温度胁迫对红王子锦带光合色素和抗氧化系统的影响1)

秦娇娇 刘周莉 陈玮

(森林与土壤生态国家重点实验室(中国科学院沈阳应用生态研究所)，沈阳，110164)

王艳 何擎擎 何兴元

(沈阳师范大学) (森林与土壤生态国家重点实验室(中国科学院沈阳应用生态研究所))

温度胁迫对红王子锦带光合色素和抗氧化系统的影响1)

秦娇娇 刘周莉 陈玮

(森林与土壤生态国家重点实验室(中国科学院沈阳应用生态研究所)，沈阳，110164)

王艳 何擎擎 何兴元

(沈阳师范大学) (森林与土壤生态国家重点实验室(中国科学院沈阳应用生态研究所))

通过水培试验的方法，研究不同温度5 ℃(低温)、23 ℃(对照)和35 ℃(高温)胁迫下红王子锦带(WeigelafloridaRed Prince)的生理生化特性。结果表明：与对照相比，在不同的温度胁迫下，红王子锦带的抗氧化酶活性产生了不同程度的变化，植物可溶性蛋白质量分数和丙二醛(MDA)质量摩尔浓度均呈下降趋势，且低温胁迫后变化值均大于高温胁迫后变化值。与对照相比，低温胁迫后，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性均显著降低，叶绿素和类胡萝卜素质量分数分别下降21.76%和31.31%；高温胁迫后，SOD活性显著增强，POD活性显著降低，叶绿素和类胡萝卜素质量分数分别下降9.41%和13.79%。

温度胁迫;红王子锦带;光合色素;丙二醛;抗氧化系统

温度作为影响植物生长发育与形态建成的主要因素之一，在植物的蒸腾作用、水分吸收、新陈代谢以及体内酶系统等方面具有重要影响作用[1]，东北地区气候干燥，夏季高温多雨、冬季漫长寒冷，对植物生长具高温热害和低温寒害的影响。灌木是城市环境中常用的观赏绿化植物，温度胁迫必然会对其造成影响，有必要开展这方面研究。红王子锦带(Weigelaflorida‘Red Prince’)属忍冬科落叶灌木，具有耐寒抗旱、喜阳的生活习性，广泛作为城市绿化常用植物，具有良好的园林观赏作用[2]。在日益加速的城市化进程中，大气污染、土壤污染等环境问题严重影响人类生活与工作，灌木不仅具有增加城市绿化、美化环境的作用，在大气污染物监测、环境治理和修复等方面有潜在发掘的能力。

目前，有关红王子锦带胁迫研究较少，多集中于对栽培、形态与园林观赏方面的研究，温度胁迫对其生理生态特性的影响则鲜有报道。本研究采用水培试验的方法，研究3种不同温度胁迫下红王子锦带的生理生化特性变化及其耐性机制，将为其广泛应用于东北地区城市绿化建设提供理论依据和数据支持。

1 试验地概况

中国科学院沈阳应用生态研究所树木园(41°7752′～41°7774′N，123°4609′～123°4645′E)位于沈阳市南运河的带状公园中段，海拔41.6 m，占地面积5 hm2。树木园地势平坦，土层深厚肥沃，具有地带性棕壤草甸土特征，pH值7.0。属暖温带半湿润季风型大陆性气候，四季分明，雨热同季。该区年平均气温7.4 ℃，极端最高气温38.3 ℃，极端最低气温零下30.5 ℃，年平均降水量755.4 mm[3]。

2 材料与方法

2014年6月份，在树木园采集红王子锦带插穗。从枝条基部选取长度15 cm左右、粗细一致、带有2个茎节的枝条,砂培扦插培养6周，待到营养叶长出2～3片、根长达到5 cm时，挑选健康长势一致的幼苗，经0.3% KMnO4溶液对其根部消毒5 s后，用自来水、蒸馏水各冲洗数次，先在1/4Hoagland营养液中培养1周，再在全营养液中培养2周。

幼苗经Hoagland营养液培养后置于人工气候箱进行温度处理，鉴于此地区环境高温处于35 ℃左右以及5 ℃左右叶片凋零的情况，本研究共设置3个处理：低温(5 ℃)、高温(35 ℃)和对照(23 ℃)，每个处理3个重复，每个重复有15株植株，处理期间观察植物生长情况和测定pH值，用0.1 mmol·L-1HCL或0.1 mmol·L-1NaOH调节pH值至(5.8±0.1)，营养液3 d更换1次，增氧泵连续24 h通气，处理30 d后进行相关指标的测定。

