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两种圆柏属植物叶绿体膜脂肪酸组成和ATP酶活力的季节变化特征与比较



全 文 :2015年12月 甘 肃 农 业 大 学 学 报 第5 0卷
第6期94~98 JOURNAL OF GANSU AGRICULTURAL UNIVERSITY 双 月 刊
两种圆柏属植物叶绿体膜脂肪酸组成和ATP酶
活力的季节变化特征与比较
张有福1,陈春艳1,陈拓2
(1.河南科技大学农学院,河南 洛阳 471003;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2种常绿的祁连圆柏(Sabina przewalskii Kom.)和圆柏(Sabina chinensis(Lin)Ant.)为材料,测定
叶绿体膜脂脂肪酸组分及膜功能蛋白活力的季节变化,比较分析2种植物的种间差异.结果表明:祁连圆柏和圆柏
叶绿体膜脂中不饱和脂肪酸亚油酸(18∶2)、亚麻酸(18∶3)与月平均气温呈显著负相关,而饱和脂肪酸棕榈酸
(16∶0)和硬脂酸(18∶0)与月平均气温呈显著正相关;K+Na+-ATPase和Ca2+Mg2+ -ATPase的活性也与月平均气
温呈显著负相关.抗寒性强的祁连圆柏叶绿体膜脂中亚麻酸含量显著低于抗寒性弱的圆柏,而其饱和脂肪酸花生
四烯酸含量显著高于圆柏.可见,季节性变化中不饱和脂肪酸的比例提高有利于圆柏属植物抗寒性增强,但不饱和
脂肪酸含量高低并不是物种间抗寒性强弱的决定因素.
关键词:叶绿体;脂肪酸;ATP酶;圆柏;祁连圆柏
中图分类号:S 791.44    文献标志码:A     文章编号:1003-4315(2015)06-0094-05
第一作者:张有福 (1978-),男,博士,副教授,主要从事植物逆境生理的研究.E-mail:zyfgau@163.com
基金项目:国家自然科学基金项目(31200299)
收稿日期:2015-10-13;修回日期:2015-10-28
Seasonal variation characteristics and comparison in
chloroplast membrane fatty acid composition
and ATPase activity in two Sabinatrees
ZHANG You-fu1,CHEN Chun-yan1,CHEN Tuo2
(1.Colege of Henan Science and Technology University,Luoyang 471003,China;2.Cold and Arid Region
Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)
Abstract:Taking leaves of Sabina przewalskii Kom.and Sabina chinensis (Lin)Ant as materials,
chloroplast membrane fatty acid components and seasonal variation in membrane protein activity were
measured to compare the inter-specific difference.The results showed that there was negative correlation
between unsaturated fatty acid including linoleic acid(18∶2)and linolenic acid(18∶3)in chloroplast mem-
brane lipid and monthly average temperature(MAT)in S.przewalskii and S.chinensis.However the satu-
rated fatty acid,such as palmitic acid(16∶0)and stearic acid(18∶0)were significantly positive correlated
with MAT.The activity of K+Na+-ATPase and Ca2+Mg2+-ATPase in chloroplasts also appeared signifi-
cantly negative correlation with MAT in both Sabinatrees.Compared with S.chinensis characterized by
weak cold-resistance,S.przewalskii had significant lower linolenic acid and higher arachidonic acid.There-
fore,increase of unsaturated fatty acids ratios in seasonal cold help Sabinatrees to improve cold-resistance,
while the content of unsaturated fatty acid is not determinant of cold-resistance for different tree species.
Key words:chloroplasts;fatty acids;ATPase;Sabina chinensis;Sabina przewalskii
DOI:10.13432/j.cnki.jgsau.2015.06.017
第6期 张有福等:两种圆柏属植物叶绿体膜脂肪酸组成和ATP酶活力的季节变化特征与比较
  植物细胞膜对环境变化极为敏感,其结构与功
能的改变是植物对环境胁迫最初与最基本的反
应[1].细胞膜是具有流动性的脂类和镶嵌其中的蛋
白质分子组成.膜脂脂肪酸组分及其比例是决定膜
流动性的关键因素,进一步影响到膜蛋白质的功能.
