全 文 ：李孝凯，沙 伟，国春晖，等． 低温胁迫对毛尖紫萼藓、东亚砂藓生理生化及光合特性的影响［J］． 江苏农业科学，2014，42(10):355 － 359．
低温胁迫对毛尖紫萼藓、东亚砂藓生理生化
及光合特性的影响
李孝凯，沙 伟，国春晖，张梅娟
(齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，黑龙江齐齐哈尔 161006)
摘要:研究低温胁迫对毛尖紫萼藓、东亚砂藓生理生化特性，以及解除胁迫后生理生化和光合特性的影响。结果
表明，低温胁迫下，2 种藓游离脯氨酸、可溶性糖含量显著上升;－ 20 ℃处理下，2 种藓可溶性蛋白含量显著下降，其他
低温胁迫下可溶性蛋白含量显著上升;解除胁迫后，随恢复时间的延长，2 种藓可溶性糖、可溶性蛋白含量显著高于对
照，实际光化学量子产额、电子传递效率显著上升，非光化学淬灭系数显著下降;低温胁迫下，2 种藓能通过渗透调节
物质的积累来提高植物抗逆性从而适应低温;在解除胁迫恢复过程中，2 种藓类植物渗透调节物质及光合特性能够迅
速恢复到正常生长状态，说明极端低温并没有对 2 种藓造成不可恢复的伤害，2 种藓类植物均能够适应极端低温。
关键词:毛尖紫萼藓;东亚砂藓;低温胁迫;渗透调节;光合特性
中图分类号:Q945． 78 文献标志码:A 文章编号:1002 － 1302(2014)10 － 0355 － 04
收稿日期:2013 － 11 － 14
基金项目:国家自然科学基金(编号:31070180、31270254)。
作者简介:李孝凯(1986—)，男，黑龙江佳木斯人，硕士研究生，研究
方向为植物遗传学。E － mail:075lxk@ 163． com。
通信作者:沙 伟，教授，研究方向为苔藓植物分子生物学和遗传学。
E － mail:shw1129@ 263． net。
春旱、秋霜冻为我国北方地区的主要自然灾害，这些灾害
对植物生长、产量、分布起决定性作用，因此低温已成为限制
植物地理分布和植物产量的重要环境因素之一。植物抗寒性
研究表明，低温环境下植物的生理生化和光合特性最先受到
影响，植物在适应低温的过程中会积累渗透调节物质和调节
光合特性［1］。植物生理生化及光合特性通常被作为衡量植
物抗寒性的重要指标，因此研究低温对植物生理生化及光合
特性影响具有重要意义。苔藓植物隶属于高等植物中较为低
等的类群，是自然界的拓荒者之一，是种数仅次于种子植物的
高等植物，全世界约有 23 000 多种苔藓植物，我国已发现
2 200 多种，占全世界的 9． 1%［2］。在中国，从年均气温低于
0 ℃ 的极地到年均气温超过 53 ℃的温泉都有苔藓植物分
布，由此可见，苔藓植物在我国分布范围极其广泛，由于很多
种类的苔藓植物能够在极度低温和阳光直射的逆境环境下正
常生长，甚至寒温带仍有苔藓植物生长，很多种类的苔藓植物
往往被作为抗寒性研究材料［3］。黑龙江省五大连池风景区
冬季严寒漫长，夏季凉爽短暂，年均气温 － 0． 5 ℃，最低气温
为 － 42 ℃，毛尖紫萼藓(Grimmia pilifera)、东亚砂藓(Ｒacomi-
trium japonicum)2 种藓类植物在该条件下均能够正常生长，
因此其抗寒机制具有重要探索价值。目前，植物抗寒性相关
报道很多，但鲜有这 2 种藓抗寒性相关研究。因此，本研究通
过人工模拟低温条件，从渗透调节物质及光合特性等方面综
合分析 2 种藓类植物的抗寒机制，旨在为苔藓植物抗寒性研
究提供理论基础。
