植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (4): 405–412, www.chinbullbotany
doi: 10.3724/SP .J.1259.2012.00405 ——————————————————
收稿日期: 2011-07-22; 接受日期: 2012-04-18
基金项目: 国家自然科学基金(No.91025002, No.31070357)和乐山师范学院引进人才启动项目(No.Z1064) * 通讯作者。E-mail: chentuo@lzb.ac
妈妈的味道2017完整
文陇英1, 2, 陈拓2*
1
乐山师范学院化学与生命科学学院, 乐山 614004
2
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 冰冻圈科学国家重点实验室, 兰州 730000
郭林新气功
摘要 利用高效液相谱法(high performance liquid chromatography, HPLC)和酶标仪等测定了祁连山区不同海拔高度下祁连圆柏(Sabina przewalskii )和青海云杉(Picea crassifolia )叶片中素含量、花青苷合成酶苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase, PAL)和类黄酮糖基转移酶(UDP glucose-flavonoid 3-O-glucosyl-transferase, UFGT)活性。结果表明: 两树种花青苷(anthocyanin, Acy)含量除了在海拔高度3 100–3 200 m 有所升高外, 总体上随海拔高度上升而降低; UFGT 活性除了在3 000 m 左右波动外, 总体随海拔高度上升而升高; 祁连圆柏PAL 活性随海拔高度上升而升高, 青海云杉PAL 活性在海拔2 800–3 000 m 时, 随海拔高度上升而升高, 当海拔高度高于3 000 m 时, 随海拔高度上升而降低; 两树种紫松果黄素(rhodoxanthin, Rhd)含量、叶黄素循环(xanthophyll cycle, VAZ)的脱环氧化程度(A+Z)/(V+A+Z)比值和类胡萝卜素(carotenoids, Car)含量随海拔高度上升而升高; 叶绿素(chlorophyll, Chl)含量随海拔高度上升而降低。除叶绿素含量和PAL 活性外, 其它指标都是祁连圆柏高于青海云杉, 尤其是UFGT 活性祁连圆柏是青海云杉的2倍多。不同海拔梯度、不同季节植物遭受的主导胁迫因子不同, 8月份祁连山两树种主要受干旱和强光胁迫, 素主要发挥抗旱和抗辐射作用。由此说明植物素在不同生境、不同季节发挥的作用不同。 关键词 海拔, 青海云杉, 素, 祁连山, 祁连圆柏 文陇英, 陈拓 (2012). 不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片素的变化特征. 植物学报 47, 405–412.
常绿植物在冬季会遭遇寒冷胁迫, 低温和强光是限制其光合活性的主要因子(Larcher, 2000)。高山植物在长期适应与进化过程中, 体内形成了一整套受遗传制约的生理适应机制, 以抵御不利环境引起的伤害(
汪晓峰等, 2005)。植物通过调节素的含量来抵抗胁迫也是一种适应。研究发现, 植物叶片受寒冷胁迫诱导会产生或上调花青苷(anthocyanin, Acy)以抵抗胁迫(如UV-B 辐射、干旱和寒冷)(Burger and Ed-wards, 1996; Castellarin et al., 2007), 还能通过减弱光强作为可见光保护物质(Gould et al., 1995; Close et al., 2001)。紫松果黄素(rhodoxanthin, Rhd)的主要作用是阻止光辐射同时保持光吸收、热耗散和光合作用间的平衡(Han et al., 2003)。叶黄素循环(xanthophyll cycle, VAZ)对寒冷地带的针叶树越冬起了重要的保护作用, 依赖于植物体内的叶黄素循环耗散过剩激发能是光合器官在自然条件下免遭光破坏的重要途径之一(Savitch et al., 2002)。叶绿素
