞和分子生物學(xué)水平對(duì)植物的抗寒性進(jìn)行了研究,并取得了一些重大進(jìn)展。生物膜的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化是研究抗寒機(jī)理的重要問題,早在1912年,M aximov就認(rèn)識(shí)到,膜與植物抗寒性關(guān)系的重要性,并提出質(zhì)膜發(fā)生部位,膜的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和相變可能是寒害的原初反映的重要指標(biāo),Lyons(1973)認(rèn)為植物遭受零上低溫傷害時(shí),只要溫度降到某一域值,生物膜首先發(fā)生物相變化,膜脂從液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相,膜脂上的脂肪酸鏈由無序排列變?yōu)橛行蚺帕?膜的外形和厚度發(fā)生變化,膜上可能產(chǎn)生孔道或龜裂,因而膜的透性增大,膜內(nèi)離子和基質(zhì)失去平衡,膜結(jié)合酶的活性發(fā)生改變,進(jìn)一步引起膜結(jié)合酶和游離酶反應(yīng)速度失去平衡。由于以上一系列的變化,使物質(zhì)代謝失調(diào)和有毒物質(zhì)如己醇、己醛、r-酮酸、酚、綠原酸等在組織內(nèi)積累,當(dāng)寒害使膜降解時(shí),便產(chǎn)生組織受害或死亡,如果尚未達(dá)到降解的程度,當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí),植物可以逐步恢復(fù)正常,不會(huì)受害死亡,可見,膜脂發(fā)生相變是園林植物造成冷害的最原初反應(yīng),由此引發(fā)膜結(jié)構(gòu)的改變,膜流動(dòng)性變小,代謝紊亂等一系列生理生化問題。
粗榧為紅豆杉科榧樹屬,常綠灌木或小喬木,高達(dá)12m,樹皮灰色或灰褐色,樹形優(yōu)美,產(chǎn)于長江流域及以南地區(qū),多生于海拔 600~2 200m的花崗巖、砂巖或石灰?guī)r山地;是我國特有樹種,在我國南方有廣泛的園林應(yīng)用,但在北方應(yīng)用較少。低溫是限制粗榧在北方園林應(yīng)用的主要因子之一,在苗木引種過程中發(fā)現(xiàn),北方冬季的低溫可對(duì)粗榧造成明顯傷害,導(dǎo)致枝條枯死,難以形成應(yīng)有的園林景觀。本實(shí)驗(yàn)對(duì)低溫脅迫下的粗榧進(jìn)行細(xì)胞膜透性的測定、細(xì)胞保護(hù)酶活性與丙二醛(MDA)的測定、蛋白質(zhì)的測定,以期對(duì)粗榧在生物膜的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化方面與其抗寒性的關(guān)系進(jìn)行研究,進(jìn)而為其在城市園林綠化中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
2.1.1 冷凍處理
供試材料為粗榧一年生枝條,采自保定市易縣清西陵林場。試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù)[1]。
在2月下旬采集粗細(xì)一致的枝條,用蒸餾水洗凈,剪成15cm長的枝段,用蒸餾水洗凈后分7組裝入聚乙烯膜中,置于超低溫冰柜中進(jìn)行人工冷凍處理,第1批每處理冷凍12h后取出進(jìn)行指標(biāo)測定,第2批每處理冷凍24h后取出進(jìn)行指標(biāo)測定。共設(shè)0℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-27℃、-30℃7個(gè)溫度梯度[2]。
2.1.2 細(xì)胞膜透性的測定
