全 文 ：园 艺 学 报 2013，40（3）：487–497 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期：2012–10–24；修回日期：2013–02–28
基金项目：国家自然科学基金项目（31101548）；现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-25）；国际科技合作项目
（2010DFB30550）
* 通信作者 Author for correspondence（E-mail：shangqingmao@caas.cn；Tel：010-82109540）
内源水杨酸参与黄瓜叶片光合系统对低温胁迫
的响应
李 亮，董春娟，尚庆茂*
（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，北京 100081）
摘 要：为了探讨内源水杨酸（salicylic acid，SA）在黄瓜幼苗光合系统响应低温胁迫中的作用机制，
采用高效液相色谱法测定低温下黄瓜叶片中内源 SA 含量的变化；通过 SA 合成抑制剂 Paclobutrazol（Pac，
100 μmol · L-1）喷施和外源 SA（50 μmol · L-1）饲喂的方法调节内源 SA 含量，并测定不同处理幼苗的叶
绿素荧光参数和光合碳同化关键酶基因的转录水平。结果显示：低温引起黄瓜幼苗内源 SA 含量升高，Pac
预处理抑制 SA 的积累。低温导致 PSⅡ的最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光化学效率（ΦPSII）、潜在光化
学活性（Fv/Fo）和光合电子传递效率（ETR）等降低，叶片光化学猝灭参数[（Y（NO）]升高；内源 SA
含量降低使 PSⅡ活性下降幅度增大，加重了叶片的光损伤程度。低温下 PSⅡ吸收的光能分配于光反应的
部分减少，而以非光化学反应的过剩能量耗散 Ex 为主要的光能分配途径，内源 SA 含量降低会加剧光能
向 Ex 的分配。低温时喷施 Pac 的幼苗中 Rubisco 小亚基基因（RbcS）和碳酸酐酶基因（CA）的表达水平
显著低于对照植株。对喷施 Pac 的幼苗外源饲喂 SA 后，内源 SA 含量升高，低温下叶片光合活性得到有
效恢复，光损伤降低，光能分配趋于合理，RbcS 和 CA 的表达水平升高。上述结果表明，低温下内源 SA
的积累有助于维持黄瓜叶片中较高的光系统活性和碳同化能力，从而保护光合系统，降低低温胁迫对植
物的损伤。
关键词：黄瓜；水杨酸；低温胁迫；光系统Ⅱ；核酮糖–1,5–二磷酸羧化/加氧酶
中图分类号：S 642.2 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2013）03-0487-11

Role of Endogenous Salicylic Acid in Responding of Cucumber Leaf
Photosynthetic Systems to Low Temperature Stress
LI Liang，DONG Chun-juan，and SHANG Qing-mao*
（Institute of Vegetables and Flowers，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Biology and Genetic
Improvement of Horticultural Crops，Ministry of Agriculture，P. R. China，Beijing 100081，China）
Abstract：In order to reveal the protective roles of endogenous salicylic acid（SA）on photosynthetic
systems in cucumber seedlings under low temperature stress，the seedlings were pretreated with 100
μmol · L-1 Paclobutrazol（Pac，an inhibitor of SA biosynthesis）for 24 hours and then cultured at 10 ℃.
After 10 hours of temperature treatment，parts of materials were fed with exogenous SA（50 μmol · L-1）.
The endogenous SA content，chlorophyll fluorescence parameters，and the relative expression of Rubisco

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small subunit（RbcS）and Carbonic anhydrase（CA）genes were determined at different treatment times.
The results exhibited that low temperature stress could induce endogenous SA accumulation in cucumber
leaves，and this accumulation could be prevented by spraying with Pac. Low temperature resulted in a
reduction in maximum photochemical efficiency of PSⅡ（Fv/Fm），effective photochemical quantum yield
of PSⅡ（ΦPSII），potential activities of PSⅡ（Fv/Fo），and electron transport rate（ETR）. Pac spraying
caused a greater reduction in PSⅡefficiency. Low temperature stress led to a decreased allocation of light
absorbed by PSⅡantenna to the photochemical reaction and an increased allocation of excessive energy，
and Pac-treatment caused a much more allocation of light to dissipation as excessive energy. Also，the
expression of RbcS and CA genes was down-regulated by low temperature stress，and the reduction was
greater in Pac-treated seedlings. Furthermore，application of exogenous SA to Pac-treated seedlings
alleviated the reduction of photosynthetic efficiency and rescued the repressed gene expression of RbcS
and CA. All of these results suggested that low temperature-induced SA accumulation was required for
maintenance of photosynthetic efficiency and carbon assimilation capacity，and thereby protected
cucumber seedlings against low temperature-induced damages.
