全 文 ： 一一，
第 16卷 第 4期
1 9 9 6年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA sI ICA
钾 7({7』
Vd．16，No．4
Aug．t 1996
春季高寒草地牧草根中营养物质含量和保护
酶活性的变化及其生态适应性研究
周瑞莲 张普金
(兰州大学生物系，兰州、730000) (甘肃农业大学草原系、兰州、730070) r—— ————一 —————————一
一5 ·
摘要 本文研究了高寒草地 3种立地条件下垂穗披碱草(Cli~elymus nuta~)在春季萌动过程 中根 系碳术化
台物和保护酶活性的变化，结果表 明，(1)^冬时根幕中碳水化台物贮量高 、保护酶活性强的牧草春季萌
动早、生长快 抗寒 哇较强。(2)当春季气温波动式回升时，牧草根系中可溶性椿含量、SOD(超氧化物歧
化酶)和 POD(过氧化物酶)活性随气温上升而下降，随气温下降而上升。其中火烧地牧草根中 SO D和
POD酶活性一直保持较 高水平，井对温度变化反应敏感，而抗寒性也较强 因此春季高寒山区牧草根内
THE CHANGE IN CARB0HYDRATE C0NTENT AND
PR0TECTING ENZYM E ACTIVITIES IN R00T 0F
ALPINE F0RAGE RELATED T0 ITS
ADAPTATIoN To CoLD IN SPRING
Zhou Ruilian
(B；ology Departmem of Lanzhou Un&~ersity．La~hou，China，730000)
Zhang Pujin
(Gr~sland Department of GS Agriculture Unreersity，Lanzfi~ ，Chb~z，730070)
Abstract The experiments were conducted to study changes in content。f Carbohydrate and
activities of protecting enzyme in root of Clinelymus nt~ta~s planted in differently treated soils
during the germination in spring．The results showed：(1)The more the forage s root kept
Carbohydrate the higher the activities of protecting enzyme were in winter，the earlier it ger—
minated and the more hardy it was in spring．
(2)The contents of soluble sugar an activities of SOD，POD in root of Alpine forages
were reduced with increasing of tempe rature and raised with decreasing of temperature．The
forage planted in fired soil was more resistant to coldness because high level of SOD and POD
activ’iti‘es in ro t were keeped and quickly increased by temperature drop． So change in Carbo一
国家 自然科学基金资助课题
收镐 日期 ：1993 0 7 23．修改稿收到 日期：1996 03 l
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4期 厨瑞莲等：春季暮 茬嚣 茬 粪 震 番 保护
hydrate metabolism and adjustment of enzyme system were an important physiological re—
sponses of forage to ecological environment．
Key words： spring，carbohydrate，protecting enzyme．hardiness，forage
许多研究结果表明：多年生牧草根中贮藏的碳水化台物是植物越冬的重要能量和更新
芽的萌动力 ，并与 牧草抗寒性 有关 。植物 的抗寒性 还与植物体 内细胞膜保 护酶 系统
