全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(4): 732−739 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家科技支撑计划项目(2007BAD30B00, 2008BADB8B00), 科技部国际合作项目(2008DFA30600, 2009DFA30820), 引进国
外先进农业科学技术计划(948计划)项目(2009-Z8), 广西自然科学基金创新团队(2011GXNSFF018002)和广西科技攻关项目(桂科能
0815011)资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 杨丽涛, E-mail: litao61@hotmail.com; 李杨瑞, E-mail: liyr@gxaas.net
第一作者联系方式: E-mail: sf25501@163.com
Received(收稿日期): 2011-07-27; Accepted(接受日期): 2011-12-19; Published online(网络出版日期): 2012-02-13.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120213.1107.014.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00732
低温胁迫对不同抗寒性甘蔗品种幼苗叶绿体生理代谢的影响
孙 富 1,3 杨丽涛 1,* 谢晓娜 1 刘光玲 1 李杨瑞 1,2,3,*
1 广西大学农学院 / 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室, 广西南宁 530005; 2 广西农业科学院, 广西南宁 530007; 3中国
农业科学院甘蔗研究中心 / 农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室 / 广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室 / 广西
甘蔗遗传改良重点实验室, 广西南宁 530007
摘 要: 土培桶栽抗寒品种 GT28 与不抗寒品种 ROC22, 测定正常(28℃)和低温(4℃)条件下甘蔗幼苗叶片的质膜透
性、叶绿素荧光参数等相关生理指标。结果表明, 低温与正常条件下相比, 两品种幼苗叶片的膜透性显著增大, 且
ROC22增幅较大; 初始荧光(Fo)、非光化学猝灭系数(NPQ)显著上升, 最大光能转化效率(Fv/Fm)、反应中心激发能捕
获效率(Fv/Fm)、光化学猝灭系数(qP)、PSII实际量子效率(ΦPSII)均下降, 以 ROC22降幅较大; 叶绿体希尔反应活力、
Mg2+-ATPase、Ca2+-ATPase 活性下降 , 叶绿体中丙二醛(MDA)含量增加 , 以 ROC22 变幅较大; 超氧化物歧化酶
(SOD)、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性均上升, GT28的增幅比 ROC22显著。上述参数与品种抗寒性
密切相关, GT28比 ROC22抗寒性更强。
关键词: 甘蔗; 低温胁迫; 叶绿体; 叶绿素荧光; ATP酶; 活性氧
Effect of Chilling Stress on Physiological Metabolism in Chloroplasts of Seed-
lings of Sugarcane Varieties with Different Chilling Resistance
SUN Fu1,3, YANG Li-Tao1,*, XIE Xiao-Na1, LIU Guang-Ling1, and LI Yang-Rui1,2,3,*
1 Agricultural College / State Key Laboratory of Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, Guangxi University, Nanning
530005, China; 2 Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 3 Sugarcane Research Center, Chinese Academy of Agricul-
tural Sciences / Key Laboratory of Sugarcane Biotechnology and Genetic Improvement (Guangxi), Ministry of Agriculture / Guangxi Crop Genetic
Improvement and Biotechnology Laboratory / Guangxi Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement, Nanning 530007, China
Abstract: Chilling occurs frequently in recent years, and has become a major limiting factor for sugarcane production. Chloro-
plasts are the main organelle for photosynthesis and one of the subcellular fractions for chilling sensitivity in plants. In order to
investigate the effect of chilling stress on the physiological metabolism of sugarcane chloroplast, and reveal the relationships be-
tween the physiological characteristics in chloroplast and chilling tolerance of sugarcane, the present experiment was conducted
with two varieties of GT28 (chilling resistant) and ROC22 (chilling susceptible) with two treatments: control (28°C) and chilling
stress (4°C). The relative electrical conductance (REC) of sugarcane seedling leaves, and chlorophyll fluorescence parameters and
some physiological indices in chloroplasts were measured. The results showed that under the low temperature stress condition, the
plasma membrane permeability of the seedling leaves, initial fluorescence (Fo) and NPQ increased significantly in both varieties,
and the chilling resistant variety GT28 was more stable than the chilling sensitive variety ROC22; and the Fv/Fm, Fv/Fm, qP, and
ΦPSII decreased in the two sugarcane varieties, and decreased less in GT28 than in ROC22. The activities of Hill reaction,
Mg2+-ATPase and Ca2+-ATPase in chloroplasts decreased, and those in GT28 decreased less than those in ROC22. The MDA
content and SOD, POD, GR activities in the chloroplasts increased, and sugarcane variety GT28 showed lower increase in MDA
but higher increase in SOD, POD, and GR activities. The chlorophyll fluorescence parameters and the physiological characteris-
tics in the chloroplasts of sugarcane leaves were affected significantly by chilling stress. The changes of chlorophyll fluorescence
and the physiological characteristics in the chloroplasts are correlated significantly to low temperature resistance, and GT28 is
more chilling resistant than ROC22.