Key words： cucumber； salicylic acid； low temperature stress；photosystemⅡ（PSⅡ）；
ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase（Rubisco）

大量研究表明，水杨酸（salicylic acid，SA）可以诱导植物产生系统获得性抗性（Senaratna et al.，
2000；Khan et al.，2003）。近年来研究人员发现 SA 还可以诱导植物对非生物胁迫的抗性，外源 SA
处理可以提高植物对干旱、低温、盐渍、高温、重金属等逆境胁迫的抗性（宋士清 等，2006；尚庆
茂 等，2007；Hayat et al.，2008，2010；郝敬虹 等，2012）。
植物的光合过程极易受到低温等环境因素的影响，导致叶绿素含量降低，光系统Ⅱ
（PhotosystemⅡ，PSⅡ）转运能力和核酮糖–1,5–二磷酸羧化加氧酶（Ribulose-1,5-bisphosphate
carboxylase/oxygenase，Rubisco）的羧化速率降低，造成光合效率的下降（Abreu & Munné-Bosch，
2008；Ruelland & Zachowski，2010；张志刚和尚庆茂，2010a）。一定浓度的外源 SA 处理可以提高
黄瓜、番茄等中有机物的积累（Hayat et al.，2010；张志刚和尚庆茂，2010b），并可以提高植物在
盐害、干旱等胁迫条件下的 Rubisco 酶活性，提高叶片净光合速率（Fariduddin et al.，2003；王晓黎
等，2011a）。
黄瓜生长过程对低温极为敏感，温度低于 10 ℃时生长会受到抑制（周艳虹 等，2004）。本研
究中通过 SA 合成抑制剂（多效唑，Paclobutrazol，Pac）控制低温下黄瓜幼苗叶片中内源 SA 的积
累水平，比较不同处理的幼苗的光合特性，包括光反应中的叶绿素荧光参数、猝灭特性和光能分配，
以及暗反应过程中的关键酶基因的表达水平，以期明确低温胁迫时内源 SA 对黄瓜幼苗光合系统的
保护作用，探讨内源 SA 在植物低温抗性反应中的作用机理。
1 材料与方法
1.1 植物材料培养
供试黄瓜（Cucumis sativus L.）品种为‘中农 203’，购自中国农业科学院蔬菜花卉研究所。试
验于 2012 年 4—5 月在中国农业科学院蔬菜花卉研究所玻璃温室进行。挑选籽粒饱满的黄瓜种子，
使用 5% NaClO 消毒 10 min，然后用清水冲洗 5 遍，播种于 1︰1 蛭石和珍珠岩（体积比）的混合基
3 期 李 亮等：内源水杨酸参与黄瓜叶片光合系统对低温胁迫的响应 489

质中，培养至子叶平展时，选取长势一致的幼苗移入装有 1/2 Hoagland 营养液（pH 6.5）的塑料盘
（40 cm × 25 cm × 10 cm）中，在人工气候箱中继续培养。培养条件为：昼夜温度 28 ℃/18 ℃，光
周期 10 h/14 h，光强 600 μmol · m-2 · s-1，相对湿度 80% ~ 85%。
当黄瓜幼苗培养至一叶一心时，对幼苗进行如下处理：（1）对照处理：幼苗叶片喷施去离子水
（含 0.1% Tween 20），每 4 h 喷施 1 次，每株幼苗每次喷施约 1.0 mL，24 h 后进行低温处理；（2）
SA 合成抑制剂多效唑（Pac）处理：用 100 μmol · L-1 Pac 替代去离子水，对黄瓜幼苗叶片进行喷施，
其余同对照处理；（3）SA 恢复（Pac + SA）处理：喷施 100 μmol · L-1 Pac 的幼苗在低温处理 10 h 时，
在幼苗营养液中加入 SA 至终浓度为 50 μmol · L-1，其余同 Pac 处理。低温胁迫时光强为 200
μmol · m-2 · s-1，相对湿度 50% ~ 60%。于低温处理 0、10、24、48 和 72 h 时取样，用于各项指标测
定。每个处理设 3 次重复，每次重复 15 株幼苗。
1.2 黄瓜幼苗叶片中 SA 含量的测定
内源 SA 含量的测定参照 Todesco 等（2010）的方法。取 1 ~ 2 g 冷冻材料于 3.0 mL 90%的甲醇