將冷凍后的枝條剪成2cm小段(避開芽眼)混合均勻,再用無離子水洗3遍,用吸水紙吸干后放入電子天平稱量,再放入三角瓶,按每克材料加10m L無離子水,真空滲入10min。靜置16h,再用 DDSIIA型電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)值,再將三角瓶封口,在98℃恒溫水浴煮1h,取出靜置14h,再測定總電導(dǎo)值[4]。以相對(duì)電導(dǎo)率表示細(xì)胞膜透性大小。
2.1.3 細(xì)胞保護(hù)酶活性與丙二醛(MDA)的測定
(1)酶液提取:取經(jīng)冷凍處理后的植物枝條,用刀片刮下皮,稱取0.5g剪碎,置于冰浴的研缽中,加1m L、50mmol/L、pH 7.8的磷酸緩沖液及少量石英砂,在冰浴環(huán)境下充分研磨至無粗纖維為止。倒入離心管中,轉(zhuǎn)移過程中用4m L、pH 7.8磷酸緩沖液洗凈研缽并入離心管。勻漿于4℃10 000r/min離心15min,上清液即為酶提取液。離心完后將上清液倒出。此酶液用于SOD、POD、MDA的測定。
(2)SOD活性測定[3]。采用 NBT光化還原法[5],于4m LSOD反應(yīng)液中加 100μLl酶提取液、100μL核黃素,立即置于4 000 lux熒光燈下進(jìn)行光還原反應(yīng),15min后用黑紙遮光,終止反應(yīng)。另作一組不加酶液其他處理同前作為對(duì)照,以pH值為7.8磷酸緩沖液調(diào)零點(diǎn),在 7200分光光度計(jì)上于560nm波長下比色測其OD值。
(3)POD活性測定[3]。采用愈創(chuàng)木酚法[6],于3m LPOD反應(yīng)體系中含2.91m L、10mmol/L磷酸緩沖液,50μL20mm ol/L愈創(chuàng)木酚,20μL酶液及20μL40mmol/L雙氧水。于小試管中充分混合,在34℃恒溫水浴中反應(yīng)10m in。后加20μL20%三氯乙酸(TCA)終止酶活性。以pH值為7.0磷酸緩沖液調(diào)零點(diǎn),在470nm波長下測其光密度。
(4)MDA含量測定[3]:采用 TBA法[7]。于試管中加入2.5m L0.5%TBA,1m l酶提取液,沸水浴30m in,冷卻后在 4 000/min離心 10min,測其532nm、600nm波長的消光值,以pH值為7.8磷酸緩沖液調(diào)零點(diǎn)。
2.2.4 蛋白質(zhì)的測定
取酶提取液0.1m L放入試管中,加入5m L考馬斯亮藍(lán)G-250試劑,充分混合,放置2min后在595nm比色,記錄吸光度值,并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線查得蛋白質(zhì)含量。
2.2.1 冷凍處理對(duì)細(xì)胞膜透性的影響
細(xì)胞膜是細(xì)胞感受環(huán)境脅迫最敏感的部位,低溫凍害可破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),引起細(xì)胞膜透性變化。通過測定電導(dǎo)值的變化,可反映出所測材料的細(xì)胞膜傷害程度,進(jìn)而判斷植物抗寒性的大小[4]。由圖1、2可以看出,枝葉的相對(duì)電導(dǎo)率隨溫度降低而提高。冷凍處理12h后,在-27℃時(shí),相對(duì)電導(dǎo)率為60%。冷凍處理24h后,在-27℃時(shí),相對(duì)電導(dǎo)率為65%,說明-27℃時(shí)其細(xì)胞膜已受到嚴(yán)重?fù)p傷。一般認(rèn)為,電解質(zhì)滲出率(即相對(duì)電導(dǎo)率)達(dá)到50%時(shí)的溫度為組織的半致死溫度(LT50)[8]。本實(shí)驗(yàn)在枝條經(jīng)24h冷凍處理后,在-27℃時(shí),相對(duì)電導(dǎo)率高于50%,說明粗榧的半致死溫度為-27℃。
2.2.2 冷凍處理對(duì)細(xì)胞保護(hù)酶活性的影響
