全 文 ：2009年 2月 甘 肃 农 业 大 学 学 报 第 4 4 卷
第 1 期 118 ～ 122 JOU RNAL OF GANSU AGRICULTURAL UNIVERSITY 双 月 刊
不同海拔青海云杉与祁连圆柏叶片
抗氧化酶活性的研究
陈晓莉1 ,张 鹏1 ,张 涛1 ,陈年来1 , 2 ,陈　拓2
(1.甘肃农业大学资源与环境学院 , 甘肃 兰州　730070;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 ,甘肃 兰州　730000)
摘要:以寺大隆林区连续海拔梯度(2 765 m ～ 3 565 m)上青海云杉和祁连圆柏为材料 ,通过测定叶片中抗氧化
保护酶活性的变化 ,探讨常绿木本植物抗氧化酶系统适应高山极端环境的机制.结果表明:随着海拔升高 , 丙二醛
(MDA)、可溶性蛋白 、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等几种物质在青海云杉(除
SOD活性)和祁连圆柏叶片中含量均虽增加趋势;相同海拔梯度上 ,青海云杉的 MDA 含量高于祁连圆柏 , 而可溶
性蛋白含量低于祁连圆柏 ,说明 2 树种都能适应低温 、冰冻 、强辐射等环境胁迫 , 但祁连圆柏的抗低温胁迫和抗辐
射能力高于青海云杉.
关键词:海拔梯度;抗氧化酶;适应性;青海云杉;祁连圆柏
中图分类号:S 718.43　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1003-4315(2009)01-0118-05
Study on antioxidase activities of Picea crassi f olia and Sabina
przewalski i at different altitude g radients
CHEN Xiao-li1 , ZHANG Peng 1 , ZHANG T ao1 , CHEN Nian-lai1 , 2 , CHEN Tuo2
(1.Colleg e of Resour ce and Environmental Science s , Gansu Ag ricultur al Unive rsity , Lanzhou 730070 , China;2.Cold and
A rid Region Environmental and Eng ineering Resea rch Institute , Chinese Academy of Sciences , Lanzhou 730000 , China)
Abstract:Taking the leaves of P icea crassi folia and S abina przewalsk ii at dif ferent al titude gradients
(2 765 m ～ 3 565 m)in Sidalong fo rests as the experimental materials , the ant ioxidase activi ties of the leav-
es w ere determined , and based on the determination results , the mechanism of how everg reen xylophy te
ant ioxidase sy stem adapt ing to the mountain ex t reme environment w as discussed.The results show ed as
fo llow s:w ith the increasing al titude , contents o f MDA , soluble pro tein , superoxide dismutase(SOD), the
activi ties of peroxidase(POD)and catalase (CA T)were all increased in bo th P icea crassi folia and Sabina
przewalsk ii ;when at the same alt itude g radient , the content o f MDA was higher in Picea crassi folia than
that in Sabina przewalski i , but the content of so luble protein w as oppo site.These indicated that bo th
t rees could adapt to low temperature , f rozen and st rong radiation st resses , but Sabina przewalsk ii had the
higher ability o f resisting low temperature and st rong radiation st re ss.
Key words:al titude g radient ;antio xidase;adaptat ion;Picea crassi f ol ia;S abina przewalsk ii
作者简介:陈晓莉(1982-),女 ,甘肃兰州人 ,硕士研究生 ,主要从事树
木生理生态方面的研究.
通讯作者:陈年来 ,男 , 教授 , 博士生导师, 研究方向为植物生理生
态学.
基金项目:国家自然科学基金项目(30670319 , 30770342).