中研磨，6 000 g 离心 15 min，沉淀用 3.0 mL 100%甲醇再次提取，离心。合并两次的提取液，装于
离心管中，氮气干燥，得到 SA 粗提物。将粗提物用 2.5 mL 5%的 TCA 重悬，等体积的混合有机溶
剂（乙酸乙酯︰环戊烷︰异丙醇体积比为 100︰99︰1）萃取两次，合并有机相，经氮气吹干后，用 1.0
mL 55%的甲醇（HPLC 级）溶解，0.22 μm 尼龙膜过滤，超高效液相色谱（Ultra high-performance liquid
chromatography，UPLC）测定 SA 的含量。
UPLC 使用 Waters ACQUITY 系统（美国）；样品进样量为 2.0 μL，通过 C18 柱（1.7 mm，2.1
mm × 100 mm）洗脱，流动相为体积比为 95︰5 的乙酸铵（20 mmol · L-1）︰甲醇混合溶液，流速设
定为 0.2 mL · min-1，柱温为 40 ℃，230 nm 检测洗脱的 SA。利用已知浓度的 SA 标准品（北京辰上
立方联合化工技术研究院，中国）与 UPLC 洗脱峰面积绘制标准曲线，根据标准曲线计算样品中 SA
含量（μg · g-1FW）。
1.3 叶绿素荧光参数的测定
叶绿素荧光参数采用饱和脉冲分析方法（Junior-PAM，Walz，德国）测定。测定前对幼苗进行
30 min 暗适应，照射检测光（< 0.1 µmol · m-2 · s-1）测得最小荧光 Fo，再照射饱和脉冲光（10 000
µmol · m-2 · s-1）测定最大荧光 Fm，PSⅡ的最大光化学量子产量 Fv/Fm =（Fm–Fo）/Fm。随后打开内
源光化光（190 µmol · m-2 · s-1）10 min 后获得光下的稳态荧光（Fs），并再次照射饱和脉冲光以获
得光下最大荧光（Fm′）。最后关闭光化光，打开远红光的同时测定光下的最小荧光（Fo′）。计算
PSⅡ天线转化效率 Fv′/Fm′ =（Fm′–Fo′）/Fm′，PSⅡ实际光化学效率 ΦPSII =（Fm′–Fs）/Fm′，光化学
猝灭系数 qP =（Fm′–Fs）/（Fm′–Fo′），非光化学猝灭系数 NPQ =（Fm–Fm′）/Fm′，非光化学猝灭
的量子产量 Y（NO）= 1/［NPQ + 1 + qP ×（Fm/Fo–1）］。利用荧光参数计算 PSⅡ吸收光能分配和
光系统激发能分配的情况（Maxwell & Johnson，2000；肖文静 等，2010）。PSⅡ吸收光能用于光化
学反应的相对份额（P）= Fv′/Fm′ × qP × 100%，用于天线热耗散的相对份额（D）=（1–Fv′/Fm′）× 100%，
用于反应中心耗散的相对份额（Ex）= Fv′/Fm′ ×（1–qP）× 100%；光系统Ⅰ（PSⅠ）与 PSⅡ间激发
能分配不平衡性（β/α–1）=（1–f）/f（其中 f 为 PSⅡ反应中心开放程度，f =（Fm–Fs）/（Fm–
Fo）；α、β 分别为 PSⅠ和 PSⅡ的激发能分配系数）。
1.4 黄瓜幼苗叶片中 RbcS 和 CA 转录水平的测定
黄瓜叶片总RNA采用Trizol法提取，以oligo dT为引物，使用TaKaRa公司的RNA PCR kit（V3.0，
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TaKaRa，Japan）进行反转录和 cDNA 第一链的合成。所得 cDNA 用于实时荧光定量 PCR 分析
（TransstartTM Top Green qPCR Supermix 荧光染料试剂盒，iCycler iQTM5 仪器）。以持家基因 Actin
作为 Real-time PCR 反应的内参。PCR 反应所需引物如表 1 所示。编码 Rubisco 小亚基（Rubisco small
subunit，RbcS）和碳酸酐酶（Carbonic anhydrase，CA）的基因 RbcS 和 CA 的相对表达水平采用 ΔΔCT
方法计算，每个基因在 0 h 时的表达水平设为 1.0。每组样品做 3 次重复。

表 1 Real-time PCR 所用引物
Table 1 Primer sequences for real-time PCR
基因
Gene
ICuGI 基因号
ICuGI accession No.
