全 文 ：第 35卷 第 7期 东　北　林　业　大　学　学　报 Vol.35 No.7
2007年 7月 JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITY Jul.2007
Ca2+和 K+对紫椴叶片渗透调节指标的影响 1)
　　　　　　　　陈祥伟　　　　　　刘　才　　　　　王恩姮
(北京林业大学 ,北京 , 100083)　　　(黑龙江农垦林业职业技术学院)　　　　(东北林业大学)
　　摘　要　采用不同质量分数的Ca2+和 K+溶液处理 2年生紫椴幼苗 ,在-10℃低温条件下分别处理 4、6、8、10h,测
定和分析其质膜相对透性、丙二醛(MDA)浓度、可溶性糖质量分数及游离脯氨酸质量分数的变化。结果表明:不同质量
分数Ca2+和 K+的处理能够降低质膜透性 、减轻低温胁迫对细胞膜的破坏 、减少丙二醛的浓度 、增加可溶性糖和游离脯氨
酸质量分数。其中,经过 K+处理的植株抵御低温效果显著,并以质量分数为 250%的处理效果最佳。
关键词　紫椴;低温胁迫;Ca2+;K+;生理指标
分类号　Q945.14
EffectofCa2+andK+TreatmentonPhysiologicalIndexesofTiliaamurensunderLowTemperatureStress/ChenXaingwei(BeijingForestryUniversity, Beijing100083, P.R.China);LiuCai(VocationalandTechnicalInstituteofAg-
ricultureandForestryofHeilongjiang);WangEnheng(NortheastForestryUniversity)//JournalofNortheastForestryUni-
versity.-2007, 35(7).-1 ～ 3
Anexperimentwasconductedtostudythechangesofrelativemembranepermeability, MDAconcentration, solublesugarcontentandfreeprolinecontentof2-year-oldTiliaamurensseedlingstreatedwithdiferentconcentrationsofCa2+
andK+underlowtemperaturecondition(-10℃)for4, 6, 8 and10 hoursseparately.Resultshowsthattherelative
membranepermeabilityofthetreatedseedlingsreduces, thedestructivedegreeofmembranelightens, MDAconcentration
decreases, andsolublesugarandfreeprolinecontentsincreaseunderdiferenttreatmentsofCa2+andK+.Itprovesthat
theseedlingstreatedwithK+ havehighcold-resistance, andthebestconcentrationis250%.Keywords　Tiliaamurense;Lowtemperaturestress;Ca2+;K+;Physiologicalindexes
　　近 20a来 ,人们发现钙作为外界刺激信号(光 、温度 、pH、
激素等)的 “第二信使”, 广泛参与并调节着植物体内的生理
生化反应。钙不仅能稳定细胞壁结构 、控制细胞壁酶活性 、保
证细胞的完整性 , 而且对氨基酸的有机代谢产物的积累及无
机离子的吸收等都具有明显的影响。大量结果表明 , 钙在改
变植物的抗寒 、抗盐 、抗旱 、抗热等抗逆性中起着重要的作
用 [ 1] 。钾也是植物生长发育不可缺少的 3大营养元素之一 ,
它在植物体内有多方面的生理功能:维持细胞膨压;促进作物
生长;加速酶促反应保证各种代谢过程顺利进行;提高作物光
合作用速率 , 促进同化产物的运输;增强植物的抗逆性 [ 2] 。
低温是影响作物产量的重要环境因子 ,作物对低温的抗性不
仅取决于其本身的生理生态和遗传特性还与植物本身的养分
