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不同生境下祁连圆柏叶片色素和稳定碳同位素组成的变化



全 文 :书文章编号:1000-0240(2010)04-0823-06
不同生境下祁连圆柏叶片色素和稳定
碳同位素组成的变化
  收稿日期:2009-12-02;修订日期:2010-04-29
  基金项目:国家自然科学基金项目(30670319;30770342;40771004);国家科技支持重点项目(2007BAD46B08);甘肃省自然基金项目
(3ZS051-A25-067)资助
  作者简介:文陇英(1964—),女,四川广元人,讲师,2010年在中国科学院研究生院获博士学位,现主要从事植物生理和生态研究工作.
       E-mail:lywen02@126.com
  * 通讯作者:陈拓,E-mail:chentuo@lzb.ac.cn
文陇英1,2,4, 陈 拓1*, 张满效1, 段争虎1,
彭仁清3, 简启亮3, 裴慧娟1,4
(1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.乐山师范学院 化学与生命科学学院,
四川 乐山 614004;3.兰州大学 生命科学学院,甘肃 兰州 730000;4.中国科学院 研究生院,北京 100049)
摘 要:测定了祁连山大火烧(相对干旱环境)和吐鲁沟(相对湿润环境)中祁连圆柏(Sabina przewal-
skii)幼树和老树叶片5种色素含量以及稳定碳同位素组成和脯氨酸含量等指标.结果显示:在相对干
旱的环境下,幼树和老树的叶黄素循环转换率(Z+A)/(V+A+Z)、类胡萝卜素含量、脯氨酸含量及
稳定碳同位素值都较高,而PsⅡ光化学效率(Fv/Fm)及叶绿素含量都较低,且花青素和紫松果黄素含
量也较低;在两种不同生境下,除Fv/Fm及叶绿素外,老树的其它指标都显著高于幼树.结果说明色
素在干旱胁迫下起重要的光保护作用,其变化是祁连圆柏在长期与环境交互作用过程中形成的一种适
应策略.
关键词:祁连圆柏;色素;干旱;稳定碳同位素
中图分类号:Q948.11 文献标识码:A
0 引言
植物在受到各种环境胁迫时,将产生一系列生
理生化变化以适应其生境,其中,色素对植物的抗
逆性发挥着重要作用.叶绿素(Chl)的中心作用是
获取光能并将其转化为化学能[1];而类胡萝卜素
(Car)既能拓宽光合作用的吸收光谱并将所吸收的
光能传递给叶绿素,还能通过散失高光强下多余能
量来保护叶绿素[2],特别在环境胁迫如干旱和强光
等环境下,植物光合能力降低,积累的过剩光能更
易导致光破坏,诱导光抑制的产生.依赖于植物体
内的叶黄素循环(VAZ)耗散过剩激发能,是光合器
官在自然条件下免遭光破坏的重要途径之一[3].花
青素(Acy)具有使植物适应环境的能力,如植物叶
片通过诱导产生或上调花青素以抵抗干旱胁
迫[4-5];紫松果黄素(Rhd)的主要作用是在阻止光
辐射的同时保持光吸收、热耗散和光合作用间的平
衡[6].在干旱环境下,许多植物进化了一系列干旱
引起的光保护和抗氧化机制[7],光化学效率Fv/Fm
反映了PsⅡ反应中心内的光能转化效率,任何影
响PsⅡ效能的环境胁迫均会使 Fv/Fm降低[8].脯
氨酸(Pro)参与植物的渗透调节,通常被认为是植
物在干旱条件下的一种渗透保护剂[9],植物在受到
干旱胁迫时,体内的脯氨酸大量积累,也被作为抗
旱性的鉴定指标之一[10].植物中稳定碳同位素组
成不但与植物的水分利用效率密切相关,而且还反
映环境因子对植物的影响[11],因此,植物组织中稳
定碳同位素的组成,已成为植物生理生态学家们用
来研究环境因子对植物影响的热点,叶δ13 C值反
映了叶内部与外部CO2吸收(ci/ca)的比例,也是长
期反映环境影响植物叶内部CO2扩散(叶传导性)和
CO2消耗(光合速率)的综合指标[11].当水分不足
时,植物叶片关闭部分气孔以减少蒸腾,防止过度
失水;同时,通过气孔进入叶片的CO2减少,叶片
第32卷 第4期
2 0 1 0年8月
冰 川 冻 土
JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY
Vol.32 No.4
Aug.2 0 1 0
表1 采样地气候因子及老树生长状况
Table 1 Basic climatic factors of the sampling sites and the status of mature trees
采样点 经度 纬度
海拔
/m
平均气温
/℃
降水量
/mm
蒸发量
/mm
相对湿度
/%
土壤水分
/%
平均树高
/m
平均胸径
/cm
大火烧DHS 98°05′E  39°33′N  2970  7.4  85.4  2074.5  46.5  5.53  3.4  46
吐鲁沟TLG 102°40′E 38°42′N  2910  9.4  319.6  2126.4  57.2  25.49  10  82
内CO2浓度(ci)下降,植物对CO2的识别能力降低,
从而使叶片δ13C值升高.
