自然越冬过程中不同杨树品种的抗寒生理指标分析

吴飞++朱生秀++向江湖++李万栋

摘要：试验以银×新、北美速生杨1号、抗虫杨、抗盐碱杨4种杨树（Populus L.）的一年生扦插苗为试验材料，探讨自然条件下，不同杨树品种抗寒生理、生化指标的变化及与抗寒性的关系。结果表明，在相同立地条件下，不同品种杨树的抗寒生理指标表现出差异； 渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白质含量和短时的降温相关不密切，杨树应对低温能力较强，渗透调节系统稳定，具有较强的渗透调节能力；保护酶活性与温度密切相关，丙二醛含量随温度的变化而呈规律性变化。自然条件下，各抗寒生理指标随气温的变化呈规律性变化，各杨树品种的抗寒性差异显著。

关键词：杨树（Populus L.）；抗寒指标；渗透调节物质；保护酶活性

中图分类号：S792.11；Q945.78 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）05-0881-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.022

Analyses on Cold Resistance Physiological Indexes in Different Varieties of Poplars During Natural Overwintering

WU Fei， ZHU Sheng-xiu， XIANG Jiang-hu， LI Wan-dong

（Xinjiang Oasis in the Western Ecological Development Co.， Ltd.， Karamay 834000， Xinjiang， China）

Abstract： Taking one-year-old poplar cuttings of silver×new，North American fast-growing poplar No.1，insect-resistant poplar and salt-tolerant poplar as the experimental materials， the relationship between cold resistance physiological and biochemical indexes and cold hardiness during natural overwintering were studied. The results showed that， under the same site condition， the cold resistance physiological indexes of different varieties poplars showed different levels. The contents of osmotic adjustment substance soluble sugar and soluble protein were not closely related to the short-term cooling. The osmotic adjustment system was stable and had strong osmotic adjustment ability. The activities of protective enzymes were closely related to the temperature， and the content of malondialdehyde varied with temperature. Under natural conditions， the physiological indexes of cold resistance varied regularly with the change of air temperature， and the cold resistance of poplar varieties was significantly different.

Key words： Populus L.； cold resistance index； osmotic adjustment substance； protective enzyme activity

楊树（Populus L.）是杨柳科（Salicaceae）杨属（Populus）树种的统称，由于其分布广、易繁殖、适应性强、生产力高、木材具有多种用途等优点，是中国主要的造林树种之一[1]。“十二五”时期，中国杨树总面积已达1 010万hm2，蓄积量达5.49亿m3，居世界第一。其中杨树人工林面积达757万hm2，占中国人工林面积的18.9%，超过世界上其他国家杨树人工林面积的总和。杨树在中国分布很广，一直是中国西北地区的主要绿化树种，在生态环境治理、保障农业稳产高产的防护林建设方面起到重要作用。

杨树抗寒性较强，但随着杨树新品种的不断涌现，不同品种间抗寒能力也存在差异[2，3]。新疆冬季寒冷，在该区域栽培杨树尤其是速生型的品种，经常受到低温、寒潮、冰雪等气候的影响，越冬安全性受到威胁。在此环境下进行优良杨树品种的推广，除要考察其速生性之外，其抗寒适应性也尤其重要。植株的抗寒性评价指标很多，除了植物形态指标以外，还有生理生化指标，为此，试验以新疆克拉玛依大农业开发区苗圃种植的4个生长性状表现较好的杨树无性系为材料，对自然越冬过程中各杨树抗寒生理生化指标进行了测定，分析其与抗寒性的关系，以期为今后新疆农田防护林建设、抗寒树种的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在新疆西部绿洲生态发展有限责任公司苗圃地进行，选取银×新、北美速生1号、抗盐碱杨、抗虫杨4个不同品系的一年生扦插苗为试验材料。选取长势一致的杨树，每5株为一组，完全随机设计，3次重复，以枝条为试验材料，要求枝条充分成熟，整齐均匀，剪留长度10～15 cm。用聚乙烯自封袋包好后立即装入冰盒带回实验室进行相关指标的检测。

1.2 试验方法

丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸（TBA）法[4]，过氧化物酶（POD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定参照李合生[4]的方法，脯氨酸（Pro）含量的测定采用酸性茚三酮法、可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[5]，可溶性蛋白质含量的测定采用考马斯亮蓝G-250染色法[6]。

1.3 数据处理

试验中数据均为平均值，采用Excel 2010和SPSS 16.0软件进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 采样期间试验地气温变化

采样期间试验地气温的变化见表1。克拉玛依地区冬、春季节温度相对较低，据调查，2015年克拉玛依地区最低气温出现在1月，为-26.32 ℃，且 -25.00 ℃以下的低温持续时间达12 d。平均气温在2月表现最低，为-13.86 ℃。2014年12月到2015年3月，平均气温先降低，在3月又开始迅速回升。采样时的温度和月平均气温变化趋势一致，先降低，再升高。

