全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (8): 771~776 771
收稿 2011-03-09 　　修定 2011-07-11
资助 国家林业公益性行业科研专项经费项目(201004009)。
* 通讯作者(E-mail: zhangzy209@163.com; Tel: 010-62336248)。
美洲黑杨与大青杨杂种无性系耐寒性的初步研究
江锡兵1, 郭斌1, 宋跃朋1, 马开峰1, 安新民1, 张志毅1,*, 史志伟2, 徐兰丽2, 张有慧3
1北京林业大学林木育种国家工程实验室, 林木花卉遗传育种教育部重点实验室, 国家林业局树木花卉育种与生物工程重
点开放实验室, 北京100083; 2河北省平泉县林业局, 河北平泉067500; 3山东省冠县国营苗圃, 山东冠县252500
摘要: 以美洲黑杨与大青杨杂种无性系1 年生扦插苗为材料, 测定其低温胁迫中多个生理指标的变化。结果表明, 6个杂种
无性系SOD、POD和APX活性在低温胁迫中均表现出先上升后下降的趋势, 而电解质渗漏率、活性氧含量、CAT和GR活
性保持逐渐升高的趋势。无性系间差异显著, 其中DU146和DU147电解质渗漏率和活性氧含量最低, 而5种抗氧化酶活性
均最高, 表明其具有较强的耐寒性; 而DU135和DU150电解质渗漏率和活性氧含量最高, 而5种抗氧化酶活性均最低, 表明
其耐寒性差。
关键词: 杨树; 杂种无性系; 低温; 耐寒性
Elementary Study on Cold-Tolerance of Hybrid Clones of Populus deltoides
Bartr. × P. ussuriensis Kom.
JIANG Xi-Bing1, GUO Bin1, SONG Yue-Peng1, MA Kai-Feng1, AN Xin-Min1, ZHANG Zhi-Yi1,*, SHI Zhi-Wei2, XU Lan-Li2,
ZHANG You-Hui3
1National Engineering Laboratory for Tree Breeding, NDRC, Key Laboratory of Genetics and Breeding in Forest Trees and Orna-
mental Plants, MOE, Tree and Ornamental Plant Breeding and Biotechnology Laboratory, SFA, Beijing Forestry University, Bei-
jing 100083, China; 2Forest Administration of Pingquan County, Hebei, Pingquan 067500, China; 3National Nursery of Guanxian
County, Shandong, Guanxian 252500, China
Abstract: One year old cuttings of hybrid clones of P. deltoides×P. ussuriensis were exposed to low tempera-
tures in this work, and to determine changes of several physiological indices. The results indicated that activi-
ties of SOD, POD and APX in the six hybrid clones increased firstly and then declined under low temperature
stress, whereas rates of electrolyte leakage, contents of O2
-, and activities of CAT and GR kept gradually in-
creasing trends. There were significant differences in these indices among the six clones, rates of electrolyte
leakage and contents of O2
- in clone DU146 and DU147 were the lowest, the activities of five antioxidant en-
zymes in clone DU146 and DU147 were the highest, these indicated that DU146 and DU147 had a strong resis-
tance to cold, whereas clone DU135 and DU150 had poor cold-tolerance.
Key words: Poplar; hybrid clone; low temperature; cold-tolerance
我国北方地区幅员辽阔, 土壤肥沃, 然而, 该
地区气候寒冷干燥, 常年气温偏低, 日照时间短,
年降水量不足, 导致部分速生杨树良种在该地区
难以生长或生长不良, 制约了该地区生态防护林
以及工业用材林的建设。据此, 李善文(2004)以速
生的美洲黑杨和较耐寒的大青杨为亲本, 采用人
工杂交方法对两者进行杂交, 试图利用杂种优势
整合两者之优点, 选择培育出一批新无性系。研
究人员对美洲黑杨与大青杨杂种苗期生长、形态
以及光合生理特性等方面进行了相关研究(李善文
2004; 江锡兵等2009), 初步筛选出多个生长、形态
以及光合作用能力表现优良的无性系。本研究选
用其中的6个杂种无性系, 以其1年生扦插苗为材
料, 对其在低温胁迫过程中若干生理指标的变化
情况进行系统研究, 对各无性系耐寒性进行比较
分析, 为进一步选择耐寒性杨树优良无性系提供
理论依据与参考。
研究报告 Original Papers
植物生理学报772
材料与方法
2010 年春天于河北省平泉县林业局种苗站苗
圃美洲黑杨(Populus deltoides Bartr.)与大青杨(P.