  祁连圆柏(Sabina przewalskii)是中国特有的
常绿针叶树,以它为建群种所形成的天然林广泛分
布于中国西北部海拔2 800~4 000m的亚高山及高
山地区.由于受各种环境胁迫的影响,祁连圆柏具
有耐寒、抗旱和抗盐碱等特性,在寒区和旱区水土
保持和水源涵养方面起重要的作用,因此,对其抗
冻性及抗氧化性已有所研究[12-13].然而,人们对祁
连圆柏耐旱特性以及由环境所引起的光合保护机制
仍然不很了解,有关祁连圆柏色素与胁迫关系的研
究至今未见报道.本研究通过测定大火烧和吐鲁沟
两个地区祁连圆柏幼树和老树叶片色素的含量及相
关指标,揭示祁连圆柏干旱胁迫与光合生理之间的
关系,了解祁连圆柏的抗旱机制,为祁连圆柏的种
植提供生理生态方面的理论依据,同时对研究干旱
区植物的光合作用具有一定的参考价值.
1 材料和方法
1.1 试验材料
样本采集及生长状况:样本采集地祁丰大火烧
(相对干旱地区)和连城吐鲁沟(相对湿润地区),分
别位于甘肃境内祁连山的西部和东部,表1显示了
样本生长的环境因子和树木生长状况.样本采集于
2008年5月,树高高于3m的为老树,不足1m的
为幼树,每个地点各取15棵老树和15棵幼树,于
中午12:00点左右将叶片剪下后用纱布包扎好立即
放入液氮中,在实验室置于-80℃冰箱备用.
1.2 试验方法
1.2.1 叶片稳定碳同位素比测定
叶片洗净晾干后,置于70℃烘箱中烘24h至
恒重,粉碎均匀后,完全燃烧并收集 CO2[14].用
MAT-252仪测定稳定碳同位素比δ13C(‰),整个
测量误差不超过0.1‰.
1.2.2 脯氨酸测定
脯氨酸含量采用茚三酮法测定[15],准确称取
0.300g剪碎的叶片,置具塞试管中.加5mL 3%
磺基水杨酸溶液提取,显色反应后,加入4mL甲
苯萃取,在520nm比色.
1.2.3 色素测定
按照Lichtenthaler的方法测定叶绿素和类胡
萝卜素含量[16].叶黄素循环色素VAZ用高效液相
色谱仪(HPLC,Agilent series 1100,Germany)在
445nm处检测[17].V代表紫黄质,A代表环氧玉
米黄质,Z代表玉米黄质.花青素提取及测定采用
Pirie和 Mulins的方法[18],用酶标仪(Benchmark
Plus,BIO-RAD,USA)测530nm的OD值.紫松
果黄素根据 Merzlyak等[19]的方法,用 HPLC在
510nm处测定.色素提取在0~4℃暗光下操作.
1.2.4 PsⅡ光化学效率 (Fv/Fm)的测定
用PAM-2100便携式叶绿素荧光分析仪(Walz
Effeltrich Germany)测定光化学效率 (Fv/Fm).测
定前,叶片经过25min暗适应,以太阳光为光化学
光进行测定,每个地点老幼树各取枝条中部6个成
熟叶片测定,结果取平均值.
1.2.5 统计分析
实验结果用SPSS11.5软件,以95%置信值分
析.用独立样本t检验比较两种生境、幼树和老树
平均数的差异显著性.
