全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 31(1)：92— 96 2011年 1月
DOI：10．3969／j．issn．1000—3142．2011．01．019
模拟干旱胁迫下构树和桑树的生理特征比较
吴沿友 一，梁 铮 ，邢德科2
(1．现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室／江苏省重点实验室，江苏大学农业工程研究院，江苏
镇江 212013；2．中国科学院 地球化学研究所 环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550002)
摘 要：在不同浓度聚乙二醇(PEG 6000)的处理下，测定构树和桑树的碳酸酐酶活性、光响应曲线、二氧化碳
响应曲线和叶绿素荧光等指标，比较它们的抗干旱能力。结果表明：(1)构树的碳酸酐酶活力变化不显著，而
桑树的碳酸酐酶活力不同的PEG 6000浓度间差异较大。(2)构树的净光合速率受PEG 6000的影响较小，而
桑树受到抑制较大。(3)构树的PSⅡ原初光能转化效率(Fv／Fm)和PSI实际光合效率OPSI受到PEG影响
不显著，而桑树则明显受到PEG的抑制。构树的PSII原初光能转化效率(Fv／Fm)和PS1实际光合效率OPS
Ⅱ要比桑树高，光化学淬灭系数(qP)和电子传递速率(ETR)也明显高于桑树。稳定的碳酸酐酶、较强的光合
能力是构树适应岩溶干旱环境的重要机制。
关键词 ：构树 ；桑树 ；聚乙二醇；碳酸酐酶；叶绿素荧光 ；喀斯特
中图分类号：Q945 文献标识码：A 文章编号：1000—3142(2011)01—0092—05
Comparison of the physiological characteristics of
paper mulberry(Broussonetia pa pyri fera)
一 一 一 一 一 一 ●Lr
and mulberry(Morus alba)under
simulated drought stress
WU Yan-You1一，LIANG Zheng ，Xing De-Ke
(1．Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education&Jiangsu Province，Institute
ofagricultural enginering，Jiangsu University，Zhe~iang 212013，China；2．State Key l aboratory of Environmental
Geochemistry，Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550002，China)
Abstract：Under the treatment of diferent concentrations of polyethylene glycol(PEG 6000)，the carbonic anhydrase
activity，photosynthetic responses to light and C0 ，and chlorophyl fluorescence characteristics in leaves of two woody
plant species，paper mulberry(Broussonetia papyrifera)and mulberry(Morus alba)，were determined．The drought
resistance of the two species plants was compared．The results indicated that the activity of carbonic anhydrase in pa—
per mulberry did not vary significantly．There are significant differences of the activity of carbonic anhydrase in mul—
berry among treatments with different concentration of PEG 6000．PEG 6000 had little influence on net photosyn —
thetic rate of paper mulberry，but caused significant inhibition on mulberry．No significant variation of maximum
quantum yield of photosystem I(Fv／Fm)and actual photosynthetic eficiency of PS I(OPSI)of paper mu!berry a—