ussuriensis Kom.)杂种无性系田间测定林中采集6
个杂种无性系DU135、DU136、DU146、DU147、
DU150和DU165的1年生萌条若干, 带回北京林业
大学苗圃进行扦插繁殖。插条扦插于塑料盆(10
cm×15 cm)中, 基质为沙土、草炭灰、蛭石以及珍
珠岩(3:1:1:1)混合物。待扦插苗发芽及生长2个月
后, 选取生长状况良好、苗高及冠幅大小基本一
致扦插苗若干, 移至北京林业大学国家工程实验
室培养室中, 对其进行半环境控制, 光照强度为200
μmol·m-2·s-1日光灯, 光照时间16 h·d-1, 温度为(25±1)
℃/(15±1) ℃, 湿度控制在55%~85%。数天后将无
性系扦插苗转移到低温培养箱中进行低温胁迫处
理, 处理温度为5 ℃, 连续处理5 d, 并以处理0 d的为
对照。每天收集6个无性系新鲜叶片(从顶端往下
3~5片)若干, 部分用于测定其电解质渗漏率; 其余
立即液氮冷冻后置于-80 ℃冰箱保存, 用于活性氧
含量以及抗氧化酶活性的测定。每个无性系处理
30株, 取样时每次平均取5株, 重复处理试验3次。
电解质渗漏率参照Lutts等(1996)方法, 采用
DDS-11A型电导率仪测定。活性氧含量按照Xu等
(2006)方法进行测定。
以0.5 g叶片加入10 mL预冷的磷酸缓冲液(pH
7.8)研磨匀浆后, 12 000×g离心20 min, 上清液作抗
氧化酶活性测定用。超氧化物歧化酶(superoxide
dismutase, SOD)活性测定采用Giannopolitis和Ries
(1977)的方法, 以抑制光还原NBT 50%为1个酶活
性单位; 过氧化氢酶(catalase, CAT)活性按照Aebi
(1984)的方法测定; 过氧化物酶(peroxidase, POD)
测定参照Chance和Maehly (1955)的方法; 抗坏血
酸氧化酶(ascorbate peroxidase, APX)活性按照Na-
kano和Asada (1981)的方法测定; 谷胱甘肽还原酶
(glutathione reductase, GR)活性按照Halliwell和
Foyer (1978)的方法测定。此外, 可溶性蛋白的测
定方法参照Bradford (1976), 以牛血清蛋白作标准
曲线。
运用Excel及SAS 8.2软件包对数据进行统计
分析, 并采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和
最小显著差异法(LSD)比较不同组数据间的差异。
结果与讨论
1 低温胁迫下杂种杨树无性系电解质渗漏率的变
化
植物细胞质膜对于各种环境胁迫如低温、盐
胁迫等异常敏感。遭受低温胁迫时, 细胞膜透性
增大, 逐渐丧失其完整性, 导致其中大量电解质的
渗漏。通常认为电解质渗漏率高低对于判定植物
细胞受低温伤害程度起着极其重要的作用(Yoshi-
da和Uemura 1984)。低温胁迫第1天, 6个无性系电
解质渗漏率均明显升高, 达到对照的4.02~9.72倍;
之后, 无性系电解质渗漏率均逐渐升高, 第5天达
到最大值(图1)。表明随着低温胁迫时间的延长, 无
性系细胞膜受伤害程度逐渐加重。此外, 不同无性
系遭受低温胁迫时受伤害程度不同, 其电解质渗
漏率表现出显著差异, 其中DU146和DU147电解质
渗漏率最低, DU135和DU150电解质渗漏率最高。
2 低温胁迫下杂种杨树无性系活性氧含量的变化
植物遭受低温胁迫时会产生过量的活性氧
(ROS), 而活性氧在植物体内积累起着双重作用,
即破坏植物细胞质膜及调节植物生长、发育和防
御途径(Apel和Hirt 2004)。如图2所示, 低温胁迫
下6个杂种无性系活性氧含量呈现出逐渐上升的
变化趋势, 且至低温胁迫第5天均达到最大值。低
温胁迫导致6个杂种无性系体内活性氧含量升高,
且随着胁迫时间的延长, 无性系体内活性氧含量
不断升高, 使得细胞质膜不断受到伤害。此外, 连
续低温胁迫过程中, 不同无性系活性氧含量表现