状况有较大关系。钾在植物低温抗性中的有益作用已得到较
大程度的认可 [ 3-4] 。
紫椴(Tiliaamurense)是东北红松阔叶混交林的重要组成
树种之一 , 是阔叶树中经济价值很高的优良珍贵树种 , 是胶合
板和细木工板的重要原料。在培育紫椴人工林过程中发现 ,
霜冻是抑制紫椴成活与幼树生长的主要原因 , 常常给林业生
产带来巨大损失 [ 5] 。本试验旨在探讨低温下不同质量分数
的钙液和钾液对紫椴叶片生理指标的影响 , 为阐明钙和钾在
植物抗寒中的作用提供理论依据。
1　材料与方法
1.1　试验材料
1)黑龙江省重大科技攻关项目 “黑龙江省林业生态工程构建技
术研究 ”(GA02B601)。
第一作者简介:陈祥伟 ,男 , 1966年 1月生 ,东北林业大学林学
院 ,教授。
收稿日期:2007年 3月 12日。
责任编辑:程　红。
　　供试水曲柳 、紫椴幼苗为东北林业大学老山实验林场 2
年生实生苗。用 3%硫酸亚铁将经过筛选的河沙消毒后 , 装
入直径为 20cm的塑料花盆和直径为 30cm的塑料桶中 , 分别
装至离盆沿 2cm及桶沿 3 cm左右。将水曲柳 、紫椴幼苗用
清水冲洗干净 , 分别栽入上述容器中 ,水曲柳每盆载 2棵 , 紫
椴每桶载 3棵 ,两种树种每种处理重复 6次。 置于温室中培
养。
1.2　标准营养液配置
采用标准营养液 , 其中大量元素采用 Hoagland及 Snyder
溶液配方 [ 6]:KNO3为 0.51g/L, Ca(NO3)2为 0.82 g/L, Mg-
SO4· 7H2O为 0.49g/L, KH2PO4为 0.136g/L, 0.5%的酒石
酸铁溶液 1mL。 微量元素溶液采用 Arnon微量元素溶液配
方 [ 10]:H3BO3为 2.86mg/L, CuSO4· 5H2O为 0.08mg/L, Zn-
SO4· 7H2O为 0.22 mg/L, MnCl2 · 4H2O为 1.81 mg/L,H2MoO· 4H2O为 0.09mg/L。
质量分数为 100%的 K+与 Ca2+标准溶液作为对照 , 另外
配置质量分数分别为 50%、150%、200%、250%的 K+与 Ca2+
营养液。
1.3　处理方法
在温室中 , 用 5种质量分数的 Ca2+与 K+营养液分别处
理紫椴幼苗 , 每种处理重复 6次。 各处理每天浇营养液 100
mL, 3个月后 , 将经过不同处理的紫椴幼苗 , 从温室中取出 , 放
入(-10±1)℃的低温冰柜中 ,分别处理 2、4、6、 8、10h[ 7] 。按
时取出 , 用叶片进行各生理指标的测定。
1.4生理指标测定
质膜相对透性以相对电导率表示 , 采用电导法测定;丙二
醛浓度的测定采用磷酸缓冲液的方法;可溶性糖质量分数采
用蒽酮试剂法测定;游离脯氨酸质量分数采用磺基水杨酸法
测定 [ 8] 。
2　结果与分析
2.1　Ca2+、K+对紫椴叶片相对电导率的影响
细胞膜透性的增加是低温伤害的主要特征 ,电导率可用
来表示质膜透性大小 ,进而反应植物抗寒力强弱。由表 1看
出 , 不同质量分数的 Ca2+、K+处理条件下 , 紫椴叶片相对电
导率在不同冰冻时间序列上的变化规律整体上是一致的 , 都
是呈现逐渐上升的趋势 ,且上升的幅度很小 , 比较稳定。与此
同时 ,紫椴叶片相对电导率受不同质量分数的 Ca2+、K+影响
显著 ,除在 150%时迅速升高外 , 基本随着质量分数的增加而
降低 ,而且幅度很大。说明 Ca2+、K+对于紫椴幼苗抵抗寒害
具有较强的作用 , 能够保护细胞膜的相对透性 ,减少细胞内容
物外漏 ,使细胞免遭低温冰冻的进一步危害 ,可以有效提高紫
椴幼苗抵抗低温的能力。与 Ca2+相比 , K+对紫椴幼苗相对
电导率的影响更显著一些。
表 1　不同质量分数 Ca2+、K+处理下紫椴叶片相对电导率 %　
冰冻时
间 /h
1组(50%)
Ca2+ K+
2组(100%)
Ca2+ K+
3组(150%)
Ca2+ K+
4组(200%)
Ca2+ K+
5组(250%)
Ca2+ K+
2 66.67 73.82 65.04 65.04 79.26 24.47 58.97 20.92 25.15 18.98
4 67.16 73.92 64.60 64.60 79.03 24.07 59.32 21.04 25.26 18.86
