全 文 ：第 34卷 第 5期 生 态 科 学 34(5): 9098
2015 年 9 月 Ecological Science Sep. 2015

收稿日期: 2014-09-20; 修订日期: 2014-12-23
基金项目: 国家自然科学基金项目(31460102); 广西自然科学基金面上项目(2011GXNSFA018082); 广西自然科学基金创新团队项目(2011GXNSFF018002)
作者简介: 朱俊杰(1973—), 男, 重庆人, 博士, 副研究员, 主要从事植物抗性生理生态研究, E-mail: zjj@xtbg.ac.cn
*通信作者: 朱俊杰

朱俊杰, 李杨瑞, 谭宏伟. 寒害及适应处理下黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化生理机制[J]. 生态科学, 2015, 34(5): 9098.
ZHU Junjie, LI Yangrui, TAN Hongwei. Differences in antioxidant mechanisms among organs of chewing cane under chilling and
acclimation conditions[J]. Ecological Science, 2015, 34(5): 9098.

寒害及适应处理下黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化生
理机制
朱俊杰 1,2,*, 李杨瑞 2, 谭宏伟 3
1. 广西农业科学院农产品质量安全安全与检测技术研究所, 南宁 530007
2. 农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室, 南宁 530007
3. 广西农业科学院甘蔗研究所, 南宁 530007

【摘要】 为揭示黑皮果蔗(Saccharum officinarum L.cv Badila)不同器官在寒害低温和适应条件下的抗氧化能力和抗氧
化机制, 对其幼苗进行直接低温(4 ℃)、亚适温(15 ℃)、低温加亚适温(15 ℃ +4 ℃)处理, 测定其根系(R)、老叶(OL)、
成熟展开叶鞘(FS)和叶片(FB)、幼嫩-1 叶鞘(NS)和叶片(NB)的细胞外渗电导率(IL)、H2O2 含量、花青素(Anth)含量及
经典抗氧化物质含量(或活性)。结果表明: (1)低温处理后, 所有器官 IL 随 H2O2 呈抛物线增加, 增幅以 NB 最高, OL 最
低; NB 和 FB 中除抗坏血酸外, 其它经典抗氧化物质含量(或活性)均明显增加, NB 增幅低于 FB, 但 NB 合成更多 Anth;
OL、FS 和 NS 主要经典抗氧化物质含量(活性)变化不明显, 但 Anth 含量和过氧化物酶活性则明显高于其它器官; 根系
主要抗氧化物质含量(或活性)处于中等水平 , 但谷胱甘肽还原酶活性最高; (2)适应处理后, 各器官花青素和经典抗氧
化物质含量(活性)均有不同程度的提高, 尤以叶片最明显。研究认为, 黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化御寒能力和御寒机
制差别明显, 其抗氧化系统对适应处理的响应机制也明显不同。

关键词：寒害; 果蔗; 抗氧化系统; 花青素; 活性氧
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.05.014 中图分类号：Q945.79 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)05-090-09
Differences in antioxidant mechanisms among organs of chewing cane under
chilling and acclimation conditions
ZHU Junjie1, 2, *, LI Yangrui2, TAN Hongwei3
1. Agro-products Quality Safety and Testing Technology Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Science, Nanning
530007, China
2. Key Laboratory of Sugarcane Biotechnology and Genetic Improvement (Guangxi), Ministry of Agriculture, Nanning 530007,
China
3. Sugarcane Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Science, Nanning 530007, China
Abstract: To explore differences in physiological sensitivity to chilling among different organs of chewing cane (Saccharum
officinarum L. cv Badila) seedlings, we treated the seedling with direct chilling (4 ℃), acclimation temperature (15 ℃) and
acclimation plus chilling (15 ℃ +4 ℃) respectively, and measured ion leakage, H2O2 contents and activities of antioxidant
systems in different organs (young, mature and old leaves, and roots) of the seedlings after the treatments. After low
temperature treatment, ion leakage increased in all the organs, and with the highest and lowest increase in young and old
leaves, respectively. H2O2 contents increased along with increasing ion leakage across organs and treatments. Compared with
5 期 朱俊杰, 等. 寒害及适应处理下黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化生理机制 91
the control, ascorbate contents in leaf blades slightly decreased but most of the antioxidants increased significantly under low
temperature conditions. The young leaf blads had higher increase in most of the antioxidants but had lower increase in
anthocyanin contents than mature blades. Old leaves and leaf sheaths had relatively lower change of antioxidants than the
leaf blades yet had much higher increases in anthocyanin content and POX activity. Most of the antioxidants in roots were
between young leaf blades and old leaves, whereas their GR activity was the highest among the organs. Compared with the
direct chilling treatment, the chill-acclimated treatment decreased ion leakage and H2O2 contents in all the organs, with the
greatest effects on leaf blades. We concluded that among different organs of chewing cane, the young leaf blade was most
sensitive to chilling, chill acclimation increased the tolerance to chilling, and the antioxidant systems could mitigate the
chilling injury.
