全 文 ：收稿日期:2002-12-11;修订日期:2003-05-26
基金项目:国家自然科学基金(39770135 、30270240)、
中国科学院海北高 寒草甸生态 系统定位站 基金
(110201670)和知识创新项目(CXLY-03-7)资助
作者简介:滕中华(1972-),男 , 重庆潼南人 ,助教 , 硕
士 , 2001年毕业于中国科学院西北高原生物研究所.
青藏高原黑褐苔草的抗寒性物质季节变化动态研究
滕中华1 ,2 , 韩　发2 , 师生波2 , 周党卫2 , 智　丽3
(1.西南农业大学农学与生命科学学院 ,重庆　北碚　400716;
2.中国科学院西北高原生物研究所 ,青海　西宁　810001;
3.西南农业大学园林园艺学院 ,重庆　北碚　400716)
摘要:测定了生长在青藏高原的黑褐苔草叶片中几种与抗逆性有关的生化物质含量的季节变
化。结果发现:可溶性糖含量随生长的季节进程升高;脯氨酸含量在返青期最高 , 草盛期保持稳
定 ,枯黄期下降;过氧化物酶(POD)和超氧物歧化酶(SOD)活性在草盛期最高 , 枯黄期最低;丙二醛
(MDA)含量逐渐升高 ,表明黑褐苔草的抗性差异与高寒地区的特殊气候因素有关。
　　关键词:黑褐苔草;抗寒性物质;季节变化
　　中图分类号:Q945.78　　文献标识码:A　　文章编号:1000-6311(2003)04-0036-05
Seasonal Changes of Substances Related with Cold Resistance in Carex atrofusca in
Qinghai_Tibetan Plateau.TENG Zhong_hua1 ,2 , HAN Fa2 , SHI Sheng_bo2 , ZHOU
Dang_wei2 , ZHI Li3(1.Department of Agronomy , Southwest Agricultural
Universi ty , Chongqing 400716;2.Northwest Plateau Insti tute of Biology , CAS ,
X ining , Qinghai 810001 , China):Grassland of China , No.4 ,2003 ,pp.36 ～ 40.
Abstract:A few substances related wi th stress resistance w ere determined seasonally in
the leaves of Carex at rofusca g row n in Qinghai_Tibetan Plateau.The results show that
concentrate of soluble sugar increases seasonally , while content of proline declines , activi-
ties of both supero xide dismutase(SOD)and peroxidase(POD)are highest in exuberance
period and low est in w ithering period.The variations w ere associated w ith alpine cli-
mate.
Key words:Carex atrofusca ;Substances related w ith cold resistance;Season
　　低温和强辐射是青藏高原地区的主要气
候特征之一。高原地区的太阳辐射和紫外辐
射远高于平原地区 ,且随着海拔高度的增加
气温也逐渐下降 ,有时高原地区 6 ～ 7月份甚
至仍出现寒风怒吼 、大雪纷飞的独特景象。
生长在这种极端环境下的高山植物经过长期
的自然选择和自身的遗传变异 ,形成了有效
的对付低温和强辐射胁迫的生理适应机制。
本文以广泛分布于青藏高原的抗寒植物黑褐
—36—
第 25卷　第 4期　　　　　　　　　　　　中　国　草　地　　　　　　　　　　　　2003 年 7 月
Vol.25　No.4 　 　　　　　　　　　　　Grassland of China　　　　　　　　 　　　　Jul.2003
苔草为材料 ,通过测定生长季节叶片的几种
与抗逆性有关的生理生化物质指标变化 ,探
讨黑褐苔草在自然极端环境胁迫下的生理适
应特征。
1　材料与方法
1.1　实验区概况
试验区设在中国科学院海北高寒草甸生
态系统定位站(简称:海北站)。该站位于青
藏高原东北隅 ,地处祁连山段冷龙岭南麓 ,北
纬37°29′～ 37°45′、东经 101°12′～ 101°33′,
海拔 3200m 。属高原大陆性气候 ,无四季之
分 ,仅有冷暖二季 ,年平均气温为-1.7℃,气