采用丙酮浸提分光光度计法测定光合色素质量分数[4]；采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白质量分数[5]；采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定MDA质量摩尔浓度[6]；采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定SOD活性[7],以SOD抑制NBT光还原相对百分率为50%的酶量作为一个酶活力单位；采用愈创木酚法测定POD活性[8]，以POD抑制愈创木酚光还原相对百分率为50%的酶量作为一个酶活力单位。

所得数据采用Microsoft Excel进行平均值和标准差运算，所有数据均为3次重复平均值，并采用最小显著差异法(LSD)进行植物样品差异显著性检验。

3 结果与分析

3.1 温度胁迫对红王子锦带生长的影响

中温处理24 d后约3%叶片出现萎蔫；与中温处理相比，高温与低温处理7 d后，红王子锦带植株并未表现出明显的不适症状；当处理均达到14 d时，部分叶片出现失绿症状，并从叶脉逐渐扩散到叶基，叶基开始出现卷缩，根系颜色也逐渐由白变棕褐色；当处理均达到25 d时，叶片出现萎蔫，根系变为深棕色，低温处理的叶片有部分开始凋落，高温处理的植株茎基部出现白色絮状物。统计结果表明，温度胁迫后植株的株高与对照相比无显著差异(P>0.05)，但低温胁迫后叶、茎和根的生物量较对照分别下降2.38%、2.21%和0.98%；而在高温胁迫后叶、茎和根的生物量较对照分别下降1.82%、1.32%和0.68%。由此可见，温度胁迫后均阻碍了红王子锦带植株的生长，且低温胁迫后对植株的生长有更大影响。

3.2 温度胁迫对红王子锦带总叶绿素和类胡萝卜素质量分数的影响

植株光合色素中最重要的一类色素是叶绿素，其质量分数在受到温度胁迫后下降，极易阻碍植株的正常生长发育。如表1所示，随着温度的升高，红王子锦带叶绿素和类胡萝卜素质量分数呈先上升后下降的变化趋势，这与刘周莉等[10]对金银花中叶绿素质量分数的测定结果一致。其中，对照处理中总叶绿素和类胡萝卜素质量分数分别达到1.701 mg·g-1和0.297 mg·g-1，低温胁迫后总叶绿素和类胡萝卜素质量分数分别下降21.76%和31.31%；高温胁迫后总叶绿素和类胡萝卜素质量分数分别下降9.41%和13.79%。

3.3 温度胁迫对红王子锦带MDA质量摩尔浓度的影响

丙二醛(MDA)是衡量植物遭受逆境胁迫后膜脂过氧化水平的重要指标，其质量摩尔浓度与细胞毒害作用呈正比[11]。如表1所示，与对照相比，温度胁迫后红王子锦带叶片的MDA质量摩尔浓度均下降,这与Liu et al.[12]镉对金银花中MDA质量摩尔浓度的测定结果是一致的，对照MDA质量摩尔浓度达到0.014 umol·g-1，低温和高温胁迫后MDA质量摩尔浓度分别下降35.43%和23.14%，且低温胁迫后MDA质量摩尔浓度下降幅度大于高温胁迫后的，但没有造成显著性差异(P>0.05)。

3.4 温度胁迫对红王子锦带可溶性蛋白质量分数的影响

植物体内的可溶性蛋白质量分数是了解植物生长及代谢的重要指标之一[9]。如表1所示，在高、低温度胁迫下，红王子锦带可溶性蛋白质量分数均呈现比对照值下降的现象。当处理温度为23 ℃时，红王子锦带可溶性蛋白质量分数为8.839 mg·g-1,红王子锦带在低温胁迫下较高温胁迫下下降幅度更明显，达到49.32%，由此可见，此种植物对于低温胁迫更为敏感。

3.5 温度胁迫对红王子锦带超氧化物歧化酶活性的影响

超氧化物歧化酶(SOD)是植物体内抵抗活性氧的第一道防线，可以有效缓解外部胁迫对植物的伤害[13]。红王子锦带SOD活性随着温度的升高呈逐渐上升的趋势，说明高温下红王子锦带的抵抗高温能力达到峰值。如表1所示，对照处理红王子锦带植株的SOD活性达到1 180.645 U·g-1·min-1，与对照相比，低温胁迫后SOD活性显著性降低49.31%，高温胁迫后SOD活性上升15.22%。