1 材料与方法
1． 1 材料
将采自黑龙江省五大连池风景区的已干燥毛尖紫萼藓、
东亚砂藓清洗干净，自然复水，25 ℃培养至材料达到自然生
长状态。
1． 2 处理
将正常生长的植物分别放在 － 80、－ 40、－ 20、4 ℃冰箱
中进行低温胁迫，胁迫时间分别为 5、10、15、20、25、30 d，取其
茎尖部分，每个处理 3 次重复，测定相应生理指标。将不同温
度胁迫 30 d后的 2 种藓分别进行解冻恢复 5 d(Ｒ)处理，分别
测定其生理指标及恢复过程中的光合特性变化，以 25 ℃正常
生长植物作为对照(CK)。
1． 3 方法
1． 3． 1 生理指标测定 脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸
法［4］;可溶性糖含量的测定采用蒽酮法［4］;可溶性蛋白含量
的测定采用考马斯亮蓝 G250 染色法［4］。
1． 3． 2 光合指标测定 采用美国 Li － COＲ 公司生产的
Li －6400 便携式光合系统分析仪于 08:00 测定 2 种藓的实际
光化学量子产额(Yield)、电子传递效率(ETＲ)、非光化学淬灭
系数(qN)。每株植物测定 10 次。测定条件:叶室温度控制在
20 ～25 ℃，光强 1 mmol /(m2·s)，CO2 浓度 400 μmol /mol，流
速 500 μmol / s。
1． 3． 3 数据分析与处理 采用 Excel 2003 软件作图，采用
SPSS 20． 0 软件分析数据，使用单因素方差分析检验试验处
理对各项参数的影响。使用多重检验方法比较不同温度条件
下的情况。
2 结果与分析
2． 1 低温胁迫下毛尖紫萼藓、东亚砂藓脯氨酸含量的变化
植物体内脯氨酸作为最重要的渗透调节物质之一，在外
界环境因子(如干旱、高盐、高温、低温等)胁迫时，脯氨酸含
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量均会升高，并积累在植物器官里［5 － 6］。由图 1 可以看出，
－ 80 ～ 4 ℃胁迫 30 d 后 2 种藓脯氨酸含量极显著高于对照
(P ＜ 0． 01)，－ 80、－ 40、－ 20、4 ℃处理下，毛尖紫萼藓脯氨酸
含量分别是对照的 288%、188%、195%、154%，东亚砂藓脯
氨酸含量分别是对照的 419%、326%、292%、230%。随着胁
迫温度下降，2 种藓脯氨酸含量急剧上升，并且东亚砂藓脯氨
酸含量增幅较毛尖紫萼藓更大。2 种藓解除胁迫恢复 5 d 后
脯氨酸含量下降，此时其含量仍显著高于对照(P ＜ 0. 05)。
2． 2 低温胁迫下毛尖紫萼藓、东亚砂藓可溶性糖含量变化
由图 2 可以看出，4、－ 20、－ 80 ℃胁迫下，毛尖紫萼藓、
东亚砂藓可溶性糖含量极显著上升(P ＜ 0． 01)，胁迫 30 d后，
毛尖紫萼藓可溶性糖含量分别是对照的 118%、107%、
153%，东亚砂藓可溶性糖含量分别是对照的 116%、141%、
145%。 － 40 ℃胁迫下，2 种藓可溶性糖含量与对照差异不显
著，可能是该温度能够激发 2 种藓其他渗透调节物质的积累，
与可溶性糖产生协同作用抵御寒冷，使得该温度下 2 种藓可
溶性糖含量与对照差异不显著。2 种藓在解除胁迫恢复过程
中可溶性糖含量与对照差异不显著。
2． 3 低温胁迫下毛尖紫萼藓、东亚砂藓可溶性蛋白含量变化
由图 3 可以看出，低温胁迫下，毛尖紫萼藓、东亚砂藓可
