人工低温胁迫下西洋杜鹃生理生化指标的变化

余丽玲等

摘 要：为了解西洋杜鹃的抗寒机制，以西洋杜鹃‘粉红品种为实验材料，研究低温胁迫条件下‘粉红叶片的相对电导率、丙二醛（MDA）含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、SOD活性、CAT活性、POD活性等生理指标的变化情况。从图表可以看出：随着胁迫时间的延长，脯氨酸含量变化不明显，基本维持在正常水平；相对电导率、丙二醛含量较正常水平有缓慢上升趋势；可溶性糖含量、可溶性蛋白含量，SOD活性、CAT活性、POD活性总体呈持续上升的变化规律；胁迫温度越低，相对电导率、丙二醛（MDA）含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、SOD活性、CAT活性、POD活性越高，温度低于3℃，即对‘粉红产生较严重伤害，且温度越低，伤害程度越严重，经过0℃低温胁迫4天，可大大提高‘粉红的抗寒性。

关键词：西洋杜鹃；人工低温；抗寒性；生理生化指标

中图分类号：S685.21 文献标志码：A 论文编号：2013-0659

Abstract： In order to understand the physiological mechanism of cold tolerance on Rhododendron hybridum， taking the variety of ‘Fenhong as materials to study the relative electric conductivity， MDA content， soluble sugar content， proline content， soluble protein content， SOD activity， CAT activity， POD activity and other physiological indexes under low temperature stress condition. From the chart we can know that with the stress time prolonged， the proline content kept steady， relative electric conductivity and MDA content increased gradually， soluble sugar content， soluble protein content， SOD activity， CAT activity and POD activity kept rising. The lower the temperature was， the higher the relative electric conductivity， MDA content， soluble sugar content， proline content， soluble protein content， SOD activity， CAT activity and POD activity would be. When the temperature was below 3℃， ‘Fenhong suffered serious damage， the lower the temperature was， the more serious degree of damage， after four days low temperature stress under 0℃， the cold acclimation of ‘Fenhong was greatly improved.

Key words： Rhododendron hybridum； Artificial Low Temperature； Cold Resistance； Physiological and Biochemical Indexes

0 引言

西洋杜鹃（Rhododendron hybridum）又名比利时杜鹃，为杜鹃花科杜鹃花属植物，株形矮壮，花色和花型变化大，色彩丰富，系由皋月杜鹃、映山红及毛白杜鹃等反复杂交而成[1]，是杜鹃花中最美的一类。低温胁迫是植物栽培中常常遇到的一种灾害，低温影响植物生长代谢和地理分布，会给生产带来严重损失，西洋杜鹃冬季在福建北部及特殊地区，如山区常会遭遇寒害甚至冻害，严重影响西洋杜鹃的生产及观赏价值，因此研究西洋杜鹃的抗寒机制对西洋杜鹃的栽植养护具有实际性的指导意义。当前对茶树、番茄等植物的抗寒性研究较多[2-5]，对西洋杜鹃的研究主要集中在栽培、新品种选育等方面。本研究旨在通过对经过低温胁迫后的西洋杜鹃粉红品种叶片相关抗寒性生理生化指标的测定，系统评价西洋杜鹃的抗寒性以了解西洋杜鹃的抗寒机制，为西洋杜鹃抗寒性品种选育提供理论依据和实践指导。

1 实验材料及方法

1.1 供试材料

高25～35 cm，冠幅20～25 cm，生长健壮、长势一致的一年半生无性系优良盆栽苗‘粉红品种。

1.2 实验方法设计

本次低温胁迫实验共设计0、3、5、10、25℃5个处理温度，其中25℃为对照温度。低温胁迫前把挑选好的西洋杜鹃幼苗先放入25℃人工气候箱培养3天，再分别放入设有不同温度的人工气候箱，空气相对湿度70%～80%，每天光照12 h，光照强度约为2000 lx，连续培养4天，每个气候箱放置10盆，在培养期间不追施肥料，适时补充水分，保持土壤湿润。于低温胁迫的第2天、第3天、第4天、第5天的早晨采样，每个处理温度采取2～3 g去除主脉生长健康无病害的叶片，当天立即称取0.3 g叶片测定电导率，剩余叶片超低温保存备用。

1.3 抗寒性生理生化指标测定

相对电导率测定采用电导仪法[6]；MDA和可溶性糖测定分别采用硫代巴比法、蒽酮比色法[7-8]；游离脯氨酸测定采用磺基水杨酸法[9-10]；可溶性蛋白测定采用考马斯亮蓝G-250法[11]；超氧化物歧化酶（SOD）测定采用NBT光化还原法[12]；过氧化物酶（POD）活力测定采用愈创木酚法[13]；过氧化氢酶（CAT）测定采用紫外吸收法[12]。