温日差大 ,寒潮和冷空气侵入频繁 ,霜冻严
重 ,全年无绝对无霜期 。该地区生长的植物
稳定生长期只有 130d左右 ,苔草为该地区的
优势种植物之一 。本实验于 2000年进行 ,分
别于黑褐苔草生长的返青期(5月下旬)、草
盛中期(7月上旬)、草盛后期(8 月中旬)、枯
黄期(9 月下旬)对叶取样 ,用冰瓶带回实验
室进行测定 ,3次重复 。
1.2　实验方法
1.2.1　可溶性糖含量的测定
采用蒽酮比色法[ 1] 。
1.2.2　脯氨酸含量的测定
参考刘祖祺 、张石城方法[ 2] ,称取 1.0g
新鲜材料 ,加入 80%乙醇 10ml于研钵中研
磨成匀浆 。匀浆液定容至 25ml ,混匀 , 80℃
水浴中提取 20min;加入约 0.5g 人造沸石 、
0.2g 活性碳 , 振荡 0.5min , 取 10ml 于
1000rpm离心 10min , 上清液备用。取上清
液 2ml 、冰醋酸 2ml、酸性茚三酮试剂 2ml ,于
沸水中加热 15min , 冷却后于 515nm 处测
O.D值 。以标准曲线确定材料中的脯氨酸含
量 ,单位μg/g FW 。
1.2.3　SOD及 POD酶活性测定
称取植物叶组织 0.5g ,加入 5.0ml PBS
(含 3%PVP , 62.5mmol/L , pH7.8),于冰浴
上匀浆 , 15000×g 、4℃下离心 20min。取上
清液 4℃保存 ,用于酶活性测定。SOD酶活
性测定参照邹琦方法[ 3] ,以抑制 NBT 光化
还原 50%作为一个酶单位(n)。POD酶活性
测定参照刘祖祺 、张石城方法[ 2] , 取 1ml酶
液 ,加入 3ml 愈创木酚反应混合液 ,混匀 ,
25℃温育 5min ,加入 20μl H2O2启动反应后 ,
立即于 470nm 波长处作时间扫描 ,在 UV-
1601型紫外 —可见分光光度计下 ,测定 10s
内的吸光度变化值 ΔA470。以每分钟 O.D
值增加 0.01 为一个酶活单位 , 酶活性以
n/mg蛋白表示 。
1.2.4　MDA 含量的测定
提取方法同上。取 1.0ml上清液 ,加入
1.0ml PBS 、2.0ml 10%三氯乙酸(含 5%
TBA),煮沸 15min 后快速冷却 , 4000×rpm
离心 20min , 以 10%三氯乙酸(含 0.5%
TBA)为参比 ,在 532nm 、600nm 和 450nm 处
测定 O.D值 。含量按赵世杰等方法计算[ 4] ,
单位 nmolg-1 FW 。
1.2.5　蛋白质含量的测定
按Bradford方法[ 5] ,以 BSA 为标准蛋白
进行测定 。
2　结果与分析
2.1　可溶性糖含量的变化
苔草叶片的可溶性糖含量随生长的季节
进程逐渐升高(图 1)。返青期的含量最低 ,
这可能一方面是经过了一个冬天的呼吸消
耗;另一方面 ,植物返青后直到 5月底 6月
初 ,气温仍然较低 ,且受冰雪霜冻袭击频繁 ,
加之土壤尚未完全解冻 ,植物叶片小 ,光合作
用强度低[ 6] ;因此 ,叶片中可溶性糖积累少 。
至草盛中期(7 月上旬),随着气温上升和降
水量增加 ,光合作用强度增加 ,植物的生长加
快 ,可溶性糖有少量积累 ,但增幅不大 ,可能
是苔草此时处于旺盛生长期 ,可溶性糖被用
于合成别的有机溶质的碳架和能量来源[ 7] 。
—37—
滕中华　韩　发　师生波　周党卫　智　丽　青藏高原黑褐苔草的抗寒性物质季节变化动态研究
图 1　苔草叶片中可溶性糖含量的季节动态
F ig.1　Seasonal changes of soluble sugar
in leaves o f Carex atrof usca
从草盛中期(7 月上旬)至草盛后期(8 月中
旬)是苔草叶片中可溶性糖快速积累阶段 ,这
一时期高原地区的气温 、降水 、太阳辐射等条
件对糖的积累最为有利[ 6] ,致使其含量增幅
最大 ,达 78.1%。随着枯黄期(9 月下旬)的
到来 ,环境气温降低 ,能量需求减少 ,呼吸减
弱 ,苔草叶片中可溶性糖含量亦有少量增加。
有学者报道 ,随着秋季气温下降 ,苜蓿等牧草
根中碳水化合物 、可溶性糖积累增加[ 8] ,是
由于秋末地上叶中可溶性糖向根部转移造
成[ 9] 。本次实验结果也支持上述观点 ,枯黄
期苔草叶片中积累大量的可溶性糖可能此时
还未或刚开始向根部转移 。随着高原地区环
境胁迫的进一步加剧 ,地上叶组织衰亡 ,转移
到根部的大量碳水化合物和可溶性糖将作为
度过漫长而寒冷的冬季的物质基础 。
2.2　脯氨酸含量的变化
苔草叶片中脯氨酸含量的季节动态变化
见图 2。脯氨酸含量返青期最高 ,草盛期下
降 ,但草盛期两阶段含量较为稳定(分别为
108.4mg/g FW 和 104.3mg/g FW),枯黄期
含量最低。对高寒山区几种牧草的研究表
明:在秋末气温下降过程中 ,根中脯氨酸积累
