全 文 ：文章编号:1000-0240(2008)02-0351-05
两种圆柏属植物叶片代谢产物季节变化
与抗冻性的关系
　　收稿日期:2007-11-12;修订日期:2008-02-12
　　基金项目:国家自然科学基金项目(30670319;30770342);甘肃省自然科学基金项目(3ZS051-A25-067)资助
　　作者简介:周茹宝(1983—), 男 , 安徽黄山人 , 2005年毕业于安徽师范大学 ,现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所硕士研究生, 主
要从事生态学研究.E-mai l:zrb245291@163.com
　　＊通讯联系人:E-mail:zh angm x-003@163.com
周茹宝1 , 　张有福1 , 2 , 　张满效1＊ , 　陈 拓1 , 　安黎哲1
(1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 , 甘肃兰州　730000;
2.河南科技大学 农学院 , 河南 洛阳　471003)
摘　要:以祁连圆柏和圆柏为材料 , 测定分析了圆柏属两种常绿木本植物叶片代谢产物在冷冻适应过
程中的季节变化.结果表明:在生长季节(夏季), 祁连圆柏和圆柏叶片总含水量 、自由水和自由水/束
缚水的比值均较高 , 而脯氨酸和可溶性糖含量较低;在休眠季节(冬季)刚好相反.在低温胁迫下 , 圆柏
属植物通过叶片渗透调节物质(脯氨酸和可溶性糖)含量的增加和水分含量以及总含水量 、 自由水和自
由水/束缚水的比值的下降 , 降低组织细胞的渗透势 , 提高其保水和抗胁迫能力 , 增强抗冻性.两种圆
柏属植物叶片水分和代谢积累物的差异分析表明:祁连圆柏之所以比圆柏更能忍受极端低温冷冻环
境 , 可能与脯氨酸的大量积累有关.因此 , 脯氨酸的积累可能是在极端环境条件下生长的植物的特
征之一.
关键词:圆柏属;代谢产物;渗透调节;抗冻性;季节变化
中图分类号:Q947.3/ Q948.11 文献标识码:A
0　引 言
　　低温是限制植物地理分布及生物产量的重要因
素 , 也是危害农业生产的主要自然灾害之一 , 植物
抗冻性的形成与环境低温的诱导有关[ 1-3] .祁连圆
柏(S abina przewalsk ii)是中国特有的树种 ,具有耐
寒 、耐旱 、耐贫瘠 , 而且根系发达 , 抗风力强等特
点.以它为建群种形成的天然林集中分布在青藏高
原东北部和黄土高原西部边缘[ 4-6] , 分布于年均温
0.5 ℃、海拔 2 600 ～ 4 000 m 的高山地区.祁连圆
柏是研究植物抗冻性的理想材料.圆柏(S abina
chinensis)主要分布于年均温 8.5 ℃、海拔 500 ～
1 900 m 的低山地区[ 7-8] .
　　植物在抗寒锻炼过程中 , 抗冻力的发育不仅需
要逐渐降低的温度条件 , 而且营养和水分条件也应
有相应的调整 , 植物才能获得最大的抗冻性.植物
在抗寒锻炼过程中改变细胞水分含量及存在状
态[ 9 -10] , 大量积累碳水化合物和含氮的有机物[ 11] ,
增加细胞的保水能力和组织中的非结冰水 , 进而提
高抗冻脱水的能力[ 12-13] .
　　本研究以圆柏属两种常绿木本植物为材料 , 通
过测定叶片的可溶性糖 、脯氨酸 、水分含量及组成
的季节变化 , 进一步理解高寒常绿木本植物的抗寒
机理.
1　研究地区与研究方法
1.1　自然概况
　　试验地位于兰州市东南 20 km 处的榆中县二
阴山区(103°33′E , 36°01′N), 海拔 1 900 m.该区
属干旱 、半干旱气候区 , 气候干燥 ,夏季温和 , 冬季
寒冷;年平均气温 7.6 ℃, 极端最高气温 28.4 ℃,
极端最低气温-13.9 ℃, 年平均无霜期 110 d , 年
平均降水量 362 mm , 年平均空气相对湿度 59.8
%, 年日照时数 2 520 h.采样点年内平均气温变化
第 30 卷　第 2 期
2 0 0 8 年 4 月
冰　川　冻　土
JOU RNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY
Vol.30　No.2
Apr.2 0 0 8
见图 1.