mong the treatments of PEG was observed，but those of mulberry were significantly inhibited by PEG．Flv／Fm and
PSⅡof paper mulberry was also higher than those of mulberry．The photochemical quenching coefficient(qP)and e—
lectron transport rate(ETR)of paper mulberry was significantly higher than those of mulberry．The stable carbonic
收稿日期：2010—05—24 修 回日期：2010—10—10
基金项目：国家重点基础研究发展计划项 目(2006CB403206)；中国科学院百人计划项 目[Supported by State Key Basic Research and Development Plan
of China(2006CIM03206)；100 Talents Program of the Chinese Academy of Sciences]
作者简介：吴沿友(1966一)，男，安徽池州市人 ，博士，教授；博士生导师，喀斯特生态学专业，(E-mail)yanyouwu@ujs．edu．cn。
1期 吴沿友等 ：模拟干旱胁迫下构树和桑树的生理特征的比较 93
anhydrase and the s~ong photosynthetic capacity is an important mechanism for paper mulberry to adapt to karst-arid
environment．
Key wonts：paper mulberry(Broussonetia papyrifera)；mulberry(Morusalba)；polyethylene glycol(PEG 6000)；
carbonic anhydrase；chlorophyll fluorescence~karst
岩溶干旱是喀斯特地 区最大 的环境逆境 ，抗干
旱能力是喀斯特石漠化地区植被恢复先锋植物筛选
首先需要考虑的问题。桑科(Moraceae)植物构树
(Broussonetia papyrifer口)，是一种落叶乔木，具有
适应喀斯特逆境的一些生理特征 (wu等 ，2009)，是
典型喀斯特石质山地耐旱耐瘠薄的先锋树种之一
(喻理飞等，2003)，现 已广泛用作喀斯特高原地区的
生态恢复的一个重要树种 (魏媛等，2007)。同为桑
科(Moraceae)落叶乔木的桑树(Morus alba)，抗岩
溶干旱能力差，喀斯特逆境下较难生存。因此，可以
用构树为研究材料，桑树为对照来研究喀斯特适生
植物的抗岩溶干旱能力 。
碳酸酐酶 (Carbonic anhydrase)是一种含锌金
属酶，主要的生物学功能是催化二氧化碳的可逆水
合反应 ：CO2+H2O H2C03 HCO3一+H 。它
的功能多种多样，在生物的生长代谢过程中发挥着
重要的作用，尤其在逆境下调节着水和二氧化碳的
供给，可以通过碳酸酐酶的表现判断植物对喀斯特
逆境的适应性(吴沿友等 ，2006)。
光合系统结构特别是光系统Ⅱ对逆境胁迫非常
敏感。其中PSⅡ原初光能转化效率(Fv／Fm)是较
常用的常数 ，用以说 明光系统 Ⅱ潜在 的量子效率(冯
建灿等，2002；杨晓青等，2004)。光化学淬灭则反映
PSⅡ天线色素吸收的光能用 于光化学 电子传递 的
份额(张守仁，1999)。利用叶绿素荧光动力学方法
可以快速、灵敏、无损伤探测逆境对植物光合作用的
影响，叶绿素荧光能指示植物对不同环境胁迫的响
应，反映植物对环境胁迫 的忍受 能力 (Jiang等，
2003；Mommer& Visser，2005；Panda等 ，2006)。
聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)是一种渗
透剂 ，常用来模拟植物组织水分胁迫实验，起到类似
自然干旱的作用，被广泛应用 到植物 的抗干旱研究
(冯建灿等，2002；杨晓青等，2004)。本文利用添加
不同浓度聚乙二醇(PEG 6000)的培养液培养构树
和桑树，根据其碳酸酐酶活性、光响应曲线、二氧化
碳响应曲线和叶绿素荧光特性的差异，比较构树和
桑树对干旱的适应性，为构树的喀斯特适生性提供
实验依据。
1 料与方法
1．1实验材料培养与处理
选择植株大小差异不大、有 3片真叶的构树和
桑树幼苗作实验材料 ，于 2009年 l1～12月在中国
科学院地球化学研究所人工温室 内进行实验。利用
含浓度为 0、5、10、20、4O、6O g· 六个水平的PEG
6000的霍格兰营养液培养构树、桑树。培养条件
为：温度 (25_4-2)℃，湿度 4O ～50 ，光照 300
