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低温胁迫下冬青叶片细胞内Ca^2+水平及可溶性糖含量的变化

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第37卷第5期 南京林业大学学报(自然科学版) V01.37.No.5 2013年9月 Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition) Sept.,2013 低温胁迫下冬青叶片细胞内Ca2+水平及 可溶性糖含量的变化 赵明明 ,周余华 ,彭方仁 ,郝明灼 ,梁有旺 ,任 莺 ,华 宏 (1.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏 南京210037;2.江苏农林职业技术学院,江苏 句容212400; 3.南京市林业站,江苏 南京210036) 摘要:以杂种冬青(IlexבNellie R.Steven’)、大别山冬青(L dabieshannensis)、蓝少女冬青( ×mersevae‘Blue Gir’)、蓝少年冬青(L×, 删‘Blue Boy’)2年生扦插苗为材料,研究了低温处理后冬青叶片细胞内Ca“水 平及可溶性糖含量的变化。结果表明:冬青叶片细胞内Ca 沉淀随温度的降低而转移并增加,细胞膜系统、叶 绿体、细胞核等结构都受到不同程度的破坏,可溶性糖含量均随着处理温度的降低而增加。4种冬青的抗寒性 由高至低依次为:杂种冬青>蓝少女冬青>蓝少年冬青>大别山冬青。 关键词:冬青;低温胁迫;Ca“水平;可溶性糖含量 中图分类号:¥718 文献标志码:A 文章编号:1000—2006(2013)05—0001—05 Changes of Ca“level and soluble sugar content in cells of llex L.1eaflets under low temperature stress ZHAO Mingming ,ZHOU Yuhua ,PENG Fangren ,HAO Mingzhuo ,LIANG Youwang , REN Ying ,HUA Hong (1.College of Forest Resources and Environment,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;2.Jiangsu Polytechnic College of Agriculture and Forestyr,Jurong 212400,China;3.Nanjing Forest Station,Nanjing 210036,China) Abstract:In this paper,two years old seedlings of four types of llexבNellie R.Steven’, dabieshannensis, × mersevae‘Blue Gir’. ×mersevae‘Blue Boy’were placed in different low temperature condition,the changes of Ca“ level in the cells of llex L.1eaf and changes of soluble sugar content under chilling stress were studied.The results showed that:as the temperature decreased,Ca“gradually transfered and deposits added in the cells of llex L.Leaf for all the tested samples,their membrane systems,organelle structure stabilities and nucleus structures were damaged at different degree and soluble sugar content showed an upward trend.The results revealed that cold resistance of four cult— tings from strong to weak were בNellie R.Steven’> mersevae‘Blue Gir’>L mersevae‘Blue Boy’> dabies— hanensis. Key words:llex L.;low temperature stress;Ca level;soluble sugar content 冬青属(flex)植物树形整齐、枝叶茂密,四季 冬青属植物主要分布在长江流域以南,北方冬季寒 常青,多为优良的观赏树种。