(1)SOD酶活性的變化。冷凍處理后植物枝條SOD酶活性的變化如圖3、4所示。結(jié)果表明,經(jīng)過12h冷凍處理后,植物樹皮SOD酶活性呈現(xiàn)出先下降,然后上升,再下降,此后又上升的趨勢(shì),而樹葉呈現(xiàn)的是先上升后下降的趨勢(shì),最大值均出現(xiàn)在-20℃,最小值均出現(xiàn)在-27℃;經(jīng)過24h冷凍處理后,植物樹皮SOD酶活性呈現(xiàn)出先上升,然后下降,此后再上升的趨勢(shì),樹葉則依然是先上升后下降,最大值均出現(xiàn)在-20℃,最小值均出現(xiàn)在-27℃。-27℃的低溫顯著提高了植物枝條的SOD酶活性,而SOD酶活性的提高可減輕低溫傷害,這表明粗榧可通過提高SOD酶活性來避免低溫傷害[5]。

圖1 冷凍處理12h后枝條相對(duì)電導(dǎo)率的變化

圖2 冷凍處理24h后枝條相對(duì)電導(dǎo)率的變化

圖3 冷凍處理12h后枝條SOD酶活性的變化

圖4 冷凍處理24h后枝條SOD酶活性的變化
(2)POD酶活性的變化。冷凍處理后植物枝條POD酶活性的變化如圖5、6所示。結(jié)果表明,經(jīng)過12h冷凍處理后,植物樹皮POD酶活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在-25℃,而樹葉則呈現(xiàn)先上升后下降然后再上升的趨勢(shì),最小值出現(xiàn)在-25℃;經(jīng)過24h冷凍處理后,樹皮的POD酶活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在-20℃,樹葉的變化趨勢(shì)則是先降后升然后再降,最大值出現(xiàn)在-25℃。POD是植物對(duì)膜脂過氧化的酶促防御系統(tǒng)中的重要保護(hù)酶,在冷凍處理初期,POD酶活性的上升可能是植物細(xì)胞對(duì)低溫脅迫因子的一種保護(hù)性應(yīng)激反應(yīng)。隨著冷凍處理溫度的降低,POD酶活性下降,表明冷凍對(duì)酶產(chǎn)生傷害,從而加劇了膜脂過氧化作用。

圖5 冷凍處理12h后枝條POD酶活性的變化

圖6 冷凍處理24h后枝條POD酶活性的變化
2.2.3 冷凍處理對(duì)MDA含量的影響
冷凍處理后植物枝條MDA含量的變化如圖7、8所示。從圖7看出,樹皮經(jīng)12h冷凍處理后,MDA含量呈現(xiàn)先上升后下降,再上升再下降的趨勢(shì),而樹葉的MDA含量呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的趨勢(shì)。MDA是膜脂過氧化作用的終產(chǎn)物,也是反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受害的重要指標(biāo)之一,因此,冷凍處理后植物枝條內(nèi)MDA含量增加,表明低溫傷害致使細(xì)胞膜脂過氧化作用增強(qiáng),細(xì)胞膜系統(tǒng)受害加重[6]。而枝條在-25~-30℃之間,MDA含量有所下降,這可能是植物對(duì)低溫環(huán)境暫時(shí)適應(yīng)的結(jié)果。從圖8看出,樹皮和樹葉經(jīng)24h冷凍處理后,MDA含量均呈現(xiàn)出先上升,然后下降,此后又先上升后下降的趨勢(shì),表明植物在冷凍處理的初始階段細(xì)胞膜系統(tǒng)受害嚴(yán)重,隨著溫度的降低,枝條對(duì)低溫環(huán)境產(chǎn)生了抗逆性,MDA含量降低,細(xì)胞膜系統(tǒng)受害減弱。

圖7 冷凍處理12h后枝條MDA含量的變化

圖8 冷凍處理24h后枝條MDA含量的變化
2.2.4 冷凍處理對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響
