全 文 ：第 25卷　第 2期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2005年　4月
Vo .l 25　No. 2　　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTAN ICAL RESEARCH April, 　2005
基金项目:国家林业局 “ 948”国际引进项目(99 - 04)资助
第一作者简介:郭惠红(1969— ),女 ,讲师 ,主要从事植物生殖生物学及植物引种驯化研究工作。
收稿日期:2004 - 11 - 17
金边卫矛抗寒性研究初探
郭惠红　李　庆　高述民　沈应柏　李凤兰
(北京林业大学生物科学与技术学院 ,北京　100083)
摘　要　比较观察了金边卫矛在自然越冬及人工冷驯化期间叶片组织结构及胞内淀粉的变化 ,并
测定了未经冷驯化和经冷驯化的金边卫矛幼苗叶片的光响应曲线及两种处理苗在低温胁迫下的
光合速率。结果表明:自然越冬及人工冷驯化期间叶片栅栏细胞出现的液泡分割现象以及胞内淀
粉在低温驯化前累积 、驯化后降解并在脱锻炼后重新积累 ,均表现出与植物抗寒性发育高度的一
致性;与未驯化苗相比 ,驯化苗叶片的光合速率和光补偿点下降 ,光饱和点增大 。低温胁迫 72 h
后 ,驯化苗仍能维持一定的光合作用 ,而未驯化苗已无光合作用 ,表明冷驯化提高了幼苗在低温胁
迫下光合作用的稳定性。亦对上述适应性变化与抗寒性的关系作了探讨。
关键词　金边卫矛;自然越冬;冷驯化;适应性;抗寒性
Prelmi inary study on cold-resistance ofEuonymus radicans ‘Emorald＆ Gold’
GUO Hui-Hong　LIQ ing　GAO Shu-M in　SHEN Ying-Ba i　LIFeng-Lan
(Co llege of Bio log ical Sc iences and Techno logy, Be ijing Forestry University, Beijing　100083)
Abstract　A comparative obse rvation w as carried out on the changes o f ana tom ical struc ture and starch
conten t in the leaves ofEuonymus rad icans ‘Emora ld＆ Go ld’ during ove rw in te ring and co ld acclima-
tion, and the pho tosynthesis-light response curves from the leaves of unacclimated and acc limated seed-
ling s as we ll as the lea f photosynthe tic ra te of acclimated and unacclimated seedlings trea ted at the low
temperature stress we re stud ied comparative ly. The results showed tha t the appearance o f vacuo le divi-
sion during overw intering and co ld acc limation w ere h ighly co rrelated to the deve lopment o f plant co ld-
resistance. So w ere the sta rch accumulation before the acclima tion, the starch deg rada tion after the ac-
clim ation and starch accumu la tion again after de-acclimation. C ompared w ith unacc limated seed lings,
the leaf pho tosyn thetic rate and pho tosynthe tic ligh t compensa tion point o f acclima ted seedlings de-
creased, pho tosynthe tic ligh t sa turation po int increased sligh tly. The lea f pho tosynthetic rate o f acclima-
ted seedlings stillmaintained at a higher leve l a fte r low tempera ture stress for 72 h, but that of unacc li-
ma ted seedlings became negen tropy, indicating tha t co ld acclima tion raised the stability of pho tosynthe-
sis of seed lings under low tempe ra ture stress. And the relation be tw een the above-mentioned adaptive
changes and plant co ld-resistance w as also discussed.
