秦嬌嬌 劉周莉 陳瑋

(森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)，沈陽，110164)

王艷 何擎擎 何興元

(沈陽師范大學) (森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所))

溫度脅迫對紅王子錦帶光合色素和抗氧化系統(tǒng)的影響1)

秦嬌嬌 劉周莉 陳瑋

(森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)，沈陽，110164)

王艷 何擎擎 何興元

(沈陽師范大學) (森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所))

通過水培試驗的方法，研究不同溫度5 ℃(低溫)、23 ℃(對照)和35 ℃(高溫)脅迫下紅王子錦帶(WeigelafloridaRed Prince)的生理生化特性。結果表明：與對照相比，在不同的溫度脅迫下，紅王子錦帶的抗氧化酶活性產(chǎn)生了不同程度的變化，植物可溶性蛋白質量分數(shù)和丙二醛(MDA)質量摩爾濃度均呈下降趨勢，且低溫脅迫后變化值均大于高溫脅迫后變化值。與對照相比，低溫脅迫后，超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性均顯著降低，葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)分別下降21.76%和31.31%；高溫脅迫后，SOD活性顯著增強，POD活性顯著降低，葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)分別下降9.41%和13.79%。

溫度脅迫;紅王子錦帶;光合色素;丙二醛;抗氧化系統(tǒng)

溫度作為影響植物生長發(fā)育與形態(tài)建成的主要因素之一，在植物的蒸騰作用、水分吸收、新陳代謝以及體內酶系統(tǒng)等方面具有重要影響作用[1]，東北地區(qū)氣候干燥，夏季高溫多雨、冬季漫長寒冷，對植物生長具高溫熱害和低溫寒害的影響。灌木是城市環(huán)境中常用的觀賞綠化植物，溫度脅迫必然會對其造成影響，有必要開展這方面研究。紅王子錦帶(Weigelaflorida‘Red Prince’)屬忍冬科落葉灌木，具有耐寒抗旱、喜陽的生活習性，廣泛作為城市綠化常用植物，具有良好的園林觀賞作用[2]。在日益加速的城市化進程中，大氣污染、土壤污染等環(huán)境問題嚴重影響人類生活與工作，灌木不僅具有增加城市綠化、美化環(huán)境的作用，在大氣污染物監(jiān)測、環(huán)境治理和修復等方面有潛在發(fā)掘的能力。

目前，有關紅王子錦帶脅迫研究較少，多集中于對栽培、形態(tài)與園林觀賞方面的研究，溫度脅迫對其生理生態(tài)特性的影響則鮮有報道。本研究采用水培試驗的方法，研究3種不同溫度脅迫下紅王子錦帶的生理生化特性變化及其耐性機制，將為其廣泛應用于東北地區(qū)城市綠化建設提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗地概況

中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所樹木園(41°7752′～41°7774′N，123°4609′～123°4645′E)位于沈陽市南運河的帶狀公園中段，海拔41.6 m，占地面積5 hm2。樹木園地勢平坦，土層深厚肥沃，具有地帶性棕壤草甸土特征，pH值7.0。屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，四季分明，雨熱同季。該區(qū)年平均氣溫7.4 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃，極端最低氣溫零下30.5 ℃，年平均降水量755.4 mm[3]。

2 材料與方法

2014年6月份，在樹木園采集紅王子錦帶插穗。從枝條基部選取長度15 cm左右、粗細一致、帶有2個莖節(jié)的枝條,砂培扦插培養(yǎng)6周，待到營養(yǎng)葉長出2～3片、根長達到5 cm時，挑選健康長勢一致的幼苗，經(jīng)0.3% KMnO4溶液對其根部消毒5 s后，用自來水、蒸餾水各沖洗數(shù)次，先在1/4Hoagland營養(yǎng)液中培養(yǎng)1周，再在全營養(yǎng)液中培養(yǎng)2周。