研究发现,植物膜脂中不饱和脂肪酸比例高,有利于
降低膜脂的相变温度,从而降低植物细胞耐受低温
的临界温度,抗寒能力增强[2-3].然而膜脂组分和膜
功能受到物种、环境及其二者相互作用的影响,其中
高山常绿植物膜脂组分与温度的关系仍不清楚.低
温是引起植物细胞膜结构和功能季节变化的关键环
境因子.常绿植物叶龄长,可经历整年的季节性温度
变化.常绿植物无疑是研究植物对季节性环境温度
改变适应的理想材料.
叶绿体是最容易受到低温伤害的细胞器,其内
部一些相关蛋白质均对低温敏感[4].在低温胁迫条
件下,叶绿体的超微结构也易发生改变[5-6].研究发
现,冬季低温会导致圆柏叶绿体基粒间连接松弛、部
分基粒溶解的受害现象,但祁连圆柏叶绿体受害症
状不明显[6],说明二者叶绿体耐受低温的能力存在
差异.推测这种差异与叶绿体膜脂组分和功能蛋白
密切相关.因此,研究叶绿体膜脂组分和功能蛋白活
性与环境温度季节变化的关系尤为重要.
祁连圆柏(Sabina przewalskii Kom.)和圆柏
(Sabina chinensis(Lin)Ant.)是我国西部山区常见
的常绿树种.其中祁连圆柏主要分布在海拔2 600~
4 000m 的高山地区,而圆柏多分布在海拔500~
1 900m的丘陵地区[6].本研究通过分析两种圆柏属
植物叶绿体膜脂脂肪酸组分和功能蛋白质活性的季
节变化,探索叶绿体膜脂脂肪酸组成与环境温度变
化的关系,为探讨植物适应高原气候的机制提供借
鉴和参考.
1 材料与方法
1.1 试验区概况和样品采集
试验地位于兰州市东南20km处的榆中县二
阴山区(N 35°01′,E 103°33′),海拔1 900m.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℃,极端最高温度28.4℃,极端
最低温度-13.9℃,年平均无霜期110d;年平均降
水量362mm.材料培养和样品采集如简启亮等所
述[7].2004年5月,将两树种的3年生实生苗移栽
于试验地中.人工去除杂草,无遮阴.2006年的每月
下旬采集树冠中部外围枝条上的叶样,每种树以10
棵树样品混匀为1个重复,共3个重复.采集的样品
用液氮固定后置于超低温冰箱(-80℃)中保存直
到测定.
1.2 试验方法
参照Reeves和 Hal 的方法[8],样品在预冷的
提取液 (50 mmol/L HEPES-NaOH(pH 7.5),
0.4mol/L蔗 糖,10 mmol/L NaCl,5 mmol/L
MgCl2)4℃研磨成匀浆,过4层纱布,1 000 g离心
1min,取上清,6 000 g 离心10min,取沉淀,用
2mL提取液将沉淀悬起,4℃保存备用.用80%的
丙酮提取离体叶绿体中叶绿素含量.膜脂脂肪酸提
取和脂肪酸甲酯制备按 Morrison和Smith的方法
进行[9].叶绿体悬浮液加入2mL CHCl3-CH3OH
(1∶1,V/V),待分层后,收集下层并低温蒸干形成极
性脂的粗体物,然后加入2mL 1.5% KOH甲醇在
60℃皂化30min,加入BF3甲醇溶液反应生成脂肪
酸甲酯,加入正己烷将甲酯萃取.气相色谱(CP-
3800)运行按照以下程序,以3℃/min的速率升温
至250℃,然后保持 5 min,载气为 N2,流速是
300cm/s.南京建成公司试剂盒法测定Ca2+Mg2+-
ATP和 K+Na+-ATP酶的活性,具体方法参见南
京建成公司的ATP酶测试盒说明书.
1.3 数据处理
成对样本的t检验和相关分析采用SPSS 17.0
软件.
2 结果与分析
2.1 叶绿体膜脂脂肪酸组成及其季节变化
两种圆柏属植物叶绿体膜脂脂肪酸的成分主要
有饱和脂肪酸棕榈酸(16∶0)、硬脂酸(18∶0)和花生
四烯酸(20∶0),不饱和脂肪酸油酸(18∶1)、亚油酸
(18∶2)和亚麻酸(18∶3),其中不饱和度高的亚麻酸
含量最高,其次为棕榈酸,油酸最低;不饱和脂肪酸
亚油酸和亚麻酸约占脂肪酸比例的60%.叶绿体不
饱和脂肪酸的比例较高.它们的相对含量也发生明
显的季节性变化(图1~2).在冬季,不饱和脂肪酸
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甘 肃 农 业 大 学 学 报 2015年
的比例提高,尤其亚油酸(18∶2)和亚麻酸(18∶3)比
例明显高于夏季;而饱和脂肪酸的比例降低,其中棕
榈酸(16∶0)和硬脂酸(18∶0)显著低于其它季节.推
测冬季不饱和脂肪酸的比例提高利于低温条件下膜
功能的维持.
