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低温胁迫对油茶苗抗寒性的影响

2014-07-21文佳张诚诚曹志华吴炜胡娟娟束庆

湖北农业科学 2014年3期
关键词:抗寒性过氧化油茶

文佳+张诚诚+曹志华+吴炜+胡娟娟+束庆龙

摘要:以大别山1号油茶(Camellia oleifera Abe1.)容器苗为试验材料,研究在25、10、0和-10 ℃处理下,叶片丙二醛(MDA)含量、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性以及可溶性糖含量的变化。结果表明,随着处理温度的降低,油茶幼苗叶片MDA含量和POD、CAT活性以及可溶性糖含量变化幅度逐渐增大。25 ℃处理下,随处理天数延长,油茶幼苗叶片MDA、可溶性糖含量及CAT、POD活性均无明显变化;10 ℃和0 ℃处理4 d后,MDA和可溶性糖含量与25 ℃处理下相比分别增加了85.81%、180.43%和32%、92%,随处理天数延长,CAT和POD活性呈下降趋势,CAT活性分别降低了33%和40%,POD活性则分别降低14%和47%;-10 ℃处理下,随处理天数延长,油茶幼苗叶片MDA含量急剧增加,增幅达319.47%,可溶性糖含量则先增加后停止增长,增幅为47%,而CAT和POD活性不断下降,降幅分别为90%和71%。遭受10~0 ℃范围内的低温胁迫处理,油茶幼苗尚能形成低温适应机制,以抵御低温对苗木带来的伤害;而遭受-10 ℃及以下低温处理时,油茶幼苗机体代谢机能则几乎失去平衡。

关键词:油茶(Camellia oleifera Abe1.);低温胁迫;丙二醛(MDA);保护酶;可溶性糖

中图分类号:S794.4 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2014)03-0609-04

油茶(Camellia oleifera Abe1.)是世界四大木本油料树种之一,也是中国特有的优良食用油料树种[1]。油茶适宜温暖湿润的气候条件,要求年平均气温在14~22 ℃之间[2],主要分布在中国南方17个省、市(自治区)[3],其中安徽省大别山地区是油茶的重点产区之一, 也是油茶的边缘产区[4]。油茶要求1月平均温度不低于3 ℃,所以该地区油茶林冬季易遭受低温冻害,轻则使其减产,重则致使整片油茶林死亡,造成巨大的经济损失。目前对油茶抗寒性的研究主要集中在优良抗性品种的选育和冬季有效的防寒措施等方面,对于油茶容器苗抗寒性生理的研究较少。

关于植物的抗寒性,自由基伤害学说[5]认为逆境胁迫会促进活性氧产生,活性氧过剩的毒害之一是引发或加剧膜脂过氧化作用,损伤膜系统,作为膜脂过氧化产物,MDA含量的变化是质膜损伤程度的重要标志之一[6]。有些酶如过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等可清除活性氧自由基, 从而防止自由基的毒害, 为此将它们称为保护酶系统[7]。植物体内可溶性糖的积累则与细胞的渗透压有关,提高渗透浓度,降低水势,增强保水力,通过调节渗透浓度来启动脱落酸的形成,诱发蛋白质的合成,增加抗寒性。因此植物体内可溶性糖水平的提高对其抵抗低温胁迫至关重要[8]。人们曾根据这一理论对低温胁迫下的杉木[9]、紫花苜蓿[10]、水稻[11]、葡萄[12]等的抗寒机理进行了研究。为此,试验对低温胁迫下油茶幼苗叶片中MDA、保护酶及可溶性糖等指标进行了测定,以期为油茶苗圃管理和冬季抗寒实践提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料

试验选取二年生的大别山1号油茶容器苗,将容器苗连容器袋移入高25 cm且底部有孔的塑料容器中,待幼苗适应20 d后,将幼苗分为4组,分别置于25、10、0和-10 ℃人工气候箱内进行处理。处理0、2、4 d时分别取第2~3片真叶测定幼苗各项生理参数,并将0 d处理组作为对照组。