幼苗經(jīng)Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)后置于人工氣候箱進行溫度處理，鑒于此地區(qū)環(huán)境高溫處于35 ℃左右以及5 ℃左右葉片凋零的情況，本研究共設置3個處理：低溫(5 ℃)、高溫(35 ℃)和對照(23 ℃)，每個處理3個重復，每個重復有15株植株，處理期間觀察植物生長情況和測定pH值，用0.1 mmol·L-1HCL或0.1 mmol·L-1NaOH調節(jié)pH值至(5.8±0.1)，營養(yǎng)液3 d更換1次，增氧泵連續(xù)24 h通氣，處理30 d后進行相關指標的測定。

采用丙酮浸提分光光度計法測定光合色素質量分數(shù)[4]；采用考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白質量分數(shù)[5]；采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定MDA質量摩爾濃度[6]；采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定SOD活性[7],以SOD抑制NBT光還原相對百分率為50%的酶量作為一個酶活力單位；采用愈創(chuàng)木酚法測定POD活性[8]，以POD抑制愈創(chuàng)木酚光還原相對百分率為50%的酶量作為一個酶活力單位。

所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel進行平均值和標準差運算，所有數(shù)據(jù)均為3次重復平均值，并采用最小顯著差異法(LSD)進行植物樣品差異顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 溫度脅迫對紅王子錦帶生長的影響

中溫處理24 d后約3%葉片出現(xiàn)萎蔫；與中溫處理相比，高溫與低溫處理7 d后，紅王子錦帶植株并未表現(xiàn)出明顯的不適癥狀；當處理均達到14 d時，部分葉片出現(xiàn)失綠癥狀，并從葉脈逐漸擴散到葉基，葉基開始出現(xiàn)卷縮，根系顏色也逐漸由白變棕褐色；當處理均達到25 d時，葉片出現(xiàn)萎蔫，根系變?yōu)樯钭厣?，低溫處理的葉片有部分開始凋落，高溫處理的植株莖基部出現(xiàn)白色絮狀物。統(tǒng)計結果表明，溫度脅迫后植株的株高與對照相比無顯著差異(P>0.05)，但低溫脅迫后葉、莖和根的生物量較對照分別下降2.38%、2.21%和0.98%；而在高溫脅迫后葉、莖和根的生物量較對照分別下降1.82%、1.32%和0.68%。由此可見，溫度脅迫后均阻礙了紅王子錦帶植株的生長，且低溫脅迫后對植株的生長有更大影響。

3.2 溫度脅迫對紅王子錦帶總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)的影響

植株光合色素中最重要的一類色素是葉綠素，其質量分數(shù)在受到溫度脅迫后下降，極易阻礙植株的正常生長發(fā)育。如表1所示，隨著溫度的升高，紅王子錦帶葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)呈先上升后下降的變化趨勢，這與劉周莉等[10]對金銀花中葉綠素質量分數(shù)的測定結果一致。其中，對照處理中總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)分別達到1.701 mg·g-1和0.297 mg·g-1，低溫脅迫后總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)分別下降21.76%和31.31%；高溫脅迫后總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)分別下降9.41%和13.79%。

3.3 溫度脅迫對紅王子錦帶MDA質量摩爾濃度的影響

丙二醛(MDA)是衡量植物遭受逆境脅迫后膜脂過氧化水平的重要指標，其質量摩爾濃度與細胞毒害作用呈正比[11]。如表1所示，與對照相比，溫度脅迫后紅王子錦帶葉片的MDA質量摩爾濃度均下降,這與Liu et al.[12]鎘對金銀花中MDA質量摩爾濃度的測定結果是一致的，對照MDA質量摩爾濃度達到0.014 umol·g-1，低溫和高溫脅迫后MDA質量摩爾濃度分別下降35.43%和23.14%，且低溫脅迫后MDA質量摩爾濃度下降幅度大于高溫脅迫后的，但沒有造成顯著性差異(P>0.05)。