第 4期 孙 富等: 低温胁迫对不同抗寒性甘蔗品种幼苗叶绿体生理代谢的影响 733


Keywords: Sugarcane (Saccharum officenarum L); Chilling stress; Chloroplast; Chlorophyll fluorescence; ATPase; ROS
温度是影响作物生长发育和产量的重要环境因
子, 在全球气候变暖的大趋势下, 近年来气候变化
异常, 极端低温天气出现频繁, 寒冷灾害更加严重。
甘蔗是一种喜温作物, 在糖业及生物能源生产中具
重要地位 , 广西是中国的甘蔗主产区 [1], 每年都会
遭受不同程度的寒害冻害影响, 给甘蔗生产和制糖
工业造成巨大的经济损失[2-3]。当作物受到低温胁迫
时, 其各生理过程都会受到干扰, 而叶绿体是受低
温影响最敏感的亚细胞单位之一[4-5], 因此, 探讨低
温对甘蔗叶绿体生理生化作用的影响及其响应机制,
对培育抗寒性甘蔗品种具有重要指导意义。光合作
用是植物体最基本的生命活动, 叶绿体是植物光合
作用的关键场所。叶绿体的结构和功能对低温胁迫
很敏感 , 研究表明 , 低温条件下 , 叶绿体的叶绿素
含量下降、结构变形、膜系统受到破坏[6]; PSI受到
显著抑制, 其活性下降 70%~80%[7], PSII 原初光能
转换效率和潜在光合活力均受到抑制 [8], 光合电子
传递效率降低[9], RuBPcase 活性降低[10], 暗反应有
关酶系遭到破坏, 碳同化受到影响, 从而使光合速
率明显下降。低温使光合产物运输受阻, 积累在叶
片中的产物降低了光合速率使光合作用受到抑制。
活性氧(ROS)过度累积也是抑制光合作用的重要因
素, 而叶绿体是产生活性氧的重要细胞器, 研究表
明, 低温胁迫[5]、盐胁迫[11]、水分胁迫[12]下, 叶绿体
内都会积累大量的活性氧, 随着低温胁迫时间的延
长, 叶绿素降解加剧, 活性氧、膜脂过氧化产物(如
MDA)含量增加 , 使得叶绿体膜受到破坏 , 但活性
氧过度积累会触发叶绿体内活性氧酶促清除系统[5],
从而有效地清除叶绿体内积累的活性氧, 保护叶绿
体膜结构的完整性。逆境条件下植物叶绿体代谢受
阻是导致植物光合作用受抑制的主要原因, 这在水
稻[13]、小麦[14]等作物的研究中已得到证实, 低温胁
迫对甘蔗幼苗叶绿体生理生化代谢影响的研究尚未
见报道。本试验研究低温胁迫对两个抗寒性不同的
甘蔗品种幼苗叶片的叶绿素荧光参数, 叶绿体相关
生理生化指标及活性氧清除系统活性影响的差异 ,
以期为甘蔗抗寒育种提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 植物的栽培和处理
选用甘蔗抗寒品种 GT28与不抗寒品种 ROC22,
将其砍成单芽段培育在沙土混合营养基质上, 生长
20 d后, 选取长势一致的幼苗移栽至营养杯(18 cm×
22 cm, 直径×高度)中, 每杯 2株苗。按照日常管理,
待幼苗长至 5~6 叶期时, 将甘蔗分为两组, 一组放
置在正常温度(28℃)下生长 , 另一组移至亚热带农
业生物资源保护与利用国家重点实验室的冷库内进
行低温(0℃)胁迫处理, 两组光照强度和光照时间相
同, 分别为 300 μmol m–2 s–1和 12 h d–1。在处理 9 d
后取叶片样品测电导率、叶绿素荧光参数及叶绿体
的各项生理生化指标。
1.2 完整叶绿体的制备
参照孙富等 [15]的方法提取甘蔗叶片完整叶绿
体。用悬浮缓冲液(0.33 mol L–1山梨醇, 50 mmol L–1
Hepes-KOH, pH 8.0, 5 mmol L–1 EDTA-Na)悬浮叶绿
体, 测定希尔反应活力、丙二醛含量、Mg2+-ATP酶
和 Ca2+-ATP酶活力。用叶绿体裂解缓冲液(内含 0.05
mol L–1 PBS pH 7.8, 5 mmol L–1 EDTA)悬浮叶绿体,
测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、谷
胱甘肽还原酶(GR)活性。
1.3 生理参数测定
参照张以顺等[16]方法测定叶片电导率。选取长
势一致的完全展开的植株的第一片叶, 充分暗适应
后, 参照李长宁等[17]的方法, 用英国Hansatech公司
的 FMS-2脉冲调制式荧光仪测定叶绿素荧光参数。
先打开测量光, 测定暗适应叶片的最小荧光 Fo, 然
后打开饱和脉冲光测暗适应叶片的最大荧光 Fm, 后
启动 1000 μmol m–2 s–1的作用光, 每隔 20 s测定一
次 ΦPSII, 以时间为横坐标, 描绘启动变化曲线, 重
复测定 6 株。用邻菲罗啉盐酸盐比色法测定希尔反
应活力[18]。
参考薛应龙[19]方法测定 Mg2+-ATPase 活性, 取
叶绿体悬浮液 0.1 mL, 加入 0.8 mL激活液(内含 0.05
mol L–1 Tris-HCl缓冲液 pH 8.0, 0.1 mol L–1 NaCl,
0.01 mol L–1 MgCl2, 0.01 mol L–1 DTT), 摇匀后光照
活化 5 min, 再加入 0.1 mL的 0.01 mol L–1 ATP摇匀,
于 37℃水浴保温 10 min后进入终止反应阶段。
参考薛应龙[19]方法测定 Ca2+-ATPase 活性, 取
0.1 mL的叶绿体悬浮液, 加入 0.8 mL的激活液(20
mmol L–1 Tris-HCl缓冲液 pH 8.0, 5 mmol L–1 DTT,
20 mmol L–1 ATP), 置于 64℃恒温水浴激活 4 min,