3.6 温度胁迫对红王子锦带过氧化物酶活性的影响

过氧化物酶(POD)与呼吸作用、光合作用和生长素的氧化密切相关，可以作为反映植物体内代谢变化的指标之一[14]。如表1所示，与对照相比，红王子锦带在温度胁迫下POD活性大幅度降低，且高温胁迫后下降幅度明显大于低温胁迫后的，分别下降44.41%和92.29%。高温胁迫下表明，红王子锦带体内POD受到破坏，进而导致伤害发生。

表1 不同温度处理对红王子锦带生理指标的影响

4 结束语

近年来，随着环境问题的日益加剧，全球范围内的温度变化及灾害天气发生的频率越来越高，严重影响植物的生长发育与形态建成[20-21]。本研究表明，温度胁迫后，植物叶片受到不同程度的伤害且叶、茎和根生物量均呈现降低趋势。在低温和高温处理下，初期红王子锦带植株并未表现出任何异常的不适症状；在处理中期，植株的株高与对照相比并无显著性差异；在处理后期，植株都表现出一定的症状；就叶、茎和根的生物量而言，温度胁迫后均有不同程度的下降趋势且低温胁迫后下降幅度更高。

植物通过叶绿体进行光合作用自养，叶绿素是植物光合作用的最重要色素之一[14-15]，本试验中，红王子锦带总叶绿素和类胡萝卜素质量分数均呈现下降的变化趋势，可能是由于温度胁迫后叶绿体结构破坏或者体内酶活性比例失调，进而导致叶绿素功能破坏，加快了叶绿素的分解作用，质量分数下降[10]。其中，低温胁迫后总叶绿素和类胡萝卜素质量分数较高温胁迫后下降幅度更高，说明红王子锦带植株对低温冷害的抗性较弱，抵抗高温热害的能力较强。温度胁迫后，总叶绿素和类胡萝卜素质量分数均下降，低温胁迫后，总叶绿素和类胡萝卜素质量分数分别下降21.76%和31.31%，高温胁迫后叶绿素和类胡萝卜素质量分数分别下降9.41%和13.79%，低温胁迫后变化值均大于高温胁迫后的变化值。

可溶性蛋白质量分数往往作为植物代谢能力强弱的指标之一。植物在受到逆境胁迫时，代谢能力降低，植物通过提高可溶性蛋白的质量分数来增加抗性[16-17]。本试验中，红王子锦带在温度胁迫后可溶性蛋白质量分数均呈现下降的趋势，说明此温度设置已超过可溶性蛋白的耐受范围，一方面可能由于此温度设置降低了某些与可溶蛋白表达相关的抗性酶的活性和质量分数；另一方面，可能由于温度胁迫后导致蛋白质转变为其他物质，处于温度补偿点以上，呼吸作用大于光合作用，消耗了贮藏的糖类，其相关机理仍需进一步探讨。

MDA本身是一种高活性的脂质过氧化物，能够与核酸、脂类、糖类和蛋白质结合，进一步对质膜的结构、功能造成不良影响。植物遭受逆境胁迫后会造成膜脂过氧化，MDA是膜脂过氧化的产物，影响细胞膜的流动性及其与酶的结合力[17-20]。本试验中红王子锦带遭受温度胁迫后MDA质量摩尔浓度呈现下降的趋势。因植物体内自身MDA质量摩尔浓度存在明显差异性，温度胁迫后与对照相比红王子锦带叶片MDA质量摩尔浓度大幅下降，就下降幅度而言，高温胁迫的小于低温胁迫的，说明红王子锦带对低温冷害的抗性较弱，抵抗高温热害的能力较强。