图1 不同季节祁连圆柏叶绿体脂肪酸的组成
Fig.1 Fatty acid composition in isolated chloroplasts
of S.przewalskii in different seasons
2.2 叶绿体K+Na+-ATP酶的季节变化
2种圆柏属植物中叶绿体K+Na+-ATP酶活性
的季节变化模式相似,均表现为冬季 K+Na+-ATP
酶活性高,而夏季低(图3).可见,季节性降温可提
高叶绿体K+Na+-ATP酶的活性.
图2 不同季节圆柏叶绿体脂肪酸的组成
Fig.2 Fatty acid composition in isolated chloroplasts
of S.chinensis in different seasons
图3 不同月份祁连圆柏(SP)和圆柏(SC)叶绿体K+Na+ -ATP酶的活性
Fig.3 The K+Na+-ATPase activity in isolated chloroplasts of S.przewalskii(SP)and
S.chinensis(SC)in different months
2.3 叶绿体Ca2+Mg2+-ATP酶活的季节变化
如图4所示,祁连圆柏和圆柏植物叶绿体Ca2+
Mg2+-ATP酶的活性均表现为冬季高,而夏季低,
这与二者K+Na+-ATP酶的季节变化趋势也一致.
季节性温度的变化对Ca2+ Mg2+-ATP和 K+Na+-
ATP酶活性的影响是一致的.
2.4 两种圆柏植物叶绿体脂肪酸组分和ATP酶的
差异分析
经成对样本的t测验,圆柏叶绿体膜脂中油酸
(18∶1)和亚麻酸(18∶3)含量显著高于祁连圆柏,而
圆柏花生四烯酸(20∶0)含量显著低于祁连圆柏(P
<0.05,表1).祁连圆柏叶绿体膜脂中棕榈酸
(16∶0)、硬脂酸(18∶0)和亚油酸(18∶2)含量与圆柏
之间差异不显著(P>0.05).叶绿体中Ca2+ Mg2+-
ATPase和 K+Na+-ATPase的活性在两种圆柏之
间差异也不显著(P>0.05).说明物种间膜脂组分
受到饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸及其内部组分差异
的影响.
2.5 叶绿体膜脂组成和ATP酶活性与气温的相
关性
两种圆柏属植物叶绿体膜脂中不饱和脂肪酸油
酸(18∶1)、亚油酸(18∶2)和亚麻酸(18∶3)与平均气
温呈负相关,而饱和脂肪酸棕榈酸(16∶0)、硬脂酸
(18∶0)和花生四烯酸(20∶0)与月平均气温均呈正
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第6期 张有福等:两种圆柏属植物叶绿体膜脂肪酸组成和ATP酶活力的季节变化特征与比较
图4 不同月份祁连圆柏(SP)和圆柏(SC)叶绿体Ca2+Mg2+ -ATP酶的活性
Fig.4 The Ca2+Mg2+ -ATPase activity in isolated chloroplasts of S.przewalskii and S.chinensis in different months
表1 祁连圆柏(SP)和圆柏(SC)叶绿体脂肪酸组分和ATP酶的成对样本t测验结果
Tab.1 T-test of fatty acid composition and ATPase activity in isolated chloroplasts
between S.przewalskii(SP)and S.chinensis(SC)
树种 16∶0  18∶0  18∶1  18∶2  18∶3  20∶0 K+Na+-ATP Ca2+Mg2+ -ATP
S.P  22.4±1.5  2.0±0.4  6.4±0.6  21.1±1.7  29.5±1.3  18.5±2.6  6.41±0.6  6.3±0.7
S.C  24.7±1.6  1.7±0.5  9.8±1.1  19.0±1.1  36.9±1.5  7.9±1.5  6.47±0.5  5.0±0.5
p  0.115  0.459  0.018  0.105  0.000  0.001  0.917  0.058
  n=12;16∶0、18∶0、18∶1、18∶2、18∶3、20∶0的单位为%,Ca2+Mg2+-ATPase和K+Na+-ATPase单位为μmol/h/mg.
