大果櫸和榆樹(shù)對(duì)深秋低溫的生理反應(yīng)

白京凡，郭紅彥

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

大果櫸（Zelkova sinica Schneid.）為榆科（Ulmaceae）櫸屬（Zelkova）植物，高達(dá)20 m 的落葉喬木[1]，山西別名為抱樹(shù)、小葉櫸，分布在甘肅、陜西、四川北部、湖北西北部、河南、山西南部和河北等地，是我國(guó)的特有種，也是山西省珍稀的鄉(xiāng)土樹(shù)種[2]。其具有較強(qiáng)的抗病蟲害、耐煙塵、抗有毒氣體能力，是耐干旱貧瘠的陽(yáng)性樹(shù)種。根系和樹(shù)冠龐大，落葉量多，具有很強(qiáng)的凈化空氣和水土保持能力[2-3]。樹(shù)形優(yōu)美，是良好的盆景制作和城市綠化樹(shù)種。秋天葉色紅褐，是良好的觀賞植物，在培育珍稀用材林方面也有重要意義[4]。榆樹(shù)（Ulmus pumila L.）為榆科榆屬（Ulmus）植物，又名春榆、白榆等，高達(dá)25 m 的落葉喬木，分布較廣，是喜光、耐旱、耐寒、適應(yīng)性很強(qiáng)的陽(yáng)性樹(shù)種[1]。根系發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)力和保土力、抗污染性，樹(shù)形高、樹(shù)冠大，是綠化和行道樹(shù)的常用樹(shù)種。在貧瘠干旱地區(qū)，大果櫸和榆樹(shù)是營(yíng)造防風(fēng)林、水土保持林和鹽堿地造林的主要樹(shù)種[4-5]，其豐富的應(yīng)用價(jià)值，越來(lái)越受北方園林綠化部門的重視[6]。

低溫影響植物生長(zhǎng)代謝，引起植物相關(guān)生理指標(biāo)的變化，使植物生長(zhǎng)發(fā)育受損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡[7]。因此，低溫對(duì)植物生理生化的影響及抗寒性研究具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值[8]。植物自身都具有一定的抗寒性，不同植物抗寒性各不相同[9]，大果櫸和榆樹(shù)即使是同一科植物抗寒性也不相同。為了明確大果櫸和榆樹(shù)的抗寒性強(qiáng)弱、減少低溫造成的傷害，加強(qiáng)其抗寒性的研究具有重要意義。雖然迄今為止，尚未解決低溫傷害的根本辦法，但是隨著科研工作者的不斷探索，近些年，許多植物抗寒性的研究取得了很大進(jìn)展[7]。相關(guān)研究表明，在低溫環(huán)境條件下，植物的光合作用、細(xì)胞膜系統(tǒng)、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)低溫脅迫作出響應(yīng)[7-9]。黃承玲等[10]通過(guò)人工控溫方法研究了3 種高山杜鵑對(duì)低溫的生理響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果表明，相比迷人、大白杜鵑，露珠杜鵑的抗寒能力較強(qiáng)；張鴿香[11]研究了瓜葉菊在低溫脅迫（1～6 ℃）下部分生理指標(biāo)的變化情況：葉綠素含量下降、質(zhì)膜相對(duì)透性逐漸升高、MDA 含量不斷增加；鄧菊慶等[12]研究發(fā)現(xiàn)，幾種云南特有薔薇的膜透性、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量及丙二醛含量均隨溫度降低不斷上升，并對(duì)其抗寒性強(qiáng)弱作出比較；郭延平等[13]探討了低溫脅迫使溫州蜜柑光合作用降低的原因；劉慧民等[14]研究表明，五葉地錦在低溫處理?xiàng)l件下可溶性蛋白、質(zhì)膜相對(duì)透性等均顯著增加，說(shuō)明其在高寒環(huán)境下具有越冬的能力。大果櫸和榆樹(shù)是重要的園林綠化樹(shù)種，但有關(guān)它們抗寒性方面的研究，尤其是秋季低溫對(duì)其影響的研究還比較少。

本研究以深秋時(shí)節(jié)大果櫸和榆樹(shù)的植物葉片為試材，通過(guò)測(cè)定低溫條件下葉片葉綠素含量、質(zhì)膜相對(duì)透性、丙二醛含量及可溶性蛋白含量的變化情況，探討和比較了其耐寒能力的大小，旨在為大果櫸與榆樹(shù)適應(yīng)低溫環(huán)境和抵御低溫傷害提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)深秋大果櫸和榆樹(shù)的葉片。

1.2 試驗(yàn)方法

自2018 年10 月1 日起，每隔7 d 先后5 次在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)（自然溫度為2～8 ℃）同時(shí)采集大果櫸和榆樹(shù)的葉片，并迅速裝入保鮮袋帶到實(shí)驗(yàn)室，置于-30 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?，分別對(duì)葉綠素含量、質(zhì)膜相對(duì)透性、丙二醛含量及可溶性蛋白含量進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