溶性蛋白含量显著上升(P ＜ 0． 05)。4、－ 40、－ 80 ℃胁迫
30 d 后，毛尖紫萼藓可溶性蛋白含量分别是对照的 198%、
107%、117%，东亚砂藓可溶性蛋白含量分别是对照的
122%、103%、105%。 － 20 ℃胁迫 30 d 后，2 种藓可溶性蛋
白含量显著极低于对照(P ＜ 0． 01)，毛尖紫萼藓、东亚砂藓可
溶性蛋白含量分别是对照的 42%、47%，说明该温度下 2 种
藓可溶性蛋白大量降解。解除胁迫恢复后，2 种藓可溶性蛋
白含量显著高于对照(P ＜ 0． 05)。
2． 4 低温复苏下毛尖紫萼藓、东亚砂藓实际光化学量子产额
变化
正常生长植物在光合作用下 PSⅡ总的光化学量子产额
被称为实际光化学量子产额(Yield)，它反映 PSⅡ 反应中心
在部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，Yield数值大小
能够反映植物光能转化效率［7］。由图 4 可以看出，随着胁迫
处理时间延长，低温胁迫下 2 种藓在分别解除胁迫后 Yield
呈逐渐上升趋势，各处理间差异显著(P ＜ 0． 05)，在恢复 4 d
后与对照相比显著回升(P ＜ 0． 05)。 － 80、－ 40、－ 20、4 ℃处
理下，解除胁迫恢复 4 d 后毛尖紫萼藓 Yield 分别是对照的
113%、114%、111%、117%;东亚砂藓 Yield 分别是对照的
103%、116%、108%、111%。2种藓Yield在恢复过程中呈缓
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慢上升，说明恢复过程中其光能转换能力逐渐提高。
2． 5 低温复苏下毛尖紫萼藓、东亚砂藓电子传递速率( ETＲ)
变化
植物进行光合作用时其光合机构吸收光能，电荷分离产
生的电子会沿着电子传递链向下传递，电子传递速率能够反
映 PSⅡ 反应中心的电子捕获效率［8］。由图 5 可以看出，解
除低温胁迫后毛尖紫萼藓、东亚砂藓 ETＲ 与 Yield 变化规律
基本一致，都随胁迫处理时间延长呈逐渐上升趋势，各处理间
差异显著(P ＜ 0． 05)。 － 80、－ 40、－ 20、4 ℃处理下，解除胁
迫于室温 25 ℃下恢复 4 d后毛尖紫萼藓 ETＲ 分别是对照的
106%、106%、102%、108%;东亚砂藓 ETＲ 分别是对照的
117%、118%、111%、117%。表明 2 种植物PSⅡ 反应中心的
电子捕获效率在恢复过程中逐渐提高。
2． 6 低温复苏下毛尖紫萼藓、东亚砂藓非光化学淬灭系数
( qN ) 变化
qN 反映植物天然色素在光合作用下吸收的光能不能用
于光合电子传递而以热形式耗散掉的部分光能，是 PSⅡ 中
重要的保护机制［9］。由图 6 可以看出，解除低温胁迫后毛尖
紫萼藓、东亚砂藓 qN 显著下降，各处理间差异显著(P ＜
0. 05)。 － 80、－ 40、－ 20、4 ℃处理下，解除胁迫于室温 25 ℃
下恢复 4 d后毛尖紫萼藓 qN 分别为对照的 0． 96%、0． 41%、
0. 38%、0． 90%;东亚砂藓 qN 分别是对照的 0． 26%、0． 34%、
0. 91%、0． 89%。说明 2 种藓随 PSⅡ 中 ETＲ 的提高，能将更
多吸收的光用于光合作用，使 qN 逐渐下降。
3 结论与讨论
脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质之一，在低温环