2.2 不同品种杨树枝条中丙二醛含量的变化

植株在逆境条件下会发生膜脂过氧化作用，丙二醛是其产物之一，通常利用它作为膜脂过氧化的指标，表示细胞膜脂过氧化程度和植株对逆境条件反应的强弱。自然越冬过程中，不同品种杨树枝条中丙二醛含量的变化见图1。从图1可以看出，随着时间的推移，气温先降低后升高，丙二醛含量先升高后降低，不同杨树品种丙二醛含量出现峰值的时间不同。抗盐碱杨和北美速生1号枝条在2015年1月15日MDA含量出现峰值，尤其抗盐碱杨枝条中的MDA含量表現最高，为0.043 mmol/g，且与其他各品种相比差异达极显著水平。银×新枝条中的MDA含量在2014年12月和2015年1月几乎不发生变化，2015年1月开始缓慢下降。抗虫杨枝条中的MDA含量与月平均气温呈现相反的变化趋势，即随着气温的降低而升高，温度回升后又开始降低。

2.3 不同品种杨树枝条中渗透调节物质含量的变化

可溶性糖是植物组织中最主要的渗透调节物质之一。自然越冬过程中，4种不同品种杨树枝条中可溶性糖含量的变化见图2。从图2可以看出，银×新枝条中的可溶性糖含量随温度变化呈逐渐增加的趋势，其他各品种可溶性糖含量先随温度降低逐渐升高，后下降，在温度回升后又迅速上升，变化速率最大的为银×新，其次为北美速生1号。

可溶性蛋白质的亲水胶体性较强，能明显增强细胞的持水力，而可溶性蛋白质的增加可以束缚更多的水分，还可以减少原生质因结冰而伤害致死的机率。由图3可见，2014年12月至2015年1月，随试验地气温的降低，各品种杨树可溶性蛋白质含量均迅速升高，以银×新的变化最为明显。2015年1～2月，随着温度的变化，抗盐碱杨可溶性蛋白质含量迅速降低，其他各杨树品种枝条中可溶性蛋白质含量均表现为缓慢下降。2015年2～3月，随着温度的回升，抗盐碱杨可溶性蛋白质含量缓慢上升，其他各杨树品种枝条中可溶性蛋白质含量均缓慢下降，以银×新的变化最为明显。

脯氨酸是植物蛋白质的组成成分之一，并以游离态广泛存在于植物体中。植物在正常条件下游离脯氨酸含量很低，但遇到盐碱、低温、干旱等逆境时，游离脯氨酸便会积累，并且积累指数与植物的抗逆性有关。自然越冬过程中不同品种杨树枝条中的游离脯氨酸含量变化见图4。从图4可以看出，杨树枝条中游离脯氨酸含量随气温变化的趋势与可溶性蛋白质基本一致，均表现为先升高后降低。区别在于，2015年1～2月，随着气温的变化，抗盐碱杨枝条中游离脯氨酸含量降低，其他各品种杨树枝条中游离脯氨酸含量继续升高，从2月开始，随着气温的升高，枝条中游离脯氨酸含量开始迅速下降。

2.4 不同品种杨树枝条中细胞膜抗氧化系统酶活性的变化分析

在自然越冬过程中，不同杨树枝条中超氧化物歧化酶（SOD）活性的变化趋势见图5。从图5可以看出，随着气温的降低，SOD活性总体增强，各杨树品种均表现为先升高后降低的“单峰”变化曲线，但峰值出现的时期不同。银×新和北美速生1号在2015年2月15日出现峰值，抗盐碱杨和抗虫杨枝条中的SOD活性在2015年1月15日表现为最高。且各杨树品种间SOD活性表现出较大的差异，在平均气温最低的2月，SOD的活性出现了高峰，此时银×新枝条中的SOD活性为723.4 μmol/s。

不同杨树枝条中过氧化物酶（POD）活性随着气温的降低活性增强（图6），在1月气温最低时出现了高峰，其中以抗虫杨的活性最强，银×新的活性次之，然后随气温的逐渐回升，大部分杨树枝条中POD的活性慢慢降低，在2月出现了最低值，在此过程中变化幅度最大的为银×新，之后随着气温的升高，各杨树品种枝条中的POD活性表现出缓慢增强。

自然降温过程中，过氧化氢酶（CAT）活性的变化与SOD活性的变化趋势基本一致（图7），均表现为“单峰”变化趋势，即先升高后降低。除抗盐碱杨在2015年2月出现峰值外，其他各杨树品种均在气温最低的2015年1月出现了最高峰，以抗盐碱杨的活性最强，银×新次之。之后随着气温的变化，CAT的活性逐渐降低。