1.4 数据处理与分析

实验数据的处理采用Excel 2003和DPS软件，并进行实验数据的方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 西洋杜鹃叶片各生理生化指标的低温响应

2.1.1 相对电导率的变化 对相对电导率的测定是衡量植物细胞膜破坏程度最简单和最直接的方法，用电导仪测定胞质电导率增加值可以迅速得知细胞膜破坏的程度[14]，即相对电导率的值与植物抗寒能力呈负相关。由图1可知，5℃以上西洋杜鹃的相对电导率变化较小，说明此温度对西洋杜鹃的生长影响较小，5℃以下时，随着低温胁迫时间的延长，西洋杜鹃的相对电导率逐渐增大，且随着胁迫温度的降低，相对电导率增大。从胁迫天数上分析，0℃胁迫2天时，电导率增幅较大，之后的一天出现小幅度下降，胁迫3天时相对电导率开始迅速增长，总体呈上升趋势，说明西洋杜鹃叶片细胞膜及原生质体在0℃低温胁迫下就已经受到较严重的伤害，而且随着胁迫时间的延长伤害程度逐渐加深，对西洋杜鹃的膜结构和膜功能造成了影响。

2.1.2 MDA含量的变化 许多研究表明，MDA含量随着低温胁迫的加强而升高，且与细胞膜透性呈正相关，而与植物的抗寒性呈负相关[15]。由图2可知，MDA的含量随着温度的降低而升高，这是由于细胞膜脂质过氧化加剧，损害了膜结构和膜脂功能，MDA含量急剧增加。在相同的温度下，MDA含量随着胁迫时间的延长而增加，随着温度降低，这种变化也越激烈。

2.1.3 可溶性糖含量的变化 可溶性糖是抗寒作用中的一个渗透调节因子，可溶性糖含量的增加能够提高细胞液的浓度，降低细胞冰点，同时还保护蛋白质，避免凝固作用，且可溶性糖及与之共存的可溶性物质，如脯氨酸含量的增加与植物的抗寒性密切相关。当植物体受到低温胁迫时，体内的可溶性糖含量就会增加来保护膜系统不受到伤害，可溶性糖含量增幅与品种抗寒性呈正相关[15]。不同低温胁迫处理后，西洋杜鹃叶片可溶性糖含量发生较大的规律性变化。由图3可知，胁迫温度越低，西洋杜鹃叶片内的可溶性糖含量越高，增幅随时间的延长也越大。10℃以下时西洋杜鹃叶片可溶性糖含量增加较明显，说明此时西洋杜鹃已经开始受到低温胁迫的影响，叶片通过增加可溶性糖含量来避免细胞膜受降解和破坏，从而提高对低温胁迫环境的适应性[16]。

2.1.4 脯氨酸含量的变化 大量研究结果表明，游离脯氨酸含量的高低反映园林植物的抗寒性，且呈正相关[15]。低温胁迫条件下，游离脯氨酸的含量迅速上升，发挥渗透调节作用，防止膜质和蛋白的过氧化作用[17]。据图4可知，随着胁迫温度的降低，西洋杜鹃叶片脯氨酸含量增加，但增加量不显著，在相同温度下，随着胁迫时间的延长，脯氨酸含量缓慢增加，变化不明显，说明低温逆境给西洋杜鹃产生了一定程度的伤害。

2.1.5 可溶性蛋白含量的变化 低温胁迫条件相同，可溶性蛋白含量越高，植物的抗寒性就越高[15]。由图5可知，随着胁迫温度的降低，西洋杜鹃叶片可溶性蛋白显著增加，在相同温度下，随着胁迫时间的延长，可溶性蛋白含量也呈现显著增加的趋势，尤以10℃以下处理温度变化显著，说明低温胁迫下植物通过增加可溶性蛋白的含量来提高抗寒性。

2.1.6 保护酶SOD、POD、CAT活性的变化 超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）是保护酶系统的主要组成物质，又称为活性氧清除剂。保护酶系统能够使细胞中活性氧的产生与清除处于动态平衡，体现了植物的自我防御功能。植物体内SOD和POD的含量对抵御低温伤害呈一定正相关性。植物在低温胁迫环境下，会产生一定量的SOD和POD，从而提高SOD和POD的活性[18]，SOD能将超氧阴离子自由基转变为分子氧和过氧化氢，POD又把过氧化氢氧化分解成水和氧气[15]。由图6～7可知，随着胁迫温度的降低，SOD和POD活性呈上升趋势，在相同温度下，随着胁迫时间的延长，SOD呈上升-下降-上升趋势，总体呈上升趋势；POD呈下降-上升趋势，总体呈上升趋势。CAT是植物在低温胁迫时清除体内H2O2的主要酶类[19]，从图8可以看出，随着胁迫温度的降低，CAT活性增加，在相同温度时，随着胁迫时间的延长，CAT活性增加，在10℃时CAT活性增加量较少，胁迫2天后趋于稳定，说明10℃低温对西洋杜鹃伤害较小。