冷却以后加入 0.01 mol L–1的 ATP 0.1 mL, 37℃水浴
反应 10 min后进入终止反应阶段。
加入 20%的三氯乙酸 0.2 mL终止反应, 用 4 500
734 作 物 学 报 第 38卷

×g 离心 5 min, 吸取上清液 0.5 mL, 再加入硫酸亚
铁-钼酸铵 2 mL, 蒸馏水 2.5 mL。摇匀后放置 30 min,
在 660 nm波长下测定吸光度, 根据磷标准曲线查出
无机磷含量, 计算酶活性(μmol Pi mg−1 Chl min−1)。
参照华春等[13]的方法测定丙二醛(MDA)含量。
吸取上述叶绿体悬浮液 1 mL, 加入 1.5 mL蒸馏水,
2.5 mL 含 0.5%硫代巴比妥酸的 20%三氯乙酸溶液,
于沸水浴中加热 15 min, 迅速冷却, 以 4 000×g离心
10 min, 分别于 425、532、600 nm波长下测定上清
液吸光度, 计算每 mg 叶绿素含 MDA 的 μmol 数。
参照陈一舞等[20]方法测定超氧化物歧化酶(SOD)活
性。参照张以顺等[21]方法测定过氧化物酶(POD)活
性。使用南京建成生物研究所生产的 GR 酶活性试
剂盒测定谷胱甘肽还原酶(GR)活性。参照汤章城[18]
方法叶绿素含量的测定。以上各处理均为 3个重复,
每重复 5盆。
1.4 数据处理
用 Microsoft Excel和 SPSS 15.0软件分析数据,
用 Duncan’s新复极差法检验显著性。
2 结果与分析
2.1 完整叶绿体提取效果
用光学显微镜镜检, 统计纯化后的完整叶绿体
数目, 所得到的叶绿体完整率在 90%~93%, 完全符
合实验要求。
2.2 幼苗细胞膜透性
如图 1所示 , 低温胁迫后 , 甘蔗幼苗叶片相对
电导率(代表膜透性)显著上升, ROC22 的电导率比

图 1 低温胁迫对甘蔗品种幼苗叶片细胞相对电导率的影响
Fig. 1 Effect of low temperature on relative electrical con-
ductance of sugarcane seedling leaves
方柱上标有不同小写字母表示同一品种内不同处理间在 5%水平
上差异显著。REC: 相对电导率。
Bars superscripted with different small letters are significantly
different at the 5% probability level within the same variety.
REC: Relative Electric Conductivity.
对照高 148.0%, GT28比对照高 141.2%, 差异显著。
低温胁迫处理下, ROC22比 GT28高出 15.9%, 差异
达到显著水平。
2.3 甘蔗幼苗品种叶片叶绿素荧光参数
低温胁迫使初始荧光(Fo)、非光化学猝灭参数
(NPQ)显著上升, 最大光化学效率(Fv/Fm)、开放的反
应中心激发能捕获效率(Fv′/Fm′)、光化学猝灭参数
(qP)(表 1)、PSII 实际量子效率(ΦPSII)(图 2)均下降。
这说明低温胁迫使 PSII 活性中心受到损伤, PSII 原
初光能转换效率、PSII 潜在活性受到抑制, 从而使
光合作用受到抑制。
2.4 幼苗希尔反应
由图 3 可知, 无论是抗寒品种还是不抗寒品种,
在低温条件下幼苗叶片的希尔反应活力均下降, 与
对照相比, ROC22下降 21.8%, GT28下降 14.0%, 差
异显著。低温处理条件下, 与 GT28相比, ROC22的
希尔反应活性下降较明显, 达到 11.6%, 差异达到
显著水平。
2.5 甘蔗品种幼苗叶绿体 Mg2+-ATPase 和
Ca2+-ATPase活性
如图 4 所示, 低温胁迫降低了两甘蔗品种幼苗
叶绿体 Mg2+-ATPase 和 Ca2+-ATPase 的活性。与对
照相比, ROC22 的 Mg2+-ATPase 和 Ca2+-ATPase 活
性分别下降了 14.6%和 32.7%, 差异均达到显著水
平; GT28分别比对照下降了 6.3%和 21.5%, 差异亦
显著。ROC22的 Mg2+-ATPase和 Ca2+-ATPase活性
下降比 GT28 更为明显, 分别比 GT28 低 11.0%和
25.4%, 差异达到显著水平, 说明低温下 GT28 叶绿
体 Mg2+-ATPase 和 Ca2+-ATPase 活性受影响比
ROC22小。
2.6 叶绿体 MDA含量和 SOD、POD、GR活性
如图 5-A 所示, 低温胁迫后, 两甘蔗品种幼苗
叶绿体的丙二醛(MDA)含量明显升高。ROC22比对
照高出 55.7%, GT28 则高出 23.1%, 差异显著。
ROC22 叶绿体丙二醛含量比 GT28 高出 18.2%, 差
异显著。低温胁迫可以提高两甘蔗品种幼苗 SOD活
性。由图 5-B可以看出, ROC22叶绿体 SOD活性比
对照高 10.4%, 差异不显著 , 而 GT28 比对照高
72.3%, 差异达显著水平。品种间相比, 低温处理下
GT28的 SOD活性比 ROC22高出 56.8%, 差异显著。
两甘蔗品种幼苗叶片叶绿体 POD 活性都上升(图
5-C)。ROC22 比对照高 29.2%而 GT28 比对照上升
43.6%, 差异均达到显著水平。品种间相比, 低温处
第 4期 孙 富等: 低温胁迫对不同抗寒性甘蔗品种幼苗叶绿体生理代谢的影响 735