Key words: chilling; chewing cane; antioxidant system; anthocyanin; reactive oxygen species
1 前言
起源于热带、亚热带的植物大多对低温敏感,
当温度低于 12 ℃时易遭受寒害, 即零上低温危害
[1]。有些冷敏感植物经过一段时间的亚适宜温度预
处理后再转入低温环境时, 抗寒能力明显增强[2–3],
而有些植物, 如水稻, 则缺乏这种冷适应特性[4]。
寒害下, 冷敏感植物体内往往积累大量活性很
强的自由基, 如超氧阴离子(O2–), 羟自由基(OH·),
单线态氧(1O2)等, 统称为活性氧(ROS)。过量 ROS
会攻击细胞膜结构, 严重时致细胞解体死亡[5]。为有
效平衡 ROS, 植物进化形成抗氧化系统, 包括非酶
类抗氧化物质, 如抗坏血酸(ASC)、谷胱甘肽等; 抗
氧化酶, 如超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化
物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、过氧化氢酶(CAT)
等, 它们以不同的分子形态存在于植物不同部位[6]。
寒害对冷敏感植物抗氧化系统的影响已有一些研究,
不同植物抗氧化能力差别很大[7–9]。除经典抗氧化系
统外, 近年来花青素(Anth)和可溶性碳水化合物在
一些植物, 尤其是高碳水化合物植物中构成另一类
抗氧化系统, 但其抗氧化机制还很不清楚[10]。而且,
植物抗氧化研究主要局限于叶片, 其它器官抗氧化
能力和抗氧化机制知之甚少。植物不同器官组织结
构有差异, 所处微环境(如地上和地下)也不同。据此,
我们推断, 寒害低温侵袭时, 不同器官抗氧化御寒
能力和抗氧化御寒机制可能也有差异。
供鲜食并作为水果消费的甘蔗统称果蔗。黑皮
果蔗(Saccharum officinarum L.cv Badila)因产量高、
品质佳、营养丰富及药用价值高等优点, 种植面积
远大于其它果蔗品种[11]。Badila 是热带起源原种, 虽
然我国引进栽培已有几十年历史, 但其遗传基础没
有本质改变, 冬春季往往易遭受寒害危害, 为植物
抗性研究, 尤其为冷敏感抗氧化研究提供了良好的
材料。寒害对甘蔗抗氧化系统的影响鲜有报道, 亚
适宜低温预处理对甘蔗不同器官抗氧化系统有何种
影响更不清楚。而这些问题是果蔗种植区规划、抗
寒育种和抗低温栽培的重要参考指标。本文以黑皮
果蔗幼苗为材料, 研究其不同器官在低温和适应条
件下抗氧化能力和抗氧化机制的变化, 为植物抗氧
化研究积累新资料, 为黑皮果蔗抗寒育种和抗冷栽
培提供理论参考。
2 材料与方法
2.1 实验材料
选取黑皮果蔗拔地拉(Saccharum officinarum L.
