秋末杨树叶片中碳水化合物与酚类物质含量变化

李正华　李海霞　于文喜等

摘要 [目的]研究秋末迎春5号杨叶片生理指标变化，探讨叶片内各物质的变化规律及其之间的关系。[方法]在不同时间点采集杨树一年生叶片，测定光合色素、可溶性糖、黄酮和总酚含量。[结果]随气温降低，叶片中光合色素均呈下降趋势，叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量与温度变化呈极显著正相关；Car/Chl、Chla/Chlb比值上升，其中Car/Chl比值与温度间呈极显著负相关；可溶性糖、黄酮和总酚含量均升高，前二者与温度变化呈强负相关，而总酚含量相关性不强。[结论]叶片中Car/Chl及Chla/Chlb比值的上升，可能是杨树叶片抗寒能力增强的重要指标。

关键词 光合色素；可溶性糖；黄酮；总酚

中图分类号 S792.11 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-201-03

Abstract [Objective]Experiments were carried out to study the changes of physiological indexes and the relation among the material of the Yingchun poplar 5 in late autumn.[Method]The content of photosynthetic pigment，soluble sugar，flavonoid and total phenols of annual poplar leaves at different time points were measured.[Result]The results showed that the content of photosynthetic pigment decreased with the temperature declining.Chlorophyll，chlorophyll a and chlorophyll b content presented significantly positive correlation to temperature.Car/Chl、Chla/Chlb ratio rose.The results showed a highly significant negative correlation between Car/Chl and temperature.The contents of soluble sugar，flavonoid and total phenols increased with the temperature decreased.The negative correlation between temperature and soluble sugar as flavonoid was significant .There was no correlated between total phenols and temperature.[Conclusion]The Car/Chl and Chla/Chlb in leaf may be the important indexes of poplar leaf cold tolerance.

Key words Photosynthetic pigment；Soluble sugar； Flavonoid；Total phenols

楊树是我国重要的造林树种之一，因其生长迅速、材性优良、树形优美，被大量用于营造工业用材林、生态防护林以及城市园林绿化，是我国北方种植面积最大的树种[1-2]。众多环境因子中，低温冻害是影响我国北方地区杨树产业发展重要因素，加上近年来频频出现的气候反常现象，使杨树植物更易遭受春秋季节低温胁迫。

20世纪60年代以前，关于杨树抗冻性研究仅限于一般冻害调查。近年来，有关杨树抗寒性方面的研究，主要集中在生理生化及细胞形态方面[3-4]。这些探索与研究涉及的杨树抗冻性多限于形态结构分析、品种间抗冻性强弱比较及初生代谢指标的测试。植物在长期进化中与环境相互作用形成的次生代谢，在提高自身保护和生存竞争能力、协调与环境关系上充当着重要的角色，次生代谢产物的产生和变化比初生代谢产物与环境有着更强的相关性和对应性。从动态发展的角度看，在植物与环境的适应和进化过程中，次生代谢要比初生代谢“记录”了更多的环境信息[5]。杨树中含有种类丰富、数量众多的酚类化合物，一些研究也表明酚类物质是杨树中的重要防御性物质，其在抵御病虫侵害、植食性动物取食等方面扮演重要角色[6-8]，但有关酚类物质与杨树冻害与抗冻性的相关工作却鲜见报道。

该研究以迎春5号杨为材料，分析秋末温度急剧下降时期，杨树叶片中叶绿素、可溶性糖、黄酮及总酚的含量变化，探讨各物质的变化规律及其之间的关系，为研究杨树抗寒性提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 样地与材料

哈尔滨市位于125°42′～130°10′E，44°04′～46°40′N，地处中国东北北部地区，黑龙江省南部。该地区属于大陆性季风气候，有典型的四季交替。秋季（9～10月）是从夏到冬的过渡季节，因受北方冷空气影响，气候由暖变寒。气旋活动仅次于春季，天气冷暖多变，每当冷锋过后，气温急剧下降。气温月际变化幅度达8～9 ℃。

样品采集自哈尔滨市香坊区哈平路和保健路交叉路段的南岗区爱心林，杨树品种为迎春5号（PopulusבZhonglin Sanbei 1）。其生长迅速、材质优良、干形通直、冠幅窄、分枝细，极为耐寒、抗病害能力强，在主要经济技术及抗性指标上，显著超过了小黑杨等推广品种，是“四旁”植树、培育速生丰产林及短轮伐期工业原料林的优良品种。