表 1 低温胁迫对甘蔗不同品种幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响
Table 1 Effects of low temperature on chlorophyll fluorescence parameters in seedlings leaves of different sugarcane varieties
品种
Variety
处理
Treatment
Fo Fv/Fm Fv/Fm qP NPQ
CK 134.500±2.466 a 0.798±0.002 a 0.754±0.005 a 0.915±0.004 a 0.194±0.005 aROC22
低温 Low temp. 157.500±3.069 b 0.767±0.004 b 0.660±0.003 b 0.771±0.004 b 0.398±0.016 b
CK 145.250±2.955 a 0.805±0.002 a 0.753±0.007 a 0.870±0.004 a 0.236±0.008 aGT28
低温 Low temp. 154.250±1.932 b 0.787±0.005 b 0.670±0.003 b 0.802±0.015 b 0.349±0.011 b
同一品种内, 标有不同字母的数据处理间在 0.05水平上差异显著。
Values followed by different lowercase are significantly different at the 0.05 probability level for the same variety.

图 2 低温胁迫对甘蔗不同品种幼苗叶片 PSII实际量子效率(ΦPSII)的影响
Fig. 2 Effect of low temperature on ΦPSII in seedling leaves of different sugarcane varieties


图 3 低温胁迫对甘蔗不同品种幼苗叶片叶绿体 Hill反应活力
的影响
Fig. 3 Effect of low temperature stress on Hill’s reaction of
chloroplasts in seedling leaves of different sugarcane varieties
理下 GT28的 POD活性比 ROC22高出 20.4%, 差异
显著。ROC22叶绿体 GR低温处理下活性比对照高
出 68.1%, GT28的则高出 156.4%, 均比对照显著性
增加(图 5-D)。品种间相比, 低温处理下 GT28的 GR
活性比 ROC22高出 51.6%, 差异达到显著水平。
3 讨论
在低温胁迫下, 植物细胞膜系统受到伤害, 进
而发生膜脂过氧化作用, 膜透性增大, 膜内的可溶
性物质即电解质大量渗出, 相对电导率增大。本研究
结果表明, 两甘蔗品种幼苗在低温胁迫后, 其相对电
导率显著性增大, 膜透性增加, 这可能是由于甘蔗在
低温条件下, 抗氧化系统不能有效清除过多活性氧,

图 4 低温胁迫对甘蔗不同品种幼苗叶片叶绿体 Mg2+-ATPase和 Ca2+-ATPase活性的影响
Fig. 4 Effect of low temperature stress on Mg2+-ATPase and Ca2+-ATPase activities in chloroplasts in seedling leaves of different sugarcane varieties
736 作 物 学 报 第 38卷


图 5 低温胁迫对不同甘蔗各品种幼苗叶片叶绿体 MDA含量以及 SOD、POD、GR活性的影响
Fig. 5 Effect of low temperature on MDA content and SOD, POD, GR activities in chloroplasts of seedling leaves in different
sugarcane varieties

其含量持续增加诱发膜质过氧化程度加剧[22-23]。
叶绿体的 ATP酶是光合磷酸化的偶联因子, 是
一种与叶绿体膜结合的复合蛋白, 在 ATP的合成中
起关键作用, 其活性大小反映植物光合磷酸化的程
度[24]。如果叶绿体 ATP酶活性下降, 则光合磷酸化
活性下降, 叶片中 ATP 含量减少, 不利于植物碳素
同化, 势必影响作物产量, 可见叶绿体 ATP 酶活性
与光合作用关系极为密切。而且 Ca2+-ATP酶、Mg2+-
ATP 酶是 Ca2+的一个重要调节剂, 它能将 Ca2+由胞
内泵到胞外, 维持了一个细胞内外的 Ca2+梯度 [25],
而胞质中 Ca2+稳态平衡是细胞生理活动得以正常进
行的必要条件[26]。张俊环等[27]研究发现 Ca2+-ATP
酶对逆境的植物显示出一定的逆境应答功能, 并且
李素丽等[28]研究发现在低温条件下细胞质和细胞核
Ca2+浓度增高是导致甘蔗茎尖细胞受伤害的重要原
因, 而维持较高 Ca2+-ATP酶活性则有助于避免 Ca2+
中毒。本试验结果表明, 低温胁迫下, 甘蔗幼苗叶片
叶绿体膜 ATP 酶特别是 Ca2+-ATP 酶活性降低, 而
且在低温胁迫的影响下, Ca2+从胞质外转运到胞质
和叶绿体内, 长时间的细胞质内高钙浓度会对叶绿
体的生理功能造成伤害, 使叶绿体内的 ATP酶特别
是 Ca2+-ATP酶活性受到抑制, 叶绿体内的高钙浓度
难以调节, 叶绿体膜上的 Ca2+密度降低, 从而使叶