1.2 方法

1)POD活性的测定。取2.0 g叶片(鲜叶,文中其他地方同),加入5.0 mL 62.5 mmol/L(pH 7.8)的磷酸缓冲液(内含适量PVP)于冰浴上研磨,于4 ℃、15 000 g离心20 min,上清液为酶液,POD活性的测定采用愈创木酚显色法[13]。

2)CAT活性的测定。取0.3 g叶片,加入62.5 mmol/L的磷酸缓冲液30 mL研磨提取酶液,使用过氧化氢反应法测定CAT活性[14]。

3)MDA含量的测定。取0.5 g叶片,加入pH 7.5的50 mmol/L磷酸缓冲液10 mL,于冰浴中研磨提取,采用硫代巴比妥酸反应法测定MDA含量[15]。

4)可溶性糖含量的测定。按张志良[16]的方法测定可溶性糖含量。

1.3 数据统计分析

数据采用DPS 9.0软件和Excel 2007进行分析。所列各值为参试油茶样品在同一时间同一温度处理下的平均值,取5株进行重复试验。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对大别山1号油茶幼苗叶片MDA含量的影响

图1中25 ℃下的数据表明,未受低温胁迫的油茶幼苗叶片MDA含量随处理时间的延长无明显变化。0、10与-10 ℃低温处理下,MDA含量随处理时间延长都呈上升趋势。随处理温度的降低,相同处理时间下MDA含量升幅明显增大,与对照相比,10 ℃处理4 d后MDA含量增加了85.81%,而0 ℃和-10 ℃处理4 d后MDA含量分别增加了180.43%和319.47%。

对不同温度处理(对照除外)下植株MDA含量进行二因素试验统计分析,结果表明,不同温度处理相同天数和同一温度处理不同天数间植株MDA含量差异都显著。

2.2 低温胁迫对大别山1号油茶幼苗叶片保护酶活性的影响

2.2.1 POD活性的变化 从图2可以看出,25 ℃处理组植株的POD活性随处理时间的延长无明显变化。其他3个温度处理组,随胁迫时间延长,植株POD活性均下降。其中,10 ℃处理下,POD活性略有下降,处理4 d时降幅为14%。0 ℃处理2 d后植株POD活性大幅下降,降幅为42%,处理4 d后POD活性又略降。-10 ℃处理下,POD活性在胁迫2、4 d时均大幅下降,4 d时POD活性较处理前下降了71%。3个不同低温下处理4 d,-10 ℃处理组植株POD活性降幅最大,0 ℃处理组次之,10 ℃处理组最小。

对低温(对照除外)胁迫4 d后的油茶叶片POD活性进行二因素试验统计分析,结果表明,不同温度处理相同天数和同一温度处理不同天数间植株POD活性差异都显著。

2.2.2 CAT活性的变化 图3表明,25 ℃处理组植株CAT活性随处理时间延长变化微小。10、0和-10 ℃处理组中,随胁迫时间延长,CAT活性都呈下降趋势。其中,10 ℃和0 ℃处理2 d后,CAT活性降幅相对较大,分别为28%和35%,而4 d后降幅相对较小,均为8%。-10 ℃处理组的植株CAT活性在胁迫2 d后急剧下降,4 d后降至极低水平。同一处理时间下,处理温度越低CAT活性降幅越大。除25 ℃处理组外,其余同一温度不同处理天数间差异都达到显著水平。

2.3 低温胁迫对大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量的影响

通过图4可知,25 ℃处理组叶片可溶性糖含量随处理时间延长无明显变化。10、0及-10 ℃低温处理下,可溶性糖含量都随处理时间延长而增加。10 ℃处理2 d后植株可溶性糖含量增加,增幅为30%,4 d后略有增加。而0 ℃处理下,可溶性糖含量2 d后仅略增加,4 d后大幅增长,增幅达68%。-10 ℃处理组2 d后可溶性糖含量开始上升,在同一时间该温度处理组可溶性糖含量最高, 4 d时仅略有上升,且远低于0 ℃处理组,但仍高于25 ℃和10 ℃处理组。