6 67.26 73.59 64.85 64.85 79.26 24.14 59.32 21.11 25.48 18.82
8 67.56 73.37 65.33 65.33 79.26 24.28 59.58 21.11 25.71 18.17
10 68.48 73.26 65.43 65.43 79.73 24.32 59.76 21.23 26.62 19.61
2.2　Ca2+、K+对紫椴叶片丙二醛浓度的影响
低温胁迫下膜脂过氧化的加剧会引起质膜透性的增
大 [ 9] , 丙二醛是膜脂过氧化的产物之一 , 可作为植物抗寒能
力的指标。从表 2可以看出 , 无论是冰冻时间序列上 ,还是质
量分数梯度上 , 紫椴叶片内丙二醛浓度受不同质量分数的
Ca2+、K+的影响不大 , 各种处理的结果基本相同。 但从冰冻
胁迫至 10h时丙二醛浓度的数值来看 , 质量分数为 200%的
Ca2+处理的丙二醛浓度为 0.89nmol/L, 这一值是所有测定值
中最低的。因此 , 相对来说 , 高质量分数的 Ca2+(尤其是
200%)对丙二醛有一定的抑制作用。在质量分数为 150%的
K+处理下 ,紫椴叶片丙二醛浓度相对较低 , 抗旱效果较好。
随着冰冻胁迫时间的延长 , 尽管丙二醛浓度有所回升 , 但
仍低于较胁迫初期 , 这说明在较长的低温胁迫下 , Ca2+、K+对
紫椴叶片细胞的作用力时间较长。主要原因在于 ,在冰冻初
期 ,由于植物突然遭受低温危害 , 体内正常代谢活动遭到破
坏 ,一些酶的活性无法维持 ,故而活性减弱 , 膜脂相变 ,发生过
氧化 ,丙二醛浓度增加。随着冰冻时间的延长 , 由于 Ca2+、
K+的存在 , 使细胞内容物浓度增加 , 原生质胶体水合 , 促进了
酶的合成与活化 , 使细胞代谢功能趋于正常。但是低温冰冻
时间过长 ,细胞还是仍然无法抵御这种外来的胁迫危害 ,细胞
结构和功能遭受严重破坏 , 丙二醛浓度又出现回升。
表 2　不同质量分数 Ca2+、K+处理下紫椴叶片丙二醛的浓度 nmol· L-1　
冰冻时
间 /h
1组(50%)
Ca2+ K+
2组(100%)
Ca2+ K+
3组(150%)
Ca2+ K+
4组(200%)
Ca2+ K+
5组(250%)
Ca2+ K+
2 1.41 1.91 1.70 1.70 1.36 1.16 1.42 1.63 1.46 2.38
4 1.01 1.56 1.65 1.65 1.21 1.63 1.03 1.69 1.94 2.48
6 1.35 1.52 1.99 1.99 1.14 1.33 1.03 1.73 1.50 1.62
8 1.61 0.80 1.23 1.89 1.07 1.27 1.06 1.32 1.10 1.56
10 1.14 1.66 1.31 1.31 1.06 1.10 0.89 1.48 1.01 1.38
2.3　Ca2+、K+对紫椴幼苗可溶性糖质量分数的影响
可溶性糖的积累与细胞渗透浓度的升高有直接的关系 ,
液泡中积累大量的糖可增加细胞的保水能力 , 以增加组织中
的非结冰水 , 进而通脱调节组织渗透势起到抗寒的作用 [ 10] 。
从表 3中可以看出 , 在整个冰冻胁迫时间范围内 ,各种处理条
件下可溶性糖质量分数的变化波动起伏 , 从不同 Ca2+质量分
数处理的紫椴可溶性糖质量分数来看 ,无论是冰冻胁迫初期
还是冰冻胁迫 10h结束时 ,可溶性糖质量分数的变化与 Ca2+
质量分数之间无明显的相关性。 但只有 Ca2+质量分数为
150%的处理时 , 表现出对在冰冻条件下紫椴体内可溶性糖的
积累具有明显促进作用。从冰冻胁迫前到胁迫初期这段时间
内 , 由于 Ca2+处理 ,细胞膜稳定性增强 , 可溶性糖质量分数的
增加 , 使细胞内原生质浓度加大 , 结冰水量减少 ,从而减小了
细胞内结冰的可能 , 增强了细胞抵御外界胁迫的能力。随着
胁迫时间的延长 , 可溶性糖质量分数减少 , 这说明植株长时间
遭受低温胁迫 , 使细胞本身的部分代谢功能丧失 , 无法调节相
关酶的活性 , 进而导致无法主动调节某些物质的主动吸收 , 导
致离子渗漏加剧。胁迫后期质量分数的增加 , 可能是由于在
长期的低温下 , 植株对低温胁迫产生了适应性 , 此期间各种代
谢能力有所恢复 , 仍会产生某些应激蛋白的调节作用 ,促进细
