全 文 ：园 艺 学 报 , 一
所
葡萄幼苗在温度逆境交叉适应过程 中活性氧及抗氧
化酶的变化
张俊环‘ , , 黄卫东‘
’
’ 中国农业大学食品科学与营养工程学院 , 北京 ’ 北京市农林科学院林业果树研究所 , 北京
摘 要 为探讨葡萄幼苗对温度逆境产生交叉适应性 的抗氧化机制 , 以 年生 ‘ 京秀 ’ 葡萄
沉 诉 ‘ ’ 幼苗为试材 , 分析了交叉适应性诱导过程中叶片细胞 二 和 等活性氧分子 , 膜
脂过氧化以及过氧化氢酶 、 过氧化物酶 和超氧化物歧化酶 等抗氧化酶活性的适应
性变化 。 结果表明 , ℃低温胁迫和 ℃高温胁迫进程 中 , 幼苗叶片细胞膜系统受到严重伤害 , 表现为
、 和 等抗氧化酶活性降低 , 膜脂过氧化产物丙二醛 含量明显升高 , 活性氧增加 。 经
过高温锻炼的幼苗 , 在低温胁迫期间抗氧化酶活性增强 , 仇 产生速率和 含量先上升后下降 , 含
量和膜透性也比对照有明显降低且相对稳定 经过低温锻炼的幼苗 , 在高温胁迫期间 , 上述各项指标的变
化规律与高温锻炼幼苗在低温胁迫期间的变化趋势相似 。 因此认为 , 高温锻炼诱导的葡萄幼苗的抗冷性和
低温锻炼诱导的耐热性有着相似的抗氧化保护机制 。
关键词 葡萄 幼苗 交叉适应 活性氧 抗氧化酶
中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一
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收稿日期 一 一 修回 日期 一 一
签金项目 国家自然科学基金项 目
, 通讯作者 一 罗
园 艺 学 报 卷
高温和低温是作物经常遭受的两种主要环境胁迫 。 氧化胁迫由高温与低温引起 ,
, 王利军 等 , , 通过活性氧对膜系统的损伤而对植物造成伤害
肠 。
, 。 欲 , 。 而植物在长期进化过程 中已形成了抵抗氧化胁迫的机制 ,
包括酶促和非酶促系统 , 来清除体内过多的活性氧 。 酶促清除系统在植物抵抗氧化胁迫中具有重要作
用 , 主要包括过氧化氢酶
、 过氧化物酶 和超氧化物歧化酶 等抗氧化酶类 。
多种植物的耐热性与抗寒性都跟其抗氧化酶活性的提高有关 , 李晶 等 , 。
温度逆境锻炼是提高植物抗逆性的一种有效手段 。 以往的研究表明 , 高温锻炼可大大提高多种植
物的耐高温能力 , 何亚丽 等 , , 低温锻炼可明显增强植物的抗寒性
。 , 。 。 兹 , 。 而近几年的研究发现 , 交叉适应现象在温度逆境锻炼中也有
所体现 。 对黑麦进行冷锻炼后 , 其耐热性有明显提高 , , 高温锻炼和低温锻炼均可提
高黄瓜幼苗的耐高温能力 马德华 等 , 。 遗憾的是 , 目前对植物这种交叉适应性的研究仅仅
局限于对这一现象的确认 , 而对其内在机制的研究甚少 。 笔者以前的研究表明 , 高温锻炼和低温锻炼
能够诱导葡萄幼苗对温度逆境的交叉适应性 , 保护叶绿体 、 线粒体等膜结构免受温度伤害
, , 并且微粒体膜 十 一 参与了这一适应性反应 , , 这些促使我们
去进一步探讨交叉适应性产生的膜保护机制 。 因此 , 作者以葡萄幼苗为试材 , 研究温度锻炼在诱导葡
萄幼苗对温度逆境的交叉适应过程中活性氧与抗氧化酶变化规律 , 探讨温度胁迫对幼苗的氧化伤害 ,