(chlorophyll, Chl)是光合作用的必需素, 其中心作用是获取光能并将其转化为化学能(Tanaka et al., 1998), 通过降低叶绿素含量来适应强光和其它胁迫因子的作用是一种重要的光保护机制(Elvira et al., 1998)。类胡萝卜素(carotenoids, Car)常伴随叶绿素出现(Lisiewska et al., 2004), 它既能拓宽光合作用的吸收光谱并将所吸收的光能传递给叶绿素, 还能通过散失高光强下多余的能量来保护叶绿素(Mathews- Roth, 1997)。
随着海拔高度的变化, 各种环境因子(如温度、降水和UV-B 等)均变化明显, 海拔梯度的变化提供了一种研究植物随环境变化的天然试验场。迄今为止, 关于植物素(特别是祁连圆柏和青海云杉)随海拔高度的变化趋势尚未见报道。祁连圆柏(Sabina przewal- skii )是中国特有树种, 以它为建种所形成的天然林集中分布在我国青藏高原东北部和黄土高原西部边缘海拔2 800–4 000 m 的阳坡或半阳坡高山地带。
青
·研究报告·
406 植物学报 47(4) 2012
海云杉(Picea crassifolia)分布于我国青海、甘肃、宁夏和内蒙古等地海拔2 800–3 500 m的阴坡或半阴坡高山地带。两树种在防治土壤侵蚀、水土流失、调节气候以及在维持河西走廊内陆河流域生态稳定性方面发挥着重要作用。为此, 本文探讨了祁连圆柏和青海云杉叶片素沿海拔梯度的变化特征, 以期阐明各种素在两树种中的抗逆机制, 并进一步揭示常绿木本植物适应高山极端环境的生理生态机制。
1材料与方法
1.1 样本采集
样本采集地为甘肃省张掖市肃南县寺大隆, 位于祁连山区99°54′–99°56′E、38°26′–38°27′ N的范围内。于2009年8月沿海拔高度2 700–3 400 m采集样本, 每上升100 m设置采样点, 共设8个采样点。每个地点取70–80树龄的祁连圆柏(Sabina przewalskii Kom.)和青海云杉(Picea crassifolia Kom.)各15棵。于中午12:00左右将叶片剪下后用纱布包扎好立即放入液氮中, 运送到实验室置于–80°C冰箱中备
用。grid service
1.2 素和酶的提取及测定
总花青苷的提取及测定参照Pirie和Mullins(1976)的方法。粗酶提取及类黄酮糖基转移酶(UDP glucose- flavonoid 3-O-glucosyl-transferase, UFGT)酶活测定根据Lister和Lancaster(1996)的方法。苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase, PAL)活性的测定参照McCallum和Walker(1990)所述方法。紫松果黄素的测定根据Merzlyak等(2005)的方法, 测其在510 nm处的吸光值。采用高效液相谱法(Agilent series 1100, Germany)测定叶黄素循环各组分含量, 具体步骤参照Gilmore和Yamamoto(1991)的方法。叶绿素和类胡萝卜素含量测定参照Lichtenthaler(1987)的方法, 用酶标仪(Benchmark Plus, BIO-RAD, USA)检测。测定实验均在0–4°C暗光下操作。
1.3 数据分析
素及酶的差异性及相关性分析采用SPSS13.0软件, 配对t检验(paired samples t-test)比较差异显著性, 并进行Bivariate相关性分析。2结果与讨论
2.1 花青苷和紫松果黄素含量
当海拔高度低于3 100 m时, 两树种叶片花青苷含量随海拔高度的上升而降低; 在海拔高度3 100–3 200
m时有所升高, 之后随海拔高度的上升又降低(图1A)。两树种紫松果黄素含量随海拔高度的上升而升高(图1B)。总体上, 祁连圆柏较青海云杉含有更多的花青苷和紫松果黄素(P<0.05)。
2.2类黄酮半乳糖苷转移酶和苯丙氨酸解氨酶活性除了祁连圆柏在3 000 m、青海云杉在2 900 m处有波动外, UFGT酶活性总体表现为随海拔高度上升而升高, 且祁连圆柏高于青海云杉(图2A)。祁连圆柏PAL
图1不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片花青苷(A)和紫松果黄素(B)含量的变化
Figure 1 Changes in anthocyanin (A) and rhodoxanthin (B) contents in needles of Sabina przewalskii and Picea crassifo-lia with altitude