冷凍處理后植物枝條蛋白質(zhì)含量的變化如圖9、10所示。從圖9看出,樹皮經(jīng)12h冷凍處理后,蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)出開始時(shí)基本沒有變化然后上升的趨勢(shì),樹葉則呈現(xiàn)出先平穩(wěn)然后先升后降的趨勢(shì)。蛋白質(zhì)含量的多少也是反映細(xì)胞膜系統(tǒng)受害的重要指標(biāo)之一,因此,冷凍處理后植物枝條內(nèi)蛋白質(zhì)含量增加,細(xì)胞膜系統(tǒng)受害加重。從圖10看出,樹葉和樹皮經(jīng)24h冷凍處理后,蛋白質(zhì)含量均呈現(xiàn)出先上升,然后下降,此后又上升的趨勢(shì),表明植物在冷凍處理的初始階段細(xì)胞膜系統(tǒng)受害嚴(yán)重,隨著溫度的降低,枝條對(duì)低溫環(huán)境產(chǎn)生了抗逆性,蛋白質(zhì)含量降低,細(xì)胞膜系統(tǒng)受害減弱。

圖9 冷凍處理12h后枝條蛋白質(zhì)含量的變化

圖10 冷凍處理24h后枝條蛋白質(zhì)含量的變化
(1)細(xì)胞膜是細(xì)胞與環(huán)境之間的界面和屏障,是物質(zhì)交換的主要通道,各種不良環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞的影響往往首先作用于這層主要由類脂和蛋白質(zhì)所構(gòu)成的生物膜。細(xì)胞膜既能接受與傳遞環(huán)境信息,又能對(duì)環(huán)境脅迫作出反應(yīng)。低溫、高溫、干旱、鹽漬和大氣污染物等的傷害都會(huì)影響質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能,往往表現(xiàn)為透性變大或喪失,細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)大量向外滲漏,外滲的電解質(zhì)主要是 K+,約占外滲物的20%,Ca2+大約是K+的0.1%,葡萄糖、氨基酸及低聚糖類等占80%。以往研究表明,細(xì)胞膜透性隨處理溫度的下降而增加。它與受害組織的傷害程度呈正相關(guān),當(dāng)膜透性處于可逆性增加時(shí),可能反映植物細(xì)胞對(duì)寒冷的適應(yīng)變化;當(dāng)處于半可逆性增加時(shí),則說明遭受冷害的標(biāo)志;當(dāng)處于不可逆性增加時(shí),己是植物細(xì)胞因冷致死的結(jié)果。因此,質(zhì)膜透性的測定常用作不同植物抗性研究中的一個(gè)生理指標(biāo),而較常用和簡便易行的方法,就是測定組織外滲液的電導(dǎo)率或K+濃度。低溫下,植物組織外滲液中的電解質(zhì)特別是K+含量就會(huì)比正常組織增加,通過測定外滲液電導(dǎo)率的增大或K+濃度的增高,就可反映出質(zhì)膜受損傷的程度。細(xì)胞膜是細(xì)胞感受環(huán)境脅迫的最敏感的部位[16]。關(guān)于低溫半致死溫度反應(yīng)植物抗寒性的原理,Rajashekar等[4]證明了低于logistic曲線方程拐點(diǎn)溫度時(shí),植物組織中液態(tài)水迅速減少,并推論這是由于組織內(nèi)冰晶擴(kuò)散屏障的消失,即質(zhì)膜結(jié)構(gòu)上的變化所致。一般認(rèn)為,電解質(zhì)滲出率(即相對(duì)電導(dǎo)率)達(dá)到50%時(shí)的溫度為組織的半致死溫度(LT50)[8]。本實(shí)驗(yàn)中,枝條經(jīng)24h冷凍處理后,在-27℃時(shí),相對(duì)電導(dǎo)率幾乎沒有變化,維持在55%~60%之間,相對(duì)電導(dǎo)率高于50%,說明-27℃時(shí)其細(xì)胞膜已受到嚴(yán)重?fù)p傷,因此,我們可以直觀的推測粗榧的低溫半致死溫度為-27℃。