(SOD、POD、CAT(过氧化氢))的活性密切相关 ，抗寒性强的品种保护酶活性高 ，对环境反
应快 ，抗氧化能力强一 。但这些实验结果多是在室内对不 同材料进行短期人工处理条件
下获得的 而短时间的低温处理所引起的植物抗寒性变化 ，可能不是由遗传特性上的机理
决定的=‘ 。因此对长期生活在高寒地区的植物进行保护酶系统和其它多项生理变化研究．
这对揭示 自然界抗寒植物在遗传特性上的生态适应机理显得十分必要。
多年生垂穗披碱草是高寒草地一种重要优 良牧草 ．抗寒性强，幼苗可在大雪覆盖下生
存。为了揭示在自然条件下抗寒植物对温度变化的适应机理 ，作者研究了在春季牧草萌动
过程中该牧草根系内碳水化台物及保护酶活性的变化与温度的关系，以探讨植物抗寒的生
理变化及其生态适应特性 。
1 材料与方法
1．1 样地 自然概况
试验在甘肃农业大学草原站进行。该站位于祁连山东段乌鞘岭脚下天祝县金强河河谷
二级阶地上 海拔高度为 2960 171，年平均气温一0．1℃，≥0℃的年积温为 1 300℃，年降水
量 416 Nlm．年蒸发量为 1 592 Nlm，为降水量的 3．8倍 ，生长季为 120 d。
1．2 材料与方法
1．2．1 试验材料 以生长在甘肃农业大学草原站内的多年生垂穗披碱草为研究对象。材
料取 自成带状相间分布 的3种不同土壤处理的人工栽培草地，即未火烧草地、火烧 3 a和 4
a草地 (火烧 ：即将翻耕的草垡垒堆焚烧)。其中火烧 3 a和 4 a草地上牧草萌动期和上年枯
黄期分别为 4月 14日和 lo月初，未火烧草地牧草萌动期和上年枯黄期则分别为 4月 1 9日
和 9月下旬。取样时间自1 993年 4月25日到 5月25日，每隔 10 d取样一次。取样点设在
生长均匀且具代表性的地段上。取样时挖取一个正方形的草垡，用水缓缓冲洗直到根上无
附着土粒，然后自茎基处将根系剪下并用吸水纸吸去根上附着的水分 ．随即装入塑料袋内
放置于冰筒 中带 回实验室分析。
1．2．2 提取液的制备 分析时取各处理清洁鲜根 2 g．加 10 ml预冷 0．5 ml磷酸缓冲液
(pH 为 7 8)．在水浴中研磨成匀浆 匀浆液以 1 5000 g／rain，离心 30 min，上清液用于酶活
性的测定。另取 10 g鲜根在烘箱内以 105 C烘 10 min后 ．再用 60℃烘至恒重，用于碳水化
合物分析。
1．2 3 测定方法 按华东师范大学《植物生理学实习指导 中方法测定碳水化台物含量 ；
用紫 外吸收法测定可溶性蛋 白质含量；用碘量法测定 CAT 活性 ；用 Giannopolitis和
Ries 光化学法测定 SOD活 I生；按 Rochba报道的方法以 H。o。一 一愈创术酚为底物测定
POD活性。以上测定均重复 3次，结果取平均值，
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生 态 学 报 16卷
2 结果与分析
2．1 根系中碳水化合物含量变化
植物体 内碳水化合物包括 3个部分：可溶性糖 、淀粉和纤维素。
l未火烧地 No Exed
图 i 春季牧草根系中碳水化旨物 占量的变化
Fig 1 The chartges of carbohydrate oonteHt
0f~oragess Toots in sp rIfIg
随着春季温度波动式 回升(图 3d)，牧草根
中可溶性糖含量变化与温度变化相 反(图 lc)，
且 明显受温度影响。春季气温上升牧草根 中可
溶性糖 为牧草萌发提供能量和营养使其含量下
降。气温下降根中可溶性糖含量增加，其原因可
能有两个 ，一是牧草生长速度减慢 ，对可溶性糖
消耗少，二是降温导致淀粉和纤维素的迅速分
解 (图 1b，a)。降温 日古限中可溶性糖含量的增加
可提高牧草细胞液浓度，降低冰点，提高植物的
耐寒性，因此可溶性糖与植物抗寒密切相关。
淀粉 和纤维素是植物体内非溶状 态的糖。
随着春季气温上升，牧草开始萌发生长，根内淀
粉和纤维素不断降解而含量呈下降趋势(图 1b，
a)。但当气温下降(5月 1 5日到 25日，平均气
温由4．7℃降至O．4℃)根内淀粉、纤维紊含量仍
不断减少。根内淀粉、纤维素含量与温度变化的
关系不甚密切。但根中淀粉、纤维素的含量影响
着根中可溶性糖的含量，因此它们在植物抗寒
上起着输送能量的作甩。至于气温 回升时(5月
15日到 25日)根 中淀粉含量的增加是与地上部
光合系统已形成，营养开始向下转移有关。
如果把 3种立地条件下冬季(1992年)和春
季(1993年)牧草根中碳水化合物含量进行比较