引物序列
Primer sequences
Rubisco 小亚基 Rubisco small subunit（RbcS） Csa5M609710 Fw：5′-ATGGCTTCATATTGCTCTGAG-3′
Rw：5′-ATGCCTCAAGTCAATTGCTTG-3′
碳酸酐酶 Carbonic anhydrase（CA） Csa3M836520 Fw：5′-GTTCCAATCCAACAACGAAT-3′
Rw：5′-CTTGATAGACGCCCAATCG-3′
肌动蛋白 Actin Csa6M484600 Fw：5′-GGAGAAGATCTGGCATCACA-3′
Rw：5′-CTCCAATCCAGACACTGTACT-3′
ICuGI：葫芦科植物基因组数据库 International Cucurbit Genomics Initiative，http：//www.icugi.org/
2 结果与分析
2.1 SA 合成抑制剂和外源 SA 饲喂处理对低温胁迫下黄瓜幼苗 SA 含量的影响
由图 1 可知，低温可以诱导黄瓜幼苗叶片中内源 SA 含量升高，且随着低温处理时间的延长，
SA 含量逐渐升高，至 72 h 时，叶片中 SA 含量为 158.46 ng · g-1FW，是未低温处理时（0 h）SA 含
量的 3.46 倍。使用 SA 合成抑制剂 Pac 对黄瓜幼苗进行预处理，低温引起的内源 SA 积累受到了显
著抑制，低温处理 72 h 后，内源 SA 含量为 86.26 ng · g-1FW，仅比未低温处理时提高了 2.09 倍，只
有对照处理的 54.43%（图 1）。当对 Pac 预处理的幼苗根部外源饲喂 50 μmol · L-1 SA 后，14 h 后叶
片中 SA 含量即得到了迅速恢复，甚至高于对照幼苗中 SA 的含量，达到对照植株的 2.02 倍（图
1）。
这些结果表明，Pac 处理可以抑制黄瓜幼苗中内源 SA 的积累，而 SA 的外源施加可以使幼苗中
SA 含量升高，从而实现了植株体内 SA 水平的有效控制。

图 1 抑制剂（Pac）处理与外源 SA 饲喂（Pac + SA）处理对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片内源 SA 含量的影响
图中不同小写字母表示不同处理间的差异显著（P < 0.05）。
Fig. 1 Effects of Pac and Pac + SA treatment on endogenous SA content in cucumber leaves under low temperature stress
Different letters indicate the significant differences among various treatments at P < 0.05.