绿体膜受损, 光合作用减弱。在本研究中, 不抗寒品
种 ROC22的 Ca2+-ATP酶、Mg2+-ATP酶活性明显下
降, 表明其光合磷酸化能力受到较严重的抑制, 叶
绿体膜受到较严重的伤害, 而抗寒品种 GT28 还保
持较高的 ATP 酶活性, 叶绿体膜受伤害的程度较
小。
低温胁迫下 , 叶绿体膨胀 , 排列紊乱 , 基粒片
层的垛叠结构解体, 基粒间连接松弛, 部分基粒溶
解 , 基粒数目减少 , 类囊体层肿胀或解体 , 光合器
官的超微结构遭到破坏, 进而影响光合膜上的光合
作用[29-30]。在正常情况下, 叶绿体吸收的光能主要
通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散 3 种途径
散失, 这 3种途径存在着此消彼长的关系, 因此叶绿
素荧光的变化可以反映出光合作用的情况[31]。在低
温下, 植物光能利用能力下降, 导致过剩光能的积
累, 如不及时将其耗散则会伤害光合机构[32]。研究
表明, 光合作用受到伤害的最原初部位与 PSII 紧密
联系 , 低温胁迫导致叶绿体光合机构的破坏 , PSII
放氧活性降低, PSII 各组成蛋白成分发生变化[33]。
Kaniuga 等[34]报道, 低温导致叶绿体的 Hill 反应活
性降低, 使类囊体膜中 PSII 的电子传递受抑, 抑制
第 4期 孙 富等: 低温胁迫对不同抗寒性甘蔗品种幼苗叶绿体生理代谢的影响 737


部位主要在其氧化侧[35]。本试验结果表明, 低温胁
迫下, 两甘蔗品种初始荧光(Fo)明显升高, PSII的原
初光能转换效率 (Fv/Fm)、 PSII 天线转化效率
(Fv/Fm)、光合电子传递量子效率(ΦPSII)和光化学猝
灭系数(qP)明显降低, Hill 反应活力显著下降, 表明
光合电子传递以分子态氧为受体的支路反应的增强
和 PSII 的部分失活, 明显抑制光合碳代谢的电子供
应 , 直接影响光合作用的电子传递和 CO2 同化过
程[36]; 并且说明低温破坏了甘蔗的 PSII 结构, 降低
叶绿体的光化学反应, 使 Hill 反应受到抑制, 水的
光解和放氧速度也降低, 从而使 PSII 电子传递效率
下降。而非光化学猝灭(NPQ)显著上升, 表明甘蔗能
通过热耗散消耗过剩光能, 避免对光合机构的破坏,
这是甘蔗适应生存环境的一种保护机制[37]。
高等植物代谢过程中活性氧(ROS)的产生是不
可避免的, 在正常情况下, 叶绿体内自由基的产生
与清除处于动态平衡。当植物处于低温胁迫下时 ,
这种平衡即遭到破坏, 由于光化学途径的受阻、叶
绿素荧光发射的减弱以及热耗散的减少, 剩余的光
能若无其他电子受体, PSI会将电子传递给 O2, 还原
O2 为 O−2& (超氧阴离子自由基), 同时 O−2&与三线态叶
绿素(激活态 Chl*)作用产生过氧化氢(H2O2)、羟自由
基(⋅OH)、单线态氧(1O2)等活性氧[11,38], 导致活性氧
累积, 这些活性氧直接攻击叶绿体膜脂并引发过氧
化加剧, 促使膜脂中不饱和脂肪酸过氧化并产生丙
二醛(MDA), MDA 能与酶蛋白发生链式反应聚合,
使膜系统变性, 造成膜的损伤和破坏, 膜系统的完
整性丧失, 生物功能分子遭到破坏。ROS 的积累导
致丙二醛含量明显提高, 加速了光合机构的损坏[8],
所以 MDA含量是反映这种伤害的有效指标[39]。本试
验中, 低温胁迫下, 两甘蔗品种叶绿体内MDA含量
增加, 说明甘蔗幼苗叶绿体内的 ROS 大量积累, 使
叶绿体膜受到伤害。为了防御 ROS的毒害, 植物体
内存在清除这些 ROS的酶促反应系统, SOD可以将
O−2&歧化成 H2O2和 O2, 而 H2O2的清除则是由 POD、
CAT、APX、GR 等酶来完成, 从而缓解 ROS 的伤
害[24,40]。由于叶绿体中没有 CAT的存在, 所以叶绿
体活性氧的清除主要靠 POD、APX、GR 等抗氧化
酶[17]。在低温胁迫下, GT28 幼苗叶绿体的 SOD 保
持较高的活性, 能够及时清除O−2& , 同时其 POD、GR
酶活性显著升高, 对由 O−2&歧化而来的 H2O2 有较强
的清除能力, 从而降低 ROS 对叶绿体膜的损伤, 叶
绿体膜的MDA含量增幅也较低。而 ROC22的 SOD、
POD、GR活性增幅较低, 不能及时清除大量积累的
ROS, 叶绿体膜受损加重, MDA 含量增幅较大。上
述结果表明, 抗寒品种 GT28 幼苗叶绿体 SOD、
POD、GR 活性均高于 ROC22, MDA 含量则低于
ROC22, 说明低温胁迫条件下 GT28 具有更强的抗
氧化代谢能力。
4 结论
在低温胁迫下, 两甘蔗品种幼苗质膜透性显著
增大, Fo、NPQ显著上升, Fv/Fm、Fv/Fm、qP和 ΦPSII
均下降, 叶绿体 Hill反应活力、叶绿体膜 Mg2+-ATP
酶、Ca2+-ATP 酶活力均下降, 叶绿体内 MDA 含量
显著增加 , 但以不耐寒的 ROC22 所受影响较大 ;
SOD、POD、GR活性增加, 且GT28的增幅比 ROC22
显著。这些是 GT28比 ROC22更耐寒的重要生理生
化基础。
References
[1] Li Y-R(李杨瑞), Yang L-T(杨丽涛). New developments in su-
garcane industry and technologies in China since 1990s. South-
west China J Agric Sci (西南农业学报), 2009, 22(5): 1469−1476