(表 1)，不难看出入冬时根系中碳水化合物含量
高的火烧地牧草春季萌动早 ，抗寒性较强 。根中贮藏物与抗寒性相关 。 许多人研究也认为
表 1 冬、春季牧草根中碳水化合物含量比较 (rag，g根 )
Table 1 Comparison of carbohydrate content of forage‘s roots in winter 1992 and sprblg 1993
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4期 周瑞莲等：春季墓 差嚣萎菱裳 藿 鍪 喜晏 保护
多年生植物贮藏的碳水化合物是植物越冬、再 生的能量。而春季火烧地牧草根中碳水化
台物含量较低是其萌发早 、营养消耗较多所致。
实验结果表明：垂穗披碱草是在遗传控制下通过体 内生理代谢变化适应环境低温和变
温的 春季在温度降低时牧草的萌发生长减缓，根内淀粉和纤素迅速降解为可溶性糖 。溶
性糖的增加能降低组织冰点．防止细胞结冰造成的膜机械损伤．这一生理变化对植物抗寒
起到了重要作用。
2．2 根中可溶性蛋白质含量的变化
Gerlof 对 3个不同抗寒力的苜蓿品种的研究结果表 明：植物体 内可溶性蛋白质含量
与抗寒性有着密切关系，在低温下苜蓿可溶性蛋白质增多 本实验结果表明(表 2)：3种立
地牧草根中可溶性蛋白含量先呈上升趋势 ，后又下降与温度的变化曲线不一致。可溶性蛋
白质在牧草抗寒生理中的作用尚不清楚。 ．
表 2 牧草根中可溶性蛋 白质含量的变化 (mg!m1)
Table 2 Cimages 0r~luble Dr0te|Ⅱ啪 t龃 t。in¨ r0
2．3 根系中过氧化物酶(POD)活性变化
3种立地条件下牧草根中 POD活性均随着温度上升而下锦 ，随着温度下降而上升(表
3)。根中 POD酶活性大小顺序为 ：火烧 3 a地>火烧 4 a地>未火烧地 ，变化幅度也是火烧
3 a地>火烧 4 a地>未火烧地。
P0D是植物体内 H O 的分解酶 ，其活性受 H o：诱导 。火烧地牧草根中 POD活性
一 直维持较高，在温度降低时植物体内POD活性迅速增强。这不仅表明低温使植物体中积
累了 H。O ，而且也说明植物体具有分解 H o ．抗氧化而保护膜免受 H O 伤害的能力。植
物体内 POD对变温反应愈快体 内积累的H。O 愈少 ．细胞膜受损愈轻 ，这是火烧地牧草抗
寒性较强于未火烧地的一个重要生理原因。植物体 内POD是植物抵御寒冷 ，保护细胞膜的
重要酶之一
表 3 春季牧草根中 POD活性的变化 (OD·mg pro·rain )
1Ⅵ)le 3 Chan 始 0f activnies 0f pem x~ jn 啪 I theforage
2．4 根系中超氧物歧化酶(SOD)恬性变化
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春季牧草根系中 SOD活性随温度变化的趋势(表 4)与 POD完全相同。温度上升牧草
根中 SOD活性下降．温度下降 (5月 5日到 1 5日)平均气温 由4．7℃降至 0．4)，牧草根
SOD活性增强 ，其中抗寒性强 ，萌发早 的火烧地 牧草根中 SOD活性 一直较高．降温对
SOD活性增加幅度也较大。这表明高寒山区牧草 一直处于低温胁迫环境中，植物体内积累
有氧自由基，尤其当温度下降时体内氧自由基大量积累 同时也说明高寒山区牧草在适应
环境的过程中体内已形成了清除氧 自由基的酶——sOD 温度下降时植物体内 SOD活性
迅速增强，及时分解氧自由基使植物能较快地适应环境，植物抗寒性增强。可见牧草抗寒
性不仅与体内SOD活性有关．而且与其对环境的反应速度有关．反应愈快 ，受损愈小．抗
寒性也愈强。
表 4 春季牧草根中 SOD活性的变化 ( 0
Table 3 Changes of activitie~of Sllperoxide dlsmutas~缸 root 0f the forage
时 间 Time 温度 (℃) 未火烧地
o_f red
止烧 3 a地
Fired 3 a
t游 4 地
F Lr甜 4 a
2．5 根系中过氧化氢酶(CAT)活陛变化
CAT和 POD在生物体内均参与 H，() 的分解过程．但在本实验中两种酶活性随温度
变化的反应趋势不同。3种立地条件 F牧草根中CAT活性均在萌动初期有所升高，然后逐
步下降(表 5)。但对比 3种立地牧草根中 CAT活性 ，可发现萌发早、抗寒性强的火烧地牧
草根中 CAT活性较高。可见 ，植物体 内CAT仍参与了 H () 的解毒活动并与抗寒性有关