逆境胁迫会引起植物体内的氧代谢能力失调，导致植物体内自由基和活性氧的大量积累，植物体内的抗氧化酶会作出相应的响应，逆境中保护酶的活性维持较高水平或者增强才可以清除活性氧自由基，从而使生物膜系统结构和功能避免受到伤害[21-23]。SOD将超氧阴离子分解为过氧化氢和氧；POD在老化组织中活性高，幼嫩组织中活性较低，可以将植物体内的某些碳水化合物转化为木质素，增加木质化程度，可以作为组织老化的一种生理指标[24-31]。温度胁迫下，红王子锦带体内两种抗氧化酶的不同变化可能与抗氧化酶本身的特性有关。综合试验结果表明：与对照相比，温度胁迫造成了红王子锦带的抗氧化酶系统活性不同程度的变化；红王子锦带在受到温度胁迫处理下SOD、POD活性变化没有表现出一致的趋势，高温胁迫后，SOD活性显著性上升，POD活性则显著性下降；低温胁迫后SOD活性、POD活性显著性下降，说明红王子锦带对高温热害抗性较强。

综上所述，温度可能对红王子锦带生长有一定的刺激作用，表现在某些抗氧化酶活性的升高，但具体机理还需进一步探讨，因植物体内抗氧化酶系统是一个循环整体系统，可能存在反馈抑制与诱导生成作用，逆境胁迫下细胞内活性氧增加、自由基积累所带来的膜脂过氧化增强可能是可溶性蛋白质量分数和MDA质量摩尔浓度变化的主要原因[17，23，29，32]。东北地区红王子锦带对温度具有较强耐受性，可以作为城市绿化与建设的园林植物。

[1] 王代军,温洋.温度胁迫下几种冷季型草坪草抗性机制的研究[J].草业学报,1998,7(1)：75-80.

[2] 闫永庆,石溪婵,胡小多,等.低温对红王子锦带生理生化指标的影响[J].北方园艺,2008(5)：172-175.

[3] 刘周莉,何兴元,陈玮.忍冬：一种新发现的镉超富集植物[J].生态环境学报,2013,22(4)：666-670.

[4] Hegedus A, Erdei S, Horvath G, et al. Comparative studies of H2O2detoxifying enzymes in green and greening barley seedlings under cadmium stress[J]. Plant Science,2001,160(6):1085-1093.

[5] Bradford M M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dyebinding[J]. Analytical Biochemistry,1976,72(1/2):248-254.

[6] Heath R L, Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts I. kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics,1968,125(1):189-198.

[7] Krivosheeva A, Tao D L, Ottander C, et al. Cold acclimation and photoinhibition of photosynthesis in Scots pine[J]. Planta,1996,200(3):296-305.

[8] 陈建勋,王晓峰.植物生理学实验指导[M].广州：华南理工大学出版社,2006.

[9] 冯世座,刘合芹.极端温度对籼粳稻苗期光合特性及生理生化特性的影响[J].浙江师范大学学报:自然科学版,2012,35(3)：330-337.

[10] 刘周莉,何兴元,陈玮.镉胁迫对金银花生理生态特征的影响[J].应用生态学报,2009,20(1)：28-32.

[11] 韩晓燕,别之龙.不同温度处理对嫁接黄瓜幼苗生理特性的影响[J].农业工程学报,2008,24(S2)：219-224.

[12] Liu Zhouli, He Xingyuan, Chen Wei, et al. Accumulation and tolerance characteristics of cadmium in a potential hyperaccumulator-LonicerajaponicaThunb[J]. Journal of Hazardous Materials,2009,169(1/3):170-175.

[13] 严寒,何海涛,田志宏.温度胁迫对草地早熟禾苗期生理生化特性的影响[J].草地园艺,2005(5)：36-40.

[14] 孙玉芳.温度胁迫对黄连生理生化特性影响研究[D].重庆：西南大学,2006.

[15] 程玲,邱永福,田志宏.不同温度对马蹄金生理生化特征的影响[J].四川草原,2004,7(10)：23-26.

[16] 袁金凤,牛亚洁,陈红贤,等.春季-冻融交替时期9种落叶及半常绿小灌木抗寒性综合评价[J].植物科学学报,2014,32(6)：630-637.

[17] 潘琦,宋祥甫,邹国燕,等.不同温度对沉水植物保护酶活性的影响[J].生态环境学报,2009,18(5)：1881-1886.

[18] 令凡,焦健,李朝,等.不同油橄榄品种对低温胁迫的生理响应与抗寒性综合评价[J].西北植物学报,2015,35(3)：508-515.

[19] 石福臣,鲍芳.盐和温度胁迫对外来种互花米草(Spartinaalterniflora)生理生态特性的影响[J].生态学报,2007,27(7)：2733-2741.