cv Badila)中上部芽体完好茎段, 单芽种植于温室塑
料花盆中(直径 15 cm)。在微弱自然光, 28 ℃/20 ℃
(白天/夜间), 80% 相对湿度下萌发出苗。待所有幼
苗第一片完全叶长出后开启人工白光光源, 叶片表
面平均光量子通量密度 233 µmol·m–2·s–1, 光周期
11 h, 温度调为 25 ℃/20 ℃, 相对湿度 75%。至所
有幼苗均长出两片完全叶时分为四组, 每组 10—15
株。第一组为低温处理组(Ch), 直接转入 4 ℃/4 ℃
生长 4 d; 第二组为适应加低温处理(AcCh), 先在
15 ℃/15 ℃生长 4 d, 然后转入 4 ℃/4 ℃生长 4 d;
第三组为适应处理(Ac), 一直生长 15 ℃/15 ℃, 其
它条件同上; 第四组为对照(Cont), 一直保持在上述
环境条件下生长。处理结束后, 每组选取长势均匀
的植株 4-6 株, 由下向上, 由外到内将其解离为根系
(R), 老叶(几乎全为叶鞘组成, OL), 成熟展开叶鞘
(FS), 成熟展开叶片(FB), –1 叶(肥厚带尚未长出)叶
鞘(NS), –1 叶叶片(NB)六个部分。除电导率(IL)用
鲜样直接测定外, 其余部分称鲜重后放入液氮处理
30 min, 然后转入–80 ℃超低温保存备用。整个试验
重复进行 2 次。
92 生 态 科 学 34 卷
2.2 实验方法
2.2.1 低温伤害程度测定
低温伤害程度用 IL 表征。用剪切法取甘蔗材料
各 0.2 g, 3 次重复。材料清洗后放入具塞试管, 加入
20 mL 去离子水, 开塞放于真空干燥器中抽气至所
有材料下沉至管底, 测定初次电导率 C1 和去离子
水电导率 C0, 然后加塞置于沸水浴中 30 min, 取出
冷却至室温后测定总电导率 C2, 相对电导率(IL)=
(C1–C0)/(C2–C0)×100%。
2.2.2 过氧化氢(H2O2)浓度测定
H2O2 用冷丙酮(抑制过氧化氢酶活性)抽提, 其
浓度用经典 TiCl4-NH4OH 法测定[12], 样品浓度和标
准曲线测定同步进行。
2.2.3 ASC、谷胱甘肽、Anth 浓度测定
用 5%三氯乙酸(TCA)提取抗坏血酸, 根据和铁
离子反应生成红色化合物原理测定其含量, 脱氢抗
坏血酸(DHA)含量为总抗坏血酸含量和抗坏血酸含
量之差。
谷胱甘肽用 5%磺基水杨酸提取, 谷胱甘肽还
原酶(GR)法测定 , 还原型谷胱甘肽含量(GSH)由
总谷胱甘肽含量和氧化型谷胱甘肽(GSSG)的差值
求得。
Anth 浓度参照 Murray 和 Hackett 方法测定[13]。
2.2.4 抗氧化酶活性测定
所有抗氧化酶均用磷酸缓冲液(含 1 mmol·L–1
EDTA, 1 mmol·L–1 MgCl2, 1 mmol·L–1 DTT 和 1%
PVPP) 在4 ℃研磨提取, 2 ℃下15, 000 g离心15 min,
上清液置冰浴备用。用牛血清蛋白作标准测定提取
液总蛋白含量[14]。SOD、APX、GR 活性用 Zhu 等
方法测定[15]。过氧化物酶(POX)反应液含 10 mmol·L–1
H2O2, 2 mmol·L–1 EDTA, 16 mmol·L–1愈创木酚, 测
定波长为 470 nm, 反应 3 min[16]。
2.2.5 数据处理与分析
用 Origin Pro 7.1 软件作方差分析、多重比较以
及相关性分析; 用 Sigma Plot 12.5 和 Excel 2013 软
件作图。
3 结果与分析
3.1 蔗苗不同器官不同处理及交互作用的相差分
析结果
二维方差分析的结果表明, 非酶抗氧化物质参
数中, ASC含量处理间差异(p≤0.05)显著, 其它参数
值间差异均为极显著 (p≤0.01), 器官间以及处理与
器官的交互作用也均为差异极显著(表 1)。总体看,
抗氧化酶参数处理间、器官间以及处理和器官的交
互作用的差异比非酶类抗氧化物质参数间的差异表
现更明显。
3.2 不同器官 IL 值、H2O2 含量及相关性分析
蔗苗经亚适宜温度处理后, 所有器官 IL 值均比
对照增加, 低温处理后进一步升高, Ch 处理的 IL 值