1.2 样品采集

自2006年9月22日至10月22日，每3 d上午9时采集样品，共采样11次。采生长在树冠中部的一年生枝条，将所有叶片放入冰盒，带回实验室处理。将叶片擦拭干净后，除去叶柄，避开主叶脉用打孔器取0.2 g样品测叶绿素含量，将剩余叶片放入烘箱，在80 ℃下干燥48 h，粉碎过筛用于测试其他指标。

10月24日最低溫度骤降至-5.5 ℃，在10月25日杨树叶片出现冻伤，有的呈现风干现象，采样结束。

1.3 仪器与方法

仪器：U2800紫外-可见分光光度计（日本HITACHI公司）； AB104型电子天平（瑞士）；KQ100DB超声波仪（江苏昆山超声仪器公司）； DGG9070A型电热恒温鼓风干燥箱（苏州江东精密仪器有限公司）。

试剂：试剂均为分析纯，芦丁购自中国药品生物制品检定所；没食子酸购自Alfa Aesar公司。

叶绿素含量、可溶性糖含量测定参照《植物生理生化实验原理和技术》中的乙醇法、蒽酮法[9]，总酚含量和黄酮含量测定方法参照文献[10]。

1.4 数据处理 采用Excel、SPSS16.0制图和分析。

2 结果与分析

2.1 哈尔滨市秋末最低温度变化曲线 由图1可知，秋末9月22日至29日最低气温在6～13 ℃范围波动，呈“M”形变化；9月30日～10月13日气温虽有波动，但整体呈下降趋势，特别是10月3～13日从13.1 ℃下降到-2.1℃；10月13日后气温有所回升，变化也呈“M”形，最终下降到最低-3.1 ℃（21日）。

叶片不仅受采样当日气温的影响，前几日的气温也会对它产生影响，因此采样日的最低温度是前几日最低温度的平均值。根据相关系数分析表1数据，拟合温度采用4 d最低温度的平均值（T4）。

采样前期，9月22日～10月1日最低温度在8.7～10.5 ℃波动，略有上升走势；而后10月4～16日最低气温迅速下降；末期最低温度下降较为平缓。

2.2 各指标与温度的相关系数分析结果

温度T1是采样日的最低温度，T2是采样日和前1 d的最低温度平均值，T3是采样日和前2 d的最低温度平均值，T4 和T5依次类推，采用SPSS16.0分析各指标与温度的相关性，得到表1。由数据结果可得，类胡萝卜素含量变化对温度变化响应最为迅速，其次是叶绿素a/b和可溶性糖含量，其他指标均在3～5 d对温度变化响应最好，该试验综合考虑采用4 d的温度进行拟合。

2.3 秋末杨树叶片光合色素含量变化及与温度的相关性

2.3.1 叶绿素（Chl）、叶绿素a（Chla）、b（Chlb）和类胡萝卜素（Car）含量的变化。

秋末迎春5号杨叶片叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素（Car）含量均随气温的波动而变化，气温上升则含量升高，气温降低则含量降低。由图2可以看出，它们的含量随温度的降低而呈下降趋势，类胡萝卜素含量降低趋势较缓。

在光合色素与温度的相关性分析中，叶绿素、叶绿素a和叶绿素b与最低温度T4的相关系数分别为0.96、0.96和0.93，且Sig.均<0.01，呈现出极显著正相关；而类胡萝卜素与温度的相关性不强（相关系数为-0.27）。

2.3.2 类胡萝卜素与叶绿素含量比值变化曲线。

类胡萝卜素是叶绿体中一类非常重要的辅助色素，可以捕获光能，传递给叶绿素a用于光合；同时具有抑制和清除活性氧的功能，类胡萝卜素与叶绿素（Car/Chl）比值的高低与植物忍受逆境的能力密切相关[11]。

由图3可知，迎春5号杨叶片中Car/Chl比值随着采样时而逐渐上升，这与气温下降变化呈相反趋势。谷值出现在9月25日，而后Car/Chl比值逐渐升高，至采样结束达到最大值。这表明叶片中叶绿素含量迅速降低，而类胡萝卜素含量降低速度相对较慢。也就是说迎春5号杨叶片Car/Chl比值不断升高，可能是它对降温的一种适应性表现。