冬青对二氧化硫、臭 冷干旱的气候是冬青北移的重要因素。植物 氧和氯气的抗性强,吸收和净化汞的能力较强,是 受低温胁迫时,质膜是低温伤害的首要部位。 天然环保的优良树种,在城市绿化等方面开发前景 ca 作为细胞内的第二信使,在植物体内的分布 广阔_1]。国内外诸多学者对冬青属植物的生物学 及浓度变化调节着许多代谢和发育过程。有研究 特性 2]、病虫害防治 ]、种子休眠机理 及繁殖技 指出,在各种环境条件(如光、温度等)的作用下, 术 等方面进行了较为系统的研究。但是,我国 细胞内ca 的浓度会迅速升高 ,这种ca“浓度 收稿日期:2012—06—16 修回日期:2013—04—07 基金项目:江苏省林业三项工程项目(1ysx[2010]20) 第一作者:赵明明,硕士生。¥通信作者:彭方仁,教授。E—mail:hpeng@njfu.edu.an。 引文格式:赵明明,周余华,彭方仁,等.低温胁迫下冬青叶片细胞内ca。 水平及可溶性糖含量的变化[J].南京林业大学学报:自然 科学版,2013,37(5):1—5. 2 南京林业大学学报(自然科学版) 第37卷 的变化依赖于质膜及细胞器膜上的ca 转运系 统,国内外已有学者对此进行报道l卜 。可溶性糖 是植物体内的重要代谢产物,早期鉴定植物抗寒力 时可依据糖分含量进行判断_】 。笔者对低温胁迫 条件下几种冬青叶片细胞内Ca 分布及可溶性糖 含量变化进行了系统研究,探讨不同冬青对低温胁 迫的响应及其抗寒能力,以期为扩大冬青属植物的 栽培区域提供科学依据。 1材料与方法 1.1材料培养与低温处理 试验于2011年1月进行,以杂种冬青(Ilex× ‘Nellie R.Steven’)、大别山冬青(,_dabieshannen. sis)、蓝少女冬青( ×mersevae‘Blue Gir’)、蓝少 年冬青(,_×mersevae‘Blue Boy’)2年生扦插苗为 试材,平均株高约30 em,取各种冬青3O盆放人人 工气候室内预冷后进行低温胁迫处理,处理温度分 别为0、一8、一16 c《=,处理时间为48 h。 1.2 Ca“的细胞化学定位 Ca¨的细胞化学定位参照王红等 的方法 (略有改动):取样品顶端叶片,立刻切成0.5 mm 的小块,迅速投入加有2%焦锑酸钾(用0.1 mol/L K HPO 缓冲液配制,pH=7.6)的2%多聚甲醛+ 2.5%戊二醛的固定液中初固定6 h;用加有2%焦 锑酸钾的缓冲液(pH=7.6)洗涤3次 (30 rain/次),再转移至加有2%焦锑酸钾的缓冲 液(pH:7.6)配制的1%锇酸中进行后固定,4℃ 冰箱中过夜;次日取出样品先用重蒸水洗涤4次, 然后用pH=10.0的重蒸水(0.1 mol/L KOH调节 pH)洗涤2次(30 min/次),再经系列冷乙醇脱水, 环氧丙烷过渡,Epon812包埋,LKB—V型超薄切 片机切片,0.5%醋酸双氧铀染色,置于H一600型 透射电子显微镜下,观察、照相。 1.3可溶性糖含量的测定 称取0.2 g剪碎叶片放入具塞试管中,加入 10 mL蒸馏水,在沸水中煮沸20 rain,取出冷却,过 滤转入25 mL容量瓶,用蒸馏水冲洗残渣数次,定 容至刻度,得粗提液。采用蒽酮法 测定可溶性 糖含量。 2结果与分析 2.1低温胁迫下冬青叶片Ca“定位分布 叶片细胞中游离Ca 与焦锑酸钾形成Ca 沉 淀,在电镜下呈黑色颗粒状,从该试验的冬青叶片 切片中可观察上述黑色颗粒。这些沉淀颗粒经过 专业性螯合剂EGTA处理后,沉淀物被消除,在原 有ca 分布处(如细胞间隙)表现出与原沉淀物形 态相同的电子透明区域(图1),说明切片中的 ca 定位反应是真实的。 图1经EGTA处理的冬青叶切片 Fig.1 Sections treated with EGTA 注:Cw.细胞壁;Is.胞间隙;V.液泡;Og.嗜锇颗粒。箭头所 指示ca 沉淀。 (1)0℃处理。不同冬青经过0℃低温胁迫 48 h后,其叶片组织切片照片如图2。从图2可以 看出:0 处理时Ca 沉淀主要分布在细胞间隙 中,另外,在细胞膜外侧、液泡膜和叶绿体膜上观察 到的Ca 沉淀均比其他细胞器上的多,说明0℃ 处理对供试植物还未造成明显伤害。