(in Chinese with English abstract)
[2] Zhou M-L(周美丽), Lu J(陆甲), Li Y-L(李艳兰), Huang X-S(黄
雪松 ). Climatic characteristic and its impact assessment of
Guangxi in 2008. J Meteorol Res Appl (气象研究与应用), 2009,
30(2): 62−65 (in Chinese with English abstract)
[3] Tan H-W(谭宏伟), Li Y-R(李杨瑞), Zhou L-Q(周柳强), Xie
R-L(谢如林), Huang J-S(黄金生), Huang M-F(黄美福). Influ-
ences of frosty weather on sucrose content and growth of main
sugarcane varieties in the central areas of Guangxi. Guangxi
Agric Sci (广西农业科学), 2010, 41(4): 326−328 (in Chinese
with English abstract)
[4] Chen S-N(陈善娜), Zou X-J(邹晓菊), Liang B(梁斌). Electron-
microscope observation on membrane system of leave cells of
some varieties of rice seeding with different cold-resistance.
Plant Physiol Commun (植物生理学通讯 ), 1997, 33(3):
191−194 (in Chinese)
[5] Wu J-C(吴锦程), Liang J(梁杰), Chen J-Q(陈建琴), Dai Q-B(戴
巧斌), Cao L-H(曹连黄), Xu X(许鑫), Xu J-B(许金榜), Guan
L(官玲). Effects of GSH on AsA-GSH circulation metabolism in
chloroplasts of young loquat fruits under low temperature stress.
Sci Silv Sin (林业科学), 2009, 45(11): 15−19 (in Chinese with
English abstract)
738 作 物 学 报 第 38卷

[6] Fu L-S(付连双), Wang X-N(王晓楠), Wang X-D(王学东), Xie
F-D(谢甫绨), Li Z-F(李卓夫). Comparison of cell ultrastructure
between winter wheat cultivars during cold acclimation and
freezing period. J Triticeae Crops (麦类作物学报), 2010, 30(1):
66−72 (in Chinese with English abstract)
[7] Kudoh H, Sonike K. Irreversible damage to photosystem I by
chilling in the light: cause of the degradation of chlorophyll after
returning to normal growth temperature. Planta, 2002, 215:
541−548
[8] Chen Q-J(陈青君), Zhang F-M(张福墁). Photosynthetic charac-
ters of different cucumber cultivars under low temperature and
poor light stress and during the recovery. J China Agric Univ (中
国农业大学学报), 2000, 5(5): 30−35 (in Chinese with English
abstract)
[9] Zhang M-Q(张木清), Chen R-K(陈如凯), Lü J-L(吕建林), Luo
J(罗俊), Xu J-S(徐景升). Effects of low temperature stress on the
chlorophyll a fluorescence induction kinetics in the seedling of
sugarcane. J Fujian Agric Univ (福建农业大学学报), 1999,
28(1): 1−7 (in Chinese with English abstract)
[10] Byrd G T, Ort D R, Ogren W L. The effects of chilling in the
light on ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase activa-
tion in tomato (Lycopersicon esculentum Mill.). Plant Physiol,
1995, 107: 585−591
[11] Sun J(孙锦), Jia Y-X(贾永霞), Guo S-R(郭世荣), Li J(李娟).