Key words　Euonymus rad icans ‘Emorald＆G o ld’ ;overw intering;cold acc limation;adap tive;co ld-
resistance
金边卫矛是本课题组于 2000年从英国引种到
北京的一种常绿彩叶植物。由于北京属典型的大
陆季风气候 ,冬季长而寒冷 ,与原产地气候差异较
大 ,低温便成为引种成功的首要限制因子 。引种试
验中发现 ,金边卫矛抗寒性强 ,能耐受北京最寒冷
冬季气候安全越冬 。植物在自然越冬的低温驯化
过程中叶片组织结构以及胞内淀粉的变化已有一
些研究 [ 1, 2] 。人工模拟自然低温驯化植物 ,亦能大
大提高植物的抗寒力 [ 3] ,金边卫矛经 3周人工冷驯
化后 ,半致死温度由 - 5. 4℃降到 -19. 1℃,抗寒力
大大提高[ 4] ,然而 ,人工冷驯化过程中叶片组织结
构以及胞内淀粉的变化还少见报导 。光合作用是
植物赖以生存的基础 ,也是植物受低温影响最明显
的生理过程之一[ 5] 。高的光合作用能力 ,可看作
是能量平衡的特征 ,是新陈代谢重组的表现。植物
经过低温驯化后 ,通常能保持旺盛或一定的光合作
用水平 ,抗寒性得到提高 [ 6] 。因此 ,本文以金边卫
矛为试材 ,比较研究了自然越冬及人工冷驯化过程
中叶片组织结构和淀粉的变化以及人工冷驯化后
叶片光合作用的变化 ,探讨其变化规律与抗寒性的
关系。
1　材料与方法
1. 1　材料及处理
自然越冬的试材为一直在大田生长的二年生
金边卫矛 ,而人工冷驯化的金边卫矛幼苗则是选用
当年扦插的盆栽苗。
人工冷驯化处理是将幼苗分为两组 ,一组置于
冷库中 4℃冷驯化 3周 , 另一组置于光照培养箱
(HPG— 280B)中 22℃培养 3周作为对照 。两组幼
苗均每天光照 12 h,光强30 μmol m -2 s-1;然后
将两组处理幼苗同时移入 - 5℃低温胁迫处理 12、
24、36、48、72 h。
1. 2　实验方法
1. 2. 1　叶片结构和胞内淀粉的观察
分别选取金边卫矛自然越冬过程中秋末
(2003. 10. 17)、初冬 (2003. 12. 5)、严冬后 (2004.
1. 19)、立春时 (2004. 2. 16)及经人工冷驯化和未
经人工冷驯化以及两种处理经低温胁迫 72 h后的
植株中部叶片 , 按常规石蜡包埋制片 ,番红 —固绿
复染及组化染色的方法分别观察叶片结构和胞内
淀粉的变化 。
1. 2. 2　光合作用的测定
采用英国 PP公司生产的 C iras— Ⅱ光合仪测
定 22℃下生长的金边卫矛幼苗及 4℃下冷驯化 3周
后的金边卫矛幼苗光响应曲线 ,并分别测定两种处
理苗经胁迫 12、24、36、48、72 h后的光合速率。上
述测定分别于实验当天 14时进行 ,重复 3次。
2　结果
2. 1　叶片结构的观察
2. 1. 1　自然越冬过程中叶片组织形态结构的变化
金边卫矛叶片具有双子叶植物叶片的典型组
织结构。叶片的上下表皮均为单层细胞组成 ,且均
覆盖有较厚的角质层 。靠近上表皮为栅栏组织 ,由
3 ～ 4层长棒状 、排列整齐而紧密的细胞组成;其下
为细胞形状不规则 、排列疏松的海绵组织 。在自然
越冬过程中 ,叶片组织发生了适应性变化 ,主要表
现为液泡分割现象的季节性动态变化。秋末时 ,栅
栏细胞和海绵细胞中均含有一中央液泡 ,叶绿体呈
凸透镜形 ,紧贴细胞壁分布;初冬时 ,叶片中少数栅
栏细胞出现液泡分割现象 ,由原来的一个大液泡变
为 2 ～ 3个较小的液泡;严冬后 ,液泡分割现象加
剧 ,绝大多数栅栏细胞的中央大液泡被分成多个小
液泡 ,少数栅栏细胞甚至出现质壁分离现象;立春
时 ,液泡分割现象明显减弱(图版Ⅰ :1 ～ 4)。
2. 1. 2　人工冷驯化期间叶片组织结构的变化
未经冷驯化的幼苗叶肉细胞无液泡分割现象 ,
栅栏细胞和海绵细胞中均含有一中央大液泡 ,叶绿
体呈凸透镜形 ,紧贴细胞壁分布 ,幼苗经 3周冷驯
化后 ,少数栅栏细胞出现液泡分割现象 ,但不及自
然越冬过程中的显著 。然而 ,当把未驯化苗和驯化
苗同时置于 - 5℃处理 72 h后发现 ,未驯化苗的叶
片组织结构完全被破坏 ,细胞变形 ,细胞内的液泡 、
叶绿体等细胞器解体;而驯化苗的叶片组织结构基
本完整 ,虽然有少数海绵细胞解体 ,但是大部分细
胞的形态轮廓分明(图版 Ⅰ:5 ～ 8)。
2. 2　胞内淀粉的观察
金边卫矛自然越冬过程中胞内淀粉亦呈现出
季节性动态变化。秋末时 ,叶片积累了大量的淀
粉 ,淀粉粒广泛分布于叶片组织细胞中 ,颗粒紧实