胞对物质的主动吸收 , 离子渗漏减少 ,可溶性糖质量分数相对
升高。
不同质量分数的 K+处理对紫椴幼苗可溶性糖质量分数
的影响显著 ,即随着冰冻时间的延长 ,可溶性糖质量分数呈现
初期增加然后减少并趋于稳定的变化趋势 , 质量分数达到
250%时效果最好。在胁迫初期可溶性糖质量分数较高 ,可增
加原生质的浓度 , 减少细胞内自由水量 , 避免细胞内结冰 , 对
原生质起保护作用 , 随后质量分数减少 ,说明随着冰冻时间的
延长 ,植株无法维持可溶性糖的积累。但各种 K+质量分数
处理对于可溶性糖质量分数的累积都起到了促进作用 , 至胁
迫 10h后仍然高于胁迫前的水平。说明 K+确实能够有效增
强幼苗的抗寒能力。
2.4　Ca2+、K+对紫椴幼苗游离脯氨酸质量分数的影响
游离脯氨酸是逆境下细胞质的渗透调节物质 ,在受胁迫
时 ,游离脯氨酸的增加有助于细胞或组织的持水 , 防止缩水 ,
常作为抗寒性的生理指标。但也有人指出并不存在这种关
系 ,或存在负相关关系 [ 11] 。
各种质量分数 Ca2+、K+处理对紫椴幼苗游离脯氨酸质
2 　　　　　　　　　　　东　北　林　业　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　第 35卷
量分数影响不大 , 与胁迫前的游离脯氨酸水平没有差别 , 并且
各组之间差异不显著。说明 Ca2+、K+对脯氨酸的积累并没
有产生作用 ,游离脯氨酸这一指标在 Ca2+、K+处理中不适合
用来衡量紫椴幼苗抗寒性的指标。
表 3　不同质量分数 Ca2+、K+处理下紫椴幼苗可溶性糖的质量分数 %　
冰冻时
间 /h
1组(50%)
Ca2+ K+
2组(100%)
Ca2+ K+
3组(150%)
Ca2+ K+
4组(200%)
Ca2+ K+
5组(250%)
Ca2+ K+
2 39.10 28.36 38.32 19.75 41.52 41.11 36.09 36.09 13.55 25.18
4 26.71 28.36 41.05 16.68 41.22 38.04 41.81 41.81 20.52 41.52
6 27.60 25.12 40.52 16.82 41.05 36.09 39.87 39.87 15.86 41.64
8 38.81 20.99 37.74 16.37 38.85 34.94 32.26 34.26 19.10 41.52
10 40.93 18.28 39.87 16.74 41.52 34.52 28.01 35.01 35.38 40.36
表 4　不同质量分数 Ca2+、K+处理下紫椴幼苗游离脯氨酸的质量分数(鲜质量) 10-6　
冰冻时
间 /h
1组(50%)
Ca2+ K+
2组(100%)
Ca2+ K+
3组(150%)
Ca2+ K+
4组(200%)
Ca2+ K+
5组(250%)
Ca2+ K+
2 168 174 166 168 163 175 172 172 165 173
4 167 165 172 161 169 168 174 170 168 186
6 173 164 174 167 173 166 166 165 164 161
8 174 167 165 163 167 167 167 159 157 172
10 167 166 167 157 158 169 163 159 154 168
4　结论与讨论
不同质量分数的 Ca2+处理下 , 紫椴幼苗叶片的相对电导
率随着冰冻胁迫时间的延长呈现逐渐上升的趋势 , 且上升的
幅度很小 , 比较稳定。紫椴叶片内丙二醛浓度受不同质量分
数的 Ca2+的影响不大 , 相对来说 , 高质量分数的 Ca2+(尤其
是 200%质量分数)对抑制丙二醛的浓度有一定效果。可溶
性糖质量分数的变化与 Ca2+质量分数之间无明显的相关性 ,
只有质量分数为 150%的 Ca2+处理液对紫椴体内可溶性糖的
积累作用明显促进。各种质量分数 Ca2+处理对紫椴幼苗游
离脯氨酸质量分数影响不大 ,各组之间差异不显著。在 Ca2+
处理中游离脯氨酸不适合作为衡量紫椴幼苗抗寒性的指标。
不同质量分数的 K+处理能够降低紫椴幼苗叶片的相对电导
率 , 且随 K+质量分数的增加而显著降低。不同质量分数的
K+处理对紫椴幼苗叶片丙二醛浓度的影响不显著 ,但在较长