文陇英等：不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片素的变化特征 407
活性随海拔高度上升而升高。在海拔2 800–3 000 m 时, 青海云杉PAL活性随海拔高度上升而升高; 当海拔高度高于3 000 m时, 随海拔高度上升而降低。青海云杉PAL活性高于祁连圆柏(P<0.01)(图2B)。
2.3叶黄素循环库值和类胡萝卜素含量
两树种除在海拔高度3 100 m外, (A+Z)/(V+A+Z)值和类胡萝卜素含量均随海拔高度上升而升高, 且祁连圆柏高于青海云杉(P<0.01)(图3A, B)。
2.4叶绿素含量
两树种叶绿素含量总体表现为随海拔高度上升而降
图2不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片类黄酮糖基转移酶(UFGT) (A)和苯丙氨酸解氨酶(PAL) (B)的活性变化
Figure 2Changes in UDP glucose-flavonoid 3-O-glucosyl- transferase (UFGT) (A) and phenylalanine ammonialyase (PAL) (B) enzyme activity in needles of Sabina przewalskii and Picea crassifolia with altitude 低, 且青海云杉高于祁连圆柏(P<0.01)(图4)。
2.5 讨论
祁连圆柏和青海云杉花青苷含量除了在海拔3100– 3200 m有所升高外, 总体上随海拔高度上升而降低(图1A)。然而许多研究表明, 低温能诱导花青苷产生, 常绿植物在秋季大量积累花青苷, 有利于它们越冬生长(Taulavuori et al., 2004)。花青苷生物合成途径中的调控基因为抗冻基因, 花青苷合成途径与冷调节基因有关(Christie et al., 1994)。花青苷的合成和分解与光抑制相关(Krol et al., 1995; Close et al., 2002), 强光下植物花青苷合成被认为能明显减轻光氧化
图3 不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片(A+Z)/(V+A+Z)
值(A)和类胡萝卜素含量(B)的变化地源热泵设计
Figure 3 Changes in (A+Z)/(V+A+Z) (A) and carotenoids contents (B) in needles of Sabina przewalskii and Picea crassifolia with altitude
408 植物学报 47(4) 2012
图4 不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片叶绿素含量的变化
Figure 4 Changes in chlorophyll contents in needles of Sabina przewalskii and Picea crassifolia with altitude
(Steyn et al., 2002)。通过对祁连山区多年观测表明, 随海拔高度的升高气温降低而降水量增加(金博文等, 2003)。前期我们对实验基地的祁连圆柏叶片研究结果为: 花青苷只有在低温季节含量明显升高, 而在8月份保持较低水平(Wen et al., 2010; 简启亮等, 2010)。本研究花青苷含量变化趋势是随海拔高度上升(气温降低)而下降, 因此8月份寺大隆海拔梯度的温度变化并没有引起花青苷含量的升高。寺大隆表层土壤(0–20 cm)及两树种叶片含水量与海拔高度呈显著正相关(张鹏等, 2010)。祁连圆柏叶片素在干旱胁迫下起着重要的光保护作用(文陇英等, 2010)。因此本研究结果显示花青苷在低海拔含量高, 主要发挥着抗旱作用, 说明8月份干旱胁迫在寺大隆占主导地位。
PAL和UFGT是花青苷合成途径中的重要酶。而本研究显示沿海拔梯度祁连圆柏和青海云杉花青苷与UFGT和PAL变化趋势不一致(图1A, 图2), 没有显著相关性(表1, P > 0.05)。这可能是因为对不同植物来说, 酶与花青苷的关系也有很大差别。据报道, 在草莓(Fragaria ananassa)中花青苷的积累与UFGT活性呈明显正相关(Given et al., 1988)。PAL与荔枝(Litchi chinensis)果皮花青苷的合成没有直接关系(王惠聪等, 2004)。美国红枫(Acer rubrum)和紫叶稠李(Padus virginiana)叶片中PAL活性与花青苷的含量表1 不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片花青苷与其合成途径有关酶的相关性分析