比 AcCh 处理高(图 1)。从器官的表现看, NB 的 IL
值变幅最大而 OL 变幅最小, 其它器官介于它们之
间。不同器官在不同温度条件下 H2O2 含量变化和 IL
变化趋势基本一致, 在达到最高值前, 二者呈显著
的正相关关系。
3.3 不同温度条件下果蔗各器官非酶类抗氧化物
质含量的变化
如图 2A, 常温条件下, 蔗苗抗坏血酸(ASC +
DHA)主要分布在叶片, 尤其是FB中, 而OL中最少;
和对照相比, Ch 处理使各器官 ASC 含量下降, 以叶
片降幅最大, 但差异均未达到显著水平; 与此相反,
Ac 处理则使各器官 ASC 含量上升, 和对照比, 差异
同样未达显著水平; ChAc处理下蔗苗各器官ASC含
量介于 Ch 处理和 Ac 处理之间; 无论是 Ch 直接处
理、Ac 处理还是 ChAc 处理, DHA 含量均低于对照,
且除 CS 外, 差异均显著。

表 1 不同处理条件下黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化物质双向方差分析结果
Tab. 1 Differences in organs and treatments in Badila seedlings analyzed with two-way ANOVA
来源 抗坏血酸 脱氢抗坏血酸 还原型谷胱 甘肽
氧化型谷胱
甘肽 花青素
超氧化物歧
化酶
抗坏血酸过
氧化物酶 谷胱甘肽还原酶 过氧化物酶
器官 < 0.001 0.002 0.004 0.005 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001
处理 0.050 0.003 0.004 0.006 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001
器官×处理 < 0.001 0.004 < 0.001 <0.001 < 0.001 0.002 < 0.001 < 0.001 0.007
注: 表中数据为标示显著性程度的 p 值, 详细处理见“材料方法”。
5 期 朱俊杰, 等. 寒害及适应处理下黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化生理机制 93

图 1 Badila 幼苗不同器官不同处理条件下质膜离子渗透
率、过氧化氢含量及相关性分析。白色、灰色、深灰和黑色
分别表示对照、适应处理, 适应加寒害处理和寒害处理, 详
细处理方法见“材料方法”。根系、老叶、完全叶叶鞘和叶片、
–1 叶叶鞘和叶片分别用三角形、菱形、正方形、圆形、六角
形和五星形表示。数据值为平均数±标准误(n = 4), 相关性分
析为 r2= 0.8025, p < 0.0001。
Fig. 1 Percent leakages of ions, H2O2 content and the
relationship between them in six organs of Badila seedlings
exposed to acclimation and chilling. Measurements in R, OL,
FS, CS, FB, and CB were indicated by triangle, diamond,
square, circle, hex and star symbols, respectively. The values
of control, acclimated treatments, acclimated plus chilling
treatments and chilling treatments (details see “materials
and methods”) were indicated by open, gray, dark gray and
black symbols respectively. Data are means ± SE (n = 4). The
results of relative analyses were r2= 0.8025, p < 0.0001.
