圓柏屬植物抗冷凍適應性機制研究.pdf

1、本研究以祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)和圓柏(Sabinachinensis)為材料，通過測定葉片內(nèi)源一氧化氮(NO)和抗氧化系統(tǒng)，水分、滲透調(diào)節(jié)物和無機元素，穩(wěn)定碳同位素組成，觀察顯微和超微結(jié)構(gòu)，分析它們與植物冷適應、越冬間的關(guān)系，以探討常綠木本植物的抗冷凍性適應機制。研究表明： (1)隨秋季氣溫下降，過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸氧化酶(APX)活性和谷胱甘肽(GSH)、脯氨酸(Pro)

2、、類胡蘿卜素(Car)含量增加并在冬季達最大值，NO釋放率、NOS和NR活性以及丙二醛(MDA)含量也顯著增加并在秋季和初春出現(xiàn)兩峰值；兩樹種葉中的抗氧化酶活性和抗氧化劑含量都與溫度和MDA含量明顯負相關(guān)，表明抗氧化系統(tǒng)在清除氧自由基、抑制膜脂過氧化、提高抗冷凍性方面具有重要作用；而且NO的產(chǎn)生總是發(fā)生在抗氧化酶活性和抗氧化劑含量增加之前，表明NO作為信號分子激活了抗氧化系統(tǒng)以誘導植物的抗冷凍性。在抗冷凍過程中祁連圓柏葉的NO釋放率、N

3、OS和NR活性、抗氧化酶活性以及抗氧化劑含量都高于圓柏，表明祁連圓柏具有較強的抗冷凍適應性策略。 (2)隨秋季氣溫下降，葉片組織相對含水量(RWC)、自由水含量(FWC)下降，束縛水含量(BWC)、脯氨酸(Pro)、游離氨基酸(FAA)、可溶性蛋白質(zhì)(SP)、可溶性糖(SS)含量增加，翌年春季氣溫回升，相對含水量和自由水含量增加，束縛水含量下降，有機滲透調(diào)節(jié)物再次增加。有機滲透調(diào)節(jié)物在秋末冬初及初春的增加正好與圓柏屬植物抗凍鍛煉

4、及脫凍恢復生長的時間相吻合，因而是植物抗凍及脫凍適應的重要生理響應，在降低細胞冰點、防止細胞結(jié)冰引起的膜機械傷害、抑制膜脂過氧化、保護膜穩(wěn)定性方面具有重要作用。祁連圓柏的相對含水量和自由水含量均低于圓柏，3種有機滲透調(diào)節(jié)物含量均高于圓柏，表明祁連圓柏在抗冷凍性誘導中具有更廣泛的適應性策略。 (3)兩樹種N、K和Cl含量的季節(jié)變化趨勢相似，夏、秋季高于冬、春季，表明兩樹種夏、秋季富集的營養(yǎng)物質(zhì)較多，與夏、秋季生物量較高的格局一致；

5、而P、Ca、Mg、Na、Si和S含量是冬、春季較夏、秋季高，表明在低溫脅迫下，圓柏屬植物通過積累這些無機滲透調(diào)節(jié)物以增加細胞的滲透壓，從而增強其對低溫的抗性。圓柏的增加幅度低于祁連圓柏，表明在低溫脅迫下，祁連圓柏能更有效地積累無機滲透調(diào)節(jié)物以提高其抗冷凍能力。 (4)祁連圓柏和圓柏葉片的上下表皮細胞外覆蓋一層角質(zhì)膜，葉肉細胞間隙大，形成發(fā)達的通氣組織。在生長季節(jié)，兩者葉綠體內(nèi)均積累了很多淀粉粒，而在冷凍休眠季節(jié)淀粉粒消失或變小，

6、同時葉片可溶性糖分含量增加，祁連圓柏的可溶性糖分增幅高于圓柏。在休眠季節(jié)圓柏葉綠體受到低溫傷害，脂質(zhì)球數(shù)目增多，出現(xiàn)脂質(zhì)小滴，部分葉綠體變形；而祁連圓柏類囊體結(jié)構(gòu)受低溫的影響較小，脂質(zhì)球數(shù)量少，葉綠體形狀沒有發(fā)生明顯的變化。因此，祁連圓柏和圓柏抗冷凍性與發(fā)達的通氣組織和淀粉粒在生長季節(jié)的積累有關(guān)，低溫脅迫下祁連圓柏葉綠體表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，其通過可溶性糖分的積累提高抗冷凍性的調(diào)節(jié)能力強于圓柏。 (5)兩種圓柏屬植物的δ13C值均

7、隨溫度的降低而減小并在整個冬季維持較低水平。表明圓柏屬植物為了抵抗低溫的傷害，加強了自身能量物質(zhì)的消耗，即呼吸作用增強，導致植物體內(nèi)的δ值偏向更負。在整個測定期中，祁連圓柏的δ13C值都顯著高于圓柏的δ13C值，表明在低溫脅迫過程中，圓柏為適應低溫、提高其抗冷凍能力所消耗自身能量物質(zhì)的量遠高于祁連圓柏。這與祁連圓柏具有較強的抗冷凍適應性策略一致。此外，兩種圓柏屬植物碳同位素組成與月均溫度表現(xiàn)出極顯著的線性相關(guān)性，并且與脯氨酸含量、葉片相