杂种冬青叶 片细胞间隙有Ca 沉淀,细胞核上无Can沉淀 (图2A)。大别山冬青叶片细胞间隙有Ca 沉淀, 叶绿体及细胞质中无Can沉淀(图2B)。蓝少女 冬青叶片细胞质膜上有少量Ca“沉淀,细胞质、液 泡中及叶绿体周围有Ca¨沉淀(图2C)。蓝少年 冬青叶片细胞间隙有ca 沉淀,且其叶绿体轻微 肿胀(图2D)。 (2)一8℃处理。不同冬青经过一8℃低温胁 迫48 h后,其叶片组织切片照片见图2。从图2可 以看出:一8℃处理时Ca¨沉淀较0 cIc处理增加, 除细胞间隙、质膜外,在细胞质、液泡、叶绿体、细胞 核等细胞器中也发现ca 沉淀,说明一8 cc处理时 Ca 沉淀从钙离子库流出。同时观察到有些品种 的细胞器出现不同程度的受损。杂种冬青细胞间 隙、细胞壁外侧有ca 沉淀,细胞质膜上ca 沉淀 少,细胞质中无ca“沉淀(图2E)。大别山冬青叶 片细胞间隙、液泡中有ca¨沉淀,叶绿体中ca 沉 淀较少,但其被膜破裂(图2F)。蓝少女冬青叶片 细胞间隙有can沉淀,液泡膜上、叶绿体上及细胞 质中Cah沉淀少(图2G)。蓝少年冬青叶片细胞 间隙、细胞质内及液泡膜上有ca 沉淀,且其叶绿 体有轻微肿胀(图2H)。 4 南京林业大学学报(自然科学版) 第37卷 44.57%、大别山冬青41.32%、杂种冬青12.15%; 在一8~一l6℃期间可溶性糖含量的增幅大小为 蓝少女冬青46.27%、杂种冬青35.84%、蓝少年冬 青24.54%、大别山冬青9.51%。说明供试冬青在 遭受低温胁迫后,不断积累可溶性糖,以适应低温 的生长环境。而从表1可以看出,不同温度处理间 可溶性糖含量差异达到了极显著差异水平,说明低 温对冬青叶片可溶性糖含量的影响较大。 表1低温处理对冬青叶片可溶性糖含量的影响 Table 1 Effect of cold treatment on soluble sugar content ofleaves inflex L. 注:¥ 示差异极显著(p<O.01)。 3讨论 钙在植物生长发育和应对环境胁迫中处于重 要的地位_1引。钙对环境信号和内源激素信号 等许多刺激有灵敏反应,触摸、病原物侵染、植物激 素、逆境(包括盐胁迫、热激、氧化胁迫、低温、高温 和干旱等 16])等均能引起细胞内ca 水平的改 变,这种变化可启动胞内生理生化过程,起着传递 和放大信号的作用。正常叶细胞内代表ca¨定位 分布的焦锑酸钙沉淀颗粒大量出现在液泡中,叶绿 体、线粒体、细胞核及高尔基体中也可看到,当植物 受到外界环境胁迫时,Ca“在细胞中分布区域出 现动态变化ⅢJ。细胞内ca 浓度的微小变化可 以产生显著的细胞学效应,当某种刺激使胞外少量 ca“进入细胞溶质时,会与一些酶或蛋白质结合, 使其激活,引起生理反应,起到传递胞外信号的作 用 。该研究中,冬青叶片细胞内ca 沉淀随低 温胁迫的增强而增加,但是品种间细胞内ca 沉 淀的多少及部位不同,说明各冬青对低温的抗性不 同。可溶性糖的含量与植物抗寒性之间存在相关 性,植物在提高抗寒力初期,可能依赖于细胞内含 糖量的增加 19],可溶性糖是预防蛋白质低温凝固 的保护物质,又是作为渗透保护物质,可提高细胞 液的浓度,增加细胞持水组织中的非结冰水,从而 降低细胞质的冰点,还可缓冲细胞质过度脱水,保护 细胞质胶体不致遇冷凝固,提高植物抗寒能力 ]。 试验中杂种冬青和蓝少女冬青在低温胁迫中 Ca 沉淀较少,可能是由于其细胞内ca¨的升高 是短暂性的,它们在完成信使作用后即撤退,激活 某些有关的蛋白激酶,使某些相应的蛋白质磷酸 化,从而诱发抗冻基因表达,使植物产生较强的抗 寒特性 。蓝少年冬青和大别山冬青在低温胁迫 下Ca 沉淀较多,并且细胞器破坏也较严重,可能 是由于Ca 自钙库流入细胞内后不撤退,使得细 胞内高浓度ca 导致植物的ca¨毒害。结合可溶 性糖含量的i贝4定结果,杂种冬青在0 oC时可溶性糖 含量就比其他冬青高,并且在一16℃时增加量也 较多,说明其抗寒性较强,蓝少女冬青、蓝少年冬青 在低温胁迫时也积累了大量的可溶性糖来抵抗低 温,而大别山冬青在低温胁迫时积累的可溶性糖最 少,说明其抗寒性较弱。由试验结果可知,各供试 冬青的抗寒性大小为:杂种冬青>蓝少女冬青>蓝 少年冬青>大别山冬青。 参考文献(References) [1]欧静.贵州省冬青科野生观赏树木资源的园林利用[J].中 国野生植物资源,2002,21(4):41—42. 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