3 小结与讨论

3.1 MDA含量与抗寒性的关系

在持续的低温胁迫下,大别山1号油茶幼苗叶片中MDA含量增加。10、0 ℃处理2 d后MDA含量都急剧上升,说明油茶幼苗在突然遭到低温袭击的最初一段时间内,机体本身的代谢功能特别是保护酶系统的调节突然失去平衡,导致活性氧的过量积累,膜脂过氧化作用加强。但随后可能是体内某些应激蛋白的调节作用[17]使保护酶的活性趋于稳定,从而MDA含量也就不再大幅增加。此外,-10 ℃处理下MDA含量在4 d内持续大幅增加,可能是由于过低的温度致使机体的保护酶受到严重损害,活性急剧降低,活性氧清除能力亦大幅降低,导致膜脂过氧化作用不断加强。

3.2 保护酶与抗寒性的关系

POD和CAT 在低温胁迫中所起的作用已经得到了许多证明[18-20]。CAT可分解H2O2,POD也可清除细胞内有害自由基。3个低温胁迫处理下,POD和CAT活性均呈下降趋势,表明低温对保护酶活性有抑制作用,且随着温度的降低,保护酶活性降幅增大。值得注意的是,10 ℃和0 ℃处理4 d后保护酶活性较2 d时仅稍有降低,说明大别山1号油茶幼苗在10 ℃和0 ℃处理下,保护酶活性开始略有降低,但随后活性保持稳定,而-10 ℃处理2 d和4 d后,保护酶活性持续降低,直至极低水平, -10 ℃低温处理可能已使油茶机体保护酶系统的调节几乎完全丧失平衡,无法再形成低温适应机制。

3.3 可溶性糖含量与抗寒性的关系

随着低温胁迫时间的延长大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量上升,这与前人对酸枣的研究结果基本一致[21]。不同低温处理下,大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量均增加,尤其是0 ℃处理下,可溶性糖含量增幅最大,说明0 ℃低温胁迫可能最大程度地诱导了低温适应机制的形成,导致机体增加可溶性糖浓度,提高自身抗寒性,而-10 ℃处理4 d后可溶性糖含量较2 d时基本不再增加,可能是由于突然的过低温度处理导致机体代谢功能失衡,以致无法继续生成大量可溶性糖。

综上所述,活性氧代谢失调、膜脂过氧化是油茶幼苗受到低温损伤的重要原因之一。10 ℃和0 ℃低温处理下,油茶幼苗能够形成低温适应机制,表现出一定的抗寒性,当处理温度低至-10 ℃,超出其抗寒性所能抵御的范围时,则导致油茶幼苗机体代谢功能严重失衡,加剧膜脂过氧化程度,膜损伤严重。

参考文献:

[1] 雷治国,黄永芳,何会蓉.油茶及其种质资源研究进展[J].经济林研究,2003,21(4):123-125.

[2] 陈永忠,杨小胡,彭邵锋,等.我国油茶良种选育研究现状及发展策略[J].林业科技开发,2005,19(4):1-4.

[3] 金笑龙,肖正东,陈素传.安徽省北缘抗寒油茶选优[J].经济林研究,2011,6(2):26-29.

[4] 黎先胜.我国油茶资源的开发利用研究[J]. 湖南科技学院学报,2005,26(11):127-129.

[5] MCCORD J M, FRIDOVICH I. Superoxide dismutase. An enzymic function for erythrocuprein(hemocaprein)[J]. Journal of Biological Chemistry,1969,224(1):6049-6055.

[6] 陈少裕.膜脂过氧化对植物细胞的伤害[J].植物生理学通讯,1991,27(2):84-90.

[7] FRIDOVICH I. The biology of oxygen radical[J]. Science,1975,201:875-880.

[8] 孙学成,胡承孝,谭启玲.施用钼肥对冬小麦游离氨基酸、可溶性蛋白质和糖含量的影响[J]. 华中农业大学学报(自然科学版),2002,21(1):40-42.

[9] 沈惠娟,曾 斌.逆境对杉木幼苗体内一些酶活性的影响[J]. 南京林业大学学报(自然科学版),1992,16(4):54-57.

[10] MCKERSIE B D, CHEN Y R, DE BEUS M,et al. Superoxide dismutase enhance tolerance of freezing stress in transgenic alfalfa (Medicago sativa L.)[J]. Plant Physiology,1993, 103(4):1155-1163.