Effects of seawater stress on metabolism of reactive oxygen spe-
cies and chlorophyll in chloroplasts of spinach (Spinacia oler-
ancea L). Acta Ecol Sin (生态学报), 2009, 29(8): 4361−4371 (in
Chinese with English abstract)
[12] Gamble P E, Burke J J. Effect of water stress on the chloroplast
antioxidant system I: alterations in glutathione reductase activity.
Plant Physiol, 1984, 76: 615−621
[13] Hua C(华春), Wang R-L(王仁雷), Liu Y-L(刘友良). Effect of
exogenous ascorbic acid on active oxygen scavenging system in
chloroplasts of rice under salt stress. Acta Agron Sin (作物学报),
2004, 30(7): 692−696 (in Chinese with English abstract)
[14] You J-H(由继红), Lu J-M(陆静梅), Yang W-J(杨文杰). Effects
of Ca2+ on photosynthesis and related physiological indexes of
wheat seedlings under low temperature stress. Acta Agron Sin (作
物学报), 2002, 28: 693−696 (in Chinese with English abstract)
[15] Sun F(孙富), Huang Q-L(黄巧玲), Huang X(黄杏), Zhang B-Q(张
保青), Chen M-H(陈明辉), Yang L-T(杨丽涛), Li Y-R(李杨瑞).
Isolation of chloroplast from leaf tissue of sugarcane and extraction
of their protein. J Southern Agric (南方农业学报), 2011, 42(5):
463−467 (in Chinese with English abstract)
[16] Zhang Y-S(张以顺), Huang X(黄霞), Chen Y-F(陈云凤). Plant
Physiology Experiments Tutorial (植物生理学实验教程). Bei-
jing: Higher Education Press, 2009. pp 128−129 (in Chinese)
[17] Li C-N(李长宁), Srivastava M K, Nong Q(农倩), Li Y-R(李杨
瑞). Mechanism of tolerance to drought in sugarcane plant en-
hanced by foliage dressing of abscisic acid under water stress.
Acta Agron Sin (作物学报), 2010, 36(5): 863−870 (in Chinese
with English abstract)
[18] Tang Z-C(汤章城). Modern Plant Physiology Experiments Guide
(现代植物生理学实验指南). Beijing: Science Press, 1999. pp
1−109 (in Chinese)
[19] Xue Y-L(薛应龙). Experimental Manual of Plant Physiology (植
物生理学实验手册). Shanghai: Shanghai Science and Techno-
logy Press, pp 111−115 (in Chinese)
[20] Chen Y-W(陈一舞), Shao G-H(邵桂花), Chang R-Z(常汝镇).
The effect of salt stress on superoxide dismutase in various or-
ganelles from cotyledon of soybean seedling. Acta Agron Sin (作
物学报), 1997, 23(2): 214−219 (in Chinese with English ab-
stract)
[21] Zhang Y-S(张以顺), Huang X(黄霞), Chen Y-F(陈云凤). Plant
Physiology Experiments Tutorial (植物生理学实验教程), Bei-
jing: Higher Education Press, 2009. pp 139−140 (in Chinese)
[22] Liang Y(梁颖), Wang S-G(王三根). The protective function of
Ca2+ on the membrane of rice seedling under low temperature
stress. Acta Agron Sin (作物学报), 2001, 27(1): 59−63 (in Chi-
nese with English abstract)
[23] Luo Y(罗娅), Tang H-R(汤浩茹), Zhang Y(张勇). Effect of low
temperature stress on activities of SOD and enzymes of ascor-
bate-glutathione cycle. Acta Hort Sin (园艺学报), 2007, 34(6):
1405−1410 (in Chinese with English abstract)
[24] Ren H-M(任汇淼), Wei J-M(魏家绵), Shen Y-G(沈允钢). Pro-
gress in the study on structure, function and regulation of chloro-
plast ATP synthase. Plant Physiol Commun (植物生理学通讯),
1994, 30(3): 161−169 (in Chinese with English abstract)
[25] Zhang J-H(张金红), Wu J-P(吴隽平), Wei J-H(魏继中), Zai
Z-Q(翟治清), Zhang S-P(张遂坡), Xu Y-H(徐友涵). The effect
of Pr3+, Nd3+ on activity of Ca2+, Mg2+-ATPase on plasma mem-
brane of Vicia feba leaves. Chin J Biochem, 1992, 8(2): 195−200
(in Chinese with English abstract)
[26] Li S(李杉), Xing G-M(邢更妹), Cui K-R(崔凯荣), Yu C-H(余春
第 4期 孙 富等: 低温胁迫对不同抗寒性甘蔗品种幼苗叶绿体生理代谢的影响 739


红), Zhang X(张霞), Xu H-X(徐海霞), Wang Y-F(王亚馥). Ul-
tracytochemical localization of calcium and ATPase activity on
the 2,4-D induced somatic embryogenesis of Lycium barbarum L.