3 期 李 亮等：内源水杨酸参与黄瓜叶片光合系统对低温胁迫的响应 491

图 2 抑制剂（Pac）处理与外源 SA 饲喂（Pac + SA）处理对低
温胁迫下黄瓜幼苗叶片 Fv/Fm、Fv′/Fm′和 Fv/Fo 的影响
Fig. 2 Effects of Pac and Pac + SA treatment on Fv/Fm，Fv′/Fm′
and Fv/Fo in cucumber leaves under low temperature stress
2.2 内源 SA 对低温胁迫下黄瓜叶片中光系统
Ⅱ的活性的影响
2.2.1 内源 SA 对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片
PSⅡ光化学量子效率的影响
可变荧光与最大荧光的比值（Fv/Fm）是
PSⅡ最大光化学量子产量，反映了 PSⅡ反应中
心内能转化效率。由图 2，A 可以看出，未进
行低温处理（0 h）时，Pac 预处理对黄瓜叶片
的 Fv/Fm 没有显著影响。低温处理后，幼苗叶
片的 Fv/Fm 降低，但对照幼苗中 Fv/Fm 降低较
为缓慢，至低温 72 h 时，约为 0.56，是未处理
时的 75.42%，而 Pac 预处理的幼苗中 Fv/Fm降
低较快，低温处理 48 h 时 Fv/Fm只有未处理时
的 58.30%，低温 72 h 时仅为未处理时的
54.14%。而对 Pac 预处理的幼苗施加外源 SA
后，低温引起的 Fv/Fm降低得到了显著缓解。
Fv′/Fm′为光条件下 PSⅡ天线转化效率，反
映开放的光系统反应中心原初光能的捕获效
率；Fv/Fo 反映了 PSⅡ潜在光化学效率。如图 2，
B 和 C 所示，低温条件下，不同处理的黄瓜幼
苗中Fv′/Fm′和Fv/Fo表现出与Fv/Fm类似的变化
趋势。低温胁迫引起 Fv′/Fm′和 Fv/Fo 显著降低，
降低的程度在 Pac 预处理的幼苗中最大，其次
是对照植株，SA 恢复处理的幼苗中两个参数
的降低程度最小。
以上结果表明，低温下内源 SA 含量升高，
可以保护黄瓜幼苗叶片中 PSⅡ反应中心的光
能捕获、传递和转化能力，若 SA 合成受阻则
会限制这一过程。
2.2.2 内源 SA 对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片
PSⅡ实际光化学效率和电子传递速率的影响
ΦPSII 反映 PSⅡ反应中心的实际原初光化学效率。由图 3，A 可知，低温胁迫导致 ΦPSII 迅速下
降，低温 10 h 时，未经 Pac 预处理的对照幼苗下降了 68.84%，之后继续降低，但速率变缓，至 72 h
时为 0 h 时的 13.06%。经 Pac 预处理的幼苗中，ΦPSII在 10 h 内没有发生显著的变化，但在低温 10 h
后急速下降，至 48 h 时只有 0.07，显著低于对照植株（0.12）。对 Pac 预处理的幼苗施加外源 SA 后，
低温引起的 ΦPSII 的降低得到了有效缓解，甚至高于对照植株，这些结果表明，低温胁迫时，内源
SA 的积累可以提高 PSⅡ的实际光化学效率以捕获更多的光能，从而保证光化学反应的顺利进行。
在不同处理的黄瓜幼苗中，低温引起的光合电子传递速率（ETR）的变化趋势与 ΦPSII 相似（图
3，B）。低温处理显著降低了 ETR，3 种处理中尤以 Pac 预处理的幼苗降低最为显著，说明低温下内
源 SA 合成受阻会限制黄瓜幼苗叶片的光合电子传递。
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图 4 抑制剂（Pac）处理与外源 SA 饲喂（Pac + SA）处理对低
温胁迫下黄瓜幼苗叶片 qP、NPQ 和 Y（NO）的影响
Fig. 4 Effects of Pac and Pac + SA treatment on qP，NPQ and
Y（NO）in cucumber leaves under low temperature stress

图 3 抑制剂（Pac）处理与外源 SA 饲喂（Pac + SA）处理对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片 ΦPSII和 ETR 的影响
Fig. 3 Effects of Pac and Pac + SA treatment on ΦPSII and ETR in cucumber leaves under low temperature stress