[11] 曾韶西,王以柔,刘鸿先.低温胁迫对水稻幼苗抗坏血酸含量的影响[J].植物生理学报,1987,13(4):365-370.

[12] 王丽雪,李荣富,张福仁.葡萄枝条中蛋白质、过氧化物酶活性变化与抗寒性的关系[J].内蒙古农牧学院学报,1996,17(1):45-50.

[13] 李 霞,于 涛,阎秀峰. 光强对黄檗幼苗生长及抗氧化酶活性的影响[J].东北林业大学学报,2007,35(1):25-30.

[14] 李 霞,阎秀峰,于 涛.水分胁迫对黄檗幼苗保护酶活性及脂质过氧化作用的影响[J].生态学报,2005,16(12):2353-2356.

[15] 邹 琦.植物生理学实验指导[M].北京:中国农业出版社,2000.

[16] 张志良.植物生理学实验[M]. 北京:高等教育出版社,1990.

[17] LINDQUIST S, CRAIG E A. The heat shock proteins[J]. Annu Rev Genet,1988,22(1):631-677.

[18] JOHN G S. Oxygen stress and superoxide dismutase[J]. Plant Physiol,1993,101(1):7-12.

[19] BOWLER C, VAN MONTAGN C, INZE D. Superoxide dismutase and stress tolerance[J]. Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1992,43(1):83-116.

[20] 王以柔,曾韶西,刘鸿先.冷锻炼对水稻和黄瓜幼苗SOD、GR活性及GSH、AsA含量的影响[J]. 植物学报,1995,37(10):776-780.

[21] 徐 龙,唐 燕,王新建.不同酸枣实生苗抗寒性差异比较[J]. 河南农业科学,2012,41(10):136-141.

对低温(对照除外)胁迫4 d后的油茶叶片POD活性进行二因素试验统计分析,结果表明,不同温度处理相同天数和同一温度处理不同天数间植株POD活性差异都显著。

2.2.2 CAT活性的变化 图3表明,25 ℃处理组植株CAT活性随处理时间延长变化微小。10、0和-10 ℃处理组中,随胁迫时间延长,CAT活性都呈下降趋势。其中,10 ℃和0 ℃处理2 d后,CAT活性降幅相对较大,分别为28%和35%,而4 d后降幅相对较小,均为8%。-10 ℃处理组的植株CAT活性在胁迫2 d后急剧下降,4 d后降至极低水平。同一处理时间下,处理温度越低CAT活性降幅越大。除25 ℃处理组外,其余同一温度不同处理天数间差异都达到显著水平。

2.3 低温胁迫对大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量的影响

通过图4可知,25 ℃处理组叶片可溶性糖含量随处理时间延长无明显变化。10、0及-10 ℃低温处理下,可溶性糖含量都随处理时间延长而增加。10 ℃处理2 d后植株可溶性糖含量增加,增幅为30%,4 d后略有增加。而0 ℃处理下,可溶性糖含量2 d后仅略增加,4 d后大幅增长,增幅达68%。-10 ℃处理组2 d后可溶性糖含量开始上升,在同一时间该温度处理组可溶性糖含量最高, 4 d时仅略有上升,且远低于0 ℃处理组,但仍高于25 ℃和10 ℃处理组。

3 小结与讨论

3.1 MDA含量与抗寒性的关系

在持续的低温胁迫下,大别山1号油茶幼苗叶片中MDA含量增加。10、0 ℃处理2 d后MDA含量都急剧上升,说明油茶幼苗在突然遭到低温袭击的最初一段时间内,机体本身的代谢功能特别是保护酶系统的调节突然失去平衡,导致活性氧的过量积累,膜脂过氧化作用加强。但随后可能是体内某些应激蛋白的调节作用[17]使保护酶的活性趋于稳定,从而MDA含量也就不再大幅增加。此外,-10 ℃处理下MDA含量在4 d内持续大幅增加,可能是由于过低的温度致使机体的保护酶受到严重损害,活性急剧降低,活性氧清除能力亦大幅降低,导致膜脂过氧化作用不断加强。

