香梨越冬期树干形成层保护酶活性变化特性分析

郑晓辉，巴特尔·巴克*，海利力·库尔班，茹鲜·木沙，刘珊珊

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052）

植物体内有许多酶参与生化反应，调节和控制着代谢的方向和速率。正常情况下，植物依赖体内存在的活性氧清除系统，包括SOD、POD和CAT等维持自由基生成与消除的动态平衡，因此对活性氧清除的能力是决定细胞应对胁迫抗性的关键因素。整个保护酶系统防御能力的强弱取决于这几种酶相互协调的结果。而植物体内保护酶活性的强弱受到温度变化的直接影响：冻害发生时，细胞中原生质过度脱水，蛋白质变性，酶活性下降或丧失，冰晶体还会对细胞造成物理性损伤，导致细胞死亡；日灼发生时，由于温度过高导致细胞内蛋白质变性或凝固，酶失去活性，组织脱水灼伤甚至死亡，外在表现为树干干燥开裂，叶片出现死斑。内陆地区冬季树干南侧受日光直射，皮层内温度上升到20℃或更高，而北侧皮层内温度与气温（0～5℃）大致相同，这种冷热不均，使皮层与木质部内胀外缩，皮层开裂[1]。当日灼和冻害同时发生时，不仅会造成树干、大枝树皮组织损伤，骨干枝部位纵裂，影响水分和养分供给，还会使树势生长减弱，腐烂病、干腐病等病害蔓延，以至于死树毁园，造成严重危害[2]。

库尔勒香梨属于新疆梨种（Pyrus sinkiangensis Yü），是新疆传统地方品种。2002年巴州库尔勒香梨种植面积达3.33×104hm2[3]，至2010年底达3.61×104hm2。经过长期栽培驯化，使香梨具有较强的适应性和抗逆性。然而，由于不利的气候条件及近30年的气候异常等，已严重影响库尔勒香梨的正常生长发育，甚至因越冬伤害导致大量树体死亡[4]。本文通过试验测定越冬期间香梨树干形成层保护酶活性变化特性，为后续的香梨越冬防护工作提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市上户镇哈拉苏村金友联果品有限公司果园进行。该地区属于暖温带大陆性干旱气候（E 86°08'，N 41°45'），多年平均总日照时数2990 h，年平均气温13.2℃，年极端最低气温-28℃，年极端最高气温38.2℃，1～3月逐日最低气温平均值-19℃，逐日最高气温平均值22℃；年降水量55 mm，年最大蒸发量为2788.2 mm，无霜期210 d，主风风向为东北风，海拔高度931.5 m。土壤母质为山前冲积扇上缘，土壤类型为荒漠风沙土，1 m土层土壤质地为沙砾至沙土[3-5]。试验材料为库尔勒香梨，试验果园面积24 hm2（四围也是梨园），梨树株行距为4 m×5 m，株龄8年，树干胸径12～15 cm。

1.2 试验方法

1.2.1 取样方法

取样时间为2009年1月22日、2月19日、3月21日。选取8棵（重复）直径相仿、株龄8年且健康的梨树，在离地50～60 cm高的树干阴、阳面凿取包括韧皮部、形成层2.5 cm宽，5 cm长的树皮组织（不取木质部）样本并截取3～4个带芽的当年生枝条，然后把树皮组织样本和枝条分别截至2 cm长，干净纱布包裹，标记后放入液氮罐中，由于需测定数据较多，先将样品转移到实验室后置于-30℃冰箱中保存，时间不超过24 h。

酶液提取：称取鲜样0.1～0.2 g于预冷的研钵中，加入2 mL预冷的提取介质（50 mmol·L-1，pH 7.8的磷酸缓冲液，内含1%聚乙烯吡咯烷酮）研磨至匀浆，再加入提取介质充分研磨冲洗，使终体积为5 mL，4℃下15000 g超速冷冻离心15 min，上清液即为酶提取液。

1.2.2 酶活性测定

SOD活性测定采用NBT（氮兰四唑）显色法[6]；POD活性测定采用李合生等方法[7]；CAT活性测定采用分光光度法，利用高锰酸钾滴定法和紫外吸收法测定过氧化氢酶活性[8]。每个样品测定5次。

