Physiological Responses of Garcinia celebica L. Leaves Under Low-temperature Stress
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摘要: 以3年生苏拉威西凤果Garcinia celebica L.幼苗为试材，经15℃光照培养箱炼苗72 h后，分别在3、6、9℃进行低温胁迫36 h，测定不同低温下叶片的叶绿素、可溶性蛋白、可溶性糖含量及SOD（超氧化物歧化酶）、POD（过氧化物酶）的活性。结果表明:经过低温胁迫的所有幼苗均能恢复正常生长，3℃低温的小苗出现轻微脱水现象。不同温度下的生理指标有明显变化:总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b的含量均比对照有明显下降；可溶性蛋白、可溶性糖含量在6~9℃内随温度降低而上升，在6℃时达到最高值，但二者的含量在3℃时急剧下降，并显著低于对照；SOD、POD活性均在6~9℃内随温度降低而上升。推测苏拉威西凤果在6~9℃内出现应激反应，通过可溶性蛋白、可溶性糖的积累及SOD、POD活性的提高来适应低温胁迫。Abstract: After firstly trained at 15℃ for 72 h in an illuminated incubator, the 3-year-old Garcinia celebica seedlings were placed under 3, 6, or 9℃ for 36h for the experiment to observe the physiological responses of the plants to low temperatures. The contents of chlorophyll, soluble proteins and soluble sugars, as well as the activities of SOD and POD in the leaves of the seedlings were determined. It was found that the seedlings could restore their normal growth after an exposure to 6 or 9℃.Nevertheless, there were significant physiological alternations occurred to the plants due to the treatments. The contents of total chlorophyll, chlorophyll a, and chlorophyll b in the leaves were significantly lowered as compare to control. The soluble protein or soluble sugar content increased at 6℃ and 9℃, and peaked at 6℃. On the other hand, both of thesedecreased sharply at 3℃, and became lower than control.Meanwhile, the activities of SOD and POD in the leaves increased under 6℃ and 9℃ stresses. It was concluded that G.celebica responded to the temperatureat 6℃ or 9℃ to tolerate the cold stressby accumulating soluble proteins and sugars regulating osmosisin the tissues, and at the same time, enhancing the activities of SOD and PODfor an improved adaptability to the environmental change.
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Keywords:
- G.celebica /
- cold stress /
- osmoregulation substance /
- antioxidant enzyme /
- chlorophyll /
- cold resistance