常温下, 蔗苗各器官谷胱甘肽(GSH + GSSG)分
布和抗坏血酸类似, 叶片最高, OL 最低; Ch 处理后,
所有器官 GSH含量均显著上升, 增幅 OL 最大, R 最
小; ChAc 处理与 Ch 处理效果相似, 除 R 外, 也均显
著高于对照; Ac 处理虽然使所有器官 GSH含量增加,
但只在OL、FS和CS中达显著水平; 和对照相比, 各
处理均使各器官 GSSG 含量下降, 在 FB 和 CB 中,
各处理与对照差异显著, 而其它器官则只在 AcCh
处理下与对照有显著差异(图 2B)。
即使在适宜温度条件下, 蔗苗各器官均检测出
Anth, 其中 OL 和 FS 远高于其它器官; 和对照相比,
Ac 处理下所有器官 Anth 均显著增加; Ch 直接处理
时所有器官 Anth 含量急剧跃升, 而 ChAc 处理比 Ch
处理有更高的 Anth 值(图 2C)。
3.4 不同温度条件下果蔗各器官抗氧化酶活性的
变化
常温下叶片 SOD 和 APX 酶活性器官间差异不
大, 而 R 和叶片 GR 酶活性较高, OL、NS 和 FS 的
POX 酶活性较高 (图 3A-D)。低温处理后各器官
SOD、APX 和 POX 活性明显上升, 其中 SOD 活性
增幅以 FB、NB 和 R 最明显(图 3A); APX 活性增幅
以 NB 和 FB 最明显(图 3B); GR 活性增幅则以 R 最
大(图 3C); 而 OL 和 FS、NS 中 POX 活性增幅高于
其它器官(图 3D)。适应处理提高所有器官 SOD活性,
叶片表现最突出; 提高除 OL 外其它器官 APX 活性,
以叶片和叶鞘最明显; 提高叶片GR活性, 但对根系
GR 没效果, 对其它器官 GR 效果也不明显; 提高
OL、FS、NS 的 POX 活性, 对其它器官 POX 作用
不大(图 3A-3D)。
常温下, 各器官间 SOD、APX 活性差别不大(图
3A, 图 3B); R、FB 和 CB 中 GR 活性较高, 而 OL、
FS 和 CS 中较低(图 3C); 三种鞘类组织(OL、FS、
CS) POX 活性明显高于其它器官(图 3D)。
与对照相比, 经 Ac 处理后, 四类抗氧化酶活性
都增加(图 3A-图 3D); 所有器官 SOD 活性; FS、CS、
FB 和 CB 中 APX 活性; R、CS 和 FB 中 GR 活性以
及 FS、CS 中 POX 活性显著高于对照(图 3A-图 3D)。
经Ch处理后, 所有器官四类抗氧化酶活性均显
著超过对照; SOD、APX 活性增幅以 FB 最大, OL 最
小; GR 活性在 R 中增加了近 2 倍, 增幅和绝对值都
明显高于其它器官; POX 活性在 OL 中最高(图 3A-
图 3D)。
与Ch直接处理相比, AcCh处理进一步提升了
所有器官的 SOD 和 APX 活性, 在 FB 和 CB 中达到
显著水平; 显著降低了R中GR活性, 但显著增加了
FB 的 GR 活性; 对所有器官 POX 活性影响不大(图
3A-图 3D)。
4 讨论与结论
IL 值一直用作评估植物逆境伤害的可靠指标[17]。
本文中黑皮果蔗幼苗经寒害低温处理后, 各器官 IL
与 H2O2 同步上升(图 1), 抗氧化活性也相应上调(图
2, 3), 阻止了低温伤害进一步恶化。同时我们也发现,
果蔗苗各器官抗氧化机制表现出明显的差异。
4.1 寒害下不同器官抗氧化机制
在寒害条件下, 果蔗苗各器官抗氧化系统活性
明显增强, 但也表现出明显的差异: 叶片看, 特别
是 FB, SOD 活性相对高于其它器官, 低温处理后
SOD 活性进一步升高(图 3A)。SOD 是植物抗氧化系
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图 2 Badila 幼苗不同器官不同处理条件下抗坏血酸(A)、谷胱甘肽(B)和花青素(C)含量变化, 详细处理见“材料方法”。图中数
据为平均值±标准误(n = 4), 同一种化合物不同小写字母表示处理间差异显著(P ≤ 0.05)。
Fig. 2 Changes in ascorbate (A), glutathione (B) and anthocyanin (C) contents under chilling and acclimation conditions, for
details see “materials and methods”. The data are means ± SE (n = 4), different letters indicate the significant difference
between treatments (P ≤ 0.05).