出显著差异, 其中, DU146和DU147活性氧含量最
低, 且其电解质渗漏率最小, 说明其细胞膜受低温
伤害程度最轻; DU135和DU150活性氧含量最高,
且其电解质渗漏率最高, 表明其细胞膜受低温伤
害程度最为严重。
3 低温胁迫下杂种杨树无性系SOD活性的变化
研究证实, 为防止活性氧的大量积累并破坏
细胞质膜, 植物体内抗氧化酶系统发挥着举足轻
重的作用(Wang等2009)。在逆境中, SOD活性的高
低是机体抗逆境能力的标志(王建华等1989)。
SOD活性越高 , 表明植物对逆境的抵抗能力越
强。本研究结果(图3)显示, 在低温胁迫下, 6个无
性系的SOD活性水平均呈现先上升后降低的变化
趋势。这说明在短时间的低温胁迫下 , 无性系
江锡兵等: 美洲黑杨与大青杨杂种无性系耐寒性的初步研究 773
图1 低温胁迫下杂种杨树无性系电解质渗漏率的变化
Fig.1 Changes in rates of electrolyte leakage of poplar hybrid clones under low temperature stress
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下图同此。
图2 低温胁迫下杂种杨树无性系活性氧含量变化
Fig.2 Changes in O2
- contents of poplar hybrid clones under low temperature stress
图3 低温胁迫下杂种杨树无性系SOD活性变化
Fig.3 Changes in SOD activities of poplar hybrid clones under low temperature stress
植物生理学报774
SOD活性急剧升高以清除其体内产生的活性氧,
增强其对低温的适应性; 而后逐渐下降, 可能是由
于长时间的低温胁迫导致了大量活性氧的积累(与
图2中结果一致), 抑制了SOD活性, 从而打破无性
系叶片内活性氧的产生与清除的动态平衡, 造成
无性系质膜的伤害以及生物大分子的破坏。此外,
不同无性系的SOD 活性均表现出显著差异, 其中,
DU146和DU147 SOD活性最高, 表明其具有较强
的耐寒性; DU135和DU150 SOD活性最低, 表明其
耐寒性较差。
4 低温胁迫下杂种杨树无性系POD活性的变化
如图4所示, 6个无性系POD活性在遭受低温
胁迫时先升高后下降。在短时间低温胁迫下, POD
活性迅速升高, 表明POD在清除植株体内活性氧
和酶解H2O2方面起着重要的作用, 保护植株免受
低温伤害; 然而, 随着低温胁迫时间的延长, 6个无
性系POD活性均呈现出降低趋势, 可能也是由于
活性氧的大量积累抑制了POD活性。据研究, POD
活性与植物耐寒性密切相关(王荣富1987), 耐寒性
强的植物在逆境中POD活性明显高于耐寒性差的
植物, 因此认为POD活性变化可作为鉴定植物耐
寒性的生理指标。本研究中, 6个无性系POD活性
表现出显著差异, 其中, DU146和DU147 POD活性
最高, 表明其具有较强的耐寒性; DU135和DU150
POD活性最低, 表明其耐寒性差。
5 低温胁迫下杂种杨树无性系CAT活性的变化
研究表明, CAT在清除超氧自由基、H2O2和
过氧化物以及阻止或减少羟基自由基形成等方面
发挥重要作用(史瑞等2008)。当植物遭遇逆境胁
迫时, 体内CAT活性会发生规律性变化, 充分发挥
其作用。本研究结果(图5)显示, 在低温胁迫下, 美
洲黑杨与大青杨6个杂种无性系CAT活性均保持逐
渐升高趋势, 说明CAT能够有效且不断分解SOD转
化超氧自由基产生的过氧化氢, 与SOD及POD协
同作用, 使植株超氧自由基维持在较低水平, 使其
免受低温伤害。此外, 6个无性系的CAT活性均表
现出明显差异, 其中, DU146和DU147的CAT活性
最高, 表明其具有较强的耐寒性; DU135和DU150
的CAT活性最低, 表明其耐寒性差。