致密 ,其中栅栏细胞分布最多;初冬时 ,叶片中的淀
粉粒全部消失 ,在栅栏细胞 、海绵细胞中均未见淀
粉粒的分布;在随后的整个越冬过程中 ,也未见淀
粉粒的分布 。直至立春时金边卫矛叶片才开始重
新积累淀粉 ,但数量较少 (图版 Ⅱ:9 ～ 12)。
人工冷驯化过程中 ,金边卫矛叶片淀粉粒的变
化趋势与自然越冬过程基本一致 ,未驯化苗叶片中
含有少量淀粉 ,经 3周冷驯化后的幼苗叶片中未见
淀粉粒的分布。但未驯化苗叶片中淀粉粒数量大
大少于自然越冬过程中秋末时期叶片累积的淀粉
数量 (图版 Ⅱ:13, 14)。
220 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　25卷
图 1　常温下(22℃)生长幼苗的光响应曲线
F ig. 1　Pho tosynthesis-light response curves
from the seedling s trea ted at 22℃
2. 3　光合作用的变化
2. 3. 1　未驯化及经冷驯化 3周后的金边卫矛幼苗
叶片光响应曲线
如图 1, 2所示 ,生长在 22℃下的金边卫矛幼
苗 ,光饱和点在 352 μmo l m -2 s- 1左右 ,最大净
光合速率在 5μmo l m - 2 s-1左右 ,光补偿点经曲
线斜率计算为15. 1μmo l m - 2 s-1。当金边卫矛
幼 苗 经 冷 驯 化 3 周 后 , 光 饱 和 点 在
399μmo l m - 2 s-1左右 , 最大净光合速率在
2. 8μmo l m - 2 s-1 左 右 , 光 补 偿 点 则 为
2 μmol m -2 s- 1左右 。由此可见 ,金边卫矛幼苗
经冷驯化后 ,光合速率和光补偿点下降了 ,但光饱
和点有所增大。
2. 3. 2　未驯化苗及驯化苗在低温胁迫下的光合作
用
未驯化苗在低温胁迫过程中光合速率下降的
幅度大 , 72 h后光合速率已为负值 。而驯化苗经低
温胁迫处理 12、24、36、48、72 h后的光合速率虽在
不断下降 ,但下降的幅度小 , 72 h后仍保持较高的
光合能力(图 3)。
3　讨论
3. 1　叶片组织结构的变化及胞内淀粉的变化与抗
寒性的关系
金边卫矛在自然越冬过程中 ,叶片组织结构发
生了适应性变化 ,即随着越冬的进程 ,液泡分割加
剧 ,而气温回暖至立春时 ,液泡分割明显减轻。张
凤琪[ 7]在研究低温对于温州蜜柑(宫川)抗寒锻炼
的作用中亦观察到类似的现象。液泡分割可能通
过减少细胞单位体积内可结冰的水分含量及减少
图 2　冷驯化(4℃)3周后幼苗光响应曲线
F ig. 2　Pho tosynthesis-light response curve s from
the seedling s trea ted a t 4℃ fo r 3 w eeks
细胞冰冻收缩和化冰膨胀时对膜的破坏作用 ,来增
强膜在低温胁迫下的稳定性 ,从而提高植株的抗寒
力。
植物在冷驯化及低温胁迫期间细胞内的物质
代谢水平和途径会发生一系列适应性变化 ,葡萄糖
- 6 -磷酸途径转变为戊糖磷酸循环 ,淀粉转化为
可溶性糖类 [ 8] 。淀粉水解为可溶性糖 ,提高抗寒
力的作用机制可能在于三个方面:(1)可溶性糖的
累积 ,提高了细胞的渗透浓度 ,增强了细胞的保水
能力;(2)起冰冻保护剂的作用 ,降低冰点;(3)通
过与磷脂类物质的极性基团的相互作用稳定膜结
构[ 9, 10] 。本实验中观察到金边卫矛叶片在秋末累
积大量的淀粉 ,而在随后的整个越冬过程中 ,淀粉
消失 ,直至立春之后才开始重新累积 ,但量仍较少 。
这说明淀粉参与了越冬期间抗寒力发展的过程 ,淀
粉与可溶性糖相互转化的季节性动态变化与植物
的抗寒性发育及越冬适应性具有高度一致性 。
图 3　未驯化苗及驯化苗在低温胁迫下光合速率的变化
F ig. 3　Varia tion o f pho tosynthe tic rate from the leaves o f
acc lim a ted and unacc lima ted seedlings
2212期 郭惠红等:金边卫矛抗寒性研究初探
本实验亦观察到 ,金边卫矛幼苗经人工冷驯化
后液泡分割不如自然越冬过程中的显著 ,而且未驯
化苗(对照)叶片中淀粉的数量远不及金边卫矛越
冬前(秋季 )叶片中累积的数量 ,但经驯化后抗寒
性表现却远好于未驯化苗。这表明植物在提高抗
寒力的过程中 ,组织结构的变化 、糖的累积只是其
中的两个方面 ,而植物体内的重要生理过程光合作