收稿日期:2008-01-08
　　青海云杉(P icea crassi f ol ia)耐寒 、较耐旱 、耐
瘠薄 ,是西北地区主要造林树种之一[ 1] .祁连圆柏
(S abina przewalski i)是祁连山林区亚高山暗针叶
林带中惟一分布在阳坡或半阳坡上的森林类型[ 2] ,
具有顽强的生命力 ,在干旱寒冷的残酷自然环境中
依旧能够生机勃勃.这 2 个树种都是祁连山重要的
第 1 期 陈晓莉等:不同海拔青海云杉与祁连圆柏叶片抗氧化酶活性的研究
水源涵养林 ,对调蓄和涵养水源 、保持水土 、改善环
境 、保持生态平衡等方面均有重要的作用.
随着海拔高度的变化 ,环境中各种生态因子均
发生了变化 ,生长于此的高山植物在长期适应与进
化过程中 ,体内形成了一整套受遗传性制约的生理
适应机制 ,以抵御不利环境引起的伤害[ 3] .低温 、强
辐射等逆境破坏植物体内自由基代谢平衡 ,导致活
性氧(ROS)产生 ,造成植物细胞膜系统的受损 ,严重
时造成细胞死亡.而细胞内的抗氧化酶系统 ,如超氧
化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢
酶(CA T)等能有效清除过量氧自由基 ,保护细胞免
受活性氧自由基的损伤[ 4] .已有研究表明 ,华北落叶
松针叶在高海拔处 3种抗氧化酶活性(SOD 、POD 、
CA T)含量最高[ 5] ;圆柏属树木叶片能在组织结冰
状况下生存 , 与其具备完善的抗氧化保护系统有
关[ 6] .低温 、强辐射可使植物抗氧化酶活性增
强[ 7 , 8] ,但对于常绿木本植物青海云杉和祁连圆柏
的抗逆机制尚未见研究报道.本文研究了青海云杉
和祁连圆柏抗氧化酶系统活性随海拔梯度的变化 ,
以期为揭示常绿木本植物抗氧化系统对高寒 、强辐
射等环境的适应机制提供依据.
1　材料和方法
1.1　采样点概况与采样方法
样品于 2006年 10月上旬采集 ,采样地点位于
寺大隆林区 , 北纬 38°25.3′～ 38°26.5′, 东经
99°54.4′～ 99°56.8′.寺大隆林区处于祁连山北麓后
山地带黑河上游下段 ,属高寒半干旱气候带.年平均
气温 0.58 ℃, ≥10℃的积温 937.66 ℃,年降水量
447.32 mm ,平均相对湿度 59.87 %[ 1] ;气温随海拔
升高的递减率为 0.58 ℃/100 m ,降水量随海拔升
高的递增率为 18.6 mm/ 100 m ;林区土壤为森林
灰褐土 ,在阴坡 、半阴坡主要分布着青海云杉 ,祁连
圆柏呈小块状分布于阳坡和半阳坡.
在青海云杉和祁连圆柏林坡地上每隔约 100 m
海拔随机分别选取 5 棵青海云杉和祁连圆柏 ,采集
不同方位枝条上的针叶 ,立即放入液氮罐中 ,带回实
验室备用.
1.2　测定指标与方法
SOD活性的测定:取叶片0.3 g 于冰冻研钵中 ,
加 5 mL 预冷的 0.05 mol/ L PBS(PH 7.8)在冰浴
上研磨成浆 ,4 ℃10 000 r/min离心 20 min ,上清液
即为粗酶液;SOD活性测定采用氮蓝四唑法[ 9] .
POD活性的测定:取叶片 0.3 g 于冰冻研钵
中 ,加 5 mL 预冷的 0.05 mo l/L PBS(PH 6.0)在冰
浴上研磨成浆 ,4 ℃3 000 r/min 离心 10 min ,上清
液即为粗酶液;POD活性用愈创木酚法测定[ 9] .
CAT 活性的测定:酶液提取同 SOD , CA T 活
性测定用紫外分光光度法[ 10] .
丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸
法测定[ 9] ;可溶性蛋白含量的测定:采用考马斯亮
蓝法[ 9] .
1.3　数据分析
利用 SPSS13.0和 Excel对实验数据进行相关
统计和分析.