1.2.3 树干形成层温度的测定

测量点取果园中心位置；相邻两行中选取健康的梨树3棵（重复），在树干阳、阴面离地面50～60 cm高处树皮形成层与树皮中间插入植物体内热电偶温度传感器（型号：AV-AT），采用AR5数据采集器采集连续3个月的温度数据，详细监测方法参见文献[9]。

1.3 数据统计

采用DPS软件对库尔勒香梨不同部位形成层酶活性进行多重比较，用Excel统计酶活性与温度的关系。

2 结果与分析

2.1 香梨取样期间气象条件及树干形成层温度变化

1～3月树干形成层温度变化与气温高低关系密切（见表1），当气温升高时，太阳辐射增强，树干形成层温度也随之升高，反之亦然。随着气温升高，形成层极端最低、最高温度都有所升高。

表1 气温与树干形成层温度变化关系Table 1 Temperature change relationship between air and trunk cambium(℃)

1～3月阳面和阴面树干形成层极端温度有所差异（见表1）。阳面形成层极端最低温度均低于阴面，极端最高温度又均高于阴面。故阳面形成层温度日温差大于阴面，阳面日温差最高值出现在2009年1月17日，达33.14℃，比阴面日温差高17.14℃。冬季由于林木进入休眠期，抗冻性增强，但抗相对高温能力下降。因此，日灼伤害在树干阳面出现几率比阴面大[9]。

树干形成层温度24 h变化：1月份日出前阴面形成层温度略高于阳面，日出后阳阴面形成层温度都呈现快速上升趋势，阳面增幅高于阴面，14:00左右达到高峰值，随后温度持续下降，日落后阴面温度降幅小于阳面，阳面温度略低于阴面；2月份树干阳阴面形成层温度变化与1月份相似，峰值出现在15:00左右，温差达15℃左右；3月份日出前阴面温度略高，日出后阳阴面形成层温度快速升高，阳面增幅较快，峰值出现在16:00左右，随后温度开始下降，阳面温度降幅较大。

2.2 越冬期库尔勒香梨树SOD活性变化

由表2可知，同一个部位2月份酶活性均比其在1月份和3月份数据高，但各不同部位SOD酶活性差异不显著。在持续低温下，阳面酶活性较高，因为冬末春初期间，白天气温在0℃以上，夜间气温小于等于0℃，昼夜温差常达10℃以上，树皮向阳面受阳光直射，增温快，温差大，使形成层组织受损，细胞内将产生过多的活性氧，迫使阳面形成层内将产生大量SOD，清除细胞中的自由基，以免机体受到损害[10]。

表2 越冬期库尔勒香梨树干不同组织器官SOD活性变化Table 2 SOD activities variation in parts of Fragrant Pear trunk

超氧化物歧化酶活力变化趋势为先升后降。因降温初期梨树在低温条件下，体内会产生过多的超氧物阴离子自由基，为维持体内自由基的产生与清除的平衡状态，需要高活力的SOD酶来清除过多的自由基。但随着温度的降低，当温度下降到超过各产量对寒冷的忍耐限度，自由基产生过多，细胞发生膜脂氧化作用，从而SOD活性一直降低[11]。树体将遭到比较严重的冻害，高浓度的自由基超过伤害“阈值”，必将导致酶蛋白分子的破坏，从而降低超氧化物歧化酶活力，超氧化物歧化酶活性降低。

2.3 越冬期库尔勒香梨树POD活性变化

由表3可知，越冬期间库尔勒香梨树干形成层POD的活性变化与SOD活性变化的总体趋势相似，即先上升后下降。

表3 越冬期库尔勒香梨树干不同组织器官POD活性变化Table 3 POD activities variation in parts of Fragrant Pear trunk

同一个部位2月份酶活性均比其在1月份和3月份数据高，库尔勒香梨树干阳面、阴面形成层的POD活性都存在显著性差异；在1月份和2月份枝条和芽中的POD活性差异不显著，而3月份枝条和芽的POD活性达显著差异。低温下，阳面和阴面形成层的POD活性较高，芽的活性最低，阳面POD活性约是芽中的两倍，即老化组织中POD活性较高，幼嫩组织POD活性较低。这是因为POD能使组织中的某些碳水化合物转化成木质素，增加木质化程度[12]，所以POD可作为判断组织老化的一种生理指标。