在相关性分析中，Car/Chl比值与温度T1、T2、T3、T4和T5的相关系数在-0.90～-0.93之间，且Sig.均<0.01，表明这一指标与温度呈极负相关。因此，Car/Chl比值的上升可能与迎春5号杨叶片抗寒能力的增强密切相关。

2.3.3 叶绿素a/b的变化曲线。

梁建萍等[12]在对不同海拔华北落叶松的研究中，证实随海拔升高，叶绿素a/b值呈上升趋势，推测这些变化可能与高海拔的低温和强辐射有关。并有多项研究表明叶绿素a/b值与植物抗寒性关系密切，所以在生理生态学的研究中，叶绿素a/b值常可作为一种反映逆境胁迫对植物造成伤害程度的生理指标，用以说明环境条件的变化对植物产生的影响[11]。

由图4可知，采样过程中迎春5号杨叶片叶绿素a/b值波动上升，这表明叶绿素a含量下降幅度相对叶绿素b慢；整体来看叶绿素a/b值变化与气温下降趋势相反。叶绿素a/b值与最低温度T2的相关系数为-0.76，Sig.=0.007<0.01，表现为极负相关。因此，迎春5号杨叶片叶绿素a/b值随气温的下降而上升可能与其抗寒能力增强密切相关。

2.4 可溶性糖含量变化

可溶性糖是植物细胞内重要的渗透调节物质之一，它能够增加胞内溶质浓度，降低细胞的冰点；还可以缓冲细胞质过度脱水，保护细胞质胶体不致遇冷凝固，减轻低温对细胞的伤害[13]。

由图5可知，迎春5号杨叶片中可溶性糖含量初期含量较高，迅速降低后缓慢上升，最后到最大值。整体来看，其含量呈上升趋势，与气温下降变化相反。可溶性糖含量与最低温度T2的相关系数为-0.90，Sig.=0.001<0.01，为极负相关。迎春5号杨叶片中可溶性糖含量初期较高，可能是该时期杨树生命活动旺盛所致，而后期可溶性糖含量的逐步积累，则可能是为了抵御低温胁迫所做的准备。

2.5 黄酮含量变化

芦丁又名芸香苷，是植物中的一种黄酮类化合物，具有抗自由基活性、抗脂质过氧化、抗病毒等作用，近年来发现黄酮类物质在植物的抗性生理中有重要的作用，可以作为抗寒性的有效生理指标[14]。

从图6可看出迎春5号杨叶片黄酮含量早期波动较大，而后平稳上升，从最初含量34.71 mg/g上升到最后含量44.83 mg/g，其增加幅度为29%。总体来看，叶片黄酮含量在秋末逐渐增加，与气温降低变化相反。黄酮含量与最低温度T4、T5的相关系数为-0.57，为负相关。因此可以推测，黄酮类化合物在杨树叶片抗寒生物学过程中具有重要作用。

2.6 总酚含量变化

该试验测定的总酚是指芳香族羟基衍生物的总称，以没食子酸为参照物，测得叶片中可溶性酚类物质的含量，反映样品中可溶性酚羟基的强度。

由图7可知，采样初期迎春5号杨叶片总酚含量波动幅度较大，中后期逐渐升高，最后为最大值（10月22日）。最后一次样品总酚含量是初次样品含量的1.70倍，是最低值（9月28日）的2.09倍。相关性分析结果表明迎春5号杨叶片总酚含量与最低温度T4、T5相关性不强（相关系数=- 0.21）。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）随着气温的波动下降，叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量下降，且与温度呈极强的正相关。

（2）随着气温的波动下降，Car/Chl、Chla/b比值上升，其中Car/Chl比值与温度间呈极强的负相关。

（3）随着气温的波动下降，可溶性糖、黄酮类化合物、总酚逐步积累，含量上升，其中可溶性糖含量与气温间呈极强的负相关，其次为黄酮类化合物，总酚含量相关性不强。

3.2 讨论 迎春5号杨叶片叶绿素、叶绿素a、叶绿素b的含量下降可能是杨树叶片衰亡的表现之一，而与气温变化关系还需进一步研究；叶片中Car/Chl及Chla/Chlb比值的上升，可能是杨树叶片抗寒能力增强的重要指标之一；迎春5号杨极为耐寒，一方面可能是与可溶性糖、黄酮类化合物等抗寒物质的积累密切相关，另外也可能与Car/Chl及Chla/b比值大小相关[15]。

参考文献

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