以及温度锻炼所诱导的交叉适应性与抗氧化酶之间的关系 , 以期进一步揭示温度锻炼所诱导的交叉适
应性机制 。
材料与方法
供试材料为 年生 ‘ 京秀 ’ 葡萄 诉 ‘ ’ 幼苗 。 于 年 月底将上一年
通过嫁接繁殖培养的穴盘葡萄小苗移栽于盆口直径
、 盆底直径 。 的黑色塑料盆钵 。 盆栽土
为园土 草炭土 蛙石 。 放在温室中缓苗后 , 培养一个营养枝 。 温室条件为 昼 夜温度
℃ 一 ℃ , 相对湿度 一 。
年 月上旬 , 选择生长一致的葡萄植株 具 片功能叶 , 分别进行以下处理
高温锻炼与低温胁迫处理 在光照培养箱中进行 士 ℃的高温锻炼处理 , 光照
林 · 一 , · , 一 ’ , 相对湿度 一 。 以正常生长的植株为对照 , 高温处理 后 , 在室
温下恢复 , 然后将对照和经高温锻炼的植株置于控温玻璃门冰柜中进行 士 ℃的低温胁迫处
理 , 无外加光照 , 处理时司分别为 、 、 、 、 、 。
低温锻炼与高温胁迫处理 在光照培养箱中进行 土 ℃的低温锻炼处理 , 光照
林 · 一 ’ · 一 ’ , 一 。 以正常生长的植株为对照 , 锻炼处理 后 , 在室温下恢复
, 然后将对照和经低温锻炼的植株置于光照培养箱中进行 土 ℃的高温胁迫处理 , 光照和相
对湿度同上 , 处理时间分别为
、 、 、 、 。
每个处理 株幼苗 , 次重复 。
处理完毕 , 摘取植株中部的两片叶立即测定电解质渗出率 , , 并将剩余
的成熟叶片在液氮中速冻 , 在 一 ℃的冰箱中保存 , 用于以下指标测定 。
丙二醛 , 含量测定参照 等 的 比色法 超氧阴离子
自由基 的测定按照王爱国和罗广华 的经胺法 过氧化氢 含量测定参照
和 行 的方法 过氧化氢酶 , 、 超氧化物歧化酶
, 和过氧化物酶 , 的活性测定分别参照
、 和
的氮蓝四哩 光化还原法和 等 的愈仓, 木酚法 。
期 张俊环等 葡萄幼苗在温度逆境交叉适应过程中活性氧及抗氧化酶的变化
结果与分析
高温 低温锻炼预处理对交叉温度胁迫条件下葡萄幼苗叶片膜透性和丙二醛含量的影响
高温锻炼与低温胁迫
图 , 显示 , 随低温胁迫时间的延长 , 对照和经 高温锻炼处理的葡萄幼苗叶片相对电导率
逐步升高 , 表明细胞膜损伤程度加深 。 但几乎在胁迫处理的各个测定时期 , 高温锻炼处理幼苗叶片的
相对电导率都低于对照 , 尤其是低温胁迫处理 和 时 , 高温锻炼处理的叶片相对电导率分别比
对照低 和 。
由图 , 显示的结果表明 , 经过高温锻炼的幼苗叶片 含量略高于对照 。 但在低温胁迫过程
中 , 经高温锻炼过的幼苗其 含量只在胁迫初期 有轻微的上升 , 之后下降 , 含量相对稳
定且接近于正常叶片中的水平 。 而对照在胁迫 一 期间急剧上升 , 最高 , 达到 协
·
一 ’ , 之后虽略有下降 , 但含量仍一直明显高于高温锻炼处理叶片 。 可见 , 高温锻炼处理可稳定细
胞膜 , 降低电解质外渗率 , 减轻低温胁迫引发的膜伤害 。
低温锻炼与高温胁迫
与上述低温胁迫相似 , 高温胁迫条件也使葡萄幼苗叶片细胞的膜透性增加 , 尤其在胁迫初期 , 对
照幼苗叶片的相对电导率急剧升高 , 胁迫 便由胁迫前的 上升到了 , 之后虽然有轻