／~mol·m-。·s- ，处理时间为 45 d。处理结束后，选
取健康的、第一展开叶于温室内测定植物的光响应
曲线、二氧化碳 响应 曲线 、叶绿素荧光参数以及碳酸
酐酶活性。每个处理和测定重复 3次。
1．2测定方法
1．2．1碳酸酐酶活性 测定 取植物叶片 0．3～l g，
放到预冷的研钵中，迅速加入液氮，再加入 3 mL巴
比妥缓冲液(10 mmol·L- ，含巯基乙醇 50 mmol·
L- ，pH8．3)进行研磨，取研磨液倒人 5 mL离心管
中，离心管置于冰浴中 20 min后，在 13 000 r·
rain- 下离心 5 rain，取上清液，冷藏待测。碳酸酐酶
活力 的测定 采用 pH 计法 (Wilbur& Anderson，
1948)。保持反应系统在 O～2℃，取待测上清液 50
～ 1 000 L，加入到含 15 mL的巴比妥缓冲液(20
mmol·L- ，pH8．30)的反应容器中，然后迅速加入
10 mL预冷的(O～2℃)饱和 CO2的蒸馏水，用 pH
电极监测反应体系 pH值变化，记下 pH值下降一
个单位(例如 pH值从 8．2～7，．2)所需的时间，记为
t，同时记录在酶失活条件下 pH值下降一个单位所
需的时间，记为 t。，酶的活力用 wA_unit表示。wA
=t／to一1。
1．2．2叶绿素荧光、光响应曲线、二氧化碳响应曲线
的测定 利用美国 LI-COR公司生产的 LI-6400R
便携式光合系统分析仪在温室中对 PEG 6000不同
浓度营养液培养的构树和桑树进行叶绿素荧光、光
响应曲线、二氧化碳响应曲线的测定。按照说明书
测定 PSⅡ实际光化学效率 PS I、PSⅡ最大光能
转化效率(Fv／Fm)、光化学淬灭系数(qP)和表观电
94 广 西 植 物 31卷
子传递速率(ETR)等荧光参数，其中测定叶绿素荧
光时先将叶片暗适应 2O rain。在流速为 500 t~mol
·s- ，叶面温度为 25℃下，二氧化碳浓度为 400
t~mol·moL- ，在 0～1 500 p tool·m- ·s- 光照范
围内设置 12个光强梯度 (0、50、80、120、150、200、
250、300、400、800、1 000、1 500#mol·m-0·s- )，测
量各处理叶片 的净光合 速率 (Pn)，获得光 响应 曲
线。在流速为 500 tLmol·s- ，叶面温度为 25℃下 ，
光强为 300#tool·in-。·S～，在 5O～1 500／~mol·
tool- 二氧化碳范围内，设置 13个二氧化碳浓度梯
度(50、80、100、150、200、300、300、400、600、
800、1 000、1 200、1 500 t~mol·moY )，测量各处理
叶片的净光合速率(Pn)，获得二氧化碳响应曲线。
1．3数据处理
其中光响应曲线数据采用非直角双曲线模型来
进行拟合(wu等，2007)。统计方法采用SPSS的非
线性分析模块。其它数据用 Excel、Origin 75等软
件进行统计分析，并整理和作图。
2000
‘i毒1600 ’
bo
g三1200
邑
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。；
薹言40
0
0 5 10 20 40 60
OonGentration of poIyethyIene glycoI(g-L )
图 1 PEG处理对两种植物碳酸酐酶活性的影响
Fig．1 Effect of polyethylene glycol treatments on
activity of carbonic anhydrase in two plants
2 结果与分析
2．1 PEG 6000处理下的植物叶片碳酸酐酶活性
从图 1可以看出，构树的碳酸酐酶活力总体上
大于桑树 ，随着 PEG 6000造成 的干旱胁迫程度 的
增大，构树的碳酸酐酶活力变化不显著，而桑树的碳
酸酐酶活力，不同的 PEG 6000浓度间差异较大，最
大值是最小值的4倍。PEG 6000浓度为5、10、20 g
· L 时桑树的碳酸酐酶活力明显小于对照(0 g·
L )以及浓度为 40、60 g·L- 时的碳酸酐酶活力 。
结果说明构树的碳酸酐酶对 PEG 6000造成的干旱
胁迫具有较强的耐性 。
12
10
：8
6
4
j
O
一 2
图 2 PEG处理下两种植物对光强的响应
Fig．2 Response of two plant species to light under
different treatment of polyethylene glycol
～ ul berry 利
。~ ,c
5 g L
l
-
PEfl
：瓣
E
0
c)
一
o
E
—
C
图 3 PEG处理下两种植物对二氧化碳浓度的响应
Fig．3 Response of two plant species to C02 under
different treatment of polyethylene glycol