3.2 保护酶与抗寒性的关系

POD和CAT 在低温胁迫中所起的作用已经得到了许多证明[18-20]。CAT可分解H2O2,POD也可清除细胞内有害自由基。3个低温胁迫处理下,POD和CAT活性均呈下降趋势,表明低温对保护酶活性有抑制作用,且随着温度的降低,保护酶活性降幅增大。值得注意的是,10 ℃和0 ℃处理4 d后保护酶活性较2 d时仅稍有降低,说明大别山1号油茶幼苗在10 ℃和0 ℃处理下,保护酶活性开始略有降低,但随后活性保持稳定,而-10 ℃处理2 d和4 d后,保护酶活性持续降低,直至极低水平, -10 ℃低温处理可能已使油茶机体保护酶系统的调节几乎完全丧失平衡,无法再形成低温适应机制。

3.3 可溶性糖含量与抗寒性的关系

随着低温胁迫时间的延长大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量上升,这与前人对酸枣的研究结果基本一致[21]。不同低温处理下,大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量均增加,尤其是0 ℃处理下,可溶性糖含量增幅最大,说明0 ℃低温胁迫可能最大程度地诱导了低温适应机制的形成,导致机体增加可溶性糖浓度,提高自身抗寒性,而-10 ℃处理4 d后可溶性糖含量较2 d时基本不再增加,可能是由于突然的过低温度处理导致机体代谢功能失衡,以致无法继续生成大量可溶性糖。

综上所述,活性氧代谢失调、膜脂过氧化是油茶幼苗受到低温损伤的重要原因之一。10 ℃和0 ℃低温处理下,油茶幼苗能够形成低温适应机制,表现出一定的抗寒性,当处理温度低至-10 ℃,超出其抗寒性所能抵御的范围时,则导致油茶幼苗机体代谢功能严重失衡,加剧膜脂过氧化程度,膜损伤严重。

参考文献:

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[7] FRIDOVICH I. The biology of oxygen radical[J]. Science,1975,201:875-880.

[8] 孙学成,胡承孝,谭启玲.施用钼肥对冬小麦游离氨基酸、可溶性蛋白质和糖含量的影响[J]. 华中农业大学学报(自然科学版),2002,21(1):40-42.

[9] 沈惠娟,曾 斌.逆境对杉木幼苗体内一些酶活性的影响[J]. 南京林业大学学报(自然科学版),1992,16(4):54-57.

[10] MCKERSIE B D, CHEN Y R, DE BEUS M,et al. Superoxide dismutase enhance tolerance of freezing stress in transgenic alfalfa (Medicago sativa L.)[J]. Plant Physiology,1993, 103(4):1155-1163.

[11] 曾韶西,王以柔,刘鸿先.低温胁迫对水稻幼苗抗坏血酸含量的影响[J].植物生理学报,1987,13(4):365-370.

[12] 王丽雪,李荣富,张福仁.葡萄枝条中蛋白质、过氧化物酶活性变化与抗寒性的关系[J].内蒙古农牧学院学报,1996,17(1):45-50.

[13] 李 霞,于 涛,阎秀峰. 光强对黄檗幼苗生长及抗氧化酶活性的影响[J].东北林业大学学报,2007,35(1):25-30.

[14] 李 霞,阎秀峰,于 涛.水分胁迫对黄檗幼苗保护酶活性及脂质过氧化作用的影响[J].生态学报,2005,16(12):2353-2356.

[15] 邹 琦.植物生理学实验指导[M].北京:中国农业出版社,2000.

[16] 张志良.植物生理学实验[M]. 北京:高等教育出版社,1990.

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[19] BOWLER C, VAN MONTAGN C, INZE D. Superoxide dismutase and stress tolerance[J]. Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1992,43(1):83-116.

[20] 王以柔,曾韶西,刘鸿先.冷锻炼对水稻和黄瓜幼苗SOD、GR活性及GSH、AsA含量的影响[J]. 植物学报,1995,37(10):776-780.

[21] 徐 龙,唐 燕,王新建.不同酸枣实生苗抗寒性差异比较[J]. 河南农业科学,2012,41(10):136-141.