微的回落 , 但是 时仍高达 。 而经过低温锻炼的幼苗相对电导率在整个高温胁迫期间都保持
相对较低的稳定状态 , 最高发生在胁迫后的 , 也仅为 , 仍接近正常叶片 的水平 图
, 。
由图 , 可以看出 , 高温胁迫也刺激了葡萄幼苗叶片的膜脂过氧化作用 , 胁迫处理 后 , 对
照叶片中的 含量比胁迫前大幅增加 , 之后虽又有所 回落但仍一直明显高于胁迫前的正常含量 。
经过低温锻炼的葡萄幼苗叶片细胞内 含量在胁迫期间也略高于正常叶片中的水平 , 但在各个测
定时期都明显低于对照叶片中的 含量 。
图 温度胁迫条件下高温 低温锻炼预处理对葡萄幼苗叶片膜透性和丙二醛含 的影响
娜 灯以 罗
沐 裂“写
园 艺 学 报 卷
可见 , 低温锻炼可增加细胞膜的稳定性 , 明显延缓了高温引起的膜脂过氧化作用 , 从而减轻高温
对葡萄幼苗叶片细胞膜的损伤 。
高温 低温锻炼预处理对交叉温度胁迫下葡萄幼苗叶片 犷产生速率和 含量的影响
高温锻炼与低温胁迫
在 的低温胁迫期间 , 无论是否经过高温锻炼 , 葡萄幼苗叶片中
二
的产生速率均是在前
内急剧上升 , 后稍有回落 图 , 。 未进行胁迫前 , 经过高温锻炼的幼苗
二
的产生速率略高
于对照 , 似乎处于一种较为不利的水平 , 但在随后的胁迫进程中 , 锻炼过的幼苗
丁 产生速率一直明
显低于对照 。 与 含量的变化趋势 图 , 相似 。
图 , 表明 , 低温胁迫条件下对照葡萄幼苗叶片中的 含量急剧增加 , 达到高峰后又骤
然下降 , 后却又呈回升趋势 。 高温锻炼预处理虽然稍稍增加了葡萄幼苗叶片中的 含量 , 但在
随后的胁迫处理期间一直保持在相对稳定的低水平状态 。
低温锻炼与高温胁迫
在高温胁迫过程中 , 对照叶片中仇
二
的产生速率增加 图 , , 在胁迫初期 就达到一个高
峰 , 随后下降至 以后又急剧上升 。
低温锻炼也刺激了活性氧产生 , 但在随后的高温胁迫期间 , 低温锻炼过的葡萄幼苗似乎对高温不
再敏感 , 叶片中 仇
二 的产生速率不但没有被高温所激发 , 反而呈现缓慢的下降趋势 , 后下降至接
近正常叶片水平便保持稳定的变化趋势 , 时 仇‘ 的产生速率为
· 一 ’ · 一 ’ , 接近
正常叶片中的水平
· 一 ‘ · 一 ’ , 而此时对照叶片高达
· 一 · 一 ’
。
图 温度胁迫条件下高温 低温锻炼预处理对葡萄幼苗叶片 丁 产生速率和 含且的影响
陇 灯 幼 二 罗
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期 张俊环等 葡萄幼苗在温度逆境交叉适应过程中活性氧及抗氧化酶的变化
与此同时 , 高温胁迫也激发了对照葡萄幼苗叶片中的 含量的增加 图 , 。 几乎与
二
的
产生速率增加同步 , 含量也在胁迫 达到了一个峰值
· 一 ’ · 一 ‘ , 随后短
暂回落 , 至 后又直线上升 , 时又达到了
· 一 ’ · 一 ‘ 的高含量 。 与
二
产生速率相
似 , 低温锻炼也促进了幼苗叶片 的产生 , 但没有被随后的高温胁迫所激发 , 在胁迫初期逐渐下
降 , 降到最低
· 一 ’ · 一 ’ , 之后才开始增加 。
高温 低温锻炼预处理对交叉温度胁迫下葡萄幼苗叶片抗氧化酶活性的影响
高温锻炼与低温胁迫