葉綠素和類胡蘿卜素用乙醇提取，并用分光光度計(jì)測(cè)吸光值[15]。質(zhì)膜相對(duì)透性采用電導(dǎo)儀法[16]測(cè)定。丙二醛含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法[17]測(cè)定?？扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍(lán)G-250 染色法[15]測(cè)定。每個(gè)指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3 次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 22.0 進(jìn)行方差分析，運(yùn)用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行結(jié)果差異顯著性分析。所有數(shù)據(jù)用Excel 2010 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫對(duì)大果櫸、榆樹(shù)葉片葉綠素含量的影響

隨著深秋溫度降低，大果櫸和榆樹(shù)葉綠素含量的影響如圖1 所示。由圖1 可知，10 月1 日與10 月29 日相比，大果櫸葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素總量的降低幅度均高于榆樹(shù)，分別高97.43%，94.03%，94.54%。類胡蘿卜素性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，與10 月1 日相比，10 月29 日大果櫸類蘿卜素含量降低40.01%，而榆樹(shù)類胡蘿卜素含量增加18.88%。隨溫度降低，2 種樹(shù)種各自的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量的變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為大果櫸的光合色素含量逐漸減少，榆樹(shù)的光合色素含量先上升后下降，且大果櫸葉綠素含量的降低幅度均高于榆樹(shù)，差異達(dá)顯著水平。

2.2 低溫對(duì)大果櫸、榆樹(shù)質(zhì)膜相對(duì)透性的影響

從圖2 可以看出，在低溫脅迫環(huán)境下，大果櫸和榆樹(shù)質(zhì)膜相對(duì)透性隨著時(shí)間的推移均表現(xiàn)為持續(xù)上升的趨勢(shì)，且不同時(shí)間大果櫸的質(zhì)膜相對(duì)透性均高于榆樹(shù)，二者差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。10 月1—29 日，大果櫸與榆樹(shù)質(zhì)膜相對(duì)透性的增加幅度不同。10 月15 日，大果櫸和榆樹(shù)的質(zhì)膜相對(duì)透性分別為72.37%，25.42%，大果櫸是榆樹(shù)的2.85 倍。與10 月1 日相比，10 月29 日大果櫸質(zhì)膜相對(duì)透性增加39.64%，榆樹(shù)質(zhì)膜相對(duì)透性增加33.82%，大果櫸的增加量是榆樹(shù)的1.2 倍。

2.3 低溫對(duì)大果櫸、榆樹(shù)丙二醛含量的影響

低溫環(huán)境對(duì)大果櫸和榆樹(shù)丙二醛含量的影響如圖3 所示。隨著溫度的降低，大果櫸和榆樹(shù)丙二醛含量均呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。10 月1—29 日，大果櫸MDA 含量增加0.083 7 μmol/g，榆樹(shù)MDA含量增加0.058 5 μmol/g，說(shuō)明秋季低溫脅迫條件下，植物體內(nèi)MDA 含量不斷增加，從而對(duì)植物造成傷害。不同溫度下大果櫸的丙二醛含量均高于榆樹(shù)，分別高0.018 4，0.020 8，0.034 1，0.033 1，0.030 0 μmol/g，且二者差異達(dá)顯著水平。

2.4 低溫對(duì)大果櫸、榆樹(shù)可溶性蛋白含量的影響

由圖4 可知，隨著低溫脅迫程度的加深和時(shí)間的延長(zhǎng)，大果櫸和榆樹(shù)葉片中可溶性蛋白含量發(fā)生了不同程度的變化，大果櫸葉片可溶性蛋白含量不斷增加，榆樹(shù)葉片可溶性蛋白含量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，且10 月29 日比10 月1 日的可溶性蛋白含量增加5.321 4 mg/g。在相同溫度條件下大果櫸的可溶性蛋白含量均低于榆樹(shù)，分別低61.17%，69.32%，55.95%，45.91%，24.42%，二者差異達(dá)顯著水平。

3 討論

3.1 低溫對(duì)大果櫸與榆樹(shù)葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，參與光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換，其含量的多少對(duì)光合速率有直接影響[18]，是反映植物葉片光合能力的一個(gè)重要指標(biāo)。受低溫環(huán)境的影響，植物體內(nèi)光合色素含量會(huì)發(fā)生一定程度變化[8]，這可能與植株體內(nèi)光合色素的合成能力降低，或是葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞、分解不斷加快有關(guān)，無(wú)論哪種情況，都將會(huì)影響植物的光合作用，從而影響植物生長(zhǎng)[9]。本研究中，隨溫度降低，大果櫸的葉綠素含量不斷減少，與香蕉、瓜葉菊等植物的研究相類似[7，11]；榆樹(shù)葉片葉綠素含量先增加后降低，可能原因是榆樹(shù)對(duì)低溫的承受能力相對(duì)較強(qiáng)，只有當(dāng)外界低溫超過(guò)自身承受能力時(shí)才會(huì)受到影響。