图 2　苔草叶片中脯氨酸含量的季节动态
F ig.2　Seasonal changes of proline
in leaves of Carex atrof usca
异常明显 ,认为是地上趋于死亡的叶片中脯
氨酸运转到根中 ,成为根中积累脯氨酸的主
要途径之一[ 9] 。本次实验发现 ,脯氨酸在枯
黄期叶片中的含量低 ,可能是由于它已向根
中转移的缘故(但枯黄期叶片中是否有脯氨
酸的合成仍未可知);第二年返青期 ,根萌发
出的幼叶中含有高浓度脯氨酸可能是从根中
反运至叶中形成。返青期苔草叶片中高浓度
脯氨酸可能有两方面作用:一是作为抵御高
原地区 5月份低温的保护物质 ,因为脯氨酸
在植物处于低温胁迫时能使植物具有一定的
抗性和保护作用(它能维持细胞结构 、细胞运
输和调节渗透压等 ,其含量与植物的抗寒性
有关[ 10]);另一方面也是作为植物此时生长
所需的氮源和碳源[ 11] 。随着草盛期到来 ,高
原气候条件相对好转 ,叶片中脯氨酸积累下
降。
2.3　保护酶活性与 MDA 含量的变化
在正常情况下 ,植物细胞中存在着活性
氧的产生和消除的平衡过程 ,在逆境胁迫下 ,
活性氧的产生会增多 ,植物体内的抗氧化系
统能力也会相应加强来消除过剩的活性氧 ,
保护植物免受伤害[ 12] 。超氧物歧化酶与过
—38—
中国草地　2003 年　第 25卷　第 4期
图 3　苔草叶片 SOD和 POD酶活性变化
Fig.3　Activity of SOD and POD
in leaves o f Carex atrof usca
图 4　苔草叶片 MDA 含量季节动态
Fig.4　Seasonal changes of MDA
in leaves o f Carex atrof usca
氧化物酶具有清除活性氧自由基 、保护膜结
构的功能[ 13] 。活性氧通过启动膜脂过氧化
伤害植物 ,丙二醛是膜脂过氧化最终产物 ,其
含量多少可代表膜损伤程度大小[ 13] 。从图
3可以看出苔草叶片中两种膜保护酶活性变
化趋势是一致的 ,表明两种酶在功能上有协
同作用。酶活性最高出现在草盛期(7月和 8
月),枯黄期(9月中旬)降至最低。从图 4可
以看出 ,MDA 含量随生长季节的进程逐渐升
高 ,在 9月下旬达到最高 ,是 5月下旬的4.77
倍 ,说明由于受环境胁迫的程度不断加重 ,活
性氧代谢平衡被打破 ,产生了过剩的活性氧
加剧膜脂过氧化作用 ,造成 MDA 含量的增
加。保护酶活性与 MDA 含量的动态变化过
程体现了苔草对高寒环境的适应性 。从返青
期至草盛期 ,随着体内活性氧含量的增加
(MDA含量的上升),保护酶活性也相应上升
(虽然在草盛后期有所下降 ,但仍然维持在较
高水平),加强抗氧化能力。随着枯黄期(9
月下旬)到来 ,高寒地区气温急剧下降严重地
抑制了苔草叶片的生理代谢 , SOD 和 POD
酶活性迅速降低 ,不能清除过量的活性氧 ,导
致 MDA 含量持续升高 ,造成了对植物的氧
化伤害 ,叶片枯黄 ,植物地上部分开始趋于死
亡。
易现峰等 1998 年测定生长在海北站地
区珠芽蓼的 SOD酶活性季节变化表明:珠芽
蓼的 SOD 酶活性最大值出现在 7 月和 8
月[ 15] ,与我们在苔草中测定的结果一致 。高
原地区太阳辐射及紫外辐射最大值也出现在
6月 、7月和 8月[ 16] 。据报道:强太阳辐射及
紫外辐射都会引起植物体内活性氧水平大大
升高 ,膜脂过氧化程度加重[ 17 ,18] ,造成潜在
的氧化伤害 ,但植物也能通过膜保护酶活性
增强来清除过量的活性氧[ 13] 。所以 ,我们认
为 ,苔草 SOD与 POD 酶活性的这种季节变
化特征可能是对高原地区的强辐射及低温逆
境的适应性反应。
3　小结
高山植物从返青期至枯黄期遭受到多种
环境胁迫 ,正是在这些同时或相继发生的环
境胁迫下 ,高山植物的生理生化指标表现出
不同的季节变化 。本次实验结果表明 ,黑褐
苔草从返青期至枯黄期 ,可溶性糖与脯氨酸
在叶片的积累方式是不同的 ,这可能与它们
发挥作用的具体分工不同有关:可溶性糖是
作为能量供应物质和合成机体有机溶质的碳
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滕中华　韩　发　师生波　周党卫　智　丽　青藏高原黑褐苔草的抗寒性物质季节变化动态研究
架发挥作用;脯氨酸则主要是作为一种渗透
调节物质对高寒环境的低温胁迫起保护作
用;SOD及 POD 酶的作用主要是响应高原
地区强烈的紫外线辐射及低温逆境胁迫 。由
此可见 ,黑褐苔草可能通过形成保护性物质
以及与抗氧化系统的协同作用 ,适应了高原
地区的恶劣生态条件 。
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中国草地　2003 年　第 25卷　第 4期