2　结果与分析
2.1　海拔高度对植物丙二醛含量的影响
由图 1可以看出 ,青海云杉和祁连圆柏叶中的
丙二醛(MDA)含量与海拔梯度呈极显著正相关
(Y 云杉 = 0.381x +8.182 , r云杉 = 0.902;Y 圆柏 =
0.2961 x+4.05 , r圆柏 =0.904),高海拔处青海云杉
(3 465 m)和祁连圆柏(3 565 m)叶片中 MDA 含量
是低海拔处(分别为 2 765 m 和 2 965 m)的 1.27倍
和 1.49倍 ,差异显著(P <0.05);青海云杉和祁
注:同一树种具有不同小写字母表示海拔梯度间差异
显著(P<0.05),下同.
图 1　不同海拔高度青海云杉和祁连圆柏叶片的
丙二醛含量
Fig.1　Content of MDA in leaves of P icea crassi f olia
and S abina przewalsk ii at different altitudes
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甘 肃 农 业 大 学 学 报 2009 年
连圆柏 MDA 随海拔梯度上升的平均增幅分别为
0.499 μmo l/g 和 0.388 μmol/g ;在相同海拔梯度
上 ,青海云杉叶片中 MDA 含量均显著高于祁连
圆柏.
2.2　海拔高度对植物可溶性蛋白含量的影响
由图 2可以看出 ,青海云杉和祁连圆柏叶片中
可溶性蛋白含量与海拔高度呈极显著正相关(Y 云杉
=0.509x +4.598 , r云杉 =0.943;Y 圆柏 =0.823x +
4.489 , r圆柏 =0.929).海拔 3 465 m 处青海云杉的
可溶性蛋白含量最高 ,比 2 765 m 处高出 42.14 %;
3 365 ～ 3 565 m 之间的祁连圆柏可溶性蛋白含量显
著高于 2 965 ～ 3 265 m 之间的含量 ,3 565 m 祁连
圆柏可溶性蛋白含量比低海拔 2 965 m 处高出
49.68 %.在相同的海拔梯度上 ,祁连圆柏叶片中可
溶性蛋白含量显著高于青海云杉 ,且在较高海拔梯
度上二者的差异更大.
图 2　不同海拔高度青海云杉和祁连圆柏叶片
可溶性蛋白含量
Fig.2　Content of soluble pr otein in leaves o f Picea
crassi f olia and Sabina przewalsk ii a t diffe rent altitudes
2.3　海拔高度对植物超氧化物歧化酶的影响
由图 3可见 ,随海拔的上升 ,青海云杉针叶中超
氧化物歧化酶(SOD)的活性变化不明显(Y 云杉 =-
0.506x +561.45 , r云杉 =0.169),但维持在一个较
高的水平;祁连圆柏叶片中 SOD的活性与海拔高度
呈极显著正相关(Y 圆柏 =9.165x +495.85 , r圆柏 =
0.836),在海拔 3 565 m 处 SOD活性最高 ,比低海
拔(2 965 m)处高出 15.08 %;相同海拔高度上
(3 465 m处例外),青海云杉叶片 SOD 活性高于祁
连圆柏 ,在 2 965 m 和 3 065 m 处 2树种差异显著
(P<0.05),其它海拔梯度上差异不显著.
2.4　海拔高度对过氧化物酶的影响
由图 4 可以看出 , 2 树种叶片中过氧化物酶
(POD)活性都与海拔高度呈极显著正相关(Y 云杉 =
0.556x -0.313 , r云杉 =0.961;Y 圆柏 =13.288x -
27.353 , r圆柏 =0.863).青海云杉叶中 POD活性的
变化幅度在 0.33 ～ 4.28 U/(g ·min)之间 ,海拔最
高(3 465 m)处 POD含量是低海拔(2 765 m)处的
12.93倍;祁连圆柏叶中 POD 活性的变化幅度在
27.33 ～ 117.83 U/(g ·min)之间 ,海拔最高(3 565
m)处 POD含量是低海拔(2 965 m)处的 4.31倍 ,
但青海云杉叶片中 POD活性很微弱 ,2个树种在相
同海拔梯度上差异极显著.