3 小结与讨论

植物细胞膜是植物细胞及细胞器与周围环境的一个界面结构，各种逆境对细胞的影响首先作用于质膜，低温灾害亦是如此。当细胞面临环境的低温胁迫时，需要进行渗透调节以维持细胞内外渗透平衡，因此必然会使植物体内参与渗透调节的物质、细胞膜透性、酶活性等发生一系列的变化[7]。植物器官衰老或在逆境条件下遭受伤害，往往发生膜脂过氧化作用，丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的最终分解产物，即是生物膜受害降解的指标，故可用电解质渗出率的高低和丙二醛含量的变化来比较抗寒力的大小。本试验结果表明，在温度急剧下降过程中，银×新枝条中的丙二醛含量增加幅度最大。

可溶性蛋白质、可溶性糖、游离脯氨酸是植物体内3种重要的渗透调节物质。一般认为，低温胁迫时糖类物质的积累与植物的抗寒性呈正相关[8]，抗寒力强的树种糖分含量增加多且浓度高。本研究对自然越冬过程中杨树枝条中的可溶性糖含量的测定时发现，可溶性糖含量均随温度变化而变化，以银×新的增加幅度最大。游离脯氨酸作为渗透调节物质具有水溶性和水势高、在细胞内积累无毒性等特点，能保持原生质与环境渗透平衡[9]。试验中，在自然降温条件下，植物体内脯氨酸的含量显著增加。脯氨酸对低温的反应常随着低温程度的不同而异，在较低的长期低温下，脯氨酸的增加是植物伤害的结果，而在无严重冷害的锻炼温度下，脯氨酸的积累则是一种适应性反应。试验对不同杨树在自然降温过程中可溶性蛋白含量变化的研究结果表明，在杨树自然越冬过程中可溶性蛋白的含量均随气温降低而升高，相反随着气温回升其含量逐渐降低。在气温急剧下降时变化最为明显，1月气温降到最低时出现峰值，以银×新的变化速率最快，增加幅度最大。

在正常情况下，植物细胞中存在着活性氧的产生和清除的一种动态平衡。超氧化物歧化酶（SOD）是活性氧清除剂之一，在低温逆境条件下，SOD能被活性氧诱导产生，从而减轻对细胞膜的伤害[10]。试验结果表明，杨树枝条中SOD的活性随温度的急剧下降活性增强，并在1月中旬环境温度最低时，抗盐碱杨和抗虫杨SOD活性达到最大，这是杨树对持续低温胁迫的适应性反应，有利于增强杨树的抗寒性。过氧化物酶（POD）与过氧化氢酶（CAT）是植物体内普遍存在的活性较高的酶，它们可以有效地将H2O2转变成O2，从而消除活性氧自由基（O2-·）对生物体的毒害[10]。试验结果表明，楊树枝条中的POD与CAT酶活性均随温度的急剧降低而增强，说明杨树枝条内活性氧增加，促进了POD合成以清除活性氧自由基的积累，从而提高杨树的抗寒力。当气温逐渐回升时，H2O2产生的速率下降，CAT的活性也随着降低，表明杨树的抗寒力减弱。

综上所述，通过自然越冬过程中对4种不同杨树抗寒生理指标的研究发现，杨树枝条中细胞膜透性、酶活性等均随温度急剧下降而上升或增强，其中以银×新对低温胁迫最为敏感，即抗寒性最强。

参考文献：

[1] 赵 鸥，白玉茹，乌志颜，等.赤美杨选种试验研究[J].内蒙古林业科技，2013，39（4）：13-l7.

[2] 李晓东，樊军锋，邱 兴，等.外源Ca2+对低温胁迫下杨树幼苗抗寒相关生理指标的影响[J].北方园艺，2015（11）：55-59.

[3] 李晓宇，杨成超，彭建东，等.杨树苗期抗寒性综合评价体系的构建[J].林业科学，2014，50（7）：55-59.

[4] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 邹 琦.植物生理生化实验指导[M].北京：中国农业出版社，1997.

[6] 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，2002.

[7] 姚立新，朱 锐，马雯彦，等.植物抗旱、抗寒性鉴定与生理生化机理研究进展[J].安徽农业科学，2009，37（25）：11864-11866.

[8] 邱乾栋，吕晓贞，藏德奎，等.植物抗寒生理研究进展[J].山东农业大学，2009（8）：53-57.

[9] 王小华，庄南生.脯氨酸与植物抗寒性的研究进展[J].植物保护科学，2008，11（24）：398-402.

[10] 孟庆瑞，杨建民，樊英利.果树抗寒机制研究进展[J].河北农业大学学报，2002，25（增刊）：87-90.