3.4 溫度脅迫對紅王子錦帶可溶性蛋白質量分數(shù)的影響

植物體內的可溶性蛋白質量分數(shù)是了解植物生長及代謝的重要指標之一[9]。如表1所示，在高、低溫度脅迫下，紅王子錦帶可溶性蛋白質量分數(shù)均呈現(xiàn)比對照值下降的現(xiàn)象。當處理溫度為23 ℃時，紅王子錦帶可溶性蛋白質量分數(shù)為8.839 mg·g-1,紅王子錦帶在低溫脅迫下較高溫脅迫下下降幅度更明顯，達到49.32%，由此可見，此種植物對于低溫脅迫更為敏感。

3.5 溫度脅迫對紅王子錦帶超氧化物歧化酶活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是植物體內抵抗活性氧的第一道防線，可以有效緩解外部脅迫對植物的傷害[13]。紅王子錦帶SOD活性隨著溫度的升高呈逐漸上升的趨勢，說明高溫下紅王子錦帶的抵抗高溫能力達到峰值。如表1所示，對照處理紅王子錦帶植株的SOD活性達到1 180.645 U·g-1·min-1，與對照相比，低溫脅迫后SOD活性顯著性降低49.31%，高溫脅迫后SOD活性上升15.22%。

3.6 溫度脅迫對紅王子錦帶過氧化物酶活性的影響

過氧化物酶(POD)與呼吸作用、光合作用和生長素的氧化密切相關，可以作為反映植物體內代謝變化的指標之一[14]。如表1所示，與對照相比，紅王子錦帶在溫度脅迫下POD活性大幅度降低，且高溫脅迫后下降幅度明顯大于低溫脅迫后的，分別下降44.41%和92.29%。高溫脅迫下表明，紅王子錦帶體內POD受到破壞，進而導致傷害發(fā)生。

表1 不同溫度處理對紅王子錦帶生理指標的影響

4 結束語

近年來，隨著環(huán)境問題的日益加劇，全球范圍內的溫度變化及災害天氣發(fā)生的頻率越來越高，嚴重影響植物的生長發(fā)育與形態(tài)建成[20-21]。本研究表明，溫度脅迫后，植物葉片受到不同程度的傷害且葉、莖和根生物量均呈現(xiàn)降低趨勢。在低溫和高溫處理下，初期紅王子錦帶植株并未表現(xiàn)出任何異常的不適癥狀；在處理中期，植株的株高與對照相比并無顯著性差異；在處理后期，植株都表現(xiàn)出一定的癥狀；就葉、莖和根的生物量而言，溫度脅迫后均有不同程度的下降趨勢且低溫脅迫后下降幅度更高。

植物通過葉綠體進行光合作用自養(yǎng)，葉綠素是植物光合作用的最重要色素之一[14-15]，本試驗中，紅王子錦帶總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)均呈現(xiàn)下降的變化趨勢，可能是由于溫度脅迫后葉綠體結構破壞或者體內酶活性比例失調，進而導致葉綠素功能破壞，加快了葉綠素的分解作用，質量分數(shù)下降[10]。其中，低溫脅迫后總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)較高溫脅迫后下降幅度更高，說明紅王子錦帶植株對低溫冷害的抗性較弱，抵抗高溫熱害的能力較強。溫度脅迫后，總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)均下降，低溫脅迫后，總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)分別下降21.76%和31.31%，高溫脅迫后葉綠素和類胡蘿卜素質量分數(shù)分別下降9.41%和13.79%，低溫脅迫后變化值均大于高溫脅迫后的變化值。

可溶性蛋白質量分數(shù)往往作為植物代謝能力強弱的指標之一。植物在受到逆境脅迫時，代謝能力降低，植物通過提高可溶性蛋白的質量分數(shù)來增加抗性[16-17]。本試驗中，紅王子錦帶在溫度脅迫后可溶性蛋白質量分數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，說明此溫度設置已超過可溶性蛋白的耐受范圍，一方面可能由于此溫度設置降低了某些與可溶蛋白表達相關的抗性酶的活性和質量分數(shù)；另一方面，可能由于溫度脅迫后導致蛋白質轉變?yōu)槠渌镔|，處于溫度補償點以上，呼吸作用大于光合作用，消耗了貯藏的糖類，其相關機理仍需進一步探討。