用 、重要代谢产物蛋白质 (包括酶 )等其它方面或
许也起着重要的作用 。
3. 2　光合作用的变化与抗寒性的关系
低温处理后 ,光合作用维持在一定水平 ,是植
物抗寒性提高所必须的[ 6, 11] 。还有研究表明 ,抗寒
性强弱与光合能力的大小有较大的相关性 ,植物净
光合速率高 ,其抗寒性也较强 [ 12] 。本实验观察到 ,
在低温胁迫 72 h后 ,驯化苗仍能维持一定的光合作
用 ,而未驯化苗已无光合作用 ,表明冷驯化提高了
幼苗在低温胁迫下光合作用的稳定性 ,这与幼苗经
冷驯化后抗寒力提高[ 4]呈正相关。即冷驯化提高
植物光合作用在低温胁迫下的稳定性 ,从而提高植
物抗寒力。初步分析可能与幼苗冷驯化期间光补
偿点下降 、光饱和点升高有关。幼苗经 3周低温驯
化后 ,光补偿点显著下降 ,说明幼苗对弱光的利用
能力大大提高。王永健等 [ 13]研究低温弱光对不同
黄瓜品种幼苗光合作用的影响时亦发现类似的现
象 ,即随着低温处理时间的延长 ,幼苗的适应性逐
步增强 ,对弱光的利用能力提高 ,光补偿点呈下降
趋势 ,保持在较低水平 。这表明冷驯化导致的光补
偿点下降应是植物发展抗寒力所作的有益调整 ,有
助于植物在低温胁迫下维持一定的光合能力。而
金边卫矛幼苗冷驯化后光饱和点的升高 ,表明幼苗
防御低温光抑制的能力提高。已有研究表明 ,在低
温胁迫下 ,即使中低等光强也会对植物发生光抑
制 [ 14] ,但抗冷植物如菠菜 [ 15]在低温下则需要在高
光强下才发生光抑制 。这说明冷驯化后光饱和点
的升高 ,亦有助于提高植物在低温胁迫下光合作用
的稳定性。研究表明 ,植物在冷驯化期间还可通过
提高碳同化酶的活性及低温光氧化的防御能力来
稳定植物在低温下的光合能力 [ 16, 17] 。因此 ,冷驯
化提高植物光合作用在低温胁迫下的稳定性是一
个复杂的过程 ,涉及多方面的作用机制 ,尚待进一
步研究 。
参　考　文　献
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图　版　说　明
Explanation of plates
图版Ⅰ 　1. 秋末时 (2003. 10. 17)叶片组织结构。 ×20;
222 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　25卷
2. 初冬时(2003. 12. 5)叶片组织结构 ,箭头 “↑”示少数细
胞中的液泡分割现象 。 ×40;3. 严冬后(2004. 1. 19)叶片
组织结构 , 箭头 “↑”示液泡分割现象加剧。 ×40;4. 立春
时(2004. 2. 16)叶片组织结构。 ×20;5. 22℃下生长 3周
的幼苗(未经冷驯化)叶片组织结构。 ×40;6. 4℃低温冷
驯化 3周的幼苗叶片组织结构 ,箭头 “↑”示部分栅栏细胞
中的液泡分割现象。 ×40;7. 未驯化苗置于 - 5℃ 72 h后
的叶片组织结构 , 示叶片组织结构遭到严重破坏。 ×20 ;
8. 驯化苗置于 - 5℃72 h后的叶片组织结构 , 示组织结构
基本完整。 ×20
图版Ⅱ　9. 秋末时(2003. 10. 17)叶片组织内淀粉粒分布
状况。 ×40;10. 初冬时(2003. 12. 5)叶片组织内淀粉粒分
布状况 , 示叶片组织内淀粉粒全部消失。 ×40;11. 严冬后
(2003. 1. 19)叶片组织内淀粉粒分布状况 , 示叶片组织内
仍无淀粉粒分布。 ×40;12. 立春时 (2004. 2. 16)叶片组
织内淀粉粒分布状况 ,示淀粉粒开始在叶片组织内少量积
累。 ×40;13. 未驯化苗叶片组织内分布少量淀粉粒。
×40;14. 冷驯化 3周的苗叶片组织内未见淀粉粒分布。
×40
P lateⅠ 　1. The struc ture o f leaves collec ted in late au tum n
(2003. 10. 17). ×20;2. The struc ture of leaves co llected in
ea rly w in te r(2003. 12. 5), arrow “↑” show ing the phenome-
non o f vacuo le division in a little number o f pa lisade ce lls.
×40;3. The structure of leaves co llected a fter severe w inter
(2004. 1. 19), arrow “↑” show ing m ore vacuo le division in