对低温(对照除外)胁迫4 d后的油茶叶片POD活性进行二因素试验统计分析,结果表明,不同温度处理相同天数和同一温度处理不同天数间植株POD活性差异都显著。

2.2.2 CAT活性的变化 图3表明,25 ℃处理组植株CAT活性随处理时间延长变化微小。10、0和-10 ℃处理组中,随胁迫时间延长,CAT活性都呈下降趋势。其中,10 ℃和0 ℃处理2 d后,CAT活性降幅相对较大,分别为28%和35%,而4 d后降幅相对较小,均为8%。-10 ℃处理组的植株CAT活性在胁迫2 d后急剧下降,4 d后降至极低水平。同一处理时间下,处理温度越低CAT活性降幅越大。除25 ℃处理组外,其余同一温度不同处理天数间差异都达到显著水平。

2.3 低温胁迫对大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量的影响

通过图4可知,25 ℃处理组叶片可溶性糖含量随处理时间延长无明显变化。10、0及-10 ℃低温处理下,可溶性糖含量都随处理时间延长而增加。10 ℃处理2 d后植株可溶性糖含量增加,增幅为30%,4 d后略有增加。而0 ℃处理下,可溶性糖含量2 d后仅略增加,4 d后大幅增长,增幅达68%。-10 ℃处理组2 d后可溶性糖含量开始上升,在同一时间该温度处理组可溶性糖含量最高, 4 d时仅略有上升,且远低于0 ℃处理组,但仍高于25 ℃和10 ℃处理组。

3 小结与讨论

3.1 MDA含量与抗寒性的关系

在持续的低温胁迫下,大别山1号油茶幼苗叶片中MDA含量增加。10、0 ℃处理2 d后MDA含量都急剧上升,说明油茶幼苗在突然遭到低温袭击的最初一段时间内,机体本身的代谢功能特别是保护酶系统的调节突然失去平衡,导致活性氧的过量积累,膜脂过氧化作用加强。但随后可能是体内某些应激蛋白的调节作用[17]使保护酶的活性趋于稳定,从而MDA含量也就不再大幅增加。此外,-10 ℃处理下MDA含量在4 d内持续大幅增加,可能是由于过低的温度致使机体的保护酶受到严重损害,活性急剧降低,活性氧清除能力亦大幅降低,导致膜脂过氧化作用不断加强。

3.2 保护酶与抗寒性的关系

POD和CAT 在低温胁迫中所起的作用已经得到了许多证明[18-20]。CAT可分解H2O2,POD也可清除细胞内有害自由基。3个低温胁迫处理下,POD和CAT活性均呈下降趋势,表明低温对保护酶活性有抑制作用,且随着温度的降低,保护酶活性降幅增大。值得注意的是,10 ℃和0 ℃处理4 d后保护酶活性较2 d时仅稍有降低,说明大别山1号油茶幼苗在10 ℃和0 ℃处理下,保护酶活性开始略有降低,但随后活性保持稳定,而-10 ℃处理2 d和4 d后,保护酶活性持续降低,直至极低水平, -10 ℃低温处理可能已使油茶机体保护酶系统的调节几乎完全丧失平衡,无法再形成低温适应机制。

3.3 可溶性糖含量与抗寒性的关系

随着低温胁迫时间的延长大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量上升,这与前人对酸枣的研究结果基本一致[21]。不同低温处理下,大别山1号油茶幼苗叶片可溶性糖含量均增加,尤其是0 ℃处理下,可溶性糖含量增幅最大,说明0 ℃低温胁迫可能最大程度地诱导了低温适应机制的形成,导致机体增加可溶性糖浓度,提高自身抗寒性,而-10 ℃处理4 d后可溶性糖含量较2 d时基本不再增加,可能是由于突然的过低温度处理导致机体代谢功能失衡,以致无法继续生成大量可溶性糖。

综上所述,活性氧代谢失调、膜脂过氧化是油茶幼苗受到低温损伤的重要原因之一。10 ℃和0 ℃低温处理下,油茶幼苗能够形成低温适应机制,表现出一定的抗寒性,当处理温度低至-10 ℃,超出其抗寒性所能抵御的范围时,则导致油茶幼苗机体代谢功能严重失衡,加剧膜脂过氧化程度,膜损伤严重。

参考文献:

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