境下能提高胞内溶质浓度，降低细胞冰点，防止细胞过度脱
水，降低低温对植物细胞造成的损伤。大量研究表明，脯氨酸
与植物的抗寒性有一定相关性，且脯氨酸还是活性氧的清除
剂，能保护膜结构，防止膜脂过氧化［10 － 12］。本研究表明，2 种
藓在不同温度胁迫下脯氨酸含量变化规律基本一致，随着胁
迫时间延长，其含量呈急剧上升趋势，可见随着胁迫时间延
长，2 种藓能够诱导脯氨酸合成，这可以说明脯氨酸参与了 2
种藓的生理代谢和能量代谢，其含量增加正是 2 种藓应对低
温的生理响应。在低温胁迫的 15 d 内，2 种藓类植物脯氨酸
含量出现了一些波动，这和一般植物在低温胁迫过程中的变
化规律基本相似，说明在胁迫初期脯氨酸积极参与调节植物
细胞之间渗透压平衡，防止细胞过度失水，减少低温对植物体
的伤害，这与史玉炜等的研究结果［10］一致。胁迫后期，毛尖
紫萼藓脯氨酸含量略有下降，但整个胁迫过程其含量均显著
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高于对照，经分析发现随胁迫时间延长，2 种藓的抗氧化系统
受到一定损伤，导致脯氨酸氧化分解。
可溶性糖、可溶性蛋白作为重要的渗透调节物质，在植物
抗寒方面起重要调节作用［13 － 15］。植物体内可溶性糖含量的
增加可以提高细胞液浓度，增强细胞保水能力，降低冰点，保
持细胞液水溶状态，防止细胞受到低温损伤。同时在低温下，
增加糖代谢能够为渗透调节提供碳骨架，以维持细胞结构和
膜系统稳定，防止细胞溶解结晶［16 － 18］。植物体内的可溶性蛋
白具有很强的亲水性，在低温下能够束缚大量水分，从而降低
细胞结冰程度，但其结构和功能对外界环境变化很敏感［19］。
本研究从可溶性糖和可溶性蛋白含量变化规律可以发现，
4 ℃ 处理下，随着时间延长，2 种藓可溶性糖含量呈先上升后
下降趋势，可溶性蛋白含量显著上升，说明该温度能激发 2 种
藓的抗寒保护机制，但并没有对植物组织造成大的伤害。当
温度降至 － 20 ℃时，2 种藓可溶性糖含量急剧上升，而可溶性
蛋白含量急剧下降且极显著低于对照，经分析发现，该温度下
细胞内物质代谢可能发生紊乱，蛋白酶系统受到损伤，导致可
溶性蛋白水解量大于合成量。当胁迫温度降至 － 40 ℃时，2
种藓可溶性糖含量显著上升，可溶性蛋白含量呈先下降后上
升的趋势，但在胁迫后期可溶性糖含量与对照基本持平，可溶
性蛋白含量极显著高于对照，说明 2 种藓在大量积累可溶性
糖的同时可能还诱导新的抗冻蛋白合成。当温度继续下降至
－ 80 ℃时，2 种藓可溶性糖、可溶性蛋白含量均急剧上升。说
明该极端低温通过大量积累可溶性糖、可溶性蛋白来共同抵
御寒冷。综上可知，不同低温胁迫下，2 种藓可溶性糖积极参
与生理代谢，通过可溶性糖的大量积累防止极端温度下细胞
内部结冰，维持细胞组织的水溶性，这与吴娜对卫矛科 3 种
常绿阔叶植物的研究结论［20］一致。 － 20 ℃ 低温会造成 2 种
藓可溶性蛋白降解，但当温度降至 － 40、－ 80 ℃ 时，2 种藓可
溶性蛋白含量极显著提高，说明极端低温能诱导新的抗冻蛋
白的合成，极端低温下 2 种藓通过可溶性糖、可溶性蛋白的协
同作用来抵御寒冷，－ 40 ℃很可能是这些抗冻蛋白合成的临
界温度，其中 － 80 ℃下可溶性蛋白大量积累，说明随温度的
降低，这些抗冻蛋白合成量变大。笔者认为，可溶性蛋白含量
变化对毛尖紫萼藓、东亚砂藓抗寒机制研究具有指导意义，也