2 结果
2.1 不同生境下稳定碳同位素比δ13 C及脯氨酸含
量的变化
  大火烧地区祁连圆柏幼树和老树的δ13C值及
Pro含量明显高于吐鲁沟(p=0.000);两个地区老
树的δ13C值及Pro含量均高于幼树(p<0.05)(图1
和图2).
2.2 不同生境下色素含量的变化
大火烧地区祁连圆柏幼树和老树的Chl、Acy
及Rhd含量明显低于吐鲁沟(p<0.05),Car含量、
(Z+A)/(V+A+Z)明显高于吐鲁沟(p=0.000).
两个地区幼树的 Chl含量均高于老树(p<0.05)
(图3),老树的Car含量、(Z+A)/(V+A+Z)、
428                    冰   川   冻   土   32卷 
图1 不同生境下祁连圆柏稳定碳同位素比δ13 C的变化
(注:以3次重复的平均值做标准误;﹡表示幼树和老树
在两种生境下差异显著(p<0.05,2-tailed))
Fig.1 Stable-carbon isotope ratiosδ13 C(‰)of S.przewal-
skii trees in different environmental conditions
图2 不同生境下祁连圆柏脯氨酸
含量的变化
(注:以3次重复的平均值做标准误;﹡表示幼树和老树
在两种生境下差异显著(p<0.05,2-tailed)))
Fig.2 Proline contents of S.przewalskii
trees in different environmental conditions
Acy和Rhd含量均高于幼树(p<0.05)(图4和图
5).
2.3 不同生境下祁连圆柏PsⅡ光化学效率 (Fv/
Fm)的变化
  大火烧地区祁连圆柏幼树和老树的Fv/Fm值
低于吐鲁沟(p=0.011);两个地区幼树的Fv/Fm
值均高于老树(p<0.05)(图6).
3 讨论
植物水分利用效率是探明植物对于环境变化适
图3 不同生境下祁连圆柏叶绿素含量的变化
(注:以3次重复的平均值做标准误;﹡表示幼树和老树
在两种生境下差异显著(p<0.05,2-tailed))
Fig.3 Chlorophyl contents of S.przewal-
skii trees in different environmental conditions
应性以及预测环境变化的重要指标[20],大量研究
表明,C3植物δ13C值可以有效地指示植物长期水分
利用效率[21-22].我们的研究表明,土壤含水量越
低,稳定碳同位素δ13C的值越高.相对干旱环境大
火烧幼树和老树的δ13C值明显高于相对湿润环境吐
鲁沟,并且老树高于幼树,说明相对干旱环境的祁
连圆柏具有较高的水分利用效率,这正是祁连圆柏
对干旱环境的一种生理适应策略[23].脯氨酸的积
累能力通常被作为植物抗旱性选择的基础[24],本
研究中大火烧幼树和老树的脯氨酸值都明显高于吐
鲁沟(p=0.000).也有研究报道[24],尾叶桉 (Eu-
calyptus urophylla)和枫香 (Liquidambar formo-
sana)幼苗在干旱胁迫下,脯氨酸质量分数都明显
增加.这是由于干旱胁迫使脯氨酸氧化降解的过程
受到抑制使反应向有利于合成脯氨酸的方向进行,
导致了脯氨酸的增加[25],从而提高了其渗透调节
能力,增强了植物的抗旱能力.相对干旱地区老树
比幼树较高的δ13C值和脯氨酸含量反映了祁连圆柏
长期适应其生境的机制.