统主体水-水循环酶系统中的第一个酶[6], 其活性高
低直接影响后续抗氧化反应进程。因此, 在寒害下,
果蔗幼苗叶片高活性 SOD 起了重要的抗氧化屏障
作用。同时 , 本文还发现 , 叶片低温处理前后
ASC-GSH循环活性都高于其他器官, 这不但体现在
叶片中总抗坏血酸(ASC+DHA)和总谷胱甘肽(GSH+
GSSG)含量高, 而且该循环系统关键酶 APX、GR 活
性也高(图 2A, 2B; 图 3B, 3C)。ASC-GSH 循环是经
典抗氧化系统清除活性氧的主体部分[18], 近年来,
人们对ASC和GSH又有了新的认识, 它们不但是植
物抗氧化的核心[18], 同时还是植物体内的重要信
号分子[19], 直接参与和调控着诸如光保护、必要代
5 期 朱俊杰, 等. 寒害及适应处理下黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化生理机制 95

图 3 Badila 幼苗不同器官不同处理条件下超氧化物歧化酶(A)、抗坏血酸过氧化物酶(B)、谷胱甘肽还原酶(C)和过氧化物酶
(D)活性变化, 详细处理见“材料方法”。图中数据为平均值±标准误(n = 4), 不同小写字母表示处理间差异显著(P ≤ 0.05).
Fig. 3 Changes in superoxide dismutase (A), ascorbate peroxidase (B), glutathione reductase (C) and peroxidase (D) activities
under different treatments, for details see “materials and methods”. The data are means ± SE (n = 4), different letters
indicate the significant difference between treatments (P ≤ 0.05).
96 生 态 科 学 34 卷
谢物质的合成和植物生长发育等重要生理活动和
进程[20]。综合这些结果, 可以认为, 经典抗氧化系
统加强运转是叶片重要的抗寒机制。其他冷敏感植
物叶片的抗寒机制研究也得到类似结论[21–23]。需要
指出的是, 本文还发现, 寒害温度处理后 FB 经典抗
氧化系统活性比心叶高, 而心叶则合成更多的 Anth
等临时抗氧化保护物质。Anth 是一种广谱性的 ROS
清除剂, 可以清除细胞内的 O2–, ONOO–, O2H·, OH·,
1O2 和 H2O2等, 其ROS 清除能力是ASC 的三倍[24–26],
Anth 内碳素在逆境胁迫因子解除出后可释放出来供
植物再利用[26]。因此, 心叶内合成的 Anth 在一定程
度上弥补了其经典抗氧化系统活性的不足。
其次, 从叶鞘和 OL 看, 在寒害条件下这类器官
SOD 活性和 ASC-GSH 循环活性也明显上调, 但无
论是上调幅度还是绝对活性都低于叶片(图 2A, 2B;
图 3B, 3C)。叶鞘除了支撑叶片直立外, 还保护着嫰
茎和芽, 其组织相对致密, 纤维素和木质素等成分
所占比重相对高于叶片。OL 组织更加老化, 机械保
护作用更明显。本研究发现, OL 和叶鞘 POX 活性远
高于其它器官, 并且寒害处理后, 其活性更是大幅
增加(图 3D)。以往研究证实, POX 除了具有清除多