图 3　不同海拔高度青海云杉和祁连圆柏叶片 SOD活性
Fig.3　Activity of SOD in leaves o f Picea crassi f olia
and S abina przewalsk ii at different altitudes
图 4　不同海拔高度青海云杉和祁连圆柏叶片 POD活性
Fig.4　Activity of POD in leaves of P icea crassi f olia
and S abina przewalsk ii at different altitudes
2.5　海拔高度对过氧化氢酶的影响
从图 5可以看出 ,青海云杉和祁连圆柏叶片中
的过氧化氢酶(CA T)活性与海拔高度呈极显著正
相关(Y 云杉 =0.483x +0.516 , r云杉 =0.896;Y 圆柏
=0.261x +0.137 , r圆柏 =0.952),表明随着海拔的
升高(低温寒冷 、强辐射),2 树种都能增强过氧化氢
酶活性 ,防止膜的损伤;相同海拔梯度上 ,青海云杉
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第 1 期 陈晓莉等:不同海拔青海云杉与祁连圆柏叶片抗氧化酶活性的研究
叶中 CA T 活性显著高于祁连圆柏(平均高出
1.54 U/(g ·min)).
图 5　不同海拔高度青海云杉和祁连圆柏叶片 CAT活性
F ig.5　Activity of CAT in leaves of Picea crassi f olia
and Sabina prz ewalsk ii at different altitudes
3　讨论与结论
3.1　海拔高度对植物MDA及可溶性蛋白含量的
影响
在低温等环境胁迫下 ,植物细胞防御系统能力
下降 ,活性氧代谢平衡失调 ,产生大量的活性氧 ,从
而导致膜质 、蛋白质损伤 ,因而 ,作为膜脂过氧化产
物 ,MDA 含量变化是质膜损伤程度的重要标志之
一.随海拔的不断上升 ,青海云杉和祁连圆柏叶片中
MDA 含量都增加 ,说明膜脂过氧化程度加剧 ,其根
本原因可能是随海拔升高而加剧的低温胁迫[ 11] .本
试验中 ,在相同海拔梯度上 ,青海云杉叶片中 MDA
含量显著高于祁连圆柏 ,可能是由于处于阴坡 、半阴
坡的青海云杉所处生境的温度低于阳坡或半阳坡的
祁连圆柏 ,在低温胁迫时伤害更严重的原因.
蛋白质含量与植物的抗寒性密切相关 ,在低温
寒冷的生境中 ,蛋白质的含量会增加 ,使细胞原生质
的浓度提高 ,冰点降低 ,抗寒力增强 ,并且较强的紫
外线辐射也能促进植物蛋白质的合成[ 12] .因此 ,海
拔高度的上升会使青海云杉和祁连圆柏叶片中可溶
性蛋白含量呈增加趋势 ,强辐射对叶中蛋白质含量
的合成积累有较大程度的促进作用 ,使得 2种树木
的抗寒性和抗强辐射能力增强 ,这也是青海云杉和
祁连圆柏适应强辐射和低温的结果.在相同海拔梯
度上 UV-B辐射阳坡或半阳坡强于阴坡或半阴坡 ,
所以致使处于阳坡或半阳坡的祁连圆柏叶片中的可
溶性蛋白含量高于处于阴坡或半阴坡青海云杉叶 ,
使得祁连圆柏抗辐射能力较青海云杉强.