因为 CAT活性的下降不一定意味着 H。0：伤害水平的增加 ，生物体 内还有其它反应分解
H。0。- 。高寒山区牧草根中 POD可能是分解 H 0 的主要酶 。据报道 ]：植物体内还存在
有另一状态的CAT，它可在细胞质中出现清除代谢过程中非酶反应形成的过氧化物 关于
CAT和 POD在分解 H10 及其与牧草抗寒性的关系，有待进一步研究。
表 5 春季牧草根中 CAT话性的变化 (regis| o ·g_。·mlnI1)
Table 3 Change~of activities of catalas~in root 0f the forage
通过对自然环境条件下生长的牧草体内保护酶的分析，发现植物保护酶与抗寒性密切
相关。火烧地牧草根 中 SOD、POD、CAT活性高，气温下降时POD和 SOD活性大幅度增
加，而抗寒性较强 ，萌发较早 。这是由于保护酶 为诱导酶 当植物处于低温胁迫时体 阿则
积累氧 自由基．导致膜脂过氧化 。但当细胞中氧 自由基水平增加时又诱导保护酶活性增
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4期 周瑞莲等：春季墓 差 篓 篓 耋 誓 保护
强，这些酶能将氧自由基歧化为水使生物膜不受损伤 。因此低温条件下火烧地牧草根中
SOD和 POD酶在植物呼吸代谢过程 中保护着细胞膜，防止氧自由基和过氧化物形成，提
高了牧草的耐寒能力。在变温过程中牧草根中 SOD和 POD活性迅速增强 ．抑制了氧 自由
基的积累．使牧草很快适应环境。在低温、变温过程中牧草体内保护酶对环境的快速反应
可能是其适应环境的又一重要生理反应。
3 结论
通过以上分析 ．可以得出以下结论 ：
(1)植物细胞膜是低温胁迫伤害的主要部位．而牧草在适应低温、防止膜变损的方面
其生理调控是多途径的 ’
(2)春季气温波动式回升过程 中．牧 草体内代谢改组 (即气温下降根 中可溶性糖增
加)，防止细胞内结冰 ，保护细胞膜免受机械损伤是植物组织对生态环境适应的重要生理
反应之一 。
(3)春季气温波动式回升过程中，牧草体内保护酶系统的调节(即气温下降时．SOD
和 POD活性迅速上升)，抑制氧 自由基积累，保护细胞膜免受过氧化作用是植物组织对生
态环境适应的重要生理反应之一。
参 考 文 献
1 瓦西里耶夫著．何永集等译．植物的越冬 北京：科学出版社 1978—68～71
2 Kendal E 1 and Mckersie B D．Fme radical and free~ag injury tO cel r3．elTtbTanees of wimer wheat．Ph #m
血⋯ 1989．76-86～ 94
3 Shoncsuke sagisaka， ．Comparative$tlldies of the changes in enzymatic activities ia hardy and less hardy cukivars of
winter wheat in late fal and ia wiater under ．S0LI|船 ．plant N r ．1991．33：543～ 550
4 刘鸿先等．植物抗寒性与酶系统多志性的关系 植物生理学通讯．1981，t6)：6～11
5 Giannopoltis C N，Ries S K．Superoxide dismuta~ ；purification and quantitative r出 tL。nsll wi*h waist—soluble protein】n
seedling Plant physio1． 1977·59 315～ 310
6 Gerk)ff E D．Soluble proteins In alfalfa roots as related lO cold hardiness Plant肿 ysialogy l967—42：895～ 899
7 M acRae e A and Ferguson I B Changes ia Cand ase activity and Hydrogen peroxide concentration in plants ia respo 0
low temperature physloe Plant 1985 65：51～ 56
8 王宝山 生物自由基与植物膜伤害．植物生理学通讯 ，1 988，(2) 12～16
9 王文燕 超氧自由基和 SOD 生理科学进展 1985，f3)：21～24
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