表2 月平均气温与叶绿体膜脂脂肪酸组分和ATP酶的泊松相关系数
Tab.2 Pearson correlations between mean temperature,fatty acid composition and ATPase activity in chloroplasts
树种 16∶0  18∶0  18∶1  18∶2  18∶3  20∶0 K+Na+-ATP  Ca2+Mg2+ -ATP
祁连圆柏 0.784** 0.710** -0.135 -0.897** -0.529* 0.259 -0.740** -0.774**
圆柏 0.840** 0.724** -0.339 -0.852** -0.609* 0.397 -0.742** -0.824**
  *表示在0.05水平上相关性显著.
相关,其中棕榈酸、硬脂酸、亚油酸和亚麻酸与月平
均气温之间相关性显著(P<0.05,表2).叶绿体
Ca2+ Mg2+-ATPase和 K+Na+-ATPase的活性与
月平均气温呈极显著性负相关(P<0.01).表明季
节性温度变化是影响叶绿体膜脂脂肪酸组分和
ATP酶活性的重要因子.
3 讨论
类囊体膜属于叶绿体光合膜系统,光合膜中包
含有将光能转化为化学能所需的许多功能蛋白,维
持膜流动和稳定是植物正常生理代谢的基础[10].本
研究表明季节性低温可诱导两种圆柏属植物叶绿体
不饱和脂肪酸比例提高(表2).这有利于降低膜的
相变温度和维持低温条件下植物膜的流动性与功
能[11];同时还有利于保护光合电子传递系统,减轻
低温导致的光抑制[12].可见,冬季两种圆柏属植物
叶绿体膜脂不饱和脂肪酸的增加可提高耐受低温的
能力,也是二者适应季节性温度变化的反应.
一般认为,植物膜脂中不饱和程度高的脂肪酸
含量与其耐寒性正相关[13].祁连圆柏的抗寒性强,
但不饱和程度高的亚麻酸含量却显著低于抗寒性弱
的圆柏(P<0.05,表1).这与Roche[14]在小麦叶绿
体类囊体膜脂肪酸的组成与其抗寒性的关系研究一
致,即叶绿体膜脂脂肪酸组与物种间抗寒性强弱无
直接关系,认为低温下膜不饱和脂肪酸的增加只是
植物适应低温的一种普遍规律.膜功能和流动性不
仅与膜脂组成有关,还可能与其他因素有关,如适宜
的膜脂和膜蛋白比率及其相互作用是调节膜功能的
关键因素[15].另外,祁连圆柏膜系统的稳定也归因
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甘 肃 农 业 大 学 学 报 2015年
于较强的抗氧化保护系统[7,16].
叶绿体的 ATP酶是光合磷酸化的偶联因子,
是一种与叶绿体膜结合的复合蛋白,其活性大小也
反映植物光合磷酸化的程度[17].ATP酶常常因低
温伤害而活力降低,进而引发细胞生理代谢紊乱.冬
季祁连圆柏和圆柏叶绿素总含量降低[7],而单位叶
绿素K+Na+-ATP和Ca2+Mg2+-ATP酶活性升高
(图3~4).通常低温会诱发细胞内Ca2+水平迅速提
高,但细胞质中过高的Ca2+浓度或者维持其高浓度
时间过长均会干扰细胞的生理代谢,导致代谢紊乱,
造成细胞死亡,包括叶绿体外膜和质膜Ca2+Mg2+-
ATP酶可以调节胞质Ca2+浓度,有助于胞内Ca2+
稳态的维持,从而保证细胞的正常生理功能[18].因
此,ATP酶活性提高有利于避免Ca2+对植物的毒
害,也是2种圆柏属植物抗寒性的增强原因.抗寒性
强的祁连圆柏叶绿体Ca2+Mg2+-ATP酶活性明显
高于圆柏,但K+Na+-ATP酶活在两种植物之间差
异较小.推断Ca2+Mg2+-ATP酶活性差异与圆柏属
植物种间耐寒性差异有关,这也与祁连圆柏光能转
化效率强于圆柏的研究结果相一致[19].既然祁连圆
柏分布在光照强、气温低,且二者变化剧烈的高海拔
地区,高的光化学转化效率及其细胞内离子和能量
调节能力有利于适应气温的急剧变化.
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(责任编辑 李辛)
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