[20] 刘仁杰,张万萍.温度胁迫对几种豆类芽苗菜生长及生理指标的影响[J].江苏农业科学,2012,40(3)：114-116.

[21] 万茜,刘伟,陈禅友.温度胁迫对豇豆种子萌发生理指标的影响[J].种子,2007,26(10)：32-35.

[22] 张子学,张蕊,隋益虎,等.温度胁迫对辣椒部分生理特性的影响[J].安徽科技学院学报,2007,21(3)：1-6.

[23] 秦爱国,高俊杰,于贤昌.温度胁迫对马铃薯叶片抗坏血酸代谢系统的影响[J].应用生态学报,2009,20(12)：2964-2970.

[24] 邵毅,叶文文,徐凯.温度胁迫对杨梅光合作用影响[J].中国农学通报,2009,25(16)：161-166.

[25] 董瑜,田昆,肖德荣,等.区域气候变化对纳帕海湖滨植物生理生化特性的影响[J].生态学报,2014,34(19)：5570-5578.

[26] 张凯,慕小倩,孙晓玉,等.温度变化对油菜及其伴生杂草种苗生长和幼苗生理特性的影响[J].植物生态学报,2013,37(12)：1132-1141.

[27] 杨宁,丁芳霞,王程亮,等.低温胁迫对高山离子芥试管苗渗透调节物质及保护酶系的影响[J].四川大学学报:自然科学版,2014,51(2)：385-390.

[28] 沈素贞,聂东伶,吴思政,等.高温胁迫对广东万年青生理特性的影响[J].湖南农业大学学报:自然科学版,2014,40(1)：28-31.

[29] 丛建民,陈凤清.模拟镉胁迫生长土壤环境中龙葵的抗逆生理[J].东北林业大学学报,2015,43(4)：42-45.

[30] 柴春荣,马立华,穆立蔷.北方6种园林绿化灌木水分参数对干旱胁迫的响应[J].东北林业大学学报,2010,38(2)：6-9.

[31] 马红群,梁丽娇,周忆堂,等.低温胁迫对小麦黄化苗转绿过程中生理生化指标的动力学研究[J].西南大学学报:自然科学版,2007,29(10)：71-75.

[32] 马义虎,杨祥田.高温胁迫对水稻的影响及其对策的研究进展[J].中国农学通报,2015,31(9)：1-8.

Effects of Temperature Stress on Chlorophyll Contents and Antioxidant System inWeigelaflorida‘Red Prince’//

Qin Jiaojiao, Liu Zhouli, Chen Wei

(State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Science, Shenyang 110164, P. R. China); Wang Yan(Shenyang Normal University); He Qingqing, He Xingyuan(State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Science)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：48-51.

By using hydroponics, we studied the physiological characteristics ofWeigelaflorida‘Red Prince’ at different temperature (5 ℃, 23 ℃ and 35 ℃). Compared with the control, the activity of antioxidant enzyme inWeigelaflorida‘Red Prince’ had different changes under the different temperature stress. Under temperature stress, the soluble protein and malondialdehyde (MDA) contents of the plant decresed significantly, while the change under low temperature stress was greater than that under high temperature stress. Under low temperature stress, the activity of superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) decreased significantly, and the leaf chlorophyll and carotenoid decresed by 21.76% and 31.31%, respectively. Compared with the control, under high temperature stress, SOD activity increased while POD activity decreased significantly, and the contents of leaf chlorophyll and carotenoid decreased by 9.41% and 13.79%， respectively.

Temperature stress;Weigelaflorida‘Red Prince’; Chlorophyll; Malondialdehyde (MDA); Antioxidant enzyme system

1)国家自然科学基金青年科学基金项目(41301340)、国家科技支撑计划项目(2012BAC05B05)、国家水体污染控制与治理科技重大专项项目资助(2012ZX07202008)。

秦娇娇，女，1990年9月生，森林与土壤生态国家重点实验室(中国科学院沈阳应用生态研究所)、沈阳师范大学化学与生命科学学院，硕士研究生。E-mail：j_jqin@163.com。

陈玮，森林与土壤生态国家重点实验室(中国科学院沈阳应用生态研究所)，研究员。E-mail：foresty83@gmail.com。

2015年3月13日。

Q945.78；Q949.781.2

责任编辑：任 俐。