MDA本身是一種高活性的脂質過氧化物，能夠與核酸、脂類、糖類和蛋白質結合，進一步對質膜的結構、功能造成不良影響。植物遭受逆境脅迫后會造成膜脂過氧化，MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物，影響細胞膜的流動性及其與酶的結合力[17-20]。本試驗中紅王子錦帶遭受溫度脅迫后MDA質量摩爾濃度呈現(xiàn)下降的趨勢。因植物體內自身MDA質量摩爾濃度存在明顯差異性，溫度脅迫后與對照相比紅王子錦帶葉片MDA質量摩爾濃度大幅下降，就下降幅度而言，高溫脅迫的小于低溫脅迫的，說明紅王子錦帶對低溫冷害的抗性較弱，抵抗高溫熱害的能力較強。

逆境脅迫會引起植物體內的氧代謝能力失調，導致植物體內自由基和活性氧的大量積累，植物體內的抗氧化酶會作出相應的響應，逆境中保護酶的活性維持較高水平或者增強才可以清除活性氧自由基，從而使生物膜系統(tǒng)結構和功能避免受到傷害[21-23]。SOD將超氧陰離子分解為過氧化氫和氧；POD在老化組織中活性高，幼嫩組織中活性較低，可以將植物體內的某些碳水化合物轉化為木質素，增加木質化程度，可以作為組織老化的一種生理指標[24-31]。溫度脅迫下，紅王子錦帶體內兩種抗氧化酶的不同變化可能與抗氧化酶本身的特性有關。綜合試驗結果表明：與對照相比，溫度脅迫造成了紅王子錦帶的抗氧化酶系統(tǒng)活性不同程度的變化；紅王子錦帶在受到溫度脅迫處理下SOD、POD活性變化沒有表現(xiàn)出一致的趨勢，高溫脅迫后，SOD活性顯著性上升，POD活性則顯著性下降；低溫脅迫后SOD活性、POD活性顯著性下降，說明紅王子錦帶對高溫熱害抗性較強。

綜上所述，溫度可能對紅王子錦帶生長有一定的刺激作用，表現(xiàn)在某些抗氧化酶活性的升高，但具體機理還需進一步探討，因植物體內抗氧化酶系統(tǒng)是一個循環(huán)整體系統(tǒng)，可能存在反饋抑制與誘導生成作用，逆境脅迫下細胞內活性氧增加、自由基積累所帶來的膜脂過氧化增強可能是可溶性蛋白質量分數(shù)和MDA質量摩爾濃度變化的主要原因[17，23，29，32]。東北地區(qū)紅王子錦帶對溫度具有較強耐受性，可以作為城市綠化與建設的園林植物。

[1] 王代軍,溫洋.溫度脅迫下幾種冷季型草坪草抗性機制的研究[J].草業(yè)學報,1998,7(1)：75-80.

[2] 閆永慶,石溪嬋,胡小多,等.低溫對紅王子錦帶生理生化指標的影響[J].北方園藝,2008(5)：172-175.

[3] 劉周莉,何興元,陳瑋.忍冬：一種新發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物[J].生態(tài)環(huán)境學報,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] 陳建勛,王曉峰.植物生理學實驗指導[M].廣州：華南理工大學出版社,2006.

[9] 馮世座,劉合芹.極端溫度對秈粳稻苗期光合特性及生理生化特性的影響[J].浙江師范大學學報:自然科學版,2012,35(3)：330-337.

[10] 劉周莉,何興元,陳瑋.鎘脅迫對金銀花生理生態(tài)特征的影響[J].應用生態(tài)學報,2009,20(1)：28-32.

[11] 韓曉燕,別之龍.不同溫度處理對嫁接黃瓜幼苗生理特性的影響[J].農業(yè)工程學報,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] 嚴寒,何海濤,田志宏.溫度脅迫對草地早熟禾苗期生理生化特性的影響[J].草地園藝,2005(5)：36-40.