2.2.3 内源 SA对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片叶绿素荧光猝灭的影响
叶绿素荧光猝灭包括光化学猝灭（qP）和
非光化学猝灭（NPQ）。qP 在一定程度上反映
了植物光合活性的高低；NPQ 反映了植物耗散
过剩光能为热的能力。
由图 4，A 可知，低温胁迫可以引起黄瓜
叶片 qP迅速降低。Pac 预处理导致 qP下降变慢，
在低温处理的前 48 h 内 qP 值显著高于对照，
但 72 h 时低于对照，仅为对照的 46.97%。
如图 4，B 所示，随低温时间的持续，对
照植株叶片 NPQ 呈先上升后下降的趋势；而
Pac 和 SA 恢复处理的幼苗 NPQ 呈持续下降
趋势，但 SA 恢复处理的下降幅度小于 Pac
处理。
Y（NO）是指 PSⅡ处于非调节性能量耗散
的量子产量，若 Y（NO）较高，则表明光化学
能量转换和保护性的调节机制（如热耗散）不
足以将植物吸收的光能完全消耗掉，即入射光
强超过了植物能接受的程度，因此 Y（NO）可
以作为光损伤的重要指标（Kramer et al.，
2004）。未经低温处理时，不同处理的幼苗
Y（NO）无显著性差异（P < 0.01），约为 0.34。
随着低温胁迫时间的延长，Y（NO）逐渐增大，
其中以 Pac 预处理的幼苗增幅最大，72 h 时为
0.97，是对照植株的 1.49 倍，说明 Pac 预处理
后内源 SA 合成受阻会导致黄瓜幼苗更易受到
光损伤。经 50 μmol · L-1 SA 外源施加后，黄瓜
幼苗的光损伤程度可以恢复到对照水平（图
4，C）。
3 期 李 亮等：内源水杨酸参与黄瓜叶片光合系统对低温胁迫的响应 493

2.2.4 内源 SA水平对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片吸收光能分配的影响
PSⅡ吸收光能的去向大致分为 3 个部分：进行光化学反应的部分 P、天线热耗散的部分 D 以及
P680 反应中心中非光化学耗散的部分 Ex（Maxwell & Johnson，2000；周艳虹 等，2004）。如图 5
所示，在未经低温处理时（0 h），对照植株中 P、D、Ex 各部分的比例分别为 37.23%、33.22%和
29.55%；Pac 预处理与对照植株相当，没有明显差异。低温胁迫导致 P 部分显著降低，减少的 P 部
分能量主要用于非光化学耗散（Ex），低温处理 72 h 时，P 和 Ex 部分分别是总吸收光能的 8.17%
和 65.42%。Pac 预处理的幼苗，低温处理后叶片吸收的光能中 P 部分和 D 部分显著降低，至低温
72 h 时，用于 P 和 D 部分的光能分别仅为 2.15%和 8.91%，这两部分减少的能量以过剩光能的形式
发生耗散（Ex）。低温胁迫后，Pac 预处理幼苗吸收光能的 80% ~ 90%用于 Ex 部分，显著高于对照。
对 Pac 预处理的幼苗进行 SA 的恢复处理，可以使幼苗中各部分光能的分配比例逐渐接近对照。
低温胁迫还会导致两个光系统（PSⅠ和 PSⅡ）间激发能分配的不平衡性（β/α–1）增大（图 5，
D），说明叶片中向 PSⅠ分配的激发能比例减小，两系统间运转不能相互扣合。Pac 预处理会加剧
这一过程，低温胁迫 72 h 时，不平衡性达到了 2.36，是对照植株的 3.32 倍。SA 施用之后可以基本
保持 PSⅠ与 PSⅡ间激发能分配的平衡。外源使用 SA 后，PSⅠ与 PSⅡ之间的不平衡性有所改善，
与对照植株相当（图 5，D）。
以上结果表明低温胁迫时，内源 SA 合成受阻会导致黄瓜幼苗叶片中光能不能有效用于光合作
用，并打破了 PSⅠ和 PSⅡ两个光系统间的能量分配平衡。


图 5 抑制剂（Pac）处理与外源 SA 饲喂（Pac + SA）处理对低温胁迫下黄瓜幼苗
叶片光能分配和光系统激发能分配的影响
图中不同小写字母表示不同处理间的差异显著（P < 0.05）。
Fig. 5 Effects of Pac and Pac + SA treatment on the allocation of absorbed light in cucumber
leaves under low temperature stress
Different letters indicate the significant differences among various treatments at P < 0.05.