2．2 PEG 6000处理下植物对光强和二氧化碳的响
应曲线
图2和图 3分别是两种植物在不同浓度 PEG
6000处理下对光强和二氧化碳浓度的响应曲线。
通过对两种植物的光响应曲线的观察可以看出，构
树的净光合速率受 PEG 6000的影响较小，最大净
光合速率甚至大于对照，而桑树的净光合速率受
PEG 6000的影响较大，最大净光合速率都明显小
于对照，PEG 6000浓度为 2O、40 g·L- 时，最大净
光合速率只有对照的 1／5，PEG 6000浓度为 60 g·
时，净光合速率为负值。对两种植物的二氧化碳
响应曲线的观察可看出，整体上构树的净光合速率
受 PEG 6000的影响较小，而桑树的净光合速率受
PEG 6000的影响较大，尤其是在 150～800／xmol·
m-。·s- 的二氧化碳浓度下，各处理的净光合速率都
明显小于对照。以上结果表明，构树的光合作用受
PEG 6000胁迫的影响明显小于桑树。
1期 吴沿友等：模拟干旱胁迫下构树和桑树的生理特征的比较 95
表1 PEG处理对两种植物Fv／Fm、 PsⅡ、 灭能力和电子传递能力均受到 PEG的很大影响。
qP和 ETR的影响 (平均值 土标准误)
e fect of pdyethykne g ycO nF m’ 3 讨论
~PSiI，qP and ETR of two plant species(Mean士SE)
Treatment of 构树 桑树
PEG (g／L) Broussonetia papyrifera Morus alba
注：同列数据后不同字母表示差异显著(P<0．05)
Note：Numbers followed by different letters within each column
ndicated significant difference at P％ 0．05．
2．3 PEG处理对构树、桑树两种植物叶绿素荧光参
数的影响
表 1是 PEG处理对两种植物 Fv／Fm 和 PS 1
的影响 ，构树的 Fv／Fm各处理间没有显著差异，而
桑树则在 PEG 6000浓度为 10、4O g·L- 时受到抑
制。构树的 PS I各处理间没有显著差异，而桑树
则在 PEG 6000浓度为 10、4O、60 g L- 时受到抑制 。
表明桑树在 PEG 6000浓度为 10、40 g·L- 时叶片
PSII反应中心受到较大 的破坏 。PEG处理对两种
植物光化 学淬 灭 系数 (qP)和 表 观 电子传 递 速率
(ETR)的影响(表 1)。从表 1看出，构树的 ETR和
qP都明显高于桑树。构树的 qP各处理差异不大，
而它的 ETR各处理有 明显差异 ，说 明构树 的电子
传递对 PEG逆境有一定的反应。桑树 的 qP和
ETR各处理都 明显小于对 照，PEG 6000浓度 20 g
L 时的 qP仅为对照的 1／3，PEG 6000浓度 4O、60 g
L 时的 ETR仅为对照的 1／2，表 明桑树的光化学淬
水分干旱逆境条件下，植物叶片的碳酸酐酶升
高能够弥补 H。O和 CO 的供给不足(wu等，2005，
2006)。构树具有较高的碳酸酐酶活力且对 PEG引
起的干旱逆境具有很大的耐性 ，因此，可以推断构树
比桑树更耐干旱逆境 。
Fv／Fm和 PS I1分别代表 PS I原初光能转化
效率和 PS1实 际光合效率 (胡学华 等，2007)。Fv／
Fm是 PSlI最大光化学量子产量，反映PS1反应中
心内光能转换效率或称最大 PS 1的光能转换效率，
其变化代表 PSI光化学效率的变化，也可以作为光
合作用受抑制程度 的重要指标之一(Rohdeek和
Bartdk，1999)。光化学淬灭(qP)反映 PS 1I原初电
子受体 QA的还原状态，它由 QA重新氧化形成
(Krause等，1988)。光化学淬灭系数 qP愈大，QA
重新氧化形成 QA的量愈大，即 PS1的电子传递活
性愈高(王可玢等，1997)。
聚乙二醇对构树的光合作用的影响明显地小于
对桑树的光合作用的影响。这不仅体现在净光合速
率上，而且还体现在 PS lI原初光能转化效率、实际
光合效率以及电子传递能力上。构树对 PEG引起
的干旱逆境的适应性是这几个方面的综合反映。一
方面，在 PEG逆境下构树仍具有较高的碳酸酐酶活
力，高碳酸酐酶活力能在叶片受到干旱时，补充水和
二氧化碳，提高光合速率(Wu等，2009)；另一方面，
PEG逆境下对构树光合作用的抑制明显小于桑树，
这使构树比桑树在 PEG逆境下光合速率下降幅度
要小；此外，构树的光能转化效率受 PEG的影响较
小，且具有较高的电子传递能力，这使枸树在 PEG
逆境下能保持旺盛的光合能力。
构树因其具有稳定的碳酸酐酶活力、较高的光
能转化效率、电子传递速率以及净光合速率来对抗
岩溶干旱逆境 ；说 明构树更能适应喀斯特干旱环境。
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