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热带果树对低温极其敏感，其分布及产量在很大程度上受低温限制，如香蕉[1]、杏[2]和菠萝[3]等均很容易因寒害而减产。许多藤黄属Garcinia植物在北移引种过程中普遍存在耐寒性较差的问题，如低温明显影响了海南山竹子G.oblongifolia[4]和莽吉柿G.mangostana[5]的生理生化变化规律，极大限制该属植物的引种驯化工作。该属植物中有许多具有药用和经济价值的种类[6-7]，如本研究中的苏拉威西凤果G.celebica L.，原产于印尼苏拉威西岛，于1999年被引入厦门华侨亚热带植物引种园，经过较长时间的驯化试验，现已能顺利开花结果，果实风味独特、品质优良，极具市场开发价值。但因福建省冬季常有低温寒害和霜冻害发生，极大限制了苏拉威西凤果的推广应用，且目前尚未见苏拉威西凤果的具体报道及耐寒性的相关研究。本文研究了低温胁迫下苏拉威西凤果的生理生化变化规律，为苏拉威西凤果的进一步开发利用提供理论支持和实践指导。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料取自厦门华侨亚热带植物引种园的温室育苗区，取同等规格的苏拉威西凤果盆栽苗 (实生苗，苗龄3年)20株在15℃光照培养箱 (第一阶段为：光照80%、湿度为70%培养12 h；第二阶段为光照0%，湿度60%培养12 h；2个阶段循环培养) 进行炼苗72 h；炼苗后，留5株继续置15℃光照培养箱中为对照，分别在温度为3℃、6℃、9℃光照培养箱中放置5株进行低温胁迫36 h (第一阶段为：光照80%、湿度为70%培养12 h；第二阶段为光照0%，湿度60%培养12 h；2个阶段循环培养)。选取当年枝条中第3~5位叶，混匀后取样。
1.2 生理生态指标测试方法
叶绿素含量的测定采用丙酮-乙醇混合液法[8]，POD活性及丙二醛、可溶性糖的测定采用张志良和瞿伟菁[9]的方法，SOD活性的测定参照李合生[10]的NBT光还原法，可溶性蛋白的测定采用李合生[10]的方法。
1.3 数据统计分析
应用SPSS 17.0统计软件对数据进行统计并做差异显著性分析。
2. 结果与分析
2.1 不同低温对叶片电导率和叶绿素含量的影响
分别在9、6℃低温胁迫的小苗从表观特征看均和对照没有很明显的差异，但3℃低温的小苗出现脱水现象，3种低温处理下的小苗均能在温室 (20~24℃) 里恢复正常生长。但生理指标发生了明显的变化。由表 1可知，随着胁迫温度的下降，相对电导率逐渐增大，各个低温条件下 (9、6、3℃) 间差异显著 (P＜0.05)，在3℃低温时达到最大，为20.44%。各试验组总叶绿素、叶绿素a及叶绿素b的含量均显著低于对照 (P＜0.05)，说明叶片的叶绿素含量在低温胁迫下明显下降，其中3℃低温处理叶片的叶绿素含量下降幅度最高，此时叶片的总叶绿素、叶绿素a及叶绿素b依次仅为对照的97.27%，93.04%，64.95%。
表 1 不同低温胁迫下苏拉威西凤果叶片的电导率和叶绿素含量Table 1. Electrical conductivity and chlorophyll content in G. celebica leaves under cold stress at low temperatures生理指标 处理低温/℃ CK 9 6 3 相对电导率/% 9.88±0.11a 13.12±0.35b 14.38±0.61c 20.44±0.81d 总叶绿素含量/(mg·g-1) 4.76±0.10a 4.68±0.08b 4.66±0.20bc 4.63±0.10c 叶绿素a含量/(mg·g-1) 3.45±0.10a 3.34±0.10b 3.27±0.08c 3.21±0.06d 叶绿素b含量/(mg·g-1) 0.97±0.02a 0.92±0.01b 0.85±0.01c 0.63±0.00d 注：同行数据后不同小写字母表示差异达显著 (P < 0.05) 水平。表 2同。 2.2 不同低温对叶片渗透调节物质、丙二醛含量及抗氧化酶活性的影响
由表 2得知，各试验组可溶性蛋白、可溶性糖的含量在9、6℃低温时和对照相比出现上升现象，且和对照有显著差异 (P＜0.05)，推测是植株在低温胁迫下出现应激反应，其中6℃低温时出现最高值，此时可溶性蛋白、可溶性糖的含量为对照的1.57倍、1.73倍，但随着温度进一步降低，在3℃时，可溶性蛋白、可溶性糖的含量急剧下降，显著低于对照 (P＜0.05)，分别仅为对照的88.73%、81.82%。
表 2 不同低温胁迫下苏拉威西凤果叶片渗透调节物质、丙二醛的含量及抗氧化酶活性Table 2. Osmotic substances, malonaldehyde content and antioxidase activities in G.celebica leaves under low-temperature stresses生理指标 处理低温/℃ CK 9 6 3 SOD/(U·g-1) 6159±51a 6674±34b 6829±66c 5792±62d POD/(U·g-1·min-1) 225±3a 300±23b 450±42c 675±28d 可溶性蛋白质含量/(mg·g-1) 142.00±0.03a 171.90±1.00b 223.00±0.07c 126.00±0.00d 可溶性糖含量/% 15.57±7.90a 22.64±5.19b 26.89±10.21c 12.74±3.13d 丙二醛含量/(mmol·g-1) 18.78±0.88a 20.03±0.00b 21.96±0.08c 23.10±0.00d 随着胁迫温度的降低，各试验组丙二醛含量均出现上升现象，且和对照有显著差异，其中3℃低温时和对照差异最明显，为对照的1.23倍。由此表明经一定时间的低温胁迫后，苏拉威西凤果叶片的细胞膜脂均有一定受损，其中3℃低温时细胞膜脂受损最为严重。