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2.3 内源 SA 水平对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片光合暗反应关键酶基因表达的影响
为研究不同内源 SA 水平对黄瓜光合作用暗反应阶段的影响，利用 Real-time PCR 技术对低温下
不同处理的黄瓜幼苗中 RbcS 和 CA 的表达水平进行分析，这两个基因分别编码光合暗反应中两个关
键酶——Rubisco 小亚基和碳酸酐酶。结果如图 6 所示，低温胁迫使叶片中 RbcS、CA 的表达水平有
所降低，24 h 时两者的表达量分别为未低温处理（0 h）时的 62.29%和 71.65%，之后转录水平略有
回升；在抑制剂 Pac 预处理的幼苗中，低温胁迫导致 RbcS、CA 的表达水平持续降低，72 h 时两者
的表达水平较初始时分别降低了 37.39%和 44.94%；对 Pac 预处理的幼苗外源施加 SA 后，两个基因
的表达水平迅速升高，48 h 相对表达水平为分别为对照的 1.77 倍和 1.72 倍，表明低温下内源 SA 的
积累可以诱导 RbcS 和 CA 的表达，从而保证低温下叶片中光合暗反应的顺利进行。


图 6 抑制剂（Pac）处理与外源 SA 饲喂（Pac + SA）对低温胁迫下黄瓜幼苗叶片 RbcS 和 CA 表达水平的影响
Fig. 6 Effects of Pac and Pac + SA treatment on on expression of RbcS and CA genes in
cucumber leaves under low temperature stress
3 讨论
SA 是植物体内一种与逆境防御系统密切相关的信号分子，参与病原菌侵染时植物的一系列细
胞防御反应（Vlot et al.，2009）。有研究表明在植物中，部分非生物胁迫可以导致植物内源 SA 水
平的升高，如高温胁迫时，芥菜体内 SA 含量上升了 4 倍（Dat et al.，2000）；UV 照射时，烟草内
源 SA 升高 25 倍（Gitz et al.，2004）；而盐害胁迫 6 d 可使水稻中 SA 含量升高 1.3 倍左右（Shim et
al.，2003）。在本试验中，10 ℃低温胁迫导致黄瓜幼苗叶片中内源 SA 积累（图 1），说明 SA 作
为一种植物激素，参与黄瓜幼苗对低温胁迫信号的响应。目前研究发现植物中存在两条 SA 合成途
径：苯丙氨酸途径和异分支酸途径（Vlot et al.，2009），通常认为前者在植物响应生物胁迫时起作用，
而后者则主要负责非生物胁迫时内源 SA 的合成（Hayat et al.，2010）。本研究中，抑制剂 Pac 预处
理会导致低温下黄瓜幼苗内源 SA 积累水平降低（图 1）。Pac 可以特异地抑制 PAL 途径中关键酶
BA2H 的活性（Pan et al.，2006；刘洪涛 等，2009；Xin & Zhong，2011），因此可以推测黄瓜中低
温诱导的内源 SA 合成主要是通过 PAL 途径实现的。通过抑制剂处理控制植物体内 SA 的积累水平，
也有助于更好地研究内源 SA 的生理作用。
叶绿素荧光参数能够快速、灵敏、无损地反映 PSⅡ反应中心的状况，从而反映植物对光能的吸
收、传递、耗散、分配等“内在性”的特点（Li et al.，2004；张志刚和尚庆茂，2010a）。番茄、
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黄瓜等植物在低温、水分胁迫等逆境条件下，叶片中 Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSII、qP 等参数的降低（张志
刚和尚庆茂，2010a；郝敬虹 等，2012），反映出胁迫时植物叶片 PSⅡ的原初光捕获能力降低，光
合电子传递速率下降。随后研究发现 SA 可以作用于 PSⅡ反应中心（Janda et al.，2012）。如一定
浓度的 SA（0.05 mmol · L-1）可以提高黄瓜叶片 Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSII、qP，增强 PSⅡ反应中心活性