[14] 孫玉芳.溫度脅迫對黃連生理生化特性影響研究[D].重慶：西南大學,2006.

[15] 程玲,邱永福,田志宏.不同溫度對馬蹄金生理生化特征的影響[J].四川草原,2004,7(10)：23-26.

[16] 袁金鳳,牛亞潔,陳紅賢,等.春季-凍融交替時期9種落葉及半常綠小灌木抗寒性綜合評價[J].植物科學學報,2014,32(6)：630-637.

[17] 潘琦,宋祥甫,鄒國燕,等.不同溫度對沉水植物保護酶活性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報,2009,18(5)：1881-1886.

[18] 令凡,焦健,李朝,等.不同油橄欖品種對低溫脅迫的生理響應與抗寒性綜合評價[J].西北植物學報,2015,35(3)：508-515.

[19] 石福臣,鮑芳.鹽和溫度脅迫對外來種互花米草(Spartinaalterniflora)生理生態(tài)特性的影響[J].生態(tài)學報,2007,27(7)：2733-2741.

[20] 劉仁杰,張萬萍.溫度脅迫對幾種豆類芽苗菜生長及生理指標的影響[J].江蘇農業(yè)科學,2012,40(3)：114-116.

[21] 萬茜,劉偉,陳禪友.溫度脅迫對豇豆種子萌發(fā)生理指標的影響[J].種子,2007,26(10)：32-35.

[22] 張子學,張蕊,隋益虎,等.溫度脅迫對辣椒部分生理特性的影響[J].安徽科技學院學報,2007,21(3)：1-6.

[23] 秦愛國,高俊杰,于賢昌.溫度脅迫對馬鈴薯葉片抗壞血酸代謝系統(tǒng)的影響[J].應用生態(tài)學報,2009,20(12)：2964-2970.

[24] 邵毅,葉文文,徐凱.溫度脅迫對楊梅光合作用影響[J].中國農學通報,2009,25(16)：161-166.

[25] 董瑜,田昆,肖德榮,等.區(qū)域氣候變化對納帕海湖濱植物生理生化特性的影響[J].生態(tài)學報,2014,34(19)：5570-5578.

[26] 張凱,慕小倩,孫曉玉,等.溫度變化對油菜及其伴生雜草種苗生長和幼苗生理特性的影響[J].植物生態(tài)學報,2013,37(12)：1132-1141.

[27] 楊寧,丁芳霞,王程亮,等.低溫脅迫對高山離子芥試管苗滲透調節(jié)物質及保護酶系的影響[J].四川大學學報:自然科學版,2014,51(2)：385-390.

[28] 沈素貞,聶東伶,吳思政,等.高溫脅迫對廣東萬年青生理特性的影響[J].湖南農業(yè)大學學報:自然科學版,2014,40(1)：28-31.

[29] 叢建民,陳鳳清.模擬鎘脅迫生長土壤環(huán)境中龍葵的抗逆生理[J].東北林業(yè)大學學報,2015,43(4)：42-45.

[30] 柴春榮,馬立華,穆立薔.北方6種園林綠化灌木水分參數(shù)對干旱脅迫的響應[J].東北林業(yè)大學學報,2010,38(2)：6-9.

[31] 馬紅群,梁麗嬌,周憶堂,等.低溫脅迫對小麥黃化苗轉綠過程中生理生化指標的動力學研究[J].西南大學學報:自然科學版,2007,29(10)：71-75.

[32] 馬義虎,楊祥田.高溫脅迫對水稻的影響及其對策的研究進展[J].中國農學通報,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)國家自然科學基金青年科學基金項目(41301340)、國家科技支撐計劃項目(2012BAC05B05)、國家水體污染控制與治理科技重大專項項目資助(2012ZX07202008)。

秦嬌嬌，女，1990年9月生，森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)、沈陽師范大學化學與生命科學學院，碩士研究生。E-mail：j_jqin@163.com。

陳瑋，森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)，研究員。E-mail：foresty83@gmail.com。

2015年3月13日。

Q945.78；Q949.781.2

責任編輯：任 俐。