种组织内H2O2起抗氧化保护作用外[27], 还是一些合
成反应, 如细胞壁纤维素合成所必须的[28]。因此, 寒
害下这些纤维素含量高的鞘类组织具有高 POX 活
性也就可以理解了。本文还发现, OL 和 FS 含有大量
Anth, 寒害下 Anth 含量再次攀升(图 2C)。如上所述,
Anth 在这类器官中起着重要的临时性抗氧化保护功
能。另外, 这些鞘类组织中高含量的 Anth 可能还有
抗病虫和抗机械伤害的作用, 强化了它们的多种保
护功能。
第三, 从总体上看, R 的抗氧化活性寒害前后低
于叶片但高于 OL, 其寒害前后变幅相对较小(图 2,
图 3)。虽然植物细胞各个部位都可以产生 ROS, 但
叶绿体和线粒体是 ROS 产生的主要场所[3]。R 缺乏
叶绿体, ROS 总量低于叶片, 相应的, 其抗氧化系统
活性也低。另外, R 生长的土壤体中含有较多水分,
其温度变幅比空气环境小, 这很可能是其抗氧化系
统变幅小的一个重要原因。本研究结果还表明, R 虽
然几乎没有任何光照, 但寒害后也产生大量 Anth,
这个结果支持 Anth 的产生未必一定要有光照的结
论。Anth 是以可溶性糖为底物经过系列酶催化合成
的[25], 甘蔗蔗茎内高含量的糖为Anth合成提供了充
足的原料, 寒害下其幼苗各个器官经典抗氧化系统
的表达受影响时, Anth 的合成在一定程度上弥补了
其不足。本文研究寒害下 R 抗氧化系统变化时还获
得了一个有趣的结果, 即低温处理后, 其GR活性大
幅上升, 最终超过了其它器官, 适应处理对GR活性
无明显影响(图 3C)。进一步分析表明, 低温下 R 内
GSH 含量和 GSSG + GSH 总量并不比其它器官高,
很可能 R 在寒害下消耗了大量谷胱甘肽用于清除
ROS。寒害下 R 为什么会有如此高的 GR 活性有待
深入研究。
4.2 亚适宜温度预处理对果蔗苗各器官抗氧化系
统的影响
寒害低温处理后, 蔗苗各器官抗氧化系统活性
均增强, 但也表现出明显的差异: 叶片, 特别是 FB,
SOD 绝对值和增幅明显高于其他器官(图 3A)。SOD
是植物抗氧化系统主体水-水循环中清除 ROS 的第
一个酶, 直接影响后续抗氧化反应进程, 是重要抗
氧化屏障[6]。因此, 寒害发生时, 蔗苗叶片高活性
SOD 筑起对付活性氧剧增的第一道防线。低温处理
后叶片总抗坏血酸(ASC+DHA)和总谷胱甘肽(GSH+
GSSG)含量高于其它器官(图 2A, 2B), APX、GR 活
性也提高(图 3B, 3C), 表明叶片 ASC-GSH 循环活性
增强。ASC-GSH 循环是经典抗氧化系统清除活性
氧的关键环节[18], 近年来, 该循环还被证实参与多
种信号转导[19], 调控诸如光保护、必要物质代谢和
生长发育等重要生理进程[20]。综合看, 寒害促使蔗
苗叶片经典抗氧化系统加强运转, 与其他冷敏感植
物报道类似 [21–23]。本文发现 , Ch 处理后 FB 中
ASC、GSH 含量和多数抗氧化酶活性比 CB 高, 而
CB 则合成更多的 Anth(图 2, 图 3)。Anth 是一种广
谱性 ROS 清除剂, 可以清除 O2–, ONOO–, O2H·, OH·,
1O2 和 H2O2 等类型的 ROS, 清除效率至少是 ASC
的三倍[24–26]。Anth 的另一优点是, 逆境胁迫解除出