的低温胁迫下 , K+对紫椴叶片细胞仍有保护作用。 K+对可
溶性糖的积累具有很大的促进作用 , 并能够使其保持稳定的
水平 , 进而提高其抗性。 K+对紫椴幼苗脯氨酸的积累并没有
明显的促进作用 , 游离脯氨酸这一指标不适合检测 K+处理
后的紫椴幼苗的抗寒性。综合以上 4个指标 , 可以认为质量
分数为 250%的 K+对紫椴抵抗低温胁迫的效果最佳。与 K+
相比 , Ca2+对于降低紫椴幼苗叶片的质膜透性 、丙二醛浓度 ,
增加可溶性糖和游离脯氨酸质量分数的能力较弱 , 而且规律
不明显 , 因此 , K+对紫椴幼苗的抗寒作用显著。
有的学者认为 Ca2+质量分数增加可代替 K+维持组织的
渗透势 [ 12] , 从而维持膨压 , 但植物细胞中 Ca2+的浓度很低 ,
绝大部分存在于细胞壁中。 因此 , Ca2+虽然在低钾植株中质
量分数较高 , 但其对组织渗透势的影响有限 , 主要是参与细胞
壁的合成 , 维持细胞膜和细胞壁的稳定 , 以及钙调蛋白对生理
生化过程中的调整等。冷害是一种特殊的水分胁迫 , 通过根
系吸水力降低和气孔蒸腾失控表现出来 [ 3] , 刘咏梅等人 [ 13]曾
报道低钾降低叶片水势 , 细胞保水能力差 ,束缚水相对量低 ,
水分亏缺严重;适量施钾可提高水稻气孔导度 , 且气孔导度和
净光合速率之间呈极显著的直线正相关。低温胁迫后 , 紫椴
幼苗水分运输能力明显下降 , 直接影响到养分的吸收 ,尽管一
定程度上抑制了紫椴幼苗对 K+的吸收及在植物体内的移
动 ,但随着施 K+量的增加 , 各项测定指标受到了明显有利于
抗寒的影响(除游离脯氨酸), 反映了 K+在低温胁迫下的渗
透调节作用。说明在低温胁迫下施钾有利于改善植株的水分
状况 ,保存叶片中的水分 , 减少细胞中离子的外渗 ,使叶片的
萎蔫率下降 , 提高植物的抗寒性。
参　考　文　献
[ 1] 　康彬 ,童哲.高等植物细胞中的钙通道 [ J] .应用与环境生物学
报 , 1998, 4(4):414-421.
[ 2] 　张淑琴.浅谈钾的营养作用及钾肥的合理施用 [ J] .致富之友 ,
2000, 3:27.
[ 3] 　邹国元 , 杨志福 ,李晓林.低温下钾在植物水分调节中的作用
[ J] .中国农业大学学报, 1999, 4(1):21-25.
[ 4] 　BeaucorpsGD, LeymomnieJP.钾素与作物健康 [ M] //钾与作
物抗霜冻.南京:江苏科学技术出版社 , 1989:29-37.
[ 5] 　陈祥伟 ,张羽 ,马洪波.紫椴 、水曲柳人工幼林霜冻发生与控制
研究 [ J] .应用生态学报 , 2000, 11(6):809-813.
[ 6] 　郭世荣.无土栽培学 [ M] .北京:中国农业大学出版社 , 2003:
112.
[ 7] 　王红梅 ,杨金英 ,张学政 ,等.Ca2+对低温胁迫下水曲柳叶片生
理指标的影响 [ J] .东北林业大学学报 , 2004, 32(4):14-15.
[ 8] 　王晶英 ,敖红 ,张杰 ,等.植物生理生化实验技术与原理 [ M].哈
尔滨:东北林业大学出版社 , 2003.
[ 9] 　李美茹 ,刘鸿先 ,王以柔.低温下水稻幼苗叶片细胞膜膜脂过氧
化和膜磷脂脱酯化反应 [ J].广西植物 , 1998, 18(2):173-176.
[ 10] 　张建霞.Ca2+对温度逆境下柑橘生理生化的调节作用 [ D].武
汉:华中农业大学园林学院 , 2004:15-31.
[ 11] 　IlahiI, DoiflingK.Changesinabscisicacidandprolinelevelsin
maizevarietiesofdiferentdroughtresistance[ J] .PlantPhysiol,
1992, (55):129-135.
[ 12] 　梁颖 ,王三根 ,余建桥.Ca2+对冷害水稻幼苗某些生理特性的
影响 [ J] .西南师范大学学报:自然科学版 , 1997, 22(4):411-
415.
[ 13] 　刘咏梅 ,王鹏 ,谈锋 ,等.钾营养对番红花水分关系的影响 [ J] .
西南农业大学学报 , 2000, 22(4):356-358.
3第 7期　　　　　　　　　　　　陈祥伟等:Ca2+和 K+对紫段叶片渗透调节指标的影响