1.2　供试材料
　　实验材料为生长良好的 5 a 生祁连圆柏和圆柏
实生苗鳞形叶.自 2006年 1-12月 , 每月的 22 日
取 1次叶样 ,每次取样时间为上午 10:00-12:00 ,
以避免日温差影响.将每种试验苗木分为 3组(每
组 30株), 每组混合样作为一个测定样品.在田间
采集苗木中间部位枝条上的针叶 , 分组混匀后立即
冷藏带回实验室 , 用液 N 固定 , 置于超低温冰箱
(-80 ℃)中保存待测.
图 1　采样点平均气温的季节变化
Fig.1　Variations of mean air tempe rature
f rom Janua ry to December a t the
sampling site
1.3　测定方法
1.3.1　叶片水分含量及组成的测定
　　参照李合生[ 14] 的方法 , 称取 1.000 g 叶样于称
量瓶中 , 置烘箱中 105 ℃烘 15 min 以杀死植物的
细胞组织 , 再于 80 ℃下烘至恒重 , 计算出叶片的
总含水量.称取剪碎的叶片 1.000 g , 加 60 %的蔗
糖溶液 5 mL , 至叶片和糖液间水势平衡 , 用阿贝折
射仪测定其糖浓度的变化 , 计算出自由水和束缚水
的含量.
1.3.2　可溶性糖和脯氨酸的测定
　　参照文献[ 14] , 叶片脯氨酸含量的测定采用茚
三酮法 ,可溶性糖采用蒽酮比色法.
1.4　数据处理
　　所有数据为 3 次测量的平均值.用 SPSS10.0
双变量相关性分析程序进行变量间的相关性分析 ,
独立样本 t检验程序分析同一阶段两树种间代谢产
物差异.
2　结果与分析
2.1　两种圆柏属植物叶片含水量及其组成的比值
季节变化
　　两种圆柏属植物叶片水分含量 、自由水和自由
水/束缚水的比值季节变化明显(图 2).在冬季 12 、
图 2　两种圆柏植物叶片含水量(a)、自由水(b)、束缚水(c)和自由水/束缚水比值(d)的季节变化
Fig.2　M onthly v ariations of r elativ e wa te r(a), fr ee w ater(b), bound trees water content(c)and
the ratio of f ree water to bound w ater(d)in the leaves of the tw o Sabina s
352　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　冰　　　川　　　冻　　　土 　　30 卷　
1 、 2月 , 叶片相对含水量 、自由水和自由水/束缚
水的比值均较低;在 3-5月的春季 , 叶片水分含
量 、自由水和自由水/束缚水的比值呈增加的趋势;
从 6-7 月叶片水分含量和自由水呈降低的趋势 ,
在 7月达到最低值 , 而自由水/束缚水的比值仍呈
增加的趋势;从 7-8月其值又呈增加的趋势;在秋
天(9-11 月)叶片相对含水量 、自由水和自由水/
束缚水的比值均呈降低的趋势.束缚水的季节变化
则没有叶片水分含量 、自由水和自由水/束缚水的
比值季节变化明显.随着温度降低 , 圆柏属植物总
含水量 、自由水和自由水/束缚水的比值呈明显降
低的趋势.圆柏属植物叶片总含水量 、自由水和自
由水/束缚水的比值与温度有很好的对应关系.在
温度的升高春夏季节 , 叶片相对含水量 、自由水和
自由水/束缚水的比值增加.而在温度较低的冬季 ,
植物叶片通过降低细胞水分含量 、改变细胞水分存
在状态 , 增加细胞液浓度 , 降低代谢 , 增强抗冻性.