6 低温胁迫下杂种杨树无性系APX活性的变化
APX被认为是植物细胞中有效分解H2O2又一
重要酶, 其活性增加有助于植物耐寒性的提高(Al-
len 1997)。Sato等(2001)对水稻先热处理然后冷处
理的实验结果得出, APX在水稻幼苗抗冷伤害保护
中可能起作用。罗娅等(2007)研究发现, APX对低
温非常敏感, APX活性伴随着H2O2的升降而升降,
进一步验证了APX在清除H2O2的过程中发挥着重
要的作用。低温胁迫过程中, 6个无性系APX活性
呈现出先升高后略有降低的变化趋势(图6)。其中,
低温胁迫第1 天, 6个无性系APX活性均明显升高,
表明APX在前期低温胁迫中有效分解氧化产生的
H2O2, 能够增强植株耐低温能力。此外, 6个无性
系APX活性差异达到显著水平 , 其中DU146和
DU147 APX活性最高, 表明其具有较强的耐寒性;
图4 低温胁迫下杂种杨树无性系POD活性变化
Fig.4 Changes in POD activities of poplar hybrid clones under low temperature stress
江锡兵等: 美洲黑杨与大青杨杂种无性系耐寒性的初步研究 775
图5 低温胁迫下杂种杨树无性系CAT活性变化
Fig.5 Changes in CAT activities of poplar hybrid clones under low temperature stress
图6 低温胁迫下杂种杨树无性系APX活性变化
Fig.6 Changes in APX activities of poplar hybrid clones under low temperature stress
DU135和DU150 APX活性最低, 表明其耐寒性较
差。
7 低温胁迫下杂种杨树无性系GR活性的变化
有研究报道, 在低温胁迫条件下, GR通过防
止酶和膜的氧化起重要作用(Mohan等1990)。本
研究结果(图7)显示, 6个无性系在遭受低温胁迫时
GR活性水平均明显上升, 且随着胁迫时间的延长
逐渐升高, 直至低温胁迫处理第5 天, 6个无性系的
GR活性均达到最大值。表明GR在整个胁迫过程
中通过不断增强植株细胞膜的抗氧化能力, 从而
不断增强植株的耐低温能力。在低温胁迫过程中,
6个无性系G R活性均表现出显著差异 , 其中 ,
DU146和DU147 GR活性最高, 表明其具有较强的
耐寒性; DU135和DU150的GR活性较低, 表明其耐
寒性较差。
植物遭受低温胁迫时, 体内发生一系列的生
理变化, 且关系错综复杂。低温胁迫过程中, 植物
细胞膜系统受到破坏, 导致膜透性增大, 其中大量
电解质渗漏, 使得电解质渗漏率增大; 植物O2利用
效率降低, 致使体内活性氧含量积累增多, 对植物
造成氧化伤害; 而低温胁迫又可使植物抗氧化酶
系统加强, 有效清除体内活性氧, 从而提高植物的
耐寒性(Scebba等1998)。本研究中, 在低温胁迫下,
无性系电解质渗漏率和活性氧含量刚开始时升高
趋势明显, 随后缓慢升高, SOD、POD、APX活性
在短时间胁迫时迅速升高 , 随后开始下降 , 而
植物生理学报776
CAT、GR活性则在整个低温胁迫过程中逐渐升
高, 5种抗氧化酶协同作用, 有效地阻止了低温对无
性系不断产生的伤害, 增强了无性系耐寒能力。
此外, 低温胁迫过程中, 各生理指标无性系间差异
明显, 其中, DU146和DU147电解质渗漏率和活性
氧含量最低, 5种抗氧化酶活性均最高, 表明其具有
较强的耐寒性; DU135和DU150电解质渗漏率和活
性氧含量最高, 5种抗氧化酶活性均最低, 表明其耐
寒性较差。
参考文献
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Fig.7 Changes in GR activities of poplar hybrid clones under low temperature stress