Table 1Altitude relationships between anthocyanin and the enzymes involved in anthocyanins biosynthetic pathway in Sabina przewalskii and Picea crassifolia needles based on Spearman’s rank correlations
S. przewalskii P. crassifolia Correlation
(anthocyanin) r
s
p r s p Versus PAL –0.2140.458 –0.071 0.805 Versus UFGT 0.0360.901 –0.214 0.458 PAL: 苯丙氨酸解氨酶; UFGT: 类黄酮糖基转移酶
PAL: Phenylalanine ammonialyase; UFGT: UDP glucose- flavonoid 3-O-glucosyl-transferase
呈显著相关(冯立娟等, 2008; 王庆菊等, 2008)。Ju等(1995)认为, PAL催化形成花青苷合成的前体, 在前体充足的前提下, 花青苷的积累与PAL活性无关, 花青苷的合成只有在缺少前体物的情况下, 才与PAL活性相关。说明沿海拔梯度祁连圆柏和青海云杉花青苷的合成前体充足, PAL本身作为一种重要的抗逆酶而发生作用。UFGT酶与花青苷变化趋势相反, 随海拔高度的上升而升高, 可能与类黄酮合成有关, 同时UFGT自身也发挥着抗辐射作用。
两树种紫松果黄素和类胡萝卜素含量以及(A+ Z)/(V+A+Z)值的总体变化趋势是: 随海拔高度的上升而升高(图1B, 图3)。在寺大隆高海拔地区, 植物主要遭受低温和强光辐射胁迫, 在许多常绿植物中发现由于低温引起F v/F m持续降低(Adams et al., 1995), 光化学效率(F v/F m)的下降可以反映光抑制的程度(Demmig-Adams and Adams, 1992; Öquist et al., 1992)。前期研究表明, F v/F m在低温季节显著下降, 而8月份持续在高水平(Wen et al., 2010)。因此低温不是该研究区8月份的主要限定因子, 随海拔上升两树种主要受强光辐射的影响。紫松果黄素能够减少到达植物光合器官的光强度, 对光能起平衡调控作用, 通过光合和热耗散途径保护光合器官(Taulavuori et al., 2004; Merzlyak et al., 2005)。为避免强光进入光合系统, 祁连圆柏和青海云杉合成大量紫松果黄素以保护光合机构。以前对实验基地祁连圆柏的研究结果与本研究结果一致, 即8月份(A+Z)/(V+A+Z)值比较高(Wen et al., 2010)。由于随海拔高度的上升光照增强, 植物在遭受强光胁迫时, 光合器官可通过叶黄素循环增强耗散过剩光能的能力(Demmig-Adams and
对数收益率文陇英等：不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉叶片素的变化特征 409
表2不同海拔高度祁连圆柏和青海云杉种间素的差异
Table 2 Altitude differences in pigments between Sabina przewalskii and Picea crassifolia needles
Content Acy
(OD530) PAL
(U·g–1)
UFGT
(U·g–1)
Rhd
(OD510)
VAZ Car
(mg·g–1FW)
Chl
(mg·g–1FW)
P. crassifolia 0.44±0.07 626.13±40.7 229.88±43.510.31±0.010.79±0.030.79±0.01 1.02±0.03 S. prze
walskii 0.48±0.05 510.38±33.1 437.03±32.010.28±0.030.88±0.040.85±0.03 0.92±0.02 Sig. 0.049