2.4 越冬期库尔勒香梨树CAT活性变化

由表4可知，同一个部位2份月CAT活性均比其在1月份和3月份活性高，树干阳面、阴面形成层的CAT活性存在显著差异；枝条、芽在1月份和3月份存在显著差异，在2月份差异不显著；持续低温下，阳面CAT活性较高。CAT催化H2O2分解为H2O和O2，可清除植物体内的氧自由基，防止氧自由基对植物组织的伤害。

表4 越冬期库尔勒香梨树干不同组织器官CAT活性变化Table 4 CAT activities variation in parts of Fragrant Pear trunk

库尔勒香梨树干形成层CAT活性变化比较平缓，随着温度降低，其活性升高；随着温度升高，CAT活性表现为下降，表明CAT活性与组织中H2O2含量和植物的抗逆性密切相关。

3 讨论

在逆境胁迫下，细胞内会产生大量的活性氧，给细胞带来一定伤害。SOD是植物体内清除活性氧的保护酶之一，超氧自由基是生物细胞某些生理生化反应常见的中间产物，是活性氧的一种[13]。SOD能通过歧化反应清除生物细胞中的超氧自由基，生成H2O2和O2-，H2O2由CAT催化生成H2O和O2，从而减少自由基对有机体的毒害。SOD活性高低以及在逆境中其活性变化趋势在一定程度上可反映植物抗逆性的强弱。POD具有双重作用：一方面POD可在衰老或逆境的初期表达，清除H2O2，表现为保护效应，作为细胞活性氧保护酶系统成员之一；另一方面POD可在衰老或逆境的后期表达，作为衰老组织中不断累积活性氧的来源之一[14]。本试验主要体现POD的清除作用。植物在逆境下或衰老时，由于体内活性氧代谢加强而使H2O2发生累积。CAT可以催化H2O2分解成H2O和O2，使得H2O2不至于与O2在铁螯合物作用下反应生成有害的羟自由基。

综上所述，库尔勒香梨植株的保护酶活性强弱与活性氧的积累量、树木受损伤程度在一定范围内呈正相关。保护酶在面对低温胁迫时表现出一定的活跃性来维持植物正常的生理功能。酶活性的最高值之所以没有出现在平均气温最低的1月份，而是出现在平均气温相对较低的2月份，是因为2月份处于冬季末端，冷热交替明显，昼夜温差极大，气温不稳定，冻融结合使树体受损更为严重，日灼和冻害同时对香梨造成的伤害程度为冬季中最大，导致香梨体内活性氧较1月份增多，从而引起保护酶活性增强。这一现象与2月份形成层平均日较差为3个月份中最大相吻合。进入3月份，温度上升，低温胁迫减弱，日灼和冻害同时发生作用的效果降低，活性氧含量减小，保护酶活性下降。冬季特别是冬末春初期间的冷热变化、冻融交替和温度骤变，使枝干（尤其是树干）组织损伤，出现皮层局部死亡，甚至形成层和木质部外层也死亡[1]。因此着重在2月份加强树木的防护工作，防止日灼与冻害同时作用带给树木的伤害。

冬季日灼现象的存在是导致形成层温度剧烈变化，保护酶活性变化的重要原因。库尔勒香梨树干阳面形成层温度变化比阴面强烈，这与冬季香梨直接受阳光暴晒而升温有关；越冬期间树干阳面日灼伤害并不只是细胞间持续结冰导致的，是强光使树干阳面组织反复升温降温，组织抗寒性降低所致[8]。从保护酶活性的变化特征分析得知，冬季既有低温胁迫，还有不为人们所熟知的日灼伤害。

4 结论

a.保护酶活性随着形成层温度的降低而升高，但同时受日灼影响。保护酶活性的变化反映出香梨树木受损害的程度。越冬期间，冻害和日灼共同作用造成对树木的伤害，其中2月份受日灼和冻害共同作用最为严重，因此有必要在此期间采取遮荫等措施防止日灼，从而减轻日灼和冻害同时对树干的伤害。

b.库尔勒香梨树干形成层阳阴面的SOD活性差异不显著，而POD、CAT活性达差异极显著，因此POD和CAT可作为树干日灼伤害的指标。由于越冬期间香梨树干无叶片遮荫，太阳辐射直接暴晒树干阳面，使阳面形成层温度日变化比阴面剧烈，形成层中活性氧增多，促使保护酶活性变化增强，阳面受日灼和冻害同时作用的可能性远大于阴面。

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