  植物在与其特有生境的协同进化过程中形成了
多种光合保护机制,其中叶绿素和叶黄素能非常有
效地防止光合机构破坏,进而降低光合抑制的程
度[1].本研究中,干旱环境下叶绿素含量较低,其
原因是干旱胁迫通过抑制叶绿素合成,并加速其分
解,导致叶绿素含量下降[26-27].也可认为是受胁迫
植物起保护作用的适应性机制[28],叶绿素含量减
少使叶片截取的光子数量减少同时更有效地驱散过
5284期 文陇英等:不同生境下祁连圆柏叶片色素和稳定碳同位素组成的变化  
图4 不同生境下祁连圆柏类胡萝卜素含量(a)和(Z+A)/(V+A+Z)(b)的变化
(注:以3次重复的平均值做标准误;﹡表示幼树和老树 在两种生境下差异显著(p<0.05,2-tailed))
Fig.4 Carotenoid content(a)and(Z+A)/(V+A+Z)(b)of S.przewalskii trees in
different environmental conditions
图5 不同生境下祁连圆柏花青素(a)和紫松果黄素(b)含量的变化
(注:以3次重复的平均值做标准误;﹡表示幼树和老树在两种生境下差异显著(p<0.05,2-tailed))
Fig.5 Anthocyanin(a)and rhodoxanthin contents(b)of S.przewalskii
trees in different environmental conditions
剩的激发能[29].叶绿素含量与Fv/Fm的变化趋势
也一致,干旱胁迫使祁连圆柏 PsⅡ受损,降低了
PSⅡ原初光能转化效率,光合作用原初反应过程受
到抑制,植物的光合作用会减弱,说明祁连圆柏是
通过降低叶绿素含量来对光合作用产生影响.干旱
环境下祁连圆柏与臭柏(Sabina vulgaris Ant.)叶
绿素和叶黄素循环的变化趋势相同,这是由于干旱
胁迫使叶绿素合成受阻,而使叶黄素循环增强以保
证光合过程的进行[30].类胡萝卜素是光合系统的
基本成分,既参与光捕获又抑制过剩激发能[31],类
胡萝卜素含量在大火烧老幼树都保持较高水平(p
=0.000).大火烧幼树和老树的(A+Z)/(V+A+
Z)值都显著高于吐鲁沟(p=0.000),随着(A+Z)/
(V+A+Z)的增加光合效率Fv/Fm减少;叶黄素
循环库(A+Z)/(V+A+Z)与类胡萝卜素的变化趋
势一致.高的类胡萝卜素含量和叶黄素循环库可以
用来消散过剩光能,保持光合效率以耐受干旱胁
迫[32-33].前人报道表明,植物在干旱状态下花青素
含量增加,如干旱胁迫使豇豆苗及一些光保护下的
复苏植物花青素含量明显增加[34-36].这是因为花
青素可以通过降低叶片潜在的渗透势来减少蒸发,
以抵抗干旱胁迫.一些植物紫松果黄素与抗旱和抗
强光辐射有关,如芦荟在干旱胁迫下紫松果黄素含
量升高,由于紫松果黄素起能量平衡作用,阻止强
光进入光合系统,从而对光合设备加以保护[36,19].
而我们的研究结果则相反,在干旱状态下,花青素
和紫松果黄素含量都较低,其机制有待进一步研
究.在两种生境下,除叶绿素外,其它被测色素老
628                    冰   川   冻   土   32卷 
图6 不同生境下祁连圆柏PsⅡ光化学效率Fv/Fm的变化
(注:以3次重复的平均值做标准误;﹡表示幼树和老树
在两种生境下差异显著(p<0.05,2-tailed))
Fig.6 Fv/Fm of S.przewalskii trees in different
environmental conditions
树都显著高于幼树,这是祁连圆柏长期适应环境的
结果.同时也说明,色素在干旱胁迫下起重要的光
保护作用,其变化是祁连圆柏在长期与环境交互作
用过程中形成的一种适应策略.
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Variations of Pigments and Stable-Carbon Isotope Ratios in
Sabina przewalski under Different Environments
WEN Long-ying1,2,4, CHEN Tuo1, ZHANG Man-xiao1, DUAN Zheng-hu1,
PENG Ren-qing3, JIAN Qi-liang3, PEI Hui-juan1,4
(1.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou Gansu
730000,China;2.College of Chemistry and Life Sciences,Leshan Teachers College,Leshan Sichuan 614004,China;
3.School of Life Sciences,Lanzhou University,Lanzhou Gansu 730000,China;4.Graduate
University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)
Abstract:The variations ofδ13C and the contents
of five pigments and proline in needles of S.prze-
walskii from Dahuoshao(dry site)and Tulugou
(wet site)in the Qilian Mountains were investiga-
ted.The needles contain moreδ13C,carotenoids,
xanthophyl and proline,less chlorophyl,anthocy-
anin,rhodoxanthin and Fv/Fm in the dry condi-
tion.Except for Fv/Fm and chlorophyl,other ex-
amined parameters of mature trees are higher than
that of young trees in both environments.These
results suggest that the pigments play an important
role for drought-induced photo-protective function,
and the S.przewalskii species can acclimate to the
arid environment in a long term by changing the
pigment contents.
Key words:Sabina przewalskii;pigments;drought;δ13C
828                    冰   川   冻   土   32卷