0.000
0.000
0.008 0.000 0.009 0.000 Acy: 花青苷; PAL: 苯丙氨酸解氨酶; UFGT: 类黄酮糖基转移酶; Rhd: 紫松果黄素; VAZ: (A+Z)/(V+A+Z); Car: 类胡萝卜素; Chl: 叶绿素
Acy: Anthocyanin; PAL: Phenylalanine ammonialyase; UFGT: UDP glucose-flavonoid 3-O-glucosyl-transferase; Rhd: Rho-doxanthin; VAZ: (A+Z)/(V+A+Z); Car: Carotenoids; Chl: Chlorophyll
Adams, 1992), 从而保护光系统免遭破坏。类胡萝卜素是光合系统的基本成分, 既参与光捕获又抑制过剩激发能(Demmig-Adams and Adams, 1996), 类胡萝卜素是非酶氧自由基的重要清除剂(Feng et al., 2003), 较高的类胡萝卜素含量有利于减少或防止过量的活性氧产生和保持叶绿体内自由基产生及淬灭的平衡。因此祁连圆柏和青海云杉在高海拔地区具有较高的叶黄素循环库和类胡萝卜素含量以防御强光引起的光抑制。以上结果表明, 随海拔高度的上升强光会增加紫松果黄素和类胡萝卜素的合成以及引起(A+Z)/(V+A+Z)值增高。叶绿素含量随海拔高度的上升而降低, 叶绿素含量减少使叶片截取的光子数量减少, 同时更有效地驱散过剩的激发能(Munné-Bosch and Alegre, 2000)。叶绿素的降解是叶肉细
胞的一种解毒方式, 能够防止生成过多的O2–, 强光条件下易产生单线态1O2的叶绿素漂白、膜脂过氧化及膜损伤等(Matile et al., 1996)。叶绿素能非常有效地防止光合机构受破坏, 进而降低光合抑制的程度(Tanaka et al., 1998)。
祁连圆柏的花青苷、UFGT、类黄酮、类胡萝卜素含量和(A+Z)/(V+A+Z)值均高于青海云杉, 尤其是UFGT活性祁连圆柏高达青海云杉的2倍多(表2, P<0.05)。许多研究表明, 叶片具有较大的叶黄素循环库和较高的转换效率、抗氧化酶活性和可溶性抗氧化物质(Logan et al.,1998; Demmig-Adams, 1998; Brugnoli et al., 1998)。叶片为了适应其生长的光环境, 通过生理生化过程加以适应性调节(Evans, 1996)。祁连圆柏中产生较高的素, 这是由于阳生植物需要更强的光保护, 与这两种植物的生境一致。祁连圆柏和青海云杉叶绿素含量随海拔升高而降低, 且阳生植物祁连圆柏比阴生植物青海云杉含量低, 这可能是由于叶绿素的降低减少了叶片对光的吸收, 使植物免受损伤, 是它们在逆境下的保护机制。植物暴露于光下通常表现为阳生叶片分配更多的氮进入电子传递链以及更多的酶参与碳吸收和代谢, 因而在碳吸收过程中有更大的光子流密度用于旺盛的光合作用(Demmig-Adams, 1998)。祁连圆柏比青海云杉合成更多的花青苷、紫松果黄素、类胡萝卜素以及更低的叶绿素, 是由于祁连圆柏生长在阳坡或半阳坡, 因而面临较强的干旱和强光胁迫, 这是两树种长期与环境作用而形成的适应机制。在祁连山区植物遭受低温、干旱和强光等胁迫, 然而在不同季节主导胁迫因子不同, 8月份主要是干旱和强光胁迫, 在此季节素在这两种树中主要发挥抗旱和抗辐射作用。植物素在不同生境和不同季节发挥的作用是不同的。
参考文献
数据采集装置
冯立娟, 苑兆和, 尹燕雷, 李自峰, 张克 (2008). 美国红枫变期苯丙氨酸解氨酶与查儿酮异构酶变化研究. 山东林业科技38, 1–3.
简启亮, 文陇英, 陈拓, 张满效, 徐世健 (2010). 祁连圆柏和圆柏素含量及其花青苷合成酶活性的季节性变化. 植物学报45, 698–704.
金博文, 康尔泗, 宋克超, 刘贤德(2003). 黑河流域山区植被生态水文功能的研究. 冰川冻土25, 580–584.
王惠聪, 黄旭明, 胡桂兵, 黄辉白 (2004). 荔枝果皮花青苷合成与相关酶的关系研究. 中国农业科学37, 2028–2032. 王庆菊, 李晓磊, 王磊, 孙凡雅, 沈向(2008). 紫叶稠李叶片花苷及其合成相关酶动态. 林业科学44, 45–49.
汪晓峰, 任红旭, 孙国钧(2005). 四裂红景天与长鳞红景天
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