、 和 是植物体内抵御活性氧伤害的重要的抗氧化酶类 。 图 , 一 显示 , 经过高温
锻炼后 , 葡萄幼苗叶片中 种抗氧化酶的活性都有不同程度的降低 , 和 活性只是比对照略
有降低 , 而 活性却大幅下降 。 在随后的低温胁迫期间 , 对照幼苗叶片中的 种酶活性都大幅下
降 , 持续到 , 持续到 , 持续下降至 才趋于稳定或略有回升 。 而高温锻炼幼苗
在低温胁迫过程中 , 活性持续增加 , 胁迫 后的酶活性显著高于相应测定时期的对照幼苗
活性在胁迫 后大幅升高 , 达到峰值后又开始回落 , 活性一直高于对照 活性在整
个低温胁迫期间保持极稳定的水平 , 也比相应时期的对照酶活性要高 。
图 温度胁迫条件下高温 低温锻炼预处理对葡萄幼苗叶片 、 和 活性的影响
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园 艺 学 报 卷
低温锻炼与 高温胁迫
由图 , 一 可以看出 , 高温胁迫对葡萄幼苗叶片中 、 和 种抗氧化酶活性的影
响不尽相同。 在高温胁迫的前 内 , 和 活性都呈现逐渐下降的趋势 , 之后又开始缓慢的
升高 图 , 、 活性却在胁迫初的 内上升到一个峰值
· 一 ‘ , 为胁迫前的
倍 , 但随后便又急剧下降 , 降到最低点
· 一 ’ , 之后也开始回升 , 时仍明显低于
正常叶片
· 一 ’的水平 图 , 。
与高温锻炼的效果相似 , 低温锻炼也不同程度地减弱了葡萄幼苗叶片中
、 和 的活
性 图 , 但在随后的胁迫处理过程中 , 种抗氧化酶活性都在 内急剧上升到一个峰值 , 随后
又大幅回落 , 在
、 和 在 又都开始上升 , 至 又都不 同程度的高于正常叶片的
酶活水平 , 并且在胁迫的整个过程中 , 低温锻炼幼苗叶片的 和 活性都显著高于相应的对照
叶片 , 活性与对照差异不明显 。
讨论
植物受到高温 和低温 伤害时 , 细胞膜 系统首先受损 , 膜透性增加 , 细胞 内溶质大量 外渗
, 何亚丽 等 , 。 逆境因子对植物的伤害大多与植物体内的活性氧代谢失
调有关 。
本试验结果表明 , 无论是高温还是低温 , 短时的胁迫即可使葡萄叶片内 和 等活性氧含量
增加 图 。 活性氧伤害植物的机理之一在于参与启动膜脂过氧化或膜脂脱醋作用 , 从而破坏膜结
构 吕庆和郑荣梁 , 。 因此有理由认为 , 是 ℃低温和 ℃高温所诱发的高水平 仇
二
和 等
活性氧损伤了葡萄幼苗叶片细胞的膜系统 , 表现为膜脂过氧化程度加剧 , 细胞膜透性加大 。
本试验中的高温锻炼预处理 ℃ 条件经过预备试验确定 张俊环 , , 可增强葡
萄幼苗叶片在低温胁迫下细胞膜的稳定性 , 降低电解质外渗率 , 从而减轻低温引发的膜伤害 。 同时高
温锻炼也诱发了
‘ 和 等活性氧的增加 。
活性氧在植物系统中具有双重效应 吴顺和萧浪涛 , , 一方面会对细胞造成毒害 , 另一方
面又可作为植物防御反应信号分子 , 启动体内其它信号级联过程 , 引起抗性反应
邵 一 , 张晓 等 , 。
本试验中 , 胁迫初期高水平的 和 等活性氧分子可能刺激了抗氧化酶活性的升高 , 低温胁
迫 后 , 高温锻炼幼苗叶片中 和 活性都呈上升趋势 , 活性相对较稳定 。 能以仇
二
为基质进行歧化反应 , 可分解 , 也可清除细胞内有害自由基 图 。 因此 , 种酶协