2.2　两种圆柏属植物叶片脯氨酸和可溶性糖含量
的季节变化
　　两种圆柏属植物叶片脯氨酸和可溶性糖含量的
季节变化很相似(图 3).从 12月到翌年 2月 , 植物
叶片脯氨酸和可溶性糖含量很高 ;在春季(3-5
月), 脯氨酸和可溶性糖含量迅速降低;在 6-8 月
植物叶片脯氨酸和可溶性糖含量均维持在较低水
平;从 9月到 11月脯氨酸和可溶性糖含量增加很
快.在气温相对较低的冬季节圆柏属植物叶片的脯
氨酸和可溶性糖含量较高 , 而温度较高的夏季脯氨
酸和可溶性糖含量较低.可见圆柏属植物叶片的脯
氨酸和可溶性糖含量与气温有很好的反相关关系.
2.3　两种圆柏属植物叶片水分和代谢积累物的差
异分析
　　经成对样本的 t测验 , 祁连圆柏和圆柏各项指
标差异显著(p<0.05).祁连圆柏叶片脯氨酸含量
值均显著高于圆柏 , 而祁连圆柏叶片含水量 、自由
水 、 自由水/束缚水比和可溶性糖的含量显著低于
图 3　两种圆柏植物叶片脯氨酸(a)和可溶性糖(b)含量的
季节变化
Fig.3　Seasona l va riations o f proline(a)and soluble
sugar(b)contents in the leaves o f the two Sabinas
圆柏(表 1).
3　讨论与结论
3.1　叶片水分含量及存在状态与抗冷冻性
　　细胞水分含量及存在状态是影响代谢强度 、生
长速度和抗性强弱的重要因素.自由水和束缚水比
值的降低可以避免细胞间隙结冰现象的发生[ 15] .
本试验结果表明 , 在秋季(9-11月), 随气温的下
降 , 两种圆柏属植物叶片组织相对含水量和自由
水/束缚水均降低(图 2).说明其生长缓慢 , 代谢活
动能力减弱 , 叶片组织蒸腾作用降低 , 蒸腾拉力减
弱 , 叶片水分供应降低.这将有利于叶片组织中亲
水胶体化合物相对比例增多 , 原生质胶体稳定性增
强 , 流动性变慢 , 粘性增加 , 稳定了细胞内水分 ,
表 1　两种圆柏属植物叶水分和代谢积累物成对样本的 t测验(2006.1—12)
Table 1　T-test o f leav es w ater and several me tabo lites between the two Sabinas
species , from January to Decembe r 2006
种类 含水量 自由水 自由水/束缚水 可溶性糖 脯氨酸
祈连圆柏 50.21±5.99 25.45±4.69 1.02±0.15 0.29±0.13 195.1±118.8
圆柏 55.09±4.22 28.68±4.32 1.09±0.18 0.38±0.19 130.6±66.9
p 0.000 0.000 0.033 0.001 0.004
　　注:平均值±SE(n=12).
3532 期 周茹宝等:两种圆柏属植物叶片代谢产物季节变化与抗冻性的关系 　
防止质壁分离和细胞膜撕裂 , 有利于圆柏抗寒适应
性的增强.在翌年春季(3-5月)气温回升 , 叶片的
相对含水量和自由水/束缚水比值增加 , 在夏季达
到最高.说明气孔导度 、光合速率和蒸腾效率均增
强[ 16] , 代谢旺盛 , 开始进入恢复生长阶段 , 相对含
水量和自由水/束缚水比值又逐渐增加.因此 , 水
分含量及存在状态是衡量植物代谢强度 、生长速度
和抗寒性的重要指标.本研究中 , 祁连圆柏叶片含
水量以及自由水/束缚水比均低于圆柏 , 可见祈连
圆柏和圆柏在水分代谢方面存在明显的差异.祁连
圆柏抗寒性好可能与其自由水和束缚水的组成以及
较高的水分利用效率有关.