(2)當(dāng)植物遭受低溫脅迫時(shí),植物細(xì)胞的膜保護(hù)酶活性下降,內(nèi)源抗氧化劑含量減少,致使抗膜脂過氧化能力下降,因此,植物抗寒性的高低也表現(xiàn)在冷脅迫期間細(xì)胞內(nèi)源抗氧化劑含量和膜保護(hù)酶活性的穩(wěn)定性方面,低溫脅迫下活性細(xì)胞內(nèi)源抗氧化劑含量和膜保護(hù)酶活性就成為了衡量植物抗寒性的一個(gè)重要指標(biāo)之一。SOD、POD等是植物對(duì)膜脂過氧化的酶促防御體系中重要的保護(hù)酶[5]。在細(xì)胞保護(hù)酶系統(tǒng)中,SOD主要作用是清除超氧自由基。POD在保護(hù)酶中主要起到酶促降解H 2O2的作用。一般而言,細(xì)胞內(nèi)的活性氧與防御系統(tǒng)之間保持著平衡[12]。低溫使植物體內(nèi)O2-增加,降低保護(hù)酶活性,這在香蕉(Musa nana Lour.)和大蕉(musa sapientum L.)[13]等多種植物上得到證實(shí)。低溫脅迫過程中,SOD、POD活性出現(xiàn)先升高,這可能是植物細(xì)胞對(duì)低溫脅迫主動(dòng)適應(yīng)的方式之一,這表明植物組織的抗性獲得是一個(gè)逐漸的過程;而后SOD、POD活性下降,可能是植物細(xì)胞膜保護(hù)酶系統(tǒng)受到損傷,造成最終的活性降低。MDA作為膜脂過氧化最終產(chǎn)物,能夠抑制細(xì)胞保護(hù)酶活性和降低抗氧化物的含量,從而加劇了膜脂過氧化程度[14],反應(yīng)細(xì)胞受傷害的一個(gè)重要指標(biāo)。在試驗(yàn)過程中MDA含量出現(xiàn)先升高再降低趨勢(shì),這種現(xiàn)象可能與在降溫過程中,植物體通過增加酶促保護(hù)系統(tǒng)中某種酶的活性(SOD、POD),來發(fā)揮其保護(hù)作用,抑制低溫引起的或減少O2-的積累,從而降低MDA含量,但隨著穩(wěn)定進(jìn)一步降低,酶促保護(hù)系統(tǒng)受到破壞,清除自由基的能力下降,MDA含量又回升。低溫能增加植物體內(nèi)O2-等活性氧含量,降低SOD活性,膜脂過氧化作用加強(qiáng)[9]。
(3)MDA含量是細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化作用水平的反映[9]。其與植物所受逆境脅迫程度有關(guān)。植物受害越重,MDA積累量越多;表現(xiàn)在抗性方面,則為植物抗逆性強(qiáng),MDA積累量少;植物的抗寒性強(qiáng),則MDA的積累量少。低溫脅迫下,細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝的平衡被破壞從而有利于活性氧的產(chǎn)生。活性氧過剩的毒害之一是引發(fā)或加劇膜脂過氧化作用,造成細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷。因而作為膜脂過氧化產(chǎn)物,MDA含量變化是質(zhì)膜損傷程度的重要標(biāo)志之一。低溫引起細(xì)胞膜系統(tǒng)受損是林木低溫傷害的一個(gè)重要原因,這是因?yàn)榱帜驹诘蜏孛{迫下會(huì)導(dǎo)致活性氧代謝的失調(diào)和自由基的積累,并進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損傷和生理代謝的紊亂。在連續(xù)的低溫脅迫下,枝條中MDA含量增加。無論是在哪一個(gè)脅迫溫度下,其細(xì)胞內(nèi)MDA的含量、均較前一個(gè)脅迫溫度中細(xì)胞內(nèi)的MDA含量要高。
(4)低溫下蛋白質(zhì)的變化一般表現(xiàn)為,隨著溫度的下降蛋白質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)。并且蛋白質(zhì)含量與抗寒性呈正相關(guān)。抗寒性越強(qiáng),蛋白含量越高;抗寒性越差,則蛋白含量越低,但無論是抗寒性強(qiáng)或弱,蛋白含量均隨溫度的下降而增加,但抗寒性強(qiáng)的,增加幅度大,抗寒性差的,增加的幅度小。