为以后苔藓植物抗寒性研究提供了理论基础。
目前，叶绿素荧光技术已成为研究非生物胁迫对植物光
合作用影响的重要方法［21］。Yield、ETＲ、qN 等叶绿素荧光技
术参数。如果植物不受非生物因素影响，Yield、ETＲ、qN 等叶
绿素荧光技术参数一般不会发生大的波动。本研究表明，2
种藓在解除胁迫后 1 d，Yield、ETＲ 很低，说明在胁迫过程中
光合机构受到一定破坏，造成 PSⅡ反应中心活性减弱。qN 则
反映 PSⅡ天线色素吸收的光能没有被用于光合电子传递，而
以热的形式被耗散掉，此时 qN 极显著升高，以热的形式耗散
掉过剩光能，从而保护光合电子传递链不被过剩光能破坏，维
持相对较高的电子传递速率。而在解除胁迫 1 ～ 4 d，2 种藓
的 Yield、ETＲ变化规律整体保持一致，都呈显著上升趋势，qN
极显著下降，说明 PSⅡ反应中心活性逐渐增强，这可能是 2
种藓在解除胁迫过程中脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的大量
积累保持了类囊体膜与细胞质膜的结构完整性与功能稳定
性［22 － 23］，从而使 PSⅡ蛋白复合体能迅速恢复到正常功能，
PSⅡ 反应中心受体侧的电子传递链以及反应中心均能得到
快速而有效的恢复，提高实际光化学效率，减少过剩光的积
累，其相应反应中心 qN 逐渐下降
［24］。
综上所述，2 种藓脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量的
变化与抗寒性具有一定的相关性。在不同低温胁迫过程中，2
种藓均能通过渗透调节物质的积累来防止细胞膜脂的过氧
化，维持细胞膜的完整性，保证细胞膜脂各项生理生化反应能
够正常进行。低温胁迫过程中，这 3 种渗透调节物质含量的
峰值出现在不同时间点，分析认为 3 种渗透调节物质在抵御
寒冷过程中有一定的先后顺序，相互间通过协同作用来增强
2 种藓的抗寒保护机制。解除胁迫后，2 种藓渗透调节物质以
及光合特性能够维持在可恢复状态。因此，毛尖紫萼藓、东亚
砂藓能够通过渗透调节物质及光合特性调节来适应寒冷。
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司云龙，任丽丽，李玉玺，等． 一株巨大芽孢杆菌 J1 的生胞培养及优化［J］． 江苏农业科学，2014，42(10):359 － 361．
一株巨大芽孢杆菌 J1 的生胞培养及优化
司云龙1，任丽丽1，2，李玉玺1，2，陈 阳1
(1．滨州学院生命科学系，山东滨州 256603;2．山东省黄河三角洲野生植物资源开发利用工程技术研究中心 /滨州学院，山东滨州 256603)
摘要:以巨大芽孢杆菌 J1为材料，利用溶磷圈法测定了菌株的解磷能力，优化了菌株的最佳发酵条件、最适培养基。
结果表明，此菌株溶磷效果明显;此菌株生长的最适培养时间为 28 h，最适接种量为 6． 7%，最适 pH值为 8． 5;最佳碳源
为玉米粉与葡萄糖的复合碳源，最佳氮源为大豆粉与硫酸铵的复合氮源。摇瓶培养的接种量为 6． 7%，pH 值为 8． 5，
250 mL 三角瓶中最适装液体积为 30 mL，培养温度为 30 ℃，培养时间为 28 h，最适宜转速为 180 r /min的摇瓶培养条
件下，巨大芽孢杆菌活菌数各影响因素最佳组合为:玉米粉 20 g /L，葡萄糖 5 g /L，大豆粉 7． 5 g /L，硫酸铵 0． 33 g /L，各