后, 其碳素可释放出来供植物再利用[26]。因此, CB
内合成 Anth 至少在一定程度上弥补了其经典抗氧
化系统活性相对偏低的不足。
寒害下 FB、FS 和 OL 中 SOD 活性和 ASC-GSH
循环活性也上调, 但无论是上调幅度还是绝对活性
都低于叶片(图 2A, 2B; 图 3B, 3C)。这三个器官纤维
素和木质素占比高于其他器官, 组织相对致密, 与
5 期 朱俊杰, 等. 寒害及适应处理下黑皮果蔗幼苗不同器官抗氧化生理机制 97
其支撑和机械保护功能相适应。POX 可清除多种组
织内 H2O2 [27], 还是细胞壁纤维素形成等合成反应
所必须[28]。因此, 寒害下三器官中高 POX 活性不但
增强抗氧化能力, 还可防御和修复低温引发的细胞
机械伤害。三器官低温前后 Anth 含量明显高于其他
器官(图 2C), 可能起着重要的临时性抗氧化保护、
抗病虫和增强伤口愈合等多重功能。
寒害前后 R 中多数抗氧化物质含量和抗氧化酶
活性低于叶片但高于 OL 且变幅相对较小(图 2, 图
3)。鉴于叶绿体和线粒体是 ROS 产生的主要场所[3],
R 缺乏叶绿体, 其 ROS 总量低于叶片, 相应的, 其
抗氧化系统活性处于中等水平是可以理解的。此外,
R 生长的土壤体中含有较多水分, 温度变幅比空气
环境小, 其抗氧化系统活性波动也就较小。寒害低
温处理后, R 中也产生大量 Anth, 支持了 Anth 的产
生未必一定需光的观点[25]。本文发现, 低温处理后,
R中GR活性大幅上升并超过其它器官, 而适应处理
对GR活性无明显影响(图3C)。进一步分析R内GSH
含量和 GSSG + GSH 总量变化, 其值低温下并不比
其它器官高, 很可能 R 在寒害下清除 ROS 时消耗了
大量谷胱甘肽。寒害下 R 为什么会有如此高的 GR
活性有待深入研究。
4.3 亚适宜温度预处理对果蔗苗各器官抗氧化系
统的影响
适应处理对不同器官抗氧化能力和抗氧化机制
的影响概述如下: 第一, 减缓低温引发蔗苗各器官
(尤其是叶片)ASC 含量下滑势头, 该现象至少可部
分归因于适应处理增强 APX 活性, 生成更多 ASC,
至于适应处理是否还通过其它途径影响ASC含量需
深入研究; 第二, 引发 OL、FS和CS中GSH和Anth
含量的同步大幅增加, 该反应可能和清除活性氧的
进程相偶联[29], 也可能受谷胱甘肽转移酶偶联反
应的影响[30]; 第三, 显著地提高了所有器官 Anth
含量, 缓冲经典抗氧化系统压力; 第四, 除了对 R
内 GR 活性无显著影响外, 对其它器官所有抗氧
化酶活性都有不同程度的促进, 尤其大幅增加 FS
中 APX 活性。我们另一研究发现, 亚适宜温度预
处理果蔗苗可诱导不同器官抗氧化新同工酶谱的
表达(未发表数据), 因此这种影响可能不是通过
改变酶的构象(或结构), 极可能诱导了抗氧化酶
基因的增量表达。
总之, 低温下蔗苗受到明显的过氧化胁迫, 各
器官抗氧化活性适时提高, 但它们抗氧化机制明显
不同, 适应处理对各器官抗氧化能力和抗氧化机制
的影响也不相同, 为冷敏感植物抗性研究提供了新
资料。此外, 研究结果对果蔗抗寒育种策略的选择
和精细化抗冷栽培措施的制定有重要参考价值。
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