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两种桉树对低温胁迫的响应机制研究

刘建  
【摘要】: 低温是限制植物自然分布和栽培区带的主要因素之一,也是我国的自然灾害之一。因此,研究低温胁迫对植物的伤害作用及其机理、探索植物抗冷冻机制及其预防措施,不仅对于引种栽培具有理论上的指导意义,而且对于发展培育较多品种的抗寒植物,增加我国寒冷地区的生物学产量和经济学产量具有广泛的应用价值。本研究选择我国栽培面积较广的尾叶桉(Eucalyptus urophylla)和目前选育出的较为耐寒且速生的邓恩桉(E.dunnii)为实验材料,利用多种实验手段,从不同的角度对两种桉树响应低温胁迫进行了相关工作。研究表明: (1)随着低温胁迫时间的延长,两种桉树的抗氧化酶SOD活性与MDA含量均呈现明显上升趋势,表明抗氧化系统在清除氧自由基、抑制膜脂过氧化方面具有重要作用。在低温胁迫处理后,邓恩桉的抗氧化酶SOD活性高于尾叶桉,MDA含量要低于尾叶桉,这在一定程度上表明邓恩桉具有较强的低温适应性能力。 (2)两种桉树的光合特性指标和叶绿素荧光参数与低温胁迫呈现密切相关,说明这两者均为桉树应对低温胁迫的重要生理响应,是检测和评价两种桉树受到低温胁迫影响程度的重要生理指标。随着低温胁迫时间的延长,两种桉树的光合参数Pn、Gs、Tr、A_(max)、φ、LSP、CE、F_v/F_m和F_v/F_o均呈比较明显的下降趋势,而CO_2补偿点和叶绿素荧光参数F_o则呈现明显的上升。在本研究的低温处理过程中,两种桉树叶片的叶绿素含量均未出现显著的下降,结合各光合参数的变化趋势发现,两种桉树的光合速率下降的主要原因是非气孔因素,进一步的分析表明羧化酶等光合酶活性的下降是主要的非气孔因素,但随着低温胁迫时间的延长,气孔限制因素的影响变得越来越大。在低温胁迫处理过程中,邓恩桉Pn、Gs、Tr、A_(max)、φ、LSP、CE、F_v/F_m和F_v/F_o的下降程度以及F_o的上升程度明显小于尾叶桉,表明邓恩桉在低温胁迫中具有更广泛的抗寒适应性策略。 (3)低温胁迫处理对两种桉树的叶片蛋白质表达有明显的影响,同时两种桉树的电泳图谱间存在较为明显的差异。无论是新出现的蛋白斑点,还是表达量发生变化的蛋白斑点,多数集中于小分子量范围内,而大分子量范围的蛋白质斑点则相对比较稳定。与尾叶桉相比较而言,邓恩桉表达量下调的斑点明显要少于尾叶桉,而表达量上调和特异表达的蛋白点要明显多于尾叶桉,这种表达差异的存在可能是邓恩桉具有较强耐寒性的重要生理响应。 (4)低温胁迫引起了两种桉树叶肉细胞超微结构的明显改变。细胞的膜系统出现了明显的损伤,叶绿体的结构出现变形,类囊体片层出现肿胀模糊和消失,淀粉粒降解,液泡中内含物增多,在邓恩桉叶肉细胞中还出现了环状片层等等。随着处理温度的下降,尾叶桉叶肉细胞的超微结构在低温胁迫下的损伤要比邓恩桉严重的多,至—5度胁迫24h时,尾叶桉已经出现了不可修复的损伤,细胞内细胞器基本崩溃降解,只剩一些膜片状结构,而邓恩桉的细胞结构尚维持的比较完整,并未造成致死性的伤害。低温胁迫下,邓恩桉的叶绿体超微结构表现出更高的稳定性,淀粉粒的降解要迟于尾叶桉,在一定程度上表明邓恩桉抗寒性的调节能力强于尾叶桉。 (5)正常情况下,液泡和细胞间隙是尾叶桉和邓恩桉叶肉细胞的主要Ca~(2+)库,而细胞基质和细胞核中的Ca~(2+)浓度比较低。0℃低温胁迫处理后,两种桉树叶片细胞液泡内的Ca~(2+)均较明显的趋向于液泡膜内侧,细胞基质Ca~(2+)水平显著提高,其中尾叶桉细胞质中Ca~(2+)的沉积颗粒要明显大于邓恩桉;随着处理时间的延长,二者Ca~(2+)仍主要位于液泡内并更加明显的趋向于液泡膜内侧,邓恩桉叶片细胞内细胞质中Ca~(2+)的沉积略有减少,在质膜上也可见少量的沉积,而尾叶桉细胞质内大颗粒的Ca~(2+)沉积则有所增加,同时质膜上可见大颗粒的沉积。低温胁迫后邓恩桉叶肉细胞中Ca~(2+)的这种变化可能是其耐寒能力比尾叶桉强的重要原因之一。 (6)常温下生长的两种桉树的幼苗叶肉细胞中的ATP酶主要定位于细胞的质膜、液泡膜和胞间连丝上,细胞核和叶绿体等其他细胞器的膜上分布不明显,除邓恩桉胞间连丝上分布的ATP酶强度略高于尾叶桉外,两种桉树叶肉细胞中ATP酶分布的部位和活性强度并无显著的差异。0℃低温处理使尾叶桉质膜上ATP酶活性强度较低温胁迫前的明显降低,在液泡膜和胞间连丝上的ATP酶活性反应产物非常弱,有的甚至观察不到;邓恩桉叶片细胞中的ATP酶仍保持活性,质膜上ATP酶活性强度较低温胁迫前的有所降低,其活性强度明显要高于尾叶桉,液泡膜和胞间连丝上ATP酶活性强度较低温胁迫前并未有减少,有的甚至有所增加且其活性显著要高于尾叶桉,同时,细胞核上也出现了少量的ATP酶沉积。这种变化的差异可能是邓恩桉较尾叶桉抗寒能力强的细胞学机制之一。


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