因子对巨大芽孢杆菌活菌数的影响由大到小依次为:硫酸铵浓度 ＞玉米粉浓度 ＞葡萄糖浓度 ＞大豆粉浓度。
关键词:巨大芽孢杆菌;培养基;芽孢率;氮源;碳源;培养条件
中图分类号:S144． 9 文献标志码:A 文章编号:1002 － 1302(2014)10 － 0359 － 03
收稿日期:2013 － 12 － 11
基金项目:国家级大学生创新创业训练计划(编号:201210449130)。
作者简介:司云龙(1990—)，男，从事微生物肥料研究。E － mail:
xiaosiwuqing@ 163． com。
通信作者:任丽丽，讲师，从事微生物肥料研究。E － mail:tutuya_001g
@ 163． com。
植物生长发育过程中，磷元素以多种方式参与生物体内
的代谢过程，是植物不可缺少的大量元素之一［1 － 2］。土壤中
的磷元素主要以难溶磷酸盐的形式存在，可溶性磷含量很少。
据统计，世界土壤的平均含磷量约为 0． 04%，我国土壤的平
均含磷量为 0． 02% ～ 0． 1%，南方酸性土壤含磷量低于
0． 04%［3 － 4］。研究发现，土壤中存在解磷微生物，它们能够将
磷酸盐转化为可溶性磷供植物吸收利用，解磷菌还可以产生
有机酸、生长素、抗生素等物质，刺激作物生长，抑制病原菌生
长，改善土壤微环境，从而更有利于植物生长发育［5 － 9］。目前
对磷细菌的研究仅局限于菌种分离选育及作用效果比较方
面，对于影响磷细菌生长的因素研究较少［10 － 13］。微生物种类
多样，发酵过程中受各种因素的影响，导致菌株发酵水平相对
较低［14］。本试验探讨环境因素对巨大芽孢杆菌生长的影响，
并在此基础上探讨该菌的最佳发酵条件，旨在为扩大巨大芽
孢杆菌生产规模提供理论依据。
1 材料与方法
1． 1 材料
巨大芽孢杆菌 J1 由山东京博控股股份有限公司技术中
心生物化工研究所提供。
1． 2 培养基
摇瓶基础培养基:玉米粉 30 g，大豆粉 15 g，K2HPO4
2． 0 g，MgSO4 2． 0 g，CaCO3 1． 5 g，MnSO4 0． 05 g，H2O
1 000 mL，pH 值为 7。平板培养基:蛋白胨 10 g，氯化钠
5． 0 g，牛肉膏粉 3． 0 g，琼脂 15 g，H2O 1 000 mL。蛋黄培养
基:将 50%的蛋黄液按照 6%的比例加入平板培养基中。
1． 3 方法
1． 3． 1 巨大芽孢杆菌 J1 解磷效能测定 根据巨大芽孢杆
菌 J1 在蛋黄培养基上形成的透明圈直径判断其解磷效能。
1． 3． 2 培养条件对巨大芽孢杆菌 J1 生长的影响
1． 3． 2． 1 pH值对巨大芽孢杆菌 J1 生长的影响 采用摇瓶
基础培养基培养，分别于 pH 值为 5． 5、6． 5、7． 5、8． 5 情况下
180 r /min、30 ℃ 振荡培养 28 h 后进行平板计数。
1． 3． 2． 2 培养时间对巨大芽孢杆菌 J1 生长的影响 采用摇
瓶基础培养基培养，在 pH 值为 8． 5、转速为 175 r /min、30 ℃
下分别振荡培养 24、28、32、36 h后进行计数。
1． 3． 2． 3 接种量对巨大芽孢杆菌 J1 生长的影响 采用摇瓶
基础培养基，在 pH值为 8． 5、转速为 180 r /min条件下将接种
量分别为 3． 3%、6． 7%、10． 0%的摇瓶置于振荡培养箱中
30 ℃ 培养 28 h 后进行计数。
—953—江苏农业科学 2014 年第 42 卷第 10 期