3.2　海拔高度对植物抗氧化酶活性的影响
各种胁迫对植物体的伤害大多与植物体内自由
基代谢平衡有关.在逆境胁迫下 ,植物保护酶系统活
性增强 ,叶片抗氧化酶系统能及时清除氧自由基防
止膜脂过氧化 ,以维持细胞膜的完整性.SOD被认
为是植物体内氧代谢的关键酶 ,它的活力变化直接
影响植物体内 O· -2 与 H2O 2的含量;POD是活性较
高的适应性酶 ,是细胞中降解 ROS的保护酶复合物
的一员 ,其主要作用是清除 H 2O 2以保护细胞;CA T
主要存在于植物的过氧化物体(或乙醛酸循环体)
中 ,主要功能是清除光呼吸或脂肪酸 β-氧化过程中
形成的 H 2O 2 .
高海拔条件下 ,挪威云杉(Picea abies)中 SOD
的含量显著高于低海拔的[ 13] .在本试验中 ,青海云
杉叶片中的 POD 、CA T 活性也是随海拔的升高而
增强 ,但 SOD活性则未明显变化 ,即 SOD对环境的
敏感性低于 POD和 CAT ,表明 SOD 在青海云杉
体内清除活性氧过程中起着主要作用[ 5] .虽然青海
云杉随海拔上升 POD活性有一定的增强趋势 ,但其
活性极弱.Willekens[ 14] 等指出 ,抗氧化系统中一种
组分受限时 ,可通过其他组分水平的上调来进行弥
补.青海云杉中抗氧化酶系统各组分之间存在一定
的协同作用 ,而在祁连圆柏中则发现随海拔的上升 ,
抗氧化酶(SOD 、POD 、CA T)活性均随之增强.陈银
萍等研究发现 , 常绿木本植物祁连圆柏(Sabina
przewalski i)和圆柏(Sabina chinensis)在冬季的低
温冷冻条件下 ,保护酶系统活性增强 ,以保证其安全
越冬 ,且适应高山环境的祁连圆柏抗冻性较圆柏
强[ 6] .由此可推测 ,在不同海拔梯度上 ,叶片抗氧化
系统能够随着温度的下降及时清除氧自由基 ,防止
膜脂过氧化 ,以维持细胞膜的完整性 ,即温度可能是
引起祁连圆柏抗氧化酶系统变化的主要因素.高海
拔区植物受环境的影响 ,体内活性氧积累超过正常
水平 , 抗氧化酶由于底物浓度增加而被诱导合
成[ 1 5] ,因而活性升高.由此可见 ,酶活性增强是适应
海拔上升环境恶劣的结果.本试验中 ,对比相同海拔
梯度上的 2种植物 ,除了 POD和海拔 3 465 m 处的
SOD ,青海云杉叶中的 SOD 、CA T 均高于祁连圆
柏 ,这与 MDA 含量的变化趋势一致 ,说明高海拔低
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甘 肃 农 业 大 学 学 报 2009 年
温强辐射的生长环境使青海云杉和祁连圆柏均遭受
到一定的氧化伤害 ,且青海云杉的伤害高于祁连圆
柏 ,致使青海云杉的保护酶 SOD和 CA T 活性增强
幅度较高于祁连圆柏 ,以及时清除氧自由基防止膜
脂过氧化 ,维持细胞膜的完整性.Jansen MAK 等在
研究一种烟草(Nicotiana sy lvestris)时指出[ 16] ,在
紫外照射下 , POD活性的增加与其紫外耐受性有
关 ,祁连圆柏叶中 POD 活性极显著高于青海云杉 ,
可能是其在长期适应高海拔 、阳坡强辐射逆境过程
中形成了极强的紫外耐受性.
从本研究可以看出 ,青海云杉在低温胁迫时比
祁连圆柏伤害更严重;祁连圆柏的抗辐射能力高于
青海云杉 ,并且在长期适应过程中有着极强的紫外
耐受性;可溶性蛋白 、SOD 、POD 、CA T 等抗氧化酶
系统活力的变化是青海云杉和祁连圆柏适应不良环
境的一种重要表现 ,与这 2种树种对低温 、冰冻 、强
辐射等高海拔逆境的适应能力有着密切的关系.
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