3.2 低溫對(duì)大果櫸與榆樹(shù)質(zhì)膜相對(duì)透性的影響

細(xì)胞膜是植物細(xì)胞與外界環(huán)境之間的保護(hù)屏障，既能接受、傳遞環(huán)境信息，也能對(duì)環(huán)境脅迫作出反應(yīng)，此外對(duì)維持植物的正常生命活動(dòng)尤為重要。低溫下細(xì)胞膜遭到破壞，通透性增大，且質(zhì)膜相對(duì)透性的大小與植物細(xì)胞膜受傷害的程度呈正相關(guān)[7]。鄧菊慶等[12]對(duì)幾種薔薇、繳麗莉等[18]對(duì)4 種園林樹(shù)木的研究結(jié)果均顯示，質(zhì)膜相對(duì)透性隨脅迫溫度的降低逐漸升高。本研究中，隨著低溫脅迫程度的加深和時(shí)間的延長(zhǎng)，大果櫸和榆樹(shù)質(zhì)膜相對(duì)透性均顯著升高，表明膜及原生質(zhì)體受傷害程度加深，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。不同時(shí)間大果櫸的質(zhì)膜相對(duì)透性均比榆樹(shù)大，說(shuō)明相同低溫條件下大果櫸細(xì)胞膜更易被破壞，抗寒能力較差。

3.3 低溫對(duì)大果櫸與榆樹(shù)丙二醛含量的影響

丙二醛是植物在逆境脅迫下膜脂過(guò)氧化作用的主要產(chǎn)物之一，其含量多少能反映細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用強(qiáng)弱和植物受傷害程度[11]，丙二醛含量越高，植物受傷害程度越大。植物在低溫脅迫下，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，MDA 含量增加，導(dǎo)致細(xì)胞膜的受傷害程度加大，擾亂細(xì)胞正常的生理代謝，甚至加速植株的老化速度[8]。相關(guān)研究表明，在低溫脅迫環(huán)境下，金葉榆、瓜葉菊、薔薇、玉米等植物體內(nèi)丙二醛含量增加[7，11-12，19]。本研究中，大果櫸和榆樹(shù)丙二醛含量隨溫度降低而不斷增加，說(shuō)明膜脂過(guò)氧化程度加劇，膜的完整性受到破壞，所反映出的趨勢(shì)與質(zhì)膜相對(duì)透性的總體變化趨勢(shì)相一致。與榆樹(shù)相比，大果櫸在低溫逆境下質(zhì)膜相對(duì)透性較大，MDA 積累較多，耐寒性較弱。

3.4 低溫對(duì)大果櫸與榆樹(shù)可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白的親水性較強(qiáng)，能增加細(xì)胞的保水能力，從而提高植物抗寒性，是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，是許多研究材料的抗寒指標(biāo)[7]。環(huán)境溫度逐漸降低后，可溶性蛋白含量的增加，能起到某種抗寒保護(hù)作用，可以提高植物的耐寒性，且抗寒性強(qiáng)的品種蛋白質(zhì)含量高于抗寒性弱的品種[14]。本研究中，大果櫸和榆樹(shù)可溶性蛋白含量的增加，說(shuō)明2 種樹(shù)種都可通過(guò)調(diào)節(jié)自身代謝來(lái)適應(yīng)低溫環(huán)境。大果櫸在低溫脅迫下葉片可溶性蛋白含量持續(xù)上升，與鄧菊慶等[12]對(duì)幾種薔薇的研究結(jié)果相一致；榆樹(shù)葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量隨溫度降低呈先上升后下降趨勢(shì)，與黃承玲等[10]對(duì)大白杜鵑和迷人杜鵑的研究結(jié)果相一致，且同一時(shí)間內(nèi)大果櫸的可溶性蛋白含量均低于榆樹(shù)。說(shuō)明在低溫環(huán)境下，大果櫸的抗寒性較弱。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，秋季隨著低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，大果櫸和榆樹(shù)的葉綠素含量減少，質(zhì)膜相對(duì)透性和MDA 含量不斷增加，且大果櫸的各指標(biāo)均大于榆樹(shù)；可溶性蛋白含量有所增加，但是大果櫸的可溶性蛋白含量低于榆樹(shù)，說(shuō)明在相同低溫條件下大果櫸的抗寒能力較榆樹(shù)弱。為改善大果櫸在凈化空氣、保持水土、城市綠化、園林觀賞等方面的作用，需采取合理的防寒措施避免低溫環(huán)境的傷害。大果櫸和榆樹(shù)的抗寒機(jī)制是復(fù)雜的，自然降溫條件下其內(nèi)部其他生理指標(biāo)的變化情況還需作進(jìn)一步的研究。