同作用 , 使胁迫初期升高的
丁 和 等活性氧分子迅速下降到较低水平并一直维持在接近正常含量
的低水平 , 从而解除或减缓活性氧对膜系统的毒害作用 , 膜脂过氧化作用减弱 , 含量也随之减
少 , 低温引发的膜损伤减轻 , 细胞膜透性维持在正常水平 图 ,
、 。 这与黄上志等 在
水稻幼苗上的研究结果相似 。
通过不同温度和不同时间的低温锻炼处理对葡萄幼苗半致死时间的影响试验 , 确定了本试验所采
用的 ℃ 的低温锻炼条件 张俊环 , 。 对于低温锻炼的葡萄幼苗 , 无论是相对电导率还
是 含量 , 在整个高温胁迫过程 中都保持在较稳定的低水平 , 对高温的敏感性 比对照显著降低
图 , 、 , 这也意味着幼苗抗高温能力的增强 。 低温锻炼所诱导的耐热性也是通过抗氧化酶活性
的提高来增加的 。 与高温锻炼相比 , 高温胁迫下酶活性的升高可能也是由活性氧信号所激发的 , 虽然
胁迫后没有活性氧的 “ 碎发 ” , 但由于锻炼后的幼苗叶片中相对正常含量较高的 仇 和 含量 已足
以启动植物体的防御反应 , 因此 种酶在高温胁迫 都有一活性高峰 图 , 一 。
期 张俊环等 葡萄幼苗在温度逆境交叉适应过程中活性氧及抗氧化酶的变化
综上所述 , 活性氧代谢的失调是葡萄幼苗受温度逆境损伤的原因之一 。 高温锻炼可大幅度地减弱
低温胁迫引起的活性氧的增加和抗氧化酶活性的降低 , 因而减少 了膜脂过氧化作用产物 的产
生 , 降低了膜的损伤程度 , 减轻了低温胁迫伤害 低温锻炼也可增强葡萄幼苗在高温胁迫条件下的抗
氧化能力 , 从而减少高温胁迫伤害 。 高温锻炼和低温锻炼都增强了葡萄幼苗对温度逆境的交叉适应能
力 , 且二者有着相似的抗氧化机制 。
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张俊环 葡萄幼苗与果实对温度逆境的交叉适应性及其细胞学机制研究 博士论文 〕北京 中国农业大学
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张 晓 , 董发财 , 宋纯鹏 , 高俊凤 以 氧化进发和 信号转导 植物生理学通讯
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关于召开 “ 中国园艺学会十届二次理事会
暨学术研讨会 ” 的通知
中国园艺学会定于 年 月 一 日在南京召开 “ 中国园艺学会十届二次理事会暨学术研讨会 ” 。
会议主要内容 总结学会
、
专业委员会 含分会 两年来的工作 邀请有关专家作专题报告 对
学会 、 专业委员会 含分会 工作提出意见和建议 分专业组进行学术交流 省
、
市
、
自治区园艺学会秘
书长交流工作经验 《园艺学报 》编委会会议 。
会议邀请中国园艺学会第十届理事会全体理事 , 省
、
市
、
自治区园艺学会秘书长 , 专业委员会主任 , 分会会长或
秘书长 , 团体会员单位的代表 , 会议论文代表等相关人员参加 。
会议地点 南京农业大学学术交流中心 翰苑大厦
联系人 中国园艺学会办公室 , 张 彦 电 话
传 真 一 。
南京农业大学园艺学院 , 张金平 电 话 手 机
传 真 一 。
中国园艺学会
年 月 日