叶片SOD活性在9、6℃时和对照相比均出现明显上升，其中6℃时活性最高，达6 829 U·g-1，为对照的1.11倍，但在3℃低温时，SOD活性急剧下降，仅为对照的94.04%。POD活性在9、6、3℃低温时均显著高于对照 (P＜0.05)，在3℃时最高，为675 U·g-1·min-1，为对照的3倍。
3. 讨论与结论
可溶性糖和可溶性蛋白质是植物细胞内的2种重要渗透调节物质, 也是鉴定植物抗寒性的重要生理指标[11]。可溶性蛋白具有细胞保水能力, 可提高植物抗寒性, 其含量变化和植物的抗寒性有显著的正相关[12]；而糖可以提高细胞液浓度和降低冰点, 缓和细胞质过度脱水，保持细胞避免遇冷凝固，得以提高植物的抗寒性[13]。低温胁迫后，茉莉[14]、茄子[15]的渗透调节物质可溶性蛋白含量增加；不同种源的香椿幼苗提高可溶性糖含量以增强自身耐寒能力，而且在-5℃条件下香椿幼苗叶片中的可溶性糖含量急剧升高[16]。本研究结果发现，苏拉威西凤果叶片的可溶性蛋白、可溶性糖的含量在一定温度范围内 (6~15℃) 随温度降低而升高，是植物出现应激反应，表明苏拉威西凤果通过可溶性蛋白、可溶性糖的积累来适应低温胁迫。
在低温胁迫下，植物体内的抗氧化酶SOD和POD，可加强清除自由基的能力，维持动态平衡，启动植物抵御寒害的防御机制：葡萄叶片[17]和6个品种核桃枝条[18]的SOD活性均随处理温度的降低先上升，本研究结果发现，苏拉威西凤果叶片的SOD活性在6~15℃内随温度下降而上升，POD活性在3~15℃内随温度下降而持续上升，它们帮助清除细胞内自由基积累，从而保护叶片细胞膜系统，提高苏拉威西凤果的抗寒性。但植物体内的代谢平衡会被极端低温打破，此时酶活性不可逆转地下降，导致伤害症状出现。当温度继续降低至3℃时，苏拉威西凤果叶片的SOD活性急剧下降到比对照还低的水平，表明叶片此时的代谢平衡已被打破，从表面特征看，3℃时的叶片也出现脱水现象，和对照有明显的差异。研究结果表明苏拉威西凤果通过提高SOD和POD的活性来适应低温胁迫。
综上，苏拉威西凤果通过可溶性蛋白、可溶性糖的积累和提高SOD、POD的活性来适应低温胁迫。植物的抗寒性受其生理生化的综合作用，不能单纯以单一抗寒指标判断其对寒冷的综合适应能力[19]。本研究针对新型热带果树在亚热带地区的引种实际需要，开展苏拉威西凤果的抗寒性相关生理学研究并进行分析评价，为新品种引种推广及探讨苏拉威西凤果的抗寒机理提供理论依据。
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表 1 不同低温胁迫下苏拉威西凤果叶片的电导率和叶绿素含量
Table 1 Electrical conductivity and chlorophyll content in G. celebica leaves under cold stress at low temperatures
生理指标 处理低温/℃ CK 9 6 3 相对电导率/% 9.88±0.11a 13.12±0.35b 14.38±0.61c 20.44±0.81d 总叶绿素含量/(mg·g-1) 4.76±0.10a 4.68±0.08b 4.66±0.20bc 4.63±0.10c 叶绿素a含量/(mg·g-1) 3.45±0.10a 3.34±0.10b 3.27±0.08c 3.21±0.06d 叶绿素b含量/(mg·g-1) 0.97±0.02a 0.92±0.01b 0.85±0.01c 0.63±0.00d 注：同行数据后不同小写字母表示差异达显著 (P < 0.05) 水平。表 2同。 
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表 2 不同低温胁迫下苏拉威西凤果叶片渗透调节物质、丙二醛的含量及抗氧化酶活性
Table 2 Osmotic substances, malonaldehyde content and antioxidase activities in G.celebica leaves under low-temperature stresses
生理指标 处理低温/℃ CK 9 6 3 SOD/(U·g-1) 6159±51a 6674±34b 6829±66c 5792±62d POD/(U·g-1·min-1) 225±3a 300±23b 450±42c 675±28d 可溶性蛋白质含量/(mg·g-1) 142.00±0.03a 171.90±1.00b 223.00±0.07c 126.00±0.00d 可溶性糖含量/% 15.57±7.90a 22.64±5.19b 26.89±10.21c 12.74±3.13d 丙二醛含量/(mmol·g-1) 18.78±0.88a 20.03±0.00b 21.96±0.08c 23.10±0.00d
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1. 刘育梅，金亮，宋志瑜，郑慧莉. 苏拉威西凤果的播种与扦插育苗技术. 东南园艺. 2020(03): 38-41 . 
百度学术
2. 刘育梅，金亮，宋志瑜，黄霏. 5种山榄科果树的耐寒性研究. 果树学报. 2019(02): 195-202 . 百度学术
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