2.2 各生理生化指标的方差分析

在人工低温胁迫环境影响下，对西洋杜鹃叶片相对电导率、脯氨酸含量、MDA 含量及保护酶活性等8个生理指标的变化进行方差分析（表1）。通过对数据的方差分析可知，不同处理时间和不同处理温度下西洋杜鹃叶片MDA含量、相对电导率、脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性和CAT活性的差异均达到了极显著水平（P=0.0001<0.01），而在两者交互作用时，仅相对电导率和脯氨酸含量的差异达到了显著水平（P<0.05），其余生理生化指标的差异不明显（P>0.05）。

2.3 各生理生化指标的多重比较

对不同时间处理下的西洋杜鹃相关生理生化指标进行差异多重比较分析（表2）。数据分析表明，经过4天低温胁迫处理后，各生理生化指标与对照的差异均达到极显著水平，说明4天的抗寒锻炼明显提高了西洋杜鹃抗寒性。

对不同温度处理下的西洋杜鹃相关生理生化指标进行差异多重比较分析（表3）。数据分析表明，在不同的温度胁迫处理下，所有的生理生化指标与对照处理间的差异达到了极显著水平。0℃和3℃处理时各个指标与5℃和10℃处理间的差异达到了极显著水平，说明在0℃和3℃低温胁迫下，西洋杜鹃的抗寒能力明显提高。

3 结论

在低温胁迫下，植物正常代谢失衡，MDA含量提高，保护酶活性增大，可以通过保护酶活性的提升增强对低温的抵御能力，同时叶片的渗透调节能力也失衡，可以靠提高可溶性物质含量来增强抗寒性。本实验中，主要依靠可溶性糖和可溶性蛋白的含量来增强抗寒性。且温度越低，保护酶活性和可溶性物质的含量越高，在0℃时西洋杜鹃的新陈代谢严重失衡，植物受到的伤害需要较长的时间恢复甚至无法恢复。

受时间和条件的限制，本实验只对西洋杜鹃叶片部分的生理生化指标进行了测定和分析，未对西洋杜鹃叶片超微结构进行分析，亦未对西洋杜鹃的根部进行采样测定分析，找出根部和叶片、地上和地下部分的相关性，从而系统全面地解释植物的抗寒机制，下一步实验将对此部分内容进行探讨研究，使研究内容更加全面。

4 讨论

在本实验研究中，西洋杜鹃‘粉红品种在不同低温胁迫下MDA的含量都呈上升趋势，和前人研究的结果一致[20-21]，在3℃和5℃胁迫初期MDA含量有小幅度的下降但总体还是高于对照含量，这可能与保护酶活性有关。电导率在不同低温处理下，随着时间的延长总体呈上升趋势，与其他研究者的研究结果相一致[22-23]。SOD活性的提高催化了超氧阴离子自由基的歧化作用，形成分子氧和过氧化氢；POD和CAT活性的提高能有效的清除植物体内的过氧化氢，在不同的低温胁迫下，随着胁迫时间的延长，CAT总体呈逐渐上升趋势，SOD呈上升-下降-上升趋势，POD呈下降-上升趋势，说明在低温胁迫初期，活性氧的清除主要靠CAT和SOD，胁迫后期，活性氧的清除主要靠SOD、CAT和POD。在0℃时，虽然3种保护酶活性都有大幅提高，但是MDA的急剧上升对西洋杜鹃却产生了伤害，而在3℃、5℃和10℃时MDA随着胁迫时间的延长上升幅度较小，因而对植物产生的伤害也较小。

此外，可溶性糖和可溶性蛋白在低温胁迫下随着胁迫时间的延长呈现上升趋势，与前人的研究结果相一致[24-26]，5℃和10℃时可溶性糖随胁迫时间的延长增幅较小，这可能与相同时间MDA的含量增幅不大有关，说明植物受低温胁迫伤害较小，可溶性糖的合成只用于植物正常代谢功能的消耗。而在0℃和3℃时可溶性糖随胁迫时间的延长增幅较大，这可能与淀粉大量水解，植物呼吸作用减弱，需要大量的能量来抵御寒冷有关。游离脯氨酸作为重要的渗透调节物质，对维持细胞渗透调节能力，阻止水分丧失发挥重要作用，更有助于稳定蛋白质和膜系统[27-28]。而在本实验中游离脯氨酸随胁迫温度的降低和胁迫时间的延长变化不大，主要靠可溶性糖和可溶性蛋白来提高植物的抗寒性，有研究者认为脯氨酸在增强植物抗寒性方面没有积极的作用[29]，是植物在低温锻炼下的一种被动行为，因而为本次实验西洋杜鹃脯氨酸含量的变化提供了理论依据。

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