the pa lisade ce lls. ×40;4. The structure of leaves collec ted
in early spring (2004. 2. 16). ×20;5. The leaf structu re o f
seedling s trea ted a t 22℃ fo r th ree w eeks. ×40;6. The leaf
structure o f seed lings trea ted at 4℃ for three w eeks, arrow
“↑” show ing the phenom enon o f vacuole d iv ision in som e pa li-
sade ce lls. ×40;7. The leaf structu re o f unacc lim a ted seed-
lings trea ted a t low temperatu re stress ( -5℃) for 72 h,
show ing severely dam aged lea f struc ture. ×20;8. The leaf
structure of acc lim a ted seedling s trea ted a t low tem pera tu re
stre ss ( - 5℃) fo r 72 h, show ing basica lly in tegrated struc-
ture. ×20
P la teⅡ　9. The distribu tion o f sta rch g rains in the leave s co l-
lec ted in late au tum n(2003. 10. 17). ×40;10. The distribu-
tion of starch grains in the leaves co llec ted in ea rly w inte r
(2003. 12. 5), show ing no starch grains d istributing in the leaf
tissues. ×40;11. The distribu tion of starch grains in the
leaves co llected afte r seve re w inter (2004. 1. 19), show ing no
starch g ra ins distribu ting in the leaf tissues ye.t ×40;12. The
distribution o f sta rch g ra ins in the leaves co llected in early
spring (2004. 2. 16), show ing a few o f sta rch g rains accum ula-
ting in the lea f tissues. ×40;13. A few sta rch g rains in the
leaf tissue s o f seedling s trea ted a t 22℃ fo r th reew eeks. ×40;
14. No starch grains in the lea f tissue s o f seed lings trea ted at
4℃ fo r three w eeks. ×40
2232期 郭惠红等:金边卫矛抗寒性研究初探
郭惠红等:金边卫矛抗寒性研究初探 图版Ⅰ
GUO Hui-H ong et a l:P re lim ina ry study on co ld-resistance o fE uonymus radican s ‘Em orald＆ Go ld’ P lateⅠ
See explanation at the end of text
224 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　25卷
郭惠红等:金边卫矛抗寒性研究初探 图版Ⅱ
GUO Hui-H ong et a l:P re lim ina ry study on co ld-resistance o fE uonymus radican s ‘Em orald＆ Go ld’ P lateⅡ
See explanation at the end of text
2252期 郭惠红等:金边卫矛抗寒性研究初探