3.2　叶片脯氨酸与抗冷冻性
　　游离氨基酸的存在 , 增加了细胞液的浓度 , 对
细胞起保护作用.此外游离氨基酸具有很强的亲和
性 , 对原生质的保水能力及胶体稳定性有一定的作
用.在游离氨基酸中 , 脯氨酸与植物抗寒性的关系
受到广泛的关注.一些研究表明 , 脯氨酸既是植物
落叶后根生存和春季幼枝再生的氮源和碳源[ 17] ,
也是渗透调节剂并可保护蛋白质而在冷冻适应中起
重要作用[ 18] .本试验结果显示 , 脯氨酸作为重要的
渗透调节物质 , 两种圆柏属植物叶片脯氨酸含量的
季节变化明显 , 冬季圆柏属植物叶片的脯氨酸含量
较高 , 而夏季脯氨酸含量较低(见图 3), 与气温有
很好的反相关关系.脯氨酸含量增加提高了细胞中
溶质的浓度 ,增强了细胞的保水能力和防止结冰的
作用.可见 , 脯氨酸可能是重要的抗寒保护性物
质 , 其含量的积累增加是祁连圆柏和圆柏的对自然
降温的适应性的反应 , 有利于提高抗寒性.从两种
圆柏属植物的叶片差异分析 , 祁连圆柏叶组织的脯
氨酸含量较高 , 使得祁连圆柏能在高寒地区度过漫
长的冬季.
3.3　叶片可溶性糖与抗冷冻性
　　研究表明 , 可溶性糖可降低冰点[ 19] 、阻止细胞
结冰时胞内水分移动[ 20] , 防止细胞膜因结冰引起
伤害[ 21] .可溶性糖的含量与植物的抗寒性之间呈
正相关.本试验结果显示 , 和脯氨酸一样 , 作为重
要的渗透调节物质的可溶性糖在两种圆柏属植物叶
片中的含量季节变化明显.冬季圆柏属植物叶片的
可溶性糖含量较高 , 而夏季可溶性糖含量较低(见
图 3).这说明低温引起可溶性糖含量的积累 , 提高
细胞液的浓度 , 增加细胞持水组织中的非结冰水 ,
增强了祁连圆柏和圆柏对自然降温的适应性.
　　从两种圆柏属植物的叶片差异分析 , 祁连圆柏
叶片组织的脯氨酸含量较高 , 而圆柏叶片的可溶性
糖较高 , 两种圆柏属植物叶片的渗透调节的物质的
比例存在差异.从脯氨酸分析来看 , 祁连圆柏叶片
组织的脯氨酸不仅含量较高 , 而且增幅也大于圆
柏;从可溶性糖来看 , 两者的增幅相似.
　　综上所述 , 由于祁连圆柏比圆柏有更强的抗冻
性 , 所以我们以为脯氨酸可能是植物在极端冷冻环
境下 , 比可溶糖更为重要的特征物质之一.
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Species and Their Relations with Frost Tolerance
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Abstract:In this paper , the seasonal changes o f
leaf me tabo lites in Sabina przewalsk ii and S abina
chinensis , tw o everg reen w oody plants , were ob-
served during their adaptation process of f rost.
The observ ation resul ts show that the relative w a-
ter , f ree wa ter and ratio of f ree w ater/bound w ater
in the leaves of the tw o S abina trees are higher in
the grow th season (summer), with low er proline
and soluble sugar contents.In do rmancy season
(winter), the si tuation is just the oppo site.Under
low temperature stress , the tw o S abinas enhance
their f rost tolerance by increasing osmoregulation
substances (proline and so luble sugar)contents ,
decreasing the w ate r content and changing the rela-
t ive w ater , f ree wa ter and ratio of f ree w ate r/
bound w ate r.Consequent ly the re are able to re-
duce cell osmot ic potential and maintain thei r w ater
and improve anti-st ress abili ty.It is also found , by
analy zing the tw o Sabina leaves w ater and the
dif fe rences in accumulation of metabolic , that Sa-
bina przewalsk ii is bet ter than Sabina chinensis fo r
enduring the ex treme co ld envi ronment.It is at-
t ributed to the accumulation of pro line.Therefo re ,
the accumulat ion of proline is possibly one of the
characteristic substances in plants under an ex-
t reme environmental condition.
Key words:S abina;metabolites;osmot ic;f rost to lerance;seasonal change
3552 期 周茹宝等:两种圆柏属植物叶片代谢产物季节变化与抗冻性的关系