(5)植物受到低溫脅迫后,其生理變化是錯(cuò)綜復(fù)雜的,并受多種因素綜合影響。本實(shí)驗(yàn)綜合相對(duì)電導(dǎo)率、細(xì)胞保護(hù)酶活性、丙二醛含量和蛋白質(zhì)含量多個(gè)角度評(píng)定其抗寒性,結(jié)果表明,人工冷凍條件下,粗榧枝條的半致死溫度在-27℃左右。為了進(jìn)一步準(zhǔn)確推斷粗榧的低溫半致死溫度,我們利用logistic曲線方程結(jié)合相對(duì)電導(dǎo)率計(jì)算的粗榧枝條半致死溫度為-27.3℃,與上述結(jié)果基本一致。
(6)粗榧原產(chǎn)于長江流域及以南地區(qū),樹形優(yōu)美,是我國南方應(yīng)用很廣的園林樹木但由于受到低溫的限制在我國北方尚未廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)的結(jié)果表明,粗榧枝條的低溫半致死溫度為-27℃,說明其可忍耐此低溫脅迫,因此,粗榧可在冬季氣溫高于-27℃的地區(qū)栽植應(yīng)用,低于-27℃的地區(qū)栽植,在冬季應(yīng)采取防寒保護(hù)措施。
[1]張德舜,劉紅權(quán),陳玉梅.八種常綠闊葉樹種抗寒性研究[J].園藝學(xué)報(bào),1994,21(3):283~287.
[2]馬 燕,陳俊愉.幾種薔薇屬植物抗寒性指標(biāo)的測定[J].園藝學(xué)報(bào),1991,18(4):189~ 193.
[3]王榮富.植物抗寒指標(biāo)的種類及其應(yīng)用[J].植物生理學(xué)通訊,1987(3):49~ 55.
[4]張憲政.作物生理研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1992.
[5]王愛國,邵從本,羅廣華.丙二醛作為植物脂質(zhì)過氧化指標(biāo)的探討[J].植物生理學(xué)通訊,1986,22(2):55~57.
[6]楊盛昌,謝潮添,張 平.冷鍛煉對(duì)低溫脅迫下夏威夷椰子膜脂過氧化及保護(hù)酶活性的影響[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2002,11(4):25~ 28.
[7]王建華,劉鴻先,徐 同.超氧化歧化酶(SOD)在植物逆境和衰老生理中的作用[J].植物生理學(xué)通訊,1989(1):1~7.
[8]周碧燕,梁立峰,黃輝白.低溫和多效唑?qū)ο憬都按蠼冻跷锲缁负兔撀渌岬挠绊慬J].園藝學(xué)報(bào),1995,22(4):331~335.
[9]劉西平,王妹清.低溫對(duì)欒樹幼苗衰老與脂質(zhì)過氧化關(guān)系[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),1995,10(4):72~75.
[10]劉鴻先,曾韶西,王以柔.低溫對(duì)不同耐寒力的黃瓜幼苗子葉各細(xì)胞器中SOD的影響[J].植物生理學(xué)報(bào),1985(1):48~57.
[11]由繼紅,楊文杰,李淑云.不同品種紫花苜蓿抗寒性的研究[J].東北師范大學(xué)學(xué)報(bào),1995(10):102~105.
[12]袁玉欣,王 穎,裴保華,等.低溫誘導(dǎo)對(duì)紫穗槐、刺槐抗寒性的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),1996,20(1):65~73.
[13]嚴(yán)寒靜,談 鋒.自然降溫過程中梔子葉片膜保護(hù)系統(tǒng)的變化與低溫半致死溫度的關(guān)系[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2000,24(1):91~95.