（王晓黎 等，2011b）。在 Cd 胁迫下，转基因拟南芥材料 nahG（内源 SA 被分解为儿茶酚）的 Fv/Fm、
qN和 ETR 显著低于对照，认为 SA 可以抑制 Cd 对植物光合作用的破坏（Zhang & Chen，2011）。
本试验中不同预处理后黄瓜幼苗中内源 SA 含量发生变化，随之低温下叶片叶绿素荧光参数也发生
改变。常温下 Pac 预处理的叶片中 Fv/Fm、Fv′/Fm′等参数与对照植株无显著性差异（图 2），排除了
抑制剂处理直接破坏 PSⅡ，引起光合作用下降的可能；低温胁迫时，Pac 预处理的叶片 Fv/Fm、Fv′/Fm′
等荧光参数显著低于对照植株，说明 Pac 预处理后，低温胁迫引起的光抑制更加剧烈；SA 恢复可以
在一定程度上使 Fv/Fm、Fv′/Fm′升高。qP可指示质醌 QA 的氧化还原状态，高温、水分胁迫等环境胁
迫会引起 qP 的降低（Kramer et al.，2004），低温也可引起 qP 降低，Pac 预处理后低温 48 h 时 qP低
于对照，SA 恢复可在一定程度上提高 qP；NPQ 是植物消耗多余热量的重要途径，在试验中低温先
使对照植株的 NPQ 上升，是植物适应低温的一个体现，Pac 处理引起 NPQ 下降；与此同时反应光
损伤 Y（NO）也增加，而 SA 提高可使 NPQ 下降程度降低，Y（NO）变小。以上均说明内源 SA 的
积累可促进 PSⅡ光化学电子传递，并在保护光反应体系，降低光损伤中有重要作用。
低温时 SA 积累水平会影响光能在叶绿体中的分配。低温条件下，黄瓜幼苗吸收光能分配于光
反应的部分明显减少，而以非光化学反应的能量耗散 Ex 为主要的光能分配途径，内源 SA 积累水平
的降低会加剧能量向 Ex 部分的分配（图 5），这部分能量由于反应中心的关闭不能用于光化学反应，
只能作为过剩光能由反应中心以非光学反应的形式加以耗散，在耗散过程中，能量很可能会传递至
O2，形成破坏性极大的单线态 1O2（Edreva，2005），并形成各种活性氧分子，对叶绿体和细胞造
成氧化损伤。当然，低温胁迫时 Pac 预处理的黄瓜叶片是否会产生更多的活性氧分子还有待进一步
的试验验证。另外，本研究中还发现，低温下 SA 合成受阻还会导致 PSⅠ与 PSⅡ激发能分配不平
衡性增大，说明光系统间能量再分配的调控能力降低。因此，低温下内源 SA 的积累有助于维持叶
绿体中吸收光能的合理分配，提高光能利用效率。
在卡尔文循环中碳酸酐酶和 Rubisco 是固定、同化 CO2 的关键酶，其活性的高低可决定植物光
合暗反应中同化 CO2 的能力（Karim et al.，2003；Yu et al.，2004）。非生物胁迫可影响 Rubisco 酶
和 CA 酶的表达和催化活性，进而影响植物的光合速率，如弱光、水分胁迫均会引起黄瓜 Rubisco
大、小亚基含量降低，Rubisco 羧化活性降低（Munns，2002；肖文静 等，2010），土壤水分胁迫
也会导致‘汕优 63’水稻旗叶 CA 活性下降 76%，并造成光合速率的下降（戴新宾 等，2010）。
本试验中，低温胁迫引起黄瓜幼苗中 RbcS 和 CA 转录水平降低，但在 24 h 后表达水平有所回升，
这可能是植株对低温胁迫的一种适应性调节。黄瓜幼苗经 Pac 预处理后，内源 SA 合成受阻，RbcS
和 CA 基因表达水平持续降低，表明低温下内源 SA 的积累可以在转录水平上促进碳同化关键酶基
因的表达，在一定程度上减轻低温胁迫对光合暗反应的抑制，有利于光合产物的积累。
综上所述，低温可以诱导黄瓜幼苗中内源 SA 的积累，Pac 预处理使幼苗中内源 SA 合成受阻，
积累水平降低，从而导致低温下 Fv/Fm、Fv′/Fm′、Fv/Fo、ΦPSII、qP 降低程度增大，激发能的分配不
平衡性加剧，叶片光损伤加重，并在一定程度上抑制了光合暗反应过程中关键酶基因 RbcS 和 CA 的
转录表达，降低了暗反应活性；而 SA 外源饲喂后，内源 SA 积累水平升高，光合作用的各项参数
和指标能在短时间内迅速恢复至对照植株的水平，说明低温下内源 SA 的积累可以保护光合系统，
保证光合作用的正常进行，从而降低低温胁迫对植株的损伤。

496 园 艺 学 报 40 卷
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