Acta Biol Exp Sin (实验生物学报), 2003, 36(6): 414−420 (in
Chinese with English abstract)
[27] Zhang J-H(张俊环), Zhang G-Q(张国强), Liu Y-P(刘悦萍),
Huang W-D(黄卫东). Cytochemical localization and changes in
activity of plasma membrane Ca2+-ATPase in young grape (Vitis
vinifera L. cv. Jingxiu) plants during cross adaptation to tem-
perature stresses. Sci Agric Sin (中国农业科学), 2006, 39(8):
1617−1625 (in Chinese with English abstract)
[28] Li S-L(李素丽), Yang L-T(杨丽涛), Li Z-G(李志刚), Li Y-R(李
杨瑞), Han C-W(韩春旺), Liang Z-Z(梁兆宙). Response of Ca2+
and Ca2+-ATPase activity in the stem tip of sugarcane to low
temperature stress. J China Agric Univ (中国农业大学学报),
2011, 16(2): 14−21 (in Chinese with English abstract)
[29] Kreash H A, Wies P R. The ultrastructure of chilling stress. Plant
Cell Environ, 2000, 23: 337−350
[30] Ai X-Z(艾希珍), Wang X-F(王秀峰), Guo Y-K(郭延奎), Xing
Y-X(邢禹贤). Effects of suboptimal temperature and low tem-
perature under low light intensity on stomatal characteristics and
chloroplast ultrastructure of cucumber seedlings. Sci Agri Sin (中
国农业科学), 2006, 39(10): 2063−2068 (in Chinese with English
abstract)
[31] Hendrickson L, Furbank R T, Chow W S. A simple alternative
approach to assessing the fate of absorbed light energy using
chlorophyll fluorescence. Photosynth Res, 2004, 82: 73−81
[32] Zhou Y-H(周艳虹), Huang L-F(黄黎锋), Yu J-Q(喻景权). Effects
of sustained chilling and low light on gas exchange, chlorophyll
fluorescence quenching and absorbed light allocation in cucumber
leaves. J Plant Physiol Mol Biol (植物生理与分子生物学学报),
2004, 30(2): 153−160 (in Chinese with English abstract)
[33] Aro E, Virgin I, Anderson B. Photoinhibition of photosystem II.
Inactivation, protein damage and turnover. Biochimica et Bio-
physica Acta, 1993, 1143: 113−134
[34] Kaniuga Z, Zabek J, Sochanowicz B. Contribution of loosely
bound manganese to the mechanism of reversible in activation of
hill reaction activity following cold and dark storage and illumi-
nation of leaves. Planta, 1978, 144: 49−56
[35] Kee S C, Martin B, Ort D R. The effect s of chilling in the dark
and in the light on photosynthesis of tomato: electron transfer re-
action. Photosynth Res, 1986, 8: 41−51
[36] Peng C-L(彭长连), Lin Z-F(林植芳), Lin G-Z(林桂珠). Super-
oxide production rate and photosynthetic feature in leaves of
some plant species under photooxidation. Acta Phytophysiol Sin
(植物生理学报), 2000, 26(2): 81−87 (in Chinese with English
abstract)
[37] Fu Q-S(付秋实), Li H-L(李红岭), Cui J(崔健), Zhao B(赵冰),
Guo Y-D(郭仰东). Effects of water stress on photosynthesis and
associated physiological characters of Capsicum annuum L. Sci
Agri Sin (中国农业科学), 2009, 42(5): 1859−1866 (in Chinese
with English abstract)
[38] Wang B-L(汪炳良), Xu M(徐敏), Shi Q-H(史庆华), Cao J-S(曹
家树). Effects of high temperature stress on antioxidant systems,
chlorophyll and chlorophyll fluorescence parameters in early
cauliflower leaves. Sci Agric Sin (中国农业科学), 2004, 37(8):
1245−1250 (in Chinese with English abstract)
[39] Qian Q-Q(钱琼秋), Zai W-S(宰文珊), Zhu Z-J(朱祝军), Yu
J-Q(喻景权). Effects of exogenous silicon on active oxygen
scavenging system in chloroplasts of cucumber (Cucumis sativus
L.) seedlings under salt stress. J Plant Physiol Mol Biol (植物生
理与分子生物学学报), 2006, 32(1): 107−112 (in Chinese with
English abstract)
[40] Li J(李晶), Yan X-F(阎秀峰), Zu Y-G(祖元刚). Generation of
activated oxygen and change of sell defense enzyme activity in
leaves of Korean pine seedling under low temperature. Acta Bot
Sin (植物学报), 2000, 42(2): 148−152 (in Chinese with English
abstract)